JP5321388B2

JP5321388B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP5321388B2
Application number: JP2009219630A
Authority: JP
Inventors: 君平小林; 則博荒井
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: JP2011069921A

Description

この発明は、ゲストホスト型の液晶表示装置に関する。

ゲストホスト液晶表示装置は、第１の電極を形成した第１の基板と、第２の電極を形成した第２の基板とを、ホスト液晶に所定の色の二色性染料を添加した液晶を介して、それぞれの電極が形成された面を対向させて配置したものであり、電圧の印加により液晶分子及び染料分子の配向状態を変化させ、前記液晶層を透過する光の前記二色性染料による吸収を制御して表示する。

このゲストホスト液晶表示装置には、表示面とは反対側に配置された光源からの照射光を利用する透過表示を行うものと、液晶表示装置の使用環境の光である外光を利用する反射表示を行うものとがある。

しかし、透過表示を行うゲストホスト液晶表示装置は、入射光が前記液晶層を一方向に透過するだけであるため、二色性染料による光の吸収量が少なく、所定の濃さに着色した表示が得られない。

そのため、透過表示を行うゲストホスト液晶表示装置では、前記ゲスト液晶への二色性染料の添加量を多くするか、或いは液晶層厚を大きくして、所定の濃さの着色表示を得るようにしているが、二色性染料の添加量を多くしたり、液晶層厚を大きくしたりしたのでは、印加電圧に対する前記ゲスト液晶の応答性が低下するために、高い電圧で駆動しなければならなくなる。

一方、反射表示を行うゲストホスト液晶表示装置は、入射光が前記液晶層を往復して透過するため、二色性染料の添加量を多くしたり、液晶層厚を大きくしたりしなくても、所定の濃さに着色した表示を得ることができる。

前記反射表示を行うゲストホスト液晶表示装置としては、従来、表示面とは反対側に、反射部材として反射偏光板を配置し、この反射偏光板の後側に光吸収膜を配置したものがある（特許文献１参照）。

特開２００１−７５０８４号公報

しかし、上記従来の反射表示を行うゲストホスト液晶表示装置は、低照度の環境下では、表示が暗くて視認することができない。

この発明は、主に外光を利用する反射表示を行い、しかも低照度の環境下でも表示を視認することができるゲストホスト型の液晶表示装置を提供することを目的としたものである。

前記課題を解決するため、本発明の液晶表示素子の一態様は、第１の電極を形成した第１の基板と、第２の電極を形成した第２の基板とを、ホスト液晶に所定の色の二色性染料を添加した液晶層を介して、それぞれの電極が形成された面を対向させて配置したゲストホスト型の液晶表示装置であって、前記液晶層の液晶分子及び染料分子を、分子長軸を所定の方向に揃えたホモジニアス配向とホメオトロピック配向との何れか一方に配向させ、電圧の印加により、前記液晶分子及び前記染料分子の初期の配向状態を前記ホモジニアス配向または前記ホメオトロピック配向する方向に変化させる液晶素子と、前記液晶素子の表示面とは反対側の面に配置され、互いに直交する方向に反射軸と透過軸とをもち、当該反射軸方向の振動成分の光を反射し、当該透過軸方向の振動成分の光を透過させる偏光特性を有する反射偏光板と、前記反射偏光板の前記液晶素子とは反対側の面に配置され、互いに直交する方向に吸収軸と透過軸とをもち、当該吸収軸方向の振動成分の光を吸収し、当該透過軸方向の振動成分の光を透過させる偏光特性を有する吸収偏光板と、前記吸収偏光板の前記反射偏光板とは反対側の面に配置された光源と、を備え、前記反射偏光板は、前記反射偏光板の反射軸を前記液晶分子及び前記染料分子の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向に対して０°〜４５°の範囲の方向に向けて配置され、前記吸収偏光板は、前記吸収偏光板の吸収軸を前記反射偏光板の反射軸に対して４５°〜９０°の範囲の方向に向けて配置され、前記反射偏光板は、前記反射偏光板の透過軸方向の振動成分の光を、前記吸収偏光板の透過軸方向の振動成分の光の透過率よりも大きい透過率で透過させるとともに、前記反射偏光板の反射軸方向の振動成分の光を、前記吸収偏光板の吸収軸方向の振動成分の光の透過率よりも大きい透過率で透過させる特性を有している、ことを特徴とする。

この発明のゲストホスト液晶表示装置によれば、主に外光を利用する反射表示を行い、しかも低照度の環境下でも表示を視認することができる。

この発明の一実施例を示す液晶表示装置の一部分の断面図。前記液晶表示装置における液晶素子の配向処理方向と、反射偏光板の反射軸及び透過軸の向きと、吸収偏光板の吸収軸及び透過軸の向きを示す図。前記液晶表示装置の反射表示における着色表示の模式図。前記液晶表示装置の反射表示における白表示の模式図。前記液晶表示装置の透過表示における着色表示の模式図。前記液晶表示装置の透過表示における白表示の模式図。吸収偏光板の透過率特性図。反射偏光板の透過率特性図。２枚の吸収偏光板を重ねて配置したときの透過率特性図。２枚の反射偏光板を重ねて配置したときの透過率特性図。反射偏光板と吸収偏光板を重ねて配置したときの透過率特性図。二色性染料を添加しない液晶を用いたテスト用のホモジニアス配向型液晶表示装置における液晶層厚ｄと液晶のカイラルピッチＰとの比ｄ／Ｐと電圧−透過率特性との関係を示す図。

［実施例］
この発明のゲストホスト液晶表示装置は、図１のように、ホスト液晶に所定の色の二色性染料を添加した液晶層（以下、ゲストホスト液晶層という）８を有する液晶素子１と、前記液晶素子１の表示面とは反対側の面に配置された第１偏光部材１１と、前記第１偏光部材１１に対向して配置された第２偏光部材１２と、前記第２偏光部材１２に対向して配置された光源１３とを備えている。

前記液晶素子１は、第１の透明電極４を形成した第１の透明基板２と、第２の透明電極５を形成した第２の透明基板とを、前記ゲストホスト液晶層８を介して、それぞれの電極４，５が形成された面を対向させて配置したものである。

この実施例の液晶素子１は、アクティブマトリックス型液晶素子であり、第１基板２に設けられた第１電極４は、行方向及び列方向に配列された複数の画素電極、第２基板３に設けられた第２電極５は、前記複数の画素電極４と対向する一枚膜状の対向電極である。

そして、図１では省略しているが、前記第１基板２の第２基板３と対向する面には、前記各画素電極４にそれぞれ対応させて配置され、対応する画素電極４にソース電極を接続された複数のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）と、各行の複数のＴＦＴにゲート信号を供給する複数の走査線と、各列の複数のＴＦＴにデータ信号を供給する複数の信号線とが設けられている。

また、この実施例の液晶素子１は、前記ゲストホスト液晶層８の液晶分子９及び染料分子１０を、分子長軸を所定の方向に揃えてホモジニアス配向させたホモジニアス配向型素子である。

すなわち、前記第１基板２と第２基板３にはそれぞれ、前記電極４，５を覆って、ポリイミド膜等の水平配向膜６，７が形成されており、これらの配向膜６，７は、それぞれの膜面を、所定の方向と実質的に平行で且つ互いに逆向きの方向にラビングすることにより配向処理されている。

図２において、矢印６ｒ，７ｒは、前記第１基板２に形成された第１配向膜６と前記第２基板３に形成された第２配向膜７のラビング方向を示しており、この実施例では、前記第１配向膜６と第２配向膜７とを画面の横軸方向と平行で且つ互いに逆向き方向にラビングしている。

そして、前記第１基板２と第２基板３は、前記複数の画素電極４が配列された領域からなる画面エリアを囲む枠状のシール材（図示せず）を介して接合されており、これらの基板２，３間の間隙の前記シール材で囲まれた領域に、ホスト液晶に二色性染料を添加したゲストホスト液晶層８が形成されている。

前記ホスト液晶は、正の誘電異方性を有し、且つコレステリック液晶等のカイラル材を含まないネマティック液晶からなっており、液晶分子９及び染料分子１０は、前記各画素電極４と対向電極５との間に電圧を印加しない無電界状態において、分子長軸を所定の方向、つまり前記第１配向膜６及び第２配向膜７のラビング方向６ｒ，７ｒに揃えてホモジニアス配向している。

前記液晶素子１は、前記各画素電極４と対向電極５との間への電圧の印加により、液晶分子９及び染料分子１０の配向状態を、前記基板２，３面に対して略垂直な方向に分子長軸を向けてホメオトロピック配向する方向に変化させる。

前記液晶素子１は、前記第１基板２と第２基板３の何れか一方、例えば対向電極５が設けられた第２基板３の外面を表示の観察方向（図１において上方向）に向けて配置されている。

前記液晶素子１の後側に配置された第１偏光部材１１と、前記第１偏光部材１１の後側に配置された第２偏光部材１２とのうち、第２偏光部材１２は、図２のように、互いに直交する方向に吸収軸１２ａと透過軸１２ｂとをもち、前記吸収軸１２ａ方向の振動成分の光を吸収し、前記透過軸１２ｂ方向の振動成分の光を透過させる偏光特性を有する吸収偏光板からなっている。

また、前記第１偏光部材１１は、図２のように、互いに直交する方向に反射軸１１ａと透過軸１１ｂとをもち、前記反射軸１１ａ方向の振動成分の光を反射し、前記透過軸１１ｂ方向の振動成分の光を透過させる偏光特性を有する反射偏光板からなっている。

前記反射偏光板１１は、その反射軸１１ａ方向の振動成分の光を、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａ方向の振動成分の光の透過率よりも大きい透過率で透過させる特性を有している。

すなわち、前記反射偏光板１１は、直線偏光への変換度が前記吸収偏光板１２に比べて低い偏光板であり、光の吸収率（非偏光の光を入射させたときの入射光量に対する吸収光量の比）が、前記吸収偏光板１２の吸収率（非偏光の光を入射させたときの入射光量に対する吸収光量の比）よりも小さく、光の透過率（非偏光の光を入射させたときの入射光量に対する透過光量の比）が、前記吸収偏光板１２の透過率よりも大きい。例えば可視光帯域の中間波長である５５０ｎｍ波長光の透過率は、前記吸収偏光板１２では約４５．６％、前記反射偏光板１１では約６７．３％である。

そして、前記反射偏光板１１は、前記反射軸１１ａを、前記液晶素子１の液晶分子９及び染料分子１０の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向、つまり前記第１配向膜６及び第２配向膜７のラビング方向６ｒ，７ｒに対して所定の角度以内の方向に向けて配置され、前記吸収偏光板１２は、前記吸収軸１２ａを、前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと交差させて配置されている。

この実施例において、前記反射偏光板１１は、前記反射軸１１ａを、前記液晶分子９及び染料分子１０の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向と略平行にして配置されており、前記吸収偏光板１２は、前記吸収軸１２ａを、前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと略直交させて配置させている。

また、前記吸収偏光板１２の後側に配置された光源１３は、前記液晶素子１の少なくとも画面エリア（複数の画素電極４が配列された領域）の全域に向けて非偏光の光を照射する面光源である。なお、図１では前記光源１３を簡略化しているが、この光源１３は、例えば、前記液晶素子１の少なくとも画面エリア（複数の画素電極４が配列された領域）の全体に対向する面積を有する透明板からなり、一端面に光の入射端面が形成され、前記吸収偏光板１２と対向する板面に、前記入射端面から入射した光の出射面が形成され、その反対側の板面に、前記入射端面から入射した光を前記出射面に向けて反射する反射面が形成された導光板と、この導光板の前記入射端面に対向させて配置されたＬＥＤ（発光ダイオード）等からなる複数の発光素子とにより構成されている。

さらに、この実施例の液晶表示装置は、表示の観察方向に対向する面、つまり前記液晶素子１の前面（第２基板３の外面）に、外光の表面反射を防ぐための反射防止膜または紫外線カット膜からなる表面シート１４を備えている。なお、この表面シート１４は、前記反射防止膜と紫外線カット膜とを積層したものでもよい。

この液晶表示装置は、上記のように、ホスト液晶に所定の色の二色性染料を添加し、液晶分子９及び染料分子１０を、分子長軸を所定の方向に揃えてホモジニアス配向させた液晶層８を有し、前記各画素電極４と対向電極５との間への電圧の印加により、前記液晶分子９及び染料分子１０の配向状態をホメオトロピック配向する方向に変化させる液晶素子１と、前記液晶素子１の後側に、反射軸１１ａを前記液晶分子９及び染料分子１０の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向と略平行にさせて配置された反射偏光板１１と、前記反射偏光板１１の後側に、吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと略直交させて配置された吸収偏光板１２と、前記吸収偏光板１２の後側に配置された光源１３とを備えている。

そのため、この液晶表示装置の前面から入射し、前記液晶素子１を透過した光を前記反射偏光板１１により反射して前記前面から出射する反射表示と、前記光源１３から照射され、前記吸収偏光板１２と反射偏光板１１と前記液晶素子１とを透過した光を前面から出射する透過表示とを行うことができる。

この液晶表示装置において、前記液晶素子１のホスト液晶への二色性染料の添加量と前記ゲストホスト液晶層８の層厚は、前記液晶分子９及び染料分子１０が前記第１配向膜６及び第２配向膜７のラビング方向６ｒ，７ｒに分子長軸を揃えて配向したホモジニアス配向状態において、前記表示面から入射し、前記反射偏光板１１により反射されて前記表示面から射出する光、つまり前記ゲストホスト液晶層８を往復して透過する光の前記二色性染料による吸収率が所定の値になるように設定されている。

前記液晶表示装置の１つの画素における表示を説明すると、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に電圧を印加しない無電界時、つまり前記液晶分子９及び染料分子１０が図３及び図５のように分子長軸を前記第１配向膜６及び第２配向膜７のラビング方向６ｒ，７ｒに揃えてホモジニアス配向しているときは、前記液晶素子１に入射した光が、前記ゲストホスト液晶層８を透過する間に、前記液晶分子９及び染料分子１０の分子長軸方向の振動成分の光のうちの前記二色性染料の吸収波長帯域の波長光を吸収される。

すなわち、前記液晶素子１のゲストホスト液晶層８は、無電界時は前記液晶分子９及び染料分子１０の分子長軸方向と平行な方向に、前記二色性染料の吸収波長帯域の波長光を吸収する光学吸収軸８ａ（図３及び図５参照）をもっている。

一方、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に電圧を印加すると、前記液晶分子９及び染料分子１０が、前記ホモジニアス配向状態から前記基板２，３面に対して垂直な方向へ立上がるように配向し、それに伴って前記ゲストホスト液晶層８の光吸収量が少なくなり、前記液晶分子９及び染料分子１０が前記基板２，３面に対して略垂直な方向に分子長軸を向けてホメオトロピック配向すると、前記液晶素子１に入射した光が、ゲストホスト液晶層８を前記二色性染料により吸収されることなく透過する。

まず、外光を利用する反射表示について説明すると、液晶表示装置の使用環境の光である外光は、非偏光の光であり、前記ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａ方向の振動成分の光ａ_１０と、それと直交する振動成分の光ｂ_１０とを含んでいる。

そして、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に電圧を印加しない無電界時は、図３に矢線で示したように、前記液晶素子１にその前面から入射した光のうちの前記ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａ方向の振動成分の光ａ_１０が前記二色性染料によりその吸収波長帯域の波長光を吸収され、前記二色性染料の色に着色した着色光ａ_１１となって前記液晶素子１の後側に出射する。

また、前記液晶素子１に入射した光のうちの前記ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａと直交する振動成分の光ｂ_１０は、前記ゲストホスト液晶層８を前記二色性染料により吸収されることなく透過して前記液晶素子１の後側に出射する。

そして、前記反射偏光板１１は、その反射軸１１ａを前記液晶分子９及び染料分子１０の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向（ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａ）と略平行にして配置されているため、前記液晶素子１の後側に出射した前記光ａ_１１，ｂ_１０のうちの前記ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａ方向の振動成分である前記着色光ａ_１１が、前記反射偏光板１１により反射される。

前記反射偏光板１１により反射された前記着色光ａ_１１は、前記液晶素子１に再入射し、前記ゲストホスト液晶層８を再び透過する間に、前記二色性染料の吸収波長帯域の波長光をさらに吸収され、前記ホスト液晶への二色性染料の添加量と前記ゲストホスト液晶層８の層厚とに対応した濃さに着色した着色光ａ_１２となって前記液晶素子１の前面から出射する。

また、前記ゲストホスト液晶層８を前記二色性染料により吸収されることなく透過して前記液晶素子１の後側に出射した光ｂ_１０は、前記反射偏光板１１の透過軸１１ｂ方向の振動成分の直線偏光であるため、前記反射偏光板１１を透過する。

さらに、前記吸収偏光板１２は、その吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと略直交させて配置されているため、前記液晶素子１の後側に出射して前記反射偏光板１１を透過した光ｂ_１０は、前記吸収偏光板１２により吸収される。

すなわち、前記液晶素子１の後側に出射して前記反射偏光板１１を透過した光ｂ_１０の振動方向は、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａ方向であり、従って、この光ｂ_１０の殆んどが前記吸収偏光板１２により吸収される。

一方、図４のように、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間への電圧の印加により前記液晶分子９及び染料分子１０をホメオトロピック配向させると、前記液晶素子１にその前面から入射した非偏光の光が、前記ゲストホスト液晶層８を前記二色性染料により吸収されることなく透過して前記液晶素子１の後側に出射する。

そして、前記液晶素子１の後側に出射した光のうちの前記反射偏光板１１の反射軸１１ａ方向の振動成分の光ａ_１０が、前記反射偏光板１１により反射され、前記ゲストホスト液晶層８を再び前記二色性染料により吸収されることなく透過して前記液晶素子１の前面から出射する。

また、前記液晶素子１の後側に出射した光のうちの前記反射偏光板１１の透過軸１１ｂ方向の振動成分の光ｂ_１０は、前記反射偏光板１１を透過する。この反射偏光板１１を透過した光は、前記反射偏光板１１の透過軸１１ｂと前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａとが略平行であるため、前記吸収偏光板１２により吸収される。

次に、前記光源１３からの照射光を利用する透過表示について説明する。なお、この液晶表示装置は、通常は前記外光を利用する反射表示を行うものであり、透過表示は、充分な明るさの反射表示を行うことができない低照度の環境下において、前記光源１３を点灯させて行う。

この透過表示において、前記光源１３からの照射光は、非偏光の光であり、前記ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａ方向の振動成分の光ａ_２０と、それと直交する振動成分の光ｂ_２０とを含んでいる。

前記光源１３からの照射光は、図５及び図６に矢線で示したように、まず前記吸収偏光板１２により、その吸収軸１２ａ方向の振動成分の光を吸収され、前記吸収偏光板１２の透過軸１２ｂ方向の振動成分の光が前記吸収偏光板１２を透過して前記反射偏光板１１に入射する。

この実施例において、前記吸収偏光板１２は、その吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと略直交させて配置されているため、前記吸収偏光板１２を透過して前記反射偏光板１１に入射する光は、前記反射偏光板１１の反射軸１１ａ方向の振動成分の光ａ_２０である。

しかし、前記反射偏光板１１は、直線偏光への変換度が前記吸収偏光板１２よりも低く、反射軸１１ａ方向の振動成分の光を、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａ方向の振動成分の光の透過率よりも大きい透過率で透過させるため、前記吸収偏光板１２を透過して前記反射偏光板１１に入射した前記光ａ_２０のうちの或る程度の量の光が前記反射偏光板１１を透過して前記液晶素子１に入射する。

すなわち、前記吸収偏光板１２は、図７のような透過率特性をもっており、例えば可視光帯域のうちの５５０ｎｍ波長光の透過率は約４５．６％である。それに対して、前記反射偏光板１１は、図８のような透過率特性をもっており、前記５５０ｎｍ波長光の透過率は約６７．３％である。

また、２枚の吸収偏光板１２を、それぞれの吸収軸１２ａを平行にして重ねたときと、それぞれの吸収軸１２ａを直交させて重ねたときの透過率特性は、図９のような特性であり、例えば５５０ｎｍ波長光の透過率は、前記吸収軸１２ａを平行にしたときは約４２．７％、前記吸収軸１２ａを直交させたときは約０．００８４％である。

なお、吸収偏光板１２の偏光度は、その吸収軸１２ａと平行な振動成分の透過率をＴ_０、吸収軸１２ａと直交する振動成分（透過軸１１ｂ方向の振動成分）の透過率をＴ_９０とすると、
偏光度＝{（Ｔ_０−Ｔ_９０）／（Ｔ_０＋Ｔ_９０）}^１／２
で表される。

この式により、前記２枚の吸収偏光板１２を重ねたときの偏光度を算出すると、その偏光度は約９９．９％である。

また、２枚の反射偏光板１１を、それぞれの反射軸１１ａを平行にして重ねたときと、それぞれの反射軸１１ａを直交させて重ねたときの透過率特性は、図１０のような特性であり、例えば５５０ｎｍ波長光の透過率は、前記反射軸１１ａを平行にしたときは約６４．８％、前記反射軸１１ａを直交させたときは約２７．３％である。

ここで、前記反射偏光板１１における反射軸１１ａと平行な振動成分の透過率をＴ_０、前記反射軸１１ａと直交する振動成分の透過率をＴ_９０とし、上記{（Ｔ_０−Ｔ_９０）／（Ｔ_０＋Ｔ_９０）}^１／２の式の値を前記反射偏光板１１の偏光度と定義すると、前記２枚の反射偏光板１１を重ねたときの偏光度は約６３．８％である。

さらに、１枚の反射偏光板１１と１枚の吸収偏光板１２とを、前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａとを平行にして重ねたときと、前記反射軸１１ａと吸収軸１２ａとを直交させて重ねたときの透過率特性は、図１１のような特性であり、例えば５５０ｎｍ波長光の透過率は、前記反射軸１１ａと吸収軸１２ａとを平行にしたときは約５８．９％、前記反射軸１１ａと吸収軸１２ａとを直交させたときは約４．３％である。

前記反射偏光板１１と吸収偏光板１２とを重ねたときの上記{（Ｔ_０−Ｔ_９０）／（Ｔ_０＋Ｔ_９０）}^１／２の式により算出した偏光度は約９２．９％である。すなわち、反射偏光板１１と吸収偏光板１２とを重ねたときの偏光度は、前記２枚の吸収偏光板１１を重ねたときの偏光度（約９９．９％）よりも小さく、前記２枚の反射偏光板１１を重ねたときの偏光度（約６３．８％）よりも大きい。

そして、前記液晶表示装置は、前記反射偏光板１１の後側に前記吸収偏光板１２を、その吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと略直交させて配置し、この吸収偏光板１２の後側に光源１３を配置しているため、前記光源１３から照射され、前記吸収偏光板１２を透過して前記反射偏光板１１に入射した光のうち、前記光源１３からの照射光量に対して約４．３％の光が前記反射偏光板１１を透過して前記液晶素子１に入射する。

前記反射偏光板１１を透過して前記液晶素子１に入射した光ａ_２１は、前記ゲストホスト液晶層８の光学吸収軸８ａ方向の振動成分の光であり、従って、前記画素電極４と対向電極５との間に電圧を印加しない前記無電界時は、図５のように、前記光ａ_２１が前記二色性染料によりその吸収波長帯域の波長光を吸収され、前記二色性染料の色に着色した着色光ａ_２２となって前記液晶素子１の前面から出射する。

一方、図６のように、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間への電圧の印加により前記液晶分子９及び染料分子１０をホメオトロピック配向させると、前記反射偏光板１１を透過して前記液晶素子１に入射した光ａ_２１が、前記ゲストホスト液晶層８を前記二色性染料により吸収されることなく透過して前記液晶素子１の前面から出射する。

このように、前記ゲストホスト液晶表示装置は、反射表示のときも透過表示のときも、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に電圧を印加しない無電界時に、前記二色性染料によりその吸収波長帯域の波長光を吸収された着色光ａ_１２，ａ_２２を出射する着色表示を行い、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に電圧が印加されたときに、前記二色性染料による吸収を受けない非着色光ａ_１０，ａ_２１を出射する白表示を行う。

なお、前記ホスト液晶に添加する二色性染料は、例えば赤、緑、青等の単色の染料でも、複数の色の二色性染料を混合した減法混色の染料でもよく、添加する二色性染料の色を選択することにより、その色の着色表示を行うことができる。また、前記二色性染料として、複数の色の染料を可視光領域の波長光を一様に吸収する比率で混合した減法混色の染料を添加することにより、黒色の着色表示を行うことができる。

前記ゲストホスト液晶表示装置は、反射表示と透過表示とを行うことができるため、充分な照度の環境下では、外光を利用して充分な明るさの表示を行い、低照度の環境下では、前記反射表示と、前記光源１３からの照射光を利用する透過表示とを行うことにより、充分な明るさの表示を行うことができる。

すなわち、前記ゲストホスト液晶表示装置は、外光を利用する反射表示では充分な明るさの表示が得られない低照度の環境下でも、前記光源１３を点灯させて前記反射表示と透過表示の両方を行うことにより、反射表示の明るさの不足を透過表示により補い、充分な明るさの表示を行うことができ、また、外光が殆んど得られない暗い環境下でも、前記透過表示により充分な明るさの表示を行うことができるため、主に外光を利用する反射表示を行い、しかも低照度の環境下でも表示を視認することができる。

なお、前記透過表示を行う場合、前記光源１３からの照射光の輝度は、液晶表示装置の使用環境の照度に応じて調整するのが望ましく、このようにすることにより、前記使用環境の照度に対応した適度な明るさの表示を行うことができる。

また、前記ゲストホスト液晶表示装置は、前記ホスト液晶への前記二色性染料の添加量と前記ゲストホスト液晶層８の層厚を、前記液晶分子９及び染料分子１０がホモジニアス配向状態に配向したときに、表示面から入射し、前記反射偏光板１１により反射されて前記表示面から射出する光の二色性染料による吸収率が所定の値になるように、つまりゲストホスト液晶層８を往復して透過した光が所定の濃さに着色するように設定しているため、前記反射表示のときの着色表示と白表示のコントラストを高くすることができる。

なお、前記透過表示では、入射光が前記ゲストホスト液晶層８を一方向に透過するだけであるため、二色性染料による光の吸収量が少なく、充分な濃さの着色表示が得られないが、低照度の環境下で反射表示と透過表示の両方を行うときは、ある程度の濃さの着色表示が得られる。

また、前記ゲストホスト液晶表示装置は、主に反射表示を行うものであり、透過表示は、低照度の環境下や、外光が殆んど得られない暗い環境下でも使用できるようにするための補助的な表示であるため、この透過表示における着色表示の白表示のコントラストは、表示を視認できる程度であればよい。

さらに、前記ゲストホスト液晶表示装置は、前記ホスト液晶として、カイラル材を含まないネマティック液晶を用いているため、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に印加する電圧値の制御により着色表示の濃さを変化させる階調表示を行うことができる。

すなわち、通常の液晶表示装置では、液晶分子を安定に配向させるために、液晶にカイラル材を添加しているが、コレステリック液晶等のカイラル材を添加した液晶を用いた液晶表示装置は、カイラル材を含まない液晶を用いた液晶表示装置とは異なる電圧−透過率特性をもつ。

図１２は、テスト用のホモジニアス配向型液晶表示装置（以下、テスト用液晶表示装置という）における、液晶層厚ｄと液晶のカイラルピッチＰとの比ｄ／Ｐが、ｄ／Ｐ＝０、ｄ／Ｐ＝０．５、ｄ／Ｐ＝１のときの電圧−透過率特性を示している。

なお、前記テスト用液晶表示装置は、対向配置された第１と第２の透明基板間の間隙に、黄色の２色性染料（吸収極大波長５６０ｎｍ）を３重量％添加した誘電異方性が正のネマティック液晶を封入し、その液晶分子及び染料分子を、分子長軸を所定の方向に揃えてホモジニアス配向させたものであり、前記基板間の間隙は８μｍに設定されている。

図１２のように、ｄ／Ｐ＝０．５及びｄ／Ｐ＝１のテスト用液晶表示装置、つまりネマティック液晶にカイラル材を添加したものは、印加電圧が或る値を越えたときに過渡的に液晶が捩れた後、捩れが解ける際に配向が不安定となってドメインを生じ、液晶層での光散乱により透過率が急激に変化する。そのため、階調表示を行うことが難しい。

一方、図１２のように、ｄ／Ｐ＝０のテスト用液晶表示装置、つまりネマティック液晶にカイラル材を添加しないものは、電圧の印加による液晶分子の配向状態の変化に伴って透過率が略直線的に変化する。

上記実施例のゲストホスト液晶表示装置は、前記ホスト液晶として、カイラル材を含まないネマティック液晶を用いているため、電圧の印加により、二色性染料による光の吸収率を略直線的に変化させることができ、従って、前記液晶素子１の画素電極４と対向電極５との間に印加する電圧値の制御により着色表示の濃さを変化させる階調表示を行うことができる。

［他の実施例］
なお、上記実施例では、前記反射偏光板１１を、その反射軸１１ａを前記液晶分子９及び染料分子１０のホモジニアス配向状態における分子長軸方向と略平行にして配置しているが、前記反射偏光板１１は、前記反射軸１１ａを、前記液晶分子９及び染料分子１０の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向に対して斜めに交差させて配置してもよい。

但し、前記反射偏光板１１の反射軸１１ａを前記液晶分子９及び染料分子１０のホモジニアス配向状態における分子長軸方向に対して斜めに交差させると、前記反射表示における無電界時に、前記ゲストホスト液晶層８を透過して前記反射偏光板１１により反射され、前記ゲストホスト液晶層８を再び透過する光のうち、前記液晶分子９及び染料分子１０のホモジニアス配向状態における分子長軸方向の振動成分の光が、二色性染料によりその吸収波長帯域の波長光を吸収されて着色光するのに対し、前記分子長軸方向と直交する振動成分の光は、前記二色性染料により吸収されずに非着色光のまま出射するため、前記着色光と非着色光との光量比が着色光＜非着色光になり、着色表示が薄くなってしまう。

そのため、前記反射偏光板１１を、前記反射軸１１ａを前記液晶分子９及び染料分子１０の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向に対して斜めに交差させて配置する場合は、その交差角を、０°〜４５°の範囲、より好ましくは０°〜３０°の範囲に設定するのが望ましく、この範囲の交差角にすることにより、前記反射表示における無電界時の前記着色光と非着色光との光量比を着色光＞非着色光にし、充分な濃さの着色表示を得ることができる。

また、上記実施例では、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと略直交させているが、前記吸収偏光板１２は、その吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと斜めに交差させて配置してもよい。

このように、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａに対して斜めに交差させると、前記透過表示のときに、光源１３から照射され、前記吸収偏光板１２を透過した光、つまり反射偏光板１１の反射軸１１ａに対して斜めに交差する直線偏光のうちの前記反射偏光板１１の反射軸１１ａ方向の振動成分の光と、前記反射偏光板１１の透過軸１１ｂ方向の振動成分の光とが前記反射偏光板１１を透過して液晶素子１に入射するため、前記液晶素子１の前面から出射する光の量を多くし、表示を明るくすることができる。

なお、このように、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａと斜めに交差させた場合は、前記反射表示のときに、前記反射偏光板１１を透過した光のうちの前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａ方向の振動成分の光が前記吸収偏光板１２により吸収され、前記吸収偏光板１２の透過軸１２ｂ方向の振動成分の光が前記吸収偏光板１２を透過してその後側（光源１３側）に出射する。

但し、前記吸収偏光板１２を、その吸収軸１２ａを前記反射偏光板１１の反射軸１１ａに対して斜めに交差させて配置すると、前記透過表示における無電界時に、前記吸収偏光板１２を透過し、さらに前記反射偏光板１１を透過して前記ゲストホスト液晶層８に入射した光のうち、前記液晶分子９及び染料分子１０のホモジニアス配向状態における分子長軸方向の振動成分の光が、二色性染料によりその吸収波長帯域の波長光を吸収されて着色するのに対し、前記分子長軸方向と直交する振動成分の光は、前記二色性染料により吸収されずに非着色光のまま出射するため、着色表示が薄くなってしまう。

そのため、前記吸収偏光板１２の吸収軸１２ａと前記反射偏光板１１の反射軸１１ａとの交差角は、４５°〜９０°の範囲、より好ましくは６０°〜９０°の範囲に設定するのが望ましく、この範囲の交差角にすることにより、前記透過表示における無電界時の非着色光の出射量を少なくし、充分な濃さの着色表示を得ることができる。

さらに、上記実施例では、ホスト液晶として、カイラル材を含まないネマティック液晶を用いているが、印加電圧値の制御により着色表示の濃さを変化させる階調表示を行わない場合、或いは前記階調表示を行わない場合は、ホスト液晶に、カイラル材を添加したネマティック液晶を用いてもよい。

従って、この発明は、ホスト液晶として、コレステリック液晶またはコレステリック液晶とネマティック液晶の混合液晶を用いたホワイトテーラー型のゲストホスト液晶表示装置にも適用することができる。

また、上記実施例のゲストホスト液晶表示装置は、液晶分子９及び染料分子１０を、分子長軸を所定の方向に揃えてホモジニアス配向させた液晶素子１を備えたものであるが、液晶素子は、誘電異方性が負のネマティック液晶からなるホスト液晶に二色性染料を添加したゲストホスト液晶層を有し、第１基板と第２基板の対向する面にそれぞれ、液晶分子及び染料分子をホメオトロピック配向させる垂直配向膜を設け、これらの垂直配向膜にそれぞれ、電圧印加時の液晶分子及び染料分子の倒れ方向を所定の方向に規定するラビング処理を施したものでもよい。

すなわち、液晶素子は、液晶分子及び染料分子をホメオトロピック配向させたゲストホスト液晶層を有し、電圧の印加により、前記液晶分子及び染料分子の配向状態を、分子長軸を所定の方向に揃えたホモジニアス配向状態に配向する方向に変化させる垂直配向型の液晶素子でもよく、その場合は、ホモジニアス配向型の液晶素子１を備えた上記実施例の液晶表示装置とは逆に、無電界時の表示が白表示、電圧印加時の表示が着色表示になる。

１…液晶素子、２，３…基板、４…画素電極、５…対向電極、６，７…水平配向膜、６ｒ，７ｒ…ラビング方向、８…ゲストホスト液晶層、９…液晶分子、１０…染料分子、１１…反射偏光板（第１偏光部材）、１１ａ…反射軸、１１ｂ…透過軸、１２…吸収偏光板（第２偏光部材）、１２ａ…吸収軸、１２ｂ…透過軸、１３…光源、１４…表面シート

Claims

第１の電極を形成した第１の基板と、第２の電極を形成した第２の基板とを、ホスト液晶に所定の色の二色性染料を添加した液晶層を介して、それぞれの電極が形成された面を対向させて配置したゲストホスト型の液晶表示装置であって、
前記液晶層の液晶分子及び染料分子を、分子長軸を所定の方向に揃えたホモジニアス配向とホメオトロピック配向との何れか一方に配向させ、電圧の印加により、前記液晶分子及び前記染料分子の初期の配向状態を前記ホモジニアス配向または前記ホメオトロピック配向する方向に変化させる液晶素子と、
前記液晶素子の表示面とは反対側の面に配置され、互いに直交する方向に反射軸と透過軸とをもち、当該反射軸方向の振動成分の光を反射し、当該透過軸方向の振動成分の光を透過させる偏光特性を有する反射偏光板と、
前記反射偏光板の前記液晶素子とは反対側の面に配置され、互いに直交する方向に吸収軸と透過軸とをもち、当該吸収軸方向の振動成分の光を吸収し、当該透過軸方向の振動成分の光を透過させる偏光特性を有する吸収偏光板と、
前記吸収偏光板の前記反射偏光板とは反対側の面に配置された光源と、
を備え、
前記反射偏光板は、前記反射偏光板の反射軸を前記液晶分子及び前記染料分子の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向に対して０°〜４５°の範囲の方向に向けて配置され、
前記吸収偏光板は、前記吸収偏光板の吸収軸を前記反射偏光板の反射軸に対して４５°〜９０°の範囲の方向に向けて配置され、
前記反射偏光板は、前記反射偏光板の透過軸方向の振動成分の光を、前記吸収偏光板の透過軸方向の振動成分の光の透過率よりも大きい透過率で透過させるとともに、前記反射偏光板の反射軸方向の振動成分の光を、前記吸収偏光板の吸収軸方向の振動成分の光の透過率よりも大きい透過率で透過させる特性を有している、
ことを特徴とする液晶表示装置。
前記反射偏光板は、前記反射偏光板の反射軸を、前記液晶分子及び前記染料分子の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向に対して０°〜３０°の範囲の方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記反射偏光板は、前記反射偏光板の反射軸を、前記液晶分子及び前記染料分子の前記ホモジニアス配向状態における分子長軸方向と実質的に平行にして配置されていることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
前記吸収偏光板は、前記吸収偏光板の吸収軸を前記反射偏光板の反射軸に対して６０°〜９０°の範囲の方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示装置。
前記吸収偏光板は、前記吸収偏光板の吸収軸を前記反射偏光板の反射軸と実質的に直交させて配置されていることを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
前記ホスト液晶への前記二色性染料の添加量と前記液晶層の層厚とは、前記ホモジニアス配向状態において、前記表示面から入射し、前記反射偏光板により反射されて前記表示面から射出する光の前記二色性染料による吸収率が所定の値になるように設定されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の液晶表示装置。
前記ホスト液晶は正の誘電異方性を有しており、前記液晶分子及び前記染料分子は、無電界状態において、分子長軸を所定の方向に揃えてホモジニアス配向していることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の液晶表示装置。
前記ホスト液晶は、カイラル材を含まないネマティック液晶からなっていることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の液晶表示装置。
前記反射偏光板は、前記反射偏光板の反射軸と前記吸収偏光板の吸収軸とを直交させて重ねたとき、前記反射偏光板の反射軸方向の振動成分の光を、光の波長が実質的に５５０ｎｍのときに実質的に４．３％の透過率で透過させることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の液晶表示装置。