JPH0323423A - 縁部照明液晶表示装置 - Google Patents

縁部照明液晶表示装置

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JPH0323423A
JPH0323423A JP2136944A JP13694490A JPH0323423A JP H0323423 A JPH0323423 A JP H0323423A JP 2136944 A JP2136944 A JP 2136944A JP 13694490 A JP13694490 A JP 13694490A JP H0323423 A JPH0323423 A JP H0323423A
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liquid crystal
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light
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display device
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JP2136944A
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J David Margerum
ジェイ・デイビッド・マージェラム
Anna M Lackner
アンナ・エム・ラックナー
Paul J Seiler
ポール・ジェイ・セイラー
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    • G02F1/1334Constructional arrangements; Manufacturing methods based on polymer dispersed liquid crystals, e.g. microencapsulated liquid crystals

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、電気・光学的液晶装置に関するものであり
、特に高いコントラストの液晶表示装置に関するもので
ある。
[従来の技術] 液晶表示装置は工業用、家庭用、航空用、その他の用途
に広く使用されている。そのような装置は一般に複屈折
性および誘電異方性を有する材料を含み、その整列方向
が印加される電界に応じて切替え可能である。特に重要
な液晶材料は印加電界に応じて光散乱および透明状態に
切替え可能な材料である。
米国特許第4,888,900号明細書(19117年
8月25日、Doane他)および米国特許第4,72
8.547号明細! (1988年3月 1日、Vaz
他)に記載されているようなポリマー分散液晶(PDL
C)表示セルが最近開発されている。これらのセルはフ
レキシブルなシートまたはフィルムの形態の紫外線で硬
化されたエボキシまたはチオール・エンのモノマーのよ
うな光透過マトリックス中に分散された液晶材料の小滴
を含んでいる。小滴中の液晶方向性要素は印加重界のな
いときには乱雑な方向を向いており、それによって小滴
の屈折率は局部的に変化して小滴はどの角度から入射し
た光も散乱する。
インジュウム錫酸化物(ITO)フィルム電極等により
充分に高い電界を印加すると、液晶方向性素子は液晶が
正の誘電異方性を有するとき印加電界に平行に整列する
。材料は電界整列状態にある液晶材料の屈折率がPDL
Cセルに垂直(直角)に入射する光に対して等方性のプ
ラスチックマトリックスの屈折率に等しいように選択さ
れる。それ故セルは垂直方向から見るとき印加電界が存
在する場合に透明に見える。
表示パネルは全体的にまたは所望のパターンを形成する
ために個別的にオンオフの切り替えをすることのできる
セグメントまたは画像素子を有する液晶セルを設けるこ
とによって溝成される。液晶表示装置は小型の消費者用
の時計から比較的大型の自動車そのたの制御パネルのた
めの計器板およびヘッドアップ表示装置まで広い範囲を
カバーする。
多数の液晶表示装置における主要な問題は画像の明るい
部分と暗い部分の間の光学的コントラストが低いことで
ある。特に太陽光その他の高い周囲光レベルが存在する
場合に、通常の液晶表示装置はあせた状態となり、読取
ることが不可能になる。
液晶表示装置は通常透過モードでは背面から、反射モー
ドでは前面から照明される。これらの標準の動作モード
の一般的な説明は文献に記載されている(TJalla
rd,OpLosonle Press,ニューヨーク
、”Llquid Crystals and The
ir Application−)。
PDLCセルでは、光の大部分は比較的小さい角度の円
錐で前方に散乱される。背面照明のPDLCセルからの
散乱された光を見るとき、最大のコントラスト比は照明
光が垂直から約30度の入射角度のとき得られる( A
.M.Laekner,他,Proc.SPIE Vo
1.958,Autowot1ve Displays
 andIndustrial IIIumlnatl
on.73 〜79頁.1988年)。
電界整列状態にある液晶方向性素子の方向に垂直である
その縁部からのPDLCセルの照明は、液晶小滴による
散乱によって輝いて見えるオンおよびオフセグメントの
両者による表示を生成することが期待される。
[発明の解決すべき課題] この発明の目的は、好ましくはPDLC装置を含む液晶
表示パネル中のコントラストを実質上増加させることで
ある。
この発明の目標とするところは、表示装置の使用を従来
不可能にしていた太陽光およびその他の高い周囲光状態
ならびに周囲光の不存在においても動作できるように液
晶表示パネルの適用範囲を拡張することである。別の関
連する目的は〜光ノくイブ装置および照明用光パネル装
置としての使用を含むようにPDLCパネルの適用範囲
を拡大することである。それにおいてはパネルを通って
縁部から縁部へ通過し、パネルの表面から放射される光
の強度はPDLCフィルムに供給される電界によって制
御される。
[課題解決のための手段および作用コ この発明は、PDLCセル等の液晶表示パネルの縁部照
明を使用する。この発明の縁部照明表示装置においては
、通常予想されているのとは反対に、電界整列またはオ
ンセグメントにおける散乱の量は少なく、オンセグメン
トは実質上透明に見える。しかしながら、オフセグメン
トは通常のように光を散乱し輝いて見える。パネルの背
後に設けた黒色表面は周囲光を吸収し、そのためオンセ
グメントは黒色に見える。縁部照明された輝いたセグメ
ントと黒色のセグメントとの間のコントラストが実験的
に決定され、黒色の背景のPDLC表示装置は強い周囲
光において通常の背面照明により得られるコントラスト
よりも大きいかった。
強い周囲光においても通常の背面照明液晶表示装置のよ
うに像があせたり、読取りできなくなることはない0そ
の代りに、明るい光(直接の太陽光等)は実質上コント
ラスト比を低下させることなくこのPDLC表示装置の
輝度を増加させ、それによって表示装置の読取り性が増
加する。その代りにこの発明の縁部照明表示装置は反射
型または表示画像源モードで動作されることもでき、そ
の場合反射表面が黒色背面の代りに設けられ、投影光学
系および周囲光が液晶表示装置に到達することを阻止す
る手段と組合わせて使用される。
これら、およびその他のこの発明の特徴および利点は添
付図面を参照にした以下の詳細な説明により当業者には
明白であろう。図において同様な部品には同じ符号が使
用されている。
[実施例] 第1図を参照すると、この発明の1実施例の液晶表示装
置は全体を10で示され、ポリマー分散液晶(PDLC
)表示セル14を有する表示バネルl2を備えている。
表示セルl4は前記米国特許第4,888,900号お
よび第4.728,547号明細書に記載された方広そ
の他適当な方法によって製造されたPDLCフィルムI
6を備えている。表示セル14はさらにフィルム1Bの
両面上の例えばインジュウム錫酸化物(ITO)の形態
の電極層l8および20を有している。表示セル14は
オフのセグメント22とオンのセグメント24および2
6を有するものとして概略的に示されている。オフのセ
グメント22ではセルを横切って電界は印加されていな
い。電源28による電界はオンのセグメント24および
26の電極層18と20によりセルを横切って印加され
ている。
表示パネルl2はさらに液晶表示セルl4を間に挟む透
明な前面および背面フェースプレート30および32を
備えている。フェースプレート30および32はガラス
、プラスチック、プラスチックガラス、またはその他の
適当な材料で形成されることができ、その厚さは最良の
結果が得られるように選択されている。
第1図に示された実施例は透過型または直視型として動
作するように設計され、背面のフェースプレート32の
背後に光吸収材料層33を備えている。
光吸収材料層33は背面フェースプレート32の表面に
被覆された黒色ペイントでもよく、或いはフェースプレ
ート32の後方にそれと接触して、または間隔を隔てて
配置された別体の黒色シートまたは板であってもよい。
ランプ34および3Bが設けられてそれぞれ両側の縁部
38と40を通って表示バネル12を照明する。ランブ
34および36は均一な照明を行う例えば蛍光灯のよう
な任意の適当な形式のものでよい。反射器42および4
4が設けられて各縁部38および40にランブ34およ
び36からの光を全て集中させる。拡散素子46および
48がラ′ンブ34および3Bと縁部38および40と
の間に設けられる。拡散素子4Bおよび48は縁部38
および40上に半透明塗料を塗ることにより、または縁
部38および40にグラインダー加工することにより形
成され、或いは図示の位置に保持される別の半透明体か
ら構成される。さらに偏光子50および52が示されて
おり、表示バネル12を照明するためのランブ34およ
び3Bからの光の好ましい偏光を有する部分のみが許容
されるように拡散素子なしに、或いは拡散素子46およ
び48と組合わせて設けられる。
動作においてランブ34および3Bからの光は図におい
て垂直方向に表示バネル12を通って伝播する。
オフのセグメント22においては、液晶方向性素子は印
加電界が存在しないため乱雑な方向に並んでいる。した
がってオフのセグメント22中の液晶材料の屈折率は乱
雑にポリマーマトリックスの屈折率と局部的に異なる。
その結果、ランブ34および3Bからの光はオフのセグ
メント22によって散乱され矢印の実線で概略的に示す
ように観察者に向かって表示装置lOの前面から出る。
オンのセグメント24および2Bでは、電源28および
電極層l8および20により供給された電界は液晶小滴
中の液晶方向性素子を電界により液晶が正の誘電異方性
であるときには第1図で見て水平方向に整列させる。オ
ンのセグメント24および26は表示装置に入射する周
囲光に対して、それが表示パネルl2の面に垂直である
か、ほとんど平行であるか、或いはその中間であるかに
は関係なく透明である。その結果周囲光は表示パネル1
2の後方の材?433により吸収され、オンのセグメン
ト24および26は観察者に対しては黒として現れる。
ランブ34および3Bからの光はオンのセグメント24
および2Bの電界により整列した分子に大体垂直な方向
にバネルl2を通って伝播する。この光はオフのセグメ
ント22によるのと同様にオンのセグメント24および
2Bによって散乱されることが予想される。しかしなが
ら予想と異なって、この発明によれば、バネル12の縁
部照明により生成される光はオンのセグメント24およ
び2Bによる散乱がずっと少ないことが認められた。オ
ンのセグメント24および26は観察者54に対して黒
く現れるのみならず暗いオンのセグメント24および2
6に対する輝いたオフのセグメント22のコントラスト
比が通常の前面または背面照明の光散乱液晶表示装置に
よって得られるよりも高い。20;{以上のコントラス
ト比が実験的に得られている。
この発明の第2の実施例の液晶表示装置60が第2図に
示されている。液晶表示装置60は第1図の装置10と
異なって反射型または表示画像源モードで動作する。
液晶表示装置60は収束レンズB4としてシンボル的に
示されているような適当な光学系によってスクリーン6
2上に投影するための画像諒を提供する。
液晶表示装置60のさらに必要な部品は表示バネル12
に周囲光が到達することを阻止する包囲体86である。
この実施例では、光吸収材料33は反射表面または反射
鏡68によって置換され、それは表示バネルI2の前面
に向う光の散乱を増加させる。画像の視差効果を最小に
するために、反射fttaSは非常に薄い透明な基体層
32によってPDLCフィルムl6から分離され、或い
は基体層32と完全に置換されて電極層20と直接接触
され、或いは金属反射鏡であり基体層32および電極層
20の両者と置換されてPDLC層と直接接触される。
この実施例の表示画@源は特に自動車のへッドアップ表
示装置に適しており、それは自動車の運転者に向かって
液晶表示画像を反射するホログラフレンズを備えている
この発明の第3の実施例の液晶表示装置lO゜は第3図
に記載されている。この光パイプまたは光パネル装置は
一端だけで縁部照明が行われている点で装置10とFi
l達している。電圧がオフの林態では光の大部分はパネ
ルの側面から放射され、観察者によって観察される。一
方電圧印加状態では光の大部分は表示セルを通って伝送
され、照明された縁部を除いて平滑で、非反射性で、非
拡散性である他の縁部から放射される。もしも光パネル
効果のみが所望され(装置10のように付勢または非付
勢セグメントとして選択されることができる)、縁部か
ら放射された光が所望されないならば、黒い吸収体が照
明される縁部を除いて他の縁部に使用される。光パイプ
または光パネル装置は光パネル効果がどのように使用さ
れるかによって背面光吸収材料層33と共に、或いは吸
収材料層33なしで使用される。
この発明を使用した高いコントラストの縁部照明された
液晶装置は第4b図に示され、整列した戒晶ポリマーが
第4a図に示された通常の等方性ポリマーホストの代り
にPDLCフィルム中の液晶小滴に対するホストマトリ
ックスとして使用されている。液晶ポリマーは液晶小滴
とほぼ同じ屈折率(noおよびno)を有するように選
択され、両者は同じ誘電異方性の符号を有するように選
択され、それは第4b図に正の誘電異方性として示され
ている。液晶ポリマーホスト材料中の液晶小滴の形成は
文献( H.R1ngsdorr .H.ν.Scbs
ldt,A.Schnel Ier  著、 Makr
osol.Chem.,Rapid  Cotsmu.
.3.745頁、1982年参照)に記載されているが
、それらは液晶と液晶ポリマーの屈折率を整合させてお
らず、それらは液晶ポリマーを整列させない。
液晶ポリマーはその形成中の表面整列、電界、または磁
界整列の使用により均一に整列される(*4 b図の電
界方向)。したがって得られたPDLCフィルム中の液
晶小滴が電界で整列したときそれらは液晶ポリマーの屈
折率と整合し、明瞭な散乱を示さない。第4b図に示さ
れた形態は、光バイブまたは光パネル装置として非常に
有効である。
例 1 第1図に示された形式のPDLC表示セルが製造された
。セルはガラス板で作られ、背面板が1/4インチの厚
さ、前面板が1/8インチの厚さであった。前面および
背面の両者に同じ1/8インチの厚さのガラス板を使用
するのに比較して厚い背面板はコントラスト表示を良好
にする。
PDLCフィルムはチオール・エンのモノマー系中の1
:1の液晶(BDH− E9)溶液のUVポリマー化に
よって(ガラス板上のITO電極間で)形戊された。特
にこのモノマー系は3%の液晶モノマー添加剤4ブチル
フエニル4゜−アクリルオイ口キシベンゾエート(ac
ryloyloxybenzoate )を含む光学セ
メント“ノーランドNOA85“である。
ガラス電極は全体で2.25インチ×4インチの大きさ
であり、PDLCの間隔は光ポリマー化処理の前に溶液
中に分散した15マイクロメータの直径のガラスビーズ
によって制御された。黒色光吸収表面は背面ガラス板に
直接接触させて配置された。
セルはPDLCセルの上下に配置された小型の蛍光灯に
よって照明され、プラスチック光拡散フィルムが光源と
セルとの間に配置された。偏光子は使用しない。表示区
域の電圧オンのセグメントと電圧オフのセグメントとの
光の強度差を観察したとき28:lまでのコントラスト
比が1lIl1定された。
例  2 セルの上下の光拡散フィルムが偏光フィルムで置換され
たことを除いて例1と同じセルおよび照明系が使用され
た。可視観察によればITO電極間でPDLCに電界が
印加されたとき、偏光フィルムが電界の方向に垂直な直
線偏光方向を有する場合に表示のコントラスト比が改善
されたことが明瞭に示される。偏光フィルムが電界の方
向に平行に整列したときコントラスト比はセルに垂直な
方向から見た場合に低下し、傾斜した方向から見た場合
には著しく低下した。
例  3 この例は、縁部照明されたPDLCセルの観察側から放
射される全体の光の変調のための実験である。縁部照明
されたPDLCセルの前面(観察)側から放射される(
あらゆる角度で)全体の光はPDLCに印加される電界
を変化させることによって変調された。PDLCセルは
例1で与えられた戊分をUVポリマー化処理し、178
インチの厚さのガラス板上のITO電極(パターン化せ
ず)間に配置することによって製造された。光ファイバ
束を介して白熱灯により上方からセルの上部に垂直なビ
ームにより縁部照明が行われた。前面から放射された全
体の光が種々の状態で前面ガラス表面に設置された積分
球検出器を使用して測定された。表1においては黒色テ
ープが背面を覆うために使用され、また表2においては
黒色テープが背面および底部縁部を覆うために使用され
た。偏光子はPDLCを横切って印加される電界の方向
に整列された。
なお、これらの表においてAは拡散素子なし、Bは拡散
素子付き、Cは偏光が垂直の偏光子使用、Dは偏光が平
行の偏光子使用、Eは24%の中性フィルタを使用した
場合を示す。またCRはコントラスト比である。
表    1 PDLCセルの側面からの相対積分光強度上縁部を照明
、背面を黒色テープで被覆ABCD 0.021! 0.0275 0.0192 0.01
8g0.0109 0.0124 0.0090 0.
01071.94  2.22  2.13  1.7
5オフ オン(10OV) CR 表    2 PDLCセルの側面からの相対積分光強度上縁部を照明
、背面と下縁部に黒色テープ被覆ABCD オフ    0.0574 0.0203 0.024
5 0.0245オン(10OV) 0.0282 0
.0098 0.0114 0.014OC R   
     2.04    2.07    2.0g
    1.75これらの結果は約2倍以上の光がその
オン状態に比較して電圧オフの状態で縁部照明されたP
DLCセルの表面から放射される(全角度)ことを示し
ている。このコントラスト比(CR)は照明状態によっ
て変化するが、これらの実験の照明状態では平行な偏光
の光に比較して垂直な偏光の光のほうがずっと大きい。
例  4 縁部照明されたPDLCセルの一方の縁部から他方の縁
部に伝送される全体の光の電界変調について実験が行わ
れた。例3と同じPDLCセルが使用されたが、黒色テ
ープは使用されず、また同じ光源が使用されたが、光は
縁部に対する垂線から約30度の角度で入射された。セ
ルの上部からの照明によって、出て行く光(全ての角度
で)の強度がセルの底部で積分球検出器により測定され
た。
Ilカj定結果は表3に示すとおりである。
表    3 PDLCセルの底面からの相対積分光強度上縁部を照明
、側面の吸収層なし ABCD オフ    0.0544 Q.0553 0.054
7 0.0537オン(10OV) 0.0B20 0
.0B35 0.0B77 0.0546C R   
    1.14    1.15    1.24 
   1.02このセルでは、これらの照明状態下でオ
ン状態はオフ状態に比較してセルを通って伝送される光
の強度を増加した。変調された増加は拡散素子を備え、
偏光されない光に対しては約l5%であり、一方垂直に
整列した(電界の方向に対して)偏光子がセルの上縁部
に配置された場合には約24%であった。
以上この発明のいくつかの実施例について説明されたが
、当業者にはこの発明の技術的範囲を逸脱することなく
種々の変形、変更を行うことが可能である。例えば表示
パネルの縁部照明は図には示されていないけれども発光
ランプと組合わせて蛍光染料を分散したプラスチックシ
一トを使用して行うこともできる。さらにこの発明の技
術的範囲にはダイナミック散乱モードおよびネマティッ
クカービリニア整列位相(NCAP)表示装置のような
PDLC以外の形式の液晶表示装置に対する適用も含ま
れる。表示装置はセグメント以外の配置の画像素子、例
えばアクチブマトリックス表示装置等でもよく、カラー
素子またはフィルタを備えていてもよい。したがってこ
の発明は特に記載された実施例のみに限定されるもので
はない。
種々の変形が特許請求の範囲に記載された発明の技術的
範囲から逸脱することなく考えられ、行われることがで
きることは明白である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の1実施例の透過モードの縁部照明
液晶表示装置の断面図である。 第2図は、反射モードまたは表示画像源モードで動作す
るこの発明の別の実施例の縁部照明液晶表示装置の断面
図である。 第3図は、光パイプまたは光放射パネルとして動作する
この発明の縁部照明液晶表示装置の断面図である。 第4a図および第4b図はそれぞれ岐晶小店が等方性ポ
リマーホスト中および整列した液晶ポリマーホスト中に
ある縁部照明PDLC表示装置の光散乱効果を示す。 10・・・液晶表示装置、12・・・表示パネル、14
・・・表示セル、16・・・PDLCフィルム, 18
. 20・・・電極層、22・・・オフのセグメント,
 24. 28・・・オンのセグメント、30. 32
・・・透明フェイスプレート、33・・・吸収材料層。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)液晶表示パネル手段と、 この表示パネル手段をその縁部を通って照明する光源手
    段とを具備していることを特徴とする液晶表示装置。
  2. (2)表示パネル手段がポリマー分散液晶セルで構成さ
    れている請求項1記載の表示装置。
  3. (3)印加されるエネルギに応じて光透明状態と光散乱
    状態との間で表示パネル手段の予め定められた区域を切
    替えるスイッチング手段を備えている請求項1記載の表
    示装置。
  4. (4)表示パネル手段が、ポリマー分散液晶フィルムと
    、表示パネル手段の予め定められた区域においてフィル
    ムの両面上に形成された電極層と、液晶フィルムおよび
    電極層をその間に挟む透明な前面および背面フェイスプ
    レートとを具備している請求項1記載の表示装置。
  5. (5)光源手段が、それぞれ表示パネル手段の前記縁部
    およびそれと反対側の縁部を通って表示パネル手段を照
    明する第1および第2のランプを具備している請求項1
    記載の表示装置。
  6. (6)印加されるエネルギが電圧であり、スイッチング
    手段が電極手段を具備している請求項3記載の表示装置
  7. (7)第1および第2のランプと前記表示パネル手段の
    各縁部との間に配置された第1および第2の光拡散手段
    を具備している請求項5記載の表示装置。
  8. (8)第1および第2のランプと前記表示パネル手段の
    各縁部との間に配置された第1および第2の偏光手段を
    具備している請求項5記載の表示装置。
  9. (9)光源手段が、電極手段により供給された電位の方
    向にほぼ垂直な方向に表示パネル手段を照明する請求項
    6記載の表示装置。
  10. (10)液晶表示セルと、この液晶表示セルをその間に
    挟む透明な前面および背面フェイスプレートを具備して
    いる液晶表示パネル手段と、 この表示パネル手段をその縁部を通って照明する光源手
    段とを具備し、 液晶表示セルは前面フェイスプレートを通る光源手段か
    らの光を散乱する第1の画像区域と、光源手段からの光
    に実質上透明な第2の画像区域とを有していることを特
    徴とする液晶表示装置。
  11. (11)表示パネル手段が背面フェイスプレートの表面
    に設けられた光吸収手段を備えている請求項10記載の
    表示装置。
  12. (12)表示パネル手段が背面フェイスプレートの表面
    に設けられた光反射手段を備えている請求項10記載の
    表示装置。
  13. (13)ポリマー分散液晶セルを含む液晶表示パネル手
    段と、 この表示パネル手段をその縁部を通って照明する光源手
    段と、 印加される電位に応じて光透明状態と光散乱状態との間
    で液晶セルの予め定められた区域を切替える電極手段と
    、 電極手段によって印加される電位の方向に実質上垂直な
    方向に表示パネル手段を照明する光源手段と、 電極手段によって印加される電位の方向に垂直な偏光を
    有する光だけを通過させるために光源手段と表示パネル
    手段の縁部との間に配置された偏光手段とを具備してい
    ることを特徴とする液晶表示装置。
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