JPH04116515A - 反射型液晶電気光学装置 - Google Patents

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］ 本発明は液晶を用いた反射型液晶電気光学装置に関する
。

［従来の技術］ 従来のツイストした液晶を用いた反射型液晶電気光学装
置は一軸性の電気光学媒体を１／４λの波長板として使
うもの、Ｕ　Ｓ　Ｐ　、４０１９８０？、特開昭５６−
４３６８１に記載のようにツイスト角を４５度とし、出
射光は楕円偏光であった。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の反射型液晶電気光学装置には液晶層の厚
みに対し余裕が少なく、表示性能にむらが生じ易いとい
う課題があった。更に出力光が楕円偏光であるために、
光量の損失が生じるという課題もあった。そこで本発明
では、液晶セルのパラメーターであるツイスト角、液晶
の複屈折と液晶層厚の積（μｍ単位、以下、２ｎｄと称
する）、入射偏光の最適化をすることによって光量損失
の少ない、製作上のマージンの多い反射型電気光学装置
を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の反射型液晶電気光学装置は、直線偏光した入射
光が入り、反射面では円偏光となり、反射後出射面では
入射光と９０度偏光面が回転した直線偏光となるツイス
トしたネマチック液晶層を挟持したことを特徴とする。

さらにツイストしたネマチック液晶の入射面の分子軸に
斜めに直線偏光した入射光が入り、反射後出射面では入
射光と９０度偏光面が回転した直線偏光となるツイスト
したネマチック液晶層を挟持したことを特徴とする。

また入射面に円偏光が入り、反射面で直線偏光となり、
反射後出射面では入射円偏光と逆回りの円偏光となるツ
イストしたネマチック液晶層を挟持したことを特徴とす
る。

以下、実施例により本発明の詳細を示す。

［実施例］ 実施例１ 第１図は本発明の反射型電気光学装置の断面図である。

透明基板１０１と反射体１０２を設置された対向基板１
０３の間にツイストしたネマチック液晶１０４がはさま
れた構造となっている。また１０６は偏光素子であり入
射光と出射光の偏光化と検光を行なう。

１０５は電界を液晶層に印加するための透明電極である
。もう一方の電極は金属薄膜で形成された反射体１０２
が兼ねている。さらに入出射面、透明電極面には減反剤
コーティングが施され、不要な光線反射を抑制している
。第２図は液晶の配向を示す斜視図である。近接して設
置された偏光素子により直線偏光となった入射光２０６
は、入射側の液晶分子のダイレクタ−２０３と電界振動
面２０４のなす角２０５（以下偏光板角と称する）をも
って入射する。液晶分子２０２の配列は、印加電圧が零
の時、第２図のように基板界面で平行に配向し、上下の
基板間でツイスト角２０１をなすように配向処理されて
いる。この配向処理はラビング、射方蒸着等により行う
ことができる。液晶セルのパラメーターはネマチック液
晶層のツイスト角２０１．２ｎｄ、偏光板角２０５とな
る。なお以下の説明おいて、角度パラメーターはすべて
反射体を正面にみて同じ回転方向を正としている。

第３図は第１図の装置の印加電圧と反射率の特性である
。３０１はツイスト角６３°　Δｎｄ＝０．２、偏光板
角０°の特性、３０２はツイスト角１８０・　２ｎｄ＝
　０　、５６、偏光板角８３°の特性である。なお、使
用波長は５ｆｉＯｎｍである。

次に簡単に原理を説明する。第４図は液晶層での偏光の
変化を示した図である。なお最も簡単な場合であるツイ
スト角６３°　Δｎｄ＝０．２、偏光板角０°を使って
説明する。電圧が零の時に直線偏光４０２が入射すると
、図示するように楕円偏光の軌跡が回転する。これが反
射面ではほぼ円偏光４０１となる０反射され、再び液晶
層で楕円偏光となり、出射面ではほぼ９０度偏光面が回
転した直線偏光４０３となる。このため偏光板で阻止さ
れ、反射率力Ｓ低下する（オフ状態）０次に電圧が印加
された場合を説明する。液晶分子は誘電率の異方性のた
めに、電界方向に再配列する。この状態では、液晶の複
屈折を受けず、入射した直線偏光がそのまま維持されて
反射し、出射する。従って反射率の低下はない（オン状
態）。

このような偏光の変化を生ずるのは限られた条件のもと
であり、この条件を鋭意検討した結果本発明にいたった
。液晶層に求められる光学的な特性は、直線偏光の入射
に対し透過後戻射面で円偏光となること、液晶層を逆に
透過したときに９０度偏光面が回転していることのふた
つである。

この条件を満たす液晶セルのパラメーターについて説明
する。第５図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）番よ、ｄｎｄ
とオフ時の反射率を示すグラフである。なおパラメータ
ーにツイスト角をとり、偏光板角ｌま０６である。これ
によると、約６０度のツイスト角、Δｎ　ｄ　＝　０．
２の時に反射率がほぼ零となることが分かった。更に詳
細に調べた結果、６３度のツイスト角が最適であること
が分かった。一方オン時の反射率は、偏光素子の透過率
によって決まり、はぼ一定である。

液晶層に求められる光学的な特性をさらに調べたところ
、偏光板角、ツイスト角、Ａｎｄの間に特定の条件が存
在することがわかった。第６図（ａ）、（ｂ）はそれぞ
れ、その条件を示すものであり、第６図（ａ）は偏光板
角とツイスト角、第６図（ｂ）は、ツイスト角と２ｎｄ
の関係を示している。なお、第６図中の線種は（ａ）、
　（ｂ）において各々対応する。また使用波長は５５０
ｎｍである。

これによると偏光板角、２ｎｄ、ツイスト角の最適値は
、上述した条件ばかりではなく、連続した条件設定が可
能なことがわかる。またこの時の楕円偏光の軌跡をみる
と、第４図の場合と同じように、反射面では円偏光とな
り、出射面では入射時と９０度回転した直線偏光となる
ことがわかった。

さらに本装置の電気光学特性は従来のモードと異なり、
第３図に示すように急峻性をツイスト角によって制御で
きる。これはＳＴＮ　（スーパーツイスト）液晶表示体
と同じようなツイスト液晶の弾性による効果である。

また、偏光板角は９０°周期で最適値が現われることが
わかる。これは直線偏光が液晶のダイレクタ−に対し垂
直に入射した場合もΔｎの効果が全く同様に働くために
生じるためである。

ところで第６図は単色光の場合の最適条件であり、実際
のパラメーター決定においては、使用波長範囲を考慮し
て最適条件をシフトする必要がある。さらに液晶のプレ
チルト角による実効的なΔｎを採用する必要がある。

なお第６図はツイスト角の範囲を２００＠としたが、こ
れを超える範囲でも条件設定は可能である。しかし、こ
の場合比較的大きな２ｎｄが必要となり、波長による反
射率変化が大きく、使用波長範囲が限定される。この波
長による反射率変化を低く抑えるためには小さな２ｎｄ
に設定する必要があるが、極端に小さな２ｎｄでは液晶
層が小さくなりすぎるため、この間で選択する必要があ
る。光学長が２倍になる反射型では、透過型の液晶素子
では許容される液晶層が製作上の問題となる。そこでΔ
ｎｄが少しでも大きいことが求められる。これは素子製
作のマージンを大きくするためである。

前述のＡｎｄ＝０．２の条件でみると、Δｎが小さな液
晶の典型的な値、Δｎ＝０．０８では、ｄが２．５μｍ
となる。これに対し、従来例で述べた４５度ツイストし
たタイプでは、最適な液晶層が２μｍを下まわり、素子
の均一性や歩留まりを低下させる要因になっている。

第１図に示すような画素を作らない前面電極タイプは、
自動車の電気制御防眩ミラーや光シヤツターとして用い
ることができる。特に電気制御防眩ミラーに応用すると
、従来の二色性色素タイプや、偏光板を表裏に設置した
ＴＮタイプに比べ透明時の反射率が高い効果が認められ
た。

また、ＸＹマトリクスによってアドレスする通常の反射
型の液晶表示装置に用いると、閾値特性を利用してマル
チプレックス駆動ライン数を増やすことができる。

実施例２゜ 第７図は偏光素子に偏光ビームスプリッタ−（以下、Ｐ
ＢＳと称する）を用いた反射型液晶電気光学装置の構成
図である。

７０１がＰＢＳであり、光源光７０３を直線偏光し液晶
パネル７０２に入射させる。液晶パネルの構成、出射ま
でのプロセスは実施例１と同様である。出射光を検光す
る手段がＰＢＳでは入射時と９０度ずれている。このた
め反射出力光は無電界時に小さくなり、印加電圧と反射
率の特性は、実施例１の第３図と縦軸に対し対称なもの
となる。

実施例３゜ 第８図はアクティブマトリクスによってアドレスされた
反射型電気光学装置の断面図である。第８図はＭＯＳ）
ランシスターを各画素に配置した例である。８０２は画
素電極、８０３は層間絶縁層、８０４は液晶層、８０５
は対向する透明基板８０６に蒸着された透明電極、８０
７は偏光板である。ここで用いたデバイスは日経エレク
トロニクス（１９８１）２月１６日号ｐ、１６４に記載
のものに準じている。＠にもＴ　Ｐ　Ｔ。

ダイオード等をアレイ化したアクティブマトリクスに適
用することができる。

反射型の表示にすることによって、配線やアクティブ素
子を画素電極の下に設置することができる。つまり画素
面積に対する実際の画素である画素電極９割合（開口率
）を、配線やアクティブ素子に係わらず確保でき、画素
数の増加にともなう開口率の低下を防ぐことができる。

またゲストホスト型と比較すると、光量の損失が少ない
。さらに従来のＴＮ型反射液晶素子のように下側に偏光
板、拡散型の反射板を必要としないため表示が明るく、
カラーフィルターを用いることにより少ない照明下でも
カラー画像が得られる利点がある。

更に液晶層が薄い条件では、液晶層の保持容量が増加す
る利点もある。

実施例４゜ 第９図は光によって書き込むタイプの反射型電気光学装
置の断面図である。９０１は光導電体層であり、光によ
ってインピーダンスが変化し、液晶層９０２にかかる電
界を制御する。９０３は反射ミラー９０４は透明電極で
ある。この様な装置は特開昭５６−４３７８１や、　Ｊ
、Ｏｐｔ、Ｓｏｃ、Ａｍ、、Ｖｏｌ、７０．Ｎｏ、３，
２８７（１９８０）に開示されているが、本実施例では
１、液晶層の構成を前述したようり２ｎｄを０．２とし
、約６０度ツイストさせている。これにより従来はＡｎ
ｄ＝０．１８と小さく、液晶層厚が２μｍ以下であった
ものが、本発明では２μｍ以上に液晶層厚を増やすこと
ができた。またＰＢＳを用いて最適配置をした場合のオ
フ反射率が最大８０％程度であったが、これもほぼ１０
０％近くとれるようになった。

実施例５ 第１０図は本発明の反射型電気光学装置の断面図である
。透明基板１００１と反射体１００２を設置された対向
基板１００３の間にツイストしたネマチック液晶１００
４がはさまれた構造となっている。１００５は電界を液
晶層に印加するための透明電極である。もう一方の電極
は金属薄膜で形成された反射体１００２が兼ねている。

さらに入出射面、透明電極面には減反射コーティングが
施され、不要な光線反射を抑制している。偏光素子１０
０６には直線偏光板１００７に位相板１００８を設置し
た円偏光板を用いた。この偏光素子は、液晶層側に、１
／４λ板が偏光板の透過軸に対し高屈折率方位を４５＠
にして設置され、円偏光を出射する。また、１／４λ板
の高屈折率方位は液晶のダイレクタ−と直交するとよい
。これは１／４λ位相板側の液晶層の光学主軸と位相板
の高屈折率方位の配置を直交させることによって波長に
よる進相、遅相を相殺し、反射スペクトルを補償するも
のである。第１１図はオフ時の反射スペクトルであり、
１１０１はΔｎ　ｄ　＝０．５７、ツイスト角１８０゜
の時のスペクトル、１１０２は比較のために載せた実施
例１における偏光板角８３°、１１０１と同一液晶条件
の直線偏光入射型の反射スペクトルである。実施例１と
は反射率の縦軸に対し逆の特性を持っていることを考慮
する必要があるが、ＯＦＦ時の反射スペクトルは、ツイ
ストした状態であってもより広いスペクトルを得られて
いる。

第１２図は第１０図の装置の印加電圧と反射率（５５０
ｎｍ）の特性である。実施例１と同様、ツイスト角によ
って曲線の急峻性を制御できる。

次に簡単に原理を説明する。第１３図はオフ時の液晶層
における偏光の変化を示した図である。

なお最も簡単な場合であるツイスト角６３″　　２ｎｄ
＝０．２、偏光板角０°を使って説明する。電圧が零の
時に偏光素子によって入射円偏光１３０２　（ここでは
右回り円偏光とする）が液晶層に入射したとすると、第
１３図に示すように楕円偏光の軌跡が変化する。反射面
ではほぼ直線偏光１３０１となり、反射される。再び液
晶層を透過し、出射面では逆回りの左回り円偏光１３０
３となり出射する。しかし光の進行方向が逆になってい
るために１７４λ板を通して直線偏光となった出射光は
、直線偏光板を透過できる。その結果、反射率の低下は
生じない（オフ状態）０次に電圧が印加された場合を説
明する。

液晶分子は誘電率の異方性のために、電界方向に再配列
する。これにより入射光に対する複屈折の異方性が消失
し、入射した右回り円偏光がそのまま反射し、出射する
。この円偏光は１／４λ板でオフ状態と直交した直線偏
光となり偏光板で阻止され、反射率が低下する（オン状
態）。このため実施例１とは反射率の縦軸に対し逆の特
性を持つ。

このような偏光の変化を生ずるのは限られた条件のもと
であり、これを第１４図に示す。この条件は実施例１の
第６図（ｂ）と全く同じとなった。

これらの条件を鋭意検討した結果、本発明にいたった。

つまり液晶層に求められる光学的な特性は、円偏光の入
射に対し通過後反射面で直線偏光となること、液晶層を
逆に透過したときに入射時と逆の円偏光が出射すること
のふたつである。実施例１と同一条件で機能するのは、
円偏光と直線偏光は直交関係にあり、円偏光は２つの直
線偏光の線形結合で記述する事ができ、逆に直線偏光は
右円偏光と左円偏光の線形結合で記述できるからである
。

本発明は実施例１と同様、透明時の反射率が高い光シヤ
ツターとして用いることができるばかりか、ツイスト角
によって制御できる急峻性を利用してライン数の多いＸ
ＹマトリクスＬＣＤのマルチプレックス駆動にも有効で
ある。

またＯＦＦ時の反射スペクトルは、実施例１と反射率軸
に対し逆な特性となるが、スペクトルの補償効果により
、さらに広いスペクトルを得ることができる。

さらに偏光板角の規定がないために、角度合わせが不要
になる製造上のメリットもある。

以上実施例を述べたが、本発明は以上の実施例のみなら
ず、広く反射型の光制御装置に応用が可能である。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、従来より大きな、、
４ｊｎｄ値をとれるため、液晶層の厚みに対し製作状の
マージンを多くとれる。また出射光がほぼ直線偏光とな
るため、光量損失が少ないという効果を有する。

また、電気光学特性の制御が可能となり、急峻な特性の
ものはマルチプレックス特性を向上させ、緩やかな特性
のものは階調表現性を向上させることができる。

また、オフ時の反射スペクトルがより平坦化される効果
があり、広い波長領域を扱う場合の光量の損失低減、色
付前の防止が可能となる。

さらに、画素をアドレスする手段によって開口率を減少
させることがなく、さらに光量損失を減らす効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の反射型電気光学装置の断面図である。 第２図は液晶の配向を示す斜視図である。 第３図は第１図の装置の印加電圧と反射率（５５０ｎｍ
）の特性図である。 第４図は楕円偏光の軌跡図である。 第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は２ｎｄとオフ時の反射
率を示すグラフである。 第６図（ａ）は偏光板角とツイスト角、第６図（ｂ）は
ツイスト角と７ｎｄの関係を示すグラフである。 第７図は偏光素子にＰＢＳを用いた反射型液晶電気光学
装置の構成図である。 第８図はアクティブマトリクスによってアドレスされた
反射型電気光学装置の断面図である。 第９図は光によって書き込むタイプの反射型電気光学装
置の断面図である。 第１０図は本発明の反射型電気光学装置の断面図である
。 第１１図は第１０図の装置のオフ時の反射スペクトルで
ある。 第１２図は第１０図の装置の印加電圧と反射率（５５０
ｎｍ）の特性である。 第１３図はオフ時の液晶層における偏光の変化を示した
図である。 第１４図はツイスト角と、ｄｎｄの関係を示すグラフで
ある。 １０１．１００１・・・透明基板 １０２．１００２・・・反射体 １０３．１００３・・・対向基板 １０４．１００４　　・・・　ツイストしたネマチック
液晶１０６．１００６・・・偏光素子 ２０１・・・　ツイスト角 ２０２・・・液晶分子 ２０３・・・　ダイレクタ−（分子軸）２０５・・・偏
光板角 ２０４・・・偏光の電界振動面 ４０１・・・反射面での円偏光 ４０２・・・入射直線偏光 ４０３・・・出射直線偏光 ７０１・・・　ＰＢＳ ８０１・・・ＭＯＳ）ランシスター ９０１・・・光導電体 ９０２・・・液晶層 ９０３・・・反射ミラー １３０１・・・直線偏光 １３０２・・・入射円偏光 出射円偏光 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　鈴木喜三部（化１名）印加電圧 第３図 第４図 第５図（こ） 第７図 、６ｎｄ 第６図（ｂ） 第 図 第 図 波長 （ｎｍ） 第１１図 印加電圧 第１２図 、６ｎｄ 第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）対向する二枚の基板間にツイストしたネマチック液
   晶を挟持した反射型液晶電気光学装置において、直線偏
   光した入射光が入り、反射面では円偏光となり、反射後
   出射面では入射光と９０度偏光面が回転した直線偏光と
   なるツイストしたネマチック液晶層を挾持したことを特
   徴とする反射型液晶電気光学装置。 ２）前記ツイストしたネマチック液晶の入射面の分子軸
   に斜めに直線偏光した入射光が入り、反射後出射面では
   入射光と９０度偏光面が回転した直線偏光となるツイス
   トしたネマチック液晶層を挟持したことを特徴とする請
   求項１記載の反射型液晶電気光学装置。 ３）対向する二枚の基板間にツイストしたネマチック液
   晶を挾持した反射型液晶電気光学装置において、入射面
   に円偏光が入り、反射面で直線偏光となり、反射後出射
   面では入射円偏光と逆回りの円偏光となるツイストした
   ネマチック液晶層を挟持したことを特徴とする反射型液
   晶電気光学装置。