JPH05142530A

JPH05142530A - カラー液晶表示素子

Info

Publication number: JPH05142530A
Application number: JP3329512A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kanemoto; 明彦金本
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1993-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、裏面からの照明をできる限り少な
くしてカラー表示を行うことができ、低消費電力化、軽
量化が可能なカラー液晶表示素子を提供することを目的
とする。【構成】液晶層を挟持した一対の液晶駆動用電極を有
する基板と赤色系、緑色系および青色系の色に呈色する
画素（以下、それぞれ赤色画素、緑色画素、青色画素と
略称する）を持つカラー液晶表示素子において、各画素
毎にその明るさを補強することのできる光付与手段を有
することを特徴とするカラー液晶表示素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明はカラー液晶表示素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来技術】カラー表示を行う方式の主流は、カラーフ
ィルターを透明電極パターンに合わせて各々作成し、裏
面に光源を設置しその透過光を利用してカラーフィルタ
ーの色を認識する方法である。この表示方式は照明装置
を必要とし、しかも通常偏光子を二枚設置するＴＮモー
ド、ＳＴＮモード、またはＤＡＰ（ＥＣＢ）モードで用
いられ、さらにこれらのモードは電気光学特性における
急峻が十分でないために表示が暗くなることから、照明
を非常に明るくする必要があり、低電力化が図れない、
薄型化ができないという欠点があった。また、液晶駆動
素子としてＴＦＴやＭＩＭを画素に対応して設けるとと
もにカラーフィルターを設置し、裏面からの照明光を用
いてカラー表示を実現する手法においても、急峻性の点
は無関係になるとしても、上記と同様に照明を必要とす
ることに由来する欠点がある。一般に液晶素子そのもの
は、消費電力が非常に小さく、軽く、しかも薄型である
という優れた特性を有しているのだが、従来の照明装置
と組み合わせることにより、その特長の大部分が失われ
てしまっていた。偏光板を用いないために明るい表示が
可能とされている液晶モードとしては、動的散乱型、過
渡的散乱型、相転移型、高分子分散型などの、いわゆる
散乱型モードが代表的であろう。なかでも、高分子分散
型は、配向膜の塗布やラビング工程が不要であること、
液晶層の厚さの影響を受けにくいこと、および大面積化
が可能であることなどの特長が、近年注目されている。
これを例にとり従来技術の説明を行なう。高分子分散型
液晶素子の一つとして、ポリマーのマトリックス中に液
晶の小さな球を分散させたタイプがある（以後、ポリマ
ー分散型液晶と記述する）。特開平１−２４１５２０号
公報には、このポリマー分散型液晶を用い、カラーフィ
ルターと対応させ、該カラーフィルターを通して裏面か
らの照明光を用いてカラー表示を行う技術が開示されて
いるが、従来の照明装置を用いており、該公報に記載の
方法においても上記と同様、低消費電力化、薄型化、お
よび軽量化が不可能であるという欠点がある。また、高
分子分散型のもう一つの例としては、電子通信学会技報
ＥＩＤ８９−８９に記載のポリマーネットワーク型液
晶がある。これは、紫外線重合性化合物が形成する三次
元網目構造中に液晶を分散させた構成となっており、低
電圧駆動性、優れた急峻性などの利点が得られるとされ
ているが、該文献にはカラー表示の実施について何ら言
及していない。さらに、高分子分散型液晶の例として
は、ＪａｐａｎＤｉｓｐｌａｙ ’８９，ｐ．５７２−
５７５に、カプセル化液晶を高分子薄膜に分散させた液
晶素子を、ＴＦＴにより駆動させ、照明手段を用いて表
示を行う技術が開示されているが、この手法では液晶粒
子によって透過光をＯＮ−ＯＦＦするのみのためカラー
表示は行われていない。

【０００３】

【目的】本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてな
されたもので、裏面からの照明をできる限り少なくして
カラー表示を行うことができ、低消費電力化、軽量化が
可能なカラー液晶表示素子を提供することを目的とす
る。

【０００４】

【構成】本発明は、すくなくとも一対の基板間に液晶層
を挟持し、赤色系、緑色系、および青色系の色に呈色す
る画素（以下、それぞれ赤色画素、緑色画素、青色画素
と略称する）を持つ、カラー液晶表示素子において、画
素好ましくは青色画素に、発光素子、集光手段、導光手
段などの光付与手段を用いて、明るさの補強を行うこと
を特徴とするカラー液晶表示素子に関する。

【０００５】蛍光放電管等からなるバックライトを用い
ずに、なるべく明るい表示を行おうとした場合、外光を
吸収して蛍光を発するような手段を利用する方法があ
る。たとえば、液晶セルを構成する上下基板のうちの下
基板の外面、または内面に、特定の色の蛍光を発するよ
うな蛍光層を設け、液晶の動作によって、蛍光のＯＮ，
ＯＦＦを行う。本発明の一構成では、すくなくとも赤色
画素と緑色画素に、このような蛍光層を設ける。蛍光層
としては、赤色画素に用いるものは、波長が約６００ｎ
ｍ以下の外光を吸収して、赤色の蛍光を発する物質を含
み、好ましくはさらに赤色の外光を反射する構成となっ
ているものが用いられる。緑色の画素に用いる蛍光層
は、波長が約５７０ｎｍ以下の外光を吸収して、緑色の
蛍光を発する物質を含み、好ましくはさらに緑色の外光
を反射する構成となっている。上記のような構成とする
ことにより、外光を最も効率良く利用することが可能と
なり、実際にこのような蛍光層を形成することは困難で
はない。しかし、青色の蛍光を発する物質を用いてこの
様な蛍光層を設けても、明るい青色表示を行なうこと
は、特に室内照明の下では不可能である。なぜならば、
室内照明の光には、青色の蛍光を発するために必要な、
波長が約４７０ｎｍ以下の光は約４００ｎｍまでしか含
まれないためである。図１に室内照明用の蛍光灯の発光
スペクトルの例を示した。４００ｎｍ以下の紫外線は、
明るく感じられない、光化学作用が強く、目などにたい
して有害であるなどの理由で、一般照明用の蛍光灯で
は、外部に出ないように設計されているし、大部分は蛍
光灯に使用されている蛍光物質が吸収し、蛍光を発する
ためのエネルギーとして消費されている。図２には、青
色蛍光物質の吸収スペクトルと蛍光スペクトルの例を、
模式的に示した。ａ，ｂはそれぞれ、吸収スペクトル、
蛍光スペクトル、ｃ，ｄはそれぞれ吸収ピークと蛍光ピ
ークである。蛍光が青色に見えるためには、蛍光ピーク
ｄは約４８０ｎｍよりも短波長側にある必要がある。一
方、蛍光物質は蛍光波長よりも必ず短波長の光を吸収し
て発光するので、一般照明下での青色蛍光物質は青色の
光を吸収して青色の蛍光を発することになり、原理的に
暗くなることは避けられない。屋外光の下であれば、波
長が約４００ｎｍ以下の紫外線も含まれるので、これを
利用できるように設計するのは可能であるが、室内では
表示品質が著しく低下するというデメリットが生じる。
上記のような事情は、蛍光層または蛍光性反射層を用い
るかわりに、液晶に蛍光色素や蛍光二色性色素を添加
し、バックライトを用いずに表示を行なう場合も全く同
様で、室内光下で明るい青色表示をおこなうのは不可能
である。

【０００６】本発明では、これらの欠点を改善するため
に、発光素子、集光手段、導光手段などの光付与手段を
用いて明るさの補強を行なうものである。本発明の光付
与手段としては、従来法のような背後から照明装置を使
用するようなものではなく、画素毎にその明るさを補強
することができるような、前記の様な手段を云うもので
ある。発光素子としては、一般のバックライトのように
全画素を照射するようなものでは、従来のものと変わら
ず意味がない。本発明で用いられる発光素子としては、
青色画素の部分にのみ設けることが可能なものが好まし
い。一例として、エレクトロルミネセントデバイス（以
下、ＥＬと略称する）がある。以前は、表示部全体が光
る面発光タイプのみであったが、現在では画素状（点発
光タイプ）にも形成可能で、発光体をパターニングすれ
ばよい。他の例としては、微細な発光部分を直線状に多
数設けた蛍光管（以下、ＦＬＤＡと略称する）やドット
マトリックス型に発光部を設けた蛍光表示管がある。青
色画素の部分にのみ発光部があるのが望ましいが、蛍光
管のなかでもこれらのタイプでは、光らせる点を選択す
ることができるため、他の色の部分にあってもよい。こ
の場合でも、青色以外の画素を光らせる必要がないため
に、消費電力は著しく低減できる。さらに他の例とし
て、発光ダイオードが掲げられる。まだ、青色光を発光
するものは種類が少ないが、充分な青の呈色が得られな
い場合は、カラーフィルターを併用することが可能であ
る。輝度を大きくする必要はないので、一般に用いられ
ているものよりも小型のもので充分である。また、発光
ダイオードは一般には充分な発光強度を持っているの
で、光ファイバー等の導光手段を用いて、一個の発光ダ
イオードから複数個の青色画素へ導く構成もよい。集光
手段、導光手段の一例としては、液晶表示素子の非表示
部分や、液晶表示素子の実装部分より外側にレンズを設
け、光ファイバーによって青色画素まで導く方法があ
る。また、光ファイバーには入射した光の一部をその端
面方向に集光する作用があるので、液晶パネル表面など
のように、外光により明るく照明されている部分を通過
するようにファイバーを設置すれば、レンズなどを用い
ずに集光作用を利用することができる。透明なフィルム
も同様に、導光作用と集光作用をもっており、入射した
光の一部はフィルム端面に集光される。フィルムで集光
した光をファイバーで導く方法も可能である。さらに、
フィルムを用いる場合、集光した光を取り出す部分はフ
ィルムの端面である必要はなく、表面または裏面に凹凸
を設ける。反射率の高い白色顔料などを印刷する、ガラ
スなどとの接着面を形成するなど、フィルムの表面また
は裏面に特定の構造を設けることによっても光を取り出
すことが可能である。したがって、青色画素の部分ごと
に端面を形成する必要はなく、青色画素の部分にこれら
のような構造を設ければよい。ファイバーと同様に、フ
ィルム面はなるべく明るい部分を広く占めているほうが
好ましい。光ファイバーやフィルムは、青色の蛍光を発
するような物質を含んでいてもよく、この場合には室内
光であっても充分集光されているので、明るい青色の蛍
光を得ることが可能である。

【０００７】明るさの補強を行なう場合、液晶セルの裏
面から光を通す構成となるが、明るさの補強を行なわな
い画素は透過型である必要はない。本発明の素子では、
明るさの補強を行なわない画素は、反射型専用として設
計されるために、明るい表示が可能となる。従来、液晶
素子は明るい場所では反射型、暗い場所では透過型とし
て設計されることが多かったが、透過型で良好な呈色を
示すようにカラーフィルターの透過率を設計すれば、反
射型では光がこのカラーフィルターを二回透過するため
に、暗すぎる結果となる。液晶に色素や二色性色素を添
加して色表示を行なう場合も同様で、色素濃度は透過型
で使用するよりも小さくてよく、約半分の濃度でよい。
特に二色性色素は非常に高価なものなので、これを用い
る場合は、コストの点でも有利なものとなる。

【０００８】本発明で用いることのできる液晶モード
は、特定のものに限られるものではなく、カラー表示が
可能なものであれば、どのモードでもよい。ただし本発
明では、明るさの補強を行なわない画素を反射型として
用いる場合に、最も優れた特長を発揮するので、反射型
として使用しても充分な明るさを持つモードが好まし
い。このようなモードの例としては、ポリマー分散型、
ポリマーマトリックス型のような高分子分散型、相転移
型、動的散乱型、過渡的散乱型、などのような散乱モー
ドがある。これらは、偏光板を用いる必要がないという
点でも優れており、偏光板の貼りあわせ工程を省くこと
ができるので、コストは著しく低減される。

【０００９】上記ポリマー分散型液晶の層は、例えば、
エポキシ樹脂と硬化剤を所定量混合した液にネマティッ
ク液晶（例えばシアノビフェニル系液晶）を重量で４：
１の割合で混合した液をホモジナイザーにて均一混合し
た液晶分散液を透明電極上に塗布後、８０℃で加熱硬化
して作成される。このポリマー分散型液晶に用いられる
ポリマーとしては、ポリビニルアルコール、熱硬化型エ
ポキシ樹脂、二官能型光硬化アクリル樹脂、等が例示さ
れ、液晶としてはシアノビフェニル系、エステル系など
の通常のネマティック液晶が例示され、色素としてはア
ゾ系、アントラキノン系、ベンゾキノン系、ナフトキノ
ン系、ポリメチン系、等の正の二色性色素、アゾ系、ア
ントラキノン系、テトラジン系等の負の二色性色素が例
示される。液晶粒子の大きさは２０ミクロン程度以下が
適当であり、その含有量は樹脂に対し１０−０．２重量
比程度が適当である。色素の添加量は液晶に対して２０
重量％以下程度が適当である。上記ポリマーネットワー
ク型液晶の層は、例えばポリメチルメタクリレート樹脂
（ＰＭＭＡ）１５重量％のトルエン溶液に重量比で２
０：１の割合でネマティック液晶を添加し、撹拌均一化
した後で透明電極上に塗布後加熱し、溶剤を除去するこ
とにより、ＰＭＭＡ中に分散した液晶層が形成される。
このポリマーネットワーク型液晶に用いられるポリマー
としては、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネ
ート、ポリビニルアルコール、シロキサン系、エステル
系等の高分子液晶、エポキシ樹脂、ポリアミド等通常の
高分子化合物等が例示される。液晶の含有量、色素添加
量はポリマー分散型と同程度が適当である。このような
ポリマー分散型液晶またはポリマーネットワーク型液晶
からなる膜を用いた液晶層の厚さは１−２０ミクロンが
適当である。

【００１０】本発明によれば、上記構成において、色素
として二色性色素を用いることにより、遮光性を一層向
上させ、コントラストをさらに高めることが可能とな
る。二色性色素は一般に液晶分子と同様に円筒状の形状
を持っており、その長軸を液晶分子長軸方向と平行に配
向させる傾向を持っている。吸光係数の異方性には二種
類あり、分子長軸方向の吸光係数が大きい場合(正の二
色性)と、短軸方向が大きい場合(負の二色性)とがあ
る。従って、使用方法には場合分けが必要となる。

【００１１】

【実施例】

実施例１図３は本発明によるカラー液晶表示素子の一実施例をモ
デル的に示す図である。液晶層は、高分子分散型のなか
でも、ポリマーマトリックス中に液晶と色素を含む粒子
を分散させた型のものである。図３中、１１，１２は電
極、１３は光ファイバーからなる導光手段で、青色系の
蛍光物質を含んでいる。１４は液晶分子、１５は色素分
子であり、図３ａは電圧無印加（オフ）時、図３ｂは、
緑色画素のみ電圧印加（オン）時の状態を示す。上記ポ
リマー分散型液晶の層は、例えば、エポキシ樹脂と硬化
剤を所定量混合した液に正の誘電異方性を持ったシアノ
ビフェニル系のネマティック液晶を重量で４：１の割合
で混合し、ホモジナイザーにて均一混合して液晶分散液
とし、これを透明電極上に塗布し８０℃で加熱硬化して
作成した。ポリマーとしては、ポリビニルアルコール、
熱硬化型エポキシ樹脂、二官能型光硬化アクリル樹脂、
等が使用できるが、本実施例ではアクリル系樹脂を用い
た。１５Ｒ，１５Ｇ，はそれぞれ、赤色、緑色の蛍光を
発するアゾ系の色素で、それぞれ正の二色性を持つ。１
５Ｂは、アントラキノン系とアゾ系の色素の混合物から
なる黒色色素で、正の二色性を持つ。色素の添加量は液
晶に対して３−５重量％程度である。なお、導光手段１
３から発せられる光は、ファイバーに含まれる蛍光物質
のために青色であるため、１５Ｂは黒色である必要はな
く、青色の光を吸収すればよいので、例えば１５Ｒと同
じ色素でもよい。ファイバーに青色蛍光物質を含まない
場合は、ファイバーの端面や上下基板のどちらかに、青
色のカラーフィルターを設ければよい。次に、上記構成
の液晶表示素子の動作を説明する。電極１１，１２間に
電圧が印加されていない場合、図３ａに示すように、液
晶分子１４は一定方向に配列していないため、色素分子
１５もランダムな方向をむいており、１５Ｒ，１５Ｇは
入射光を吸収してそれぞれ赤色と緑色の蛍光を発する。
１５Ｂもランダムな方向を向いているが、この場合は導
光手段１３からの光が二色性色素１５Ｂによって吸収さ
れるため暗くなる。図３ｂのように緑色画素に電界が印
加された場合は、液晶分子１４が電界方向に配列するた
めに、色素分子１５Ｇも電界方向に配列するため、入射
光を吸収しにくい状態となり、暗くなる。これは、赤色
画素に電界が印加されたときも同様である。青色画素に
電界が印加されたときは、導光手段１３からの光が吸収
されにくい状態となるので、逆に明るくなる。

【００１２】実施例２図４に本発明の他の実施形態を示した。図中の番号１１
−１４は実施例１と同様である。１７Ｒは、赤色蛍光層
１６Ｒが吸収する波長の光を吸収する二色性色素で、黒
色が最もよい。同様に１６Ｇは緑色蛍光層、１７Ｇは１
６Ｇが吸収する波長の光を吸収する色調の二色性色素
で、黒色が最もよい。１７Ｂは実施例１と同様で、導光
手段１３からの光が青色のときは青色を吸収する色調の
二色性色素で、やはり黒色が最もよく、１３からの光が
着色していないときには、カラーフィルターを用いた
り、一般の青色色素も液晶に添加することで青色の光を
得ることができる。液晶の誘電異方性と色素の二色性
は、どちらも正のものを用いた。図４ａのように、電界
が印加されていないときは、液晶分子がランダムな方向
を向いているために、二色性色素１５もランダムな方向
を向いており、蛍光層１６には光が届かず、または導光
手段１３からの光は吸収されて、暗い状態となる。図４
ｂのように、緑色画素に電界が印加されると、液晶分子
とともに二色性色素も電界の方向に配列するので透光性
となり、１６Ｇは光を吸収し、蛍光を発するので緑色の
明るい表示となる。本実施例では、どの色の画素も同様
の動作を行なう。

【００１３】以上述べた実施例では、液晶の誘電異方性
と色素の二色性が共に正の場合を例にとり説明したが、
液晶の誘電異方性と色素の二色性の正負を適当に組み合
せることにより、上記の実施例の場合以外に種々の場合
がある。また、液晶駆動手段としては、主にパターニン
グした透明電極によって電圧を印加する方法を想定して
説明してきたが、本発明によれば上述の駆動手段のほか
に、ＴＦＴやＭＩＭなどの非線形素子を画素毎に設けて
駆動することも可能である。特に液晶のモードとして高
分子分散型のように、電気光学特性における急峻度が充
分でないものを用いるときには、著しく特性を向上させ
ることが可能である。また、本発明のカラー液晶表示素
子においては、液晶層をパターン状に形成するには、印
刷などの塗布による形成方法を用いることが可能で、特
に量産性に優れている。各液晶層の境界には、例えばフ
ォトレジストを利用して微細な壁を設けてもよい。各液
晶層のパターン間、または画素間の混色を防止するため
に、上記の壁の他に遮光性のパターンを設けても良い。
本発明の液晶層は、塗布により設けることが可能なた
め、従来のような液晶封入などの工程が省略でき、セル
加工が著しく簡略化できる。

【００１４】

【効果】１．バックライトを用いない場合には、特に室
内光の下ではどうしても暗くなってしまう青色の画素
に、明るさの補強を行なうことによって、消費電力が小
さく、軽く、薄いカラー液晶表示素子が提供できる。２．蛍光層または蛍光性反射層を用いることにより、明
るい表示が可能になる。３．蛍光性色素または蛍光二色性色素を液晶組成物に添
加することにより、明るい表示が可能になる。４．液晶のモードに、散乱型を用いることにより、偏光
板が不要なために工程が簡略化され、低コストで、さら
に明るい表示素子が提供できる。５．明るさの補強を行なわない画素を、反射型専用とし
て設計しているので、反射率が高く、明るい表示素子が
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、室内照明用の蛍光灯の発光スペクトル
を示す。

【図２】図２は、青色蛍光物質の吸収スペクトルと蛍光
スペクトルの例を模式的に示した図である。

【図３】図３の(ａ)は、本発明の青色画素に光付与手段
を設けたカラー液晶表示素子の一実施例の電圧非印加時
の状態をモデル的に示す図である。図３の(ｂ)は、前記
図３の(ａ)において、緑色画素のみに電圧を印加した状
態をモデル的に示す図である。

【図４】図４の(ａ)は、図２の(ａ)のカラー液晶表示装
置に蛍光層または蛍光性反射層を設けたものの非印加時
の状態をモデル的に示す図である。図４の(ｂ)は、前記
図４の(ａ)において、緑色画素のみに電圧を印加した状
態をモデル的に示す図である。

【符号の説明】

１１電極１２電極１３光ファイバー１４液晶分子１５Ｒ赤色色素１５Ｇ緑色色素１５Ｂ青色色素１６Ｒ赤色蛍光層１６Ｇ緑色蛍光層１７Ｒ黒色二色性色素１７Ｂ黒色二色性色素１７Ｇ黒色二色性色素

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶層を挟持した一対の液晶駆動用電極
を有する基板と、赤色系、緑色系および青色系の色に呈
色する画素（以下、それぞれ赤色画素、緑色画素、青色
画素と略称する）を持つカラー液晶表示素子において、
各画素毎にその明るさを補強することのできる光付与手
段を有することを特徴とするカラー液晶表示素子。
【請求項２】液晶層が液晶中に蛍光性色素または二色
性の蛍光性色素を含んだ組成物で構成される請求項１記
載のカラー液晶表示素子。
【請求項３】赤色画素および緑色画素の少なくとも一
つの画素と対応する位置の下基板の内面および／または
外面に、対応する画素の色の蛍光を発する蛍光層および
／または蛍光性反射層を設けた請求項１または２記載の
カラー液晶表示素子。
【請求項４】光付与手段が、青色画素のみに設けられ
ている請求項１，２または３記載のカラー液晶表示素
子。
【請求項５】液晶層を挟持した一対の液晶駆動用電極
を有する基板(１)、赤色画素、緑色画素および青色画素
の少なくとも１つの画素の液晶層中の色素が、二色性か
つ下記蛍光層および／または蛍光反射層が吸収する波長
の光を吸収する色調である色素を含んだ液晶組成物で構
成される画素(２)、画素と対応する位置の下基板の内面
および／または外面に、対応する画素の色の蛍光を発す
る蛍光層および／または蛍光性反射層(３)および画素毎
にその明るさを補強することのできる光付与手段(４)を
有することを特徴とするカラー液晶表示素子。
【請求項６】赤色画素と緑色画素の少なくとも１つ
が、反射型として構成され、かつ該画素に設けたカラー
フィルターおよび／または色素が添加された液晶層の色
素含有率が、透過型のそれより低く設計されている請求
項１，２，３，４または５記載のカラー液晶表示素子。
【請求項７】液晶表示素子のモードが、散乱型モード
である請求項１，２，３，４，５または６記載のカラー
液晶表示素子。