JPH06337414A

JPH06337414A - 反射型液晶表示素子

Info

Publication number: JPH06337414A
Application number: JP5126414A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Hisatake; 雄三久武; Kiyoshi Shobara; 潔庄原; Yasukatsu Hirai; 保功平井; Akio Murayama; 昭夫村山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】色付きが生じにくく見易い白黒表示の反射型
液晶表示素子を得る。【構成】光反射性電極２７を有する第１の基板２６と
透明電極２４を有する透明な第２の基板２１との間に誘
電異方性が正のネマティック液晶からなるツイスト角１
８０°以上２７０°以下のねじれネマティック液晶層２
９を配置した液晶駆動セル２０と、前記第２の基板２１
の上に設置される少なくとも１枚の位相差板２２と、こ
の位相差板上に設置される偏光板２３とを具備してなる
反射型液晶表示素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子、とくに反
射型液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】反射型液晶表示素子はＯＡ機器等の表示
においてバックライトを必要としないため、光源の電力
が必要でなく消費電力の低減が実現でき、携帯用に適し
ている。このような応用分野では、表示素子のコントラ
スト比やその視角依存性らの特性が望まれる他に、高い
反射率が素子の特性上必要不可欠である。前述したコン
トラスト比やその視角依存性の特性に優れるスーパーツ
イスト（ＳＴ）型液晶素子やツイステッドネマティック
（ＴＮ）型液晶素子は偏光板を２枚用いる構成のため、
必然的に反射率が低い。これに対し、偏光板を用いな
い、もしくは１枚のみ用いて、染料を液晶に添加したＧ
Ｈ型液晶素子が開発されてきたが、染料を添加している
ため信頼性に欠け、また染料による光吸収により充分な
反射率は得られないといった問題が有り、あまり応用は
されなかった。これらの背景をもとに近年、偏光板１枚
と反射板を組み合わせたＥＣＢモードの液晶表示素子が
開発されている。

【０００３】その一例としては、ホモジニアス配列させ
た液晶層と１枚の位相差板を反射板（セル内面に配置）
と偏光板（セルと位相差板外面に配置）間に配置した構
成が日本化学会等共催で１９９３年１０月開催の第１８
回液晶討論会（予稿集第２８８頁）にて中村らから提案
されている。この構成では、偏光板を２枚用いる構成に
比べて著しく反射率が高くなるが、暗状態の表示を複屈
折効果によって実現しているため、どうしても色付きが
生じ、見易い白黒表示は実現しにくい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、近
年、携帯用途を中心に明るい反射型液晶素子の開発が盛
んに行われ、入反射光路として偏光板、基板を１往復し
か通らない構成のものが提案されているが、従来の構成
では、色付きが生じ見易い白黒表示は実現できないとい
った問題点が生じていた。本発明はこの問題点を解決
し、色付きが生じにくく見易い白黒表示の反射型液晶表
示素子を得るものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した問題
点を解決する手段として、光反射性電極を有する第１の
基板と透明電極を有する透明な第２の基板との間に誘電
異方性が正のネマティック液晶からなるツイスト角１８
０°以上２７０°以下のねじれネマティック液晶層を配
置した液晶駆動セルと、前記第２の基板の上に設置され
る少なくとも１枚の位相差板と、この位相差板上に設置
される偏光板とを具備してなる反射型液晶表示素子にあ
る。

【０００６】

【作用】本発明の原理及び手法について図面を用いて説
明する。

【０００７】図８は、従来の反射型液晶素子の一例とし
てＳＴ型液晶素子の光路を説明したものである。ガラス
でできた上基板１は外面に上偏光板２を、内面にＩＴＯ
の上電極３と上配向膜４を有し、ガラスの下基板５は外
面に下偏光板６と反射板７を積層し、内面にＩＴＯの下
電極８と下配向膜９を形成している。これらを対向させ
て液晶層１０を挾持する。図から明らかなように、この
構成では入射光路ｉと出射光路ｒと合わせて、偏光板を
４回、ガラス基板を４回通過することとなる。

【０００８】また、前記反射型ＳＴ型液晶素子の光利用
率は一般的に次式で表され、Ｔ＝{[cos β・cos(Φ＋θ−γ)+ sinβ・sin(Φ＋θ−γ)/(1＋α²）^1/2］² ＋α²・sin ²β・cos ²（Φ−θ−γ）/(１＋α² )} ² …………………（１）但し、α＝Δｎ・ｄπ／Φλ β＝Φ（１＋α²）^1/2 Ｔ：光利用率 Φ：液晶層のツイスト角（ｒａｄ．） θ：上偏光板吸収軸と上基板ラビング方向のなす角（ｒ
ａｄ．） γ：下偏光板吸収軸と上基板ラビング方向のなす角（ｒ
ａｄ．） Δｎ：液晶組成物の屈折率異方性ｄ：液晶層厚（ｎｍ） λ：入射光波長（ｎｍ）である。

【０００９】これに、一般的なセル構成条件を代入して
計算するとＴ＝１６〜６４％となる。さらに、偏光板の
光透過量（５０％弱）、ガラス基板４枚の光透過量（９
０％の４乗で６６％）を乗じると５〜２１％となる。

【００１０】また、このセル構成では、（１）式におけ
るαは波長に依存しているため液晶層における旋光性に
著しい波長依存性が生じて、表示に色付きが生じてしま
う。これらの色付きを解消するには、前記構成に位相差
板を加え、出射光の偏光状態を極力、直線偏光にするこ
とが有効である。しかし白黒化の手法としては、逆ねじ
れのＳＴ液晶セルからなる補償板を用いる方式もあるが
ガラス基板の枚数が４枚になるため、反射率を著しく低
下させ好ましくない。

【００１１】これに対し、図５に示すように前述したホ
モジニアス配列させた液晶層１１と１枚の位相差板１２
を反射板１３（セル内面に配置）と偏光板１４（セルと
位相差板外面に配置）間に配置した構成では、光路が入
射光路と出射光路と合わせて、偏光板１４を２回、セル
のガラス基板（上基板）１５を２回しか通過しない。ま
た、この構成の光学的モードはＥＣＢモードと呼ばれ、
その光利用率は一般的に次式で表される。

【００１２】Ｔ＝１−sin ²２θ・sin ²（２Δ・ｄ／λ）………………（２）但し、Δｎ：（位相差板、液晶組成物の）屈折率異方性ｄ：（位相差板、液晶組成物の）層厚 θ：偏光板吸収軸と位相差晩、液晶組成物の屈折率異方
性の生じる方位とのなす角であり、位相差板と液晶層の分子配列方向が直交してい
る場合、リタデーション値Δｎ・ｄ＝（位相差板のΔｎ
・位相差板のｄ）−（液晶組成物のΔｎ・液晶層のｄ）
である。

【００１３】この式にΔｎ・ｄ〜０（電圧印加時）を代
入するとＴ＝１００％となり、これに、偏光板の光透過
量（５０％弱）、ガラス基板２枚の光透過量（９０％の
２乗＝８１％）を乗じると約４０％となる。

【００１４】したがって、このセル構成では高い反射率
を得ることができる。

【００１５】しかしながら、このセル構成では暗状態の
表示を複屈折効果によって実現しているため、色付きが
生じ、見易い白黒表示は実現されていない。

【００１６】このことは、（２）式を可視光領域におけ
る光の三原色の波長にて計算すると容易に理解できる。
図７は（２）式を、波長４３０ｎｍ（青Ｂ）、５５０ｎ
ｍ（緑Ｇ）、６２０ｎｍ（赤Ｒ）にて計算した結果であ
る。Δｎ・ｄをいくつに設定しても３つの波長のＴがと
もに０となる条件はないことがわかる。

【００１７】本発明はこのような１枚の位相差板を偏光
板と液晶セル間に配置した構造の改良に係わる。

【００１８】偏光板を１枚のみ用いた構成の反射型液晶
素子の光路は、図５の構成をみてわかるように、平行配
置した偏光板間に液晶セルや位相差板を挟んだ透過型液
晶素子に等しい光路となっている。したがって、この位
相差板や液晶セルによって偏光状態が変化しなければ色
付きのない白色表示は実現できる。しかしながら、暗状
態である黒色表示を実現するには全波長域（可視光領
域）において入射光の位相を９０°ずらして出射させる
必要がある。

【００１９】ここで、位相差板や液晶セルの複屈折層の
遅相軸と偏光板の吸収軸のなす角を４５°とすると、複
屈折層の位相のずれは（リタデーション値／入射光波
長）となる。しかしながら、液晶層のリタデーション値
の波長依存性は、波長が小さいほどリタデーション値が
大きい関係にあるため、位相のずれはより短波長側のほ
うが大きくなる。

【００２０】こうしたことにより、この構成では、暗状
態である黒色表示を得ようとしても、いずれかの波長の
光が出射され、表示が色付く。これに対し、前述した位
相のずれをわざと大きくして、主なる入射光波長の位相
のずれを各（波長の正数倍）／２になるようにすれば、
結果的には、暗状態である黒色表示を得ることができ
る。しかしながら、この条件を満足するには、相当複屈
折層のリタデーション値を大きくする必要があり、著し
い視角依存性を招くため、実用的でない。

【００２１】そこで、本発明では、この位相のずれの波
長依存性を強調する手段として、ねじれネマティック液
晶分子配列を用いるものである。これによって前述した
位相のずれをわざと大きくすることによって結果的に位
相のずれが等しくなる。

【００２２】図１は、本発明の構成を説明し、図２は光
学的配置構造を示す。素子への光Ｌは光入射側から偏光
板２３−位相差板２２−液晶層２９−（反射）−液晶層
２９−位相差板２２−偏光板２３を経て反射光となる。

【００２３】図１を見てわかるように、本発明の液晶表
示素子は図８に示す従来構成の反射型ＳＴ型液晶素子お
よびこれに位相差板を挿入し、表示色を白黒化したもの
とは光学的構成も部材構成も異なっており、双方の構成
は、前述したホモジニアス配列させた液晶層と１枚の位
相差板を反射板（セル内面に配置）と偏光板（セルと位
相差板外面に配置）間に配置した構成の液晶層を、ツイ
スト角が１８０°以上２７０°以下のねじれネマティッ
ク液晶分子配列からなる液晶層に置き換えたものとなっ
ている。このため、液晶層における入射光波長の位相の
ずれ方が、前記ホモジニアス配列させた液晶層と異なる
以外は、同様の光学効果を得ることができるものであ
る。

【００２４】この本発明に用いるツイスト角が１８０°
以上２７０°以下のねじれネマティック液晶分子配列か
らなる液晶層における入射光波長の位相のずれかたに
は、液晶分子配列がねじれていることにより入射光が旋
光する効果が加わってくる。この入射光が旋光する効果
には波長依存性があり、この波長依存性は旋光量が大き
いほど位相のずれが大きくなるといった関係にある。
（１）式はこの波長依存性を結果的に表現している。実
用的には、この位相のずれが一般的に応用されているリ
タデーション値の位相差板を用いてさらに位相をずらす
ことによって、主なる入射光波長の位相のずれを各波長
の正数倍＋１／２倍にすることができ、結果的に各波長
の位相のずれは９０°となる。

【００２５】ちなみに従来の透過型白黒ＳＴ型液晶素子
の白黒化原理は、主なる入射光波長の位相のずれを各波
長の正数倍となる条件として出射側の偏光板吸収軸を入
射光直線偏光の軸に合わせて結果的に入射側偏光板透過
軸に平行にすることによって実現している。

【００２６】本発明の液晶表示素子における光路中の光
の偏光状態を概念的に示すと図１および図６のようにな
る。入射光の主なる３波長である、見た目に青く見える
波長Ｂ、緑に見える波長Ｇ、赤に見える波長Ｒの光は、
偏光板２３→位相差板２２→液晶層２９→（反射）→液
晶層２９→位相差板２２→偏光板２３と通過して、各々
の位相がＶ＞Ｖthのとき（Ｖth：しきい値電圧）、
（０．２５＋ｍ＋ｎ）／λ（ｍは整数。ｎはＢは１、Ｇ
は０．５、Ｒは０）ずれて、いずれも結果的には９０°
のずれとなる。また、Ｖ＜Ｖｔｈのときは（ｍ＋ｎ）／
λのずれとなる。このような原理で本発明の液晶表示素
子は良好な白黒表示を実現できる。図６において（ａ）
は黒色表示、（ｂ）は白色表示となる。

【００２７】また、本発明の液晶表示素子は液晶層のリ
タデーションの状態の変化が僅かな電圧差（印加電圧
差）で得ることができるので、マルチプレックス駆動に
適している。また、観察方向を変化させても、リタデー
ションの状態がホモジニアス配列させた液晶層に、セル
内面配置の反射板とセル外側に配置の偏光板間に配置し
た１枚の位相差板の組合わせた従来構成とあまり変らな
いため、視角依存性が小さい。

【００２８】また本構成における複屈折層の光利用率
（部材の光吸収量を排除した光学的利用率）は６０〜９
０％で従来の透過型ＳＴ型液晶素子にほぼ同じになる。
このため、反射率は、これにガラス基板２回分の光透過
率（９０％の２乗）と偏光板の透過率約５０％、位相差
板の光透過率（９９％の２乗）を乗じた値となり、２４
〜３６％と極めて高い反射率となる。

【００２９】

【実施例】以下本発明の実施例について詳細に説明す
る。

【００３０】（実施例１）図１に示すように、液晶駆動
セル２０を構成する透明ポリカーボネイト板でできた上
基板２１外面に位相差板２２と偏光板２３とを、位相差
板２２がセル２０と偏光板２３間に配置されるように密
着積層し、上基板２１内面にＩＴＯでできたストライプ
状の上電極２４とポリイミドの上配向膜２５を形成す
る。セル２０を構成する他の基板である下基板２６はポ
リカーボネイト板で形成され一方の面すなわち内面とな
る面を粗面として粗面上にアルミニウム層からなる反射
板兼用の光反射性の下電極２７を被着し、その上に下配
向膜２８を形成する。この上下基板２１、２６を対向さ
せて所定間隔をあけてシール剤によりシールし、基板間
に液晶層２９を充填する。

【００３１】さらに詳細に説明すると、下基板２６は図
３（ａ）に示すように一方の表面に約３０μｍの凹凸の
ある厚さ１．２ｍｍの成型されたポリカーボネイト板で
あり、反射板２７としてアルミニウムを１００００オン
グストローム蒸着し、さらに（ｂ）に示すように、これ
を線幅３００μｍ、線間５μｍ、ライン長さ２４０ｍ
ｍ、ライン数４８０本にてストライプ状にパターニング
し、反射板を兼ねた下電極２７を形成する。

【００３２】図１に示すように、対向する基板として透
明で複屈折性のない厚さ１．２ｍｍのポリカーボネイト
からなる上基板２１を用意し、その内面となる面上に線
幅３００μｍ、線間５μｍ、ライン長さ１５０ｍｍ、ラ
イン数６４０本にてストライプ状にパターニングしたＩ
ＴＯからなる上電極２４を形成し、双方の基板２１、２
６表面にＰＳＩ−２３０１（チッソ社製、プレチルト角
約７°）からなる上下配向膜２５、２８を形成し、図２
に示すような方向２５ａ、２８ａにラビング配向処理を
行い、双方のストライプ状の電極２４、２７が直交する
よう対向させる。両基板２１、２６間に左ねじれカイラ
ル剤Ｓ−８１１（メルクジャパン社製）を適量添加した
誘電異方性が正のネマティック液晶であるＺＬＩ−２２
９３（Δｎ：０．１７３、メルクジャパン社製）からな
る液晶組成物を充填し層厚６．３μｍの液晶層２９とし
て挟持し、本発明の駆動用液晶セル２０を作製した。液
晶層２９は左ねじれ２４０°ツイスト２９ａになる。

【００３３】こうして得た駆動セルの上基板２１上にポ
リカーボネイトを一定方向に延伸して延伸軸（遅相軸）
２２ａとした位相差板２２（Ｒ＝３２０ｎｍ）を図２に
示す配置（上基板のラビング配向方向２５ａと８０°で
交差）で組み合わせ、その上に偏光板２３を吸収軸２３
ａが図２に示す配置（延伸軸２２ａと直交）で組み合わ
せて本発明の液晶表示素子を作製した。

【００３４】このようにして得た液晶表示素子を１／４
８０デューティでマルチプレックス駆動したところ、ノ
ーマリーブラックモードとなり、正面でコントラスト比
が３０対１が得られ、また、上下方向、左右方向ともに
入射角２０°以下にてコントラスト比が５対１以上と極
めて広い視角依存性が得られた。また、印加電圧が選択
画素に該当する電圧にて反射率を測定したところ、３２
％と極めて高い反射率であることがわかった。

【００３５】（実施例２）実施例１同様に作製した本発
明の駆動用液晶セルを図４に示す配置で位相差板及び偏
光板を配置し、本発明の液晶表示素子を作製した。すな
わち偏光板２３の吸収軸２３ａを位相差板２２の延伸軸
２２ａと平行にする。

【００３６】このようにして得た液晶表示素子を１／４
８０デューティマルチプレックス駆動したところ、ノー
マリーホワイトモードとなり、正面度コントラスト比が
１０対１が得られ、また、上下方向、左右方向ともに入
射角２０°以下にてコントラスト比が３対１以上と極め
て広い視角依存性が得られた。また、印加電圧が選択画
素に該当する電圧にて反射率を測定したところ、３９％
と極めて高い反射率であることがわかった。

【００３７】（実施例３）実施例１におけるポリカーボ
ネート位相差板２２のかわりに、液晶分子をスプレイ状
に配列させたネマティック補償用液晶セルを位相差板と
して用いて本発明の液晶表示素子を作製した。ここで用
いた補償用液晶セルはガラスの上下基板にＳｉＯを斜方
蒸着して配向膜としたもので、上下基板のプレチルト角
はともに４５°であり、上下基板のチルト方向（基板平
面方向）は、上下で１８０°異ならせており、ここに、
液晶層として誘電異方性が正のネマティック液晶である
ＺＬＩ−２２９３（メルクジャパン製）を挟持したもの
である。液晶層厚は約４．５μｍである。また、この補
償用液晶セルのセル法線方向に対するリタデーション値
をスペクトル方を用いて測定したところ、３２０ｎｍで
あった。また、この補償用液晶セル、液晶分子のチルト
方位（基板平面方位）が図２における位相差板の遅延軸
と等しい方向になるように配置した。

【００３８】実施例１同様、１／４８０デューティマル
チプレックス駆動したところ、上下方向、左右方向とも
に入射角５０°以下にてコントラスト比が５対１以上と
極めて広い視角依存性が得られた。また、印加電圧が選
択画素に該当する電圧にて反射率を測定したところ、２
８％と高い反射率であることがわかった。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、反射率が高く、なおか
つ視角依存性の少ない、極めて広視角の液晶素子を実現
できる。

【００４０】また、実施例では、単純マトリクス型素子
について説明したが，本発明はＭＩＭや、ＴＦＴからな
るスイッチング素子を用いたマトリクス素子ても同様の
効果を得ることは言うまでもなく、また、３原色のカラ
ーフィルターを用いての表示のカラー化をしてもの同様
の効果を得ることは言うまでもない。特にＭＩＭや、Ｔ
ＦＴからなるスイッチング素子を設けた構造の液晶素子
とする場合、画素電極が透明である必要性がなくなるた
め、一般的にゲート線等の材料として用いる金属材料を
画素電極にも用いることが可能になり、同時に成膜、パ
ターニングが可能となり、製造コストの低減が実現す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の一部断面図。

【図２】図１に示す実施例の各部の配置関係を説明する
略図。

【図３】本発明の実施例に用いる基板の概略と製造プロ
セスの概略を説明する図。

【図４】本発明の他の実施例の構成の説明する各部の配
置関係を示す略図。

【図５】従来のホモジニアス配列させた液晶層と１枚の
位相差板を反射板と偏光板間に配置した構成の液晶素子
を説明する略図。

【図６】本発明の作用を説明するもので光路に沿う偏波
の様子を示し（ａ）は黒色表示、（ｂ）は白色表示をす
略図。

【図７】青Ｂ、緑Ｇ、赤Ｒ３色の波長のリタデーション
値に対する透過率Ｔを示す曲線図。

【図８】従来の反射型ＳＴ型液晶素子の部材構成と光路
を説明する一部断面図。

【符号の説明】

２０…液晶駆動セル２１…上基板２２…位相差板２３…偏光板２４…上電極２５…上配向膜２６…下基板２７…下電極２８…下配向膜２９…液晶層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村山昭夫神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光反射性電極を有する第１の基板と透明電
極を有する透明な第２の基板との間に誘電異方性が正の
ネマティック液晶からなるツイスト角１８０°以上２７
０°以下のねじれネマティック液晶層を配置した液晶駆
動セルと、前記第２の基板の上に設置される少なくとも
１枚の位相差板と、この位相差板上に設置される偏光板
とを具備してなる反射型液晶表示素子。