JPH07114006A

JPH07114006A - 表示素子

Info

Publication number: JPH07114006A
Application number: JP5257102A
Authority: JP
Inventors: Hisahide Wakita; 尚英脇田; Hideaki Mochizuki; 秀晃望月
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-14
Filing date: 1993-10-14
Publication date: 1995-05-02

Abstract

(57)【要約】【目的】偏光板を用いずに、明るくコントラストの高
い表示を可能とする表示素子を提供する。【構成】プリズム状の凹凸面のアクリル樹脂４を内面
に有する下基板１と、対向する上基板２の間隙に高分子
分散型液晶の液晶層５を挾む。電圧を印加したとき、液
晶層５とアクリル樹脂４の屈折率はほぼ等しくなり界面
の反射は極めて小さい。電圧無印加のときは入射光は液
晶層５で散乱され、散乱されずに直進した入射光もプリ
ズム面との屈折率の違いにより散乱する。以上のことか
ら、コントラストの高い表示ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示素子、特に液晶を
用いた明るくコントラストの高い表示素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】電圧により屈折率が可変な媒体として、
液晶が広く用いられている。液晶の屈折率は分子短軸方
向の屈折率(常光屈折率：ｎo)と分子長軸方向の屈折率
(異常光屈折率：ｎe)とで異なり、ｎeの方が大きい。液
晶が電圧印加により基板に垂直に立つと入射光に対する
液晶の屈折率はｎoとなり、液晶が基板に水平な一方向
を向いているときは、分子長軸と偏波面が平行な偏光に
対してｎe、他方の偏光に対してｎoになる。液晶素子と
して、最も広く用いられるのは、捻じれネマチック(Ｔ
Ｎ)モードや電界制御複屈折(ＥＣＢ)モードであるが、
これらのモードは偏光板を必要とするため透過率(反射
率)が低く、暗い表示となってしまう。偏光板を使わな
いモードとして、動的散乱モード(ＤＳＭ)や高分子分散
型液晶がある。いずれも、液晶の状態を電圧によって散
乱状態と透明状態で切り換えることにより表示を行う。

【０００３】高分子分散型液晶では、低分子のネマチッ
ク液晶を高分子マトリクス(マイクロカプセルや多孔質
体)で包み、電圧無印加のときには、高分子と液晶の屈
折率の不一致により入射光は散乱し、電圧を印加して液
晶分子が立つと、入射光に対する屈折率が一致して透明
状態となる。高分子マイクロカプセル中では、液晶は球
状のカプセル面に沿って並ぶので、その屈折率は分子長
軸方向の屈折率ｎeと分子短軸方向の屈折率ｎoの平均値
に近く、電圧印加時にはｎoになる。屈折率異方性Δｎ
は0.3未満なので、散乱状態での高分子と液晶の屈折率
は0.15もない。紙のように空気と高分子(セルロース)の
屈折率が大きいと、ほとんど後方散乱となり反射光によ
り紙面は明るい白になるが、屈折率が小さいと散乱は前
方散乱が主となり反射面は暗い。このため、高分子分散
型液晶では前方散乱状態と透明状態の間でコントラスト
を得られるようなシュリーレン光学系を用いた投写型デ
ィスプレイが発表されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
表示素子は、偏光板を用いるため、捻じれネマチック
(ＴＮ)モードや電界制御複屈折(ＥＣＢ)モードでは表示
が暗くなってしまう。また、高分子分散型液晶は偏光板
が不要だが、散乱が不十分なため、コントラストが十分
取れないという問題があった。

【０００５】本発明は、上記従来技術の問題を解決する
ものであり、偏光板を用いずに、明るくコントラストの
高い表示が可能な表示素子を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、対向する２枚の基板の一方の内面にプリ
ズム状の凹凸面を有する基板と、電圧印加により屈折率
可変な媒体を、前記基板の間隙に封入しプリズム状の凹
凸面に接するようにしたものと、その対向する２枚の基
板の間隙に媒体を封入したパネルと、該パネルの一方の
基板の外面に、プリズムまたはプリズム状の凹凸面を有
するプリズムシートを平面側が対向するように構成した
ものである。

【０００７】

【作用】上記構成によれば、液晶をプリズム状に凹凸面
を有する基板と平板基板に挾むと、液晶層自身がプリズ
ム状になる。このパネルに正面から入射した光は、基板
と液晶層の界面にはプリズムの頂角をθとして90°−θ
／２の入射角で入射することになる。フレネルの法則に
より、異なる媒体の界面で入射した光の透過率，反射率
は入射角(界面の法線からの傾き角)と、媒体の屈折率比
(入射側ｎ1，出射側ｎ2)によって決まる。屈折率比が１
に近いときは入射角によらずほとんど透過するが、屈折
率比が１から離れるほど、また、入射角が大きいほど反
射率が高くなり、ある角度以上では全反射する。

【０００８】例えば、高分子分散型液晶の電圧印加時の
屈折率ｎoを液晶と接する基板の屈折率ｎpとを等しくす
れば、電圧印加時の界面での反射は殆どなくなるのに対
し、電圧無印加状態では屈折率差が生じるので界面での
反射が増える。また、プリズムの頂角が小さくなり入射
角が大きくなるほど、電圧無印加時の界面反射は増え
て、プリズム状のアクリル樹脂層へ透過する光は減少す
る。このことから、電圧無印加時の散乱状態の液晶層か
らの入射光量がプリズム状の界面での反射により、さら
に減るために、黒画素がより暗くなってコントラストが
向上する。

【０００９】また、前記パネルとプリズムシートを組み
合わせることで新たな効果を発揮する。プリズムシート
は、正面からの入射光がプリズムシートから空気へでる
界面で全反射するような頂角とし、パネルの裏面に平面
側を対向させて配置する。入射光はパネル正面より入射
し、液晶と基板の屈折率が等しいときには、直進してプ
リズムシートに入射し、プリズムシートと空気との界面
にて全反射し入射側へ戻される。液晶の屈折率が基板と
異なるときには入射光は液晶層で屈折し、プリズムシー
トへ斜めから入射し、プリズムの斜面(空気との界面)に
は直角に入射して透過する。プリズムを１回透過しただ
けでは波長により屈折角が異なるので分光してしまう
が、プリズムを２回通ることで波長依存がなくなる。こ
のようにして、液晶パネルの屈折率変化によりコントラ
ストの高いシャッターとして機能する。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して実施例を詳細に説明す
る。図１は本発明の第１の実施例の表示素子の断面図を
示したものである。図１において、１は下基板、２は上
基板、３は下基板１，上基板２上に設けるインジュウム
錫からなる透明電極、４は、下基板１の透明電極３上に
塗布され、プリズム状の凹凸面を形成するアクリル樹
脂、５は高分子分散型液晶の液晶層である。図２は高分
子分散型液晶の透過率の角度分布図を示し、図３は液晶
層と基板との界面の入射角依存特性の図を示し、実線が
入射面に垂直な偏光成分のＳ偏光、破線が入射面に平行
偏光成分のＰ偏光に対応する。

【００１１】まず、フォトリソグラフィとアルゴンガス
のイオンビームによる斜めエッチングで加工して三角波
型にした金型にて熱プレスし、アクリル樹脂４を図１の
ハッチング部のようなプリズム状の凹凸を作成する。プ
リズム状の凹凸の高さは２ミクロン、繰り返しピッチは
２ミクロンである。従って、プリズム状の凹凸の頂角
は、60度になる。次に、下基板１，上基板２の間に高分
子分散型液晶の液晶層５を注入したパネルを作成する。
これは、ＢＤＨ社製ネマチック液晶Ｅ−８に紫外線硬化
型アクリル樹脂モノマー２エチルへキシルアクリルレー
ト及びオリゴマーと、重合開始剤(イルガキュアー651)
を混ぜて撹拌した液を下基板１，上基板２を貼り合わせ
た空パネルの間に注入し、相分離する温度にパネルを保
った状態で紫外線を照射することにより作成する。

【００１２】液晶マイクロカプセルの粒径は１〜３ミク
ロンになっており、電圧無印加時には乳白色で、電圧印
加により透明状態になる。液晶層の厚みは、プリズム状
の凹凸面に直角な方向のストライプ状スペーサ(高さ９
ミクロン)を上基板２側に作成し、９〜11ミクロンとな
るようにする。また、スペーサは感光性ポリイミド(フ
ォトニース)を現像することで作成する。まったく同じ
高分子分散型液晶の液晶層５を、２枚の平面基板のパネ
ル間に注入して挾んだ参照パネルを作成した。但し、液
晶層５の厚みは第１の実施例の液晶層の平均厚み10ミク
ロンとした。

【００１３】これらのパネル，参照パネルのコントラス
トを、コリメーターからの光を各パネルに入射し、輝度
計でパネル正面の出射光を、測定角２度で測光した。測
定の結果、参照パネルのコントラストが約50であったの
に対し、第１の実施例の表示素子のパネルは約80にな
り、コントラストが大幅に改善された。これは、透過状
態の輝度は同じで、散乱状態での輝度が下がったことが
直接的な原因である。

【００１４】電圧を印加したとき、液晶分子の屈折率は
1.52となり、アクリル樹脂４の屈折率1.50とほとんど等
しいので、第１の実施例の表示素子のパネルも、参照パ
ネルも、液晶層と基板の界面での反射は極めて小さい。
これに対し、電圧無印加の散乱状態では高分子分散型液
晶の液晶層５は、図２のような透過率特性を示し、±30
度方向の内側へ散乱する。フレネルの公式に基づき、液
晶層５の屈折率が散乱時の平均屈折率1.65の場合に、液
晶層５からアクリル樹脂４へ入射する光の反射率は図３
に示す角度依存特性図から、入射角50度以下では界面で
の反射は１％未満で、60度以上で急激に増加し、67度以
上で全反射する。

【００１５】参照パネルでは、界面への入射角は±30度
以下なのでほとんど界面反射はないが、本発明のパネル
では、プリズムの一方の面への入射角は散乱角＋プリズ
ム面の傾斜角(60度)となるので、ほとんどが全反射され
図４のように他方のプリズム面から、パネル面に平行に
近い角度で出射していくので、結果的に散乱角が極めて
大きくなったことになる。また、液晶層５で散乱されず
に直進した光も、アクリル樹脂４の屈折率の違いにより
屈折する。以上が、コントラスト向上の要因と考察され
る。従ってプリズムの頂角θは、プリズム面の傾斜90°
−θ／２と散乱角の和が反射率の十分高い角度に達すれ
ばよく、散乱性能が上がれば、もっと大きな頂角にして
もよい。

【００１６】以上のように、本発明の第１の実施例の表
示素子はコントラストの高い表示が可能となる。第１の
実施例では、屈折率可変媒体として高分子分散型液晶の
液晶層５を用いたが、必ずしもこれに限らず、他の液晶
や液晶以外の媒体でも屈折率が可変であればよい。

【００１７】次に、第２の実施例について説明する。図
５は第２の実施例の表示素子の断面図を示している。ま
た、第１の実施例と同一の作用効果のものには同一符号
を付して詳細な説明は省略する。図５において、１は下
基板、２は上基板、３は透明電極、４はアクリル樹脂、
５は液晶層、６はポリカーボネートからなるプリズムシ
ートである。

【００１８】第１の実施例の表示素子の出射側に、平面
側をパネルに対向させてプリズムシート６を配置する。
プリズムシート６の頂角は90度で、平面側からプリズム
シート６に垂直に入射した光は、プリズムシートと空気
との界面で２回全反射して、入射方向へ反射する。液晶
層５に電圧を印加したときは、図５の左側のように液晶
層５は透明になり、プリズム状の凹凸面を持つアクリル
樹脂４との屈折率の一致により屈折は起こらず、プリズ
ムシート６で入射光は反射して入射側へ戻る。一方、電
圧が印加されないときは、入射光は液晶層５の散乱によ
り方向が変わりプリズム状の凹凸を持つアクリル樹脂４
でさらに屈折を受け、プリズムシート６へ斜め入射して
通り抜ける。

【００１９】プリズムシート６の背後に黒色版または着
色版をおけば、電圧無印加時に黒または着色板の色が見
え、電圧印加時に入射光色が見える表示が得られる。液
晶層５の散乱は前方散乱により入射光の方向を変えるだ
けで、後方散乱はないほうがよい。逆に、出射側から見
れば、シャッターとして入射光のオン・オフを制御でき
る。

【００２０】液晶層５としては、基板に配向膜を塗布
し、アクリル樹脂４のプリズムの稜線に沿ってラビング
することにより、正の誘電異方性を持つネマチック液晶
を水平に並べてもよい。この場合、液晶分子が電圧印加
によって立ったときに、基板上のアクリル樹脂４のプリ
ズムとの屈折率一致により屈折はなくなり、プリズムシ
ート６で全反射する。電圧無印加のときは、プリズムの
稜線に平行な偏光は屈折してプリズムシート６を透過
し、他方の偏光は基板界面では屈折を受けずにプリズム
シート６で全反射される。こうして、出射側から見たと
き、電圧印加時に暗く、電圧無印加時に散乱による透過
光が得られる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば屈
折率可変媒体である液晶層を、対向する２枚の基板の一
方の内面にプリズム状の凹凸面を有する基板間に挾む。
これにより、偏光板を使用せずに明るく、かつコントラ
ストの高い表示を得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の表示素子の断面図であ
る。

【図２】高分子分散型液晶の透過率の角度分布図であ
る。

【図３】液晶と基板界面の入射角依存を示す特性図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施例の表示素子の動作を示す
断面図である。

【図５】本発明の第２の実施例の表示素子の断面図であ
る。

【符号の説明】

１…下基板、２…上基板、３…透明電極、４…ア
クリル樹脂、５…液晶層、６…プリズムシート。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する２枚の基板の一方の内面にプリ
ズム状の凹凸面を有する基板と、電圧印加により屈折率
可変な媒体とからなり、該媒体が前記基板の間隙に封入
されプリズム状の凹凸面に接していることを特徴とする
表示素子。
【請求項２】媒体が液晶であることを特徴とする請求
項１記載の表示素子。
【請求項３】媒体が高分子マトリクス中に液晶を分散
させたものであることを特徴とする請求項１記載の表示
素子。
【請求項４】媒体である液晶の常光屈折率と前記液晶
と接するプリズム状の凹凸面を有する基板の屈折率がほ
ぼ等しくなることを特徴とする請求項１記載の表示素
子。
【請求項５】入射光に対する電圧無印加時の媒体の屈
折率とプリズム状の凹凸面を有する基板の屈折率が異な
り、入射光が媒体と前記基板との界面でほとんど全反射
となることを特徴とする請求項１記載の表示素子。
【請求項６】対向する２枚の基板で一方の内面にプリ
ズム状の凹凸面を有しその間隙に電圧により屈折率可変
な媒体を封入したパネルと、該パネルの一方の基板の外
面に平面側が対向するプリズムまたはプリズム状の凹凸
面を有するプリズムシートとからなり、前記媒体に電圧
を印加したときと電圧を印加しないときのいずれか一方
の状態で前記媒体の屈折率が前記基板とほぼ等しくな
り、入射光が前記パネルを直進して透過したとき前記プ
リズムまたはプリズムシートで入射側に全反射され、他
方の状態のとき入射光は前記パネルで屈折または散乱に
より進行方向が変わり、前記プリズムまたはプリズムシ
ートを透過することを特徴とする表示素子。
【請求項７】媒体が高分子マトリクス中に液晶を分散
させたものであり、前記液晶の常光屈折率が基板の屈折
率とほぼ等しいことを特徴とする請求項６記載の表示素
子。
【請求項８】媒体がネマチック液晶をプリズム状の凹
凸面の稜線に平行な方向に水平配向させたものであるこ
とを特徴とする請求項６記載の表示素子。