JPH07128663A - 直視型液晶ディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高輝度であり、かつ広視野角な新規な直視型
液晶ディスプレイを提供する。 【構成】 液晶を用いた調光層１が、透明電極６、６’
を有する２枚の基板５、５’の間に狭持されており、入
射光側の基板５上にレンズ２が、対向基板５’上に遮光
層３が設けられている。レンズ２と遮光層３は、調光層
１が透明状態であるときに光源８からの光線が、レンズ
２で曲げられ遮光層３で焦点を結ぶように設置する。電
源７により印加される電圧が変化することにより、調光
層１は透過（透明）状態と散乱状態の間で変化する。透
過状態において光源８からの光は、レンズ２で集光され
て遮光層３に集まるため、光は遮断されディスプレイの
画面は暗くなる。調光層が散乱状態のときはレンズ２を
透過した光は調光層１で散乱されるため遮光層３上に焦
点を結ばず、対向基板５’の遮光層のない部分より透過
し、ディスプレイの画面は明るくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直視型液晶ディスプレ
イに関する。特にバックライトを有する高輝度、広視野
角のカラー表示直視型液晶ディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶素子を用いた直視型ディスプ
レイとしては、ツイステッド・ネマティック（ＴＮ）モ
ードを利用し、バックライト、カラーフィルタを組み合
わせたものが実用化されている。このモードは液晶材料
の旋光特性を利用したものであり、２枚の偏光板の間に
挟まれた９０度の捻れ角を有する液晶材料が印加された
電場方向に配向を変化させることを利用して、透過−非
透過によりスイッチングを行う。

【０００３】また、偏向板を使用しない液晶素子とし
て、近年勢力的に検討されている素子として高分子分散
液晶（ＰＤＬＣ）があり、たとえばＰＣＴ出願ＷＯ８９
／０５４７０号公報に示されるように特に投射型ディス
プレイへの応用展開が盛んである。このディスプレイに
おいては入射光を三原色に分離し、ＰＤＬＣ層の透過−
散乱の切り替えにより、カラー投射像を得ている。同様
にＰＤＬＣの投射型へ応用として特開平４−３５３８２
４号公報が開示されている。また、特開昭５９−１７８
４２８号公報には、ＰＤＬＣパネルの裏側、斜め方向か
ら光が入射する構造が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これら従来の液晶ディ
スプレイは、以下のような欠点を有している。

【０００５】ＴＮモードを用いた直視型ディスプレイに
おいては、セルの両側の２枚の偏光板により、入射光の
５０％以上が吸収され、光利用効率が悪く、強いバック
ライト光源を必要とするという欠点を有している。さら
にこのディスプレイにおいては、ＴＮモード固有の特性
により視野角が狭いという欠点がある。

【０００６】ＰＤＬＣを用いた投射型ディスプレイは遠
方のスクリーンに投射するには適しているが、散乱光を
除去するための光学系を素子前方に設ける必要があり直
視型ディスプレイ、特に近年需要の多い薄型の直視型デ
ィスプレイとしては使用できない。特に入射光を３原色
に分離する方法は構造が大きなものとなり直視型には適
さない。

【０００７】ＰＤＬＣの斜め後方により光を入射させる
ディスプレイにおいては、入射光方向と画面正面の方向
が大きく異なるため、ＰＤＬＣの散乱特性より十分な画
面輝度が得られないという欠点がある。一方、これらの
方向のなす角を小さくするとＰＤＬＣ電圧印加時の直線
透過光が直接、ディスプレイ使用者の目に入るため、視
野角は著しく小さくなる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決するためになされたものであり、本発明の目的は、
高輝度であり、かつ広視野角な新規な直視型液晶ディス
プレイを提供することにある。そのため本発明の直視型
ディスプレイでは、透過散乱型の調光層を用い、その調
光層の光源側にレンズを、他方の側に遮光層を有する構
造によって上記目的を達成している。

【０００９】本発明の直視型ディスプレイの構造、機能
および効果を断面図（図１）を用いて説明する。

【００１０】液晶を用いた透過−散乱型の調光層１が、
透明電極６、６’を有する２枚の基板５、５’の間に狭
持されており、入射光側の基板５上にレンズ２が、対向
基板５’上に遮光層３が設けられている。レンズ２と遮
光層３は、調光層１が透明状態であるときに光源８から
の光線が、レンズ２で曲げられ遮光層３で焦点を結ぶよ
うに設置する。

【００１１】電極７により透明電極６、６’間に印加さ
れる電圧が変化することにより、調光層１は透過（透
明）状態と散乱状態の間で変化する。透過状態において
光源８からの光は、レンズ２で集光されて遮光層３に集
まるため、光は遮断されディスプレイの画面は暗くな
る。調光層が散乱状態のときはレンズ２を透過した光は
調光層１で散乱されるため遮光層３に焦点を結ばず、対
向基板５’の遮光層のない部分より透過し、ディスプレ
イの画面は明るくなる。

【００１２】さらに本発明の利点として、調光層そのも
のが直視型ディスプレイに必要な光拡散板としての役目
を兼ねることが挙げられる。つまり、散乱状態にある調
光層１が透過光を効率よく散乱するため、光拡散板を設
けることなく広い視野角を有するディスプレイが得ら
れ、この特性の制御も調光層１の特性制御により可能で
ある。

【００１３】さらに本発明の利点として、通常の液晶デ
ィスプレイにおいては各画素ごとに能動素子等の非透過
部分があり１００％近い開口率は得られないが、本発明
の場合にはマイクロレンズにより透過光が開口部に集光
されることにより光が効率よく開口部を透過し、さらに
輝度を高めることが可能となる。本発明のディスプレイ
においては平行光線を使用していないのでこのような方
法でマイクロレンズを使用したときにも、２つのマイク
ロレンズを組にして使用する必要はなく構造が簡単であ
るという長所もある。

【００１４】図１よりさらに特性の優れた本発明の例を
図２を用いて説明する。図２のディスプレイにおいては
図１における固定のレンズ２の変わりに可変レンズ４を
用いる。可変レンズ４は、印加電圧により凸レンズ状態
とレンズとして機能しな状態（単なる平板透明体）との
間で変化する。調光層１が透過状態において可変レンズ
４が凸レンズ状態になるように設計する。調光層が透明
状態においては、図１と同様に光源８からの光は、可変
レンズ４で集光されて遮光層３に集まるため、光は遮断
されディスプレイの画面は暗くなる。調光層が散乱状態
のときは、可変レンズ４を透過する光は直進するため遮
光層３により遮断される光の割合は図１の構造よりもさ
らに小さくなり、高輝度、広視野角な画面表示が得られ
る。

【００１５】本発明の各構成要素を以下に説明する。

【００１６】本発明の調光層１は、透過状態と散乱状態
の間で機能する各種の液晶材料を使用することができ、
前述のＰＤＬＣの他、カイラル剤等を含有する液晶材料
を用いたときのフォーカルコニックテクスチャー等によ
る散乱を利用する相転移モード、直流電界下での動的散
乱による散乱効果を利用する動的散乱モード（ＤＳモー
ド）等を使用することができる。

【００１７】通常ＰＤＬＣとは、液晶材料が高分子中に
分散した構造を有することを指すことが多いがこれに限
定されることなく、液晶材料が連続相を形成していても
よいし、液晶材料、高分子材料の双方連続層を形成して
いてもよい。作製方法としては、高分子前駆体の均一溶
液から相分離により作製する方法（紫外線硬化樹脂、熱
可塑性樹脂等を使用）、液晶材料と非相溶性の高分子溶
液の攪拌等による方法（液晶とポリビニルアルコール水
溶液の乳濁液より作製）、液晶材料および高分子材料の
共通溶媒を用いて均一溶液とした後溶媒を除去する方
法、あらかじめ作製した多孔質膜に液晶材料を含浸させ
る方法、ガラスビーズ等の透明性固体材料を液晶材料中
に分散する方法等がある。

【００１８】印加電圧と透過率の関係では、調光層に用
いた材料の特性により、通常のＰＤＬＣのような電圧非
印加状態で散乱状態のものの他、電圧印加状態で散乱状
態のもの（リバースモードＰＤＬＣ、ＤＳモード等）、
同一電圧下で双安定状態を有するもの（相転移モード）
のいずれの材料をも用いることができる。

【００１９】調光層に使用される液晶材料としてはモー
ドにより種々のものが使用でき、ネマティク液晶、スメ
クチック液晶、コレステリック液晶のどれを用いてもよ
いし、使用する液晶分子の誘電異方性は正であっても、
負であってもよく、また誘電異方性がたとえば印加電圧
の周波数によって正負両方の値をとることのできるもの
であってもよい。また、多色性染料を液晶中に添加する
こともできる。

【００２０】本発明に用いるマイクロレンズは、焦点固
定の固体レンズでもよいが、図２で示したような焦点可
変レンズであることがより望ましい。ここで可変レンズ
とは印加電圧等により焦点距離が変化するレンズであり
その程度について特に制限はない。これらのマイクロレ
ンズの形状は、入射方向からみて円または多角形でもよ
いし、シリンドリカルレンズのような構造でもよい。ま
たマイクロレンズは各画素毎に設置されていてもよい
が、２つまたはそれ以上の画素に渡っていてもよい。た
だし、実際上はレンズ２と遮光層３との間の距離が小さ
いためレンズの大きさはある程度制限されることにな
る。レンズとして可変レンズを使用したときの制限は、
調光層が透明になった状態で入射光が遮光層上に焦点を
結ぶことであり、他の点においては自由に選択すること
ができるが、焦点距離の変化の大きいものが望ましい。

【００２１】本発明の可変レンズ４としては各種レンズ
が使用できるが、特に調光層との関連により同程度の駆
動電圧を有する液晶材料を用いた可変レンズがのぞまし
い。液晶材料を利用した可変レンズとしては、凹レンズ
状のくぼみの部分に液晶が入った構造を有するもの（た
とえば特開昭５２−３２３４８号公報に開示された「自
動焦点レンズ」）、フレネルレンズと液晶材料を組み合
わせたもの（たとえば特開昭６０−５０５１０号公報に
開示された「焦点距離可変液晶レンズ」、非対称電極に
よる液晶分子の配向を利用したもの（たとえば電子情報
通信学会技術研究報告ＥＩＤ８８−４，Ｐ２３〜２８に
開示された「液晶マイクロレンズ」）等を使用すること
ができる。ただし、これらに開示された液晶レンズは特
定の方向の直線偏向に有効に作用するものであるため、
２つの液晶レンズを直交させて用いるか、あるいは十分
短い螺旋ピッチを有するカイラル液晶を用いる等の工夫
が必要である。また、可変レンズがＰＤＬＣ等の調光層
と同一の一対のガラス基板の間に挟まれた構造も可能で
ある。

【００２２】可変レンズの駆動は調光層と同一の電源に
より駆動することが望ましいが、透過率、コントラスト
の向上のために異なる電圧で駆動させることもできる。

【００２３】本発明の遮光層３は基板５’の内側に設け
ることもできるし、基板５’の外側に設けることもでき
る。また、必要な場合には、基板５’より離した位置に
設けることも可能である。遮光層の大きさは、集光され
た光のスポットに対応する程度のできる限り小さいもの
が望ましい。遮光層３の形状はレンズ２等の特性に依存
し、そのレンズの焦点形状を遮蔽しうる形状であること
が必要であり、レンズ２または４がシリンドリカルレン
ズ等である場合はストライプ状が有効である。

【００２４】本発明で使用する基板５、５’、５”はマ
イクロレンズで集光された光が乱されないよう光学的歪
のない透明材料が望ましく、あまり厚くないものが望ま
しい。具体的には、ガラスの他、高分子材料等を使用す
ることもできる。また、ＴＦＴ等の能動素子を基板上に
設置することもあり、カラーディスプレイの場合にはカ
ラーフィルタを有する。

【００２５】本発明で使用する光源８はレンズ２または
レンズ４を透過した光が遮光層３上に焦点を結ぶように
ある程度の平行性を有する光線である必要がある。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を用いて詳細に説明す
るが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例に
限定されるものではない。 （実施例１）１３５μｍ周期で２０μｍ幅の遮光層を作
製したＩＴＯ付きガラス基板と遮光層を有しないＩＴＯ
付きガラス基板を１０μｍのガラスロッドをスペーサと
してセルを作製した。２−エチルヘキシルアクリレート
とアクリレートオリゴマ（根上工業 ＵＮ−９０００）
の１：２混合溶液と正の誘電異方性を有するシアノビフ
ェニル系液晶材料（メルク社ＢＬ０３６）を２：１の割
合で混合した均一溶液をセルに注入した後、２４℃で紫
外線を照射すると溶液が固化し白濁した膜が得られた。
素子に１ｋＨｚの交流電圧を印加すると電圧の増加と共
に透過率が増加し１５Ｖでほとんど透明となった。遮光
層と反対側の基板上に（株）光洋製のシリンドリカル型
のマイクロレンズ（レンティキュラーレンズ）を取付、
後方（マイクロレンズ側）より光源を設置した。電圧非
印加状態で白色状態であったが、印加電圧の上昇ととも
に次第に暗くなり、１５Ｖ以上でほとんど透過光が０と
なった。 （実施例２）各画素の中央部に２０μｍ幅の遮光層を付
けたカラーフィルタ、ＴＦＴつきのガラス基板に実施例
１と同様の液晶、プレポリマの混合溶液を注入し、紫外
線を照射して白濁状態のＰＤＬＣ基板を作製した。セル
厚は６μｍとした。セルの光源側に実施例１と同様のマ
イクロレンズを取り付け、電圧印加状態でガラス基板と
マイクロレンズの距離を調節し、最も暗くなる位置にマ
イクロレンズを固定した。各色に対応する電圧状態に設
定することで、鮮やかな色がえられた。また横方向から
みても色の反転等が生じることなく、視野角は十分に広
かった。 （実施例３）以下の方法で非対称電極を用いた液晶マイ
クロレンズを作製した。１００μｍ周期で２０μｍ幅の
透明電極を有する基板と全面に透明電極を付けたガラス
基板を組み合わせてセルを作製した。液晶材料（メルク
社Ｅ８）を注入して電圧を印加すると駆動電圧とともに
凸レンズ効果が現れ、約１０Ｖ印加で最も光が集められ
た。実施例１と同様に作製したＰＤＬＣパネルを液晶マ
イクロレンズを組み合わせ、素子とした。電圧非印加で
白色であった素子は電荷印加とともに次第に暗くなり約
１０Ｖで最も暗くなった。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による直視
型ディスプレイは、透過−散乱型の調光層の両側にレン
ズと遮光層を設け、散乱光を用いて表示する構造とした
ため、高輝度かつ広視野角な画像が得られるという効果
がある。本発明で製造される液晶ディスプレイは直視型
ディスプレイとして、文字、図形等を表示する装置等に
利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により作製した固定レンズを用いた直視
型液晶ディスプレイの断面図である。

【図２】本発明により作製した凸レンズ型液晶可変レン
ズを用いた直視型液晶ディスプレイの断面図である。

【図３】本発明により作製した液晶マイクロレンズを用
いた直視型液晶ディスプレイの断面図である。

【符号の説明】

１ 調光層 ２ マイクロレンズ ３ 遮光層 ４ 可変マイクロレンズ ５、５’、５” ガラス基板 ６、６’、６” 透明電極 ７ 電源 ８ 光源 １１ 液晶 １２ 透明材料

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明電極を有する２枚の透明基板に狭持
   された調光層、調光層の透過と散乱を制御する電源、及
   び光源を有する直視型液晶ディスプレイにおいて、光入
   射側にマイクロレンズを有し、他方の側に遮光膜を有
   し、かつ遮光膜は、マイクロレンズの焦点位置を覆うよ
   うなパターンを有することを特徴とする直視型液晶ディ
   スプレイ。
2. 【請求項２】 マイクロレンズが可変レンズである請求
   項１記載の直視型液晶ディスプレイ。
3. 【請求項３】 マイクロレンズが液晶可変レンズである
   請求項１記載の直視型液晶ディスプレイ。
4. 【請求項４】 透過と散乱を制御する調光層が液晶材料
   と高分子材料からなる請求項１記載の直視型液晶ディス
   プレイ。