JPH07294912A

JPH07294912A - 反射型カラー液晶表示素子

Info

Publication number: JPH07294912A
Application number: JP6111839A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Takei; 寿郎武井
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】高速応答性を有し、高輝度でカラー画像を表
示できる複屈折制御方式の反射型液晶表示素子を提供す
ることである。【構成】対向して配置された一対の透明基板１１、１
２の内面に電極１３、１８と配向膜１７、２１を形成
し、両配向膜１７，２１の配向処理の方向を同一とし、
液晶２３をスプレイ配向状態で配向させる。一方の透明
基板１１の外側に、透過軸が配向処理の方向に４５°で
交差するように、偏光板２５を配置し、他方の透明基板
１２の内面又は外面に反射板２０を配置する。対向する
電極１３、１８間に電圧を印加して、複屈折を制御し、
表示色を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は液晶表示素子に関し、
特に、高速応答性に優れた複屈折制御方式の反射型カラ
ー液晶表示素子に関する。また、この発明は高輝度のカ
ラー画像を表示できる複屈折制御方式の反射型カラー液
晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶に電界を印加して液晶分子の配列を
変形し、その際に生ずる複屈折の変化を利用してカラー
画像を表示する複屈折制御方式のカラー液晶表示素子が
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の複屈折
制御方式のカラー液晶表示素子は、液晶分子の配向動作
に要する時間が長く、動画等の高速応答性が要求される
カラー画像を表示するのに適していないという問題があ
る。即ち、複屈折制御方式の液晶表示素子においては、
印加電圧をオフ（又は弱く）した際には、液晶分子は配
向膜の配向規制力により初期配向状態（又は弱い電圧に
対応する配向状態）に復帰又は変化するが、配向規制力
自体は比較的弱いものである。このため、液晶分子の配
向状態の変化に要する時間が長く、結果として総合的な
応答時間が長くなっていた。

【０００４】また、従来の複屈折制御方式の液晶表示素
子は、液晶セルを２枚偏光板で挟んで構成されており、
偏光板による光の減衰が大きく、表示が暗いという問題
がある。バックライト等を使用することにより、表示を
明るくすることも可能であるが、光源及び電源等が必要
となり液晶表示素子を含む装置全体が大型化し、重量も
重くなってしまう。

【０００５】この発明は、上記実状に鑑みてなされたも
ので、高速応答性を有する複屈折制御方式の反射型カラ
ー液晶表示素子を提供することを目的とする。また、こ
の発明は、高輝度でカラー画像を表示できる複屈折制御
方式の反射型カラー液晶表示素子を提供することを他の
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の反射型液晶表示素子は、それぞれに電極
が形成され、対向して配置された一対の透明基板と、前
記一対の透明基板の電極上に形成され、それぞれに所定
の方向に配向処理が施された配向膜と、前記配向膜間に
封止され、前記配向膜の配向規制力に従ってスプレイ配
向している液晶と、前記一対の透明基板の一方の外側に
配置され、その光軸を前記配向処理の方向に対し所定角
度傾けて交差させて配置した偏光板と、前記一対の透明
基板の他方の透明基板側に配置され、前記液晶を通過し
た光を反射する反射板と、を備えることを特徴とする。

【０００７】

【作用】上記構成においては、対向する電極間に電圧を
印加すると、印加電圧に応じて電極間の液晶分子の配向
状態が変化して液晶層のリタデーションが変化し、液晶
層を通過する光の各波長毎の偏光状態が変化する。この
ため、偏光板の透過軸を通過して液晶層に入射し、液晶
層を通過し、さらに、反射板により反射されて液晶層を
通過し、偏光板を通過して出射する光のピーク波長が変
化する。従って、印加電圧を制御して、表示色を制御し
て、カラー画像を表示できる。

【０００８】液晶がスプレイ配向状態にあるので、液晶
分子の配向速度、特に、電圧をオフしたときの配向速度
が通常のホモジニアス配向、ホメオトロピック配向、ね
じれ配向の液晶等と比較して格段に速い。このため、液
晶表示素子としての応答速度も速くでき、その結果とし
て、動画等をスムーズな動きで表示できる。また、偏光
板を１枚使用するだけなので、偏光板を２枚使用する反
射型液晶表示素子と比較して表示が明るくなり、高輝度
のカラー画像を表示できる。

【０００９】例えば、両配向膜の配向方向を同一とし、
前記液晶を非ツイスト状態とし、前記偏光板の光軸を前
記配向処理の方向に対し実質的に４５°とすることによ
り、図５、図６、図８、図９に例示するような特例が得
られ、カラー画像が表示可能となる。

【００１０】前記反射板は、前記一対の透明基板のうち
の他方の透明基板の内面にスパッタリング等により形成
されてもよく、あるいは、他方の透明基板の外面側に配
置されてもよい。また、液晶表示素子がアクティブマト
リクスタイプのもので、透明基板のほぼ全面を覆う対向
電極等が形成されている場合には、この対向電極を光反
射性の金属等で形成し、電極と反射板を兼用してもよ
い。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例にかかる液晶表示素子
を図面を参照して説明する。（第１実施例）まず、この発明の第１実施例にかかるカ
ラー液晶表示素子の構成を図１〜図４を参照して説明す
る。図１は第１実施例の液晶表示素子の断面図、図２は
画素電極と薄膜トランジスタを形成した透明基板の平面
図、図３は配向処理の方向と偏光板の光軸の位置を示す
平面図、図４は液晶分子の配向状態を説明するための概
念図である。

【００１２】この液晶表示素子は、アクティブマトリク
ス方式のものであり、対向して配置された一対の透明基
板（例えば、ガラス基板）１１、１２のうち、図１にお
いて上側の透明基板（以下、上透明基板）１１にはＩＴ
Ｏ等の透明導電材料からなる画素電極１３と画素電極１
３に接続されたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１４とがマ
トリクス状に配列形成されている。

【００１３】図２に示すように、画素電極１３の行間に
ゲートライン（走査ライン）１５が配線され、画素電極
１３の列間にデータライン（色信号ライン）１６が配線
されている。各ＴＦＴ１４のゲート電極は対応するゲー
トライン１５に接続され、ドレイン電極は対応するデー
タライン１６に接続され、ソース電極は対応する画素電
極１３に接続されている。ゲートライン１５は端子部１
５ａを介して行ドライバ（ゲートドライバ）３１に接続
され、データライン１６は端子部１６ａを介して列ドラ
イバ（データドライバ）３２に接続されている。

【００１４】画素電極１３、ＴＦＴ１４、ゲートライン
１５、データライン１６等の上には、配向膜１７が形成
されている。配向膜１７は、例えば、ポリイミド等の有
機高分子化合物から形成され、表面にラビング処理等の
配向処理が施されている。

【００１５】図１において、下側の透明基板（以下、下
透明基板）１２の内面には、上透明基板１１の各画素電
極１３と対向し、一定の基準電圧が印加されている透明
な対向電極１８が形成されている。対向電極１８の上に
は、スパッタリングにより形成されたアルミニウム膜等
からなる反射板２０が形成されている。反射板２０の上
には、配向膜２１が形成されている。配向膜２１は、例
えば、配向膜１７と同一材質で形成され、その表面には
配向処理が施されている。

【００１６】上透明基板１１と下透明基板１２は、その
外周縁部において枠状のシール材２２を介して接着され
ている。上透明基板１１、下透明基板１２、シール材２
２で囲まれた領域には液晶２３が封入されている。液晶
２３は、例えば、誘電異方性が正のネマティック液晶等
からなる。上透明基板１１と下透明基板１２の間隔（よ
り正確には、配向膜１７、２１の間隔＝液晶層厚ｄ）
は、ギャップ材２４により一定値に保持される。上透明
基板１１の上には、偏光板２５が配置される。

【００１７】図３に示すように、配向膜１７の配向処理
の方向（ラビング方向）１７ａと配向膜２１の配向処理
の方向２１ａは同一であり、液晶２３はツイストしてい
ない状態で上透明基板１１と下透明基板１２の間に封止
されている。このため、液晶分子は、図４に模式的に示
すように、上下透明基板１１、１２の主面に対し、その
ディレクタが反対方向に傾いたスプレイ配向状態とな
る。また、偏光板２５は、その光軸２５ａ（透過軸又は
吸収軸）が配向処理の方向１７ａ、２１ａに対し、４５
°±１５°（望ましくは、４５°±５°）で交差するよ
うに配置されている。

【００１８】次に、上記構成の液晶表示素子の動作を説
明する。ある行の画素電極１３の選択期間に、行ドライ
バ３１からその行のゲートライン１５にゲートパルスを
印加すると、そのゲートライン１５に接続されたＴＦＴ
１４がオンし、オンしたＴＦＴ１４に接続されたデータ
ライン１６の電圧が画素電極１３に印加される。選択期
間が終了し、ゲートパルスがオフすると、ＴＦＴ１４も
オフし、選択期間に画素電極１３に印加されていた電圧
が、画素電極１３と対向電極１８とその間の液晶２３に
より形成される容量（画素容量）に保持される。このた
め、非選択期間の間、液晶２３には、画素電極１３の電
圧と対向電極１８の電圧との差に相当する電圧が印加さ
れ続ける。

【００１９】この印加電圧の強度に応じて、液晶分子の
配向状態が図４に示す初期配向状態からエネルギーが最
も低くなる配向状態に変化し、液晶２３の層のリタデー
ションが変化し、液晶２３の層を通過する各波長光の偏
光状態が変化する。従って、偏光板２５の透過軸を通過
して直線偏光となった光は、液晶２３の層を通過し、反
射板２０により反射されて、再度、液晶２３の層を通過
する間に印加電圧に応じてその偏光状態が変化する。こ
のため、偏光板２５の透過軸を通過して出射する光のピ
ーク波長も印加電圧に応じて変化し、表示色が変化す
る。そこで、行ドライバ３１により、ゲートライン１５
に順次ゲートパルスを印加し、列ドライバ３２から各デ
ータライン１６に表示したい色に対応する電圧（データ
信号）を印加することにより、各画素電極１３の電圧を
制御し、各画素の表示色を制御して、任意のカラー画像
を表示できる。

【００２０】上記構成では、液晶２３がスプレイ配向状
態にあるので、液晶分子の配向速度、特に、印加電圧を
オフ又は低下されたときの配向速度が通常のホモジニア
ス配向あるいはホメオトロピック配向、さらには、ねじ
れ配向状態の液晶等と比較して格段に速い。このため、
液晶表示素子としての応答速度が速く、各選択期間（書
き込み時間）を短くできる。このため、１フレーム当た
りの総書き込み時間を短くでき、ひいてはフレーム周波
数を高くすることができる。従って、カラー動画等をス
ムーズな動きで表示できる。

【００２１】また、上記構成では、入射光は、偏光板２
５と、上透明基板１１と、液晶２３の層とを各２回通過
するだけであるので、２枚の偏光板を使用する従来の反
射型の液晶表示素子と比較すると、下透明基板１２と下
側の偏光板を通過することによる光の減衰がなく、バッ
クライト等を使用しなくても高輝度でカラー画像を表示
できる。

【００２２】第１実施例に基づく液晶表示素子の一具体
例における液晶２３への印加電圧（電極１３、１８間の
電圧）と表示色と反射率の関係及びその色度図を図５、
図６に示す。これらの特性は、液晶２３としてメルク社
の商品名ＢＤＨ−ＴＬ２１５を使用し、液晶層厚ｄを
４．８μｍに設定し、プレチルト角を３．５°とし、偏
光板２５の単体透過率を４４％、偏光度を９９．５％と
し、その透過軸を配向処理の方向１７ａ，２１ａに対し
４５°に設定し、反射板２０として絶縁膜１９の上面に
アルミニウムをスパッタリングしたものを使用した際に
得られたものである。なお、使用した液晶のＮ−Ｉ点は
８３℃、Δｎは０．２０４，粘度は４４ｃｐ、ピッチＰ
は７３μｍであった。

【００２３】図５及び図６に示すように、この具体例で
は、表示色は印加電圧の上昇に伴って、青→暗い青→紫
→白と変化し、複数色の表示が可能であった。また、印
加電圧をステップ状に上昇させた場合の液晶分子の配向
終了までに要する時間（オン時間）Ｔonの平均値は４
３．０ｍｓ、印加電圧をステップ状に低下させた場合の
液晶分子の配向終了までに要する時間（オフ時間）Ｔof
fの平均値は３９．３ｍｓであった。応答時間が１００
ｍｓ以下であれば、スムーズな動画の表示が可能である
と言われており、本実施例の液晶表示素子の応答時間が
非常に優れたものであることが、具体例の特性からも確
認された。なお、図５における反射率は、液晶表示素子
の表示面の法線から３０°傾いた方向から表示面に向け
て光を出射し、法線から３０°傾いた方向に出射する光
の強度から求めたものである。

【００２４】（第２実施例）第１実施例では、反射板２
０を液晶セル内に配置したが、図７に示すように、反射
板２０を液晶セルの外、例えば、下透明基板１２の下面
に配置してもよい。この場合、下透明基板１２の上に透
明な対向電極１８が形成され、その上に配向膜２１が形
成される。配向膜１７、２１の配向処理の方向１７ａ，
２１ａ、偏光板２５の光軸２５ａの配置等は図３に示す
第１実施例の配置と同一である。このような構成によれ
ば、光が下透明基板１２を２回通過する分だけ、第１実
施例の液晶表示素子よりも、表示輝度が低下するが、反
射板２０の形成が容易となり、液晶表示素子全体の製造
も容易となる。

【００２５】第２実施例に基づく液晶表示素子の一具体
例における液晶２３への印加電圧と表示色と反射率の関
係を図８に、その色度図を図９に示す。これらの特性
は、液晶２３としてメルク社の商品名ＢＤＨ−ＴＬ２１
５を使用し、液晶層厚ｄを４．８μｍに設定し、プレチ
ルト角を３．５°とし、偏光板２５の単体透過率を４４
％、偏光度を９９．５％とし、その透過軸を配向処理の
方向１７ａ，２１ａに対し４５°に設定し、反射板２０
として下透明基板１２の下面に拡散反射板を配置したも
のを使用した際に得られたものである。

【００２６】図８及び図９に示すように、この具体例で
も、表示色は印加電圧の上昇に伴って、青→暗い青→紫
→白と変化し、複数色の表示が可能であった。また、オ
ン時間Ｔonの平均値は４３．４ｍｓ、オフ時間Ｔoffの
平均値は４３．４ｍｓであり、応答速度が非常に速いこ
とが確認された。なお、図８における反射率は、液晶表
示素子の表示面の法線から３０°傾いた方向から表示面
に向けて光を出射し、法線方向に出射する光の強度から
求めたものである。

【００２７】第１及び第２実施例では、配向膜１７と２
１の配向処理の方向１７ａと２１ａを同一方向とした
が、配向処理の方向を異ならせてもよい。例えば、配向
処理の方向１７ａと２１ａの交差角を０°〜１０°、９
０°±１０°とする等、必要に応じて適宜変更してもよ
い。この場合、偏光板２５の光軸２５ａは、例えば、一
方の配向方向に対して４５°±１５°等に設定される。

【００２８】第１実施例では、対向電極１８の上に反射
板２０を配置したが、下透明基板１２の内面上にアルミ
ニウム膜等からなる反射板２０を形成し、その上に透明
導電材料からなる対向電極１８を形成するようにしても
よい。また、下透明基板１２の内面にアルミニウム膜あ
るいはクロム膜等の光反射性の導電膜をスパッタリング
等により形成し、この光反射性の導電膜を対向電極１８
及び反射板２０として共用し、その上に配向膜２１を形
成するようにしてもよい。このようにすれば、素子の構
造が簡略化され、製造も容易になる。また、反射板２０
を半透過性とし、その下にバックライトを配置し、通常
時は反射型液晶表示素子として使用し、必要に応じてバ
ックライトを点灯するようにしてもよい。さらに、第
１、第２実施例では、対向電極１８側に反射板２０を配
置したが、画素電極１３及びＴＦＴ１４側に反射板２０
を配置してもよい。

【００２９】第１、第２実施例では、ＴＦＴをアクティ
ブ素子として用いたが、ＭＩＭ（Metal Insulator Meta
l）等をアクティブ素子として使用してもよい。また、
この発明は、単純マトリクス方式の液晶表示素子にも適
用可能である。単純マトリクス方式の液晶表示素子の透
明電極（信号電極又は走査電極）の上又は下に反射層を
形成する場合には、電極同士が短絡しないように、透明
電極と反射膜の間に絶縁膜を形成する。第１、第２実施
例では、位相差板を使用しない実施例について説明した
が、視野角等を改善するため、１又は複数の位相差板を
使用してもよい。その他、この発明は上記実施例に限定
されず、種々の変形、応用が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、高速応答可能で、高輝度の複数色によるカラー表示
が可能な複屈折制御型の反射型カラー液晶表示素子を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例にかかる複屈折制御型の
液晶表示素子の断面図である。

【図２】画素電極と薄膜トランジスタを形成した透明基
板の平面図である。

【図３】配向膜の配向処理の方向と偏光板の光軸の位置
とを説明するための平面図である。

【図４】第１実施例にかかる液晶表示素子における液晶
分子の初期配向状態を説明するための概念図である。

【図５】第１実施例にかかる液晶表示素子の一具体例に
おける印加電圧と反射率及び表示色の関係を示すグラフ
である。

【図６】第１実施例にかかる液晶表示素子の一具体例に
おける表示色の色度図である。

【図７】この発明の第２実施例にかかる複屈折制御型の
液晶表示素子の断面図である。

【図８】第２実施例にかかる液晶表示素子の一具体例に
おける印加電圧と反射率及び表示色の関係を示すグラフ
である。

【図９】第２実施例にかかる液晶表示素子の一具体例に
おける表示色の色度図である。

【符号の説明】

１１・・・透明基板、１２・・・透明基板、１３・・・画素電
極、１４・・・ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、１５・・・ゲー
トライン、１６・・・データライン、１７・・・配向膜、１８
・・・対向電極、２０・・・反射板、２１・・・配向膜、２２・・・
シール材、２３・・・液晶、２４・・・ギャップ材、２５・・・
偏光板、３１・・・行ドライバ、３２・・・列ドライバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれに電極が形成され、対向して配置
された一対の透明基板と、前記一対の透明基板の電極上に形成され、それぞれに所
定の方向に配向処理が施された配向膜と、前記配向膜の配向規制力に従ってスプレイ配向状態で、
前記配向膜間に封止された液晶と、前記一対の透明基板の一方の外側に配置され、その光軸
を前記配向処理の方向に対し所定角度傾けて交差させて
配置した偏光板と、前記一対の透明基板の他方の透明基板側に配置され、前
記液晶を通過した光を反射する反射板と、を備えることを特徴とする複屈折制御方式の反射型カラ
ー液晶表示素子。
【請求項２】前記配向膜は、実質的に同一の方向に配向
処理が施されており、前記液晶は非ツイスト状態で、前記配向膜の間に封止さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の複屈折制御
方式の反射型カラー液晶表示素子。
【請求項３】前記偏光板は、その透過軸が前記配向処理
の方向に対し実質的に４５°で交差するように配置され
ていることを特徴とする請求項１に記載の複屈折制御方
式の反射型カラー液晶表示素子。
【請求項４】前記反射板は前記一対の透明基板の内面又
は外面に形成されることを特徴とする請求項１、２又は
３に記載の複屈折制御方式の反射型カラー液晶表示素
子。
【請求項５】前記反射板は前記一対の透明基板の一方の
内面側に形成され、電極を兼ねることを特徴とする請求
項１乃至４のいずれか１つに記載の複屈折制御方式の反
射型カラー液晶表示素子。