JPH0777688A

JPH0777688A - 反射型液晶電気光学装置

Info

Publication number: JPH0777688A
Application number: JP5222626A
Authority: JP
Inventors: Teruo Ebihara; 照夫海老原; Katsuki Matsushita; 克樹松下; Ko Taniguchi; 香谷口
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】時計、その他の携帯機器に使用される実用的
で鮮明かつ美観に優れたカラー表示可能な反射型液晶電
気光学素子を得る。【構成】偏光板を使用しないで高い透過率が得られる
散乱モード液晶素子９と微細な凹凸パターンが形成され
白色光を入射させると反射回折により分光する特性を有
する反射板とで構成された反射型液晶電気光学装置であ
る。【効果】カラーフィルター方式に比較して明るく純度
の高い白地に美しく光輝く干渉色でのカラー表示を可能
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、反射型液晶電気光学
装置に係わり、時計、小型携帯機器、ディスプレー、装
飾品に使用される特に明るく美観に優れた色合いを表示
するカラーの反射型液晶電気光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図２に示すように通常のＴＮ（Ｔ
ｗｉｓｔＮｅｍａｔｉｃ、ねじれネマティク）とかＳ
ＴＮ（ＳｕｐｅｒＴＮ、スーパＴＮ）と呼ばれる液晶
モードを使った反射型液晶電気光学装置の構成は、対向
する二枚の透明基板１及び１’上に透明電極２及び２’
を設け、上記基板間にスペーサ１０及び１０’を介して
基板間の空隙に液晶層４を設け、更に偏光板１１及び１
１’を図の様に配置し観測者１２に対して液晶素子の後
方に反射板１３を設けるものである。通常よく使用され
る反射板は、視野角を広くするためにアルミニウム等の
金属表面をサンドブラスト等にて加工し適当な光拡散性
を付与して使用する。一方、カラー化に対しては、反射
板１３の前方にカラーフィルター１４を設けカラー表示
を可能にしている。カラーフイルター１４としては透明
樹脂フイルム表面に色素をコーティングしたものや、透
明樹脂に色素を溶解して製造されたものが使用されてい
る。更に、カラーフィルター１４を用いずに、偏光板１
１及び１１’の少なくてもどちらか一方にカラー偏光板
を用いることによってカラー表示を可能にしたり、ある
いは、反射板１３の金属表面に色素をコーテイング，も
しくは印刷し、着色反射板としてカラー表示を可能にし
ている。また、偏光板１１及び１１’の互いの透過軸方
向を変える事によりネガ表示あるいはポジ表示を可能に
している。

【０００３】次に、ＴＮ、ＳＴＮ液晶モードより明るい
表示方式であるＧＨ（Ｇｕｅｓｔ−Ｈｏｓｔ）と呼ばれ
る液晶モードを使った反射型液晶電気光学装置の構成に
ついて説明する。図３に示すように対向する二枚の透明
基板１及び１’上に透明電極２及び２’を設け、上記基
板間にスペーサ１０、１０’を介して基板間の空隙に液
晶層４を設け、観測者１２に対して液晶素子の後方に反
射板１３を設けるものである。通常液晶層は、ホスト液
晶としてコレステリック液晶かカイラルネマティック液
晶或いはカイラル性非液晶物質とネマティック液晶との
混合液晶にゲストとして２色性色素を溶解した物で、カ
イラル物質の種類と添加量で決まる固有ピッチＰをもっ
た螺旋構造をとる。２色性色素としてはアゾ系色素、ア
ントラキノン系色素が用いられる。通常の白黒表示する
場合の２色性色素には、赤、緑、青に吸収を持つ色素を
適当な割合で混合し可視光全域で吸収を持つような黒色
色素を使用し、反射板として白板もしくはアルミニウム
拡散板を用いて白黒表示を行っている。一方、カラー化
に対しては、特定の波長帯域にのみ吸収を持つ色素を用
いて、白反射板と組み合わせてカラー表示を実現してい
る。また、黒色素と色反射板を用いている場合もある。
更に、ホスト液晶に誘電異方性が正のＰ型液晶を使用す
ることでネガ表示を負のＮ型液晶を使用することでポジ
表示を実現している。

【０００４】次に、散乱モード液晶を使った反射型液晶
電気光学装置について説明する。散乱モードとしては高
分子分散液晶方式、ＤＳＭ（Ｄｙｎａｍｉｃｓｃａｔ
ｔｅｒｉｎｇ：動的散乱）方式、相転移型液晶方式がよ
く知られている。以下の例は相転移型液晶方式で説明す
る。構成は前例と同じで図３に示すように、対向する二
枚の透明基板１及び１’上に透明電極２及び２’を設
け、上記基板間にスペーサ１０、１０’を介して基板間
の空隙に液晶層４を設け、観測者１２に対して液晶素子
の後方に反射板１３を設けるものである。通常液晶層
は、正の誘電異方性をもつネマティック液晶にカイラル
ネマティック液晶を添加しラセンピッチを１〜３umにな
るように製造される。電気光学応答としては、駆動電圧
を０ボルトから上昇させると、ある電圧レベル以上から
液晶層４は散乱状態を示すコレステリック相を形成し、
電圧を更に上昇させることにより次第に液晶層４は電界
方向へと変化し透明状態を示すネマティック相へと状態
変化を示す。したがって、表示としてはコレステリック
相での散乱状態とネマティック相での透明状態を利用す
る。実際には、反射板１３にミラーが使用され、コレス
テリック相での散乱を利用して白を、ネマティック相で
反射板１３からの正反射を視線からそらす使用方法で黒
を表示することが出来る。また、カラー化に対しては、
反射板１３にカラー層を設けて着色表示を可能にしてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＴＮ、ＳＴＮモ
ードの偏光板を使う方式でのカラー化では、カラーフイ
ルターに使用される色素の透過率とアルミニウム等の金
属反射板の反射率の悪さにより鮮明なカラー表示を不可
能にしている。さらに、ポジ表示での背景色がアルミ反
射板のくすんだ金属光沢と偏光板特有の着色により暗く
イメージの悪い白もくは灰色の表示色と成る。

【０００６】また、ＧＨモードの偏光板を使用しない方
式でのカラー化では、ホスト液晶分子の熱的揺らぎ、あ
るいは液晶分子の幾何学的な構造からくる２色性の低下
のために、理想的には２色性色素の非吸収状態で白色表
示するものが、現実には薄く着色して純度の高い白色が
得られない。また、駆動条件では、ＴＮ、ＳＴＮに比較
してしきい値が急峻でなく、ほとんどマルチプレックス
駆動が出来ない。従って、表示容量の大きい駆動では、
ＴＦＴなどのアクティブ素子を使ったアクティブマトリ
ックス駆動が必要になり、構造上安価に製造できない事
等の欠点を有している。

【０００７】また、散乱モード液晶の偏光板を使わない
方式でのカラー化では、実用的な駆動条件を満足する様
なセルギャップとすると、十分な後方散乱強度が得られ
ず、直進光と前方散乱光を反射板で反射させて散乱強度
を強くし白色の明るさを増している。このため、反射板
をカラー反射板にした場合は純度の高い白を得る事は出
来ず、薄い着色地に濃い色表示となり、メリハリのある
純度の高い白地にカラー表示は原理的に不可能であっ
た。

【０００８】以上の説明のように従来の技術では、安価
な製造コストで実用的で鮮明かつ美観に優れ純度の高い
白地にカラー表示可能な反射型液晶電気光学装置を得る
事が困難であるというという課題があった。そこでこの
発明の目的は、従来のこのような課題を解決するため、
偏光板を使用しないで高い透過率が得られる散乱モード
液晶素子と微細な凹凸パターンが形成され白色光を入射
させると反射回折により分光する特性を有する反射板と
で構成して、実用的で鮮明かつ美観に優れたカラー表示
可能な反射型液晶電気光学素子を得ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は少なくとも一対の透明電極を有する透明
基板間に、該透明電極間の電圧レベルの変化により光散
乱状態と透明状態もしくはほぼ透明に近い状態間で変化
する特性を有する液晶が充填された散乱モード液晶素子
と、微細な凹凸パターンが形成され白色光を入射させる
と反射回折により分光する特性を有する反射板とで構成
された反射型液晶電気光学装置を採用した。

【００１０】

【作用】上記のように構成された反射型液晶電気光学装
置の動作原理を図４の本発明の原理説明図で説明する。
図中、９は散乱モード液晶素子、６はホログラム、７は
入射白色光、１５は後方散乱光、１６は前方散乱光、１
７は前方直進光である。

【００１１】図４において、散乱モード液晶素子９に入
射した入射白色光７は、表示情報で二次元光変調を受け
散乱モード液晶素子９を透過後ホログラム６に入射す
る。ここで、散乱モード液晶素子に使用されている液晶
が印加電圧レベルにより散乱状態と透明状態をとるた
め、表示情報により２次元的に図４の（Ａ）領域に示す
散乱状態部と（Ｂ）領域に示す透明状態部とで構成され
る。これにより、入射白色光７は、散乱モード液晶素子
を通過後表示情報により、（Ａ）領域の散乱状態部を通
過した前方散乱光１６と前方直進光１７と（Ｂ）領域の
透明状態部を通過した非散乱光の２種類の光の性質を持
った状態でホログラム６へ入射する。一方、ホログラム
６には周期的な溝が形成されており、回折角θと溝のピ
ッチとＰ光の波長λの間にはθ＝ＳＩＮ^-1（λ／Ｐ）な
る関係があり、入射白色光を各波長により異なる回折角
θで反射し分光する。従って図４（Ａ）領域を通過した
前方散乱光１６はホログラム６で分光されず散乱状態の
まま反射されほぼ入射時と同じ（Ａ）領域でさらに散乱
される。また、前方直進光１７はホログラム６で分光さ
れるが再び（Ａ）領域の散乱状態部で散乱を受ける。結
局（Ａ）領域部は後方散乱光１７と前方散乱光１６の反
射光と前方直進光１７の分光反射後の散乱光の合成とな
り、着色のない白色の散乱状態となる。

【００１２】一方、（Ｂ）領域を通過した非散乱光は、
ホログラム６で回折により分光され、反射回折光８は観
察角度によって異なった色を観察する事が出来る。よっ
て、表示情報により白地にホログラム６で分光されたカ
ラーの表示を可能にする。また、ホログラム６の溝の垂
直断面形状を鋸歯状に加工（ブレーズ加工）する事で、
特定の光の波長を特定の次数に効率よく集中して回折す
る事が可能になる。この様な加工を施したホログラムを
使用すると特定の波長で明るい表示を可能にする。

【００１３】また、ホログラムを溝ピッチが異なり、か
つ、溝方向が異なる多数の微小領域からなるように形成
する事で、入射光に対する回折角が領域ごとに異なるた
めに、回折光を観察出来る視角領域が広くできる。ま
た、可視光領域での前記ホログラムの溝方向が異なる多
数の微小領域が各領域からの回折角が±４０゜以内の立
体角に入るように溝ピッチを特定の範囲内にする事で、
観察できる回折光の明るさを向上出来る。

【００１４】

【実施例】以下に、この発明の実施例を図に基づいて説
明する。（実施例１）図１において、透明基板１及び１’は、平
滑なガラス板を用いたが、透明高分子フィルムを使用し
てもかまわない。透明基板１及び１’に設ける透明電極
２及び２’は、ＩＴＯ膜からなる透明導電膜をホトリソ
グラフイーによって分割形成した。そして、透明電極２
及び２’の上には、たとえば膜厚が数十ｎｍのポリイミ
ド系の垂直配向剤を塗布し焼成処理して配向膜３及び
３’を形成した後、セルギャップが約６μｍになるよう
にスペーサと接着剤を散布して外周シール剤印刷後セル
を作成した。透明基板１と１’は、前記接着剤によって
面内接着されており、基板への外圧によるセルギャップ
変化がない構造を形成している。完成したセルに、誘電
異方性が正のネマティック液晶にカイラル剤としてＳ−
８１１（メルク社製）を５重量％混合し加熱し十分に溶
解させた後セルに注入し、いわゆるコレステリック・ネ
マティック相転移型液晶素子を製作した。この液晶素子
を１２０℃に加熱して液晶の相をアイソトロピック相に
した後、室温まで冷却して熱光学効果による光散乱の蓄
積した状態（熱白濁）を形成し散乱モード液晶素子９を
製作した。この散乱モード液晶素子９に電圧を印加して
透過率を測定すると、透明状態で８５％と高い透過率が
得られた。散乱モード液晶素子９に使用される液晶モー
ドは、コレステリック・ネマティック相転移型液晶モー
ド以外に高分子分散液晶モード、動的散乱液晶モード
（ＤＳＭ）、熱書き込みモード、強誘電性液晶散乱モー
ドなどを使用してもよい。

【００１５】こうして制作した散乱モード液晶素子９の
透明基板１’側の面に、エステル系の光学接着剤あるい
はブチルアクリレート、２エチルヘキシルアクリレート
を主体としたアクリルモノマーとの共重合体からなる粘
着剤で接着層５をコーテイングしたホログラム６を貼り
合わせた。接着層５は透明な接着剤及び粘着剤であれば
使用でき各界面でのフレネル反射を少なくする働きもあ
る。

【００１６】ホログラム６は、大量複製が出来るエンボ
ス法で製作したプラスチックシートを使用した。そのパ
ターンは、面積約０．０２ｍｍ² で０．１５ｍｍ四方の
微小領域内で溝が形成されているドメインの集合体で形
成されている。溝数は５００〜１０００本／ｍｍで鋸歯
状（ブレーズ加工）の表面形状で溝方向は近接する微小
領域で異なった方向で作られている。表面の一部を拡大
して見える微小部分の溝方向配置を図５に示す。溝のピ
ッチは各微小領域で５００〜１０００本／ｍｍの範囲で
異なって配置されている。上記の様に構成されたホログ
ラム６は、入射白色光を±４０度の立体角内に反射分光
する特性を示し、非常に効率よく反射する。また、溝方
向の配置については、回折光の観察できる視角領域が狭
くても良い場合は単純なストライプパターンでもよい。
また、微小領域の大きさは、ホトリソグラフィーによっ
て分割された透明電極２及び２’よりも十分小さい事が
外観上望ましい。また、ホログラム６の替わりにダイヤ
モンドカッターで刻線する方法で製造されたグレーティ
ング基板をそのまま反射板として用いてもよい。

【００１７】この様にして制作された反射型液晶電気光
学装置を蛍光灯照明の条件で観察すると図１の（Ａ）領
域のように、駆動電圧が十分に印加されていない領域で
は、入射光７は液晶層４で散乱されて明るい白色に観測
された。一方、駆動電圧が十分に印加されていて液晶層
４が透明な領域（Ｂ）では、入射光７’はホログラム６
によって分光され、回折角度により異なった色で反射光
８’として観測できた。

【００１８】次いで、この反射型液晶電気光学装置を時
計に実装して観察してみると、真綿の様な純度高い白色
の地に宝石のように美しく光輝く干渉色のカラー表示と
なり、カラーフィルターでカラー表示したものより明る
く視認性も良い。また、従来の方法では実現出来なかっ
た純度の高い白地にカラーの表示を可能とした。さら
に、見る角度によって干渉色が微妙に変化し、いわゆる
宝石の様な高貴で美しい独特の色合いを示し、デジタル
時計の美的あるいは芸術的な付加価値を格段に向上させ
た。

【００１９】（実施例２）図６において、透明基板１及
び１’は、時計用の筒車が通る大きさの穴１９が加工さ
れた平滑なガラス基板を用いたが、透明高分子フィルム
を使用してもかまわない。透明基板１及び１’に設ける
透明電極２及び２’は、ＩＴＯ膜からなる透明導電膜を
ホトリソグラフイーによって分割形成した。そして、透
明電極２及び２’の上には、たとえば膜厚が数十ｎｍの
ポリイミド系の垂直配向剤を塗布し焼成処理して配向膜
３及び３’を形成した後、セルギャップが約６μｍにな
るようにスペーサを散布して、前記筒車用穴周辺シール
１８と外周シール剤印刷後圧着セル組みを行った。完成
したセルに、誘電異方性が正のネマティック液晶にカイ
ラル剤としてＳ−８１１（メルク社製）を５重量％混合
し加熱後注入し、いわゆるコレステリック・ネマティッ
ク相転移型の散乱モード液晶素子９を製作した。この散
乱モード液晶素子９に電圧を印加して透過率を測定する
と、透明状態で８５％と高い透過率が得られた。

【００２０】こうして制作した散乱モード液晶素子９の
透明基板１’側の面に、筒車が通る大きさの穴が加工さ
れたホログラム６を設けた。また、ホログラム６は透明
基板１’に接着されても良い。ホログラム６は、大量複
製が出来るエンボス法で製作した反射型エンボスホログ
ラムを使用した。

【００２１】この様にして制作された反射型液晶電気光
学装置をアナログ時計の文字盤として実装した。蛍光灯
照明の条件で観察すると駆動電圧が十分に印加されてい
ない状態では散乱モード液晶素子９は散乱されて明るい
白色の文字盤として機能した。一方、駆動電圧が十分に
印加されている状態では散乱モード液晶液晶素子９が透
明となり、ホログラム６を直接観察観測できた。

【００２２】次に、使用したホログラム６の種類を以下
に示す。（１）ホログラムの表面にレーザービームによる微細な
干渉縞が多数形成され、それぞれの干渉縞が異なったパ
ターンを持ち全体として幾何学的な模様あるいはイメー
ジが形成されたグレーティングイメージホログラム。（２）角度を変えることによって、奥行きの異なる２つ
の画面が、色を変化させながら交互に現れるチェンジン
グホログラム。（３）複数の視点から撮った画像を合成して立体画像を
表示するホログラフィック・ステレオグラム。（４）極めて鮮明な立体画像再生能力を持ったリップマ
ンホログラム。などが上げられる。

【００２３】この様にして構成された時計は、散乱モー
ド液晶素子９を散乱状態で白く見える様に駆動電圧レベ
ルを設定しておくと、通常の時計の白い文字盤と外観上
同様に見えるように使用出来る。この状態での文字盤の
色合いは、ＴＮ液晶で使用される拡散性のあるアルミニ
ウム反射板の様なくすんだ灰色でなく、またゲスト・ホ
スト液晶モードの様に着色のある白でなく、純度の高い
白色であり、高い品位と格調が求められる高級ドレスウ
オッチにも使用可能であった。また、散乱モード液晶素
子９に印加する駆動電圧レベルは、任意に可変出来るよ
うに予め時計に組み込まれているので、散乱モード液晶
素子９が透明状態になると、白い文字盤からホログラム
の文字盤へと変化できる。さらに逆にホログラムの文字
盤から白い文字盤に変える事も任意に出来る。この様に
して、反射型液晶電気光学装置を時計の文字盤として実
装して観察してみると、真綿の様な純度高い白色の文字
盤と３次元映像や美しく光輝くグレーテイングイメージ
のようなホログラムイメージの文字盤とに交互に変える
事が出来、従来の時計にない新しいイメージを使う人に
与えうる。

【００２４】さらに、透明電極２及び２’を分割してな
る散乱モード液晶素子９を使用して構成された反射型液
晶電気光学装置を時計の文字盤に実装した場合、駆動方
法を時分割駆動する事で、時計文字盤にキャラクタ表
示、或いはドットマトリックス表示による情報表示機能
を付加する事が可能であった。表示方式としては、散乱
モード液晶素子９が散乱を示す時の白地に透明状態の表
示となる。

【００２５】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように偏光板
を使用しないで高い透過率が得られる散乱モード液晶素
子と微細な凹凸パターンが形成され白色光を入射させる
と反射回折により分光する特性を有する反射板とで構成
したので、ＴＮ、ＳＴＮモードの偏光板を使う方式での
カラー表示より明るく、ＧＨモードより着色の無い純度
の高い白を表示し、色反射板を使った散乱モード液晶素
子によるカラー表示よりもメリハリのある白地にカラー
の鮮明かつ美観に優れた表示を示す反射型液晶電気光学
素子を得ることができた。

【００２６】以上のように、本発明の反射型液晶電気光
学装置は従来の方法では実現できなかった純度の高い白
地に明るくしかも美的ポテンシャルに優れた独特の色合
いのカラー表示能力を持ち時計、その他の携帯機器用デ
スプレー、装飾品として有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の構成断面図を示した説明図
である。

【図２】従来の反射型液晶電気光学素子の一例の構成断
面図を示した説明図である。

【図３】従来の反射型液晶電気光学素子の一例の構成断
面図を示した説明図である。

【図４】本発明の原理説明図である。

【図５】本発明で使用したホログラムの溝方向の配置の
一例を示した説明図である。

【図６】本発明の実施例２の構成断面図を示した説明図
である。

【符号の説明】

１透明基板１’ 透明基板２透明電極２’ 透明電極３配向膜３’ 配向膜４液晶層５接着層６ホログラム７入射光７’ 入射光８反射光９散乱モード液晶素子１０スペーサ１１偏光板１１’ 偏光板１２観測者１３反射板１４カラーフィルター１５後方散乱光１６前方散乱光１７前方直進光１８筒車用穴周辺シール１９穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一対の透明電極を有する透明
基板間に、該透明電極間の電圧レベルの変化により光散
乱状態と透明状態もしくはほぼ透明に近い状態間で変化
する特性を有する液晶が充填された散乱モード液晶素子
と、微細な凹凸パターンが形成され白色光を入射させる
と反射回折により分光する特性を有する反射板とで構成
されていることを特徴とする反射型液晶電気光学装置。
【請求項２】前記反射板としてホログラムを用いてい
ることを特徴とする請求項１記載の反射型液晶電気光学
装置。
【請求項３】前記反射板として回折格子を用いている
ことを特徴とする請求項１記載の反射型液晶電気光学装
置。
【請求項４】前記反射板の回折効率が特定の波長にお
いて高められていることを特徴とする請求項１及び２及
び３記載の反射型液晶電気光学装置。
【請求項５】前記反射板が回折角の異なる少なくとも
２つ以上の領域よりなることを特徴とする請求項１及び
２及び３及び４記載の反射型液晶電気光学装置。
【請求項６】前記反射板の回折角は、入射面垂直方向
を含め±４０゜以内の立体角内にあることを特徴とする
請求項１及び２及び３及び４及び５記載の反射型液晶電
気光学装置。