JPH11326892A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】透過型表示，反射型表示ともに明るく、かつコ
ントラスト比の高い高品位な画質を実現する液晶表示装
置を提供する。 【解決手段】透明電極と配向膜が積層形成され、かつ前
記配向膜形成面を対向するよう一定の間隙をもって接合
した一対の透明基板と、これら透明基板間に挟持された
ゲストホスト液晶層と、前記透明電極に電圧を印加する
手段を有する液晶表示装置であって、前記液晶層の裏面
側に所定の光学異方軸を有する第１の複屈折性透明媒体
層と、半透過反射層と、所定の光学異方軸を有する第２
の複屈折性透明媒体層と、偏光板と、光源とをこの順に
積層配置した液晶表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射型表示機能と透
過型表示機能を兼ね備えた液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置には裏面に光源（バックラ
イト）を配置し、透過型表示装置として使用するもの
と、室内照明光等の外光を表側から入射させて反射型表
示装置として使用するものがある。また、明るい環境で
は反射型表示装置として用い、暗い環境では透過型表示
装置として用いることができる反射型と透過型の両表示
機能を兼ね備えた液晶表示装置（以下、半透過型液晶表
示装置）がある。

【０００３】半透過型液晶表示装置は明るい環境ではバ
ックライトを消灯することで消費電力を節約することが
できるとともに、暗い環境でもバックライトの点灯によ
り視認可能となるためハンドヘルドＰＣ等の携帯情報機
器用のディスプレイに好適である。

【０００４】従来の半透過型液晶表示装置は図９に示す
とおり、透明電極９０１，９０２と配向膜９０３，９０
４が積層形成された一対の透明基板９０５，９０６を互
いに配向膜形成面が対向するように一定の間隙をもって
接合し、両基板間に液晶907を挟持させた液晶セルと、
この液晶セルの表側と裏側にそれぞれ配置した偏光板９
０８，９０９と、裏側の偏光板９０９の背面に配置した
半透過反射板９１０と、さらに半透過反射板９１０の裏
面に配置したバックライト９１１とから構成される。

【０００５】液晶９０７としては誘電異方性が正のネマ
ティック液晶を用い、その分子長軸を２枚の基板間で連
続的に９０°ねじった、いわゆるＴＮ(Twisted Nemati
c）型や、液晶分子長軸のねじれ角を１８０°〜２７０
°としたＳＴＮ(Super TwistedNematic)型が主に用いら
れ、ＳＴＮの場合は、偏光板９０８と、透明基板９０５
の間に図示しない位相板を配置して着色を補償するよう
にしている。どちらの場合も、液晶セルの光入射側に配
置された偏光板を通過した直線偏光が液晶層を通過する
際、画像情報に応じて偏光状態が制御され、出射側に配
置された偏光板によって検光作用を受け、画像を形成す
るものである。

【０００６】この半透過型液晶表示装置は外光の光量が
十分な明るい環境ではバックライトを消灯し、反射型表
示を行う。このとき半透過型液晶表示装置にその表側か
ら入射した外光は図中実線で示す通り表側偏光板９０
８、液晶セル，裏側偏光板909を順次通過することで画
像光となって半透過反射板９１０に到達し、半透過反射
板９１０で反射した光が再び裏側偏光板９０９、液晶セ
ル，表側偏光板９０８を順次通過して表側から出射する
ことで画像が視認される。また、暗い環境ではバックラ
イト９１１を点灯し、バックライト９１１から出射した
光のうち半透過反射板９１０を透過した光が図中点線で
示すとおり裏側偏光板９０９、液晶セル，表側偏光板９
０８を順次通過することで画像光となり視認される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の半透過型液晶表
示装置では反射型表示の際、液晶表示装置に入射した外
光が液晶セルの表裏に配置された偏光板をそれぞれ２回
ずつ、計４回通過するため、十分な明るさが得られなか
った。反射型表示での明るさ向上のために透過率の高い
偏光板を使用することが考えられるが、透過率の高い偏
光板は一般に偏光度が低いためコントラスト比が低下し
てしまう。そこで、コントラスト比を維持したまま、画
像の明るさを向上するために液晶セルの表面に配置され
る偏光板は高偏光度の偏光板とし、裏面に配置される偏
光板のみを高透過率の偏光板とすることが行われる。こ
の場合は、液晶セル表面の偏光板が高偏光度の偏光子，
検光子の役割を果たし、裏面側の偏光板は光の往路，復
路の２回の通過により偏光度が補われ、十分なコントラ
スト比が得られる。

【０００８】しかし、この構成で透過型表示を行うと透
過型表示では液晶セルの表裏に配置された偏光板をそれ
ぞれ１回しか通過しないため、液晶セル裏面側の偏光板
の偏光度が低いことにより十分なコントラスト比が得ら
れなくなってしまう。そこで、透過型表示で十分なコン
トラスト比を得るために、偏光板を２枚とも高偏光度の
ものとすると、反射型表示の際は偏光板を４回通過する
ために画像が暗くなってしまう。つまり、この半透過型
液晶表示装置では反射型表示の明るさを重視すると、透
過型表示でのコントラスト比が低下し、透過型表示のコ
ントラスト比を重視すると、反射型表示での明るさが不
足するという問題があり、透過型表示の画質と反射型表
示の画質を同時に十分に満たすことができなかった。

【０００９】本発明は上記課題を解決するもので、その
目的は透過型表示，反射型表示ともに明るく、かつコン
トラスト比の高い高品位な画像を実現する、透過，反射
兼用の液晶表示装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の液晶表示装置は、透明電極と配向膜が積層形
成され、かつ前記配向膜形成面が対向するように一定の
間隙をもって接合した一対の透明基板と、これら透明基
板間に挟持された液晶層と、前記透明電極に電圧を印加
する手段を有する液晶表示装置であって、前記液晶層の
背面側に所定の光学異方軸を有する第１の複屈折性透明
媒体層と、半透過反射層と、所定の光学異方軸を有する
第２の複屈折性透明媒体層と、偏光板と、光源とをこの
順に積層配置したことを特徴とする。

【００１１】さらに前記液晶層は２色性色素を含有し、
かつホモジニアス配向もしくはホメオトロピック配向し
たものであって、前記液晶層が光吸収状態のとき入射光
に含まれる第１の直線偏光成分は略吸収し、これと直交
する電気ベクトルの振動方向を有する第２の直線偏光成
分は略透過するものであり、前記第１の複屈折性透明媒
体層は前記液晶層を透過した第２の直線偏光成分が前記
半透過反射板で反射して再び液晶層に入射する往復路に
おいて第２の直線偏光成分を第１の直線偏光成分に変換
する所定の位相差を有し、前記第２の複屈折透明媒体層
は、前記光源から出射し前記偏光板を透過した光が、前
記半透過反射層及び前記第１の複屈折性透明媒体層を透
過して前記液晶層に入射する際に、第１の直線偏光成分
となるような所定の位相差を有することを特徴とする。

【００１２】上記構成により、本発明の液晶表示装置で
は、反射型表示の場合、前記液晶層が光吸収状態のと
き、外光に含まれる第１の直線偏光成分は吸収し、これ
と直交する第２の直線偏光成分は透過する。液晶層を透
過した第２の直線偏光成分は半透過反射層で反射して再
び液晶層に入射することになるが、このとき半透過反射
層で反射した光は往路及び復路において第１の複屈折性
透明媒体層の作用により、第２の直線偏光成分から第１
の直線偏光成分に変換されるため、今度は液晶層で吸収
される。つまり、液晶層を往復する際に外部からの入射
光は全ての成分が吸収されて十分な暗表示となる。一
方、液晶層が光透過状態のときは外部からの入射光は液
晶層で殆ど吸収されることなく、半透過反射層で反射
し、出射するため明るい明表示となる。つまり、本液晶
表示装置では偏光板が不要でかつコントラスト比の高い
明るい反射型表示が実現できる。

【００１３】一方、光源からの照明光により透過型表示
を行う場合、照明光は偏光板，第２の複屈折性透明媒体
層，半透過反射層及び第１の複屈折性透明媒体層を透過
して液晶層に入射する。この際、照明光は偏光板，第２
の複屈折性透明媒体層及び第１の複屈折性透明媒体層に
より、液晶層で吸収される第１の直線偏光成分に変換さ
れるため、入射光のほとんどが液晶層に吸収されて暗表
示となる。一方、液晶層が光透過状態のときは吸収され
ることなく透過して明表示となる。

【００１４】従って、反射型表示，透過型表示ともに明
るく、かつコントラスト比の高い高品位な画像が得られ
る。さらに、反射型表示のとき半透過反射層を透過した
不要光、もしくは透過型表示のとき半透過反射層で反射
した不要光は偏光板に吸収されるため、不要光によるコ
ントラスト比の低下等の画質の劣化は起こらない。

【００１５】また、本発明の液晶表示装置では前記半透
過反射層がホログラムであり、前記ホログラムは斜めか
ら入射した光を正反射方向と異なる基板法線方向に近い
方向へ回折反射し、さらに前記回折反射の方向とは異な
る基板法線方向に近い方向から入射した光は略透過する
ようにしたことを特徴とする。この構成により本発明の
液晶表示装置は反射型表示で使用する場合、観察者上方
から液晶表示装置に入射する外光のうち、画像光は正反
射方向とは異なり、液晶表示装置の基板法線方向、即ち
観察者方向へ出射するため、外光の写り込みがなく、見
易い，コントラスト比の高い表示画像が得られる。

【００１６】一方、透過型表示の際は、光源光のうち液
晶表示装置の基板法線方向に近い方向であっても回折反
射の方向と異なる方向から入射した光は半透過反射層で
回折反射されることなくほとんど透過するため観察者に
は明るい表示画像が得られる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
例を説明する。図１は本発明の液晶表示装置の構成を示
す模式的な部分断面図である。

【００１８】本液晶表示装置は、第１の基板１０１と、
第２の基板１０２と、これら２枚の基板を図示しないビ
ーズ等のスペーサを介して張り合わせ、図示しない枠状
のシール材によりシールして形成した２枚の基板の間隙
に封入された液晶層１０３と、第２の基板１０２の裏面
に積層配置される第１の複屈折性透明媒体層１０４と、
半透過反射層１０５と、第２の複屈折性透明媒体層１０
６と、偏光板１０７、及びバックライト１０８から構成
される。

【００１９】第１の基板はガラス等の透明基板１０９上
に例えばＩＴＯ（インジウム ティン オキサイド）等
からなる透明電極１１２と、ポリイミド系高分子からな
る配向膜１１３を全面的に積層形成したものである。

【００２０】第２の基板１０２はガラス等の透明基板１
１７上にマトリクス状に細分化した例えばＩＴＯで構成
される透明な画素電極１１８を備え、この画素電極１１
８に対応して例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）等
からなるスイッチング素子１１９が透明基板１１７上の
図示しない走査電極と信号電極の交差部に備えられる。
スイッチング素子１１９は画素電極１１８に接続されて
おり、画素電極118に印加する電圧をスイッチングする
ことで、透明電極１１２と画素電極１１８とに挟まれた
液晶層１０３に印加する電界を画素毎に制御することが
できる。スイッチング素子１１９や図示しない配線，電
極等の上には図示しないパッシベーション膜が形成さ
れ、さらに最上層にはポリイミド系高分子からなる配向
膜１１６が全面的に形成されている。

【００２１】また、第１の基板１０１のガラス基板１０
９には図示したように第２の基板上のスイッチング素子
１１９や図示しない配線等に対応する位置にブラックマ
トリクス１１０を形成したり、フルカラー表示するため
に第２の基板１０２の画素電極１１８と対応する位置に
３原色のカラーフィルタ１１１Ｒ,１１１Ｇ,１１１Ｂを
形成し、図示しないオーバーコート層を介して透明電極
１１２を形成するようにしてもよい。

【００２２】液晶層１０３はいわゆるゲストホスト型の
液晶層であり、ネマチック液晶114にゲストとして２色
性色素１１５を添加したものである。ここではネマチッ
ク液晶として誘電異方性が正の液晶を用い、液晶の配向
は配向膜１１３，１１６により基板に対して水平な配
向、即ちホモジニアス配向としている。このときネマチ
ック液晶１１４には両基板界面での配向方向が互いに平
行となるようなプレチルトを付けておく。プレチルトの
角度はリバースチルトが起こらないよう２°以上付ける
ことが望ましく、ここでは約４°のプレチルトを付け
た。２色性色素は棒状構造をしており、液晶分子に平行
な方向に配向する性質がある。このため、液晶分子の配
向を基板に対して水平方向から垂直方向へ変化させる
と、２色性色素もこれに習って水平方向から垂直方向へ
配向が変化する。

【００２３】ここでは液晶層１０３として三菱化成製の
ゲストホスト液晶材料ＬＡ１２１／４を用いた。

【００２４】第１の複屈折性透明媒体層１０４は所定の
光学異方軸を有する透明媒体であり、外部からの入射光
が液晶層１０３を透過し、半透過反射層１０５で反射し
て再び液晶層１０３へ入射する往復路において、所定の
直線偏光をこれと直交をなす電気ベクトルの振動方向を
有する直線偏光に変換する機能を有するものである。従
って、第１の複屈折性透明媒体層１０５は概ね４分の１
波長位相板として機能するものを用いれば良く、例えば
ポリカーボネート，ポリサルホン，ポリビニルアルコー
ルといった一軸延伸した高分子フィルムや、一方向に配
向した液晶分子を含む高分子液晶層を用いることができ
る。

【００２５】また、フルカラー表示を行う場合、第１の
複屈折性透明媒体層１０４は波長分散の異なる位相板を
積層することで可視波長域の全領域に渡ってほぼ４分の
１波長位相板として機能するようにするとよい。例えば
図２に示すとおりリタデーション３９３.２ｎｍのポリ
ビニルアルコール(ＰＶＡ）をその遅相軸が液晶層103の
配向方向と４５°をなすように配置し、リタデーション
２５５.７ｎｍ のポリサルホン（ＰＳ）をその遅相軸が
ポリビニルアルコールの遅相軸と直交するように積層し
たものを用いればよい。

【００２６】半透過反射層１０５は、所定の反射率及び
透過率を有するハーフミラーを用いることができるが、
入射光の偏光解消が起こるとコントラスト比が低下する
ため、従来用いられていた粗面化処理等により散乱性を
付与されたハーフミラーは望ましくない。

【００２７】本発明の液晶表示装置に好適な半透過反射
層１０５としてはホログラムの使用が考えられる。ここ
では斜め方向から入射した光を正反射方向と異なる基板
法線方向に近い方向へ回折反射する機能を有する透明な
反射型ホログラムを用いる。ホログラムとしては高い回
折効率が得られるという点で体積位相型のホログラムが
望ましい。

【００２８】代表的な例として携帯機器の使用状況を鑑
み、液晶表示装置に組み込んだ際に液晶表示装置の基板
法線に対して上方６０゜辺りから入射する光に対して、
回折反射の角度が５゜となる反射型ホログラムを使用す
る。ホログラムの作成は２光束干渉によって記録する公
知の技術を用いればよく、例えば特開平9−138396 号，
特開平9−152586 号等に記載の方法を用いることができ
る。また、所望のホログラムパターンを計算機によって
算出し、電子ビーム等によって描画，作製するＣＧＨ(C
omputer Generated Hologram）を用いてもよい。

【００２９】ホログラム材料としてはアクリル系のフォ
トポリマーを用いることが耐久性等の面から望ましい。

【００３０】フルカラー表示に対応する場合は、ホログ
ラムの中心回折波長を３原色に対応させればよく、例え
ば光源として赤色用にはＨｅ−Ｎｅレーザー(６３３ｎ
ｍ)、緑色用にはＡｒ＋Ｄｙｅレーザー（５７０ｎ
ｍ）、青色用にはＡｒレーザー（４５８ｎｍ）を用いて
露光，作製したホログラムを用いればよい。この際、各
波長で別個に露光した複数のホログラムを積層して用い
てもよいが、１枚に複数の波長で多重露光したものを用
いてもよい。

【００３１】このように作製したホログラムは設計角度
で入射する光に対しては回折反射を起こすが、設計角度
と異なる角度で入射した光に対しては回折反射を起さず
略透過するため半透過反射層として機能する。即ち、図
３に例示する通り、設計入射角度θ近傍の光に対しては
基板法線方向に近い方向へ回折反射を起こすが、基板法
線方向に近い方向であっても回折反射の方向と異なる方
向から入射した光に対しては透過するような半透過反射
層が得られる。

【００３２】尚、表示面の大きな液晶表示装置を構成す
る場合は、観察者が表示面全体から均一な反射光を得ら
れるようにするために、各場所で異なる角度へ回折反射
が起こるように露光したホログラムを用いてもよい。ま
た、同じ条件で作製した複数のホログラムをその中心軸
が異なるように積層することで、同じような効果をねら
ってもよい。

【００３３】さらに上記ホログラムは入射光の偏光状態
を変えることがないよう、ホログラムの材料であるフォ
トポリマーをガラス等の光学等方な基材上に塗布して作
製したホログラムを用いるか、第１の複屈折性透明媒体
層１０４もしくは第２の複屈折性透明媒体層１０６に直
接フォトポリマーを塗布し、作製したホログラムを用い
る。

【００３４】尚、半透過反射層は偏光解消等により偏光
状態を変えるものでなければ上記ホログラムに限定され
るものではない。従って、半透過反射層は従来から知ら
れているものを用いることができ、例えばアルミニウム
等の金属や金属酸化物や有機物等による薄膜や、一部が
反射面で一部が透明な面を細かくパターン化したものを
用いることができる。また、広い視野角を得たい場合は
半透過反射層に偏光解消しない程度に屈折や回折を用い
て散乱性を与える手段を付与するようにしてもよい。

【００３５】第２の複屈折性透明媒体層１０６は第１の
複屈折性透明媒体層１０４と同様、所定の光学異方軸を
有する透明媒体であり、例えばポリカーボネート，ポリ
サルホン，ポリビニルアルコール等の一軸延伸した高分
子フィルムや、一方向に配向した液晶分子を含む高分子
液晶層を用いることができる。第２の複屈折性透明媒体
層１０６は、バックライト１０８から出射し、偏光板１
０７を通過した直線偏光に位相差を与えることで、第１
の複屈折性透明媒体層１０４を透過して液晶層１０３に
入射する光を液晶層１０３の液晶配向方向と平行な電気
ベクトルの振動方向を有する直線偏光に変換するという
機能をもつ。従って、例えば図４（ａ）に示すように偏
光板１０７をその透過軸が液晶層１０３の液晶配向方向
と直交するように配置したときは、第２の複屈折性透明
媒体層１０６と第１の複屈折媒体１０４の位相差の合計
は２分の１波長となるようにすればよい。すなわち第１
の複屈折性透明媒体層１０４が４分の１波長位相板であ
るときは、第２の複屈折性透明媒体層１０６も４分の１
波長位相板の機能を果たせばよく、第１の複屈折性透明
媒体層１０４と第２の複屈折性透明媒体層１０６は同じ
構成のものを用いることができる。また、図４（ｂ）に
示すように偏光板１０７をその透過軸が液晶層１０３の
液晶配向方向と同方向となるように配置したときは、第
２の複屈折性透明媒体層１０６と第１の複屈折媒体１０
４の位相差の合計はゼロとなるようにすればよい。すな
わち第２の複屈折性透明媒体層１０６は第１の複屈折性
透明媒体層１０４と同じ構成の位相板を、その遅相軸が
直交するように配置すればよい。

【００３６】偏光板１０７はさまざまな偏波面を持つ入
射光に対して特定の直線偏光成分は吸収し、これと直交
する直線偏光成分は透過するもので、例えば延伸させた
ポリビニルアルコールフィルムにヨウ素を吸収させて偏
光機能を付与した膜の両面にＴＡＣ（トリアセチルセル
ロース）保護層を施したものを用いることができる。バ
ックライト１０８は透過型の液晶表示装置に用いる通常
のバックライトを使用することができる。透過型の液晶
表示装置に用いられるバックライトは一般に導光板１０
８Ｐと導光板の端面に配置した蛍光燈やＬＥＤ（Light
EmittingDiode)等からなる光源１０８Ｌとから構成され
る。導光板１０８Ｐは偏光板107に面した出射面が透明
で、これと反対側の面が反射面となっている。光源108
Ｌから出射した光は導光板１０８Ｌの端面から入射し、
導光板１０８Ｐ内を導かれ出射面から出射する。導光板
１０８Ｐの出射面と偏光板１０７との間には導光板１０
８Ｐから出射する光の特性を均一にするための図示しな
い散乱シートと、指向性を付与するための図示しないプ
リズムシートを積層することで、面内で均一な指向性の
ある照明光を得ることができる。

【００３７】尚、バックライト１０８としては上記の
他、ＥＬ(Electro Luminescence)等の面発光光源を用い
ることもできる。

【００３８】次に本発明の動作を説明する。

【００３９】図５及び図６は本発明の液晶表示装置の動
作を説明するための図であり、図５は液晶層１０３に電
界が印加されていない状態、図６は液晶層１０３に電界
が印加されている状態を表す。また、両図とも図４
（ａ）に例示した偏光板１０７の透過軸を液晶層１０３
の液晶配向方向と直交するように配置した場合を示し、
各構成要素のうち、図１と対応する部分には対応する参
照番号を付してある。

【００４０】液晶層１０３に電界が印加されていないと
き、液晶層１０３の液晶分子１１４は初期配向状態、即
ち基板に水平（図５では紙面に垂直方向）なホモジニア
ス配向であり、２色性色素１１５もこれに習って配向し
ている。２色性色素１１５は分子長軸に略平行な吸収軸
を持っており、分子長軸に平行な偏光成分は強く吸収
し、これと直交する偏光成分は殆ど吸収しないという性
質を持っている。このため外部から入射するさまざまな
偏波面をもつ入射光５０１は液晶層１０３を通過する
際、２色性色素１１５の分子長軸に平行な電気ベクトル
の振動方向を有する直線偏光成分Ｌｓは吸収され、これ
と直交する直線偏光成分Ｌｐは透過する。液晶層１０３
を透過した直線偏光成分Ｌｐは半透過反射層１０５で反
射して再び液晶層１０３に入射することになるが、この
とき半透過反射層１０５で反射した光は往路及び復路に
おいて第１の複屈折性透明媒体層１０４の作用により、
電気ベクトルの振動方向が９０°回転した直線偏光成分
Ｌｓに変換されるため、今度は液晶層１０３で吸収され
る。つまり、液晶層１０３を往復する際に外部からの入
射光５０１は全ての成分が吸収されるため十分な暗表示
となる。

【００４１】尚、このとき半透過反射層１０５を透過し
た光５０２は画像光とならず不要光となるが、第１の複
屈折性透明媒体層１０４及び第２の複屈折性透明媒体層
106の作用により不要光５０２は直線偏光Ｌｐから直線
偏光Ｌｓに変換され、偏光板１０７で吸収されるためコ
ントラスト比の低下等の画質の劣化を起こさない。

【００４２】一方、液晶層１０３に電圧が印加されたと
きは、図６に示すように液晶分子１１４の配向が基板に
対して水平方向から垂直方向へ変化し、これに伴い２色
性色素１１５の配向も垂直方向へ変化する。このため、
外部からの入射光５０１は液晶層１０３で殆ど吸収され
ることなく、半透過反射層１０５で反射し、出射して明
表示となる。

【００４３】従って、本液晶表示装置では偏光板が不要
でかつコントラスト比の高い明るい反射型表示が実現で
きる。

【００４４】次にバックライト１０８からの照明光５０
３により透過型表示を行う場合を説明する。バックライ
ト１０８から出射した照明光５０３はまず偏光板１０７
を透過して、液晶層１０３の初期配向方向と直交をなす
直線偏光Ｌｐとなる。さらに照明光５０３は第２の複屈
折性透明媒体層１０６，半透過反射層１０５及び第１の
複屈折媒体１０４を透過して液晶層１０３に入射するこ
とになるが、この際、照明光５０３は第２の複屈折性透
明媒体層１０６及び第１の複屈折媒体の１０４の作用に
より、その電気ベクトルの振動方向が９０°回転して液
晶層１０３の初期配向方向と平行な電気ベクトルの振動
方向を有する直線偏光Ｌｓに変換される。従って、照明
光５０３は液晶層１０３に電界が印加されていないとき
はその殆どが２色性色素に吸収されて暗表示となり、液
晶層１０３に電界が印加され液晶分子が略垂直配向して
いるときはその殆どが吸収されることなく透過して明表
示となる。尚、半透過反射層１０５で反射した光５０４
（図５参照）は画像光とならず不要光となるが、第２の
複屈折性透明媒体層１０６の作用により、直線偏光Ｌｓ
に変換され、偏光板１０７で吸収されるためコントラス
ト比の低下等の画質の劣化は起こらない。

【００４５】従って、本液晶表示装置ではバックライト
１０８から出射した様々な偏波面を持つ照明光を液晶の
配向方向と同方向の電気ベクトルの振動方向を有する直
線偏光にした後、液晶層１０３に入射させるため、コン
トラスト比の高い画像が得られ、さらに半透過反射層で
反射した不要光は、偏光板で吸収されるため画質劣化の
ない高画質な透過型表示が可能となる。

【００４６】尚、本実施例では半透過反射層１０５とし
て斜め方向から入射した光を正反射方向と異なる基板法
線方向に近い方向へ回折反射する機能を有する体積位相
型のホログラムを用いた。代表的な例として携帯機器の
使用状況を鑑み、液晶表示装置に組み込んだ際、入射角
度が上方６０°，回折角が５°の反射型ホログラムを使
用した。図３に例示した通り、本反射型ホログラムは設
計した入射角度θ近傍の入射光を回折反射により、基板
法線から５゜傾いた方向へ回折反射するが、基板法線方
向に近い方向であっても回折反射の方向と異なる方向か
ら入射した光は略透過するため半透過反射層として機能
する。

【００４７】従って、図７に例示するとおり、本発明の
液晶表示装置７０２を反射型表示で使用する場合は観察
者７０１上方から液晶表示装置７０２に入射した外光５
０１のうち、画像光は正反射方向７０４とは異なり、液
晶表示装置の基板法線方向近傍、即ち観察者方向７０３
へ出射する。このため液晶表示装置表面等での正反射像
と表示画像は重ならないので、外光の写り込みがなく、
見易い，コントラスト比の高い表示画像が得られる。さ
らに、実際の携帯機器の使用状況を鑑みた場合、外光の
光量は観察者７０１上方からの光量が多いので効率よく
明るい画像を得ることができる。

【００４８】一方、透過型表示の際は、バックライトか
らの光のうち液晶表示装置の基板法線方向に近い方向で
あっても回折反射の方向と異なる方向から入射した光は
回折反射することなくほとんど透過するため、観察者に
対して明るい表示画像が得られる。

【００４９】尚、このように反射型表示を行う場合は、
画像光として観察者に至る大部分の光は、液晶表示装置
に斜めに入射し、基板法線方向近傍へ出射するため、光
の第１の複屈折性透明媒体層１０４への入射角度は往路
と復路で異なることになる。従って、第１の複屈折性透
明媒体層として一軸異方性の４分の１波長板を用いると
所望の機能を完全に果たすことができない場合がある。
この場合は上記実施例に限定されることなく、斜め入射
の影響を考慮して第１の複屈折性透明媒体層のリターデ
ーションを変えたり、Ｚ軸（法線方向）の屈折率を変え
るなどして最適化することでより高いコントラスト比を
得るようにしても良い。さらに、半透過反射層での反射
において位相差が生じる場合は、第１の複屈折性透明媒
体層がこの位相差も補償するようにしてコントラスト比
をより高くするようにしても良い。

【００５０】このように最適化した第１の複屈折性透明
媒体層１０６に対しても、第２の複屈折性透明媒体層１
０６は、例えば偏光板１０７をその透過軸が液晶層１０
３の液晶配向方向と直交するように配置したときは、第
２の複屈折性透明媒体層106と第１の複屈折性透明媒体
層１０４の位相差の合計が基板法線方向に進む光に対し
て２分の１波長となるようにすればよい。また、偏光板
１０７をその透過軸が液晶層１０３の液晶配向方向と同
方向となるように配置したときは、第２の複屈折性透明
媒体層１０６と第１の複屈折媒体１０４の位相差の合計
はゼロとなるようにすればよい。すなわち第２の複屈折
性透明媒体層１０６は第１の複屈折性透明媒体層１０４
と同じ構成の位相板を、その遅相軸が直交するように配
置すればよい。さらに、第１の複屈折性透明媒体層と第
２の複屈折性透明媒体層との間で図示しない接着剤等に
より何らかの位相差が生じる場合は、この位相差の補償
も考慮したものとすればよい。つまり、第２の複屈折性
透明媒体層１０６は、バックライト１０８から出射し、
偏光板１０７を通過した直線偏光に適切な位相差を与え
ることで、第１の複屈折性透明媒体層１０４を透過して
液晶層１０３に入射する光を液晶層１０３の液晶配向方
向と平行な電気ベクトルの振動方向を有する直線偏光に
変換するような光学的異方性を持つように、個々の状況
に応じて最適化すればよい。

【００５１】尚、図１に示した実施例では半透過反射層
１０５を第２の基板１０２の背部に配置していた。この
ため、反射型表示を行う場合、基板法線に対して傾きを
もって入射する光に対し透明基板１１７の厚さによる視
差が生じる可能性がある。従って、透明基板１１７はで
きるだけ厚さの薄い透明基板を用いて視差を減らすこと
が望ましい。

【００５２】また、上記実施例ではアクティブマトリク
ス方式の構造について説明したが、本発明はこれに限定
されるわけでなくパッシブマトリクス方式であっても良
い。例えば図１に示した実施例において以下の通り変形
してもよい。第１の基板として透明基板上に行方向に沿
ってストライプ状にパターニングされたＩＴＯ等からな
る透明電極と、ポリイミド系高分子からなる配向膜を全
面的に積層形成したものを用い、第２の基板として透明
基板上に列方向に沿ってストライプ状にパターニングさ
れたＩＴＯ等からなる透明電極と、ポリイミド系高分子
からなる配向膜を全面的に積層形成したものを用いる。
即ち、ストライプ状にパターニングされた第１の基板上
の透明電極と第２の基板上の透明電極をそれぞれ行列状
に交差するように配置し、単純マトリクス方式の液晶表
示装置として用いる。この場合は第２の基板の透明基板
としてポリマーフィルムを用いることができる。ポリマ
ーフィルムとしては耐溶剤処理とガスバリアー処理を施
した無延伸のポリカーボネートフィルムを用いることが
でき、その厚さは１００μｍ以下にできる。このため、
半透過反射層を第２の基板の背面に配置した場合の視差
の影響を減らすことができる。さらに、スイッチング素
子等の遮光部がないため高い開口率が得られ、より明る
い表示画像が得られる。

【００５３】次に本発明の他の実施例を図面を用いて説
明する。図８は本発明の液晶表示装置を示す模式的な部
分断面図である。表示動作は基本的に図１に示した実施
形態と同様であり、図１と対応する構成要素には対応す
る参照番号を付してある。

【００５４】本液晶表示装置は、第１の基板１０１と、
第２の基板１０２と、これら２枚の基板を図示しないビ
ーズ等のスペーサを介して張り合わせ、図示しない枠状
のシール材によりシールして形成した２枚の基板の間隙
に封入された液晶層１０３と、第２の基板１０２の裏面
に積層配置した第２の複屈折性透明媒体層１０６と、偏
光板１０７、及びバックライト１０８から構成される。

【００５５】第１の基板はガラス等の透明基板１０９上
に例えばＩＴＯ（インジウム ティン オキサイド）等
から構成される透明電極１１２と、ポリイミド系高分子
からなる配向膜１１３を全面的に積層形成したものであ
る。カラー表示を行う場合、第１の基板１０１には図示
したようにガラス基板１０９と透明電極１１２との間に
第２の基板１０２の画素電極１１８に対応する位置に３
原色のカラーフィルタ１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂを
形成してもよい。また、必要に応じてブラックマトリク
スを形成してもよい。

【００５６】第２の基板１０２はガラス等の透明基板１
１７上に図示しない走査電極と信号電極を備え、両者の
交差部に例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のス
イッチング素子１１９を備えたものである。スイッチン
グ素子１１９の上層には全面的に絶縁層１２０，半透過
反射層１０５，第１の複屈折性透明媒体層１０４が順次
積層され、さらに第１の複屈折性透明媒体層１０４の上
部にマトリクス状に細分化された例えばＩＴＯからなる
透明な画素電極１１８と、全面的に形成したポリイミド
系高分子からなる配向膜１１６が積層されている。スイ
ッチング素子１１９は、スルーホールコンタクト１２１
を介して画素電極１１８に接続されており、画素電極１
１８に印加する電圧をスイッチングすることで、透明電
極112と画素電極１１８とに挟まれた液晶層１０３に印
加する電界を画素毎に制御することができる。

【００５７】絶縁層１２０としては透明なアクリル系樹
脂，カルド系樹脂，ベンゾシクロブテン樹脂，ポリイミ
ド系樹脂等の有機材料や、酸化シリコン，窒化シリコン
等の無機材料を用いることができる。絶縁層１２０上に
形成される第１の複屈折性透明媒体層１０４や半透過反
射層１０５は、平坦な面状に形成したほうが安定な膜が
でき、しかも良好な特性が得られるため、絶縁層１２０
の上面は平坦性が高いほうがよい。従って、絶縁層１２
０は膜の塗布をスピンコートで行うことでスイッチング
素子等による凹凸の平坦化が容易なアクリル系樹脂，カ
ルド系樹脂，ベンゾシクロブテン樹脂，ポリイミド系樹
脂等の有機材料を用いることが望ましい。より高い平坦
性が必要な場合には、有機材料膜の上にさらに酸化シリ
コン等の無機絶縁膜を形成し、さらにこの表面をＣＭＰ
（化学機械研磨）等の表面研磨により平坦化してもよ
い。

【００５８】絶縁層１２０の上には半透過反射層１０５
が形成される。本発明では半透過反射層１０５として、
上記実施例で記述した反射型ホログラムを使用すること
ができる。ホログラム材料としてはアクリル系のフォト
ポリマーを用い、斜め方向から入射した光を正反射方向
と異なる基板法線方向に近い方向へ回折反射し、回折反
射とは異なる基板法線方向に近い方向から入射した光は
略透過するようなホログラムを作製する。尚、この他に
半透過反射層１０５としては上記実施例と同様、偏光解
消等により偏光状態を変えるものでなければ例えばアル
ミニウム等の金属、または金属酸化物、あるいは有機物
等による薄膜や、一部が反射面で一部が透明な面を細か
くパターン化したものを用いることができ、さらに広い
視野角を得るために偏光解消しない程度に屈折や回折を
用いて散乱性を与える手段を付与するようにしてもよ
い。

【００５９】半透過反射層１０５の上には第１の複屈折
性透明媒体層１０４が形成される。図１に示した実施例
と同様、第１の複屈折性透明媒体層１０４は所定の光学
異方軸を有する透明媒体であり、外部からの入射光が液
晶層１０３を透過し、半透過反射層１０５で反射して再
び液晶層１０３へ入射する往復路において、所定の直線
偏光をこれと直交する電気ベクトルの振動方向を有する
直線偏光に変換する機能を有するものである。第１の複
屈折性透明媒体層１０５は概ね４分の１波長位相板とし
て機能するものを用いれば良く、ここでは、一方向に配
向した液晶分子を含む高分子液晶材料を用いる。高分子
液晶材料としては例えばシロキサン樹脂や芳香族ポリエ
ステルを用い、これを半透過反射層１０５の上部に全面
的に形成された図示しない下地配向膜上に塗布する。こ
の図示しない下地配向膜には事前に後述する液晶層１０
３の配向方向と４５°をなす方向にラビング等による配
向処理を行っておく。この下地配向膜上に高分子液晶材
料を塗布した後、これを加熱して高分子液晶を一旦、光
学的に等方性状態にした後、加熱を止めネマチック相を
経て室温状態まで温度を下げる。この際、高分子液晶は
ネマチック相状態において下地配向膜の配向処理方向に
沿って配列し、そのまま室温において固体化され、一軸
配向性の層が得られる。この層の厚さｄは高分子液晶の
屈折率異方性がΔｎである場合、ｄΔｎが４分の１の波
長となるようにすることで所望の複屈折性透明媒体層が
得られる。

【００６０】第１の複屈折性透明媒体層１０４の上には
図示しないパッシベーション膜が全面的に形成されその
上にマトリクス状に細分化された例えばＩＴＯからなる
透明な画素電極１１８と、ポリイミド系高分子からなる
配向膜１１６が積層形成される。

【００６１】２枚の基板間に挟持された液晶層１０３は
図１に示した実施例と同様、ゲストホスト型の液晶層で
ある。液晶の配向は配向膜１１３，１１６により両基板
界面での配向が互いに平行をなす約４°のプレチルトを
有するホモジニアス配向となっている。

【００６２】第２の基板１０２の背面には第２の複屈折
性透明媒体層１０６，偏光板１０７，バックライト１０
８が配置される。これらは図１に示した実施例と同様の
構成で同様の機能を有するものとすればよい。

【００６３】図８に示した液晶表示装置の表示動作は図
５，図６を用いて説明した表示動作と同じである。つま
り、本液晶表示装置では偏光板が不要で、かつ映り込み
がなく、コントラスト比が高い明るい反射型表示が実現
できる。また、透過型表示をする場合は、バックライト
１０８から出射した様々な偏波面を持つ照明光を液晶の
配向方向と同方向の電気ベクトルの振動方向を有する直
線偏光にした後、液晶層１０３に入射させるため、コン
トラスト比の高い画像が得られ、さらに半透過反射層で
反射した不要光は偏光板で吸収されるため画質劣化のな
い高画質な表示が可能となる。

【００６４】さらに本実施例では半透過反射層が第２の
基板の内側の液晶層に近い位置に、スイッチング素子等
の遮光物を覆うように配置されている。このため、反射
型表示の際に生じる視差が小さくなり、さらに高い開口
率が得られて明るい表示が得られるという効果がある。

【００６５】次に本発明の他の実施例を図面を用いて説
明する。図１０は本発明の液晶表示装置を示す模式的な
部分断面図である。本液晶表示装置は、第１の基板１０
１と、第２の基板１０２と、これら２枚の基板を図示し
ないビーズ等のスペーサを介して張り合わせ、図示しな
い枠状のシール材によりシールして形成した２枚の基板
の間隙に封入された液晶層１０３と、第２の基板１０２
の裏面に積層配置される第１の複屈折性透明媒体層１０
４と、半透過反射層１０５と、第２の複屈折性透明媒体
層１０６と、偏光板１０７、及びバックライト１０８か
ら構成される。第１の基板１０１はガラス等の透明基板
１０９上にマトリクス状に細分化した例えばＩＴＯで構
成される透明な画素電極１１８を備え、この画素電極１
１８に対応して例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）
等からなるスイッチング素子が透明基板１０９上の図示
しない走査電極と信号電極の交差部に備えられる。スイ
ッチング素子１１９は画素電極１１８に接続されてお
り、画素電極１１８に印加する電圧をスイッチングする
ことで、透明電極１１２と画素電極１１８とに挟まれた
液晶層１０３に印加する電界を画素毎に制御することが
できる。スイッチング素子１１９や図示しない配線や電
極等の上には図示しないパッシベーション膜が形成さ
れ、さらに最上層にはポリイミド系高分子からなる配向
膜１１３が全面的に形成されている。

【００６６】また、第１の基板１０１は図示したとおり
スイッチング素子１１９や図示しない配線等に対応する
位置にブラックマトリクス１１０を形成し、さらにフル
カラー表示するために画素電極１１８と対応する位置に
３原色のカラーフィルタ111R，１１１Ｇ，１１１Ｂを形
成し、図示しないオーバーコート層を介してスイッチン
グ素子１１９や図示しない配線や画素電極１１８を形成
するようにしてもよい。

【００６７】第２の基板はガラスやポリマーフィルム等
の透明基板１１７上に例えばＩＴＯ（インジウム ティ
ン オキサイド）等からなる透明電極１１２と、ポリイ
ミド系高分子からなる配向膜１１６を全面的に積層形成
したものである。

【００６８】即ち図１０に示した実施例は図１に示した
実施例において第２の基板１０２に形成されていたスイ
ッチング素子１１９やこれに接続された画素電極等を第
１の基板１０１に形成したもので、第１の基板１０１と
第２の基板１０２の構成以外は図１に示した実施例と同
様であり、図１と対応する構成要素には対応する参照番
号を付してある。

【００６９】本実施例の表示動作は基本的に図１に示し
た実施例、即ち図５，図６を用いて説明した表示動作と
同じである。つまり、本液晶表示装置では偏光板が不要
で、かつ映り込みがなく、コントラスト比が高い明るい
反射型表示が実現できる。また、透過型表示をする場合
は、バックライイト１０８から出射した様々な偏波面を
持つ照明光を液晶の配向方向と平行な電気ベクトルの振
動方向を有する直線偏光に変換した後、液晶層１０３に
入射させるため、コントラスト比の高い画像が得られ、
さらに半透過反射層で反射した不要光は偏光板で吸収さ
れるため画質劣化のない高画質な表示が可能となる。さ
らに本実施例では第２の基板１０２の透明基板１１７と
してポリマーフィルムを用いることができ、その厚さは
１００μｍ以下にできる。このため、半透過反射層を第
２の基板の背面に配置したことによる視差の影響を減ら
すことができるという効果もある。

【００７０】以上の実施例では半透過反射層として主に
斜め方向から入射した光を正反射方向と異なる基板法線
方向に近い方向へ回折反射し、回折反射とは異なり、か
つ基板法線方向に近い方向から入射する光は透過するホ
ログラムについて述べたが、露光を特定の波長域で行っ
たホログラムを半透過反射層として使用することも考え
られる。即ち、特定の波長で露光，作製したホログラム
は、その特定波長域の光は回折反射するが、その他の波
長域の光は透過するという性質があるため、この性質を
生かして半透過反射層として用いてもよい。

【００７１】また、以上の実施例では液晶層の液晶分子
の配向がホモジニアス配向である場合について述べた
が、ホメオトロピック配向（垂直配向）の場合であって
もよい。このとき液晶としては誘電異方性が負のネマチ
ック液晶を用い、配向膜としては垂直配向用の配向膜を
用いる。さらに液晶層に電界が印加された際、液晶の配
向方向は垂直方向から水平方向へ変わるがこの配光方向
が一方向へ揃うように２°程度のプレチルトを付けてお
く。

【００７２】この場合は、液晶層に電界が無印加のとき
２色性色素は液晶分子に習って基板に対して垂直方向に
配向しているので、液晶層に入射する光は吸収されず明
表示となる。一方、液晶層に電界が印加されて液晶の配
向方向が基板に対して略水平方向に変化すると２色性色
素もこれに習って略水平配向するため、液晶層に入射す
る光は吸収されて暗表示となる。従って、この場合も前
記実施例と同様、反射型表示，透過型表示ともに明る
く、かつコントラスト比の高い高品位な画像が得られ
る。さらに、反射型表示のとき半透過反射層を透過した
不要光、もしくは透過型表示のとき半透過反射層で反射
した不要光は偏光板に吸収されるため、不要光によるコ
ントラスト比の低下等の画質の劣化は起こらない。

【００７３】

【発明の効果】以上本発明の液晶表示装置によれば、偏
光板が不要でかつコントラスト比の高い明るい表示が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の模式的な部分断面図で
ある。

【図２】本発明の液晶表示装置に係る第１の複屈折性透
明媒体層の構成例を示す平面図である。

【図３】本発明の液晶表示装置に係る半透過反射層の機
能説明図である。

【図４】本発明の液晶表示装置に係る各構成要素の配置
例の説明図である。

【図５】本発明の液晶表示装置の動作の説明図である。

【図６】本発明の液晶表示装置の動作の説明図である。

【図７】本発明の液晶表示装置の使用状況を説明する模
式図である。

【図８】本発明の液晶表示装置の模式的な部分断面図で
ある。

【図９】従来の液晶表示装置の模式的な部分断面図であ
る。

【図１０】本発明の液晶表示装置の模式的な部分断面図
である。

【符号の説明】

１０１…第１の基板、１０２…第２の基板、１０３…液
晶層、１０４…第１の複屈折性透明媒体層、１０５…半
透過反射層、１０６…第２の複屈折性透明媒体層、１０
７…偏光板、１０８…バックライト、１０９，１１７…
透明基板、112…透明電極、１１３，１１６…配向膜、
１１４…ネマチック液晶、１１５…２色性色素、１１８
…画素電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 檜山 郁夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明電極と配向膜が積層形成され、かつ前
   記配向膜形成面が対向するように一定の間隙をもって接
   合した一対の透明基板と、これら透明基板間に挟持され
   た液晶層と、前記透明電極に電圧を印加する手段とを有
   する液晶表示装置であって、 前記液晶層の背面側に所定の光学異方軸を有する第１の
   複屈折性透明媒体層と、半透過反射層と、所定の光学異
   方軸を有する第２の複屈折性透明媒体層と、偏光板と、
   光源とをこの順に積層配置したことを特徴とする液晶表
   示装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記液晶層は２色性色
   素を含有し、かつホモジニアス配向もしくはホメオトロ
   ピック配向したものであって、前記液晶層が光吸収状態
   のとき入射光に含まれる第１の直線偏光成分は略吸収
   し、これと直交する電気ベクトルの振動方向を有する第
   ２の直線偏光成分は略透過するものであり、 前記第１の複屈折性透明媒体層は前記液晶層を透過した
   第２の直線偏光成分が前記半透過反射板で反射して、再
   び液晶層に入射する往復路において第２の直線偏光成分
   を第１の直線偏光成分に変換する所定の位相差を有し、 前記第２の複屈折性透明媒体層は、前記光源から出射し
   前記偏光板を透過した光が、前記半透過反射層及び前記
   第１の複屈折性透明媒体層を透過して前記液晶層に入射
   する際に、第１の直線偏光成分となる所定の位相差を有
   することを特徴とする液晶表示装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記半透過反射
   層はホログラムであり、前記ホログラムは斜めから入射
   した光を正反射方向と異なる基板法線方向に近い方向へ
   回折反射し、さらに前記回折反射とは異なる基板法線方
   向に近い方向から入射した光は略透過するようにしたこ
   とを特徴とする液晶表示装置。