KR100456383B1 - 액정표시장치 - Google Patents

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신이치 고무라
이쿠오 히야마
쇼이치 히로타
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

액정표시장치에 관한 것으로서, 밝기와 콘트라스트비가 양립하고 시인성이 우수한 액정표시장치를 제공하기 위해, 편광판, 위상판의 리터데이션과 이 리터데이션의 파장분산의 구배를 자유롭게 설정할 수 있는 2개의 위상판1 및 위상판2, 액정층 및 반사판을 병설하고, 이 반사판에 의해 광을 반사시키는 투사광학계를 갖고, 한쪽 위상판의 구배는 매우 급격한 구배로 설정하고, 다른쪽의 위상판의 구배는 매우 평탄한 구배로 설정하고, 액정층과 2개의 위상판의 3자를 조합한 리터데이션 합성값의 파장분산을 (0. 25+0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 접근시키는 구성으로 하였다.
이러한 구성에 의해, 높은 콘트라스트비이고 고개구율의 반사형 액정표시장치와 높은 콘트라스트비이고 무착색인 표시가 가능한 투사형 액정표시장치가 얻어진다는 효과가 있다.

Description

액정표시장치
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로서, 반사형 액정표시소자를 사용한 투사형 액정표시장치의 고콘트라스트화에 관한 것이다.
종래기술의 투사형 액정표시장치는 스크린에 광을 투사해서 표시를 실행하기 위해 옥내의 조명광하에서 표시를 인식하기에 충분한 밝기가 필요하고 소비전력을 증대시키지 않고 표시의 밝기를 증대시키기 위해서는 개구율을 증대시킬 필요도 있다. 개구율 증대를 위해서는 TFT(Thin Film Transistor :박막 트랜지스터)의 상부도 반사전극으로 덮어 표시에 사용할 수 있는 반사형 액정표시소자가 적합하다. 그리고, 종래의 투사형 액정표시장치에서는 액정층으로서 트위스트된 네마틱액정을 사용하고, 액정층의 전후에 2개의 편광판을 설치해서 표시를 실행하고 있다.
그러나, 개구율이 낮기 때문에 옥내의 조명광하에서 표시를 인식하기에 충분한 밝기가 얻어지지 않는다. 편광판 대신에 편광빔 스플리터를 사용해도 마찬가지로 충분한 밝기가 얻어지지 않는다. 그래서, 일본국 특허공개공보 소화64-7021호에서는 액정층과 하측기판 사이에 반사판을 설치하고 있다. 이하, 이와 같은 구성의 액정표시장치를 반사판 내장형 액정표시장치라고 호칭한다.
상기 종래기술의 반사판 내장형 액정표시장치에서는 액정층을 통과한 광의 편광상태의 파장분산이 크므로, 높은 콘트라스트의 표시를 얻기 위해서는 액정층을 통과한 광의 편광상태를 전체 가시파장에 걸쳐서 제어해야만 한다.
그러나, 일본국 특허공개공보 소화64-7021호에서는 파장분산의 제어방법에 대해서는 기재되어 있지 않다. 이상과 같은 이유에서 반사판 내장형 액정표시장치는 고개구율이기 때문에 옥내의 조명광하에서 표시를 인식하기에 충분한 밝기가 얻어지는 잠재능력을 갖고 있으므로, 충분한 밝기와 콘트라스트비를 양립시키는데 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 밝기와 콘트라스트비가 양립하고 시인성(視認性)이 우수한 액정표시장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 액정표시장치에 의하면, 편광판, 위상판, 액정층 및 반사판을 병설하고 이 반사판에 의해 투과광을 반사시키는 투사광학계를 갖고, 상기 위상판은 상기 위상판의 리터데이션(retardation)과 이 리터데이션의 파장분산의 구배를 자유롭게 설정할 수 있는 위상판1, 2로 이루어지고, 상기 위상판1의 상기 구배는 상기 액정층의 상기 구배보다 크게 설정하고, 상기 위상판2의 상기 구배는 상기 액정층의 상기 구배보다 작게 설정하고, 상기 액정층과 상기 위상판1, 2의 3자를 조합한 상기 투사광학계에 있어서의 리터데이션 합성값의 파장분산을 (0. 25+0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 점근시킨다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 투과광의 진행방향에 편광판, 2개의 위상판, 상측기판, 액정층, 구동장치 및 반사판을 겸한 하측기판이 순차적층되고 또한 상기 편광판의 흡수축방향과 상기 액정층의 상기 편광판에 인접하는 측의 배향(orientation)방향이 평행하지 않은 관계에 있고, 각각 위상판1, 2로 하는 상기 2개의 위상판은 상기 투과광의 파장 400(nm)∼700(nm)의 범위에 있어서의 상기 액정층과 조합한 리터데이션 합성값의 파장분산이 (0. 25+0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 실질적으로 근사하도록 설정되어 있는 각각의 리터데이션의 파장분산을 갖는다.
또, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 투과광의 진행방향에 편광수단, 2개의 위상판, 상측기판, 액정층, 구동장치 및 반사판을 겸한 상측기판이 순차 적층되고 또한 상기 편광수단의 흡수축방향과 상기 액정층의 상기 편광수단에 인접하는 측의 배향방향이 평행하지 않은 관계에 있고, 상기 편광수단은 상기 투과광의 통과방향이 변경되면 상기 편광수단의 투과편광성분의 진동방향이 90°회전하는 형식의 편광판이고, 각각 위상판1, 2로 하는 상기 2개의 위상판은 상기 투과광의 파장 400(nm)∼700(nm)의 범위에 있어서의 상기 액정층과 조합한 리터데이션 합성값의 파장분산이 (0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 실질적으로 근사하도록 설정되어 있는 각각의 리터데이션의 파장분산을 갖는다. 단, n은 정수, λ는 투과광의 파장(nm)이다.
[실시형태]
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 1실시예의 액정표시장치의 화소구조를 도시한 도면이다. 본 발명에 의한 반사판 내장형 액정표시소자의 단면도의 1예를 도시하고 있다. 자연광인 광원광을 편광으로 변경하는 편광수단에는 편광판을 사용하고 있다.
하측기판상에 TFT가 있고, 마찬가지로 하측기판상에 있는 반사판을 겸하는 화소전극에 접속되어 있다. 액정층은 네마틱액정으로 이루어지고, 상측기판 근방 및 하측기판 근방에 있어서의 액정층의 배향방향은 동일하고, 트위스트각은 0°이다. 상측기판상에는 위상판1, 2와 편광판이 적층되어 있다.
도 2는 도 1의 액정표시장치중 투과광의 편광상태에 관한 구성요소를 도시한 도면이다. 즉, 도 1에서 광의 편광상태에 관여하는 구성요소만을 추출하여 간략화해서 도시한 것이다.
도 2에 있어서, 위에서부터 차례로 편광판, 위상판1, 2, 액정층, 반사판이 광의 편광상태에 관여한다. 위상판1, 2의 지상축은 액정층의 배향방향과 평행 또는 직교한다. 편광판의 흡수축(또는 투과축)은 위상판의 지상축 및 액정층의 배향방향과 45°를 이루는 것으로 한다. 또한, 위상판1, 2와 액정층의 파장 λ에 있어서의 각 리터데이션을 각각 △ndPH1(λ), △ndPH2(λ),△ndLC(λ)로 해서도 2중에 병기하였다.
도 2에 있어서, 광은 액정표시소자내를 편광판, 위상판1, 위상판2, 액정층의 순으로 통과하여 반사판에 의해 반사되고, 그 후에는 액정층, 위상판2, 위상판1, 편광판의 역순으로 통과해서 사용자에게 도달한다. 이 과정에 있어서의 광의 편광상태의 변화는 다음의 도 3의 광학계에 있어서의 편광상태의 변화와 등가로 해서 치환할 수 있다.
도 3은 도 2와 광학적으로 등가인 광학계를 도시한 도면이다. 즉, 편광판1, 2의 투과측은 평행하고, 액정층, 위상판1, 위상판2의 각 리터데이션은 도 2에 있어서의 각 리터데이션의 2배로 하는 것이다.
그리고, 도 3의 광학계를 사용해서 반사판 내장형 액정표시소자를 고콘트라스트화하기 위한 조건, 즉 암표시의 반사율을 저감하는 조건을 고찰한다. 도 3의 광학계의 파장 λ의 광의 반사율R(λ)는 다음 식으로 나타내어진다.
[식 1]
R(λ) = 0. 5(1+cos(4π△nd"(λ)/λ))
여기에서, △nd"(λ)는 후술하는 액정층, 위상판1, 위상판2의 각 리터데이션의 합성값이다.
암표시의 반사율을 저감하기 위해서는 가시파장의 거의 전역, 즉 400nm∼700nm에 있어서 R(λ)가 0에 근접하면 좋다. 즉, 가시파장의 400∼700nm의 범위에 있어서 암표시시에 액정층에 인가하는 전압을 VB로 하면, VB인가시의 액정층, 위상판1, 위상판2의 각 리터데이션을 합성한 리터데이션 합성값 △nd"(λ)가 다음 식의 △nd'(λ)를 실질적으로 만족하면 좋고, 즉 식 1의 제2항이 대략 (-1)로 되어 R(λ)가 0에 가까워진다고 할 수 있다.
[식 2]
△nd'(λ) = (0. 25+0. 5n)λ
단, n은 정수이다.
식 2는 n이 0이상인 경우에는 리터데이션이 파장에 비례해서 증대하는 파장분산 특성곡선(이하, 파장분산이라고도 약칭한다)을 나타내고 있다. 또, n이 0보다 작은 경우에는 리터데이션이 파장에 비례해서 감소하는 파장분산을 나타내고 있다. 또, 지금까지 알려져 있는 투명한 복굴절매체(즉, 위상판, 액정층등)의 리터데이션은 모두 정이고 또한 파장의 증대와 함께 감소하는 파장분산을 나타내고 있다.
그래서, 액정층과 위상판의 조합에 의해 식 2를 만족하는 리터데이션의 실현을 시도해 본다. 파장 λ에 있어서의 리터데이션이 각각 △nd1(λ),△nd2(λ)인 투명복굴절매체1, 2△nd1(λ)>△nd2(λ))를 지상축이 평행하게 되도록 적층한 경우 2개의 투명복굴절매체의 리터데이션 합성값△nd"(λ)는 다음 식과 같이 된다.
[식 3]
△nd"(λ) = △nd1(λ) +△nd2(λ)
지상축이 직교하도록 적층한 경우에는 △nd"(λ)는 다음 식과 같이 된다.
[식 4]
△nd"(λ) = △nd1(λ) - △nd2(λ)
투명복굴절매체1, 2의 각 리터데이션의 파장분산이 서로 다른 경우, 리터데이션 합성값△nd"(λ)의 파장분산은 투명복굴절매체1,2 모두 다르다.
바꿔말하면, 리터데이션 합성값의 파장분산은 투명복굴절매체1, 2의 각 리터데이션, 각 리터데이션의 파장분산의 구배 및 적층방법(지상축을 평행 또는 직교시키는 적층방법)의 차이를 적절하게 조합해서 설정하는 것에 의해 제어할 수 있다.
이상과 같은 리터데이션의 합성법칙을 이용하는 것에 의해 리터데이션 합성값△nd"(λ)의 파장분산을 식 2에 근사시킬 수 있다.
특히, 식 2와 같은 리터데이션의 파장분산을 실현하기 위해서는 투명복굴절매체1, 2의 각 리터데이션의 파장분산의 구배를 한쪽의 구배는 극도로 급준하게 하고 다른쪽의 구배는 극도로 평탄하게 해야만 한다. 또, 투명복굴절매체1, 2의 각 리터데이션을 크게 해야만 한다고 할 수 있다.
그런데, 위상판을 1개만 사용하는 경우에는 투명복굴절매체의 한쪽은 액정층으로 되고, 다른쪽이 위상판으로 된다. 그러나, 표시특성을 유지하기 위해서는 액정층의 리터데이션의 파장분산의 구배는 극단적으로 급준하게도 평탄하게도 할 수 없다. 또, 액정층의 리터데이션은 크게도 할 수 없다. 따라서, 위상 판을 1개밖에 사용하지 않는 경우에는 위상판의 리터데이션의 파장분산의 구배는 액정층의 그것보다 크거나 또는 작은 것중의 어느 한쪽으로밖에 설정할 수 없다. 그 결과, 리터데이션 합성값의 파장분산을 식 2에 충분히 근사시킬 수 없다고 할 수 있다.
이것에 대해서 본 발명에 의하면 2개의 위상판을 사용하므로 위상판1의 구배는 액정층의 구배보다 크게(급준하게) 설정하고, 위상판2의 구배는 액정층의 구배보다 작게(평탄하게) 설정해서 액정층과 2개의 위상판의 3자를 조합한 투사광학계에 있어서의 리터데이션 합성값의 파장분산을 식 2의 (0. 25 + 0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 점근시킬 수 있다고 할 수 있다. 바꿔말하면, 상술한 바와 같이 투명복굴절매체1, 2로서의 위상판1, 2의 각 리터데이션의 파장분산의 구배는 한쪽의 구배는 액정층의 그것보다 극도로 급준하게(크게), 다른쪽의 구배는 액정층의 그것보다 극도로 평탄하게(작게) 하지 않으면 안되게 된다.
상기한 것에 대해서 도 4, 도 5를 사용해서 설명한다.
도 4는 2개의 투명복굴절매체의 경우의 리터데이션의 합성에 대해서 설명하는 도면이다. 도 5는 도 4의 경우의 리터데이션 합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 비교해서 설명하는 도면이다. 종래기술의 2개의 투명복굴절매체로서의 액정층과 1개의 위상판의 리터데이션 합성값의 파장분산을 1/4파장의 리터데이션곡선과 비교한 경우의 예가 도시되어 있다.
구체적으로는 위상판에는 리터데이션의 파장분산의 구배가 가장 급준한 폴리설폰을 사용한다. 암표시에 있어서의 액정층의 파장 550(nm)에 있어서의 리터데이션을 200nm, 위상판의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 62. 5nm으로 한다. 위상판을 지상축이 액정배향방향에 대해서 직교하도록 설치한다. 이 때, 리터데이션 합성값은 도 4중의 사선부로 된다. 이것을 리라이트한 것이 도 5이다.
도 5중에 비교를 위해서 식 2에 있어서 「n = 0인 경우」의 리터데이션의 파장분산, 즉 식 1에 있어서 R(λ)가 0으로 되는 1/4파장의 리터데이션곡선을 병기하였다.
도 5에서 명확한 바와 같이, 위상판을 1개밖에 사용하지 않는 경우 리터데이션 합성값의 파장분산은 식 2에 충분히 근사되지 않는 것이라는 것을 알 수 있다.
이것에 대해서, 본 발명의 특징은 리터데이션 합성값의 파장분산을 식 2에 근사시키기 위해서 위상판을 2개 사용하였다. 즉, 리터데이션과 리터데이션의 파장분산의 구배를 자유롭게 변경할 수 없는 액정층 대신에 위상판을 1개 추가해서 이것을 자유롭게 변경할 수 있는 위상판을 2개로 하는 것에 의해, 넓은 범위에서 조정하는 것을 가능하게 하고 3자의 리터데이션 합성값의 파장분산을 1/4파장의 리터데이션곡선에 점근시킨 것이다. 소위 피팅(fitting)을 위해 조정하는 파라미터를 1개에서 2개로 증가시킨 것과 동일하다고 할 수 있다.
바꿔말하면, 본 발명에 의한 액정표시장치는 액정층, 구동장치, 편광판, 2개의 위상판 및 상측, 하측의 2개의 투명한 기판으로 구성되고, 2개의 기판은 표시전극과 배향막을 구비하고 있고, 하측기판의 표시전극은 반사판을 겸하고 있고, 하측기판의 표시전극은 구동장치로서의 활성소자와 접속되어 있고, 2개의 기판은 액정층을 협지해서 대향배치되고, 편광판은 상측기판의 상측에 배치되고, 2개의 위상판은 편광판과 상측기판 사이에 배치되고, 편광판의 흡수축방향과 상측기판근방에 있어서의 액정층의 배향방향의 관계가 평행하지 않은 것으로서 2개의 위상판을 각각 위상판1, 2로 하고 n을 정수, λ를 광의 파장으로 하면, 구동장치를 사용해서 액정층에 임의의 전압VB를 인가했을 때 가시파장의 400nm∼700nm의 범위에 있어서 위상판1과 위상판2와 액정층의 리터데이션 합성값의 파장분산이 (0, 25+0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 실질적으로 근사하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 액정층의 리터데이션을 △ndLC(λ)로 하고 2개의 위상판을 위상판1 및 2로 하고 각 리터데이션을 각각 △ndPH1(λ), △ndPH2(λ)로 하면, 액정층과 위상판1, 2의 리터데이션 합성값△nd"(λ)는 다음 식으로 나타내어진다.
[식 5]
△nd"(λ) = △ndLC(λ) ± △ndPH1(λ) ± △ndPH2(λ)
단, 복호(±기호)는 동일순은 아니다.
식 5에 있어서, 제2항과 제3항의 부호는 위상판1, 2의 지상축이 액정층 배향방향에 대해서 평행하면 +로, 직교하면 -로 된다. 액정층과 위상판을 2개 사용했을 때의 각 리터데이션의 파장분산의 1예를 도 9에 도시한다.
도 9는 본 발명에 의한 1실시예의 위상판1, 2와 액정층의 각 리터데이션의 파장분산을 도시한 도면이다. 위상판1 및 위상판2는 폴리설폰제의 위상판 및 폴리비닐 알콜제 위상판으로 하고 그들의 파장 550(nm)에 있어서의 리터데이션은 331nm 및 408nm으로 하였다. 또, 위상판1은 지상축이 액정배향방향과 직교하도록 배치하고, 위상판2는 지상축이 액정배향방향과 평행하게 되도록 배치하였다. 그리고, 액정층의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션은 60nm으로 하였다. 그 결과를 도 10에 도시하고 있다.
도 10은 도 9에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층의 리터데이션 합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면이다. 도 10에 도시한 바와 같이 리터데이션 합성값의 파장분산(특성곡선)은 식 2와 마찬가지로 파장과 함께 증대하고, 파장550nm에서 1/4파장의 리터데이션곡선과 일치하고, 다른 가시파장영역(400nm∼700nm의 범위)에서 1/4파장의 리터데이션곡선에 대략 근사하는 점근선으로 되어 있다.
여기에서, 위상판의 지상축의 설정방식은 액정층의 배향방향에 대해서 평행 또는 직교하는 2종류밖에 없다. 따라서, 위상판을 3개 이상 사용하면 이중 적어도 2개는 지상축이 서로 평행하게 되게 되어 지상축이 서로 평행한 2개의 위상판은 1개의 위상판으로 치환할 수 있다. 따라서, 위상판을 3개 이상 사용해도 실질적인 효과는 2개인 경우와 큰 차이는 없고, 리터데이션 합성값은 도 10에 도시한 이상에는 식 2에 근사되지 않는다. 코스트의 증대를 고려하면 위상판의 수는 2개가 최적이다.
편광수단으로서 편광빔 스플리터를 사용한 경우 식 1, 식 2는 각각 식 6, 식 7로 된다.
[식 6]
R(λ) = 0. 5(1-cos(4π△nd"(λ) /λ))
[식 7]
△nd'(λ) = 0. 5nλ
이것은 편광빔 스플리터를 사용한 광학계에서는 광의 통과방향이 변경되면 투과편광성분의 진동방향이 90°회전하는 것에 의한다. 단, 이 경우에서는 상술한 의논이 마찬가지로 성립하고 콘트라스트비의 증대를 위해서는 위상판의 수는 2개가 최적이다.
암표시에 있어서의 액정층의 리터데이션이 충분히 작으면 온도변화에 따른 콘트라스트비의 변화도 작아진다. 예를 들면, 온도변화에 따라 액정층의 리터데이션이 5%변화하는 경우 액정층의 리터데이션이 200nm이면 리터데이션의 변화량은 10nm이지만, 액정층의 리터데이션이 40nm이면 리터데이션의 변화량은 불과 2nm로 된다.
즉, 액정층의 리터데이션이 낮은 값에 있어서 암표시하는 설정으로 하는 것이 온도변화에 따른 액정층의 리터데이션의 변화를 억제하게 되고, 따라서 온도변화에 따른 콘트라스트비의 저하가 억제 되게 된다고 할 수 있다. 바꿔말하면, 암표시시의 액정층의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 작게 하는 것이 온도변화에 따른 콘트라스트비의 저하를 회피하는 요건이라고 할 수 있다.
그리고, 액정층의 리터데이션이 충분하게 또한 적절하게 낮은 값인 예를들면 40(nm)에 있어서 암표시하는 설정으로 하면, 표 1, 표 2에서 나타낸 후술하는 바와 같이 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션이 위상판1의 파장550 (nm)에 있어서의 리터데이션보다 커진다는 지견을 얻었다. 바꿔말하면, 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션보다 크게 되도록 설정하면, 액정층의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션이 과제를 해결하기 위한 적정한 낮은 값으로 된다고 할 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 1실시예의 액정층의 리터데이션의 인가전압 의존성을 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이 액정층의 리터데이션은 인가전압에 의해 변화한다. 도 6의 종축은 인가전압 0V에 있어서의 값으로 나눈 액정층의 리터데이션이고, 액정층의 리터데이션은 1V∼2V에 걸쳐서 급준하게 감소한다. 따라서, 2V보다 고전압측에 있어서 암표시를 실행하면 온도에 의존하지 않고 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어진다.
이하, 본 발명의 구체예의 내용과 효과에 대해서 실시예를 사용해서 설명한다.
<실시예 1＞
도 1은 본 실시예 1의 액정표시장치의 1화소와 그 주변의 구성의 1예를 도시한 평면도이기도 하다. 그리고, 도 7은 도 1의 액정표시장치의 A-A'로 절단한 화소구조를 도시한 단면도이다. 도 8은 도 1의 액정표시장치의 B-B'로 절단한 화소구조를 도시한 단면도이다. 실시예 1의 액정표시장치의 구성을 설명한다.
하측기판(10)은 무알카리의 붕규산 유리제로서 상하에 산화실리콘층을 구비하고 있다. 게이트전극(20)은 스퍼터법으로 형성한 알루미늄막으로 이루어지고, 상측에 양극산화 알루미늄막을 갖는다. 절연막(25)는 막두께2000Å의 질화실리콘막으로서 플라즈마CVD법으로 형성하였다. TFT는 게이트전극에 대한 정의 바이어스인가에 의해 채널저항이 작아지고, 바이어스0에 의해 채널저항이 커지도록 동작한다. 또, TFT는 게이트전극(20), 절연막(25), i형 반도체층(30)으로 이루어진다.
i형 반도체층은 비정질 실리콘제로서 막두께는 2000Å이다. 그 소오스전극, 드레인전극과 중첩하는 부분의 위쪽에는 인을 도프해서 N(+)형 비정질 실리콘 반도체층으로 하였다. 소오스전극(40)과 드레인전극(45)는 2층으로 이루어지고, 상측의 층은 스퍼터법으로 형성한 층두께 3000Å의 알루미늄이고, 하측의 층은 마찬가지로 스퍼터법으로 형성한 층두께 600Å의 크롬이다. TFT상의 평탄화막(50)은 플라즈마CVD장치에 의해 형성한 막두께 1㎛의 질화실리콘막이다.
평탄화막상의 화소전극(57)은 알루미늄제로서 스루홀(55)에 의해 소오스전극과 접속하였다. 유기배향막(60)에는 폴리이미드계 유기고분자를 사용하였다. 액정층(70)에는 질소제HA-5073XX를 사용하였다. 화소전극에 있어서의 액정층의 두께의 최대값은 3. 0㎛, 전압무인가시에 있어서의 액정층의 리터데이션은 0. 25㎛로 하였다.
상층기판(80)상의 유기배향막(60)은 하측기판상의 것과 동일하다. 상하기판의 유기배향막은 배향처리방향이 서로 평행하지 않고, 프리틸트각은 5°이다. 상층기판의 공통 투명화소전극(75)는 스퍼터링에 의해 형성된 ITO(Indium-Tin-Oxide)막으로 이루어지고, 막두께는 1400Å이다. 상측기판(80)은 하측기판과 마찬가지로 무알카리의 붕규산유리제이고 상하에 산화실리콘층을 구비한다.
위상판1HP1된, 위상판2PH2에는 폴리설폰제 위상판과 폴리비닐 알콜제 위상판을 사용하였다. 위상판1, 위상판2, 액정층의 각 리터데이션의 파장분산을 도 9에 도시한다.
도 9는 실시예 1의 위상판1, 2와 액정층의 리터데이션의 파장분산을 도시한 도면이기도 하다. 도 9의 종축은 파장550nm의 값으로 나눈 비로 나타낸 리터데이션이다.
위상판1 및 위상판2의 리터데이션은 액정층의 리터데이션이 작은 값으로 되는 인가전압3. 0V에 있어서 암표시가 얻어지도록 최소 이승법을 사용해서 결정하였다. 이하, 그 방법에 대해서 설명한다.
식 8은 식 2의 파장분산과 각 파장에 있어서의 액정층, 위상판1, 위상판2의 리터데이션 합성값의 차의 2승이고, 리터데이션 합성값의 파장분산과 식 2 사이의 어긋남을 나타내고 있다.
[식 8]
Σ{△nd'(λ)-△nd"(λ)}2 ≡ S
식 8중의 △nd"(λ)는 식 5와 마찬가지로 액정층, 위상판1, 위상판2의 리터데이션 합성값이지만, 이것이 식 9와 같이 리라이트된다.
[식 9]
△nd"(λ) = △ndLC(λ)+RPH1×△ndPH1(λ)/△ndPH1(λ=550nm)
+ RPH2×△ndPH2(λ)/△ndPH2(λ=550nm)
식 9중의 RPH1, RPH2는 파장550nm에 있어서의 위상판1, 위상판2의 각 리터데이션이다. RPH1, RPH2의 부호는 위상판의 지상축방향과 관계되고, 지상축이 액정층의 배향방향과 평행한 경우에는 +, 직교하는 경우에는 -이다.
그리고, 식 8에 있어서 가시파장영역내의 5파장(450nm, 500nm, 550nm, 600nm, 650nm)에 대한 합을 구했다. 또, 다음의 2개의 식을 만족하는 RPH1, RPH2를 구하였다.
[식 10]
∂S/∂RPH1 = 0
[식 11]
△ndLC(λ=550nm)+RPH1+RPH2 = 0. 25×550nm
최종적으로, 식 10, 식 11을 만족하는 RPH1, RPH2는 즉, 식 8의 S를 최소로 하고 또한 파장550nm에 있어서 식 2를 만족하는 (일치하는) 위상판1, 위상판2와 액정층의 리터데이션 합성값을 부여하는 것이다.
구체적으로 인가전압3. 0V에 있어서의 액정층의 파장550nm에 있어서의 리터데이션은 50(nm)이고 이 값과 n=0을 대입해서 ((0. 25)λ, 즉 1/4파장), 식 8∼ 식 11을 계산한 결과 RPH1 = -331nm, RPH2 = 408nm이었다.
이것에 따라서, 위상판1, 위상판2의 각 리터데이션은 331nm, 408nm로 설정하였다. 또,위상판1, 위상판2는 각각의 지상축이 액정층의 배향방향과 각각 직교, 평행하게 되도록 설치하였다. 또, 편광판(95)는 그 흡수측이 액정배향방향에 대해서 45°를 이루도록 배치하였다.
인가전압 3. 0V에 있어서의 위상판1, 위상판2와 액정층의 리터데이션 합성값을 도 10에 도시한다.
도 10은 실시예 1에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층의 리터데이션합성값과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면이기도 하다.
도 10에 있어서, 리터데이션합성값은 파장550nm에 있어서 1/4파장으로 되고, 다른 가시파장영역(400nm∼700nm의 범위)에서 1/4파장의 리터데이션곡선에 가까운 값으로 되고 실질적으로 근사하고 있다고 할 수 있다. 이 실질적이라는 것은 제작 공차를 포함해서 충분히 우수한 시인성이 얻어지는 실용상의 범위에 있는 것을 의미하는 것이다.
실시예 1의 액정표시장치에 구동장치를 조합하고 20℃에 있어서 반사율의 인가전압 의존성을 측정한 결과를 도 11에 도시한다.
도 11은 실시예 1에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면이다.
반사율은 인가전압 3. 0V에 있어서 0. 15%이고 콘트라스트비는 100 : 1 이상이었다. 덧붙여서 말하면, 종래의 콘트라스트비는 28 : 1이다.
이상의 실시예 1에 있어서, 리터데이션의 파장분산이 서로 다른 위상판1, 2를 사용해서 위상판1, 2와 액정층의 각 리터데이션의 합성값을 전체 가시파장에 있어서 1/4의 파장에 충분히 가까운 값으로 하는 것에 의해 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어졌다.
＜실시예 2＞
실시예 2는 실시예 1의 액정표시장치와 동일한 것에 있어서 액정층의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 200nm로 하고, 위상판1, 2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 각각 322nm, 420nm로 하였다. 인가전압 3. 0V에 있어서의 위상판1, 위상판2와 액정층의 리터데이션 합성값을 도 12에 도시한다.
도 12는 실시예 2에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층과의 리터데이선 합성값과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면이다.
합성값은 파장550nm에 있어서 1/4파장으로 되고 다른 가시파장영역(400nm∼700nm의 범위)에서도 이것에 가까운 값으로 되어 실질적으로 근사하고 있다.
이 액정표시장치에 구동장치를 조합하고 20℃에 있어서 반사율의 인가전압 의존성을 측정한 결과를 도 13에 도시한다.
도 13은 실시예 2에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면이다.
반사율은 인가전압 3. 0V에 있어서 0. 14%이고, 콘트라스트비는 100 : 1이상이었다.
이상과 같이, 리터데이션의 파장분산이 서로 다른 위상판1, 2를 사용해서 위상판1, 2와 액정층의 리터데이션의 합성값을 전채 가시파장에 있어서 1/4파장에 충분히 가까운 값으로 하는 것에 의해 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어졌다.
＜실시예 3＞
실시예 2의 액정표시장치에 있어서, 액정층의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 200nm로 하고 위상판1, 2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 각각 386nm, 333nm로 하였다. 인가전압1. 0V에 있어서의 위상판1, 위상판2와 액정층의 리터데이션의 합성값을 도 14에 도시한다.
도 14는 실시예 3에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층과의 리터데이션 합성값과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면이다.
합성값은 파장550nm에 있어서 1/4파장으로 되고 다른 가시파장영역(400nm∼700nm의 범위)에서도 이것에 가까운 값으로 되어 실질적으로 근사하고 있다.
이 액정표시장치에 구동장치를 조합하고 20℃에 있어서 반사율의 인가전압 의존성을 측정한 결과를 도 15에 도시한다. 도 15는 실시예 3에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면이다. 반사율은 인가전압 1. 0V에 있어서 0. 16%이고 콘트라스트비는 100 : 1 이상이었다.
이상과 같이, 리터데이션의 파장분산이 서로 다른 위상판1, 2를 사용해서 위상판1, 2와 액정층의 리터데이션의 합성값을 전체 가시파장에 있어서 1/4파장에 충분히 가까운 값으로 하는 것에 의해 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어졌다.
또한, 실시예 3의 경우는 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션은 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션보다 크게 되어 있고, 후술하는 실시예 5, 6, 8, 9에 비해 온도변화에 따른 콘트라스트비의 저하가 보여지지만 종래기술에 비하면 문제없는 레벨이다.
＜실시예 4＞
실시예 2의 액정표시장치에 있어서 온도를 0℃∼50℃까지 변화시켜서 표시특성을 측정하였다. 그 결과를 도 16에 도시한다. 도 16은 실시예 4에 있어서의 명표시 반사율, 암표시 반사율, 콘트라스트비의 온도의존성을 도시한 도면이다. 특히, 고온측에 있어서 콘트라스트비가 저하하지만 상기 온도범위에 있어서 70 : 1 이상의 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어졌다.
＜실시예 5＞
실시예 1의 액정표시장치에 있어서 식 2중의 n이 4∼0인 경우에 대해서 RPH1과 RPH2를 구하였다. 그 결과를 표 1로 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00001
어떤 경우도 RPH1의 부호는 -이고, RPH2의 부호는 +이고, RPH2의 절대값은 RPH1의 절대값보다 크다.
따라서, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 급준한 위상판을 위상판1로 사용하고, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 평탄한 위상판을 위상판2로 사용하고, 식 2중의 n을 0 이상으로 해서 본 발명의 액정표시장치를 설계한 경우 위상판1은 지상축이 액정층 배향방향과 직교하도록 설치하고, 위상판2는 지상축이 액정층 배향방향과 평행하게 되도록 설치하고, 위상판2의 리터데이션을 위상판1보다 크게 하면 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어진다.
＜실시예 6＞
실시예 1의 액정표시장치에 있어서 식 2중의 n이 -1∼-4인 경우에 대해서 RPH1과 RPH2를 구하였다. 그 결과를 표 1로 나타낸다.
어떤 경우도 RPH1의 부호는 +이고, RPH2의 부호는 -이고, RPH2의 절대값은 RPH1의 절대값보다 크다.
따라서, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 급준한 위상판을 위상판1로 사용하고, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 평탄한 위상판을 위상판2로 사용하고, 식 2중의 n을 -1이하로 해서 본 발명의 액정표시장치를 설계한 경우, 위상판1은 지상축이 액정층 배향방향과 평행하게 되도록 설치하고, 위상판2는 지상축이 액정층 배향방향과 직교하도록 설치하고, 위상판2의 리터데이션을 위상판1보다 크게 하면 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어진다.
＜실시예 7＞
실시예 1의 액정표시장치에 있어서, 편광판을 편광빔 스플리터로 대체한 경우이다. 즉, (0. 5n)λ의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 실질적으로 근사하도록 설정하는 경우이다. 식 8중의 △nd'(λ)을 식 7에서 정의되는 리터데이션의 파장분산으로 하고 n=0 (0파장)으로 해서 RPH1과 RPH2를 구한 결과, 표 2로 나타내는 바와 같이 RPH1 = -21nm, RPH2 = -29nm이었다.
[표 2]
Figure pat00002
따라서, 위상판1, 2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 21nm, 29nm로 하고, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 급준한 위상판을 위상판1로 사용하고, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 평탄한 위상판을 위상판2로 사용하고, 식 7중의 n=0으로 하고, 모두 지상축이 액정배향방향과 직교하도록 배치하였다.
이 액정표시장치에 구동장치를 조합하고 20℃에 있어서 반사율의 인가전압 의존성을 측정한 결과, 반사율은 인가전압 3. 0V에 있어서 0. 12%이고 콘트라스트비는 100 : 1 이상이었다.
이상과 같이, 리터데이션의 파장분산이 서로 다른 위상판1, 2를 사용해서 위상판1, 2와 액정층의 리터데이션의 합성값을 전체 가시파장에 있어서 0파장에 충분히 가까운 값으로 하는 것에 의해 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어졌다.
＜실시예 8＞
실시예 7의 액정표시장치에 있어서, 식 7중의 n이 4∼1인 경우에 대해서 RPH1과 RPH2를 구하였다. 그 결과를 표 2로 나타낸다.
어떤 경우도 RPH1의 부호는 -이고, RPH2의 부호는 +이고, RPH2의 절대값은 RPH1의 절대값보다 크다.
따라서, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 급준한 위상판을 위상판1로 사용하고, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 평탄한 위상판을 위상판2로 사용하고, 식 7중의 n을 1이상으로 해서 본 발명의 액정표시장치를 설계한 경우, 위상판1은 지상축이 액정층 배향방향과 직교하도록 설치하고, 위상판2는 지상축이 액정층 배향방향과 평행하게 되도록 설치하고, 위상판2의 리터데이션을 위상판1보다 크게 하면 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어진다.
＜실시예 9＞
실시예 7의 액정표시장치에 있어서, 식 7중의 n이 -1∼-4인 경우에 대해서 RPH1과 RPH2를 구하였다. 그 결과를 표 2로 나타낸다.
어떤 경우도 RPH1의 부호는 +이고, RPH2의 부호는 -이고, RPH2의 절대값은 RPH1의 절대값보다 크다.
따라서, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 급준한 위상판을 위상판1로 사용하고, 액정층보다 리터데이션의 파장분산의 구배가 평탄한 위상판을 위상판2로 사용하고, 식 7중의 n을 -1 이하로 해서 본 발명의 액정표시장치를 설계한 경우, 위상판1은 지상축이 액정층 배향방향과 평행하게 되도록 설치하고, 위상판2는 지상축이 액정층 배향방향과 직교하도록 설치하고, 위상판2의 리터데이션을 위상판1보다 크게 하면 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어진다.
＜비교예＞
실시예 2의 액정표시장치에 있어서 위상판2를 제외하고, 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션을 174nm로 하였다. 인가전압 3. 0V에 있어서의 위상판1과 액정층의 리터데이션 합성값을 도 17에 도시한다. 합성값은 파장550nm에서는 1/4파장으로 되어 있지만, 다른 가시파장영역에서는 1/4파장에서 크게 떨어져 있다.
이 액정표시장치에 구동장치를 조합하고 20℃에 있어서 반사율의 인가전압 의존성을 측정한 결과를 도 18에 도시한다. 반사율은 인가전압 3. 0V에 있어서 1. 05%이고 콘트라스트비는 28 : 1이었다.
이상과 같이 위상판이 1개이어서는 리터데이션의 합성값을 전체 가시파장에 있어서 1/4파장에 충분히 가까운 값으로 할 수 없고 높은 콘트라스트비의 표시도 얻을 수 없었다.
다음에, 투사형 액정표시장치에 사용하는 액정표시소자, 특히 복굴절모드를 사용한 반사판 내장형 액정표시소자의 리터데이션 파장분산제어에 대해서 설명한다.
우선, 먼저 종래의 투사형 액정표시장치가 낮은 콘트라스트로 표시가 착색하는 이유에 대해서 고찰한다. 투사형 액정표시장치에서는 편광빔 스플리터를 사용해서 광원광에서 투과성분(직선편광)을 선택하지만, 이 경우 파장λ의 광의 반사율R(λ)는 다음 식으로 나타내어진다.
[식 12]
R(λ) = 0. 25(1-cos(δ(λ)))
액정층과 위상판의 리터데이션의 합성값을 △ndto(λ)로 하면, δ(λ)는 다음 식으로 나타내어진다.
[식 13]
δ(λ) = 2π×2△ndto(λ)/λ
식 13에 있어서, △ndto(λ)의 앞의 2는 광이 반사판에 의해 반사되어 위상판과 액정층을 2회 통과하는 것을 의미한다. R(λ) = 0으로 해서 높은 콘트라스트를 얻기 위해서는 전체 가시파장영역에서 다음 식이 성립해야만 한다.
[식 14]
△ndto(λ) = 0. 5n λ
여기에서, n은 정수이다. n = -2, -1, 0, 1, 2인 경우에 대해서 식 14를 계산하면, 도 20과 같이 어떠한 n의 경우도 식 14는 직선이고, n ≥ 0인 경우 파장과 함께 단조증가한다. n < 0인 경우에는 파장과 함께 단조감소한다. 이것에 대해서, 위상판이나 액정층의 리터데이션은 도 20과는 전혀 다르고 도 21에 도시한 바와 같이 아래로 블록한 곡선이고 파장과 함께 단조감소한다.
n = 0인 경우를 예로 해서 위상판과 액정층의 리터데이션과 적층방법을 최적화하고 △ndto(λ)를 전체 가시파장영역에서 식 14에 근사시키는 것을 시도해 본다. 식 15는 액정층과 위상판 1개의 △ndto(λ), 식 16은 액정층과 위상판 2개의 △ndto(λ)이다.
[식 15]
△ndto(λ) = △ndLc(λ) ± △ndPH(λ)
[식 16]
△ndto(λ) = △ndLc(λ) ± △ndPH1(λ) ± △ndPH2(λ)
△ndLC(λ)는 액정층의 리터데이션이고, △ndPH(λ), △ndPH1(λ), △ndPH2(λ)는 위상판의 리터데이션이다. 또, 식 15, 식 16중의 복호는 동일순이 아니고 위상판의 지상축이 액정배향방향과 평행한 경우에 +, 직교하는 경우에 -이다. 액정층과 위상판1개의 △ndto(λ)의 1예를 도 22에 도시한다. 또한, △ndLC(λ)와 △ndPH(λ)는 △ndto(λ)가 파장 550nm으로 식 14와 일치하도록 결정하였다. 파장과 함께 단조증가하는 리터데이션이 얻어지지만 식 14에 가까운 값으로 되는 것은 파장 550nm 부근 뿐이다. 액정층과 위상판 1개의 △ndto(λ)의 1예를 도 23에 도시한다. 파장 550nm에서 일치하는 점근선으로 되지만, 식 14에 가까운 값으로 되는 것은 역시 파장 550nm 부근 뿐이다.
식 16의 리터데이션 파장분산에 의해 얻어지는 암표시의 반사스펙트럼을 도 24에 도시한다. 식 14에 가까운 값으로 되는 파장 550nm부근에서는 반사율이 충분히 저하하지만, 이것 이외에서는 충분히 저하하지 않는다. 따라서, 높은 콘트라스트가 얻어지지 않는다. 또, 흑표시의 반사스팩트럼은 평탄하지 않으므로, 흑표시는 착색한다. 표시색은 색도좌표상에서 연속적으로 변화하므로, 흑표시 부근의 회색표시도 착색한다. 위상판, 편광판 단일체의 리터데이션 파장분산은 항상 아래로 블록한 곡선이므로, 위상판의 갯수를 3개 이상으로 해도 리터데이션 파장분산은 위로 블록한 곡선으로밖에 되지 않고, 결과는 2개의 경우와 동일하다. 이상과 같이 종래의 투사형 액정표시장치의 낮은 콘트라스트와 표시의 착색은 암표시에 필요로 되는 리터데이션 파장분산을 전체 가시영역에 걸쳐서 실현하는 것이 원리적으로 불가능하기 때문에 발생한다.
그래서, R, G, B 각색을 각각의 액정표시소자로 표시하고, 이들을 광학적으로 서로 합쳐서 컬러표시로 한다. 각 액정표시소자를 투과하는 광의 파장영역은 각각 다르고, 파장영역의 폭도 가시파장전역의 약 1/3로 좁아진다. 따라서, 각 액정표시소자의 위상판의 리터데이션을 다른 값으로 설정하고, 각색의 중심파장에서 식 14가 성립하도록 한다. 이때의 리터데이션의 합성값은 도 19에 도시한 바와 같이 다른 파장(R, G, B각색의 파장)에서 0. 5 λ에 근접하는 3개의 리터데이션의 중복으로 된다. 흑표시의 반사율이 전체 가시파장에 걸쳐서 저하하므로 높은 콘트라스트가 얻어진다. 이 때 얻어자는 반사스펙트럼은 도 25에 도시한 바와 같이 리터데이션이 0. 5λ에 근접하는 3개의 파장에서 극소하게 되므로, 전체 가시파장에 걸쳐서 대략 평탄하다. 이 때문에, 흑표시는 무착색으로 되고 흑표시 부근의 회색표시도 대략 무착색으로 된다.
이하, 본 발명의 투사형 액정표시장치의 실시예를 사용해서 구체적으로 설명한다.
＜실시예 10＞
본 발명의 투사형 액정표시장치에 있어서의 광원과 광학계와 액정표시소자의 배치를 도 8에 도시한다. 광원LS는 금속 할로겐 램프이고 광원 광을 집광렌즈군CL을 사용해서 다이크로익미러DC1로 안내한다. 광원 광을 다이크로익미러DC에 의해 R, G, B의 3색으로 분광하고 편광빔 스플리터PLS를 통해서 각각 다른 액정표시소자LCR, LCG, LCB로 안내한다. 액정표시소자LCR, LCG, LCB로 입사하는 광의 파장범위는 각각 600nm∼700nm, 500∼600nm, 400∼500nm 이다. 액정표시소자LCR, LCG, LCB의 반사광의 다이크로익미러DC2로 합성해서 컬러표시로 하고, 투사렌즈군PL을 사용해서 스크린(SL)로 투사한다.
액정표시소자LCR, LCG, LCB의 구성은 후술하는 위상판1, 2를 제외하고 동일하다. 액정표시소자의 단면도를 도 27에 도시한다. 화소는 화소전극AL로 이루어지고 반사판을 겸한다. 화소전극AL은 관통구멍에 의해 배선층LI와 MOS에 접속되어 있고 화소전극AL 상에는 배향막OL이 형성되어 있다. 상측 기판은 투명전극LI와 배향막OL을 구비하고 있고, 상측기판의 위쪽에는 위상판1과 위상판2가 적층되어 있다.
액정층에는 불소계 네마틱액정재료를 사용하였다. 그 20℃에 있어서의 복굴절은 0. 083이다. 액정층두께는 2. 4㎛로 하고 전압을 인가하지 않을 때의 액정층의 리터데이션을 200nm로 하였다. 액정층의 배향은 균일배향으로 하고 프리틸트각은 4°로 하였다.
위상판1, 위상판2에는 폴리비닐 알콜위상판, 폰리설폰 위상판을 각각 사용하였다. 폴리비닐 알콜 위상판, 폴리설폰 위상판, 액정재료 불소계 네마틱 액정재료의 리터데이션의 파장분산을 도 21에 도시한다. 도 21의 종축은 파장550nm의 값으로 규격화한 리터데이션이고 모두 아래로 볼록한 곡선이고 파장의 증대와 함께 단조감소한다.
LCR, LCG, LCB에 적층하는 위상판1, 위상판2의 리터데이션을 이하에 설명하는 바와 같이 결정하였다. 우선, LCR에서는 파장650nm, LCG에서는 파장550nm, LCB에서는 파장450nm를 기준으로 하였다. 이들의 파장은 각각의 액정표시소자에 입사하는 광의 파장범위의 중심파장이다. 또, 암표시의 전압을 3V로 하였다. 3V인가시의 액정층의 리터데이션은 LCR에서 38nm, LCG에서 40nm, LCB에서 42nm이다.
LCR에 대해서 식 17이 최소로 되도록 위상판1, 위상판2의 리터데이션을 결정하였다.
[식 17]
Σ (0. 5λ - △ndto(λ))2
[식 18]
△ndto(λ) = △ndLC(λ) ± RPH1△ndPH1'(λ)
±RPH2△ndPH2'(λ)
식 17중의 0. 5λ는 암표시를 얻기 위한 조건의 하나로서 식 14에서 n = 1로 한 경우에 상당한다. 식 18중에서 RPH1과 RPH2가 여기에서 구하는 위상판1, 위상판2의 리터데이션이다. △ndPH1'(λ), △ndPH2'(λ)는 파장650nm로 규격화한 위상판1, 위상판2의 리터데이션이다. △ndLC(λ)는 파장에 있어서의 액정층의 리터데이션이고, 상술한 바와 같이 파장650nm에 있어서 38nm이다. 식 17은 파장600nm, 610nm, 620nm, 630nm, 640nm, 650nm, 660nm, 670nm, 680nm, 690nm, 700nm에 있어서의 값의 합을 구했다. 그 결과, RPH1 = 1233nm, RPH2 = -946nm이 얻어졌다.
RPH1의 부호는 정이므로, 위상판1은 지상축이 액정배향방향과 평행하게 되도록 적층하였다. 또, RPH2의 부호는 부이므로, 위상판2는 지상축이 액정배향 방향과 직교하도록 적층하였다.
마찬가지로, LCG, LCB에 적층하는 위상판1, 위상판2의 리터데이션을 결정하였다. LCG에서는 △ndPH1'(λ), △ndPH2'(λ)를 파장550nm으로 규격화한 리터데이션으로 하고, 식 17은 파장500nm, 510nm, 520nm, 530nm, 540nm, 550nm, 560nm, 570nm, 580nm, 590nm, 600nm에 있어서의 값의 합을 구하였다. 그 결과, RPH1 = 862nm, RPH2 = -627nm가 얻어졌다. LCB에서는 △ndPH1'(λ), △ndPH2'(λ)를 파장450nm로 규격화한 리터데이션으로 하고, 식 17은 파장400nm, 410nm, 420nm, 430nm, 440nm, 450nm, 460nm, 470nm, 480nm, 490nm, 500nm에 있어서의 값의 합을 구하였다. 그 결과, RPH1 = 554nm, RPH2 = -371nm가 얻어졌다. LCG, LCB의 RPH1, RPH2의 부호는 LCR과 동일하므로 LCG, LCB의 위상판1, 위상판2의 적층방법은 LCR과 동일하게 하였다.
LCR, LCG, LCB의 암표시(3V인가시)에 있어서의 액정층, 위상판1, 위상판2의 리터데이션 합성값을 도 28에 도시한다. LCR, LCG, LCB에는 각각 600nm∼700nm, 500nm∼600nm, 400nm∼500nm의 파장범위의 광이 주로 입사하므로, 도 28에서는 600nm∼700nm의 파장범위에 LCR의 값을, 500nm∼600nm의 파장범위에 LCG의 값을, 400nm∼500nm의 파장범위에 LCB의 값을 각각 기록하였다. 리터데이션 합성값은 3개의 파장(650nm, 550nm, 450nm)에서 0. 5λ에 근접하므로, 400nm∼700nm의 파장범위에 걸쳐서 0. 5λ에 가까운 값으로 되어 있다.
이상과 같이 해서 작성한 LCR, LCG, LCB를 투사형 표시장치로 조립하고, 표시특성을 평가하였다. 외광의 영향을 제거하기 위해, 측정은 암실내에서 실행하였다. LCR, LCG, LCB에는 동일한 전압을 인가하고, 2m 떨어진 스크린 상에 표시를 투사하여 그 휘도와 색상을 측정하였다. 스크린휘도의 인가전압 의존성을 도 29에 도시한다. 인가전압3. 0V에 있어서 최저값 1. 9cd/m2, 인가전압1. 2V에 있어서 최고값250cd/m2이 얻어졌다. 콘트라스트비는 130 : 1이었다. 색상의 인가전압 의존성을 UCS색도 좌표계로 나타낸 것을 도 30에 도시한다. 스크린휘도의 최대값과 최소값 사이에서 표시의 색상은 C광원의 부근에 분포하고 대략 무채색이었다. 가장 잘 착색된 경우라도 C광원으로 부터의 거리는 0. 03이었다.
이상과 같이, 3개의 액정표시소자의 위상판의 리터데이션을 입사하는 광의 파장에 맞추어서 각각 다른 값으로 설정하는 것에 의해 높은 콘트라스트이고 또한 무채색인 표시를 실현할 수 있었다.
＜실시예 11＞
실시예 10의 투사형 표시장치에 있어서 암표시의 전압을 1V로 해서 위상판의 리터데이션을 새로 설정하였다.
1V 인가시의 액정층의 리터데이션은 LCR에서 189nm, LCG에서 195nm, LCB에서 205nm이다. 식 17중의 △ndLC(λ)를 파장650nm에 있어서 189nm로 하고, △ndPH1'(λ), △ndPH2'(λ)를 LCG에서는 파장650nm로 규격화한 리터데이션으로 하고 LCR의 RPH1과 RPH2를 구하였다. 마찬가지로 해서, LCG, LCB에 적층하는 위상판1, 위상판2의 리터데이션을 결정하였다. 그 결과, LCR에서는 RPH1 = 1137nm, RPH2 = -996nm, LCG에서는 RPH1 = 776nm, RPH2 = -691nm, LCB에서는 RPH1 = 465nm, RPH2 = -440nm으로 하였다.
이상과 같이 해서 작성한 LCR, LCG, LCB를 투사형 표시장치에 조립하고 표시특성을 평가하였다. 인가전압1. 0V에 있어서 최저값2. 1cd/m2, 인가전압2. 3V에 있어서 최고값255cd/m2가 얻어졌다. 콘트라스트비는 121 : 1이었다. 또, 스크린휘도의 최대값과 최소값 사이에서 표시의 색상은 C광원의 부근에 분포하고 대략 무채색이었다. 가장 잘 착색된 경우라도 C광원으로 부터의 거리는 0. 03이었다.
이상과 같이, 3개의 액정표시소자의 위상판의 리터데이션을 입사하는 광의 파장에 맞추어서 각각 다른 값으로 설정하는 것에 의해, 높은 콘트라스트이고 또한 무채색인 표시를 실현할 수 있었다.
＜실시예 12＞
실시예 10의 투사형 표시장치에 있어서 식 17을 다음 식과 같이 변경해서 위상판1, 2의 리터데이션을 구하였다.
[식 19]
Σ (-0.5λ - △ndto(λ))2
식 19중의 -0. 5λ는 식 14에 있어서 n = -1로 한 경우에 상당한다. LCR에서는 RPH1 = -1283nm, RPH2 = 920nm, LCG에서는 RPH1 = -908nm, RPH2 = 593nm, LCB에서는 RPH1 = -601nm, RPH2 = 334nm로 하였다.
LCR, LCG, LCB 중의 어느 것에 있어서도 RPH1의 부호는 부이고, RPH2의 부호는 정이었다. 그 때문에, LCR, LCG, LCB 중의 어느 것에 있어서도 위상판(1)은 지상축이 액정배향방향과 직교하도록 적층하고, 위상판2는 지상축이 액정배향방향과 평행하게 되도록 적층하였다.
이상과 같이 해서 작성한 LCR, LCG, LCB를 투사형 표시장치에 조립하고 표시특성을 평가하였다. 인가전압3. 0V에 있어서 최저값2. 0cd/m2, 인가전압1, 3V에 있어서 최고값249cd/m2이 얻어졌다. 콘트라스트비는 125 : 1이었다. 또, 스크린휘도의 최대값과 최소값 사이에서 표시의 색상은 C광원의 부근에 분포하고 대략 무채색이었다. 가장 잘 착색한 경우라도 C광원으로 부터의 거리는 0. 03이었다.
이상과 같이 3개의 액정표시소자의 위상판의 리터데이션을 입사하는 광의 파장에 맞추어서 각각 다른 값으로 설정하는 것에 의해 높은 콘트라스트이고 또한 무채색인 표시를 실현할 수 있었다.
＜비교예＞
실시예 1의 투사형 표시장치에 있어서 LCR과 LCB의 위상판1, 2의 리터데이션을 LCG와 동일하게 하였다. 즉, 투사형 표시장치에 사용하는 모든 액정표시소자에 있어서 위상판의 리터데이션을 동일하게 하였다.
암표시에 있어서의 리터데이션의 합성값을 도 33에 도시한다. 파장550nm 부근에서는 0. 5λ에 가까운 값으로 되어 있지만, 가시파장의 양단에서는 크게 떨어져 있다.
스크린제도의 인가전압 의존성을 도 13에 도시한다. 인가전압3. 0V에 있어서 최저값5. 2cd/m2, 인가전압1. 2V에 있어서 최고값240cd/m2이 얻어졌다. 콘트라스트비는 46 : 1이었다. 색상의 인가전압 의존성을 UCS색도 좌표계로 나타낸 것을 도 14에 도시한다. 스크린휘도의 최대값과 최소값 사이에서 표시의 색상은 일단 C광원에 근접하지만, 최소값에서는 크게 떨어졌다. 반사율의 최소값에 있어서의 C광원으로 부터의 거리는 0. 08이고 암표시와 저휘도측의 회색은 보라색으로 착색하였다.
이상과 같이 입사하는 광의 파장을 고려하지 않고 3개의 액정표시소자의 위상판의 리터데이션을 동일한 값으로 설정하면, 리터데이션의 합성값은 가시파장영역의 1점에서밖에 식 14의 조건에 맞지 않는다. 그 때문에, 특히 가시파장영역의 양단에서는 암표시라도 광이 투과하고 암표시는 보라색으로 착색한다. 그 결과, 콘트라스트비가 저하하고 암표시와 저휘도측의 회색이 착색하였다.
본 발명에 의하면, 액정층과 위상판1, 2의 리터데이션 합성값이 전체 가시파장영역에 걸쳐서 1/4파장에 가까운 값으로 되고 높은 콘트라스트비의 표시가 얻어지므로, 높은 콘트라스트비로 고개구율의 반사형 액정표시장치가 얻어진다.
또, 본 발명에서는 액정층은 균일(homogeneous)배향을 갖는 층구조로 했지만, 비틀림을 갖는 층구조로 해도 편광판에 근접하는 측의 액정층 배향방향을 기준으로 해서 위상판 지상축, 편광판 투과축을 결정하는 것에 의해 마찬가지의 효과가 얻어진다.
또, 위상판과 편광판은 유기고분자막에 한정되지 않고 무기재료로 이루어지는 위상판, 편광판을 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또, 활성소자로 폴리실리콘TFT나 MOS를 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
또, 높은 콘트라스트비이고 무착색인 표시가 가능한 투사형 액정표시장치가 얻어진다. 또, 액정층의 층구조를 균일배향으로 했지만, 이것에 한정하지 않고 비틀림을 갖는 층구조로 하더라도 편광판에 근접하는 측의 액정배향방향을 기준으로 해서 위상판 지상축, 평광판 투과축을 결정하는 것에 의해 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또, 위상판과 편광판은 유기고분자막에 한정되지 않고 무기재료에서 위상판, 편광판을 사용해도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명에 의한 1실시예의 액정표시장치의 화소구조를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 액정표시장치 중 투과광의 편광상태에 관한 구성요소를 도시한 도면,
도 3은 도 2와 광학적으로 등가인 광학계를 도시한 도면,
도 4는 2개의 투명 복굴절 매체인 경우의 리터데이션의 합성에 대해서 설명하는 도면,
도 5는 도 4의 경우의 리터데이션합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 비교해서 설명하는 도면,
도 6은 본 발명에 의한 1실시예의 액정층의 리터데이션의 인가전압 의존성을 도시한 도면,
도 7은 도 1의 액정표시장치의 A-A' 로 절단한 화소구조를 도시한 단면도,
도 8은 도 1의 액정표시장치의 B-B' 로 절단한 화소구조를 도시한 단면도,
도 9는 본 발명에 의한 1실시예의 위상판1, 2와 액정층의 각 리터데이션의 파장분산을 도시한 도면,
도 10은 도 9에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층의 러터데이션합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면,
도 11은 실시예 1에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면,
도 12는 실시예 2에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층의 리터데이션합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면,
도 13은 실시예 2에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면,
도 14는 실시예 3에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시와의 액정층의 리터데이션합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면,
도 15는 실시예 3에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면,
도 16은 실시예 4에 있어서의 명표시 반사율, 암표시 반사율, 콘트라스트 비의 온도의존성을 도시한 도면,
도 17은 비교예에 있어서의 위상판1, 2와 암표시시의 액정층의 리터데이션합성값의 파장분산과 1/4파장의 리터데이션곡선을 도시한 도면,
도 18은 비교예에 있어서의 반사율의 인가전압 의존성을 도시한 도면,
도 19는 본 발명의 투사형 액정표시장치의 3개의 액정표시소자의 리터데이션 파장분산을 도시한 특성도,
도 20은 본 발명의 투사형 액정표시장치의 반사율을 전체 가시파장영역에 걸쳐서 저감하는 리터데이션 파장분산의 몇가지 예를 도시한 특성도,
도 21은 위상판, 액정층 단일체의 리터데이션 파장분산을 도시한 특성도,
도 22는 위상판 1개와 액정층의 리터데이션을 합성해서 얻어지는 리터데이션 파장분산의 1예를 도시한 특성도,
도 23은 위상판 2개와 액정층의 리터데이션을 합성해서 얻어지는 리터데이션 파장분산의 1예를 도시한 특성도,
도 24는 종래의 투사형 액정표시장치의 흑표시의 반사스펙트럼을 도시한 특성도,
도 25는 본 발명의 투사형 액정표시장치의 흑표시의 반사스펙트럼을 도시한 특성도,
도 26은 본 발명의 투사형 액정표시장치의 광원, 광학계 및 액정표시소자의 배치를 도시한 설명도,
도 27은 본 발명의 투사형 액정표시장치에 사용되는 액정표시소자의 단면도,
도 28은 본 발명의 실시예의 투사형 액정표시장치의 암표시에 있어서의 리터데이션 합성값을 도시한 특성도,
도 29는 본 발명의 실시예의 투사형 액정표시장치의 표면휘도의 인가전압 의존성을 도시한 특성도,
도 30은 본 발명의 실시예의 투사형 액정표시장치의 색상의 인가전압 의존성을 도시한 특성도,
도 31은 비교예 1의 투사형 액정표시장치의 표면휘도의 인가전압 의존성을 도시한 특성도,
도 32는 비교예 1의 투사형 액정표시장치의 색상의 인가전압 의존성을 도시한 특성도,
도 33은 비교예 1의 투사형 액정표시장치의 암표시에 있어서의 리터데이션 합성값을 도시한 특성도.

Claims (8)

  1. 투과광의 진행방향으로 편광판, 2개의 위상판, 상측기판, 액정층, 구동장치 및 반사판을 겸한 하측기판이 순차 적층되고 또한 상기 편광판의 흡수축방향과 상기 액정층의 상기 편광판에 인접하는 측의 배향방향이 평행하지 않은 관계에 있는 액정표시장치로서,
    각각 위상판1, 2로 하는 상기 2개의 위상판은 상기 투과광의 파장400(nm)∼700(nm)의 범위에 있어서의 상기 액정층과 조합한 리터데이션 합성값의 파장분산이 (0.25+0.5n)λ(단, n은 정수, λ는 투과광의 파장(nm)이다)의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 실질적으로 근사하도록 설정되어 있는 각각의 리터데이션의 파장분산을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  2. 투과광의 진행방향으로 편광수단, 2개의 위상판, 상측기판, 액정층, 구동장치 및 반사판을 겸한 하측기판이 순차 적층되고 또한 상기 편광수달의 흡수축방향과 상기 액정층의 상기 편광수단에 인접하는 측의 배향방향이 평행하지 않은 관계에 있는 액정표시장치로서,
    상기 편광수단은 상기 투과광의 통과방향이 변경되면 상기 편광수단의 투과편광성분의 진동방향이 90°회전하는 형태의 편광판이고,
    각각 위상판1, 2로 하는 상기 2개의 위상판은 상기 투과광의 파장400(nm)∼700(nm)의 범위에 있어서의 상기 액정층과 조합한 리터데이션 합성값의 파장분산이 (0.5n)λ(단, n은 정수, λ는 투과광의 파장(nm)이다)의 관계식으로 나타내여지는 리터데이션곡선과 실질적으로 근사하도록 설정되어 있는 각각의 리터데이션의 파장분산을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  3. 제1항에 있어서,
    n이 0이상이고,
    상기 위상판1의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 급준하고, 상기 위상판2의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 익정층의 그것보다 평탄하고,
    또한, 상기 위상판1은 상기 위상판1의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 직교하게 되도록 배치되어 있고, 상기 위상판2는 상기 위상판2의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 평행하게 되도록 배치되어 있고,
    또한, 상기 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션은 상기 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션보다 큰 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  4. 제2항에 있어서,
    n이 1이상이고,
    상기 위상판1의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 급준하고, 상기 위상판2의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 평탄하고,
    또한, 상기 위상판1은 상기 위상판1의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 직교하게 되도록 배치되어 있고, 상기 위상판2는 상기 위상판2의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 평행하게 되도록 배치되어 있고,
    또한, 상기 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션온 상기 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션보다 큰 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  5. 제2항에 있어서,
    n은 0이고,
    상기 위상판1의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 급준하고, 상기 위상판2의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 평탄하고,
    또한,상기 위상판1과 상기 위상판2는 모두 상기 위상판의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 직교하게 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  6. 제1항에 있어서,
    n은 0보다 작고,
    상기 위상판1의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 급준하고, 상기 위상판2의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 평탄하고,
    또한, 상기 위상판1은 상기 위상판1의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 평행하게 되도록 배치되어 있고, 상기 위상판2는 상기 위상판2의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 직교하게 되도록 배치되어 있고,
    또한, 상기 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션은 상기 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션보다 큰 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  7. 편광판, 위상판, 액정층 및 반사판을 병설해서 상기 반사판에서 투과광을 반사시키는 투사광학계를 갖는 액정표시장치에 있어서,
    상기 위상판은 상기 위상판의 리터데이션과 상기 리터데이션의 파장분산의 구배를 자유롭게 설정할 수 있는 위상판1, 2로 이루어지고,
    상기 위상판1의 상기 구배는 상기 액정층의 상기 구배보다 크계 설정하고, 상기 위상판2의 상기 구배는 상기 액정층의 상기 구배보다 작게 설정해서, 상기 액정층과 상기 위상판1, 2의 3자를 조합한 상기 투사광학계에 있어서의 리터레이션 합성값의 파장분산을
    (0.25+0.5n)λ(단, n은 정수, λ는 투과광의 파장(nm)이다)의 관계식으로 나타내어지는 리터데이션곡선에 점근시진 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
  8. 제2항에 있어서,
    n은 0보다 작고,
    상기 위상판1의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 급준하고, 상기 위상판2의 리터데이션의 파장분산의 구배는 상기 액정층의 그것보다 평탄하고,
    또한, 상기 위상판1은 상기 위상판1의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 평행하게 되도록 배치되어 있고, 상기 위상판2는 상기 위상판2의 지상축이 상기 액정층의 배향방향과 직교하게 되도록 배치되어 있고,
    또한, 상기 위상판2의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션은 상기 위상판1의 파장550(nm)에 있어서의 리터데이션보다 큰 것을 특징으로 하는 액정표시장치.
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