JP2003149682A

JP2003149682A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP2003149682A
Application number: JP2001351769A
Authority: JP
Inventors: Naoki Hiji; 直樹氷治; Shigeru Yamamoto; 滋山本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-05-21
Also published as: US20030095228A1; US7042536B2

Abstract

(57)【要約】【課題】白黒表示が可能であって、しかも無電源で長時
間にわたり画像を保存することが可能な液晶表示素子の
提供を目的とする。【解決手段】コレステリック液晶からなる液晶層と、光
を円偏光する円偏光板とを積層してなる液晶表示素子で
あって、液晶層は、液晶層の厚さをｄ、コレステリック
液晶の螺旋ピッチをｐとしたときに、ｄ／ｐ＞１．５な
る関係を有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＯＡ機器等に用い
られる液晶表示素子に関し、特に外光を利用して表示を
行う反射型液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報技術の進展と環境問題への意
識の高揚にともなって、低消費電力で視認性のよい表示
装置の開発要請が強まっている。コレステリック液晶を
用いた反射型液晶表示素子は、外光のみによる表示が可
能なためバックライト用電力を不要とし消費電力の低減
化が可能となり、携帯用途の情報機器等のディスプレイ
用として好適であり期待が寄せられている。殊に、メモ
リー性液晶を用いた反射型液晶表示素子は、書き換え時
に必要となる駆動電力を除けば、一旦書き込んだ表示
は、電源なしで維持することができるため、リフレッシ
ュ用電力が不要となり、その分さらに消費電力を低減化
することが可能となる。他方、非メモリー性液晶を用い
た反射型液晶表示素子は、単純マトリクス駆動する場合
には、画素間のクロストークが問題となるため走査電極
数の制限があり、その制限を回避するために薄膜トラン
ジスタ、薄膜ダイオード、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓ
ｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）素子などの能動素子を用い
ると、リフレッシュ用電力消費に加えて、それらの能動
素子を用いることによるコストアップの問題がある。こ
れに対し、メモリー性液晶表示素子は、クロストークが
問題とならないので、能動素子使用によるコストアップ
の問題もなく、表示容量が大きい液晶表示素子を低コス
トで製造できるという利点もある。

【０００３】このようなメモリー性液晶表示素子の一方
式として、ＢｉｓｔａｂｌｅＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍ
ａｔｉｃ（ＢＴＮ）方式が知られている。

【０００４】特開平１１−３４４７３０号公報には、こ
の方式を利用した反射型液晶表示装置が開示されてい
る。

【０００５】図１は、ＢＴＮ型液晶表示素子の断面構造
を示す図である。

【０００６】図１に示す液晶表示素子１１は、平面状の
液晶層３と、その液晶層３の表面側および裏面側からそ
の液晶層３を挟持する、基板１ａ上に形成された透明な
表面電極２ａおよび基板１ｂ上に形成された、光を反射
する裏面電極２ｂとを備え、表面電極２ａと液晶層３お
よび、裏面電極２ｂと液晶層３との間には相互にアンチ
パラレル配向するようにラビング処理された配向膜４ａ
および配向膜４ｂが積層されている。また、基板１ａの
表面側には、１／４波長板と直線偏光子とからなる円偏
光板５が設けられ、表面電極２ａと裏面電極２ｂとの間
には電源２０が接続され、表面電極２ａと裏面電極２ｂ
との間には電源２０から所定の電圧が印加される。

【０００７】液晶層３は、螺旋構造を有するコレステリ
ック液晶からなり、液晶層３の厚みｄの、螺旋ピッチｐ
に対する比ｄ／ｐが０．５に設定され、液晶の初期配向
としては、１８０°ねじれ配向が安定であるが、電源２
０から一旦高電圧が印加されて、液晶分子の長軸が基板
１ａ，１ｂに対して垂直となる方向に配向させるリセッ
トを行なった後、電源２０から所定のセレクト電圧を与
えると、セレクト電圧の値に応じて、双安定な０°ねじ
れ配向状態Ａと３６０°ねじれ配向状態Ｂとが出現す
る。この２つの配向状態Ａ，Ｂを利用して表示を行うこ
とができる。

【０００８】セレクト電圧が閾値電圧より低い場合に
は、バックフロー効果によって複屈折効果を有しない３
６０°ねじれ配向状態Ｂに遷移するが、セレクト電圧が
閾値電圧より高い場合には、複屈折効果を有する０°ね
じれ状態Ａに遷移する。

【０００９】３６０°ねじれ配向状態Ｂでは、液晶層３
の厚みｄと複屈折との積（リタデーション）を光の波長
より小さく設定すればモーガン条件が満たされないの
で、光学的に等方状態として扱うことができる。したが
って、外部からの入射光Ｉは円偏光板５を透過した円偏
光Ｃ１となり、反射電極２ｂで鏡像反転して逆回転の円
偏光Ｃ２となるため、反射電極２ｂでの反射光Ｃ２は円
偏光板５で吸収され暗表示となる。一方、０°ねじれ配
向状態Ａでは、液晶層３のリタデーションが１／４波長
であれば、外部からの入射光Ｉは円偏光板５を透過した
円偏光Ｃ１となり、液晶層を通過すると直線偏光Ｓとな
り、反射電極２ｂで反射したその直線偏光Ｓは再び液晶
層を通過すると円偏光Ｃ１となり、円偏光板を通過し明
表示となる。

【００１０】しかしながら、ＢＴＮ方式で利用される双
安定状態は、数百ｍｓ程度であるため、無電源で長時間
にわたる画像保存ができないという難点がある。

【００１１】一方、メモリー性液晶表示素子の他の方式
として、コレステリック液晶の選択反射を用いる方式も
知られている。

【００１２】図２は、選択反射機能を有する液晶素子の
断面構造を示す図である。

【００１３】図２に示す液晶表示素子１２は、コレステ
リック液晶よりなる液晶層３と、その液晶層３の表面側
および裏面側からその液晶層３を挟持する、基板１ａ上
に形成された透明な表面電極２ａおよび基板１ｂ上に形
成された透明な裏面電極２ｂと、基板１ｂの裏面側に
は、光を吸収する光吸収層７とを備えている。また、電
極２ａと液晶層３との間には配向膜４ａ、電極２ｂと液
晶層３との間には配向膜４ｂをそれぞれ備えており、表
面電極２ａと裏面電極２ｂとの間には電源２０が接続さ
れ、表面電極２ａと裏面電極２ｂとの間には電源２０か
ら所定の電圧が印加される。

【００１４】ここで、この液晶表示素子１２における配
向膜４ａ、４ｂは、表示の均一性、明表示時の反射率、
コントラストの改善のため設けられる。配向膜４ａと配
向膜４ｂの双方にラビング等による一軸配向処理を行な
った配向膜を用いると、液晶層３によるメモリー性が損
なわれたり、コントラストが低下するため、通常一軸配
向処理を行なった配向膜を液晶層３の両面に使用するこ
とはない。

【００１５】液晶の螺旋ピッチは、ＢＴＮ方式の場合に
は数μｍから数十μｍであるのに対して、選択反射方式
の場合は０．２μｍから０．５μｍとし、液晶層の厚み
ｄの螺旋ピッチｐに対する比ｄ／ｐを、５から２０程度
とする必要がある。ｄ／ｐが、これより小さくなると明
表示時の反射率が低下し、これより大きくなると駆動電
圧を高くする必要があるので駆動回路に要するコストが
著しく高くなる。

【００１６】コレステリック液晶は、螺旋ピッチｐと等
しい波長で、螺旋と同じ回転方向を有する円偏光をブラ
ック反射する、選択反射と呼ばれる性質を持つ。したが
って、螺旋ピッチｐを可視波長域内の特定波長と等しく
すれば、その特定波長と同じ色の光を反射する。

【００１７】図において、このコレステリック液晶は、
螺旋軸が基板の法線とほぼ平行なプレーナ配向（Ｐ配
向）Ｐと、螺旋軸が基板の法線と垂直なフォーカルコニ
ック配向（Ｆ配向）Ｆとが双安定状態をなす。Ｐ配向で
は液晶層３に入射した光Ｉは、選択反射して呈色する
が、Ｆ配向では入射した光Ｉを透過するので、基板１ｂ
の裏面側の光吸収層７が黒色を吸収すれば黒色を表示す
る。この場合、Ｐ配向とＦ配向とのスイッチングは、ま
ず、電源２０から高電圧を印加して液晶分子が基板に垂
直に配向するようにリセットし、その後所定のセレクト
電圧を印加する。すると印加したセレクト電圧に応じ
て、Ｐ配向またはＦ配向に遷移する。

【００１８】このスイッチング手順は図１に示したＢＴ
Ｎ方式の場合と類似しているが、機構が異なっている。

【００１９】セレクト電圧が所定の閾値電圧より低い場
合には、高電圧印加による垂直配向状態とはトポロジカ
ルに連続なＰ配向に遷移する。このＰ配向への遷移は、
液晶層３と配向膜４ａ、４ｂとの界面におけるアンカリ
ングの有無に拘わらず生じるので、特定のアンカリング
に依存するバックフロー効果によるものとは相異する。
一方、セレクト電圧がある閾値電圧より高い場合には、
螺旋構造が回復するとともに、誘電異方性に起因した回
転トルクが働いて螺旋軸の回転が生じるためＦ配向に遷
移する。

【００２０】この選択反射方式は、ＰとＦの双安定状態
が恒久的で、画像の長期保存が可能である上、偏光板が
不要なため表示が明るく、カラーフィルタを用いないで
鮮やかな着色表示ができるとともに、Ｐ配向とＦ配向と
の混合状態を安定に存在させることにより中間調表示も
可能であるという利点がある。しかしながら、特定波長
の色に着色されるため白黒表示が困難であり、ｄ／ｐが
１０以上にならないと十分な反射率が得られないので、
高い駆動電圧を必要とするという難点がある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑み、白黒表示が可能であって、しかも無電源で長時間
にわたり画像を保存することが可能な液晶表示素子の提
供を目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明の液晶表示素子は、コレステリック液晶からなる液
晶層と、光を円偏光する円偏光板とを積層してなる液晶
表示素子であって、該液晶層は、該液晶層の厚さをｄ、
該コレステリック液晶の螺旋ピッチをｐとしたときに、
ｄ／ｐ＞１．５なる関係を有するものであることを特徴
とする。

【００２３】ここで、上記液晶層は表面と裏面とを有す
る平面状のものであって、該表面と該裏面のうち少なく
とも一方の界面の配向容易な軸に対するアンカリング強
度が、１／１０⁴（Ｊ／ｍ²）以下のものであることが好
ましい。

【００２４】また、上記液晶層は表面と裏面とを有する
平面状のものであって、該表面と該裏面のうち高々一方
の界面は一軸配向性を有し、該一軸に対するアンカリン
グ強度が、１／１０⁴（Ｊ／ｍ²）以上のものであること
が好ましい。

【００２５】また、上記液晶層は、入射する光を選択反
射するものであって、その選択反射した光の振動面の回
転方向が、上記円偏光板により吸収される光の振動面の
回転方向と同じ方向のものであることが好ましい。

【００２６】また、上記液晶層は、表面と裏面とを有す
るものであって、該液晶層の表面側に上記偏光板を積層
するとともに、該液晶層の裏面側に、光を反射する光反
射層を積層したものであってもよい。

【００２７】また、上記液晶層は、該液晶層の表面側に
表面電極を、裏面側に裏面電極をそれぞれ備え、上記光
反射層が上記裏面電極を兼ねるものであってもよい。

【００２８】さらに、上記液晶層は、リタデーションが
２２０ｎｍ以上、３３０ｎｍ以下のものであることが好
ましい。

【００２９】また、上記液晶層が表面と裏面とを有する
ものであって、該液晶層の表面側と裏面側それぞれに互
いに直交する円偏光板を積層したものであることが好ま
しい。

【００３０】さらに、上記液晶層は、リタデーションが
４４０ｎｍ以上、６６０ｎｍ以下のものであることが好
ましい。

【００３１】また、上記液晶層と上記円偏光板との間
に、該円偏光板の法線に平行な異常光軸を有するもので
あって、該液晶層のダイレクタが作る平面と等価な正の
一軸光学媒質により斜光に対するコントラストを光学補
償する位相差補償板を積層してなるものであることが好
ましい。

【００３２】さらに、上記円偏光板は、光を一軸方向に
透過する直線偏光板と、光の振動面の位相を遅らせる１
／４波長板とを積層してなるものであって、該１／４波
長板の厚さ方向の屈折率が、該１／４波長板の、該厚さ
方向に交わる面方向の何れの方位の屈折率よりも大きい
ものであることも好ましい態様である。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の液晶表示素子の実
施形態について説明する。

【００３４】図３は、本発明の第１の実施形態の液晶表
示素子の断面を模式的にあらわす概略構成図である。

【００３５】図３に示す液晶表示素子３０は、コレステ
リック液晶からなる平面状の液晶層３と、その液晶層３
の表面又は裏面からその液晶層３を挟持する、基板１ａ
上に形成された透明な表面電極２ａ又は基板１ｂ上に形
成された光を反射する裏面電極２ｂとを備え、表面電極
２ａと液晶層３、および裏面電極２ｂと液晶層３との間
には配向膜４ａおよび配向膜４ｂが積層されている。ま
た、基板１ａの表面側には、１／４波長板と直線偏光子
とにより構成される円偏光板５が設けられ、表面電極２
ａと裏面電極２ｂとの間には電源２０が接続され、表面
電極２ａと裏面電極２ｂとの間にはその電源２０から所
定の電圧が印加されるように構成されている。

【００３６】ここで、本実施形態の液晶層３は、液晶層
の厚みをｄ、液晶の螺旋ピッチをｐとそたときに、ｄ／
ｐが１．５を越えるように形成され、選択反射方式の液
晶表示素子と同様に、Ｐ配向とＦ配向とが経時的に安定
となるように構成されているので、画像の長期保存が可
能である。

【００３７】また、螺旋ピッチと複屈折との積が光学波
長より十分に小さくなるように設定されており、螺旋軸
を異常光軸とする負の光学媒質と見なすことができるの
で、Ｐ配向時の複屈折効果がほぼゼロである一方、Ｆ配
向時には複屈折効果があらわれる。ここでは、液晶層３
の厚みｄは、リタデーションが光の波長λの１／４にな
るように調整されている。したがって、Ｐ配向時には、
入射した光Ｉが円偏光板５を透過した後の円偏光Ｃ１
は、液晶層３をそのまま透過し、反射電極２ｂにより鏡
像反転するので、円偏光板５を透過した円偏光Ｃ１とは
反対回りの円偏光Ｃ２となり、円偏光板５で吸収され暗
表示となる。一方、Ｆ配向時には、入射した光Ｉが円偏
光板５を透過した後の円偏光Ｃ１は、λ／４の厚みに調
整された液晶層３の複屈折効果により直線偏光Ｓとな
り、反射電極２ｂにより反射した直線偏光は、液晶層３
の複屈折効果により再び円偏光Ｃ１となるので、円偏光
板５をそのまま透過して明表示となる。

【００３８】本実施形態の液晶表示素子３０は、選択反
射によらず複屈折効果を用いているため、リタデーショ
ンを適切に設定すれば白黒表示が可能となる。

【００３９】ここで、Ｆ配向時の複屈折率の差をΔ
ｎ_F、液晶膜厚をｄ、波長をλとすれば、透過型の液晶
表示素子の透過率Ｔは、ｓｉｎ²（πΔｎ_F・ｄ／λ）に
比例するものとして求めることができる。したがって、
透過光を白色化するためには、視感度がもっとも高い波
長域４４０〜６６０ｎｍにおいて透過率が最大となるよ
うにΔｎ_F・ｄ（リタデーション）を設定すればよい。

【００４０】すなわち、ｓｉｎ²（πΔｎ_F・ｄ／λ）が
１になるよう、リタデーションΔｎ _F・ｄを、λ／２＝
２２０〜３３０ｎｍに設定してやれば透過光を白色化す
ることができる。

【００４１】ここで、実際にΔｎ_Fを直接測定すること
は困難である。しかし、螺旋ピッチより十分に小さなス
ケールでコレステリック液晶を観察すると、局所的にネ
マチック液晶と同様に正の１軸性光学媒質と考えること
ができる。この常光および異常光に対する屈折率の差を
Δｎ₀とすれば、Ｆ配向した液晶分子の半分は垂直配向
し、残り半分は水平配向していると考えることができる
ことから、Δｎ₀＝２・Δｎ_Fという関係式が成立する。
このΔｎ₀は、液晶層に電圧を印加して螺旋を解き一軸
配向させることにより測定することができる。したがっ
て、Δｎ₀・ｄ＝４４０〜６６０ｎｍが成立する液晶層
を選別して用いれば透過光を白色化させることが可能と
なる。なお、反射型の場合には、光路長が２倍となるた
め、Δｎ ₀・ｄを、半分の２２０〜３３０ｎｍにすれば
白黒表示させることができる。

【００４２】本実施形態では、Ｆ配向時には、液晶層の
リタデーションは１／４波長となるので、入射した光Ｉ
が円偏光板５を透過した後の円偏光Ｃ１は、反射電極２
ｂ上で直線偏光Ｓとなり、円偏光板５でこれを透過する
円偏光Ｃ１となるため、白色化を実現させることができ
るとともに最大の反射率を得ることができる。

【００４３】次に、本実施形態の液晶表示素子３０の各
構成要素について説明する。

【００４４】基板１ａ、１ｂとしては１）ガラス、２）
ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリ
エーテルスルフォンなどの樹脂、３）ＰＬＺＴなどのセ
ラミック、など透光性誘電体を使用することができる。

【００４５】透明な表面電極１ａとしては、ＩＴＯ（Ｉ
ｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ＳｎＯ₂、Ｚｎ
Ｏ：Ａｌ等の導電性酸化物や、ポリピロールやポリアニ
リン等導電性樹脂などの透光性導電部材が用いられる。
これら部材は、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレ
ーティング法、ゾルゲル法、コーティング法、印刷法、
電着法などで成膜することができ、成膜後にリソグラフ
ィ法などを用いて所望の形状に加工して用いることがで
きる。

【００４６】光を反射する裏面電極２ｂとしては、Ａ
ｌ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ等のような導電性と光反射性とを
有する材料が用いられる。また、反射電極２ｂにより偏
光が解消されるとコントラストが低下するので、反射電
極２ｂの表面は鏡面状であるか、それに近い状態である
ことが望ましい。

【００４７】なお、反射型液晶表示素子で鏡面状の反射
電極を用いる場合には、一般に外界の映り込みを防ぐた
めに光拡散板を併用するか、反射電極２ｂの表面を粗面
にして光拡散性を付与する。しかし、本実施形態におい
ては、明表示時には、Ｆ配向した液晶層３が光拡散性を
有するため、光拡散板を用いなくても外界の映り込みが
回避できる。

【００４８】コレステリック液晶は、Ｆ配向時に数μｍ
から数十μｍサイズのドメイン構造をとり、各々のドメ
インで螺旋軸が基板と平行な面内でランダムに配向して
いる。それゆえ、反射電極を用いる場合は、入射光と反
射光が反射前後で同じドメインを通過し、生ずる位相差
は液晶層３を１回透過する場合にくらべて単純に２倍に
なるが、電極２ｂを透明電極とし、基板１ｂの外側に光
反射層を設ける構成の場合は、入射光と反射光が反射前
後で異なるドメインを通過し、生ずる位相差は、通過す
るドメインの螺旋軸の方向による確率的分布を持つの
で、スペクトルを平坦化させて白色化させる一助にはな
るが、反面円偏光板５によって吸収される光量が増加す
るので反射率はやや低下する。

【００４９】本実施形態では、裏面電極２ｂが光反射層
を兼ねる構成を採っているので、視差による二重像の防
止が図れるほか、反射率の低下も防止することができ
る。

【００５０】配向膜４ａ、４ｂとしてはポリイミド、ポ
リエステルなどの樹脂や、シラン系やアミン系の界面活
性剤、ＳｉＯ斜方蒸着膜などの無機膜など、公知の配向
膜材料を用いることができる。配向膜４ａ、４ｂの配向
性は、垂直配向性、水平配向性いずれであってもよい。
本実施形態における配向膜４ａ、４ｂの役割はＢＴＮ方
式の場合と異なり、配向方向を一方向に規定するための
ものではなく、表示の均一性、明表示時の反射率、コン
トラストを改善するために設けられる。

【００５１】ここで、表面側および裏面側両方の配向膜
４ａ、４ｂにラビング配向膜のような水平一軸配向性の
強い配向膜を用いると、Ｐ配向が著しく安定となるた
め、双安定性が損なわれる。したがって、配向膜４ａ、
４ｂのうちのいずれか一方もしくは両方によって、液晶
層３との界面に１／１０⁴（Ｊ／ｍ²）以下の弱い方位角
アンカリング強度（基板面と平行な面内における一軸方
向に配向しようとするエネルギーの強さ）を持たせれ
ば、Ｆ配向における表示の長期安定保存を確保すること
ができる。

【００５２】一方、Ｐ配向時において、暗表示を確かな
ものとするためには、螺旋軸が基板に平行になっている
必要がある。しかし、通常の液晶表示素子は、螺旋軸が
基板法線に対して±数度程度のばらつきで傾斜した状態
に配向していることが知られている。螺旋軸が傾斜して
いると液晶層３に複屈折効果が生じるので、暗表示時に
おいても一部の光が円偏光板を透過し、暗表示時と明表
示時とのコントラストが低下する。

【００５３】双安定性を損なうことなく螺旋軸の傾斜を
低減させる手段としては、配向膜４ａ、４ｂの一方によ
って、液晶層３との界面に１／１０⁴（Ｊ／ｍ²）以上の
方位角アンカリング強度を持たせる方法が有効である。
したがって、配向膜のいずれか一方に強アンカリング配
向膜、具体的にはラビング配向膜を用いることが好まし
い。

【００５４】液晶層３に用いるコレステリック液晶材料
としては、シアノビフェニル系、フェニルシクロヘキシ
ル系、フェニルベンゾエート系、シクロヘキシルベンゾ
エート系、アゾメチン系、アゾベンゼン系、ピリミジン
系、ジオキサン系、シクロヘキシルシクロヘキサン系、
スチルベン系、トラン系など公知のネマチック液晶組成
物に、コレステロール誘導体や２−メチルブチル基など
光学活性基を含む化合物などの光学活性化合物等からな
るカイラル剤を添加した液晶組成物を利用できる。むろ
ん、液晶組成物自身が光学活性化合物であってもよい。
また、液晶材料に色素、微粒子などの添加剤を加えても
利用してもよい。コレステリック液晶は高分子や無機材
料からなるマトリクス中に分散したものや、架橋性高分
子や水素結合性ゲル化剤などを用いてゲル化したもの
や、マイクロカプセル化したものなど複合材料の形態で
あってもよい。また、高分子液晶、中分子液晶、低分子
液晶のいずれでもよく、またこれらの混合物でもよい。

【００５５】液晶層３の厚みｄは、１μｍから２０μｍ
程度の範囲とする。これより薄いと、異物混入などによ
る電極２ａ、２ｂ間の短絡機会が増加して歩留まりが低
下し、これより厚いと、駆動電圧が上昇して駆動回路の
コストが高くなる。また、液晶層３の厚みｄと螺旋ピッ
チｐとの比ｄ／ｐは、１以下ではＦ配向が不安定となり
双安定性が得にくいのでｄ／ｐ＞１．５となるようにす
る必要がある。

【００５６】以上の観点からは、螺旋ピッチは、ｐ＜
０．６μｍ〜１３μｍにする必要がある。

【００５７】一方、Ｆ配向において、モーガン条件が破
られ、複屈折効果が生じないようにする必要があり、波
長をλ、コレステリック液晶の平均屈折率をｎとすれ
ば、Δｎ₀・ｐ＜λ／ｎなる関係を満たす必要がある。
一般に、ｎは１．５程度、λは０．４μｍ〜０．８μｍ
であり、また、Δｎ₀は０．５〜０．２５である。

【００５８】以上の観点からは、螺旋ピッチは、ｐ＜
１．１μｍ〜１１μｍにする必要がある。

【００５９】したがって、螺旋ピッチに関する２つの条
件を満たすためには、螺旋ピッチを約１μｍ以下とすれ
ば、ｎ、Δｎ₀、λに依存することなく液晶表示素子を
機能させることができる。

【００６０】なお、使用する液晶表示素子におけるｎ、
Δｎ₀、λが定まっている場合には、それに合わせて螺
旋ピッチｐを約１〜１０μｍの範囲で設定することもで
きるし、Δｎ₀は所望のリタデーションが得られる範囲
で任意に選ぶこともできる。

【００６１】本発明の液晶表示素子３０は、選択反射方
式の場合とくらべてΔｎ₀が小さい、低粘度の液晶を用
いることができるため、応答速度の面で有利である。ま
た、液晶層３のリタデーションΔｎ₀ｄが、反射型の場
合には２２０〜３３０ｎｍ、透過型の場合のは４４０〜
６６０ｎｍである範囲にときに白黒表示が可能となる
が、その範囲から外れるリタデーションの場合には明表
示時に呈色する。

【００６２】なお、その呈色作用を利用して液晶表示素
子３０の着色表示を行うこともできる。

【００６３】円偏光板５は、右円偏光または左円偏光の
いずれか一方を透過し、他方を吸収する性質を有し、光
を一軸方向に透過する直線偏光板と、光の振動面の位相
を遅らせる１／４波長板（以下、「位相差板」と称す
る）とを積層してなり、直線偏光板の偏光軸と位相差板
の光学軸とは角度がπ／４をなしている。暗表示時に完
全な黒色を得るためには可視波長域全域で１／４波長の
リタデーションを生ずるような位相差板が要求される。
一般に位相差板に用いる延伸高分子フィルムは長波長ほ
どリタデーションが小さくなるような波長分散を有する
ので、波長分散が異なる２種類の延伸高分子フィルムを
直交して貼り合わせることによりその要求を満たすこと
ができる。

【００６４】本実施形態では、そのような位相差板を用
いて構成された円偏光板が好適に利用される。

【００６５】Ｐ配向時のコレステリック液晶は、異常光
軸が基板法線方向と平行な負の光学媒質であるので、斜
め方向から観察したときに複屈折効果が生じ、コントラ
ストが低下する場合がある。これを防止するためには、
異常光軸が円偏光板５の法線と平行で、コレステリック
液晶のダイレクタが作る平面と等価な正の一軸光学媒質
からなる位相補償フイルムを液晶層３と円偏光板との間
に積層することにより光学的に補償することができる。
また、この位相補償フイルムを１／４波長板と組み合わ
せて、１／４波長板の厚さ方向の屈折率が、その１／４
波長板の、直線偏光板と接する面上の何れの方向の屈折
率よりも大きくなるように設定し、斜めから見たときに
Ｐ配向したコレステリック液晶に生じる位相差と、位相
補償フィルムに生じる位相差との符号が逆になるため、
相互に相殺し、コントラストの低下を抑制することがで
きる。

【００６６】つぎに本実施形態の液晶表示素子３０のス
イッチング動作を説明する。

【００６７】図４は、液晶層に一定電圧を印加・除去後
に測定した電圧−反射率特性を示す模式図である。

【００６８】図４において、縦軸は液晶層の反射率、横
軸は印加電圧をあらわし、図中の点線Ｐは、初期配向が
Ｐ配向の場合、実線Ｆは、初期配向がＦ配向の場合を表
わしている。なお、ここでは、液晶層が反射型のため縦
軸が反射率となっているが、液晶層が透過型の場合に
は、反射率に替えて透過率とすれば全く同様に適用され
る。

【００６９】印加電圧がＶ1以下の場合には、コレステ
リック液晶の配向は変化しないので、初期配向の如何に
関わらず反射率は変化しない。印加電圧がＶ2以上、Ｖ3
以下ではＦ配向が安定となるため明表示となる。電圧が
Ｖ4以上ではＰ配向が安定となり暗表示となる。電圧Ｖ4
はコレステリック−ネマチック相転移しきい値電圧に相
当する。したがって、Ｖ3〜Ｖ4の電圧を印加するか、ま
たはＰ配向に初期化した後にＶ1〜Ｖ2の電圧を与えるこ
とで明暗を制御できる。

【００７０】印加電圧ＶがＶ3＜Ｖ＜Ｖ4の場合や、Ｖ1
＜Ｖ＜Ｖ2の場合には中間調を得ることができる。この
とき液晶層３はＰ配向のドメインとＦ配向のドメインと
が微視的に混在する状態となる。この状態は経時的に安
定に存在し得るため、本発明の液晶表示素子は、中間調
表示を長期間保存することも可能である。

【００７１】ここで、コレステリック−ネマチック相転
移のしきい値電圧Ｖcnは、電圧印加時間が十分に長い場
合にはＶ4に等しく、螺旋ピッチをｐ、ツイスト配向弾
性係数をＫ₂₂、真空の誘電率をε₀、誘電率異方性をΔ
εとすればＶcn＝（π²・ｄ／ｐ）・√（Ｋ₂₂／ε₀・Δ
ε）で与えられる。したがって、駆動電圧を低減するた
めには、ｄ／ｐを小さく、Ｋ₂₂を小さく、Δεを大きく
設定する。

【００７２】本実施形態の液晶表示素子は、暗表示時に
光拡散性が弱いＰ配向で、明表示時に光拡散性が強いＦ
配向となる。反射型表示の場合、明表示時に光拡散性が
ある程度強い方が表示が明るく見えるので好ましく、コ
ントラストを高める効果を果たしている。

【００７３】また、本実施形態の液晶表示素子は、セグ
メント表示素子、単純マトリクス表示素子、アクティブ
マトリクス表示素子のいずれの形態で使用してもよく、
白黒表示だけでなく、カラーフィルタと組み合わせるこ
とによりカラー表示を行ってもよい。コレステリック液
晶の螺旋ピッチは、選択反射した光が可視波長域になる
ように設定しても構わないが、暗表示時には色づきが生
ずる。また、素子を正面から見たときの選択反射光が近
赤外波長域になるように螺旋ピッチを設定した場合、正
面方向から見た場合は色づきは生じないが、斜め方向か
ら見た場合に、選択反射波長の短波長シフトによって色
づくことがある。しかし、コレステリック液晶が選択反
射する円偏光成分と、観察者側の円偏光板が吸収する円
偏光成分とが、同じ回転方向となるように設定すること
により、これらの色づきを回避することができる。

【００７４】次に、本発明の第２の実施形態の液晶表示
素子について説明する。

【００７５】本実施形態は、第１の実施形態と較べて、
裏面電極が半透過型反射電極であり、その外側に円偏光
板が設けられ、その円偏光板の外側にバックライトを備
えている点が相違するが、それ以外は共通するので、相
違点について説明する。

【００７６】図５は、第２の実施形態の液晶表示素子を
模式的に示す概略断面構成図である。

【００７７】図５に示す液晶表示素子３１は、表面と裏
面とがある平面状の液晶層３と、その液晶層３の表面側
には透明な表面電極２ａを設けた基板１ａと、裏面側に
は光反射層を兼ね半透過性の反射電極２ｂを設けた基板
１ｂとが積層され、さらに、電極２ａと液晶層３との間
には配向膜４ａ、電極２ｂと液晶層３との間には配向膜
４ｂがそれぞれ積層されている。また、基板１ａの外表
面には円偏光板５ａ、基板１ｂの外表面には円偏光板５
ｂがそれぞれ設けられ、円偏光板５ａと円偏光板５ｂと
は偏光軸が相互に直交している。さらに、液晶層３の表
面側の観察者Ｍとは反対側で、液晶層３の裏面側にはバ
ックライト１０が配置されている。

【００７８】液晶層３のリターデーションΔｎ₀・ｄ
は、２２０〜３３０ｎｍに設定する。それによって、本
液晶表示素子３１が反射型表示素子として機能する場合
における表示の白色化条件を満たす。しかし、透過型表
示素子として機能する場合の白色化条件は満たさないこ
とになるので、明表示が若干青みの白色となる。ただ
し、この色味の相違はバックライト１０の光源色を若干
赤味にすることで調整することができる。

【００７９】半透過性の反射電極２ｂには、Ａｌ、Ａ
ｇ、Ｃｒ、Ｔｉなどの導電性と光反射性の双方を有する
材料を、光を透過する程度に薄く成膜したり、エッチン
グ加工などを行って部分的に透過窓を設けるなどの方法
により半透過性を与えることができる。

【００８０】本実施形態における液晶表示素子３１は、
バックライトを消灯したときは反射型表示素子として機
能し、点灯したときは透過型表示素子として機能する。

【００８１】バックライト１０を点灯したときは、バッ
クライトが点灯する裏面側から入射した光Ｉは、円偏光
板５ｂを透過すると円偏光Ｃ１となり、液晶層３がＰ配
向の場合には複屈折効果が無いのでそのまま透過し、透
過した円偏光Ｃ１は、円偏光板５ｂと直交する円偏光板
５ａにより吸収されて暗表示となる。一方、液晶層３が
Ｆ配向の場合には１／４波長に相当する液晶層３の複屈
折効果により、直線偏光Ｓとなり、一部の光が円偏光板
５ａを透過するので明表示となる。

【００８２】なお、バックライト１０を消灯したときの
反射型表示素子としての作用は、第１の実施形態と同様
であることから、説明は省略する。

【００８３】このような構成とすることにより、液晶表
示素子は暗所でも表示を視認することが可能となり、ま
た、フロントライトによらずバックライトを用いている
のでコントラスト低下の問題は回避できる。

【００８４】次に、本発明の第３の実施形態の液晶表示
素子について説明する。

【００８５】図６は、第３の実施形態の液晶表示素子を
模式的に示す概略断面構成図である。

【００８６】本実施形態の液晶表示素子は、第２の実施
形態の液晶表示素子と較べて、裏面電極が透明な電極で
あり、裏面側の円偏光板の外側に半透過型反射板を備え
る点は相違するが、それ以外は共通するので、同一構成
要素には同一符号を付し相違点について説明する。

【００８７】図６に示す液晶表示素子３２は、表面と裏
面とがある平面状の液晶層３と、その液晶層３の表面側
には透明な表面電極２ａを設けた基板１ａと、裏面側に
は透明な裏面電極２ｂを設けた基板１ｂとが積層され、
さらに、電極２ａと液晶層３との間には配向膜４ａ、電
極２ｂと液晶層３との間には配向膜４ｂがそれぞれ積層
されている。また、基板１ａの外表面には円偏光板５
ａ、基板１ｂの外表面には円偏光板５ｂがそれぞれ設け
られ、円偏光板５ａと円偏光板５ｂとは偏光軸が相互に
直交している。さらに、円偏光板５ｂの外表面には１／
４波長板９および半透過型反射板８とを備え、液晶層３
の表面側の観察者Ｍとは反対側で、半透過型反射板８の
外側にはバックライト１０が配置されている。

【００８８】液晶層３のリタデーションΔｎ₀・ｄは、
４４０ｎｍ〜６６０ｎｍに設定する。また、半透過型反
射板は、第２の実施形態における裏面電極と同様の材料
を用いることができる。ただし、導電性は不要なので、
誘電体多層膜などを用いることができる。

【００８９】本実施形態における液晶表示素子３２は、
バックライトを消灯したときは反射型表示素子として、
バックライトを点灯したときは透過型表示素子として機
能する。

【００９０】バックライト１０を点灯したときは、バッ
クライトが点灯する裏面側から入射した光Ｉは、バック
ライト１０は無偏光なので１／４波長板９を通っても無
偏光のままであり、円偏光板５ｂを透過すると円偏光Ｃ
２となり、液晶層３がＰ配向の場合には複屈折効果が無
いのでそのまま透過し、透過した円偏光Ｃ２は、円偏光
板５ｂと直交する円偏光板５ａにより吸収されて暗表示
となる。一方、液晶層３がＦ配向の場合には１／２波長
に相当する液晶層３の複屈折効果により、円偏光Ｃ１と
なり、円偏光板５ａを透過するので明表示となる。

【００９１】図７は、バックライトを消灯したときの反
射型表示素子としての作用を示す図である。

【００９２】図７に示す液晶表示素子は、図６に示した
液晶表示素子と全く同じものであり、バックライトが消
灯している点が相違する。

【００９３】液晶層３の表面の観察者側Ｍから入射した
光Ｉは、円偏光板５ａを透過すると円偏光Ｃ１となり、
液晶層３がＰ配向の場合には、そのまま液晶層３を透過
した光Ｃ１は、円偏光板５ａと直交する円偏光板５ｂに
より吸収されてしまうので、観察者側には光が届かず暗
表示となる。一方、液晶層３がＦ配向の場合には、１／
２波長に相当する液晶層３の複屈折効果により円偏光板
５ａを透過した円偏光Ｃ１は円偏光Ｃ２となるので、円
偏光板５ｂを透過し、１／４波長板９により直線偏光Ｓ
となる。直線偏光Ｓは、半透過反射板８でそのまま反射
し、円偏光板５ｂを一部の光が透過して円偏光Ｃ２とな
り、液晶層３で円偏光Ｃ１となるので、円偏光板５ａを
透過して明表示となる。

【００９４】

【実施例】次に、本発明の液晶表示素子の実施例につい
て説明する。

【００９５】（第１の実施例）市販のＩＴＯ電極付ガラ
ス基板を基板１ａおよび表面電極２ａとして用いた。一
方、ガラス基板１ｂにＡｌを０．５μｍスパッタリング
法で成膜して光を反射する裏面電極２ｂとした。なお、
配向膜４ａ、４ｂは省略した。基板１ｂ上に直径１．６
μｍの球状シリカスペーサを湿式散布して、開口部を設
けて塗布したシール剤で基板１ａと貼り合わせた。つぎ
に、Δｎが０．２０となるように調整したネマチック液
晶を７．３質量％と、カイラル剤Ｓ８１１（メルク社
製）を２１．６重量％と、カイラル剤Ｓ１０１１（メル
ク社製）を５．４質量％とを混合して、右円偏光を選択
反射する螺旋ピッチ０．２２μｍのコレステリック液晶
を調整し、これを上記ガラス基板間に注入した。１／４
波長板ＳＥＦ−１／４λ（住友化学社製）と直線偏光板
ＳＨ−１８５２ＡＰ（住友化学社製）を積層した、左円
偏光を透過する円偏光板を基板１ａ上に貼付した。Δｎ
₀＝０．１５、ｄ＝１．６７μｍでありΔｎ₀・ｄ＝０．
２５μｍであった。またｄ／ｐ＝７．３であった。

【００９６】初期配向をＰ配向として、１ＫＨｚの対称
矩形波を１００ｍｓ間印加した後に測定した電圧−反射
率特性を図８に示す。反射率および反射スペクトルの測
定にはミノルタ社の分光光度計ＣＭ−２０２２を用い
た。結果としてＶ4＝１１Ｖと極めて低電圧で駆動でき
た。また、Ｄ65光源下での反射スペクトルを図９に示
す。視感反射率のコントラスト比は５．１であり、明表
示時のＸＹ色度座標は（０．３１、０．３５）でほぼ白
色が得られた。明暗を表示した素子は３ヶ月間保存後も
ほとんど表示に変化は見られなかった。

【００９７】（第２の実施例）市販のＩＴＯ電極付ガラ
ス基板を基板１ａおよび表面電極２ａとして用いた。一
方、ガラス基板１ｂにＡｌを０．５μｍスパッタリング
法で成膜して光を反射する裏面電極２ｂとした。配向膜
４ａ、４ｂとしてポリビニルアルコールを用い、配向膜
４ａをラビング処理した。基板１ｂ上に直径３．５μｍ
の球状シリカスペーサを湿式散布して、開口部を設けて
塗布したシール剤で基板１ａと貼り合わせた。Δｎが
０．０９４のネマチック液晶ＺＬＩ−４７９２を９０質
量％と、カイラル剤Ｓ８１１（メルク社製）を８質量％
と、カイラル剤Ｓ１０１１（メルク社製）を２質量％と
を混合して、螺旋ピッチ０．８９μｍの右円偏光を選択
反射するコレステリック液晶を調整した。これを上記と
同様にガラス基板間に注入した。基板１ａ上に１／４波
長板ＳＥＦ−１／４λ（住友化学社製）と直線偏光板Ｓ
Ｈ−１８５２ＡＰ（住友化学社製）を積層した、左円偏
光を透過する円偏光板を貼付した。Δｎ₀＝０．０８
５、ｄ＝３．５μｍ、Δｎ₀・ｄ＝０．３０μｍ、ｄ／
ｐ＝４．０であった。実施例１と同様の反射率および反
射スペクトルの測定を行った結果、視感反射率のコント
ラスト比７．５であり、明表示時のＸＹ色度座標は
（０．３５、０．３７）でほぼ白色が得られた。明暗を
表示した素子は３ヶ月間保存後もほとんど表示に変化は
見られなかった。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、長時間の画像保存が可
能で、かつ白黒表示が可能な液晶表示素子を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＢＴＮ型液晶表示素子の断面構造を示す図であ
る。

【図２】選択反射機能を有する液晶素子の断面構造を示
す図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の液晶表示素子の断面
を模式的にあらわす概略構成図である。

【図４】液晶層に一定電圧を印加・除去後に測定した電
圧−反射率特性を示す模式図である。

【図５】第２の実施形態の液晶表示素子を模式的に示す
概略断面構成図である。

【図６】第３の実施形態の液晶表示素子を模式的に示す
概略断面構成図である。

【図７】バックライトを消灯したときの反射型表示素子
としての作用を示す図である。

【図８】電圧−反射率特性を示す図である。

【図９】Ｄ65光源下での反射スペクトルを示す図であ
る。

【符号の説明】

１基板２電極３液晶層４配向膜５円偏光板７光吸収層８半透過型反射板９１／４波長板１０バックライト１１，１２，３０，３１，３２液晶表示素子２０電源Ａ０°ねじれ配向状態Ｂ３６０°ねじれ配向状態Ｉ入射する光Ｃ１，Ｃ２円偏光Ｓ直線偏光Ｐプレーナ配向Ｆフォーカルコニック配向Ｍ観察者

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H088 GA03 HA03 HA17 HA18 JA15 KA07 KA13 LA09 MA20 2H090 KA18 MA05 MA17 MB01 2H091 FA08X FA08Z FA11X FA11Z FA14Y FA15Z FD05 FD07 FD10 HA18 JA10 KA02 KA04 LA30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コレステリック液晶からなる液晶層と、光
を円偏光する円偏光板とを積層してなる液晶表示素子で
あって、該液晶層は、該液晶層の厚さをｄ、該コレステリック液
晶の螺旋ピッチをｐとしたときに、ｄ／ｐ＞１．５なる
関係を有するものであることを特徴とする液晶表示素
子。
【請求項２】前記液晶層は表面と裏面とを有する平面状
のものであって、該表面と該裏面のうち少なくとも一方
の界面の配向容易な軸に対するアンカリング強度が、１
／１０⁴（Ｊ／ｍ²）以下のものであることを特徴とする
請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】前記液晶層は表面と裏面とを有する平面状
のものであって、該表面と該裏面のうち高々一方の界面
は一軸配向性を有し、該一軸に対するアンカリング強度
が、１／１０⁴（Ｊ／ｍ²）以上のものであることを特徴
とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記液晶層は、入射する光を選択反射する
ものであって、その選択反射した光の振動面の回転方向
が、前記円偏光板により吸収される光の振動面の回転方
向と同じ方向のものであることを特徴とした請求項１記
載の液晶表示素子。
【請求項５】前記液晶層は、表面と裏面とを有するもの
であって、該液晶層の表面側に前記偏光板を積層すると
ともに、該液晶層の裏面側に、光を反射する光反射層を
積層したものであることを特徴とする請求項４記載の液
晶表示素子。
【請求項６】前記液晶層は、該液晶層の表面側に表面電
極を、裏面側に裏面電極をそれぞれ備え、前記光反射層
が前記裏面電極を兼ねるものであることを特徴とする請
求項５記載の液晶素子。
【請求項７】前記液晶層は、リタデーションが２２０ｎ
ｍ以上、３３０ｎｍ以下のものであることを特徴とする
請求項１記載の液晶素子。
【請求項８】前記液晶層が表面と裏面とを有するもので
あって、該液晶層の表面側と裏面側それぞれに互いに直
交する円偏光板を積層したものであることを特徴とする
請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項９】前記液晶層は、リタデーションが４４０ｎ
ｍ以上、６６０ｎｍ以下のものであることを特徴とする
請求項８記載の液晶素子。
【請求項１０】前記液晶層と前記円偏光板との間に、該
円偏光板の法線に平行な異常光軸を有するものであっ
て、該液晶層のダイレクタが作る平面と等価な正の一軸
光学媒質により斜光に対するコントラストを光学補償す
る位相差補償板を積層してなるものであることを特徴と
する請求項１記載の液晶素子。
【請求項１１】前記円偏光板は、光を一軸方向に透過す
る直線偏光板と、光の振動面の位相を遅らせる１／４波
長板とを積層してなるものであって、該１／４波長板の
厚さ方向の屈折率が、該１／４波長板の、該厚さ方向に
交わる面方向の何れの方位の屈折率よりも大きいもので
あることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。