JP2004219552A - 液晶表示装置及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、半透過反射型の液晶表示装置において、特に透過モード時に明るい表示が得られ、視認性に優れるとともに、構造が簡素化され、薄型化を実現した液晶表示装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】反射表示領域に段差部と１／４波長板とを設け、液晶層の液晶分子を下基板と上基板との間で略９０°ツイストさせた半透過反射型の液晶表示装置において、位相差層の遅相軸を、下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して３０°以上５５°以下の角度をなして配置する。
【選択図】 図２
【解決手段】反射表示領域に段差部と１／４波長板とを設け、液晶層の液晶分子を下基板と上基板との間で略９０°ツイストさせた半透過反射型の液晶表示装置において、位相差層の遅相軸を、下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して３０°以上５５°以下の角度をなして配置する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半透過反射型の液晶表示装置及びこれを備えた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、明るい場所では、通常の反射型の液晶表示装置と同様に外光を利用し、暗い場所では、内部の光源により表示を視認可能にした液晶表示装置が提案されている。この液晶表示装置は、反射型と透過型を兼ね備えた表示方式を採用しており、周囲の明るさに応じて反射表示または透過表示のいずれかの表示方式に切り替えることにより、消費電力を低減しつつ周囲が暗い場合でも明瞭な表示を行うことができる。以下、本明細書では、この種の液晶表示装置のことを「半透過反射型液晶表示装置」という。半透過反射型液晶表示装置の一形態として、アルミニウム等の金属膜に光透過用の開口部を形成した反射膜を下基板の内面に備え、この反射膜を半透過反射膜として機能させるものが提案されている。この液晶表示装置は、金属膜を下基板の内面に設けることにより、下基板の厚みによるパララックスの影響を防ぎ、特にカラーフィルタを備えた構造では混色を防ぐという効果を持っている。なお、本明細書では液晶表示装置を構成する各基板の液晶側の面を「内面」、それと反対側の面を「外面」という。
【０００３】
図８は、この種の半透過反射膜を用いた半透過反射型液晶表示装置の一例を示している。
この液晶表示装置１００では、一対のガラス基板１０１，１０２間に液晶層１０３が挟持されており、下基板１０１の内面に、開口部１０４ａを有する半透過反射層１０４、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ， 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜からなる透明電極１０８が積層され、透明電極１０８を覆うように配向膜１０７が形成されている。一方、上基板１０２の内面には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる透明電極１１２が形成され、この透明電極１１２を覆うように配向膜１１３が形成されている。また、上基板１０２の外面側には、上基板１０２側から順に２枚の位相差板１１８、１１９（これら位相差板は１／４波長板１２０として機能する）、上偏光板１１４が配置され、下基板１０１の外面側には、１／４波長板１１５、下偏光板１１６がこの順に設けられている。また、光源１２２、導光板１２３、反射板１２４等からなるバックライト１１７（照明手段）が下偏光板１１６の下方に配置されている。なお、１／４波長板１１５，１２０は、ある波長帯域において直線偏光をほぼ円偏光にすることができるものである。
【０００４】
図８に示す半透過反射型液晶表示装置１００の表示原理を以下、図９を用いて説明する。なお、図９では、図８の液晶表示装置の構成要素のうち、表示原理の説明に必要なものだけを図示している。
まず、暗表示を行う場合には、液晶層１０３に電圧を印加して（オン状態として）液晶層１０３での位相差がない状態としておく。反射表示においては、上偏光板１１４の上方から入射した光は、上偏光板１１４の透過軸を紙面に垂直とすると、上偏光板１１４を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となり、さらに１／４波長板１２０を透過した後、左回りの円偏光となり、そのままの状態で液晶層１０３を透過する。そして、下基板１０１上の半透過反射層１０４の表面で反射すると回転方向が反転して右回りの円偏光となり、そのままの状態で液晶層１０３を透過し、１／４波長板１２０を透過した後、紙面に平行な直線偏光となる。ここで、上偏光板１１４は紙面に垂直な透過軸を有しているので、反射光は上偏光板１１４に吸収されて外部（観察者側）へは戻らず、暗表示となる。
【０００５】
一方、透過表示においては、バックライト１１７から出射された光は、下偏光板１１６の透過軸を紙面に平行とした場合、下偏光板１１６を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、さらに１／４波長板１１５を透過した後、右回りの円偏光となり、そのままの状態で液晶層１０３を透過する。そして、右回りの円偏光が１／４波長板１２０を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、反射モードと同様、上偏光板１１４に吸収されて暗表示となる。
【０００６】
次に、明表示を行う場合には、液晶層１０３に電圧を印加しない状態（オフ状態）とし、このときの液晶層１０３での複屈折効果により位相差が１／４波長になるように設定しておく。反射表示においては、上偏光板１１４の上方から入射し、上偏光板１１４、１／４波長板１２０を透過した後の左回りの円偏光は、液晶層１０３を透過して半透過反射層１０４の表面に到達した段階で紙面に平行な直線偏光となる。そして、半透過反射層１０４の表面で反射して液晶層１０３を透過すると、再度左回りの円偏光となり、１／４波長板１２０を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となる。ここで、上偏光板１１４は紙面に垂直な透過軸を有しているので、反射光は上偏光板１１４を透過して外部（観察者側）へ戻り、明表示となる。
【０００７】
一方、透過表示においては、バックライト１１７から入射し、下偏光板１１６、１／４波長板１１５を透過した後の右回りの円偏光は、液晶層１０３を透過した段階で紙面に垂直な直線偏光となる。そして、紙面に垂直な直線偏光が１／４波長板１２０を透過すると左回りの円偏光となり、上偏光板１１４は紙面に垂直な透過軸を有しているので、左回りの円偏光のうち、紙面に垂直な直線偏光のみが上偏光板１１４を透過して明表示となる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３２３５１０２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図８、図９に示す液晶表示装置１００によれば、外光の有無に関わらず表示の視認が可能ではあるものの、反射表示に比べて透過表示の明るさが不足するという問題があった。
その原因は、バックライト１１７から出射された光のうち、半透過反射層１０４の開口部１０４ａを通過しない光は、半透過反射層１０４の裏面で反射されると、回転方向が反転して左回りの円偏光となり、１／４波長板１１５を透過すると紙面に垂直な直線偏光になる。そして、この直線偏光が紙面に平行な透過軸を有する下偏光板１１６によって吸収されることになる。つまり、バックライト１１７から出射された光のうち、開口部１０４ａを通過しなかった光が、仮に下偏光板１１６に吸収されることなく下偏光板１１６を透過してバックライト１１７まで戻ってくれば、この戻り光が再度液晶セルに向けて出射され、バックライト１１７の輝度が実効的に向上するが、実際には半透過反射層１０４の裏面で反射した後、下偏光板１１６によってほぼ全てが吸収されてしまい、再利用できないからである。
【００１０】
さらに、図８に示した液晶表示装置においては、液晶層を挟持する一対の基板の両外面に複数の位相差板や偏光板を貼付する必要があるため、構成が複雑で部品点数が多く、製造コストがかかる、液晶表示装置の薄型化が図れない、等の問題を抱えていた。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、反射表示と透過表示の双方が可能な半透過反射型の液晶表示装置において、特に透過モード時に明るい表示が得られ、視認性に優れるとともに、構造が簡素化され、薄型化を実現した液晶表示装置とその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、優れた視認性を有し、薄型の液晶表示部を備えた電子機器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶表示装置は、互いに対向する上基板と下基板との間に液晶層が挟持され、１ドット内に、反射表示領域と、透過表示領域とを備えた半透過反射型の液晶表示装置であって、前記上基板の外面側に上偏光板が設けられるとともに前記下基板の外面側に下偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に下層側から反射層と位相差層とが設けられ、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相のずれが前記反射表示領域における前記液晶層の位相のずれよりも大きく、前記液晶層は誘電異方性が正の液晶組成物からなり、前記液晶層の液晶分子は、非選択電圧印加時に前記下基板と前記上基板との間において基板面に平行な面内で略９０°ツイストしており、前記位相差層の遅相軸は、前記下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して３０°以上５５°以下の角度をなして配置されたことを特徴とする。
【００１３】
或いは、本発明の液晶表示装置は、互いに対向する上基板と下基板との間に液晶層が挟持され、１ドット内に、反射表示領域と、透過表示領域とを備えた半透過反射型の液晶表示装置であって、前記上基板の外面側に上偏光板が設けられるとともに前記下基板の外面側に下偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に下層側から反射層と位相差層とが設けられ、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相のずれが前記反射表示領域における前記液晶層の位相のずれよりも大きく、前記液晶層は誘電異方性が正の液晶組成物からなり、前記液晶層の液晶分子は、非選択電圧印加時に前記下基板と前記上基板との間において基板面に平行な面内で略９０°ツイストしており、前記位相差層の遅相軸は、前記下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して１２５°以上１４５°以下の角度をなして配置されたことを特徴とする。
【００１４】
透過表示の明るさを低下させるいくつかの要因のうち、バックライトから出射され、半透過反射層の裏面で反射した光が下偏光板で吸収されてしまい、再利用できない点を解決すべく、本出願人は、下基板の内面側の透過表示領域にのみ位相差層（１／４波長）を設けた液晶表示装置を既に出願している。この構成によれば、下基板とバックライトとの間に位相差板（１／４波長板）を設けなくて済み、半透過反射層の裏面で反射した光はそのまま下偏光板を透過し、バックライトの反射板で反射して液晶パネル内に再入射するので、バックライト光の有効利用を図ることができる。ところが、この構成では、下側の位相差板を液晶パネルの内面に配置しただけであり、上側の位相差板、偏光板などの構成は変わらず、また、透過表示での表示原理も変わらないため、円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題、および、構造が複雑で部品点数が多い問題は解決されないままである。
【００１５】
そこで、本発明者らは、上記の構成とは逆に、下基板の内面の反射表示領域にのみ位相差層を設け、この位相差層の存在により反射表示領域にのみ位相差（位相のずれ）が付加されるのを補償すべく、透過表示領域での液晶層の位相差を反射表示領域での液晶層の位相差よりも大きくする構成に想到した。この構成においては、位相差層、液晶層の位相差等の設定条件によって透過表示において直線偏光のみで表示を行うことが可能となり、下側の位相差板のみならず、上側の位相差板も不要とすることができる。その結果、従来の構成において円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題を解決することができ、従来に比べて透過表示を明るくすることができる。また、従来に比べて構造が簡単になり、装置の薄型化を図ることができる。なお、本発明の液晶表示装置の表示原理については［発明の実施の形態］の項で説明する。
【００１６】
また、本発明では、液晶分子の配向方向と位相差層の遅相軸方向との関係を規定することにより、反射表示において、現在市場で求められている５以上のコントラストを実現した。なお、根拠となる実験結果については、［実施例］の項で後述する。
【００１７】
ところで、透過表示領域での液晶層の位相差を反射表示領域での液晶層の位相差よりも大きくする手段としては、例えば液晶層の厚さをｄ、液晶の屈折率異方性をΔｎとしたときに、位相差（リタデーション）はこれらの積Δｎ・ｄで表されるので、液晶層の厚さｄ、液晶の屈折率異方性Δｎの少なくともいずれか一方を透過表示領域と反射表示領域とで異ならせればよい。しかしながら、実際には透過表示領域と反射表示領域で液晶の屈折率異方性Δｎを大きく変えるのは困難なので、透過表示領域における液晶層の層厚を反射表示領域における液晶層の層厚よりも大きく設定することが容易である。
【００１８】
具体的には、前記上基板と前記下基板の前記反射層との間に、前記透過表示領域と前記反射表示領域とで前記液晶層の層厚を調整するための液晶層厚調整層を設けることが好ましい。
この構成とした場合、液晶層厚調整層の層厚を調整することにより、反射表示領域での液晶層の層厚を透過表示領域での液晶層の層厚よりも小さくする構造を容易に実現することができる。そして、例えば透過表示領域における液晶層の層厚を反射表示領域における液晶層の層厚の略２倍とすることも比較的容易にできる。
【００１９】
また、前記位相差層は、透過光に対して略１／４波長の位相差を付与するものであり、前記透過表示領域における前記液晶層の層厚が前記反射表示領域における前記液晶層の層厚の略２倍であり、選択電圧印加時における前記液晶層の位相のずれが、前記反射表示領域及び前記透過表示領域の双方で略０とされるとともに、非選択電圧印加時における前記液晶層の位相のずれが、前記反射表示領域で略１／４波長、透過表示領域で略１／２波長とすることが望ましい。
【００２０】
ここで、「１／４波長の位相のずれ」とは、光学異方体（例えば液晶や位相差板）に可視光領域の波長を有する直線偏光が入射したとき出射光が円偏光になることを意味し、「１／２波長の位相のずれ」とは、出射光が入射光の直線偏光の方向とは直交する方向を持つ直線偏光になることを意味し、「０の位相のずれ」もしくは「位相のずれがない」とは、出射光が入射光の直線偏光の方向と平行な方向を持つ直線偏光になることを意味する。
【００２１】
この構成によれば、反射表示と透過表示とで上偏光板の透過時の偏光状態を略同一方向の直線偏光に揃えることができ、反射表示領域における位相のずれと透過表示領域における位相のずれを略等しくすることができる。これにより、光の利用効率を最も向上でき、透過表示が最も明るい構成とすることができる。また、コントラストの高い表示を得ることができる。
またこの時、反射表示領域における液晶層の位相差を１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることが望ましい。このような液晶層の位相差の非常に小さい構成にすれば十分に旋光せず、反射表示領域における液晶層の選択電圧印加時もしくは非選択電圧印加時の位相のずれは、１／４波長もしくは０となる。
【００２２】
さらに、下偏光板の外面側に、下偏光板の透過軸と略平行な透過軸を有する反射偏光板を設けることが望ましい。
この構成によれば、バックライトから出射された光のうち、反射偏光板がない場合には下偏光板で吸収されてしまうはずの直線偏光が、反射偏光板で反射されてバックライトに戻ることでこの光も透過表示に再利用することができる。この直線偏光がいずれ反射偏光板を透過して表示に寄与できるのは、反射偏光板で反射した直線偏光が反射を繰り返すうち、偏光軸方向が変化し、当初とは異なる方向の偏光軸を有する直線偏光に変換されるからである。この構成を採用すると、透過表示をさらに明るくすることができる。
【００２３】
本発明の電子機器は、上記本発明の液晶表示装置を備えたことを特徴とする。この構成によれば、透過モード時の表示も明るく、視認性に優れた液晶表示部を備えた電子機器を提供することができる
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。
図１は本実施の形態の液晶表示装置の概略構成を示す断面図であり、１つのドット領域を拡大して示している。図２は本液晶表示装置を上基板側（即ち、表示面側）から見た場合の、偏光板や位相差層の軸方向等を模式的に示している。図３，図４はいずれも本液晶表示装置の表示原理を説明するための図であって、表示原理の説明に必要な構成要素のみを示す図である。本実施の形態はアクティブマトリクス方式の半透過反射型カラー液晶表示装置の例である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００２５】
本実施の形態の液晶表示装置１０は、図１に示すように、液晶セル１１とバックライト１２（照明装置）とを備えたものである。液晶セル１１は、下基板１３と上基板１４とが対向配置され、これら上基板１４と下基板１３と挟まれた空間に誘電率異方性が正のＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶が封入されて液晶層１６が形成されている。そして、液晶セル１１の後面側（下基板１３の外面側）にバックライト１２が配置されている。
【００２６】
ガラスやプラスチックなどの透光性材料からなる下基板１３の内面側には、アルミニウム、銀、またはこれらの合金等の反射率の高い金属膜からなる半透過反射層１８が形成されている。半透過反射層１８には、バックライト１２から出射された光を透過させるための開口部１８ａが各画素毎に設けられており、半透過反射層１８の形成領域のうち、実際に金属膜が存在している部分が反射表示領域Ｒ、開口部１８ａの部分が透過表示領域Ｔを構成している。
【００２７】
また、下基板１３の内面側には、反射表示用のカラーフィルタ５０Ｒと透過表示用のカラーフィルタ５０Ｔとからなるカラーフィルタ層５０（５０Ｒ，５０Ｔ）が設けられている。反射表示用のカラーフィルタ５０Ｒは反射表示領域Ｒにあたる半透過反射層１８の上に設けられており、透過表示用のカラーフィルタ５０Ｔは透過表示領域Ｔにあたる半透過反射層１８の開口部１８ａに設けられている。なお、透過表示領域Ｔでは光がカラーフィルタ５０Ｔを透過する回数が一回であるのに対し、反射表示領域Ｒでは光はフィルタ内を二回透過するため、各領域Ｒ，Ｔでの色バランスをとるために、反射表示用のカラーフィルタ５０Ｒは透過表示用のカラーフィルタ５０Ｔよりも色の彩度が低くなるように調整されている。また、図１では１ドットのみを示しており、上記カラーフィルタ５０Ｒ，５０ＴはＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のいずれかの色に対応しているが、基板全体では各色Ｒ，Ｇ，Ｂに対応するカラーフィルタがマトリクス状に形成された構造となっている。
【００２８】
このカラーフィルタ層５０上の反射表示領域Ｒに対応する位置には、段差部２１と、位相差層２０とが順に積層されている。
位相差層２０は、液晶セル１１に入射される可視光に１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の位相のずれを付与するものであり、可視光に対して１／４波長板として機能する。この位相差層２０は、例えば液晶性モノマーを光重合して形成された高分子液晶として構成されている。
【００２９】
段差部２１はアクリル樹脂等の絶縁膜からなり、液晶層１６に対して突出するように設けられている。この段差部２１は液晶層厚の略１／２の厚みを有しており、透過表示領域Ｔに対して反射表示領域Ｒでの液晶層厚を小さくするための液晶層厚調整層として機能する。すなわち、反射表示領域Ｒにこのような段差部２１を設けることで、透過表示における液晶層１６の位相のずれを反射表示時の略２倍とすることができる。本実施形態では、特に、反射表示領域Ｒにおける液晶層１６の位相のずれが１／４波長（ここでは、緑（５５０ｎｍ）の波長を基準としている）、透過表示領域Ｔにおける液晶層１６の位相のずれが１／２波長となるように、液晶の屈折率異方性Δｎ，液晶層厚ｄ，段差部２１の膜厚が設定されている。
【００３０】
また、下基板１３上には、これらの位相差層２０，段差部２１，カラーフィルタ層５０を覆うように、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極２３が形成されており、更に、この画素電極２３を覆うようにポリイミド等からなる配向膜２４が積層されている。本実施形態の場合、下基板１３はＴＦＴ等の画素スイッチング素子、データ線、走査線等が形成された素子基板として構成されているが、図１においては画素スイッチング素子、データ線、走査線等の図示は省略する。また、下基板１３の外面側には下偏光板２８が設けられており、従来の位相差板は設けられていない。
【００３１】
一方、ガラスやプラスチックなどの透光性材料からなる上基板１４の内面側には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる共通電極３２、ポリイミド等からなる配向膜３３が順次積層されている。また、上基板１４の外面側には上偏光板３６が設けられており、従来の位相差板は設けられていない。
【００３２】
図２に、本実施形態の液晶パネル１１における各基板１３，１４の配向膜２４，３３のラビング方向と、位相差層２０の遅相軸方向と、上偏光板３６の透過軸方向との関係を示す。なお、図２は液晶パネル１１を上偏光板３６側から見た図である。
【００３３】
上基板１４側及び下基板１３側の配向膜３３，２４は共にラビング処理（水平配向処理）がなされており、上基板１４側の配向膜３３の配向方向（ラビング方向）は図２における紙面下向きの方向（即ち、図１における紙面に垂直な方向）、下基板１３の配向膜２４の配向方向は図２における紙面右側の方向（即ち、図１における紙面に水平な方向）にそれぞれ設定されている。このため、液晶層１６の液晶分子は非選択電圧印加時に下基板１３から上基板１４に向けて基板面に平行な面内で略９０°右ツイストした状態となっている。
【００３４】
また、上偏光板３６の透過軸方向、下偏光板２８の透過軸方向はそれぞれ上基板１４側の配向膜３３のラビング方向，下基板１３側の配向膜２４のラビング方向に平行な方向に設定されている。すなわち、上偏光板３６の透過軸方向は図１における紙面に垂直な方向、下偏光板２８の透過軸方向は図１における紙面に水平な方向に設定されている。
【００３５】
位相差層２０の遅相軸は下基板１３側の配向膜２４のラビング方向に対して所定の角度αをなして配置されている。位相差層２０の遅相軸は段差部２１を形成後に配向層（図省略）を塗布し、配向処理を角度αで行う。この角度αは、配向膜２４のラビング方向に対して、上記ラビング方向に対して４５°付近に設定することで最大のコントラストを得ることができるが、本実施形態では、この角度αを変化させて、現在市場で求められている反射表示時のコントラストである５以上のコントラストを得るための角度条件を詳細に検討した。この結果、後述の［実施例］の項で示すように、角度αを、３０°以上５５°以下の範囲とすることが好ましい条件であることを見出した。
【００３６】
また、バックライト１２は、光源３７と反射板３８と導光板３９を有しており、導光板３９の下面側（液晶パネル１と反対側）には、導光板３９中を透過する光を液晶セル１１側に向けて出射させるための反射板４０が設けられている。
【００３７】
以下、本実施の形態の液晶表示装置１０の表示原理を図３，図４を用いて説明する。
まず、暗表示を行う場合には、図３に示すように、液晶層１６に電圧を印加した状態（選択電圧印加状態）とし、液晶層１６での位相のずれを０（位相差がない状態）としておく。反射表示（図３の左側参照）においては、上偏光板３６の上方から入射した光は、上偏光板３６の透過軸が紙面に垂直なので、上偏光板３６を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。そして、この直線偏光は、下基板１３上の位相差層２０により１／４波長の位相差が付与され、位相差層２０を透過した後、左回りの円偏光となる。次に、この円偏光が半透過反射層１８の表面で反射すると回転方向が反転して右回りの円偏光となり、位相差層２０を再度透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。ここで、上偏光板３６は紙面に垂直な透過軸を有しているので、この直線偏光は上偏光板３６に吸収されて外部（観察者側）へは戻らず、暗表示となる。
【００３８】
一方、透過表示（図３の中央部参照）においては、バックライト１２から出射された光は、下偏光板２８の透過軸が紙面に平行なので、下偏光板２８を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。この光は、反射モードと同様、上偏光板３６に吸収されるので、暗表示となる。
【００３９】
次に、明表示を行う場合には、図４に示すように、液晶層１６に電圧を印加しない状態（非選択電圧印加状態）とし、反射表示領域Ｒにおける位相のずれが１／４波長、透過表示領域Ｔにおける位相のずれが１／２波長となるようにする。反射表示（図４の左側参照）においては、上偏光板３６を透過した紙面に垂直な直線偏光は、液晶層１６を透過して１／４波長の位相のずれが付与され、位相差層２０の表面に到達した段階で左回りの円偏光となる。そして、位相差層２０を透過して紙面に平行な直線偏光となり、半透過反射層１８の表面でそのままの偏光状態で反射され位相差層２０を再度透過して左回りの円偏光に戻る。次に、この光が液晶層１６を再度透過して紙面に垂直な直線偏光に戻り、紙面に垂直な透過軸を有する上偏光板３６を透過して外部（観察者側）へ戻り、明表示となる。
【００４０】
一方、透過表示（図４の中央部参照）においては、バックライト１２から出射され、下偏光板２８を透過した紙面に平行な直線偏光は、液晶層１６によって１／２波長の位相のずれが付与され、液晶層１６を透過した段階で紙面に垂直な直線偏光となり、紙面に垂直な透過軸を有する上偏光板３６を透過して外部へ戻り、明表示となる。
【００４１】
また、透過表示において、下偏光板２８を透過した紙面に平行な直線偏光のうち、半透過反射層１８の裏面で反射した光は、そのまま下偏光板２８を透過してバックライト１２に戻り、バックライト１２下面の反射板４０で反射して再度液晶セル１１に向けて出射されるので、半透過反射層１８の裏面で反射した光を再利用して透過表示に寄与させることができる。
【００４２】
本実施の形態の液晶表示装置１０においては、下基板１３内面の反射表示領域Ｒにのみ１／４波長の位相差を持つ位相差層２０を設けるとともに、透過表示領域Ｔにおける液晶層厚を反射表示領域Ｒにおける液晶層厚の略２倍とし、電圧無印加時の液晶層１６の位相のずれを反射表示領域Ｒで１／４波長、透過表示領域Ｔで１／２波長としたことによって、透過表示については直線偏光のみによって透過表示を行うことが可能となり、図８に示す従来の装置で用いていた液晶セルの上下の位相差板をともに不要とすることができる。
【００４３】
この構成によれば、従来の構成において液晶層側から入射される円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題、半透過反射層の裏面で反射された照明光が下偏光板で吸収され、表示に再利用できない問題の双方を同時に解決することができるため、従来に比べて透過表示を明るくすることができる。また、本実施形態の場合、特に透過表示領域Ｔでの位相のずれを反射表示領域Ｒの２倍としたことにより、反射表示と透過表示とで上偏光板３６を透過する前の偏光状態を同一方向の直線偏光に揃えることができる。これにより、光の利用効率を最大限高めることができるとともに、高コントラストな表示が可能となる。
【００４４】
また、上記構成において、位相差層２０の遅相軸方向を下基板１３側の配向膜２４のラビング方向に対して３０°以上５５°以下の範囲としているため、反射表示において市場で求められる５以上のコントラストを得ることができる。
【００４５】
［電子機器］
上記実施の形態の液晶表示装置を備えた電子機器の例について説明する。
図５は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図５において、符号１０００は携帯電話本体を示し、符号１００１は上記の液晶表示装置を用いた液晶表示部を示している。
図５に示す電子機器は、上記実施の形態の液晶表示装置を用いた液晶表示部を備えているので、透過モードで明るい表示が得られる表示部を有する電子機器を実現することができる。
【００４６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施の形態では、反射表示領域Ｒ上の位相差層での位相差を１／４波長とし、透過表示領域Ｔの液晶層厚を反射表示領域Ｒの２倍とすることで、選択電圧印加時の液晶層１６の位相のずれが反射表示領域Ｒ，透過表示領域Ｔ共に０、非選択電圧印加時の液晶層１６の位相のずれが反射表示領域Ｒにおいて１／４波長、透過表示領域Ｔにおいて１／２波長とした。この設定が透過表示の輝度及びコントラストを最も高める構成ではあるが、各部の位相のずれは必ずしも上記の設定通りでなくてもよく、少なくとも反射表示領域Ｒにのみ位相のずれが付与され、その位相のずれを緩和すべく透過表示領域Ｔでの位相のずれが反射表示領域Ｒでの位相のずれよりも大きければよい。このような構成であれば、少なくとも従来よりも透過表示を明るくすることができる。
【００４７】
また、配向膜２４，３３のラビング方向と上偏光板３６の透過軸方向との関係を例えば図６のように変更し、位相差層２０の遅相軸方向を下基板１３側の配向膜３３のラビング方向に対して１２０°以上１５０°以下の範囲としても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合、下偏光板２８の透過軸方向は上偏光板３６の透過軸方向に対して垂直な方向とする。図６の構成は、上記実施形態の液晶パネル１１の上下を反転させた構造に対応し、図２の構成と実質的に同じ構成となっている。勿論、図２や図６において上偏光板及び下偏光板の透過軸方向を９０°回転させた構成としても同様の効果が得られる。
【００４８】
また、上記実施形態では、段差部２１やカラーフィルタ層５０を下基板１３側に設けた構成を例示したが、本発明はこれに限定されず、これらの段差部２１やカラーフィルタ層５０を上基板１４側に設けてもよい。勿論、段差部とカラーフィルタとを互いに異なる基板に設けてもよい。また、段差部２１は必ずしも位相差層２０と半透過反射層１８との間に配置される必要はなく、上基板１４と半透過反射層１８との間に配置されていればよい。
【００４９】
また、光利用効率を高めるために、下偏光板２８とバックライト１２との間に反射偏光板を設けてもよい。反射偏光板は、所定の方向の直線偏光を透過する透過軸を有し、その透過軸に直交する方向の直線偏光を反射する機能を持つものである。反射偏光板は、例えば下偏光板２８の外面側に設けられ、その透過軸が下偏光板２８の透過軸と略平行になるように配置される。このような構成とすることで、上記実施形態においてバックライト１２から出射され下偏光板で吸収されていた直線偏光成分は、反射偏光板によってバックライト１２側に反射されて再利用される。なお、このような反射偏光板としては、例えばＤ−ＢＥＦ（商品名、住友スリーエム（株）製）、ＰＣＦ（商品名、日東電工（株）製、特開平１０−３１９２３５号公報に開示されている）などが用いられる。
【００５０】
さらに、本発明は、上記実施の形態のようにアクティブマトリクス方式の透過反射型カラー液晶表示装置に限ることなく、パッシブマトリクス方式、白黒表示の液晶表示装置に適用することも可能である。
【００５１】
【実施例】
本発明者らは、本発明の効果を実証するために本発明に係る構成の液晶表示装置を実際に作製し、光学特性を測定した。その結果について以下、報告する。
【００５２】
（実施例１）
本実施例では、まず、透過表示特性及び反射表示特性を調べるために、図１，図２に示した液晶パネルと同様のマルチギャップ構造の液晶パネルを作製した。この際、位相差層の位相差値を１４５ｎｍに設定し、可視光の波長の略１／４波長となるようにした。また、位相差層の遅相軸方向を、下基板側の配向膜のラビング方向に対して４２°をなす方向とした。さらに、反射表示領域，透過表示領域における液晶層のリタデーションΔｎ・ｄをそれぞれ０．２４，０．４８に設定した。
【００５３】
そして、この液晶パネルに０〜６（Ｖ）まで電圧を印加しながら、透過表示領域における透過率及び反射表示領域における反射率を測定した。その結果、図７に示すように、電圧無印加時の透過率，反射率は共に３０％程度となり、透過表示時及び反射表示時の双方で良好な明表示が得られることがわかった。また、反射表示では、２．５（Ｖ）程度の電圧印加により反射率が５％を大きく下回っており、現在市場で要求されている５以上のコントラストを十分に確保できることがわかった。
【００５４】
（実施例２）
次に、本実施例では、反射表示時のコントラストの角度α（下基板側の配向膜のラビング方向に対する位相差層の遅相軸の交差角度）対する依存性を調べるために、上記角度αを変化させた５種類の液晶パネルＣ１〜Ｃ５を作製した。これらの液晶パネルＣ１〜Ｃ５は、図１，図２に示した液晶パネルと同様のマルチギャップ構造の液晶パネルであり、各液晶パネルＣ１〜Ｃ５における角度αは、下基板側の配向膜のラビング方向に対してそれぞれ２５°，３０°，４０°，５５°，６０°に設定されている。
また同様に、図６に基づいて各基板のラビング方向等を設定した液晶パネルＤ１〜Ｄ５を作製した。この際、各液晶パネルＤ１〜Ｄ５における角度αは、下基板側の配向膜のラビング方向に対してそれぞれ１２０°，１２５°，１３０°，１４５°，１５０°に設定されている。
【００５５】
なお、各パネルＣ１〜Ｃ５，Ｄ１〜Ｄ５における上記位相差層の位相差値はいずれも１４５ｎｍであり、可視光の波長の略１／４波長に対応した値となっている。また、反射表示領域，透過表示領域における液晶層のリタデーションΔｎ・ｄをそれぞれ０．２４，０．４８に設定した。
そして、電圧無印加時及び電圧印加時の反射率に基づいて、反射表示におけるコントラストを求めた（表１，表２参照）。
【００５６】
【表１】
【００５７】
【表２】
【００５８】
この結果、図２に基づいて軸方向等を設定した液晶パネルに関しては、角度αを３０°以上、５０°以下の範囲とすることで５以上のコントラストを得られることがわかった。また、図６に基づいて軸方向を設定したものに関しては、角度αを１２５°以上１４５°以下とすることで５以上のコントラストが得られることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の断面図である。
【図２】同、液晶表示装置を上基板側から見た場合の、各基板のラビング方向，偏光板の透過軸方向，位相差層の遅相軸方向を模式的に示す図である。
【図３】同、液晶表示装置の動作原理を説明するための図である。
【図４】同、液晶表示装置の動作原理を説明するための図である。
【図５】本発明に係る電子機器の一例を示す斜視図である。
【図６】各基板のラビング方向，偏光板の透過軸方向，位相差層の遅相軸方向の他の構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る液晶パネルのＶ−Ｔ特性を示す図である。
【図８】従来の液晶表示装置の断面構成図である。
【図９】図８の液晶表示装置の動作原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１３ 下基板 １４ 上基板 １６ 液晶層 １８ 半透過反射層（反射層） ２０ 位相差層 ２１ 段差部（液晶層厚補償層） ２８ 下偏光板 ３６ 上偏光板 Ｒ 反射表示領域 Ｔ 透過表示領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、半透過反射型の液晶表示装置及びこれを備えた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、明るい場所では、通常の反射型の液晶表示装置と同様に外光を利用し、暗い場所では、内部の光源により表示を視認可能にした液晶表示装置が提案されている。この液晶表示装置は、反射型と透過型を兼ね備えた表示方式を採用しており、周囲の明るさに応じて反射表示または透過表示のいずれかの表示方式に切り替えることにより、消費電力を低減しつつ周囲が暗い場合でも明瞭な表示を行うことができる。以下、本明細書では、この種の液晶表示装置のことを「半透過反射型液晶表示装置」という。半透過反射型液晶表示装置の一形態として、アルミニウム等の金属膜に光透過用の開口部を形成した反射膜を下基板の内面に備え、この反射膜を半透過反射膜として機能させるものが提案されている。この液晶表示装置は、金属膜を下基板の内面に設けることにより、下基板の厚みによるパララックスの影響を防ぎ、特にカラーフィルタを備えた構造では混色を防ぐという効果を持っている。なお、本明細書では液晶表示装置を構成する各基板の液晶側の面を「内面」、それと反対側の面を「外面」という。
【０００３】
図８は、この種の半透過反射膜を用いた半透過反射型液晶表示装置の一例を示している。
この液晶表示装置１００では、一対のガラス基板１０１，１０２間に液晶層１０３が挟持されており、下基板１０１の内面に、開口部１０４ａを有する半透過反射層１０４、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ， 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜からなる透明電極１０８が積層され、透明電極１０８を覆うように配向膜１０７が形成されている。一方、上基板１０２の内面には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる透明電極１１２が形成され、この透明電極１１２を覆うように配向膜１１３が形成されている。また、上基板１０２の外面側には、上基板１０２側から順に２枚の位相差板１１８、１１９（これら位相差板は１／４波長板１２０として機能する）、上偏光板１１４が配置され、下基板１０１の外面側には、１／４波長板１１５、下偏光板１１６がこの順に設けられている。また、光源１２２、導光板１２３、反射板１２４等からなるバックライト１１７（照明手段）が下偏光板１１６の下方に配置されている。なお、１／４波長板１１５，１２０は、ある波長帯域において直線偏光をほぼ円偏光にすることができるものである。
【０００４】
図８に示す半透過反射型液晶表示装置１００の表示原理を以下、図９を用いて説明する。なお、図９では、図８の液晶表示装置の構成要素のうち、表示原理の説明に必要なものだけを図示している。
まず、暗表示を行う場合には、液晶層１０３に電圧を印加して（オン状態として）液晶層１０３での位相差がない状態としておく。反射表示においては、上偏光板１１４の上方から入射した光は、上偏光板１１４の透過軸を紙面に垂直とすると、上偏光板１１４を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となり、さらに１／４波長板１２０を透過した後、左回りの円偏光となり、そのままの状態で液晶層１０３を透過する。そして、下基板１０１上の半透過反射層１０４の表面で反射すると回転方向が反転して右回りの円偏光となり、そのままの状態で液晶層１０３を透過し、１／４波長板１２０を透過した後、紙面に平行な直線偏光となる。ここで、上偏光板１１４は紙面に垂直な透過軸を有しているので、反射光は上偏光板１１４に吸収されて外部（観察者側）へは戻らず、暗表示となる。
【０００５】
一方、透過表示においては、バックライト１１７から出射された光は、下偏光板１１６の透過軸を紙面に平行とした場合、下偏光板１１６を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、さらに１／４波長板１１５を透過した後、右回りの円偏光となり、そのままの状態で液晶層１０３を透過する。そして、右回りの円偏光が１／４波長板１２０を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、反射モードと同様、上偏光板１１４に吸収されて暗表示となる。
【０００６】
次に、明表示を行う場合には、液晶層１０３に電圧を印加しない状態（オフ状態）とし、このときの液晶層１０３での複屈折効果により位相差が１／４波長になるように設定しておく。反射表示においては、上偏光板１１４の上方から入射し、上偏光板１１４、１／４波長板１２０を透過した後の左回りの円偏光は、液晶層１０３を透過して半透過反射層１０４の表面に到達した段階で紙面に平行な直線偏光となる。そして、半透過反射層１０４の表面で反射して液晶層１０３を透過すると、再度左回りの円偏光となり、１／４波長板１２０を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となる。ここで、上偏光板１１４は紙面に垂直な透過軸を有しているので、反射光は上偏光板１１４を透過して外部（観察者側）へ戻り、明表示となる。
【０００７】
一方、透過表示においては、バックライト１１７から入射し、下偏光板１１６、１／４波長板１１５を透過した後の右回りの円偏光は、液晶層１０３を透過した段階で紙面に垂直な直線偏光となる。そして、紙面に垂直な直線偏光が１／４波長板１２０を透過すると左回りの円偏光となり、上偏光板１１４は紙面に垂直な透過軸を有しているので、左回りの円偏光のうち、紙面に垂直な直線偏光のみが上偏光板１１４を透過して明表示となる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３２３５１０２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図８、図９に示す液晶表示装置１００によれば、外光の有無に関わらず表示の視認が可能ではあるものの、反射表示に比べて透過表示の明るさが不足するという問題があった。
その原因は、バックライト１１７から出射された光のうち、半透過反射層１０４の開口部１０４ａを通過しない光は、半透過反射層１０４の裏面で反射されると、回転方向が反転して左回りの円偏光となり、１／４波長板１１５を透過すると紙面に垂直な直線偏光になる。そして、この直線偏光が紙面に平行な透過軸を有する下偏光板１１６によって吸収されることになる。つまり、バックライト１１７から出射された光のうち、開口部１０４ａを通過しなかった光が、仮に下偏光板１１６に吸収されることなく下偏光板１１６を透過してバックライト１１７まで戻ってくれば、この戻り光が再度液晶セルに向けて出射され、バックライト１１７の輝度が実効的に向上するが、実際には半透過反射層１０４の裏面で反射した後、下偏光板１１６によってほぼ全てが吸収されてしまい、再利用できないからである。
【００１０】
さらに、図８に示した液晶表示装置においては、液晶層を挟持する一対の基板の両外面に複数の位相差板や偏光板を貼付する必要があるため、構成が複雑で部品点数が多く、製造コストがかかる、液晶表示装置の薄型化が図れない、等の問題を抱えていた。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、反射表示と透過表示の双方が可能な半透過反射型の液晶表示装置において、特に透過モード時に明るい表示が得られ、視認性に優れるとともに、構造が簡素化され、薄型化を実現した液晶表示装置とその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、優れた視認性を有し、薄型の液晶表示部を備えた電子機器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶表示装置は、互いに対向する上基板と下基板との間に液晶層が挟持され、１ドット内に、反射表示領域と、透過表示領域とを備えた半透過反射型の液晶表示装置であって、前記上基板の外面側に上偏光板が設けられるとともに前記下基板の外面側に下偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に下層側から反射層と位相差層とが設けられ、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相のずれが前記反射表示領域における前記液晶層の位相のずれよりも大きく、前記液晶層は誘電異方性が正の液晶組成物からなり、前記液晶層の液晶分子は、非選択電圧印加時に前記下基板と前記上基板との間において基板面に平行な面内で略９０°ツイストしており、前記位相差層の遅相軸は、前記下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して３０°以上５５°以下の角度をなして配置されたことを特徴とする。
【００１３】
或いは、本発明の液晶表示装置は、互いに対向する上基板と下基板との間に液晶層が挟持され、１ドット内に、反射表示領域と、透過表示領域とを備えた半透過反射型の液晶表示装置であって、前記上基板の外面側に上偏光板が設けられるとともに前記下基板の外面側に下偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に下層側から反射層と位相差層とが設けられ、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相のずれが前記反射表示領域における前記液晶層の位相のずれよりも大きく、前記液晶層は誘電異方性が正の液晶組成物からなり、前記液晶層の液晶分子は、非選択電圧印加時に前記下基板と前記上基板との間において基板面に平行な面内で略９０°ツイストしており、前記位相差層の遅相軸は、前記下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して１２５°以上１４５°以下の角度をなして配置されたことを特徴とする。
【００１４】
透過表示の明るさを低下させるいくつかの要因のうち、バックライトから出射され、半透過反射層の裏面で反射した光が下偏光板で吸収されてしまい、再利用できない点を解決すべく、本出願人は、下基板の内面側の透過表示領域にのみ位相差層（１／４波長）を設けた液晶表示装置を既に出願している。この構成によれば、下基板とバックライトとの間に位相差板（１／４波長板）を設けなくて済み、半透過反射層の裏面で反射した光はそのまま下偏光板を透過し、バックライトの反射板で反射して液晶パネル内に再入射するので、バックライト光の有効利用を図ることができる。ところが、この構成では、下側の位相差板を液晶パネルの内面に配置しただけであり、上側の位相差板、偏光板などの構成は変わらず、また、透過表示での表示原理も変わらないため、円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題、および、構造が複雑で部品点数が多い問題は解決されないままである。
【００１５】
そこで、本発明者らは、上記の構成とは逆に、下基板の内面の反射表示領域にのみ位相差層を設け、この位相差層の存在により反射表示領域にのみ位相差（位相のずれ）が付加されるのを補償すべく、透過表示領域での液晶層の位相差を反射表示領域での液晶層の位相差よりも大きくする構成に想到した。この構成においては、位相差層、液晶層の位相差等の設定条件によって透過表示において直線偏光のみで表示を行うことが可能となり、下側の位相差板のみならず、上側の位相差板も不要とすることができる。その結果、従来の構成において円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題を解決することができ、従来に比べて透過表示を明るくすることができる。また、従来に比べて構造が簡単になり、装置の薄型化を図ることができる。なお、本発明の液晶表示装置の表示原理については［発明の実施の形態］の項で説明する。
【００１６】
また、本発明では、液晶分子の配向方向と位相差層の遅相軸方向との関係を規定することにより、反射表示において、現在市場で求められている５以上のコントラストを実現した。なお、根拠となる実験結果については、［実施例］の項で後述する。
【００１７】
ところで、透過表示領域での液晶層の位相差を反射表示領域での液晶層の位相差よりも大きくする手段としては、例えば液晶層の厚さをｄ、液晶の屈折率異方性をΔｎとしたときに、位相差（リタデーション）はこれらの積Δｎ・ｄで表されるので、液晶層の厚さｄ、液晶の屈折率異方性Δｎの少なくともいずれか一方を透過表示領域と反射表示領域とで異ならせればよい。しかしながら、実際には透過表示領域と反射表示領域で液晶の屈折率異方性Δｎを大きく変えるのは困難なので、透過表示領域における液晶層の層厚を反射表示領域における液晶層の層厚よりも大きく設定することが容易である。
【００１８】
具体的には、前記上基板と前記下基板の前記反射層との間に、前記透過表示領域と前記反射表示領域とで前記液晶層の層厚を調整するための液晶層厚調整層を設けることが好ましい。
この構成とした場合、液晶層厚調整層の層厚を調整することにより、反射表示領域での液晶層の層厚を透過表示領域での液晶層の層厚よりも小さくする構造を容易に実現することができる。そして、例えば透過表示領域における液晶層の層厚を反射表示領域における液晶層の層厚の略２倍とすることも比較的容易にできる。
【００１９】
また、前記位相差層は、透過光に対して略１／４波長の位相差を付与するものであり、前記透過表示領域における前記液晶層の層厚が前記反射表示領域における前記液晶層の層厚の略２倍であり、選択電圧印加時における前記液晶層の位相のずれが、前記反射表示領域及び前記透過表示領域の双方で略０とされるとともに、非選択電圧印加時における前記液晶層の位相のずれが、前記反射表示領域で略１／４波長、透過表示領域で略１／２波長とすることが望ましい。
【００２０】
ここで、「１／４波長の位相のずれ」とは、光学異方体（例えば液晶や位相差板）に可視光領域の波長を有する直線偏光が入射したとき出射光が円偏光になることを意味し、「１／２波長の位相のずれ」とは、出射光が入射光の直線偏光の方向とは直交する方向を持つ直線偏光になることを意味し、「０の位相のずれ」もしくは「位相のずれがない」とは、出射光が入射光の直線偏光の方向と平行な方向を持つ直線偏光になることを意味する。
【００２１】
この構成によれば、反射表示と透過表示とで上偏光板の透過時の偏光状態を略同一方向の直線偏光に揃えることができ、反射表示領域における位相のずれと透過表示領域における位相のずれを略等しくすることができる。これにより、光の利用効率を最も向上でき、透過表示が最も明るい構成とすることができる。また、コントラストの高い表示を得ることができる。
またこの時、反射表示領域における液晶層の位相差を１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることが望ましい。このような液晶層の位相差の非常に小さい構成にすれば十分に旋光せず、反射表示領域における液晶層の選択電圧印加時もしくは非選択電圧印加時の位相のずれは、１／４波長もしくは０となる。
【００２２】
さらに、下偏光板の外面側に、下偏光板の透過軸と略平行な透過軸を有する反射偏光板を設けることが望ましい。
この構成によれば、バックライトから出射された光のうち、反射偏光板がない場合には下偏光板で吸収されてしまうはずの直線偏光が、反射偏光板で反射されてバックライトに戻ることでこの光も透過表示に再利用することができる。この直線偏光がいずれ反射偏光板を透過して表示に寄与できるのは、反射偏光板で反射した直線偏光が反射を繰り返すうち、偏光軸方向が変化し、当初とは異なる方向の偏光軸を有する直線偏光に変換されるからである。この構成を採用すると、透過表示をさらに明るくすることができる。
【００２３】
本発明の電子機器は、上記本発明の液晶表示装置を備えたことを特徴とする。この構成によれば、透過モード時の表示も明るく、視認性に優れた液晶表示部を備えた電子機器を提供することができる
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。
図１は本実施の形態の液晶表示装置の概略構成を示す断面図であり、１つのドット領域を拡大して示している。図２は本液晶表示装置を上基板側（即ち、表示面側）から見た場合の、偏光板や位相差層の軸方向等を模式的に示している。図３，図４はいずれも本液晶表示装置の表示原理を説明するための図であって、表示原理の説明に必要な構成要素のみを示す図である。本実施の形態はアクティブマトリクス方式の半透過反射型カラー液晶表示装置の例である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００２５】
本実施の形態の液晶表示装置１０は、図１に示すように、液晶セル１１とバックライト１２（照明装置）とを備えたものである。液晶セル１１は、下基板１３と上基板１４とが対向配置され、これら上基板１４と下基板１３と挟まれた空間に誘電率異方性が正のＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶が封入されて液晶層１６が形成されている。そして、液晶セル１１の後面側（下基板１３の外面側）にバックライト１２が配置されている。
【００２６】
ガラスやプラスチックなどの透光性材料からなる下基板１３の内面側には、アルミニウム、銀、またはこれらの合金等の反射率の高い金属膜からなる半透過反射層１８が形成されている。半透過反射層１８には、バックライト１２から出射された光を透過させるための開口部１８ａが各画素毎に設けられており、半透過反射層１８の形成領域のうち、実際に金属膜が存在している部分が反射表示領域Ｒ、開口部１８ａの部分が透過表示領域Ｔを構成している。
【００２７】
また、下基板１３の内面側には、反射表示用のカラーフィルタ５０Ｒと透過表示用のカラーフィルタ５０Ｔとからなるカラーフィルタ層５０（５０Ｒ，５０Ｔ）が設けられている。反射表示用のカラーフィルタ５０Ｒは反射表示領域Ｒにあたる半透過反射層１８の上に設けられており、透過表示用のカラーフィルタ５０Ｔは透過表示領域Ｔにあたる半透過反射層１８の開口部１８ａに設けられている。なお、透過表示領域Ｔでは光がカラーフィルタ５０Ｔを透過する回数が一回であるのに対し、反射表示領域Ｒでは光はフィルタ内を二回透過するため、各領域Ｒ，Ｔでの色バランスをとるために、反射表示用のカラーフィルタ５０Ｒは透過表示用のカラーフィルタ５０Ｔよりも色の彩度が低くなるように調整されている。また、図１では１ドットのみを示しており、上記カラーフィルタ５０Ｒ，５０ＴはＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のいずれかの色に対応しているが、基板全体では各色Ｒ，Ｇ，Ｂに対応するカラーフィルタがマトリクス状に形成された構造となっている。
【００２８】
このカラーフィルタ層５０上の反射表示領域Ｒに対応する位置には、段差部２１と、位相差層２０とが順に積層されている。
位相差層２０は、液晶セル１１に入射される可視光に１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の位相のずれを付与するものであり、可視光に対して１／４波長板として機能する。この位相差層２０は、例えば液晶性モノマーを光重合して形成された高分子液晶として構成されている。
【００２９】
段差部２１はアクリル樹脂等の絶縁膜からなり、液晶層１６に対して突出するように設けられている。この段差部２１は液晶層厚の略１／２の厚みを有しており、透過表示領域Ｔに対して反射表示領域Ｒでの液晶層厚を小さくするための液晶層厚調整層として機能する。すなわち、反射表示領域Ｒにこのような段差部２１を設けることで、透過表示における液晶層１６の位相のずれを反射表示時の略２倍とすることができる。本実施形態では、特に、反射表示領域Ｒにおける液晶層１６の位相のずれが１／４波長（ここでは、緑（５５０ｎｍ）の波長を基準としている）、透過表示領域Ｔにおける液晶層１６の位相のずれが１／２波長となるように、液晶の屈折率異方性Δｎ，液晶層厚ｄ，段差部２１の膜厚が設定されている。
【００３０】
また、下基板１３上には、これらの位相差層２０，段差部２１，カラーフィルタ層５０を覆うように、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる画素電極２３が形成されており、更に、この画素電極２３を覆うようにポリイミド等からなる配向膜２４が積層されている。本実施形態の場合、下基板１３はＴＦＴ等の画素スイッチング素子、データ線、走査線等が形成された素子基板として構成されているが、図１においては画素スイッチング素子、データ線、走査線等の図示は省略する。また、下基板１３の外面側には下偏光板２８が設けられており、従来の位相差板は設けられていない。
【００３１】
一方、ガラスやプラスチックなどの透光性材料からなる上基板１４の内面側には、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる共通電極３２、ポリイミド等からなる配向膜３３が順次積層されている。また、上基板１４の外面側には上偏光板３６が設けられており、従来の位相差板は設けられていない。
【００３２】
図２に、本実施形態の液晶パネル１１における各基板１３，１４の配向膜２４，３３のラビング方向と、位相差層２０の遅相軸方向と、上偏光板３６の透過軸方向との関係を示す。なお、図２は液晶パネル１１を上偏光板３６側から見た図である。
【００３３】
上基板１４側及び下基板１３側の配向膜３３，２４は共にラビング処理（水平配向処理）がなされており、上基板１４側の配向膜３３の配向方向（ラビング方向）は図２における紙面下向きの方向（即ち、図１における紙面に垂直な方向）、下基板１３の配向膜２４の配向方向は図２における紙面右側の方向（即ち、図１における紙面に水平な方向）にそれぞれ設定されている。このため、液晶層１６の液晶分子は非選択電圧印加時に下基板１３から上基板１４に向けて基板面に平行な面内で略９０°右ツイストした状態となっている。
【００３４】
また、上偏光板３６の透過軸方向、下偏光板２８の透過軸方向はそれぞれ上基板１４側の配向膜３３のラビング方向，下基板１３側の配向膜２４のラビング方向に平行な方向に設定されている。すなわち、上偏光板３６の透過軸方向は図１における紙面に垂直な方向、下偏光板２８の透過軸方向は図１における紙面に水平な方向に設定されている。
【００３５】
位相差層２０の遅相軸は下基板１３側の配向膜２４のラビング方向に対して所定の角度αをなして配置されている。位相差層２０の遅相軸は段差部２１を形成後に配向層（図省略）を塗布し、配向処理を角度αで行う。この角度αは、配向膜２４のラビング方向に対して、上記ラビング方向に対して４５°付近に設定することで最大のコントラストを得ることができるが、本実施形態では、この角度αを変化させて、現在市場で求められている反射表示時のコントラストである５以上のコントラストを得るための角度条件を詳細に検討した。この結果、後述の［実施例］の項で示すように、角度αを、３０°以上５５°以下の範囲とすることが好ましい条件であることを見出した。
【００３６】
また、バックライト１２は、光源３７と反射板３８と導光板３９を有しており、導光板３９の下面側（液晶パネル１と反対側）には、導光板３９中を透過する光を液晶セル１１側に向けて出射させるための反射板４０が設けられている。
【００３７】
以下、本実施の形態の液晶表示装置１０の表示原理を図３，図４を用いて説明する。
まず、暗表示を行う場合には、図３に示すように、液晶層１６に電圧を印加した状態（選択電圧印加状態）とし、液晶層１６での位相のずれを０（位相差がない状態）としておく。反射表示（図３の左側参照）においては、上偏光板３６の上方から入射した光は、上偏光板３６の透過軸が紙面に垂直なので、上偏光板３６を透過した後、紙面に垂直な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。そして、この直線偏光は、下基板１３上の位相差層２０により１／４波長の位相差が付与され、位相差層２０を透過した後、左回りの円偏光となる。次に、この円偏光が半透過反射層１８の表面で反射すると回転方向が反転して右回りの円偏光となり、位相差層２０を再度透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。ここで、上偏光板３６は紙面に垂直な透過軸を有しているので、この直線偏光は上偏光板３６に吸収されて外部（観察者側）へは戻らず、暗表示となる。
【００３８】
一方、透過表示（図３の中央部参照）においては、バックライト１２から出射された光は、下偏光板２８の透過軸が紙面に平行なので、下偏光板２８を透過した後、紙面に平行な直線偏光となり、そのままの状態で液晶層１６を透過する。この光は、反射モードと同様、上偏光板３６に吸収されるので、暗表示となる。
【００３９】
次に、明表示を行う場合には、図４に示すように、液晶層１６に電圧を印加しない状態（非選択電圧印加状態）とし、反射表示領域Ｒにおける位相のずれが１／４波長、透過表示領域Ｔにおける位相のずれが１／２波長となるようにする。反射表示（図４の左側参照）においては、上偏光板３６を透過した紙面に垂直な直線偏光は、液晶層１６を透過して１／４波長の位相のずれが付与され、位相差層２０の表面に到達した段階で左回りの円偏光となる。そして、位相差層２０を透過して紙面に平行な直線偏光となり、半透過反射層１８の表面でそのままの偏光状態で反射され位相差層２０を再度透過して左回りの円偏光に戻る。次に、この光が液晶層１６を再度透過して紙面に垂直な直線偏光に戻り、紙面に垂直な透過軸を有する上偏光板３６を透過して外部（観察者側）へ戻り、明表示となる。
【００４０】
一方、透過表示（図４の中央部参照）においては、バックライト１２から出射され、下偏光板２８を透過した紙面に平行な直線偏光は、液晶層１６によって１／２波長の位相のずれが付与され、液晶層１６を透過した段階で紙面に垂直な直線偏光となり、紙面に垂直な透過軸を有する上偏光板３６を透過して外部へ戻り、明表示となる。
【００４１】
また、透過表示において、下偏光板２８を透過した紙面に平行な直線偏光のうち、半透過反射層１８の裏面で反射した光は、そのまま下偏光板２８を透過してバックライト１２に戻り、バックライト１２下面の反射板４０で反射して再度液晶セル１１に向けて出射されるので、半透過反射層１８の裏面で反射した光を再利用して透過表示に寄与させることができる。
【００４２】
本実施の形態の液晶表示装置１０においては、下基板１３内面の反射表示領域Ｒにのみ１／４波長の位相差を持つ位相差層２０を設けるとともに、透過表示領域Ｔにおける液晶層厚を反射表示領域Ｒにおける液晶層厚の略２倍とし、電圧無印加時の液晶層１６の位相のずれを反射表示領域Ｒで１／４波長、透過表示領域Ｔで１／２波長としたことによって、透過表示については直線偏光のみによって透過表示を行うことが可能となり、図８に示す従来の装置で用いていた液晶セルの上下の位相差板をともに不要とすることができる。
【００４３】
この構成によれば、従来の構成において液晶層側から入射される円偏光の略半分が上偏光板で吸収されることで透過表示が暗くなる問題、半透過反射層の裏面で反射された照明光が下偏光板で吸収され、表示に再利用できない問題の双方を同時に解決することができるため、従来に比べて透過表示を明るくすることができる。また、本実施形態の場合、特に透過表示領域Ｔでの位相のずれを反射表示領域Ｒの２倍としたことにより、反射表示と透過表示とで上偏光板３６を透過する前の偏光状態を同一方向の直線偏光に揃えることができる。これにより、光の利用効率を最大限高めることができるとともに、高コントラストな表示が可能となる。
【００４４】
また、上記構成において、位相差層２０の遅相軸方向を下基板１３側の配向膜２４のラビング方向に対して３０°以上５５°以下の範囲としているため、反射表示において市場で求められる５以上のコントラストを得ることができる。
【００４５】
［電子機器］
上記実施の形態の液晶表示装置を備えた電子機器の例について説明する。
図５は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図５において、符号１０００は携帯電話本体を示し、符号１００１は上記の液晶表示装置を用いた液晶表示部を示している。
図５に示す電子機器は、上記実施の形態の液晶表示装置を用いた液晶表示部を備えているので、透過モードで明るい表示が得られる表示部を有する電子機器を実現することができる。
【００４６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施の形態では、反射表示領域Ｒ上の位相差層での位相差を１／４波長とし、透過表示領域Ｔの液晶層厚を反射表示領域Ｒの２倍とすることで、選択電圧印加時の液晶層１６の位相のずれが反射表示領域Ｒ，透過表示領域Ｔ共に０、非選択電圧印加時の液晶層１６の位相のずれが反射表示領域Ｒにおいて１／４波長、透過表示領域Ｔにおいて１／２波長とした。この設定が透過表示の輝度及びコントラストを最も高める構成ではあるが、各部の位相のずれは必ずしも上記の設定通りでなくてもよく、少なくとも反射表示領域Ｒにのみ位相のずれが付与され、その位相のずれを緩和すべく透過表示領域Ｔでの位相のずれが反射表示領域Ｒでの位相のずれよりも大きければよい。このような構成であれば、少なくとも従来よりも透過表示を明るくすることができる。
【００４７】
また、配向膜２４，３３のラビング方向と上偏光板３６の透過軸方向との関係を例えば図６のように変更し、位相差層２０の遅相軸方向を下基板１３側の配向膜３３のラビング方向に対して１２０°以上１５０°以下の範囲としても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合、下偏光板２８の透過軸方向は上偏光板３６の透過軸方向に対して垂直な方向とする。図６の構成は、上記実施形態の液晶パネル１１の上下を反転させた構造に対応し、図２の構成と実質的に同じ構成となっている。勿論、図２や図６において上偏光板及び下偏光板の透過軸方向を９０°回転させた構成としても同様の効果が得られる。
【００４８】
また、上記実施形態では、段差部２１やカラーフィルタ層５０を下基板１３側に設けた構成を例示したが、本発明はこれに限定されず、これらの段差部２１やカラーフィルタ層５０を上基板１４側に設けてもよい。勿論、段差部とカラーフィルタとを互いに異なる基板に設けてもよい。また、段差部２１は必ずしも位相差層２０と半透過反射層１８との間に配置される必要はなく、上基板１４と半透過反射層１８との間に配置されていればよい。
【００４９】
また、光利用効率を高めるために、下偏光板２８とバックライト１２との間に反射偏光板を設けてもよい。反射偏光板は、所定の方向の直線偏光を透過する透過軸を有し、その透過軸に直交する方向の直線偏光を反射する機能を持つものである。反射偏光板は、例えば下偏光板２８の外面側に設けられ、その透過軸が下偏光板２８の透過軸と略平行になるように配置される。このような構成とすることで、上記実施形態においてバックライト１２から出射され下偏光板で吸収されていた直線偏光成分は、反射偏光板によってバックライト１２側に反射されて再利用される。なお、このような反射偏光板としては、例えばＤ−ＢＥＦ（商品名、住友スリーエム（株）製）、ＰＣＦ（商品名、日東電工（株）製、特開平１０−３１９２３５号公報に開示されている）などが用いられる。
【００５０】
さらに、本発明は、上記実施の形態のようにアクティブマトリクス方式の透過反射型カラー液晶表示装置に限ることなく、パッシブマトリクス方式、白黒表示の液晶表示装置に適用することも可能である。
【００５１】
【実施例】
本発明者らは、本発明の効果を実証するために本発明に係る構成の液晶表示装置を実際に作製し、光学特性を測定した。その結果について以下、報告する。
【００５２】
（実施例１）
本実施例では、まず、透過表示特性及び反射表示特性を調べるために、図１，図２に示した液晶パネルと同様のマルチギャップ構造の液晶パネルを作製した。この際、位相差層の位相差値を１４５ｎｍに設定し、可視光の波長の略１／４波長となるようにした。また、位相差層の遅相軸方向を、下基板側の配向膜のラビング方向に対して４２°をなす方向とした。さらに、反射表示領域，透過表示領域における液晶層のリタデーションΔｎ・ｄをそれぞれ０．２４，０．４８に設定した。
【００５３】
そして、この液晶パネルに０〜６（Ｖ）まで電圧を印加しながら、透過表示領域における透過率及び反射表示領域における反射率を測定した。その結果、図７に示すように、電圧無印加時の透過率，反射率は共に３０％程度となり、透過表示時及び反射表示時の双方で良好な明表示が得られることがわかった。また、反射表示では、２．５（Ｖ）程度の電圧印加により反射率が５％を大きく下回っており、現在市場で要求されている５以上のコントラストを十分に確保できることがわかった。
【００５４】
（実施例２）
次に、本実施例では、反射表示時のコントラストの角度α（下基板側の配向膜のラビング方向に対する位相差層の遅相軸の交差角度）対する依存性を調べるために、上記角度αを変化させた５種類の液晶パネルＣ１〜Ｃ５を作製した。これらの液晶パネルＣ１〜Ｃ５は、図１，図２に示した液晶パネルと同様のマルチギャップ構造の液晶パネルであり、各液晶パネルＣ１〜Ｃ５における角度αは、下基板側の配向膜のラビング方向に対してそれぞれ２５°，３０°，４０°，５５°，６０°に設定されている。
また同様に、図６に基づいて各基板のラビング方向等を設定した液晶パネルＤ１〜Ｄ５を作製した。この際、各液晶パネルＤ１〜Ｄ５における角度αは、下基板側の配向膜のラビング方向に対してそれぞれ１２０°，１２５°，１３０°，１４５°，１５０°に設定されている。
【００５５】
なお、各パネルＣ１〜Ｃ５，Ｄ１〜Ｄ５における上記位相差層の位相差値はいずれも１４５ｎｍであり、可視光の波長の略１／４波長に対応した値となっている。また、反射表示領域，透過表示領域における液晶層のリタデーションΔｎ・ｄをそれぞれ０．２４，０．４８に設定した。
そして、電圧無印加時及び電圧印加時の反射率に基づいて、反射表示におけるコントラストを求めた（表１，表２参照）。
【００５６】
【表１】
【表２】
この結果、図２に基づいて軸方向等を設定した液晶パネルに関しては、角度αを３０°以上、５０°以下の範囲とすることで５以上のコントラストを得られることがわかった。また、図６に基づいて軸方向を設定したものに関しては、角度αを１２５°以上１４５°以下とすることで５以上のコントラストが得られることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の断面図である。
【図２】同、液晶表示装置を上基板側から見た場合の、各基板のラビング方向，偏光板の透過軸方向，位相差層の遅相軸方向を模式的に示す図である。
【図３】同、液晶表示装置の動作原理を説明するための図である。
【図４】同、液晶表示装置の動作原理を説明するための図である。
【図５】本発明に係る電子機器の一例を示す斜視図である。
【図６】各基板のラビング方向，偏光板の透過軸方向，位相差層の遅相軸方向の他の構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る液晶パネルのＶ−Ｔ特性を示す図である。
【図８】従来の液晶表示装置の断面構成図である。
【図９】図８の液晶表示装置の動作原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１３ 下基板 １４ 上基板 １６ 液晶層 １８ 半透過反射層（反射層） ２０ 位相差層 ２１ 段差部（液晶層厚補償層） ２８ 下偏光板 ３６ 上偏光板 Ｒ 反射表示領域 Ｔ 透過表示領域
Claims (7)
- 互いに対向する上基板と下基板との間に液晶層が挟持され、１ドット内に、反射表示領域と、透過表示領域とを備えた半透過反射型の液晶表示装置であって、
前記上基板の外面側に上偏光板が設けられるとともに前記下基板の外面側に下偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に下層側から反射層と位相差層とが設けられ、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相のずれが前記反射表示領域における前記液晶層の位相のずれよりも大きく、前記液晶層は誘電異方性が正の液晶組成物からなり、前記液晶層の液晶分子は、非選択電圧印加時に前記下基板と前記上基板との間において基板面に平行な面内で略９０°ツイストしており、前記位相差層の遅相軸は、前記下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して３０°以上５５°以下の角度をなして配置されたことを特徴とする、液晶表示装置。 - 互いに対向する上基板と下基板との間に液晶層が挟持され、１ドット内に、反射表示領域と、透過表示領域とを備えた半透過反射型の液晶表示装置であって、
前記上基板の外面側に上偏光板が設けられるとともに前記下基板の外面側に下偏光板が設けられ、前記下基板の内面側の前記反射表示領域に下層側から反射層と位相差層とが設けられ、選択電圧印加時、非選択電圧印加時のいずれか一方において、前記透過表示領域における前記液晶層の位相のずれが前記反射表示領域における前記液晶層の位相のずれよりも大きく、前記液晶層は誘電異方性が正の液晶組成物からなり、前記液晶層の液晶分子は、非選択電圧印加時に前記下基板と前記上基板との間において基板面に平行な面内で略９０°ツイストしており、前記位相差層の遅相軸は、前記下基板の内面に接する液晶分子の配向方向に対して１２５°以上１４５°以下の角度をなして配置されたことを特徴とする、液晶表示装置。 - 前記透過表示領域における前記液晶層の層厚が前記反射表示領域における前記液晶層の層厚よりも大きいことを特徴とする、請求項１又は２記載の液晶表示装置。
- 前記上基板と前記下基板の前記反射層との間に、前記透過表示領域と前記反射表示領域とで前記液晶層の層厚を調整するための液晶層厚調整層が設けられたことを特徴とする、請求項３記載の液晶表示装置。
- 前記位相差層は、透過光に対して略１／４波長の位相差を付与するものであり、前記透過表示領域における前記液晶層の層厚が前記反射表示領域における前記液晶層の層厚の略２倍であり、選択電圧印加時における前記液晶層の位相のずれが、前記反射表示領域及び前記透過表示領域の双方で略０とされるとともに、非選択電圧印加時における前記液晶層の位相のずれが、前記反射表示領域で略１／４波長、透過表示領域で略１／２波長とされることを特徴とする、請求項３又は４記載の液晶表示装置。
- 前記下基板の外面側に、前記下偏光板の透過軸とほぼ平行な透過軸を有する反射偏光板が設けられたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかの項に記載の液晶表示装置。
- 請求項１〜６のいずれかの項に記載の液晶表示装置を備えたことを特徴とする電子機器。
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