JP3619518B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワードプロセッサやパーソナルコンピュータなどのＯＡ機器や、電子手帳等の携帯情報機器、あるいは、液晶モニターを備えたカメラ一体型ＶＴＲ等に用いられる反射型液晶表示装置および反射型と透過型と兼ね備えた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイは、ＣＲＴ（ブラウン管）やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）とは異なり自らは発光しないため、バックライトを液晶表示素子の背面に設置して照明する透過型液晶表示装置が用いられている。
【０００３】
しかしながら、バックライトは通常液晶ディスプレイの全消費電力のうち５０％以上を消費するため、戸外や常時携帯して使用する機会が多い携帯情報機器ではバックライトの代わりに反射板を設置し、周囲光のみで表示を行う反射型液晶表示装置も実現されている。
【０００４】
反射型液晶表示装置で用いられる表示モードには、現在透過型で広く用いられているＴＮ（ツイステッドネマティック）モード、ＳＴＮ（スーパーツイステッドネマティック）モードといった偏光板を利用するタイプの他、偏光板を用いないために明るい表示が実現できる相転移型ゲストホストモードも近年盛んに開発が行われており、例えば特開平４−７５０２２号公報及び特願平７−２２８３６５号に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、相転移型ゲストホストモードは、液晶分子と色素を分散させた液晶層において色素の光吸収を用いて表示を行なうためコントラストが十分とれず、ＴＮ（ツイステッドネマティック）モード及びＳＴＮ（スーパーツイステッドネマティック）モードといった偏光板を利用するタイプの液晶表示装置に比べて表示品位は著しく悪くなる。
【０００６】
また、平行配向若しくはツイスト配向の液晶表示装置の場合には、液晶層の中心付近の液晶分子は電圧印加時に基板面に対して垂直方向に傾くが、配向膜表面付近の液晶分子は電圧を印加しても基板に対して垂直にならないため液晶層の複屈折率は０には程遠く、電圧印加時に黒表示を行う表示モードの場合、液晶層の複屈折のため十分な黒が表示できず、十分なコントラストを得ることができない。
【０００７】
ＴＮモード及びＳＴＮモードの液晶表示装置も現在では輝度やコントラストの点で十分な表示品位を有するとは言い難く、更なる高輝度化及びコントラストの向上等の表示品位の向上が求められている。
【０００８】
また、反射型液晶表示装置は、周囲の光が暗い場合に表示に用いる反射光が低下し視認性が極端に低下するという欠点を有し、一方透過型液晶表示装置はこれとは逆に周囲光が非常に明るい晴天下等での視認性が低下する問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方基板と他方基板の間に液晶層が挟持され、前記他方基板の前記液晶層とは反対の面に設けられた第１の偏光手段と、前記一方基板の前記液晶層とは反対の面に設けられた第２の偏光手段とを有する液晶表示装置において、前記一方基板は反射機能を有する領域と透過機能を有する領域とを備え、１つの絵素の中に反射表示領域と透過表示領域とが分割して形成され、前記第１の偏光手段と前記液晶層との間に設けられた第１の位相差板と、前記第２の偏光手段と前記液晶層との間に設けられた第２の位相差板とを備えており、前記第１の偏光手段と前記第２の偏光手段との間に、前記液晶層の液晶分子が概ね基板面の垂直方向に向いているときに液晶層に残存するリターデーションを補償する光学補償層が設けられることを特徴としている。
【００１４】
以下に本発明による作用について説明する。
【００１５】
反射機能を有する領域と透過機能を有する領域とを備えた液晶表示装置が第１の偏光手段と第２の偏光手段と第１の位相差板と第２の位相差板とを有することにより、反射機能を有する領域の反射光で表示を行う反射モードでは、液晶層の観測者方向のリターデーション（複屈折率）が０（垂直配向モードでは、初期配向状態、平行配向モードでは電圧印加状態）であれば、第１の偏光手段を透過した直線偏光が第１の位相差板と液晶層を透過して反射し再び液晶層と第１の位相差板を通過して第１の偏光手段に入射する際に、第１の偏光手段の透過軸と直交する偏光成分が多いため暗表示が可能となり、また、観測者方向にリターデーションが生じれば、第１の偏光手段を透過した直線偏光が第１の位相差板と液晶層を透過して反射し再び液晶層と第１の位相差板を通過して第１の偏光手段に入射する際に、第１の偏光手段の透過軸と平行する偏光成分を有するため各々のリターデーションに対応した階調を有する明表示が可能となる。
【００１６】
透過機能を有する領域の透過光で表示を行う透過モードでは、液晶層の観測者方向のリターデーションがほぼ０であれば、第２の偏光手段を通過した直線偏光が、第２の位相差板、液晶層及び第１の位相差板を通過して第１の偏光手段に入射する際に、第１の偏光手段の透過軸と直交する偏光成分が多いため暗表示が可能となり、また、観測者方向にリターデーションが大きくなると、第２の偏光手段を通過した直線偏光が、第２の位相差板、液晶層及び第１の位相差板を通過して第１の偏光手段に入射する際に、第１の偏光手段の透過軸と平行する偏光成分を有するため各々のリターデーションに対応した階調を有する明表示が可能となる。
【００１７】
よって、反射モードおよび透過モードを併用した場合に同時に暗表示が可能となり両方併用してもコントラストの高い表示が可能となる。さらに電圧によりリターデーション値を変化させることで階調表示が可能となる。
【００１８】
また、第１の位相差板と第２の位相差板のリターデーションがλ／４条件に設定されていることにより、反射機能を有する領域の反射光で表示を行う反射モードでは、観測者方向に液晶層による複屈折がほとんどない状態では、円偏光が入射し、反射機能を有する領域で反射して回転方向が逆転した円偏光となり、第１の位相差板を通過すると第１の偏光手段の透過軸と直交する直線偏光となる。この液晶表示装置の反射領域では光アイソレーターとして働くので光漏れの少ない暗表示となる。
【００１９】
また、観測者方向に液晶層による複屈折がある状態では、そのリタデーションを変化させることで、第１の偏光手段に入射した光が反射して再び第１の偏光手段に入射する際に、第１の偏光手段の透過軸と平行な偏光成分が生じて入射されるため、階調表示か可能な明表示となる。
【００２０】
次ぎに透過機能を有する領域の透過光で表示を行う透過モードでは、観測者方向に液晶層による複屈折がほとんどない状態では、液晶層に円偏光が入射し液晶層通過時には円偏光が保存され、第１の位相差板を通過して第１の偏光手段の透過軸と直交する直線偏光となり光漏れの少ない暗表示となる。また、観測者方向に液晶層による複屈折がある状態ではそのリターデーションが変化するため、第２の偏光手段から入射した光が第１の偏光手段に入射する際に第１の偏光手段の透過軸と平行な偏光成分となって入射されるため階調表示が可能な明表示となる。
【００２１】
したがって、反射モードおよび透過モードを併用した場合でも暗表示時の液晶分子の状態が同じであり、同時に光漏れのない暗表示が可能となり、周囲光強度がどのような状態であっても反射型、透過型或いは両用型としてコントラストの高い表示が実現される。
【００２２】
また、反射領域の液晶層のリターデーションがαだけ残存する場合に第１の位相差板のリターデーションが（λ／４−α）条件に設定されていることにより、平行配向処理された表示モードや、垂直配向処理でもプレチルト角が大きい場合など、残存するリターデーションが無視できない場合でも反射型としてコントラストの高い表示が実現される。反射モードでは、液晶層には、円偏光から残存しているリターデーション分ずれた楕円偏光が入射する。液晶層を通過し、反射機能を有する領域で円偏光となり、反射して回転方向が逆転した円偏光となる。液晶層を通過して液晶層から出射する時、円偏光からずれた楕円偏光となる。このときの楕円偏光は、入射時と位相が９０度ずれた状態である。このため、第１の位相差板を通過すると第１の偏光手段の透過軸と直交する直線偏光となる。この液晶表示装置の反射領域では光アイソレーターとして働くので光漏れの少ない暗表示となる。
【００２３】
したがって、残存するリターデーションが無視できない場合でも反射型としてコントラストの高い表示が実現される。
【００２４】
反射電極の面積が透過電極の面積より大きい場合等、反射型表示がメインとなる場合、実施形態で示す位相差板１０はλ／４板のままでかまわない。
【００２５】
また、反射領域の液晶層のリターデーションがαだけ残存し、透過領域の液晶層のリターデーションがβだけ残存する場合に、第１の位相差板のリターデーションが（λ／４−α）条件に、第２の位相差板のリターデーションが（λ／４−（β−α））条件に設定されていることにより、平行配向処理された表示モードや、垂直配向処理でもプレチルト角が大きい場合など、残存するリターデーションが無視できない場合でも反射型、透過型或いは両用型としてコントラストの高い表示が実現される。反射モードでは、液晶層には、円偏光から残存しているリターデーション分ずれた楕円偏光が入射する。液晶層を通過し、反射機能を有する領域で円偏光となり、反射して回転方向が逆転した円偏光となる。液晶層を通過して液晶層から出射する時、円偏光からずれた楕円偏光となる。このときの楕円偏光は、入射時と位相が９０度ずれた状態である。このため、第１の位相差板を通過すると第１の偏光手段の透過軸と直交する直線偏光となる。この液晶表示装置の反射領域では光アイソレーターとして働くので光漏れの少ない暗表示となる。
【００２６】
次に透過機能を有する領域の透過光で表示を行う透過モードでは、観測者方向に液晶層による複屈折がほとんどない状態では、液晶層を出射したとき反射モードの出射光と同じ状態の楕円偏光となるように第２の位相差板が設定され、その位相差を有した楕円偏光が入射するので、第１の位相差板を通過した時、第１の偏光手段の透過軸と直交する直線偏光となり光漏れの少ない暗表示となる。
【００２７】
したがって、残存するリターデーションが無視できない場合でも反射型、透過型或いは両用型としてコントラストの高い表示が実現される。
【００２８】
また、第１の位相差板及び第２の位相差板がλ／４板からなり、第１の偏光手段の透過軸と第１の位相差板とのなす角度が４５°かつ第２の偏光手段の透過軸と第２の位相差板とのなす角度が４５°であることにより、残存するリターデーションが無視できる場合、最も簡単な構成で、液晶層に円偏光を入射させることができる。
【００２９】
また、負の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた垂直配向液晶層を用いれば、液晶層の電圧無印加時には液晶層の複屈折率はほぼ０であり、電圧無印加時に良好な黒レベルが得られ、表示装置のコントラストが向上する。
【００３０】
また、液晶層の光の入射方向や視角方向で発生する液晶分子の屈折率異方性に起因する影響を補償するような光学補償層を設けることにより、液晶層の光の入射方向や視角方向で発生する屈折率異方性を補償することができ、光の入射方向や視角方向に依存するコントラストの低下を防止できる。
【００３１】
また、負の誘電性異方性を示す液晶材料を用いた垂直配向液晶層にカイラル材を添加し電圧印加時に液晶分子を旋回させれば、電圧印加時の液晶分子の旋回を安定したものとすることができる。更に上下基板のラビング方向を同一方向以外に施す場合、配向処理の軌跡が同一方向でなくなるため筋目が目立ちにくくなる。
【００３２】
また、液晶層が９０°ツイストしていれば、電圧印加時のディスクリネーション防止のため基板に対し数度傾斜して配向させた場合に液晶分子の傾斜方向にリターデーションが発生するが、基板付近の液晶分子の傾斜した方向が上下の基板付近で互いに９０°の角度をなしているため、発生するリターデーションを打ち消すことができ、漏れ光が少ない黒表示が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１について図１を用いて説明する。
【００３４】
基板１にＡｌ、Ｔａ等の反射率の高い材料で反射電極３が形成され、基板２に対向電極４が形成され、反射電極３と対向電極４の間に負の誘電率異方性を示す液晶材料からなる液晶層５が挟持されている。
【００３５】
反射電極３及び対向電極４の液晶層５と接する表面にはそれぞれ垂直配向性の配向膜（図示せず）が形成されており、配向膜の塗布後、少なくとも一方の配向膜にラビング等の配向処理を行っている。
【００３６】
液晶層５の液晶分子は垂直配向性の配向膜に対するラビング等の配向処理により、基板面の垂直方向に対して０．１゜から５゜程度のチルト角を持つ。
【００３７】
液晶層５には負の誘電率異方性を示す液晶材料が用いられているため、反射電極３と対向電極４の間に電圧を印加すると、液晶分子が基板面と平行方向に向かって傾く。
【００３８】
ここで、反射電極３は液晶層５に電圧を印加する電極として用いているが、反射電極と電極とは別の膜、例えばＡｌの反射板とＩＴＯの透明電極の積層構造としても良い。
【００３９】
液晶層５の液晶材料として、Ｎｅ（異常光に対する屈折率）＝１．５５４６、Ｎｏ（正常光に対する屈折率）＝１．４７７３、ΔＮ（Ｎｅ−Ｎｏ）＝０．０７７３の屈折率異方性を有する液晶材料を用いた。
【００４０】
基板２の対向電極４が形成された側の反対の面にλ／４板７が配置され、λ／４板７の遅延軸は、液晶層５に電圧を印加した時の液晶分子の長軸方向に対して４５°傾けるように配置されている。
【００４１】
λ／４板７は直線偏光を円偏光に、円偏光を直線偏光に変えるものである。
【００４２】
λ／４板７は、基板２の対向電極４が形成された側の反対の面に形成したが、反射電極３と基板２の間に設けてもよい。
【００４３】
また、λ／４板７は、基板面に貼り付けたり、偏光板６と一体化したほうが製造コストを抑えることができる。
【００４４】
次に、λ／４板７の基板２とは反対側の面に偏光板６が設けられ、偏光板６の透過軸をλ／４板７の遅延軸に対して４５゜傾けるように配置されている。
【００４５】
図７（ａ）は実施形態１のアクティブマトリクス基板の平面図を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）のＦ−Ｆ断面の断面図を示す。
【００４６】
このアクティブマトリクス基板は、ゲート配線２１、データ配線２２、駆動素子２３、ドレイン電極２４、補助容量電極２５、ゲート絶縁膜２６、絶縁性基板２７、コンタクトホール２８、層間絶縁膜２９、反射電極３０を備えている。
【００４７】
補助容量電極２５は、ドレイン電極２４と電気的に接続されており、ゲート絶縁膜２６を介して補助容量配線３２と重畳し補助容量を形成している。
【００４８】
コンタクトホール２８は、反射３０と補助容量電極２５を接続するために層間絶縁膜２９に設けられている。
【００４９】
図１３を用いて実施形態１の液晶表示装置における光の透過状態を説明する。
【００５０】
図１３（ａ）は液晶層に電圧が印加されていない黒表示の場合を示し、図１３（ｂ）は液晶層に電圧が印加された白表示の場合を示し、それぞれの図において左の領域に反射電極３が形成されている。
【００５１】
図１３（ａ）によって黒表示を説明する。
【００５２】
図１３（ａ）の上側から偏光板６表面から入った入射光は、偏光板６を通った後偏光板の透過軸に一致した直線偏光となり、λ／４板７に入射される。
【００５３】
λ／４板７は、偏光板６の透過軸方向とλ／４板７の遅延軸方向が４５°になるように配置されており、λ／４板７を通過した光は円偏光になる。
【００５４】
液晶層５に電界を印加していない場合は、負の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた液晶層５は液晶分子が基板面からほぼ垂直に配向しており、入射する光に対する液晶層５の屈折率異方性は極わずかであり、光が液晶層５を透過することによって生じる位相差はほぼ０である。
【００５５】
従って、λ／４板７を通過した円偏光の光は、円偏光を崩さずに液晶層５を透過し、一方の基板１上にある反射電極３にて反射される。
【００５６】
反射された円偏光の光は、液晶層５を基板２方向に透過していき、円偏光のまま再びλ／４板７に入射される。
【００５７】
λ／４板７に入射された円偏光はλ／４板７を通過した後には、偏光板６の透過軸方向と直交する方向の直線偏光になり、偏光板６に入射される。
【００５８】
λ／４板７を通過した直線偏光は、偏光板６の透過軸と直交する方向の直線偏光であり、偏光板６で吸収され透過しない。
【００５９】
この様に、液晶層５に電圧を印加しない場合は黒表示となる。
【００６０】
次に図３（ｂ）によって白表示を説明する。
【００６１】
図３（ｂ）は、液晶層５に電圧を印加する場合であり、λ／４板７を通過するまでは図３（ａ）同一であり説明は省略する。
【００６２】
液晶層５に電圧を印加すると、基板面から垂直方向に配向していた液晶分子は基板面と水平方向に傾き、液晶層５に入射したλ／４板７からの円偏光は、液晶分子の複屈折により楕円偏光になり、反射電極３で反射された後さらに液晶層５で偏光が変化し、λ／４板７を通った後でも偏光板６の透過軸と直交する直線偏光にはならず、偏光板６を通して光が透過する。
【００６３】
この時の液晶層に印加される電圧を調整することで、反射した後に偏光板６を透過できる光量を調整することができ階調表示が可能になる。
【００６４】
また、反射電極３と対向電極４から液晶層５に電圧を印加し、液晶層５の位相差が１／４波長条件になるように液晶分子の配向状態を変化させると、λ／４板７を通った後の円偏光は液晶層５を通過して反射電極３に達したときに偏光板６の透過軸と直交する直線偏光になり、再び液晶層５を通過して円偏光になった後にλ／４板７を通過し、偏光板６の透過軸と平行な直線偏光になり、偏光板６を透過する反射光は最大になる。
【００６５】
従って、液晶層５に電圧が印加されていないときは、液晶層５に複屈折は無く黒表示が得られ、液晶層５に電圧が印加するとその印加電圧によって光の透過率が異なり階調表示が可能になる。
【００６６】
図４に、実施形態１の液晶表示装置において、液晶層のセルギャップをｄ＝３．５６μｍ、液晶層の位相差をｄΔＮ＝０．２７５２としたときの反射型液晶表示装置の垂直入射垂直受光時の分光反射率特性を示す。
【００６７】
ここで、図４は反射板単体に対しての垂直入射垂直受光時の分光反射を１００としている。
【００６８】
図４に示す様に、液晶層５に電圧を印加していない暗表示と、電圧３．２５Ｖ印加時の明表示において、４００ｎｍから７００ｎｍの波長域全域で５０以上という十分なコントラスト比が得られる。
【００６９】
また、液晶層５の印加電圧が３．２５Ｖの場合、約４０％の反射率が得られ、これは用いている偏光板６の透過率とほぼ同等であり、光の利用効率が高く反射型液晶表示装置に適している。
【００７０】
図５は、実施形態１において液晶層のセルギャップをｄ＝４．５μｍ、液晶層の位相差をｄΔＮ＝０．３４７９としたときの反射型液晶表示装置の垂直入射垂直受光時の分光反射率特性を示す。
【００７１】
従って図５に分光反射率特性を示す液晶のセルギャップをｄ＝４．５μｍとした反射型液晶表示装置では、液晶層５に電圧を印加していない暗表示と、電圧３Ｖ印加時の明表示において、４００ｎｍから７００ｎｍの波長域全域で５０以上という十分なコントラスト比が得られる。
【００７２】
また、液晶層５への印加電圧が３Ｖの場合に、セルギャップｄ＝３．５６μｍの反射型液晶表示装置と同様に約４０％の反射率が得られる。
【００７３】
図６に実施形態１の反射型液晶表示装置の垂直入射垂直受光時の波長５５０ｎｍでのセルギャップとコントラスト比の関係を示す。
【００７４】
図６は、液晶の位相差ｄΔｎが１／４波長条件を満たす電圧を印加して測定してる。
【００７５】
図６に示すように、実施形態１の反射型表示装置では、液晶層のセルギャップに関係無くコントラスト比５００以上を維持している。
【００７６】
よって、液晶層５に電圧を印加する場合に、位相差ｄΔｎが１／４波長条件を満たす限りコントラスト比の低下無しで表示でき、セルギャップｄを任意に設定することが可能である。
【００７７】
図１２に、λ／４板７の遅延軸を偏光板６の透過軸に４５°傾けた場合を０°とした場合の、λ／４板７の遅延軸の角度のずれとコントラスト比の関係を示す。
【００７８】
ここで、λ／４板７の遅延軸の角度のずれが３°以内ならば、コントラスト比５０以上が得られ、良好な表示特性の反射型液晶表示装置を作ることができる。
【００７９】
従って、偏光板とλ／４板の張り合わせにおいて、λ／４板７の遅延軸と偏光板６の透過軸の角度が設定値から少しずれても高いコントラストの表示装置が得られる。
【００８０】
ここで、図６、図７はパネルの表面反射の影響を除去しているが、実際の使用時にはパネルの表面反射の影響を無視することはできず、その場合のコントラスト比は２０程度であるが反射型液晶表示装置のコントラストとして良好な値となる。
【００８１】
本実施形態で用いている垂直配向液晶材料を用いた液晶表示装置は、電圧無印加時に液晶層のリタデーションをほぼ０にできるので、ノーマリーブラック表示の場合、暗状態をより暗くすることができ、コントラストを高めることができる。
【００８２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２について図２を用いて説明する。
【００８３】
実施形態１と同一の構成については同一の符号を付加している。
【００８４】
一方の基板１にＡｌ、Ｔａ等の反射率の高い材料で形成された反射電極３とＩＴＯ等の透過率の高い材料で形成された透明電極８とが設けられ、基板２に対向電極４が設けられ、反射電極３及び透明電極８と対向電極４との間に負の誘電性異方性を示す液晶材料からなる液晶層５が挟持されている。
【００８５】
反射電極３、透明電極８及び対向電極４の液晶層５と接する面にはそれぞれ垂直配向性の配向膜（図示せず）が形成されており、配向膜の塗布後、少なくとも一方の配向膜にラビング等の配向処理を行っている。
【００８６】
液晶層５の液晶分子は、垂直配向性の配向膜に対するラビング等の配向処理により、基板面の垂直方向に対して０．１゜から５゜程度のチルト角を持つ。
【００８７】
ここで、反射電極３は液晶層に電圧を印加する電極として用いているが、反射電極を電極として使わずに、透明電極８を反射電極の上まで延ばして反射領域での液晶層５に電圧を印加する電極としても良い。
【００８８】
液晶層５の液晶材料として、実施形態１と同じＮｅ＝１．５５４６、Ｎｏ＝１．４７７３の屈折率異方性を有する液晶材料を用いた。
【００８９】
基板２の対向電極４が形成された側の反対面にλ／４板７が配置され、λ／４板７の遅延軸は、液晶層５に電圧を印加したときに液晶分子の長軸方向に対して４５°傾けるように配置されている。
【００９０】
基板１の反射電極３及び透明電極８が形成された側の反対面にλ／４板１０が配置され、λ／４板１０の遅延軸は、λ／４板７の遅延軸と同一方向に設定されている。
【００９１】
λ／４板７の基板２とは反対側の面に偏光板６が、λ／４板１０の基板１とは反対側に偏光板９がそれぞれ設けらており、偏光板６と偏光板９の透過軸は、λ／４板７とλ／４板１０の遅延軸に対して４５゜傾けるように設定されている。
【００９２】
図８（ａ）は本発明の実施形態２のアクティブマトリクス基板の平面図を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ断面の断面図を示す。
【００９３】
アクティブマトリクス基板は、ゲート配線２１、データ配線２２、駆動素子２３、ドレイン電極２４、補助容量電極２５、ゲート絶縁膜２６、絶縁性基板２７、コンタクトホール２８、層間絶縁膜２９、反射用絵素電極３０と透過用絵素電極３１を備えている。
【００９４】
補助容量電極２５は、ドレイン電極２４と電気的に接続されており、ゲート絶縁膜２６を介してゲート配線２１と重畳し補助容量を形成している。
【００９５】
コンタクトホール２８は、透過用絵素電極３１と補助容量電極２５を接続するために層間絶縁膜２９に設けられている。
【００９６】
このアクティブマトリクス基板は一つの絵素の中に反射用絵素電極３０と透過用絵素電極３１を備えており、一つの絵素の中に外部からの光を反射する反射用絵素電極３０部分とバックライトの光を透過する透過用絵素電極３１部分を形成している。
【００９７】
図１３を用いて実施形態２の液晶表示装置における光の透過状態を説明する。
【００９８】
図１３（ａ）は液晶層５に電圧が印加されいない黒表示の場合を示し、図１３（ｂ）は液晶層５に電圧が印加された白表示の場合を示している。
【００９９】
図１３で、反射電極３を有する領域は実施形態１の反射型液晶表示装置と同じ構成であり、反射型表示装置として用いる場合には第１の反射型液晶表示装置と同様の原理で表示が可能であるので説明は省略する。
【０１００】
図１３（ａ）、及び図１３（ｂ）の右の領域である透明電極８が形成された領域の光の状態を説明する。
【０１０１】
図１３（ａ）の下側から光源（図示せず）によって出射された光は偏光板９で偏光板９の透過軸に一致した直線偏光になる。
【０１０２】
λ／４板１０は、λ／４板１０と偏光板９の透過軸方向の遅延軸方向が４５゜になるように配置されており、λ／４板１０を通過した光は円偏光になる。
【０１０３】
液晶層５に電界が発生していない場合は、負の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた液晶層５は液晶分子が基板面からほぼ垂直に配向しており、入射する光に対する液晶層５の屈折率異方性は極わずかであり、光が液晶層５を透過することによって生じる位相差はほぼ０である。
【０１０４】
従って、λ／４板１０から出射される円偏光は、円偏光を崩さずに液晶層５を透過し、λ／４板７に入射する。
【０１０５】
λ／４板１０の遅延軸方向とλ／４板７の遅延軸方向が一致しており、λ／４板７に入射した円偏光は、偏光板９の透過軸方向と直交する方向の直線偏光になり、偏光板６に入射される。
【０１０６】
λ／４板７から出射された直線偏光は、偏光板６の透過軸と直交する方向の直線偏光であり、偏光板６で吸収され光は透過しない。
【０１０７】
この様に、液晶層５に電圧を印加しない場合は黒表示になる。
【０１０８】
次に図１３（ｂ）によって白表示を説明する。
【０１０９】
図１３（ｂ）は液晶層に電圧を印加する場合でありλ／４板１０を光が通過するまでは図１３（ａ）と同一であり説明は省略する。
【０１１０】
液晶層５に電圧を印加すると、基板表面から垂直方向に向いていた液晶層５の液晶分子は基板面と水平方向に傾き、液晶層に入射したλ／４板１０からの円偏光は、液晶層５の複屈折により楕円偏光になり、λ／４板７を通過した後でも偏光板６の透過軸と直交する直線偏光にはならず、偏光板６を通して光が透過する。
【０１１１】
この時の液晶層５に印加される電圧を調整することで、偏光板６に入射する光の偏光状態を変えることができ、偏光板６を透過する光量を調整し階調表示が可能になる。
【０１１２】
また、液晶層５の位相差が１／２波長条件になるように、液晶層５に電圧を印加すると、λ／４板１０を通った後の円偏光は液晶層５のセル厚の半分の地点で偏光板９の透過軸に直交する直線偏光になり、残りの液晶層５を通過すると円偏光になる。
【０１１３】
液晶層５から出射される円偏光はλ／４板７を通過すると偏光板６の透過軸と平行な直線偏光になるため、偏光板６に入射される光のほとんどが偏光板６を透過するため偏光板６の透過光は最大になる。
【０１１４】
よって、実施形態２では、反射電極３の領域及び透明電極８の領域共に、液晶層５に電圧が印加されていないときは、液晶層５に複屈折が無く黒表示が得られ、液晶層５に電圧を印加することで光の透過量を調整し階調表示が可能になる。
【０１１５】
図９に実施形態２において、液晶層のセルギャップｄ＝３．５６μｍ、液晶層の位相差ｄΔＮ＝０．２７５２の透過反射両用型液晶表示装置の透過領域での垂直入射垂直受光時の分光透過率特性を示す。
【０１１６】
ここで、反射電極３が有る領域での分光反射率特性は図４と同様である。
【０１１７】
図９は、空気に対しての垂直入射垂直受光時の分光透過を１００としている。
【０１１８】
図９に示す様に、液晶層５に電圧を印加していない黒表示と、電圧５Ｖ印加時の明表示において、４００ｎｍから７００ｎｍの波長域全域で十分なコントラスト比が得られる。
【０１１９】
また、液晶層５への印加電圧が５Ｖの場合、約３０％の反射率が得られ、これは用いている偏光板６の透過率の８割程度である。
【０１２０】
このことからも、この表示方式は光の利用効率が高く透過反射両用型液晶表示装置に適している。
【０１２１】
図１０は実施形態２の液晶表示装置において、液晶層５のセルギャップをｄ＝４．５μｍ、液晶層５の位相差をｄΔＮ＝０．３４７９としたときの透過反射両用型液晶表示装置の透過領域での垂直入射垂直受光時の分光透過率特性を示す。
【０１２２】
図９のセルギャップｄ＝３．５６μｍの透過反射両用型液晶表示装置と同様に、液晶層５に電圧を印加していない黒表示と、電圧５Ｖ印加時の明表示において、４００ｎｍから７００ｎｍの波長域全域で十分なコントラスト比が得られ、また、液晶層への印加電圧が５Ｖの場合に約４０％の透過率が得られる。
【０１２３】
図１１に実施形態２の透過反射両用型液晶表示装置の透過領域での垂直入射垂直受光時の波長５５０ｎｍでのセルギャップとコントラスト比の関係を示す。
【０１２４】
図１１は、液晶の位相差ｄΔｎが１／２波長条件を満たす電圧を印加して測定してる。
【０１２５】
この様に、セルギャップに関係無く透明電極８の領域で透過型液晶表示装置として用いる場合コントラスト比８００以上、反射電極３の領域で反射型液晶表示装置として用いる場合コントラスト比５００以上を維持している。
【０１２６】
よって液晶層５に電圧印加時に、位相差ｄΔｎが１／２波長条件を満たす限りコントラスト比の低下無しで表示でき、セルギャップｄを任意に設定することが可能である。
【０１２７】
図１２にλ／４板７の遅延軸を偏光板６の透過軸に４５°傾けた場合を０°とした場合のλ／４板７の遅延軸の角度のずれとコントラスト比の関係を示す。
【０１２８】
ここで、λ／４板７の遅延軸の角度のずれが３°以内ならば、透明電極８の形成された透過領域で透過型液晶表示装置として使用する場合や、反射電極３の形成された反射領域で反射型液晶表示装置として使用する場合、共にコントラスト比５０以上が得られ、良好な表示特性の反射型透過両用型液晶表示装置が得られる。
【０１２９】
従って、周囲の光が暗い場合はバックライトを用いて透明電極８を透過する光を利用して表示する透過型液晶表示装置として使用し、周囲光が明るい場合には、光反射率の比較的高い膜で形成した反射電極３での反射光を利用して表示する反射型液晶表示装置として表示が可能になる。
【０１３０】
従って、１枚のパネルで周囲の光が暗い場合ではバックライトを用い、周囲光が明るい場合はバックライトを使わずに周囲光を利用する、あるいは、バックライトと反射光の両方を使用しても表示が可能な透過反射両用型液晶表示装置として用いることが可能になる。
【０１３１】
よって、従来の透過型液晶表示装置よりも周囲光が明るい場合にはバックライトを使わない分低消費電力であり、周囲の光が暗い場合ではバックライトを用いることで、従来の反射型液晶表示装置のように周囲の光が暗いと十分な表示が得られないという欠点を克服できる。
【０１３２】
本実施形態で用いている垂直配向液晶材料を用いた液晶表示装置は、電圧無印加時に液晶層のリタデーションをほぼ０にできるので、ノーマリーブラック表示の場合、透過表示および反射表示で暗状態をより暗くすることができ、コントラストを高めることができる。
【０１３３】
（実施形態３）
本発明の実施形態３について図３の断面概略図を用いて説明する。
【０１３４】
実施形態１及び実施形態２と共通の構成については説明を省略する。
【０１３５】
実施形態３の液晶表示装置は、基板１と偏光板９の間にλ／４板１０と光学補償板１２を有し、基板２と偏光板６の間にλ／４板７と光学補償板１１を有している。
【０１３６】
液晶層５に電圧が印加されていない場合は、負の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた液晶層５の液晶分子は基板面からほぼ垂直に配向しており、基板正面からは液晶層５による屈折率異方性は無い。
【０１３７】
しかしながら、反射型液晶表示装置として用いる場合には、光は基板面に対して垂直方向だけでなく他の方向からの光も表示に利用するため、周囲光等の基板面に対して斜め方向の光が液晶層５に入射する場合には、屈折率異方性の影響を受ける。
【０１３８】
また、視角方向も基板表面に垂直とは限らないため、視角方向が基板面の垂直方向からずれるにつれて液晶層５の液晶分子の屈折率異方性の影響を受けるようになり、コントラストの低下が発生する。
【０１３９】
そこで、液晶層５の光の入射方向や視角方向で発生する液晶分子の屈折率異方性に起因する影響を補償するような光学補償層１１，１２を設けることにより、液晶層５の光の入射方向や視角方向で発生する屈折率異方性を補償することができ、光の入射方向や視角方向に依存するコントラストの低下を防止できる。
【０１４０】
また垂直配向液晶層５で電圧印加時に液晶分子が一方向に傾く様に液晶分子のプレティルトを基板表面の垂直の方向から若干寝かしている場合には、垂直配向液晶層５の電圧無印加時であっても基板に対して垂直方向において若干の屈折率異方性が発生するので、この屈折率異方性を補償する様に、光学補償層を設計することにより、基板表面から垂直方向からみたコントラスト比もさらに向上する。
【０１４１】
実施形態３ではλ／４板と光学補償層を別の層として説明したが、同一層に作り込んでも同様の効果が得られる。
【０１４２】
また、実施形態３では光学補償層１１と光学補償層１２の２つの光学補償層を用いたが、光学補償層１１だけとしてもよい。
【０１４３】
実施形態３では透過反射両用型表示装置で説明したが、実施形態１の反射型液晶表示装置において、偏光板６と反射電極３の間に液晶層５の液晶分子の屈折率異方性を補償するように光学補償層を設けることによりコントラスト比の低下を防止できる。
【０１４４】
また、実施形態１乃至実施形態３では、白表示と黒表示の場合について説明したが、反射領域や透過領域の対応箇所に各色のカラーフィルターを設けてカラー表示を行うこともできる。
【０１４５】
実施形態１乃至実施形態３の負の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた垂直配向液晶層５にカイラル材を添加することにより、電圧印加時に液晶分子を旋回させて電圧印加時の液晶分子の旋回を安定したものとすることができる。
【０１４６】
その際に、液晶層が９０°ツイストとなるように配向処理することにより、電圧印加時のディスクリネーション防止のため基板面の法線方向に対し数度傾斜して配向させた場合に液晶分子の傾斜方向にリターデーションが発生するが、基板付近の液晶分子の傾斜した方向が上下の基板付近で互いに９０°の角度をなしているため、発生するリターデーションを打ち消すことができ、漏れ光が少ない黒表示が得られる。
【０１４７】
実施形態１乃至実施形態３は、負の誘電率異方性を有する垂直配向性液晶を用いているが、平行配向性液晶を用いても同様の表示が可能である。
【０１４８】
即ち、垂直配向性液晶の代わりに平行配向性液晶を用いると、電圧無印加時に液晶分子が基板面に平行に配置され、電圧印加時に液晶分子が基板面の法線方向に傾くため、電圧無印加時に白表示、電圧印加時に黒表示の液晶表示装置が得られる。
【０１４９】
この平行配向性液晶を用いた黒表示の場合は基板付近の液晶分子により、垂直配向性液晶の場合よりも残存するリターデンションが多くなる。この為より完全な黒表示を行う為にはこれを補償する位相差板を併用すればよい。
【０１５０】
液晶分子が概ね基板面の垂直方向に向いている状態の液晶層において、反射モードではαのリターデーションが残存している場合、λ／４板７に代えて、（λ／４−α）のリターデーションをもつ位相差板を配置すればよい。
【０１５１】
反射モードでは、液晶層には、円偏光から液晶層の残存しているリターデーション分ずれた楕円偏光が入射する。液晶層を通過し、反射機能を有する領域で円偏光となり、反射して回転方向が逆転した円偏光となる。液晶層を通過して液晶層から出射するとき、円偏光からずれた楕円偏光となる。このときの楕円偏光は、入射時位相が９０度ずれた状態にある。位相差板を通過すると偏光板６の透過軸と直交する直線偏光となる。
【０１５２】
従って、液晶分子が基板面の垂直方向に向いている状態の液晶層に残存するリターデーションが無視できない場合でも、そのリターデーションを考慮した位相差板を配置することにより反射モードでコントラストの高い表示が実現できる。
【０１５３】
更に、液晶層に反射モードではα、透過モードではβのリターデーションが残存している場合、λ／４板７に代えて（λ／４−α）のリターデーションをもつ位相差板、λ／４板１０に代えて（λ／４−（β−α））のリターデーションをもつ位相差板を配置すればよい。
【０１５４】
透過機能を有する領域の透過光で表示を行う透過モードでは、液晶分子が基板面の垂直方向に向いている状態では、液晶層を出射したとき反射モードの出射光と同じ状態の楕円偏光となるように上記（λ／４−（β−α））のリターデーションをもつ位相差板が設定され、その位相差を有した楕円偏光が上記（λ／４−α）のリターデーションをもつ位相差板に入射するので、上記（λ／４−α）のリターデーションをもつ位相差板を通過したとき、偏光板６の透過軸と直交する直線偏光となり光漏れの少ない暗表示となる。
【０１５５】
従って、液晶分子が基板面の垂直方向に向いている状態の液晶層に残存するリターデーションが無視できない場合でも、そのリターデーションを考慮した位相差板を配置することにより反射モードでコントラストの高い表示が実現できる。
【０１５６】
【発明の効果】
反射機能を有する領域と透過機能を有する領域とを備えた液晶表示装置が第１の偏光手段と第２の偏光手段と第１の位相差板と第２の位相差板とを有することにより、反射モードおよび透過モードを備えた表示装置においてコントラストの高い表示が可能となる。また、反射モードおよび透過モードを併用した場合に同時に暗表示が可能となり両方併用してもコントラストの高い表示が可能となる。さらに電圧によりリターデーション値を変化させることで階調表示が可能となる。
【０１５７】
また、第１の位相差板と第２の位相差板のリターデーションがλ／４条件に設定されていることにより、液晶層の液晶分子が概ね基板面の垂直方向に向いているときに、液晶層のリターデーションがほとんどない場合には、反射領域及び透過領域において、液晶層と位相差板を通過し、第１の偏光板に入射する光が、偏光板の透過軸と直交する直線偏光となるため光漏れの少ない暗表示が得られる。
【０１５８】
また、反射領域の液晶層のリターデーションがαだけ残存する場合に第１の位相差板のリターデーションが（λ／４−α）条件に設定されていることにより、液晶層の液晶分子が概ね基板面の垂直方向に向いているときに、反射領域の液晶層のリターデーションがαだけ残存していても、反射領域において、液晶層と位相差板を通過し、第１の偏光板に入射する光が、偏光板の透過軸と直交する直線偏光となるため光漏れの少ない暗表示が得られる。
【０１５９】
また、反射領域の液晶層のリターデーションがαだけ残存し、透過領域の液晶層のリターデーションがβだけ残存する場合に、第１の位相差板のリターデーションが（λ／４−α）条件に、第２の位相差板のリターデーションが（λ／４−（β−α））条件に設定されていることにより、液晶層の液晶分子が概ね基板面の垂直方向に向いているときに、反射領域の液晶層のリターデーションがα、透過領域の液晶層のリターデーションがβだけ残存していても、反射領域及び透過領域において、液晶層と位相差板を通過し、第１の偏光板に入射する光が、偏光板の透過軸と直交する直線偏光となるため光漏れの少ない暗表示が得られる。
【０１６０】
また、第１の位相差板及び第２の位相差板がλ／４板からなり、第１の偏光手段の透過軸と第１の位相差板とのなす角度が４５°かつ第２の偏光手段の透過軸と第２の位相差板とのなす角度が４５°であることにより、反射モードおよび透過モードを併用した場合でも暗表示時の液晶分子の状態が同じであり、同時に光漏れのない暗表示が可能となり、周囲光強度がどのような状態であっても反射型、透過型或いは両用型としてコントラストの高い表示が実現される。
【０１６１】
また、負の誘電率異方性を示す液晶材料を用いた垂直配向液晶層を用いれば、電圧無印加時の黒表示の際に偏光板から漏れる光が少なく、電圧印加時の白表示及びカラーフィルターによるカラー表示の際に光の利用効率が高く、優れた表示品位を有する反射型液晶表示装置を実現できる。
【０１６２】
また、液晶層の光の入射方向や視角方向で発生する液晶分子の屈折率異方性に起因する影響を補償するような光学補償層を設けることにより、光の入射方向や視角方向に依存するコントラストの低下を防止できる。
【０１６３】
また、負の誘電性異方性を示す液晶材料を用いた垂直配向液晶層にカイラル材を添加し電圧印加時に液晶分子を旋回させれば、電圧印加時の液晶分子の旋回を安定したものとすることができ、上下基板のラビング方向を同一方向以外に施す場合、配向処理の軌跡が同一方向でなくなるため筋目が目立ちにくくなる。
【０１６４】
また、液晶層が９０°ツイストしていれば、電圧印加時のディスクリネーション防止のため基板の法線方向に対し数度傾斜して配向させた場合に液晶分子の傾斜方向にリターデーションが発生するが、基板付近の液晶分子の傾斜した方向が上下の基板付近で互いに９０°の角度をなしているため、発生するリターデーションを打ち消すことができ、漏れ光が少ない黒表示が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における反射型液晶表示装置の断面構成図である。
【図２】本発明の実施形態２における透過反射両用型液晶表示装置の断面構成図である。
【図３】本発明の実施形態３における透過反射両用型液晶表示装置の断面構成図である。
【図４】本発明の実施形態１における反射型液晶表示装置のセルギャップｄ＝３．５６μｍの垂直入射垂直受光時の分光反射率特性図である。
【図５】本発明の実施形態１における反射型液晶表示装置のセルギャップｄ＝４．５μｍの垂直入射垂直受光時の分光反射率特性図である。
【図６】本発明の実施形態１における反射型液晶表示装置の垂直入射垂直受光時の波長５５０ｎｍでのセルギャップとコントラスト比の関係図である。
【図７】本発明の実施形態１における反射型液晶表示装置の電極構成を示した図である。
【図８】本発明の実施形態２における反射型液晶表示装置の電極構成を示した図である。
【図９】本発明の実施形態２におけるセルギャップｄ＝３．５６μｍの透過反射両用型液晶表示装置の透過領域での垂直入射垂直受光時の分光反射率特性図である。
【図１０】本発明の実施形態２におけるセルギャップｄ＝４．５μｍの透過反射両用型液晶表示装置の透過領域での垂直入射垂直受光時の分光反射率特性図である。
【図１１】本発明の実施形態２における透過反射両用型液晶表示装置の透過領域での垂直入射垂直受光時の波長５５０ｎｍでのセルギャップとコントラスト比の関係図である。
【図１２】本発明の実施形態２における透過反射両用型液晶表示装置の透過領域においてλ／４板の遅延軸を偏光板の透過軸に４５°傾けた場合を０°とした場合の、λ／４板の遅延軸の角度のずれとコントラスト比の関係図である。
【図１３】本発明の実施形態１及び実施形態２の液晶表示装置における光の透過状態を説明する図である。
【符号の説明】
１、２ 基板
３ 反射電極
４ 対向電極
５ 液晶層（垂直配向）
６、９ 偏光板
７、１０ λ／４板
８ 透明電極
１１、１２ 光学補償層

Claims (1)

1. 一方基板と他方基板の間に液晶層が挟持され、前記他方基板の前記液晶層とは反対の面に設けられた第１の偏光手段と、前記一方基板の前記液晶層とは反対の面に設けられた第２の偏光手段とを有する液晶表示装置において、
   前記一方基板は反射機能を有する領域と透過機能を有する領域とを備え、１つの絵素の中に反射表示領域と透過表示領域とが分割して形成され、
   前記第１の偏光手段と前記液晶層との間に設けられた第１の位相差板と、前記第２の偏光手段と前記液晶層との間に設けられた第２の位相差板とを備えており、
   前記第１の偏光手段と前記第２の偏光手段との間に、前記液晶層の液晶分子が概ね基板面の垂直方向に向いているときに液晶層に残存するリターデーションを補償する光学補償層が設けられることを特徴とする液晶表示装置。

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