JP3641780B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
コレステリック液晶、カイラルネマチック液晶またはこれらの混合液晶、あるいはホログラフィック高分子分散型液晶を用いた反射型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年技術的伸長の激しい携帯電話あるいは携帯情報端末などに用いられる液晶表示素子は低消費電力の要求が強い。このためバックライトを必要としない反射型液晶表示装置の開発が盛んに行われている。反射型液晶表示装置としては、古くから時計や電卓などに用いられている偏光板を２枚使用したＴＮ、ＳＴＮ方式が用いられているが、偏光板を２枚使用するため光の吸収が多く、反射率は低く、暗い表示となっている。偏光板による光の吸収を抑えるため反射電極をセル内に配置して偏光板を一枚に減らしたＳＴＮ方式やＴＮ液晶を用いたＴＦＴ方式が開発されている。
【０００３】
さらにカラー表示については光の吸収の大きいカラーフィルターを使用しないＳＴＮ複屈折ＥＣＢ方式などが開発されている。さらに、偏光板もカラーフィルターも使用しない液晶表示装置として、ゲストホスト（ＧＨ）、ホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）、コレステリック液晶またはカイラルネマチック液晶を用いた方式が開発されている。
【０００４】
反射型液晶表示装置は、バックライトを使用した透過型液晶表示装置と違って、明るい環境であればあるほど見やすくなる。逆に言えば明るい環境でなければ見えないことになり、それは同時に、明るい環境であればあるほど表示体表面からの反射光が増加することを意味する。偏光板を用いた方式では、偏光板表面にアンチグレアー処理を施して、照明光の反射を散乱させ、背景や視認者本人の写り込みによる視認性の低下を防止している。
【０００５】
しかし、偏光板を使用しない前述の液晶表示装置においては、ガラス表面からの反射が偏光板を貼った方式に比べ格段に大きく、視認性が大幅に損なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）、コレステリック液晶またはカイラルネマチック液晶を用いた方式の表示装置にあっては、偏光板を使用しないために、ガラス表面に何らかの反射を減少させる処理が必要である。反射型ディスプレイは明るい環境で使用されることが望まれ、また明るい環境で見えやすいことが要求されるが、反面、明るい環境ではガラス表面における反射光がますます増加し、視認性が大きく悪化する。
【０００７】
反射型ディスプレイにおける視認性悪化の原因は次の２つである。
ひとつは、コントラストの低下である。液晶層からの反射光にガラス表面の反射光が加算され、つまり前記２つの反射光が重なることでフレアー光として働き、コントラストを著しく低下させる。たとえ、表面にアンチグレアー処理を施して写り込みを無くしてもコントラストは低下する。
【０００８】
もう一つの視認性悪化の原因は、背景あるいは視認者本人の写り込みが表示内容に重なるためである。携帯電話や携帯情報端末などで用いる反射型ディスプレイの場合は、写り込みしないように、視認者が液晶表示装置を動かすことができるが、それでも使い勝手が良くないことには変わりはない。さらに、掲示板などのような大型ディスプレイの場合は、それが固定設置されており、前記写り込みを防止することが必要である。前記写り込み防止対策として照明方法を工夫することが考えられるが、この方法はコストが高くなり実用的ではないし、屋外で大型ディスプレイを使用する際には、照明装置の設置位置などが制約され、照明の工夫を施しようがない。
【０００９】
本発明の課題は前記従来技術の問題点を解決し、液晶表示装置を用いる反射型ディスプレイにおける視認性を改善することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、反射型ディスプレイのガラス板などからなる液晶表示装置の透明基板の表面にコントラスト及び明度増強膜を設けることで、コントラストが良く、しかもコントラスト及び明度増強膜を設ける前より明るく、さらに写り込みが少ない反射型液晶表示装置が得られることを見いだした。
【００１１】
偏光板もカラーフィルターも使用しない液晶表示装置のうち、ホログラフィック高分子分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）、コレステリック液晶、カイラルネマチック液晶、コレステリック液晶とカイラルネマチック液晶の混合液晶を用いた液晶表示装置は、液晶層におけるブラッグ反射により入射光を積極的に後方に散乱させることによって明るいディスプレイを実現している。そのため、入射光を減少させることなく、かつ、透明基板表面における反射を抑えることにより、これらの液晶を用いた液晶表示装置の視認性を向上させることができることを本発明者は見い出した。
【００１２】
本発明者は、ガラス表面にコントラスト及び明度増強膜をコーティングすることで、入射光を減少させることなく、かつ、透明基板表面における反射を抑えることに成功し、写り込みが少なくコントラストの高い、明るくて視認性の良い液晶表示装置が得られた。
本発明は次の構成からなる。
すなわち、請求項１記載の発明は、少なくとも一方が透明な二枚の導電性基板間にコレステリック液晶、カイラルネマチック液晶、コレステリック液晶とカイラルネマチック液晶の混合液晶、またはホログラフィック高分子分散型液晶によるブラッグ反射を起こす液晶層が形成された反射型液晶表示装置において、
光入射側導電性基板表面に、プレーナーテクスチャー層からの光反射率を高め、フォーカルコニックテクスチャー層からの光反射率を低く抑えるＳｉＯ ₂ , ＴｉＯ ₂ , ＭｇＦ ₂ , Ｎｂ ₂ Ｏ ₅ から選択される少なくとも一つの化合物から得られるコントラスト及び明度増強膜を設けた液晶表示装置である。
請求項２記載の発明は、背面側導電性基板表面にも前記コントラスト及び明度増強膜を付与した請求項１記載の液晶表示装置である。
請求項３記載の発明は、背面側導電性基板表面に前記コントラスト及び明度増強膜同等の性能を持たせるために当該導電性基板と同じ屈折率を有する光吸収性塗料を塗布した請求項１記載の液晶表示装置である。
【００１３】
コレステリック液晶表示装置を例にして本発明の原理を説明する。
図１は、コレステリック液晶表示装置の断面図および液晶表示装置に入射する外光の経路を示している。コレステリック液晶表示装置は主に表側ガラス１と裏側ガラス２とその間に配置したコレステリック液晶層３からなる。
【００１４】
照明光Ｉｏは表側ガラス１を通り、コレステリック液晶層３に入射する。コレステリック液晶３は液晶分子が捻れた構造を持っており、その捻れの中心軸を図示しない螺旋軸と呼ぶ。螺旋軸に沿って螺旋ピッチが０．２５μｍから０．４６μｍの範囲にあるとき可視光のブラッグ反射を生じる。
【００１５】
表側ガラス１の表側（視認者側）、すなわち光が入射する側の表面と裏側ガラス２の裏側、すなわち裏側ガラス２から入射した光が裏側ガラス２の裏面から表側（視認者側）に向けて反射する側にそれぞれコントラスト及び明度増強膜４、５を設ける。
【００１６】
また、この液晶３は、双安定性（２つの状態を安定状態で保持（メモリー）すること）という特徴を持っている。コレステリック液晶３の螺旋軸がガラス１、２に対して垂直に近い配向状態をプレーナーテクスチャー層３ａといい、前記螺旋軸がガラス１、２表面に平行に近い状態をフォーカルコニックステクスチャー層３ｂという。この二つの状態は電圧が印加されない状態でもメモリーされている。プレーナテクスチャー層３ａでは反射された光は入射した方向、すなわち表側ガラス１側に反射される。一方、フォーカルコニックステクスチャー層３ｂでは反射された光は裏側ガラス２の方向に進む。裏側ガラス２の裏面には黒色の塗料が塗布された光吸収塗料膜６を施しており、フォーカルコニックテクスチャー層３ｂから反射された光は光吸収塗料膜６に吸収される。つまり、プレーナーテクスチャー層３ａとフォーカルコニックテクスチャー層３ｂの適切な選択によってコレステリック液晶３を表示体として利用することができる。光吸収塗料膜６に裏側ガラス１と同じ屈折率を有する膜を塗布する場合には、コントラスト及び明度増強膜５の被覆を施す必要がなくなる。
【００１７】
いま、表側ガラス１の表面１ａにおける反射率をｒｓ、コレステリック液晶３のプレーナーテクスチャー層３ａからの反射率をｒｐ、フォーカルコニックテクスチャー層３ｂからの反射率をｒｆ、裏側ガラス２の裏面２ａにおける反射率をｒｂとする。表側ガラス１の裏面１ｂにおける反射と裏側ガラス２の裏面２ｂにおける反射はガラスの屈折率と液晶の屈折率が近いことから無視するものとする。また、コレステリック液晶３のプレーナーテクスチャー層３ａからの反射光量をＲｐ、同じくフォーカルコニック層からの反射光量をＲｆとし、裏側ガラス２の裏面２ａの反射光量については、プレーナーテクスチャー層３ａ、フォーカルコニックテクスチャー層３ｂにおける、それぞれの反射光量をＲｂｐ、Ｒｂｆとする。このときコントラストは次式で表される。
【００１８】

ここで
Ｒｓ＝Ｉ・ｒｓ
Ｒｐ＝Ｉ（１−ｒｓ）ｒｐ
Ｒｆ＝Ｉ（１−ｒｓ）ｒｆ
Ｒｂｐ＝（Ｉ−Ｒｓ−Ｒｐ）ｒｂ
Ｒｂｆ＝（Ｉ−Ｒｓ−Ｒｆ）ｒｂ
である。そして前記式（１）の分子と分母は次のように表される。
【００１９】

同様にして
分母＝Ｉ｛ｒｆ＋（１−ｒｆ）（１−ｒｂ）ｒｓ＋（１−ｒｆ）ｒｂ｝
【００２０】
従って、前記式（１）を書き直すと次式（２）のようになる。
コントラスト＝｛ｒｐ＋（１−ｒｐ）（１−ｒｂ）ｒｓ＋（１−ｒｐ）ｒｂ｝／｛ｒｆ＋（１−ｒｆ）（１−ｒｂ）ｒｓ＋（１−ｒｆ）ｒｂ｝ （２）
【００２１】
前述のように、ｒｐ、ｒｆは液晶層に係わる係数（反射率）で、ｒｓ、ｒｂはガラス表面に係わる係数（反射率）であり、ｒｐ＝０．４、ｒｆ＝０．００５で固定しておき、係数ｒｓ、ｒｂが変化した際のコントラストの変化を計算すると次のようになる。
【００２２】
実際のコレステリック液晶３のプレーナーテクスチャー層３ａの反射率ｒｐとフォーカルコニックテクスチャー層３ｂの反射率ｒｆは、それぞれ約４０％、０．５％である。表側ガラス１の表面の反射率ｒｓは、全く処理しない場合は４％である。また、裏側ガラス２には光吸収膜６が塗布されており裏面反射率ｒｂを０．２５％とした。
【００２３】
反射率が減少するに従ってコントラストがどの程度向上するかを図３に示す。図３は表側（視認者側）のガラス１の表面反射率ｒｓが減少するに従いコントラストが約１０から約５０に大幅に向上することを示している。
【００２４】
このように、表側ガラス１の表面１ａの反射率ｒｓと裏側ガラス２の表面２ａの反射率ｒｂを抑えることによって、コントラストを大幅に向上させることができる。
【００２５】
コントラスト及び明度増強膜４、５の特性としては、反射率が低ければ低いほど視認性の向上の程度は大きくなるが、コスト、製造プロセスを考慮して決定されるべきである。
【００２６】
コントラスト及び明度増強膜４、５の種類としては、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＭｇＦ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅などの材料を、スパッタリング法や真空蒸着法などにより多層に積層した膜を用いることができる。この膜は積層数を多くすることにより可視光全域にわたって低反射率を実現することが可能であるが、層数が多くなるに従って高価になるという欠点もある。
【００２７】
一方、ＳｉＯ₂やＭｇＦ₂の単層蒸着膜はコストが安い。人間が最も明るく感じる黄緑色光の波長の１／４の厚さの単層膜からなるコントラスト及び明度増強膜にすることが適切である。この時の反射光は黄緑色光の補色である紫色となる。さらにコスト面を考慮するならば、ＳｉＯ₂のゾルゲル溶液をディッピング法で塗布する方法でも良い。屈折率を調整するためにＴｉＯ₂を添加しても良い。
【００２８】
コントラスト及び明度増強膜４、５の付与は、完成した液晶パネル表面に施しても良いし、ＩＴＯ電極７、８（図１）を付ける前の表面ガラス１、裏面ガラス２に施しても良い。液晶の製造工程を考えると、後者の方が好ましい。しかし、この場合はコントラスト及び明度増強膜４、５にはＩＴＯ製膜、ＩＴＯエッチング工程に耐えうる耐熱性、耐酸性、耐アルカリ性が要求される。コントラスト及び明度増強膜４、５としてＳｉＯ₂をベースとしたものを用いると前記要求を十分満足させることができる。
【００２９】
上記図１に示す本発明の液晶表示装置では表側ガラス１の表側（視認者側）と裏側ガラス２の裏側にそれぞれコントラスト及び明度増強膜４、５を設けたが、本発明の液晶表示装置は表側ガラス１の表側（視認者側）にのみコントラスト及び明度増強膜４を設けた構成でも良い。
【００３０】
本発明は、コレステリック液晶３に限らず、ブラッグ反射型の液晶表示装置全てに適用でき、カイラルネマチック液晶、コレステリック液晶３とカイラルネマチック液晶の混合液晶またはホログラフィック高分子分散型液晶を用いた反射型液晶表示装置にも適用できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図２に示す液晶表示装置を次のような手順で作製する。
図２の液晶表示装置は主に表側ガラス１と裏側ガラス２とその間に配置したコレステリック液晶層３から成り、表側ガラス１と裏側ガラス２用に厚さ１．１ミリの薄板ガラス基板（日本板硝子（株）製）を用いる。図２に示す液晶表示装置は図１に示す液晶表示装置の裏側ガラス２の裏面側にコントラスト及び明度増強膜５を設けていないことが図１に液晶表示装置と異なるだけである。
【００３２】
図２の液晶表示装置で表側ガラス１の片面にはコントラスト及び明度増強膜４となるＳｉＯ₂−Ｎｂ₂Ｏ₅−ＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂をスパッターで積層製膜（Ｖｉｒａｔｅｃ社ＣＤＡＲ）し、裏側ガラス２の片面には光吸収塗料膜６を施しておく。そして、表側ガラス１のコントラスト及び明度増強膜４を施した面の反対側の面と裏側ガラス２の光吸収塗料膜６を施した面と反対側の表面にスパッターにより図１の液晶表示装置でＩＴＯ膜７、８になるＩＴＯ製膜をする。前記ＩＴＯ膜７、８をフォトリソグラフィ法によりエッチングした後、その上にＳＥ−１２１１（日産化学（株））の垂直配向膜９、１０となる膜を成膜する。
【００３３】
こうして得られた２枚の板の内の一枚目の板の上には、プラスチックスペーサー（図示せず）を散布し、もう一枚の板の上にはセルの形状に合わせてエポキシ樹脂製のシール剤（図示せず）をスクリーン印刷で形成した。この２枚の板を、前記コントラスト及び明度増強膜４を外側にして張り合わせ圧着し、加熱することでシール剤を硬化させる。この張り合わせた２枚の板を所定の大きさに切断し、２枚の板の間の空間に母液晶として用いるシアノビフェニル系液晶、シアノターフェニル系液晶、シアノフェニルシクロヘキサン系液晶、シアノフェニルエステル系液晶等のネマティック液晶に、カイラル剤として、例えばフェニルプロピオン酸系あるいはコレステリール・ナノエイト等を添加して、カイラルネマティックとし、液晶系としてはコレステリック液晶としたものを注入する。液晶注入後に注入口は、紫外線硬化型樹脂で封止した。
【００３４】
図２は、コレステリック液晶表示装置の断面図および液晶表示装置に入射する外光の経路を示しており、図１で説明したのと同様に、照明光Ｉｏは、表側ガラス１を通り、コレステリック液晶層３に入射する。コレステリック液晶３は液晶分子が捻れた構造を持っており、その捻れの中心軸を図示しない螺旋軸と呼ぶ。螺旋軸に沿って螺旋ピッチが０．２５μｍから０．４６μｍの範囲にあるとき可視光のブラッグ反射を生じる。
【００３５】
上記図２の液晶表示装置のパネルの一部に４０Ｖのパルス電圧を印加し、前記液晶層３を図１の液晶表示装置のプレーナーテクスチャー層３ａに相当する液晶層３ａとし、また、別の一部に３０Ｖのパルス電圧を印加して図１の液晶表示装置のフォーカルコニックテクスチャー層３ｂに相当する層３ｂにした。
【００３６】
得られた液晶表示装置のプレーナーテクスチャー層３ａの分光反射率、コントラスト、色度を大塚電子製輝度計ＬＣＤ７５００で測定した。
【００３７】
図４（ａ）には、図２の液晶表示装置に示すようにコントラスト及び明度増強膜４を表側ガラス１表面に設け、裏側ガラス２の裏面を光吸収塗料６を設けたプレーナーテクスチャー層３ａの分光反射率（実線）とフォーカルコニックテクスチャー層３ｂの分光反射率（点線）の測定結果を示す。
図４（ｂ）には、前記液晶表示装置の製造方法の中のコントラスト及び明度増強膜４を形成するステップを経由していない方法で得た従来の液晶表示装置の分光反射率の測定値である。
【００３８】
図４（ａ）と図４（ｂ）の測定結果から、プレーナーテクスチャー層３ａの反射率（実線）はフォーカルコニックテクスチャー層３ｂの反射率（点線）より高いことは予測された通りであるが、驚くべきことにコントラスト及び明度増強膜４を設けたプレーナーテクスチャー層３ａの反射率（図４（ａ）の反射率（実線））はコントラスト及び明度増強膜４を設けていないプレーナーテクスチャー層３ａの反射率（図４（ｂ）の反射率（実線））に比較して、高くなっていることが判明した。それもピーク反射率が２７．９％から３３．２％へと５．３ポイント、１９％（５．３／２７．９）向上し、非常に明るい表示であった。
【００３９】
しかも、図４（ａ）と図４（ｂ）の測定結果を比較するとフォーカルコニックテクスチャー層３ｂの反射率（点線）は、コントラスト及び明度増強膜４を設けていないものより低く抑えられている。これは、コントラスト及び明度増強膜４を設けた場合には、コントラスト及び明度増強膜４を設けていない場合に比較してより多くの光が液晶領域内に入射するが、この光は、プレーナーテクスチャー層３ａでよく反射され、フォーカルコニックテクスチャー層３ｂでは反射されにくくなっている。よって、表示の明るさが向上するとともにコントラストの向上も見られた。表１に、コントラストの測定結果を示す。明度とは反射率を視感度補正したもので、人間の感じる明るさを表している。プレーナーテクスチャー層３ａで本発明品のほうが従来品より大きく、明るくなったことを示しており、また、フォーカルコニックテクスチャー層３ｂでは、本発明品の方が従来品より小さく、黒く見えることを示している。このため本発明品のコントラストは、大幅に向上している。
【００４０】
【表１】

【００４１】
図５は、プレーナーテクスチャー層３ａからの反射率ｒｐとフォーカルコニックテクスチャー層３ｂからの反射率ｒｆとの比（ｒｐ／ｒｆ）と前記式（１）で定義したコントラストとの実測値の関係を示している。この図５は、液晶層のコントラストを表している（ｒｐ／ｒｆ）が大きくても、ガラス表面の反射を抑えない限り、ディスプレイ自体のコントラストの向上は望めないことを示している。
【００４２】
また、図６は、本発明のコントラスト及び明度増強膜がある液晶表示装置（コントラスト及び明度増強膜は図２のように表ガラス１に設けた例）と従来のコントラスト及び明度増強膜がない液晶表示装置の色度の測定結果（液晶表示装置に対する測定器の受光角度が１０、２０、３０、４０、５０度での値）である。従来のコントラスト及び明度増強膜がない液晶表示装置より本発明のコントラスト及び明度増強膜がある液晶表示装置は、より外側にプロットされている。つまり本発明のコントラスト及び明度増強膜がある液晶表示装置は色の純度（彩度）が従来のコントラスト及び明度増強膜がない液晶表示装置より高くなったことを表している。
【００４３】
【発明の効果】
このように、本発明により、その透明基板表面にコントラスト及び明度増強膜を施すことによって、コントラスト及び明度増強膜を付与していない場合より、反射光がより明るくなり、かつコントラストがより高く、色純度もより高く、しかも、写り込みの少ない、視認性にすぐれた液晶表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における液晶表示装置の断面構造と反射光を示す図である。
【図２】 本発明の実施の形態の液晶表示装置の断面構造と反射光を示す図である。
【図３】 入射側ガラス表面の反射率とコントラストの関係を示す図である。
【図４】 図４（ａ）は本発明のプレーナーテクスチャー層とフォーカルコニックテクスチャー層の分光反射率の測定結果を示し、図４（ｂ）は従来の液晶表示装置の分光反射率の測定値を示す。
【図５】 液晶表示素子に対する測定器の受光角度を０度におけるプレーナーテクスチャーの反射率とフォーカルコニックテクスチャーの反射率の比とコントラストとの実測値の関係を示す図である。
【図６】 色度の測定結果である。
【符号の説明】
１ 表側ガラス ２ 裏側ガラス
３ コレステリック液晶層 ３ａ プレーナーテクスチャー層
３ｂ フォーカルコニックテクスチャー層
４、５ コントラスト及び明度増強膜 ６ 光吸収塗料膜
７、８ ＩＴＯ膜 ９、１０ 垂直配向膜

Claims (3)

1. 少なくとも一方が透明な二枚の導電性基板間にコレステリック液晶、カイラルネマチック液晶、コレステリック液晶とカイラルネマチック液晶の混合液晶、またはホログラフィック高分子分散型液晶によるブラッグ反射を起こす液晶層が形成された反射型液晶表示装置において、
   光入射側導電性基板表面に、プレーナーテクスチャー層からの光反射率を高め、フォーカルコニックテクスチャー層からの光反射率を低く抑えるＳｉＯ ₂ , ＴｉＯ ₂ , ＭｇＦ ₂ , Ｎｂ ₂ Ｏ ₅ から選択される少なくとも一つの化合物から得られるコントラスト及び明度増強膜を設けたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 背面側導電性基板表面にも前記コントラスト及び明度増強膜を付与したことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 背面側導電性基板表面に前記コントラスト及び明度増強膜同等の性能を持たせるために当該導電性基板と同じ屈折率を有する光吸収性塗料を塗布したことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。

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