JP4201267B2 - 反射偏光板を有する液晶ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、一般に情報を表示する装置に関し、特に液晶ディスプレイ（ＬＣＤｓ）に関する。

フラット・キュベット(flat cuvettes)に組み込まれたディスプレイが知られている。キュベットは、その内側が光学的に透明な導電材料で、かつ配向膜から形成された電極であり、二つの並行ガラス平板によって通常形成される。キュベットのアセンブリの後に、キュベットは、５〜１２μｍの範囲の厚さを有している膜を形成する液晶材料で充填される。液晶材料は、電界の影響下における偏光面の回転の角度のようなその光学特性を変化させるアクティブ媒体である。光学特性の変化は、キュベットの外部面に通常接着される、直交偏光板で見られる。電極が電気的に帯電されないディスプレイのエリアは、光を送信しかつ明るく見え、電圧下のエリアは、暗く見える（l．K．Vistin，JVHO，１９８３，vol．XXVII, ed. 2, pp.141-148）。

反射ディスプレイでは、ミラー（鏡）または反射板（レフレクター）は、入射光がキュベットを二度通過するようにＬＣキュベットの後ろに設けられている。画像の形成は、伝送ディスプレイに類似して実行される（Pochi Yeh, Claire Gu, Optics of liquid Crystal Displays, N. Y., 1999, p.p. 233 237）。

従来のディスプレイの主な欠点は、狭い円錐角の範囲内だけで光が多層膜ＬＣディスプレイの前面に向かって伝搬するので、小さな観察角である。そのようなディスプレイは、光学異方性を有しているポリビニルアルコールのようなポリマーに基づく吸収偏光板を通常用い、それは、米国特許第５，００７，９４２号公報に記載されたようなこのポリマーの薄膜の単軸引伸し、及びそれに続くヨウ素フュームまたは有機染料による薄膜の染色を介して取得することができる。そこで、偏光板の屈折率の実数及び虚数部の角依存性の楕円体は、引伸ばされた（針のような）形状を有する。

また、通常のディスプレイは、多数の吸収膜による比較的低い輝度、低いコントラスト及び高い電力消費を有する。
カラー・ディスプレイは、カラー・フィルタが用いられる同じ設計を通常有する。カラー画像の各画素は、適正な比率による３つのカラー（赤、青及び緑）の混合（ミキシング）を介して形成される(Nikkei Electronics, 1983, 5-23, p.p. 102-103)。吸収フィルタを用いることは、装置における更なる光損失をもたらしうるし結果としてエネルギー消費を増大する。

偏光板膜が、二色性染料の配向超分子複合体(aligned supramolecular complexes)から取得されるＬＣディスプレイが知られている。そのような偏光板は、高い光学特性及び小さい厚さを有し、ディスプレイ内部にそれらの配置を許容する。これは、設計を簡略化しかつディスプレイの耐久性を増大する。更に、そのような膜の製造技術は、一つの膜にいくつかの機能を組合せることを許容する（例えば、偏光及びＬＣ配向）（ＲＵ２１２０６５１、１５．０４．９６）。

ＷＯ ９９/３１５３５は、入射光の波長の増大により増大する屈折率を有している複屈折非等方性吸収膜を含んでいる偏光板を組み込むＬＣ表示素子を記述する。特に、そのような偏光板は、ＬＬＣ二色性染料から取得されうるしかつ偏光板の少なくとも一つの側で干渉極値を設定するために一定の厚さを有しうる。また、上記特許出願は、反射偏光板も記述する。

カラー・ディスプレイに対してそのような偏光板を用いることの欠点の一つは、それらが滲んだカラー（スメアード・カラー(smeared colors)）に導く広いスペクトル範囲で光を反射することである。更に、ディスプレイ技術の更なる開発は、偏光素子のより良い光学特定、特に効率的な光変換が存在する増大した視野角度を必要とする。

従って、本発明の一つの目的は、増大したディスプレイの輝度、スペクトル的にクリーンなカラー画像を有し、かつ画像のコントラスト及びリッチネス（濃さ）を増大するために画像において白色、黒色及びカラー構成成分を生成することができるように構成され、かつディスプレイの増大した観察角度を有するディスプレイを提供することにある。

これら及びその他の目的は、フロントパネル及びリアパネルと、電極と、偏光板と、及び前記フロントパネルと前記リアパネルとの間に液晶の膜とを備えた液晶ディスプレイによって達成される。リアパネル上の偏光板は、好適にはスペクトルの少なくとも一つの領域で反射しかつ多層膜構造の少なくとも一つの素子を含む。多層膜構造は、スペクトルの領域で光学的に透明な少なくとも一つの中間膜によって離間された少なくとも二つの異方性膜を含む。多層膜構造における異方性膜の屈折率と厚さとは、スペクトルの領域における透過された偏光と反射された偏光との比率に対して極値を供給する。本発明は、添付した図面を参照して、以下の説明を読むことによってさらに良く理解されるであろう。

図１に示す本発明のＬＣディスプレイは、電極のような機能膜、偏光膜、接着膜及びフロントパネルとリアパネルとの間に配置された液晶の膜３を有するフロントパネル１及びリアパネル２を含む。フロントパネル１の内側には二色性偏光板として機能する薄い結晶膜４がある。結晶膜４は、染料(Vat Blue 4（建染め青４）; bis-benzimidazole-[2,1-a;1'2'b'] anthra[2,1,9-def;6,5,10-d'e'f'] diisoquinoline-6,9-dion; 比率5.2:2:1のVat Red 15（建染め赤１５）)の１２．５％混合を含んでいるＬＬＣから以下に説明する方法により形成されうる。ＬＬＣは、バリウム・イオンで処理された後に不溶性形式に変形される。結晶膜４の厚さは、約１００ｎｍである。結晶膜４が高順序（高次数）異方性膜なので、それは、ＬＣディスプレイに対する配向層として同時に動作しうる。

リアパネル２の内面には、多層膜構造を有する反射偏光板５が設けられている。また、リアパネル２は、リアパネル２の外面に吸収膜６が設けられている。

反射偏光板５は、図２に示すように３つの膜で構成されている：ディスプレイのリアパネル２から開始すると、約６０ｎｍ厚さである、染料Vat Red 15（建染め赤１５）のＬＬＣから得られた結晶膜７、約１００ｎｍ厚さである、ポリ酢酸ビニルの等方性透明膜８、及び約６０ｎｍ厚さである、染料Vat Red 15（建染め赤１５）のＬＬＣから得られた結晶膜９。結晶膜７及び９は、それらの高度な異方性によって区別される：波長間隔５７０-６００ｎｍにおいてそれは０．８に達する。膜７，８及び９は、以下に説明する方法によって順番にリアパネル２に形成される。反射偏光板５は、異常方向(extraordinary direction)に対する偏光(polarized light)の約４４％及び正常方向(ordinary direction)に対して約１％の総合反射率を有する。図３は、偏光の異なる方向に対する反射光の対応するスペクトル特性を示す。

ディスプレイは、明るい画像、リッチな色（緑）、ハイ・コントラストそして広い観察角度を特徴とする。好適には、多層膜構造５の少なくとも一つの異方性膜は、偏光の両方の構成要素（構成成分）に対してスペクトルの上記した領域において光学的に透明である。少なくとも一つの異方性膜は、所望のスペクトル領域において０．４以上の異方性の大きさを有することが好ましい。好適には、多層膜構造５の少なくとも一つの異方性膜は、スペクトルの少なくとも一つの領域においてＥ型（タイプ）の偏光板である。
異方性膜は、リオトロピック液晶（ＬＬＣ）を形成することができるように構成される、少なくとも一つの有機染料及び/またはその誘導体から通常得られる。偏光板の少なくとも一つは、ディスプレイのフロントパネルとリアパネルとの間に配置されることが好ましい。好適には、少なくとも所望のスペクトル領域または可視波長領域全体を吸収する吸収膜６は、入射光の方向に沿ってリアパネル２の外面に設けられる。ディスプレイの少なくとも一つの異方性膜は、少なくとも部分的に結晶性であることが好ましい。

カラー・ディスプレイでは、リアパネル２の偏光板５は、それぞれがスペクトルの少なくとも一つの領域において反射する、カラー反射素子のマトリックスで構成されるのが好ましい。マトリックス素子の選択は、一組の基本色を供給するための条件によって支配される。通常、基本色は、範囲４００〜５００ｎｍの波長を有する青色、範囲５００〜６００ｎｍの波長を有する緑色及び範囲６００〜７００ｎｍの波長を有する赤色である。
好適には、リアパネル２に配置されかつ着色反射素子のマトリックスで構成されている吸収膜６は、可視波長領域全体において吸収する。
ディスプレイは、カラー画像における白色、黒色及び着色構成成分を含む。

本発明によるＬＣディスプレイは、フロントパネル及びリアパネルと、電極、偏光板及びその他の機能性膜と、フロントパネルとリアパネルとの間の液晶の膜とを含む。フロントパネルの偏光板は、ニュートラルであり、光の一つの偏光構成成分を伝送し、他の構成成分を効率的に吸収する。

単色ディスプレイのリアパネルの偏光板は、光学的透明中間膜によって分離される少なくとも二つの光学的異方性膜を含んでいる多層膜構造を表わす。全ての膜の厚さ及び屈折率は、偏光板がスペクトルの一定の領域における一つの偏光の放射を効率的に反射しかつ、フィルタによって後で吸収される、直交偏光放射を伝送するように選択される。

カラー・ディスプレイでは、リアパネルの偏光板は、それぞれが単色ディスプレイに対して上述した反射偏光板と同じように実施される、カラー反射素子のマトリックスを表わす。マトリックス素子の選択は、画像における一組の基本色を供給するための条件によって支配される。スペクトル的にクリアで、ハイ・コントラストなカラー画像を得るために、各マトリックス素子が狭いスペクトル範囲において反射することが好ましい。

多層膜構造５の製造において、高度の異方性、屈折率の一つの高値を有しかつ好適には（波長と比較して）薄い均質膜を得ることが好ましい。Optiva Technology (Lazarev P., Paukshto M., Proceeding of the 7^th International Display Workshops, Materials and Components, Kobe, Japan, November 29 December 1 (2000), p.p. 1159-1160)の方法により得られた結晶薄膜または膜は、多層膜構造５の製造で用いることができる。

そのような多層膜構造を製造するための材料の最初の選択は、適切なスペクトル特性と、分子の面にありかつ芳香族結合系の一部である、アミン、フェノール、ケトン及びその他のような芳香族共役サイクル及びグループにおけるπ-共役結合の開発された系の存在に基づく。分子自体またはそれらのフラグメント（断片）は、フラット構造を有する。適切な有機材料は、インダントロン（Vat Blue 4（建染め青４））、ジベンゾイミダゾール 1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボキシル酸((dibenzoimidazol 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxilic acid) （Vat Red 14（建染め赤１４））、dibenzoimidazole 3,4,9,10-perylentatracorboxilic acid, キナクリドン(Pigment Violet 19),それらの派生物、及びそれらの組合せを含む。

適切な溶媒にそのような有機化合物を溶解することは、分子が超分子複合体に結合し、系の運動単位として機能する、コロイド系（液晶溶液）を生成する。ＬＣは、超分子複合体の配向及び溶媒のそれに続く除去の間に、異方性結晶薄膜（またはその他の用語における結晶薄膜）をそれから浸す、系の予め順序付けられた状態である。

超分子複合体を有するコロイド系から薄い異方性結晶薄膜を準備する方法は、以下の段階を含む：
− コロイド系を基板（またはウェア、または多層膜構造の膜の一つ）に堆積（成長）させる段階。コロイド系は、コロイド系が一定の温度にありかつ一定の分散位相の濃度を有していなければならないような、揺変性（シキソトロピック）特性を有する；
− 成長したコロイド系を、系の減少した粘性を供給するために適切な外部衝撃（インパクト）（これは、加熱、せん断（シアリング）によるひずみ、等でありうる）を介して増大した流動度の状態に変換する段階。外部衝撃は、配向の全後続処理中継続しうるかまたは系が配向中に増大した粘性を有する状態に戻らないように必要な持続期間（存続期間）を有しうる；
− 機械的に並びにその他の方法で実施されうる、外部配向(orienting)力を系に適用する段階。力は、コロイド系の運動単位（速度性単位(kinetic units)）が必要な配向(orientation)を受け、かつ結果として得られる膜における将来の結晶格子に対する基礎でありうる、構造を形成するように十分でなければならない；
− 主要外部影響力により達成される、低下した粘性を有する状態からの結果として得られた薄膜の配向領域(oriented region)を、系の最初のまたはより高い粘性を有する状態に変換する段階。これは、膜の表面の外観欠陥を回避するように結果として得られた薄膜に構造の配向度の減少(disorientation)が存在しないような方法で実行される；
− 結晶構造が形成される間に、結果として得られた薄膜から溶媒を取り除く段階。

得られた膜内では、分子の面は、互いに並行でありかつそして膜の少なくとも一部に三次元結晶を形成する。薄膜製造のこの方法を最適化することによって、単結晶膜を得ることができる。そのような結晶の光軸は、分子の面に垂直である。そのような膜は、少なくとも一つの方向に対して高度な異方性及び高い屈折率を有する。膜の厚さは、通常、1μｍを超えない。

結果として得られた膜の厚さは、最初のＬＣの固相(solid phase)のコンテント（内容）及びＬＬＣの成長した膜の厚さを通して制御されうる。更に、中間光学特性を有する膜を得るために、コロイド系の混合物を用いうる（この場合には、溶液に形成された超分子複合体が組合わされる）。吸収及び屈折は、コロイド溶液の混合物から得られた膜の最初の構成成分によって決定された範囲内で様々な値を有しうる。様々なコロイド系を混合しかつ組合わされた超分子複合体を得ることは、分子（またはそれらのフラグメント）の平坦（平面）度及び上記の有機化合物（３．４Å）からの分子の寸法（ディメンション）の一つの一致により可能である。

湿性膜(wet layer)では、分子は、基板の超分子複合体の配向(orientation)により一方向に沿って良好な順番を有する。溶媒の蒸発中に、三次元結晶構造を形成することは、分子に対してよりエネルギー的に好都合のように思える。
多層膜構造は、上述した方法によって得られた少なくとも二つの異方性膜を含む。ここで、個別の異方性膜の光軸は、通常同方向である。偏光板による一定のスペクトル範囲における光の反射は、薄膜における干渉効果により発生しうる。膜の厚さ及び偏光の各方向に対する屈折率は、光の一つのがこの構造によって効率的に反射されると同時に他方の偏光構成部分が反射されないで通過するように選択される。多層膜構造を通って伝送された光を吸収するために、全吸収材料の膜が放射伝搬の方向に沿ってリアパネルの外面に設けられる。これは、ディスプレイのリアパネルからグレアを取り除きかつ画像のコントラストを向上させる。更に、そのような設計は、画像に黒色を得ることを許容する。

得られた膜が薄く（１００ｎｍよりも小さい）かつ高度な異方性により膜の数が最小(例えば３)なので、そのような多層膜構造は、ＬＣディスプレイの内部に配置されうる。
また、フロントパネルに対する偏光板は、ＬＬＣを形成する、有機材料、または適切な吸収スペクトルを有している材料の混合物の対応する選択を有する上述した技術により得ることができる。更に、この偏光板も、また、ディスプレイの内部に配置されうる。

ディスプレイの全ての機能膜の内部配置は、大きさを縮小しかつディスプレイ装置の耐久性を向上させ、かつ装置の製造処理を簡略化する。

更に、本発明による異方性膜を製造する方法は、屈折率の実部及び虚数部の角度依存性の楕円体は、円盤のような形状を有するという事実に基づくものである。屈折率の虚数部の楕円体の形状を変えることは、偏光板のパラメータ及びその角度特性をかなり改善する。ディスプレイにそのような偏光板を用いることは、実際に１８０°まで観測角度を増大することができる。

また、カラー反射素子のマトリックスを表わしている、カラー・ディスプレイのリアパネルの偏光板は、例えば、局所被覆を形成するためのマスクを用いて、上述した技術により得ることができる。ここでは、異方性材料の膜は、上述した技術により代わる代わるに連続的に成長される。局所反射偏光素子を形成するために被覆が保存されることが望ましい領域では、被覆材料は、不溶性形式に変えられる。残りのエリアは、水洗いを介して洗浄される。異方性材料の別の膜は、結果として得られる膜の上部に成長され、かつ手順が繰り返される。必要な場合には、追加の偏光膜が用いられうる。そこで、個別の素子のマトリックスである、偏光板の多層膜構造が形成される。マトリックスの各素子は、一定のスペクトルの光及び一つの偏波を反射する。

液晶ディスプレイが提供された。本発明の特定の実施形態の上記説明は、説明及び記述の目的に対して提示された。それらは、余すところがないものであることを意図しないしまたは本発明を開示した正確な形式に限定すること意図しないし、明らかに上記教示に関して多くの変更及び変形が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用を最もよく説明するために選択されかつ記述され、それにより当業者が予期される実際の使用に適するように本発明及び様々な変更を有する様々な実施形態を最もよく利用することができる。本発明の適用範囲は、特許請求の範囲及びその同等物によって規定されるということを意図する。

本発明の一実施形態による内部偏光板を有している液晶ディスプレイの概略部分図である。 多層膜反射偏光板の詳細を示している、図１の影響ディスプレイの部分図である。 本発明の一実施形態による液晶ディスプレイのスペクトル特性を示しているグラフである。

Claims (14)

1. フロントパネル及びリアパネルと、電極と、偏光板と、及び前記フロントパネルと前記リアパネルとの間に液晶の膜とを備え、
   前記リアパネル上の偏光板は、スペクトルの少なくとも一つの領域で、一方の偏光構成成分を効率的に反射する多層膜構造の偏光板であり、前記多層膜構造は、前記スペクトルの少なくとも一つの領域で光学的に透明な少なくとも一つの中間膜によって離間された少なくとも二つの異方性膜を含み、前記多層膜構造における前記異方性膜の屈折率と厚さとは、前記スペクトルの領域における透過された偏光と反射された偏光との比率に対して極値を供給するように選択されることを特徴とする液晶ディスプレイ。
2. 前記多層膜構造の前記異方性膜の少なくとも一つは、偏光の両方の構成成分に対して前記スペクトルの領域において光学的に透明であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記異方性膜の少なくとも一つは、前記スペクトルの領域において０．４以上の異方性の大きさを有することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のディスプレイ。
4. 前記異方性膜の少なくとも一つは、前記スペクトルの少なくとも一つの領域でＥ型の偏光板であることを特徴とする請求項１または３のいずれか一項に記載のディスプレイ。
5. 前記異方性膜は、少なくとも一つの有機染料及び／またはその誘導体から得られ、それらはリオトロピック液晶を形成できるものである請求項１または４のいずれか一項に記載のディスプレイ。
6. 前記偏光板の少なくとも一つは、前記ディスプレイの前記フロントパネルと前記リアパネルとの間に配置されることを特徴とする請求項１または５のいずれか一項に記載のディスプレイ。
7. スペクトルの少なくとも一つの領域における入射放射の伝搬の方向に沿って前記リアパネルの外側面に設けられた吸収膜を更に備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のディスプレイ。
8. 前記吸収膜は、全ての可視範囲の波長を吸収することを特徴とする請求項７に記載のディスプレイ。
9. 前記異方性膜の少なくとも一つは、少なくとも部分的に結晶体であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のディスプレイ。
10. 前記リアパネルの前記偏光板は、それぞれがスペクトルの少なくとも一つの領域で反射する、色反射素子のマトリックスを備えていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のディスプレイ。
11. 前記マトリックスの素子は、一組の基本色を供給するように選択される請求項１０に記載のディスプレイ。
12. 前記基本色は、４００から５００ｎｍの範囲の波長を有する青色、５００から６００ｎｍの範囲の波長を有する緑色、及び６００から７００ｎｍの範囲の波長を有する赤色を含む請求項１１に記載のディスプレイ。
13. 入射放射の伝搬の方向に沿って前記リアパネルの外側面に設けられた吸収膜を更に備え、前記リアパネルの前記偏光板は、それぞれがスペクトルの少なくとも一つの領域で反射する、色反射素子のマトリックスを備え、かつ前記吸収膜は、全ての可視範囲の波長を吸収することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載のディスプレイ。
14. 前記ディスプレイは、色画像の白色、黒色及びカラー構成要素の存在によって特徴付けられる請求項１から１３のいずれか一項に記載のディスプレイ。

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