JP4381492B2 - 液晶光学素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶を利用して反射光の光強度を電気的に制御し、カラー表示も可能とした光学素子と、その光学素子を利用した液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶を用いて反射光を制御する光学素子として、二枚の偏光板とねじれ構造を有する液晶材料を用いた液晶光学素子に微細な凹凸形状を有する拡散反射板を付加した構造の液晶光学素子が用いられてきている。
図２に従来用いられている液晶光学素子の断面を示す。図において、透明電極（ＩＴＯ）2bを付着させたガラス基板1bと、透明電極（ＩＴＯ）2cを付着させたガラス基板1cに挟持されたねじれ構造を有する液晶材料からなる液晶層３は、更に、一対の偏光板５で挟持され、片方には拡散反射板６が貼り付けられている。そして、もう一方の偏光板側から入射された光がこの拡散反射板６で反射され、その過程で液晶層３の液晶による反射光の制御が行われる。
【０００３】
また、上記に示す拡散反射板を貼り付けるのではなく、上記の一対の透明電極のうち片方をミラー電極とし、素子の表面側に拡散板を設けた構造の液晶光学素子も開発されている。
このような液晶光学素子を適用し、表面からの白色光をカラーフィルタによって着色させてフルカラー画像表示を行う反射型フルカラー液晶表示装置が開発されている。
【０００４】
図８に、その反射型フルカラー液晶表示装置の断面図を示す。本反射型液晶表示装置は、ガラス1b、1cの間に、カラーフィルタ10、透明導電膜（ＩＴＯ）2b、液晶３、鏡面反射板を兼ねた電極であるミラー電極2aがそれぞれ層となってサンドイッチ状に挟み込まれ、表面側には拡散板11が設けられている。そして、表面側からの白色の入射光がこの本液晶表示装置で選択的に反射されることでフルカラー画像が得られる構造となっている。ここで、本図においては、説明の簡単化のため、偏光板、位相差板の記載、および、駆動回路の記載などは省略している。
【０００５】
このような反射型フルカラー液晶表示装置に適用される液晶セルの詳細構造の一例を図９（ａ）に示す。この反射タイプの液晶セルは、上から拡散板11、偏光板５、位相差板12、ガラス1b、透明導電膜（ＩＴＯ）2b、液晶15、ミラー電極2a、ガラス1cの積層構造となっている。ただし、図９においてはカラーフィルタの記載は省略しているが、図８に示すようにカラーフィルタを付加することによって容易にカラー化することが可能である。
【０００６】
ここで、図９（ａ）は平行配向ＥＣＢ（electrically controlled birefringence ）液晶セルであるが、図９（ｂ）に示すベンド配向液晶セル、図９（ｃ）に示すＨＡＮ（hybrid aligned nematic）配向液晶セルなども同様に適用することが可能である。
なお、上述の図８、図９で示したミラー電極2aの代わりに拡散反射板を兼ねた金属電極を用いても良いし、あるいは、拡散反射板と透明な平坦化膜と透明電極を用いても良い。このような拡散反射板を用いた場合、拡散板11は除くこともできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上で説明した光学素子は広視野角の範囲において十分な明るさ、コントラストを得ることができない。
本発明は、平行配向ＥＣＢ、または、ベンド配向、ＨＡＮ配向のいずれかの液晶セルを適用した液晶光学素子において、その明るさとコントラストを最適化し、高反射率、高解像度、高コントラストを有する液晶光学素子の提供と、その液晶光学素子を適用した液晶表示装置の実現を課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液晶光学素子の特性に位相差板が大きく寄与することに着目し、その位相差板の特性を詳しく解析することによってなされたものであり、従来１枚で構成されていた位相差板を複数枚構成とすることで、液晶光学素子の特性が最良となることを見出したことに基づいてなされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明者らは、複屈折型の液晶を用いた場合、液晶のリターデーション（複屈折率と厚さの積：Δn ・ｄ、厚さは、波長λの倍数として表すこともある。）に波長依存性があり、またこの波長依存性は光の入射角度によって変化してしまうことから高コントラスト化を実現するためには光の入射角度によらず可視領域にある全ての光が暗状態となるように位相差板を設計して積層する必要があることを見出したのである。
【００１０】
そこで、このために必要な位相差板の詳細構成について検討を行った。
一般に液晶のリタデーションは、光の波長λ、入射角度θそして液晶にかかる印加電圧Ｖによって変化する。したがってλ₀ を設計時における最適波長とすると液晶のリタデーションＲ_lcを次式のように表すことができる。
Ｒ_lc (λ, Ｖ, θ) ＝Ｒ_lc (λ＝λ₀,θ＝0,Ｖ) Ａ (θ, Ｖ) Ｂ (λ) (1)
一方、位相差板のリタデーションＲ_Filmは光の波長、入射角度に依存することから次式のように表すことができる。
Ｒ_Film (λ, θ) ＝Ｒ_Film (λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ (θ) Ｌ (λ) (2)
ここで (2)式から、波長依存性または角度依存性の等しい二種類の位相差板は次式で表すように一種類の位相差板で実現することができる。
【００１１】
波長依存性が同じ場合には次のようになる。
Ｒ_Film1(λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ₁(θ) Ｌ (λ) ＋Ｒ_Film2(λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ₂(θ) Ｌ（λ) ＝｛Ｒ_Film1(λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ₁(θ) ＋Ｒ_Film2(λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ₂(θ) ｝Ｌ (λ) (3)
一方、視角特性が同じ場合には次式で示される。
Ｒ_Film1(λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ (θ) Ｌ₁(λ) ＋Ｒ_Film2(λ＝λ₀,θ＝0)Ｋ (θ) Ｌ₂(λ) ＝｛Ｒ_Film1(λ＝λ₀,θ＝0)Ｌ₁(λ) ＋Ｒ_Film2(λ＝λ₀,θ＝0)Ｌ₂(λ) ｝Ｋ (θ) (4)
ここで１枚の偏光板、位相差板、液晶からなる反射型液晶素子の反射率は次式で表すことができる。
Ｒ_reflectance ＝cos²（（２π｜Ｒ_lc−Ｒ_film｜）／λ） (5)
(1) 式と(5) 式から、全ての波長、入射角度において暗状態を得るために必要な位相差板の特性はθとλによらず、次式を満たせばよい。
Ｒ_Film＝Ｒ_lc (λ＝λ₀,θ＝0,Ｖ) Ａ (θ, Ｖ) Ｂ (λ) −λ／４ (6)
ここで右辺第一項は液晶と同じ波長分散を有し、かつ、視角θを変えても絶対値は同じで符号が逆であるリタデーションを有する位相差板を表している。第二項は光の入射角θと波長λに依存せず、1/4 波長条件を満たす位相差板を表している。
【００１２】
この２枚の位相差板は視角依存性、波長依存性ともに異なることから、二種類の位相差板を１枚の位相差板として実現することはできない。
したがって、２枚の位相差板を独立に設計し、積層することによってはじめて高コントラスト化を実現することができるのであり、本発明においてはじめて、その２枚の位相差板の特性について好適な適正範囲を見出したのである。
【００１３】
すなわち、本発明は、基板と、該基板上に形成され電極機能を有する反射板と、該反射板上に被着された平行配向ＥＣＢ液晶層と、該平行配向ＥＣＢ液晶層上に載設され、該平行配向ＥＣＢ液晶層側に透明電極が形成されたガラス基板と、該ガラス基板上に載設した第１の位相差板と、該第１の位相差板上に載設された第２の位相差板と、該第２の位相差板上に載設された偏光板とからなる液晶光学素子であって、前記第１の位相差板が、可視の入射光に対し前記平行配向ＥＣＢ液晶層と略同じ波長分散を有し、リタデーションの絶対値を略等しく、かつ、符号を逆とし、前記第１の位相差板と前記平行配向ＥＣＢ液晶層とのリタデーションの和を−λ/20 〜λ/20 の範囲内とするものであって、前記第２の位相差板が、可視の入射光に対し、前記第２の位相差板の法線方向を基準として−70度から70度の範囲内の入射角度において、波長をλとして、λ/4−λ/20 からλ/4＋λ/20 の大きさのリタデーションであることを特徴とする液晶光学素子によって上記課題を解決したのである。
【００１４】
そして、前記平行配向ＥＣＢ液晶層がＨＡＮ配向液晶層またはベンド配向液晶層のいずれかであっても同様に上記課題を解決できることを見出した。
また、上記においては、前記反射板を鏡面反射板として、前記偏光板上に更に拡散板を載荷した構成とすることが好適であることを見出した。一方、前記反射板が微細な凹凸のある拡散反射板であり、該拡散反射板上に凹凸を吸収する透明な平坦化膜が形成されているようにしても良いことを見出した。
【００１５】
ここで、反射板として拡散反射板を用いる場合、平行配向ＥＣＢ液晶層をベンド配向液晶層とすることが最も好ましい。
そして、以上のような液晶光学素子を用いた液晶表示装置においては、フルカラー表示を行うためのＲＧＢのカラーフィルタを有し、前記反射板が電極機能を有するマトリックス反射板であり、前記マトリックス反射板と前記透明電極の間において、前記ＲＧＢの各画素にそれぞれ異なる電圧を印加して同じ階調となるようにすることが好適であることを見出した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ここで、この２枚の位相差板のリタデーション特性について検討した。
第１の位相差板と液晶層とのリターデーションの和を横軸とし、その時の暗状態の反射率を縦軸として両者の関係を図３に示す。
また、図４に、第２の位相差板のリタデーションとその時の暗状態の反射率の変化を示す。
【００１７】
図３、図４において縦軸の暗状態の反射率は、本発明の光学素子の明状態を100 ％としたときの暗状態における反射率を示す。ここで、暗状態と明状態の間のコントラスト比を次のように定義する。
コントラスト比＝（明状態の反射率／暗状態の反射率）
したがって、許容できる最低のコントラスト比の値を10とすると、暗状態の反射率は10％以下とする必要がある。
【００１８】
ここでリタデーションの誤差による各波長の最低のコントラスト比をそれぞれ10とすると、前者の第１の位相差板と液晶層とのリタデーションの和は±λ/20 、後者の第２の位相差板のリタデーションはλ/4に対し±λ/20 以内であれば良いことがわかる。
したがって、光の波長λが400nm から700nm の間の可視光範囲の入射光に対し、第１の位相差板は液晶の光軸方位における入射角度によることなく、液晶層のリタデーションとの和が±λ/20 の範囲に入るようにすればよく、また、第２の位相差板はλ/4−λ/20 からλ/4＋λ/20 の大きさのリタデーションを有するように設計することによって、それぞれ10以上の高コントラストを実現可能となる。
【００１９】
【実施例】
つぎに、本発明の液晶光学素子を用い、実際の液晶表示装置の実現について検討を行った。
複屈折を用いる液晶光学素子の場合、ＲＧＢの各画素を同じ電圧−反射率特性とみなして駆動すると、屈折率の波長分散によって暗状態以外の状態では波長依存性に起因して反射率が異なってしまう上に、この波長依存性は光の入射角によって変化する。
【００２０】
したがって、無彩色の表示を行おうとすると、ＲＧＢの各画素間で異なる電圧−反射率特性に対して常に彩度が小さくなるように、異なる電圧を印加しておく必要がある。この時、視野角を変化させても色相の変化が生じないようにするためには、ＲＧＢの各画素の視角特性を同じにする必要があるが、図５に示すようにＲＧＢの各画素の最大の反射率を各階調で等しくすることによって視角特性を同じにすることができる。
【００２１】
図５にＲＧＢ各画素の反射率の視角特性を示す。各画素の反射率は図示のように正面方位における最大の反射率（Ｒ＝100 ％、Ｒ＝75％、Ｒ＝50％、Ｒ＝25％）に依存し、波長にはほとんど依存しない。したがって、ＲＧＢの各画素の最大の反射率を同じにすることで、ＲＧＢ画素間の視角特性を等しくすることができる。
【００２２】
本発明の液晶光学素子において、以上の原理を利用することによって高コントラスト表示、広視野角表示が可能となる。
以上で説明した知見をベースとして、本発明の反射型の液晶光学素子を試作した。
暗状態における波長−反射率特性の測定結果を図６に示す。この結果から、本発明の液晶光学素子を用いることにより、暗状態における反射率を可視光領域においてほぼ０とすることができることを確認した。
【００２３】
また、ＲＧＢ各画素の異なる電圧−反射率特性を補正するように電圧を制御して駆動したときのＲＧＢ画素の視角特性を図７に示す。
この結果から、ＲＧＢ画素の視角特性がほぼ一致しており、視野角の変化に伴う色相の変化が抑えられ、広視野角表示が可能な液晶表示装置を実現することが可能であることを確認した。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の液晶光学素子を適用することで、液晶の配向状態、波長分散を考慮して位相差フィルムを設計することが可能となり、暗状態における反射率を可視光領域において抑えることができ、高コントラスト表示の可能な反射型液晶光学素子が実現できるようになった。
【００２５】
また、この光学素子を用い、ＲＧＢ画素間で異なる電圧−反射率特性を補正するように電圧を制御して駆動できることから、視野角の変化に伴う色相の変化を抑えることが可能となり、広視野角特性を有する液晶表示装置を実現できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射型液晶光学素子の断面図である。
【図２】従来の反射型液晶光学素子の断面図である。
【図３】本発明の反射型液晶光学素子に用いる位相差板１について位相差板１と液晶層とのリタデーションの和と暗状態の反射率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の反射型液晶光学素子に用いる位相差板２についてリタデーションと暗状態の反射率の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の反射型液晶光学素子ににおいてＲＧＢ各画素のそれぞれの反射率に対する視角特性を等しくするように調整することにつき説明するグラフである。
【図６】本発明例と従来例の暗状態における波長−反射率特性について比較するグラフである。
【図７】本発明の反射型液晶光学素子についてＲＧＢ各画素のそれぞれの反射率に対する視角特性を示すグラフである。
【図８】従来の反射型フルカラー液晶表示装置の構造を示す断面図である。
【図９】反射型液晶表示装置の液晶構造を示す模式図であり、（ａ）は平行配向ＥＣＢセル、（ｂ）はベンド配向液晶セル、（ｃ）はＨＡＮ配向液晶セルの各構造を示す。
【符号の説明】
1a 基板
1b、1c ガラス基板
2a ミラー電極
2b、2c 透明導電膜（ＩＴＯ）
３ 液晶層
4a 第１の位相差板
4b 第２の位相差板
５ 偏光板
６ 拡散反射板
10 マイクロカラーフィルタ
11 拡散板
12 位相差板
15 液晶

Claims (5)

1. 基板と、該基板上に形成され電極機能を有する反射板と、該反射板上に被着された平行配向ＥＣＢ液晶層と、該平行配向ＥＣＢ液晶層上に載設され、該平行配向ＥＣＢ液晶層側に透明電極が形成されたガラス基板と、該ガラス基板上に載設した第１の位相差板と、該第１の位相差板上に載設された第２の位相差板と、該第２の位相差板上に載設された偏光板とからなる液晶光学素子であって、前記第１の位相差板が、可視の入射光に対し前記平行配向ＥＣＢ液晶層と略同じ波長分散を有し、リタデーションの絶対値を略等しく、かつ、符号を逆とし、入射する光の波長をλとして、液晶の光軸方位における入射角によらず前記第１の位相差板と前記平行配向ＥＣＢ液晶層とのリタデーションの和を−λ/20 〜λ/20 の範囲内とするものであって、前記第２の位相差板が、可視の入射光に対し、前記第２の位相差板の法線方向を基準として−70度から70度の範囲内の入射角度において、そのリタデーションをλ/4−λ/20 からλ/4＋λ/20 の大きさとするものであることを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記平行配向ＥＣＢ液晶層をＨＡＮ配向液晶層またはベンド配向液晶層のいずれかとしたことを特徴とする請求項１記載の液晶光学素子。
3. 前記反射板が鏡面反射板であり、前記偏光板上に更に拡散板を載荷したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の液晶光学素子。
4. 前記反射板が微細な凹凸のある拡散反射板であり、該拡散反射板上に凹凸を吸収する透明な平坦化膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の液晶光学素子。
5. フルカラー表示を行うためのＲＧＢのカラーフィルタを有し、請求項１〜４記載のいずれかの液晶光学素子を用いた液晶表示装置であって、前記反射板が電極機能を有するマトリックス反射板であり、前記マトリックス反射板と前記透明電極の間において、前記ＲＧＢの各画素にそれぞれ異なる電圧を印加して同じ階調となるようにしたことを特徴とする液晶表示装置。

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