JP4462651B2 - ペーパーホワイト反射型表示器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型表示器およびその作製方法に関する。より特定的には、本発明は、ペーパーホワイト液晶反射型表示器、およびその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、複数種類の反射液晶表示器が開発されている。これら反射液晶表示器の多くは、液晶分散技術を利用している。このような表示器は反射モードの動作では従来の偏光子ベースの表示器より優れている。
【0003】
このような反射液晶表示器の一例は、電気的に制御された光散乱に基づいて動作するポリマー分散型液晶(PDLC)表示器である。この技術では、液晶滴はポリマーマトリクス中に埋め込まれる。オフ状態では、液晶滴のアライメント(回転軸)はランダムで、液晶とポリマーとの有効屈折率の不一致のため、不透明な散乱膜ができる。電界をかけると、液晶滴中の液晶は電界と平行に整列し、複合材は透明になる。しかし、直視反射モードでのコントラスト比は5〜10:1で、セルの厚みに大きく左右される。さらに、ポリマー分散型液晶反射型表示器の反射率はわずか約12〜15%である。
【0004】
他の種類の反射液晶表示器は、ブラッグ反射の原則に従って動作するポリマー分散型コレステリック液晶表示器(PDCLC)である。このコレステリック液晶表示器はコントラスト比がほぼ10:1で、環境光下での明所視反射率が10〜13%、ブラッグ波長でのピーク反射率が約40%である。
【0005】
さらに他の種類の反射液晶表示器は、ポリマー安定化コレステリックテキスチャ(PSCT)反射型表示器である。これはコレステリック液晶媒体中にわずかな量のポリマー添加剤を加えることによって、規則的な安定網を構成する表示器である。コントラスト比は20〜30:1で、環境光下での明所視反射率が10〜15%、ブラッグ波長でのピーク反射率がほぼ40%と報告されている。これ以外にも、ポリマーは使用しないが、上記の表示器群に匹敵する性能を有する同様の表示器が開発されている。
【0006】
ホログラフポリマー分散型液晶表示器は、より新しい種類の反射液晶表示器である。この表示器は、タナカら著の「ホログラフィを用いて作製した反射カラー表示器用の液晶/ポリマー装置(Holographically formed liquid crystal/polymer device for reflective color displays)」(情報表示器学会(Society for Information Display)議事録、1994年、第2巻、第1号、37〜40頁)で報告されている。また、このようなホログラフ液晶表示器の最適化については、タナカら著の「反射カラー表示器応用のためのホログラフPDLCの最適化(Optimization of Holographic PDLC for Reflective Color Display Applications)」(SID、1995年抄録、267〜270頁)に報告されている。このホログラフィを用いたポリマー分散型液晶は、光干渉技術(反射ホログラフィ)を用いて試料内の所定位置で液晶滴の面を形成し、液晶滴濃度の変調(modulation)を設定して作製する。こうして得られる光干渉は、液晶滴内に包理される液晶材料誘導体(liquid crystal material directors)が不整列であるオフ状態で、ブラッグ波長を反射する。定電圧の印加後、液晶の屈折率とポリマーの屈折率とがほぼ一致すれば、周期的な屈折率の変調はなくなり、入射光はすべて透過する。表示器の分光反射率は作製過程で決定され、任意の可視波長を反射するよう選択できる。上記のホログラフ液晶/ポリマー反射カラー表示器は等方性ポリマーを用いて作製されるので、相分離の間に液晶滴が形成される。等方性のためにポリマー分子の整列はランダムで、また液晶の有効屈折率とポリマーの有効屈折率とが一致せず、見る角度範囲が広くなるとこの不一致はさらに大きくなる。そのため、ある角度から見ると表示装置は不透明または曇って見える。また液晶滴が球形であるため、この表示装置はかなり高い駆動電圧が必要である。具体的には、表示装置の駆動に必要な電圧は液晶滴の表面積対体積比に比例する。かかる球形の液晶滴の表面積対体積比は、3/R(Rは液晶滴の半径)である。
【0007】
本願に引用により援用する米国特許出願(08/792,268)「ホログラフィを用いて作製した反射型表示器、液晶表示器、および投写システム、ならびにその作製方法(Holographically Formed Reflective Display, Liquid Crystal Display and Projection System and Methods of Forming the Same)」は、ホログラフィを用いた反射型表示器及び投写システムを開示している。また、本願に引用により援用する米国特許出願(08/792,269)「広帯域反射型表示器およびその作製方法(Broadband Reflective Display and Methods of Forming the Same)」は、それぞれ異なる波長の光を反射する複数の反射層グループを備えることによって、反射波長を拡大する方法を開示している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
また、近年、ペーパーホワイト反射型表示器に対する関心がますます高まっている。しかし、従来のペーパーホワイト表示器作製技術では、明所視での白の反射率が低い、例えば10〜15%である表示器ができてしまう。受動光成形素子(passive light shaping elements)(輝度強調膜)を使用すると、反射率は20〜40%に上昇するが、コントラストおよび表示器を見る角度は制限される。
【0009】
従って、明所視での白の反射率が改善され、低い駆動電圧で動作可能で、コントラスト比が高く、様々な角度から見たときに曇りのないペーパーホワイト反射型表示器が必要とされている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記およびその他の問題を解決するために、本発明は、従来の装置と比較して、明所視での白の反射率が改善され、コントラストが高く、様々な角度から見たときに曇りや不透明さがなく、駆動電圧が低い、ペーパーホワイト反射型表示器を提供する。ペーパーホワイト反射型表示器は、第1の基板および第2の基板と、第1の基板と第2の基板との間に位置する液晶層とポリマー層との複数のグループとを含み、液晶層とポリマー層との複数のグループは、それぞれ異なる波長の光を反射し、電圧源は第1の基板と第2の基板との間に配置されて、すべての液晶層およびポリマー層に選択的に電圧を印加する。
【0011】
本発明をより完全に理解するには、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を考慮すればよい。図中、同一箇所には同一参照番号を付す。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1(a)は反射型表示器を示す。基板群10の間には、酸化インジウムおよび酸化スズ層12と、アライメント層14とが形成される。アライメント層14は、ホモジニアス(平行)接地境界状態を望む場合は磨りポリマー層(rubbed polymer layer)で構成してもよく、またはホメオトロピック(垂直)接地境界状態を望む場合は例えばシラン界面活性剤層で構成してもよい。これについては以下に詳述する。アライメント層14群間には、液晶溶剤に溶解した異方性ポリマーが配置される。異方性ポリマー18は光活性のあるモノマーおよび適当な光イニシエータを含んでもよい。液晶/ポリマー混合物16は、機械的攪拌および熱によって均質化される。
【0013】
その後、装置に例えば干渉用レーザビームAおよびBを照射すると、装置中に干渉縞ができる。この構造を図1(b)に示す。液晶/ポリマー混合物16内でレーザの干渉パターン強度の高い領域はポリマー濃度が高くなりポリマーシート20を形成する。一方、強度の低い領域はポリマーの空洞ができ、液晶領域22となる。図1(b)に示すように、ポリマーシート20および液晶領域22は多層構造となる。
【0014】
図2(a)は、ホログラフィを用いた反射型表示器8のオフ状態の様子を示す図である。オフ状態は、酸化インジウムおよび酸化スズ層12間に電界をかけない場合に発生する。オフ状態では、液晶領域22の分子とポリマーシート20を構成する分子とは屈折率が効果的に一致し、かつ互いに整列しているため、表示器は透明で、すべての光を透過する。
【0015】
図2(b)および図2(c)は、図2(a)の液晶層22およびポリマーシート20の丸で囲った部分15の拡大図であり、それぞれホモジニアスおよびホメオトロピック接地境界状態についてのオフ状態での屈折率の一致の様子を示す。具体的には、図2(b)はアライメント層14が磨りポリマー層である場合に形成されるホモジニアス接地境界状態を示す。このような摩りポリマー層は当該技術分野では公知であり、従来の技術で作製される。摩りポリマー層は、ポリマーシート20および液晶領域22内の分子を、ネマチック液晶媒体の平らなアライメント方向沿いに基板10の表面と概平行に形成させる。図2(b)に示すように、ポリマーシート20を形成するポリマー分子は異方性ポリマー分子であるから、分子は細長く、一方向に整列している。同様に、液晶領域22を形成する分子も異方性であるから、ポリマーシートを形成する分子と同じ方向に整列している。このようにアライメントの屈折率が一致しているため、ホログラフィを用いた反射型表示器8を様々な角度から見た場合に、表示器8の曇りを大幅に抑えることができる。これに対して、従来のホログラフィを用いた反射型表示器は、ランダム整列の等方性ポリマーを使用するため、様々な角度から見た場合に曇りおよび不透明さが生じる。
【0016】
図2(c)は、図2(a)の丸15内の部分拡大図で、反射型表示器8のホメオトロピック接地境界状態を示す。ホメオトロピック接地境界状態は、アライメント層14が垂直アライメントを含む場合、例えばシラン界面活性剤層などの場合に生じる。これは、図2(c)に示すように、ポリマーシート20内の異方性ポリマーを基板10の表面とほぼ垂直に整列させる。同様に、液晶領域22内の分子も異方性であるため、ポリマーシート20を形成する異方性ポリマー分子と同じ方向に整列する。このような異方性ポリマーの使用によっても、ホログラフィを用いた反射型表示器8を様々な角度から見た場合に表示器8の曇りおよび不透明さを大幅に抑えることができる。
【0017】
図3(a)は、ホログラフィを用いた反射型表示器8のオン状態の様子を示す。オン状態では、酸化インジウムおよび酸化スズ層12間に電圧源24から電圧が印加される。これにより矢印Eで示す方向に電界が形成され、表示器に所望の波長の光を反射させる。反射光の所望の波長は、装置の作製時に、レーザまたは他のホログラフィを用いた手段によって形成される干渉縞の波長を適宜制御して選択できる。
【0018】
図3(b)は、ホモジニアス接地境界状態の場合における図3(a)の丸17内の部分拡大図である。図3(b)に示すように、酸化インジウムおよび酸化スズ層間に電界Eをかけることによって液晶領域22内の正の誘電異方性をもつ分子を方向Eと平行に整列させる。これにより所望の波長をもつ光だけを反射させ、それ以外の光はすべて透過する。
【0019】
図3(c)は、ホログラフィを用いた反射型表示器8のオン状態のホメオトロピック接地境界状態を示す。ホメオトロピックアライメントの場合は、使用する液晶材料は負の誘電異方性をもつ。電界Eをかけると、液晶領域22内の負の誘電異方性をもつ分子が電界方向Eと垂直に整列し、やはり所望の波長の光だけを反射する。
【0020】
図4はフルカラー液晶表示器を示す。表面アライメントがホモジニアスな場合、使用する液晶材料は正の誘電異方性をもつ。フルカラー液晶表示器26は、ホログラフィを用いた3つの反射型表示器25,27および29(ホログラフィを用いた反射型表示器8と同じ)を含み、各表示器はそれぞれ異なる波長の光を反射する。フルカラー液晶表示器26は、反射しない波長の光を吸収し表示器のコントラストを強調する黒い吸収体28を含む。図4に示すように、フルカラー液晶表示器26の上面31に矢印Fの方向に環境光を露光させる。像を形成するには、各電圧源24を独立制御して、ホログラフィを用いて、それぞれ異なる光を反射する各反射型表示器8から選択的に光を反射させる。例えば図4では、上部反射型表示器25は465nmの波長の光を反射し、中央の反射型表示器27は545nmの波長の光を反射し、下部反射型表示器29は620nmの波長の光を反射するように構成して、それぞれ青、緑、赤の波長を反射するようにしてもよい。3つのホログラフ反射表示層を選択的に駆動することによって、入射光の広範な帯域からフルカラー画像を形成することができる。
【0021】
図5はフルカラー投写システム31を示す。このシステムは、波長約620nmの赤の光を選択的に反射する第1のホログラフィを用いた反射型表示器30と、波長約545nmの緑の光を反射する第2の反射型表示器32と、波長約465nmの青の光を反射する第3の反射型表示器34とを含む。
【0022】
光源36から発せられた光が、ホログラフィを用いた第1の反射型表示器30に入射すると、波長約620nmの赤の光が矢印Gの方向に反射してミラー38に入射し、そこから矢印Hに沿って出力方向に反射する。波長約620nmの赤以外の光は、第1の反射型表示器30を透過して矢印Iの方向に進み、第2の反射型表示器32に入射する。第2の反射型表示器32は波長約545nmの緑の光を矢印Jの方向に反射して、第1のダイクロイックミラー40表面へ入射させる。第1のダイクロイックミラー40は、ミラー38が反射した赤の光を透過し、かつ緑の光を矢印H方向に反射する。光源36からの光のうち、第2の反射型表示器32で反射されなかった光は、第3の反射型表示器34へ進み、ここで波長約465nmの青の光を矢印Kの方向に反射して、第2のダイクロイックミラー42表面へ入射する。
【0023】
第3の反射型表示器34で反射されなかった光は透過して、光止め35へ進む。第2のダイクロイックミラー42は青の波長の光を矢印Hの方向に反射し、かつミラー38および第1のダイクロイックミラー40からの赤と緑の光を透過して出力へ進める。こうしてフルカラー投写システム31によって、像の形成および投映が行われる。
【0024】
上記の投写システム31の第1、第2および第3のホログラフィを用いた反射型表示器30,32および34が反射する各波長は、図2(a)〜図3(c)で示す実施形態のところで説明したように、各表示器が反射する光の波長を所望の値に調整して変更できる。
【0025】
上記のホログラフィを用いた反射型表示器は、通常使用される一般的なネマチック液晶材料の代わりに、キラル・ネマチック液晶材料または強誘電性液晶材料を使用することによって、双安定なスイッチングを達成できる。双安定性については、本願に引用により援用する関連出願(米国特許出願番号08/897,210)「キラル液晶および再構成可能な無機塊を用いた双安定反射型表示器(Bistable Reflective Display Using Chiral Liquid Crystal and Reconfigurable Inorganic Agglomerates)」に詳細に議論されている。
【0026】
図6はペーパーホワイト反射型表示器47を示す。ペーパーホワイト反射型表示器47は図4の反射型表示器26と同じだが、2枚の基板48および50だけを含み、その間に液晶層とポリマー層との3つのグループ52,54および56が形成される点が異なる。
【0027】
液晶層とポリマー層との各グループ52,54および56は、1層の液晶層と1層のポリマー層とで構成してもよいし、または図1(b)等に示すように複数の液晶層と複数のポリマー層とから構成してもよい。このような液晶層とポリマー層とのグループ52,54および56は、上述したようにそれぞれ異なる波長の光を反射するように形成される。例えば、液晶層とポリマー層とのグループ52は中心波長約630nmの光を反射し、グループ54は中心波長約540nmの波長を反射し、グループ56は中心波長約480nmの波長を反射するように構成してもよい。電圧源58は基板48と50との間に電圧を印加するかしないかのいずれかの選択であるから、この選択により液晶層とポリマー層とのグループ52,54および56のそれぞれに対して、ペーパーホワイト反射型表示器47は、これらグループ52,54および56すべてを一斉に任意の所定時間中反射または透明の状態とすることになる。液晶層とポリマー層とのグループ52,54および56すべてが反射状態の場合、ペーパーホワイト反射型表示器47は赤、緑および青のすべての光を同時に反射するため、ペーパーホワイトに見える。
【0028】
また、ペーパーホワイト反射型表示器47は、基板50に隣接して黒い吸収体60を含む。黒い吸収体60は反射されない波長を吸収する光止めとして機能し、これにより表示器のコントラストを強調し、かつ液晶層とポリマー層とのグループ52,54,および56が透明の場合に表示器を黒く見せる。
【0029】
図7(a)は、ペーパーホワイト反射型表示器47の反射率を表す、複合反射率と波長との関係を示すグラフであり、液晶層とポリマー層とのグループ52,54および56は上述した中心波長の光を反射し、各グループは帯域幅約40nmの光を反射する。図7(b)はペーパーホワイト反射型表示器47の色度図であり、ペーパーホワイト反射型表示器47の表示器白点の色度値と、標準光源D50およびD65からの望ましい距離とを示す。図7(b)に示すように、明所視での白状態の反射率は約44%である。
【0030】
図8はペーパーホワイト反射型表示器62を示す。液晶層とポリマー層とのグループ64,66および68のそれぞれについて、ペーパーホワイト反射型表示器62は液晶層とポリマー層との複数のサブ層を含み、各サブ層は異なる波長の光を反射する。この実施形態では9層の液晶層とポリマー層とのサブ層70〜86を含み、それぞれ3層ずつで1グループとなる。ただしサブ層の数は9層でなくてもよい。サブ層のグループは、図2(a)〜図3(c)に示した実施形態において説明したように、それぞれ特定の波長に合わされる。
【0031】
液晶層とポリマー層とのグループ64は、液晶層とポリマー層との3つのサブ層70,72および74を含み、各サブ層は赤の光の波長を反射するが、ただし各サブ層の中心波長は互いにずれているので、分光反射率の範囲を広くできる。液晶層とポリマー層とのサブ層70,72および74の中心波長は、それぞれ600nm,630nm,660nmである。
【0032】
液晶層とポリマー層とのグループ66は、液晶層とポリマー層との3つのサブ層76,78および80を含み、各サブ層は緑の光の波長を反射するが、ただし各サブ層の中心波長は互いにずれているので、分光反射率の範囲を広くできる。液晶層とポリマー層とのサブ層76,78および80の中心波長は、それぞれ510nm,540nm,570nmである。
【0033】
液晶層とポリマー層とのグループ68は、液晶層とポリマー層との3つのサブ層82,84および86を含み、各サブ層は青の光の波長を反射するが、ただし各サブ層の中心波長は互いにずれているので、分光反射率の範囲を広くできる。液晶層とポリマー層とのサブ層82,84および86の中心波長は、それぞれ460nm,480nm,500nmである。液晶層とポリマー層との各サブ層の帯域幅は40nmである。
【0034】
図9(a)はペーパーホワイト反射型表示器62の反射率を表す、複合反射率と波長との関係を示すグラフである。図9(a)では、所望の白点色度を得るために、緑、赤および青ピークの相対反射率の値を調整している。この実施形態では、図6の反射型表示器に比べて反射率ピークの帯域幅が大幅に広がるので、明所視白反射率は73%まで上昇する。図9(b)はペーパーホワイト反射型表示器62の色度図であり、図示するように、希望する白点色度が標準光源D50およびD65に非常に近接して得られる。
【0035】
以上、本発明の特定の実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者には、多様な変更、変形、および修正が明らかであると考える。従って、上記で説明した本発明の好適な実施形態は一例にすぎず、これに限定するものではなく、本発明の精神および範囲内で多数の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は反射型表示器の組立中に干渉レーザを当てる前の様子を示す概略図であり、(b)は本発明の反射型表示器の概略図である。
【図2】 反射型表示器のオフ状態のホモジニアスおよびホメオトロピック接地境界状態を示す図である。
【図3】 反射型表示器のオン状態のホモジニアスおよびホメオトロピック接地境界状態を示す図である。
【図4】 フルカラー反射型液晶表示器の図である。
【図5】 3つの反射型表示器を含む投写システムの図である。
【図6】 ペーパホワイト反射型表示器の図である。
【図7】 図6のペーパーホワイト反射型表示器用の反射率と波長との関係を示すグラフ、および白点での色度を示す図である。
【図8】 複数のサブ層を有するペーパホワイト反射型表示器の図である。
【図9】 図8のペーパホワイト反射型表示器用の反射率と波長との関係を示すグラフ、および白点での色度を示す図である。
【符号の説明】
47 ペーパーホワイト反射型表示器、48,50 基板、52,54,56グループ(液晶層およびポリマー層から構成されるグループ)、58 電圧源。
Claims (1)
- 第1の基板及び第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板との間に配置された複数のグループであって、前記複数のグループの各々は複数の液晶層及び複数のポリマー層を含み、前記液晶層及び前記ポリマー層は交互に積層され、前記ポリマー層は異方性ポリマー分子から構成され、前記複数のグループの各々は異なる波長の光を反射し、前記複数のグループの各々は複数のサブ層を含み、前記複数のサブ層の各々は複数の前記液晶層及び複数の前記ポリマー層を含み、前記複数のサブ層の各々は反射中心波長が互いにずれている、前記複数のグループと、
前記第1の基板と前記第2の基板とに接続され、前記複数のグループに電圧を印加する電圧源と
を備えることを特徴とするペーパーホワイト反射型表示器。
Applications Claiming Priority (2)
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US08/792,307 | 1997-01-31 | ||
US08/792,307 US6130732A (en) | 1997-01-31 | 1997-01-31 | Paper-white reflective display and methods of forming the same |
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