JP3788013B2

JP3788013B2 - 反射型液晶装置及び電子機器

Info

Publication number: JP3788013B2
Application number: JP04256298A
Authority: JP
Inventors: 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JPH11242216A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反射型液晶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射型液晶装置としては、ＴＮ型液晶装置のように液晶層を含む液晶セルの前面側及び背面側にそれぞれ偏光板を配置し、背面側の偏光板のさらに背後に反射板を配置するものが一般的である。しかしながら、このような偏光板を用いた反射型液晶装置は、外光の反射のみで表示を視認可能にしている上に２枚の偏光板によって光損失が生ずるため、表示が暗いという問題点がある。
【０００３】
これに対して、偏光板を用いることなく表示を可能にするタイプの他の液晶装置が開発されている。この種の液晶装置のうち、電界によって液晶層を光散乱状態と光透過状態とに制御して表示を行う散乱モードを用いた液晶装置がある。この液晶装置においては、光散乱状態にて白色表示を、光透過状態において黒色表示を行うようになっており、偏光板を用いないことから表示を明るくすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記散乱モードを用いた液晶装置においては、偏光板を用いないことから表示を明るくすることができるものの、光散乱状態における白色度と、光透過状態における黒色度とが充分でなく、表示のコントラストが充分に確保できないという問題点がある。また、光透過状態においては反射面に背景や照明などが映り込み、視認性を妨げる場合もあり、そのため、反射面に微細な凹凸を形成して粗面化し、反射面の正反射を低減して光を拡散させるようにする必要があり、製造コストが増大するという問題点もある。
【０００５】
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、反射型液晶装置において、２枚偏光板を用いる液晶装置の表示の暗さと、散乱モードを用いた液晶装置の視認性の悪化を共に解決することのできる新規の表示モードを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、第１の基板と、第２の基板との間に液晶層を配置し、該液晶層よりも前記第２の基板側に反射面を備えた反射型液晶装置において、前記液晶層よりも前記第１の基板側に偏光層を配置し、前記液晶層は、所定のツイスト角を有して所定の方向に配向され、誘電異方性及び屈折率異方性を備えた液晶中に、前記所定の方向に配向されたときに前記液晶とほぼ等しい光屈折率を有する高分子が分散されてなり、前記液晶層の光透過状態においては、前記液晶と前記高分子とがともに前記所定の方向に配向して、前記偏光層を透過した直線偏光が、前記液晶層を透過して円偏光となって前記反射面で反射され、再び前記液晶層を透過して、前記偏光層を透過した直線偏光の偏光方向と交差する偏光方向を有する直線偏光となって、前記偏光層によって遮断され、前記液晶層の光散乱状態においては、前記液晶と前記高分子とが互いに異なる方向に配向して、前記偏光板を透過した直線偏光が前記液晶層で散乱された後、前記偏光板を透過して出射し、前記光透過状態において前記反射面で反射された後に前記偏光層で遮断されずに出射する光の出射率が極小値となるように、前記光透過状態における前記液晶のツイスト角、前記液晶層のリタデーション、及び前記偏光層の透過軸と前記液晶の配向方向との間の角度が設定されていることを特徴とする。
【０００７】
この手段によれば、偏光層を通過して液晶層に偏光が入射したとき、液晶層が光透過状態にある場合には液晶層内を進むに従って液晶分子のツイスト角によって偏光状態が変化し、反射面において反射された後にもまた液晶層を通過して偏光状態を変化させて再び偏光層に戻るのに対し、液晶層が光散乱状態にある場合には、偏光板を通過した偏光が液晶層に入射すると、液晶層内にて散乱されて再び偏光板に戻る。したがって、液晶層のツイスト角、配向方向、リタデーションなどを調整することによって、液晶層が光透過状態にあるときには反射光が偏光層にて遮断されて黒色が表現され、液晶層が光散乱状態にあるときは散乱光が偏光層を透過して白色が表現されるように構成することができるため、特に黒色を従来よりも暗く表現することができるから、表示のコントラストを向上させることができるとともに、一枚偏光板構成によって表示の明るさ低下を極力抑制することができる。
【０００８】
ここで、前記液晶層は、前記液晶分子と、前記液晶分子に対する所定の電界印加状態における光屈折率とほぼ同様の光屈折率を有する高分子とを相互に分散配置してなる場合、すなわち、高分子分散型の液晶層を用いる場合がある。
【０００９】
また、前記偏光層を透過して形成された偏光が前記液晶層を通過すると前記反射面上において略円偏光になるように、光透過状態における前記液晶層の液晶分子のツイスト角、前記液晶層のリタデーション、及び、前記液晶層の前面側における前記偏光層の透過軸と前記液晶分子の配向方向との間の角度である配向角を調整してなることが好ましい。この手段によれば、ツイスト角、リタデーション及び配向角によって液晶層による偏光の偏光状態の変化度合いを調整することができ、反射面上にて略円偏光になるように構成することによって、偏光層へと戻る反射光の偏光方向が入射時に対してほぼ直交する方向となるため、確実に光を遮断することができるから、表示のコントラストを高めることができる。
【００１０】
この場合にはまた、前記液晶層が光透過状態にある場合において、所定の前記配向角に対して前記ツイスト角及び前記リタデーションが液晶セルの光反射率が極小値となるように設定されていることが望ましい。この手段によれば、所定の配向角に対して光反射率が極小値になるツイスト角及びリタデーションを設定することにより、液晶装置の製造条件として実用的な範囲内で充分な光遮断を行うことが可能になり、実用的に表示のコントラストを高めることができる。
【００１１】
さらに、このような反射型液晶装置を電子機器に搭載することも可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。図１は、本発明に係る反射型液晶装置の第１実施形態の概略構成を示す概略縦断面図である。この実施形態では、無機ガラスからなる透明な前面側基板１０と背面側基板２０との間に液晶層３０が図示しないシール材によって封止されている。前面側基板１０の外面上には偏光板４０が貼着される。
【００１３】
前面側基板の内面上にはＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）などからなる透明電極１１が形成され、この透明電極１１上に全面的に図示しない配向膜が塗布形成され、所定方向、たとえば、図示左右方向にラビング処理が施される。一方、背面側基板２０の内面上には、ＡｌやＣｒなどの金属を蒸着、スパッタリング等により被着して反射電極２１が形成されている。この反射電極２１の表面上にも図示しない所定の配向膜が形成され、液晶層３０内の液晶分子の配向方向及びツイスト角に応じた方向にラビング処理が施される。
【００１４】
単純マトリクス型液晶装置の場合には透明電極１１と反射電極２１とは相互に直交する方向に伸びるストライプ状に形成され、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）やＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子などのアクティブ素子を備えたアクティブマトリクス型の液晶装置では、電極１１が基板の全面にもしくはストライプ状に形成される。反射電極２１は単純マトリックス型の場合、ストライプ状の電極となり、アクティブ素子が形成されている場合には画素領域毎に分離した平面矩形状などの独立形状に形成されている。
【００１５】
本実施形態の液晶層３０は、散乱モードを用いた表示方式を採用し、液晶層３０への電界印加状態に応じて光散乱状態又は光透過状態が得られるようになっている。本実施形態の散乱モードを実現するものとしては、高分子分散型液晶と呼ばれるものを用いる場合がある。この場合、液晶層３０の内部には液晶分子と高分子とが互いに分散した状態にて存在している。この状態としては、液晶中に高分子粒子が分散した状態のもの、液晶中に多量の高分子粒子が連接するように配置されているもの、ゲル状態の高分子の網の目状の骨格内に液晶が含まれるものなど、種々の態様のものがある。
【００１６】
この場合、液晶と光若しくは電子線などで重合させることが可能な高分子前駆体とを相溶させた溶液を空セル内に注入した後、光や電子線などを照射することによって高分子前駆体を重合させ、相分離によって液晶中に高分子を析出させることにより液晶層３０を形成することが好ましい。液晶としては誘電異方性及び屈折率異方性を備えたものであれば種々の液晶を用いることができる。ここで、液晶が正の誘電異方性を備えている場合には基板表面のラビング処理によって液晶を水平配向させ、液晶が負の誘電異方性を備えている場合には液晶を垂直配向させることが好ましい。特に、この方法にて液晶層を形成する場合、液晶と高分子の双方を所定方向に配向させることができる。
【００１７】
高分子前駆体としては、ビフェニルメクリレートその他のメタクリレート、アクリレート、その他のビニル化合物などの光或いは電子線重合性の化合物、エポキシ化合物などの熱重合性の化合物を用いることができる。熱重合性の化合物については適度な温度まで加熱して高分子を相分離させることができる。また、高分子としてエチルセルロースのような熱可塑性の化合物を用いることができ、この場合には、加熱状態で液晶と混合させた後、空セル内に注入して冷却すれば高分子を相分離させることができる。なお、液晶成分中にカイラル成分を混入することにより、表示のコントラストや視角依存性を向上させることができる。
【００１８】
本実施形態において高分子分散型の液晶層３０を形成する具体例としては、たとえば、液晶としてメルク社製の「ＢＬ００７」（商品名）を９０ｗｔ％、カイラル成分としてメルク社製の「ＣＢ１５」（商品名）を０．１〜３ｗｔ％（但し、ツイスト角に応じて当該範囲にこだわらずに適宜調整する。）、高分子前駆体としてビフェニルメタクリレートを７ｗｔ％混合してなる溶液を作成し、この溶液を前面側基板１０、背面側基板２０及びシール材からなる基板間ギャップが５ミクロン程度の空セル内に注入し、封止してから、紫外線を照射して液晶中に高分子粒子を相分離させる。紫外線の照射量を適宜に設定すると、駆動電圧が５ボルト程度となり、時計用ＩＣでも十分駆動できるものとなる。このような液晶層の形成方法では液晶成分の割合は５０〜９５ｗｔ％程度であることにより、駆動電圧と表示態様とを実用的な範囲に設定することができる。
【００１９】
このような液晶層３０においては、電界無印加状態では、液晶層内の液晶と高分子粒子とが共にほぼ同じ配向して液晶と高分子粒子の光屈折率がほぼ等しくなるために光透過状態になる。一方、所定のしきい値を越える電界を印加した状態では、電界が印加された領域において誘電異方性を有する液晶が垂直に配向するとともに、液晶は屈折率異方性をも備えているので高分子の光屈折率との間に差が生じ、光散乱状態となる。なお、液晶と高分子とは同じようにツイスト配向している。
【００２０】
このため、数字、文字、図形などの表示内容に応じた領域にしきい値を越える電圧を印加することにより白濁させることができる。この場合に、液晶層３０に所定の電界を印加するために前面側基板１０と背面側基板２０の内面上にマトリクス状の多数の電極を形成しておいてもよく、或いはまた、数字、文字、図形のうちの或る限定された数の表示内容のみを表示すれば足りる場合には、一方の基板内面に幾つかのセグメント電極を形成し、他方の基板内面にコモン電極を形成してもよい。また、液晶と高分子との屈折率の設定により、電界無印加状態で光散乱状態になり、電界印加状態で光透過状態になるように構成することも可能である。
【００２１】
上記の液晶層３０においては、上述のような従来とほぼ同様の高分子分散型の液晶層であることに加えて、偏光板４０の透過軸と、前面側基板１０に対する界面領域３０ａにおける液晶分子３１のダイレクタの方向との間の角度である配向角φ、液晶分子のツイスト角θ、リタデーションΔｎ・ｄ（Δｎは屈折率異方性であり、ｄは液晶セルのセルギャップ、すなわち、液晶層の厚さである。）を所定値に設計している。配向角φは偏光板の取付方位や前面側基板１０の内面上に形成された配向膜のラビング方向によって制御することができ、ツイスト角θは、液晶層へのカイラル剤の混入量や前面側基板１０及び背面側基板２０の内面上の配向膜のラビング方向の差などによって制御することができる。リタデーションΔｎ・ｄは、液晶分子や高分子の材質、組成比、セルギャップなどによって制御することが可能である。
【００２２】
本実施形態では、上述のように、配向角φ、ツイスト角θ、リタデーションΔｎ・ｄを制御することによって、図２に示すように、液晶層３０が光透過状態にあるとき、偏光板４０を通過して液晶層３０に入射する直線偏光Ｐが液晶層３０を通過して反射電極２１の表面上でほぼ円偏光Ｃになるようにしている。この円偏光Ｃは、反射電極２１の反射面にて反射された後、再び液晶層３０を通過すると、当初の直線偏光Ｐに対してほぼ直交する偏光方向を備えた直線偏光Ａになる。この直線偏光Ａは偏光板４０を透過できない。図３は、上述の直線偏光Ｐ、円偏光Ｃ及び直線偏光Ｃの偏光状態を示すものである。直線偏光Ｐは液晶層３０内において図２に示す液晶分子３１のダイレクタの方向によって徐々に図３に細線で示すように楕円偏光に変化しその扁平率を減少させながら、その楕円偏光の長軸の方向も徐々に回転していく。そして、ちょうど液晶層３０を通過した反射面上において円偏光Ｃになって反射され、再び液晶層３０を通過すると再び楕円偏光になってその長軸の方向はさらに回転していき、やがて当初の直線方向Ｐと直交する偏光方向を備えた直線偏光Ａとなる。
【００２３】
以上のように構成された本実施形態においては、液晶層３０が光透過状態にある場合には上述のように反射光が偏光板４０において遮断され、黒色表示が得られるとともに、液晶層３０が光散乱状態になる場合には、偏光板４０から入射する直線偏光Ｐは液晶層３０に入るが、液晶層３０内の液晶分子と高分子との屈折率の違いによって光散乱され、そのまま再び偏光板４０を通過して放出されるので、白色表示が得られる。
【００２４】
図４から図７は、液晶層３０としてネマチック液晶を用いて所定の配向角φ、ツイスト角θ及びリタデーションΔｎ・ｄに対するコンピュータシミュレーションを行った結果を示すものである。ただし、これらには高分子の影響は盛り込まれていない。これらの図において、図４、図６、図７については図１と同様の単一の偏光板を有する光学系を仮定し、波長は５５０ｎｍとし、液晶層に所定ツイスト角のネマチック液晶を用いたノーマリーブラックの液晶装置とした条件の元、所定のセルパラメータを用いてジョーンズベクトル法により反射率を算出した。一方、図５は同様のセルの前方に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を配置して、側方からＰＢＳに向けて光源より光を照射し、ＰＢＳにて取り出された偏光を液晶層に入射させ、さらに、反射面からの反射光がＰＢＳを透過して液晶層の前方に光を放出するというノーマリーホワイトの光学系を仮定して算出したものである。
【００２５】
図４は、図２に示すように偏光板４０の透過軸と液晶層３０の前面側平面３０ａの近傍の液晶分子３１のダイレクタの方向とを一致させた場合、すなわち、配向角φを０にした場合における、オフ状態、すなわち、液晶層３０が光透過状態にあるときの反射率と、液晶層３０のリタデーションΔｎ・ｄとの関係を、波長５５０ｎｍの光に対して示すグラフである。ここで、グラフ中に記載した角度は液晶層３０中のネマチック液晶のツイスト角θである。このグラフから判るように、ツイスト角θが６３度又は２００度のときに反射率が最も低い曲線となることが判る。また、これらの最適なツイスト角θを有する場合においても特に、ツイスト角θが６３度の場合にはリタデーションΔｎ・ｄが０．２μｍのときにほぼ反射率が０である極小値（最小値）をとり、ツイスト角θが２００度の場合にはリタデーションΔｎ・ｄが０．５６μｍのときにほぼ反射率が０の極小値（最小値）を取る。また、これらの２組の最適条件ではなくても、ツイスト角θ及びリタデーションΔｎ・ｄがそれぞれ最適条件に近い場合にも良好な光遮断を行うことができることが判る。
【００２６】
図５は、上記２つの最適条件について、それぞれの電気光学特性を計算したものである。ただし、この場合には、上述のようにＰＢＳを用いた光学系による電界無印加状態で白色表示が得られるノーマリーホワイトの液晶セルを仮定している。このグラフによれば、上記の２組の最適条件のいずれにおいても電気光学特性において充分な急峻性を備えていることが判る。
【００２７】
図６は、上記２組の最適条件におけるオフ状態、すなわち黒色表示時の反射率の波長特性を示すものである。上記の最適条件はいずれも波長５５０ｎｍに対するものであるため、波長５５０ｎｍの光は完全に遮断されているが、それ以外の波長に対しては必ずしも完全に遮断されていない。しかしながら、グラフに示す可視光領域において実用上充分な特性が得られることが判る。
【００２８】
図７は、偏光板４０の透過軸と液晶層３０の前面側端の界面領域３０ａにおける液晶分子３１のダイレクタの方向との間の角度である配向角φを変えた場合のオフ状態における反射率とリタデーションとの関係を示すものである。グラフ中の角度の表示はそれぞれ配向角φの値を示す。最適条件における光遮断特性は配向角φが０であるときが良好であるが、配向角φが変化すると最適条件における反射率が増加し、また、リタデーションの値も変化する。しかし、配向角φが−１５度から＋４５度の広い範囲で反射率の低い領域が存在することから、配向角φが０でなくても実用的な光遮断が得られることが判る。
【００２９】
上記の各特性はいずれもツイステッドネマチック液晶に関するものであるが、ネマチック液晶を用いた高分子分散型の液晶装置においても同様の特性を得ることができる。この場合、これらの特性に対して、Δｎとして液晶分子と高分子との加重平均値を用いることにより、高分子分散型の複合液晶層を上記の特性に調整することができる。
【００３０】
本実施形態では、液晶層３０が光透過状態にある場合に偏光板４０によって光が完全に遮断されるため、散乱モードを用いた反射型液晶装置の欠点であったコントラスト比を向上させることができる。この場合、上記実施形態では高分子分散型の液晶層３０を用いているが、動的散乱モード、ゲストホスト効果、相転移モードなどの他の散乱モードを用いた液晶層においても同様に適用できる。
【００３１】
本実施形態では、図６に示すように波長によって偏光状態の変化が異なるため、光学特性に波長分散が存在するが、この波長分散を補償するために、液晶層３０による偏光状態の変化の波長依存性を補償する公知の位相差板を偏光板４０と前面側基板１０との間に配置したり、位相差層を前面側基板の内面上などに形成してもよい。この位相差板若しくは位相差層は偏光板と反射面との間であればいずれに配置してもよい。
【００３２】
なお、上記の液晶セルにおいて、前面側基板１０の内面上などにカラーフィルタを設けてカラー化してもよい。この場合、カラーフィルタとして、偏光カラーフィルタを設けることによって偏光板４０を不要とすることができる。偏光カラーフィルタとしては、所定方向に配向させた液晶中に２色性色素を混入したものを画素領域毎に基板上に形成した仕切部の内側に滴下して配列させる方法が考えられる。このとき、２色性色素は液晶分子の配向方向に沿って配向し、発色した状態となっていなければならない。２色性色素としては公知の色素を種々用いることができるが、たとえば、赤として「Ｍ３７０」、緑として「ＳＩ２０９」と「Ｍ７７７」を混合したもの、青として「Ｍ４８３」（以上、すべて三井東圧化学社製、製品番号）などを用いることができる。この場合の液晶への溶解量は１〜５ｗｔ％程度である。
【００３３】
また、このような反射型液晶装置を電子機器に搭載することも可能である。図８は電子機器としての具体例を示したものである。（ａ）は携帯電話に反射型の液晶装置を搭載した例であり、（ｂ）は時計に用いたもの、（ｃ）はパソコンなどの携帯機器に搭載した例である。本願のように低消費電力でしかも反射型の液晶装置はこのような電子機器に最適であることはいうまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、液晶層のツイスト角、配向方向、リタデーションなどを調整することによって、液晶層が光透過状態にあるときには反射光が偏光層にて遮断されて黒色が表現され、液晶層が光散乱状態にあるときは散乱光が偏光層を透過して白色が表現されるように構成することができるため、特に黒色を従来よりも暗く表現することができるから、表示のコントラストを向上させることができるとともに、一枚偏光板構成によって表示の明るさ低下を極力抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る反射型液晶装置の実施形態の概略構成を示す概略縦断面図である。
【図２】本実施形態のオフ状態（ノーマリーブラック）における光の経路を示す説明図である。
【図３】本実施形態における直線偏光の液晶層内での偏光状態の変化を示す偏光ダイヤグラムである。
【図４】ツイストネマチック液晶を用いた一枚偏光板方式のオフ状態（ノーマリーブラック）における反射率を、液晶のリタデーション及びツイスト角に対して示すグラフである。
【図５】ツイストネマチック液晶を用いた偏光ビームスプリッタ方式（ノーマリーホワイト）の反射率と印加電圧との関係を示すグラフである。
【図６】ツイストネマチック液晶を用いた一枚偏光板方式のオフ状態（ノーマリーブラック）における反射率の光の波長依存性を示すグラフである。
【図７】ツイストネマチック液晶を用いた一枚偏光板方式のオフ状態（ノーマリーブラック）における反射率を、液晶のリタデーション及び配向角に対して示すグラフである。
【図８】反射型液晶装置を電子機器に搭載した図である。
【符号の説明】
１０前面側基板
１１透明電極
２０背面側基板
２１反射電極
３０液晶層
４０偏光板

Claims

第１の基板と、第２の基板との間に液晶層を配置し、該液晶層よりも前記第２の基板側に反射面を備えた反射型液晶装置において、
前記液晶層よりも前記第１の基板側に偏光層を配置し、
前記液晶層は、所定のツイスト角を有して所定の方向に配向され、誘電異方性及び屈折率異方性を備えた液晶中に、前記所定の方向に配向されたときに前記液晶とほぼ等しい光屈折率を有する高分子が分散されてなり、
前記液晶層の光透過状態においては、前記液晶と前記高分子とがともに前記所定の方向に配向して、前記偏光層を透過した直線偏光が、前記液晶層を透過して円偏光となって前記反射面で反射され、再び前記液晶層を透過して、前記偏光層を透過した直線偏光の偏光方向と交差する偏光方向を有する直線偏光となって、前記偏光層によって遮断され、
前記液晶層の光散乱状態においては、前記液晶と前記高分子とが互いに異なる方向に配向して、前記偏光板を透過した直線偏光が前記液晶層で散乱された後、前記偏光板を透過して出射し、
前記光透過状態において前記反射面で反射された後に前記偏光層で遮断されずに出射する光の出射率が極小値となるように、前記光透過状態における前記液晶のツイスト角、前記液晶層のリタデーション、及び前記偏光層の透過軸と前記液晶の配向方向との間の角度が設定されている
ことを特徴とする反射型液晶装置。
請求項１に記載の反射型液晶装置を搭載した電子機器。