JP4341789B2

JP4341789B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4341789B2
Application number: JP13547499A
Authority: JP
Inventors: 實赤塚
Original assignee: Kyocera Display Corp
Current assignee: Kyocera Display Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000321565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、選択反射性を有するＰ／Ｓ偏光分離素子を用いた明るくかつポジ・ネガ反転を生じない半透過型の液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
平面型ディスプレイとして、液晶表示装置が様々な分野で広範囲に使用されている。液晶表示装置は薄型、軽量、低消費電力、さらには、カラー化も容易であるという理由により電卓、ウオッチ等の小型のものから、ワープロやパソコン用のディスプレイとして大型のものまで商品化されている。
【０００３】
特に、最近では背景が紙のように白いいわゆるペーパーホワイトの液晶表示装置が求められている。この明るい液晶表示装置の１つの候補として、Ｐ／Ｓ偏光分離素子を応用したものが提案されている。Ｐ／Ｓ偏光分離素子を用いた液晶表示装置は、Ｐ／Ｓ偏光分離素子を液晶パネルの裏側の偏光板の代わりに用いることにより、従来の偏光板では利用していなかった光を再利用し、明るい表示を可能にしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、外光が明るい時には反射型、暗いときにはバックライトを利用した透過型となるいわゆる半透過型の場合には、図２に示すように反射時と透過時とで利用する光の偏光状態が異なるため、表示状態におけるポジ・ネガ反転が生じる。すなわち、白黒表示の場合には、反射時には背景色が白く表示が黒いポジ表示を表していたものが、透過時には背景色が黒く表示が白いネガ表示となる。また、多色表示の場合には、表示色が反転して補色に変化する。そのためこの方式は、一つの液晶表示装置で反射型表示と透過型表示とを行う半透過型液晶表示装置には適用できなかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであり、透明電極と配向膜とをそれぞれ有しほぼ平行に設けられた二つの基板間に誘電異方性が正のネマチック液晶が挟持された液晶パネルと、前記液晶パネルの表側に配置する第１の偏光素子と、前記液晶パネルの裏側にＰ／Ｓ偏光分離素子とバックライトとを有する液晶表示装置において、前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子が一対の１／４波長板とその間に挟持された左右円偏光の一方を通過し他方を反射する選択反射層とからなり、前記液晶パネルと前記バックライトとの間に第２の偏光素子が配置され、前記バックライトの主波長成分に対する第２の偏光素子の直交透過率が前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子の直交透過率よりも低く、第２の偏光素子の偏光軸と前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸とのなす角度が９０°±３０°であることを特徴としている。このような構成にすることで、透過時と反射時の双方で同一の表示状態となり、ポジ・ネガ反転が生じなくなる。また、前記バックライトの主波長成分に対する第２の偏光素子の直交透過率が前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子の直交透過率よりも低いことにより、第２の偏光素子の選択肢が増え、液晶表示装置の応用範囲が広くなる。
【０００６】
また、前記第２の偏光素子が前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子とバックライトとの間に配置されていることを特徴としている。このような構成にすることで、より明るい表示が得られる。
【０００８】
そして、前記液晶パネルが１８０〜３６０°のツイスト角を有するスーパーツイステッド型液晶パネルであることを特徴としている。このような構成にすることで、表示容量が多くなり、液晶表示装置の用途が拡大できる。
【０００９】
さらに、前記液晶パネルの液晶層の液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層の厚みｄとの積Δｎｄが１．０〜１．５μｍであり、前記透明電極に３値以上の異なった電圧値を選択印加することによって、少なくとも３色を同一表示単位で発色させることを特徴としている。このような構成にすることで、カラーフィルタを用いずに多色表示が可能となり、どのような状態においても表示色が補色に反転することがない。
【００１０】
加えて、前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子が液晶パネル側の表面に拡散層をもつ偏光分離素子であることを特徴としている。このような構成にすることで、液晶表示装置の視野角を拡大でき、色相が白っぽい視認性の向上した表示を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従い詳細な説明を行う。図１に本発明のポジ・ネガ反転防止の原理を説明する概念図を示し、図２に従来のポジ・ネガ反転を説明する概念図を示す（表側の偏光素子、液晶パネルは図示せず）。
【００１２】
まず図２を用い、選択反射性を有するＰ／Ｓ偏光分離素子について簡単に説明する。このＰ／Ｓ偏光分離素子２４は、選択反射層２２と２枚の１／４波長板２１、２３で構成され、選択反射層を１／４波長板でサンドイッチした構造となっている。
【００１３】
選択反射とは、コレステリック液晶のように螺旋を巻いた素子において、その螺旋ピッチが光の波長オーダーになると、一方の円偏光は透過し、他方の円偏光は反射する現象である。また、１／４波長板とは、一種の位相差板であるが、直線偏光を円偏光に変換する位相差値となっている。ただし、この１／４波長板に入射する直線偏光の振動方向により右円偏光になったり左円偏光になったりする。
【００１４】
このため、例えば図２（ａ）のようにＰ偏光がこのＰ／Ｓ偏光分離素子２４に入射し、１／４波長板２１が入射Ｐ偏光を右円偏光に変換する方向に設置され、かつ、選択反射層２２が右円偏光は透過させ左円偏光は反射させる構成の場合、Ｐ偏光はこの素子２４を透過し、Ｓ偏光は反射されることによりＰ／Ｓ偏光分離素子となる。
一方、図２（ｂ）のように透過時でも図２（ａ）と全く同じ現象が発生し、Ｐ偏光はこの素子を通過しＳ偏光は反射される。
【００１５】
このため、このＰ／Ｓ偏光分離素子２４を裏側の偏光板の代わりに用いた場合には、反射の時はＳ偏光、透過の時はＰ偏光が主利用光となるためにポジ・ネガ反転が発生していた。このため、このポジ・ネガ反転を防止するためには反射の時も透過の時も一方の偏光を利用するようにすればよい。具体的にはＳ偏光を使用するようにすればよく、反射の時はＳ偏光そのままで、透過の時にＳ偏光だけを透過させるようにすればよい。
【００１６】
すなわち図１に示すように、一対の１／４波長板１１、１３とそれら１／４波長板に挟持された選択反射層１２とからなるＰ／Ｓ偏光分離素子１４の裏側に第２の偏光素子１５を配置し、第２の偏光素子１５の直交透過率がＰ／Ｓ偏光分離素子１４の直交透過率より低く、かつ、その偏光分離素子１４の透過偏光軸をＳ偏光が透過するように合わせておけば、Ｐ偏光を第２の偏光素子１５でカットし、Ｓ偏光だけを透過することができる。
図５に示す選択反射性を有したＰ／Ｓ偏光分離素子の場合には平均で１０％程度のＳ偏光が透過することになる。
【００１７】
透過時の光がＳ偏光をメインとするかＰ偏光をメインとするかは、Ｐ／Ｓ偏光分離素子の偏光分離度、第２の偏光素子の偏光度および両者の偏光軸角度の兼ね合いで決めることができる。透過時にＳ偏光成分をできるだけ多くするためには、第２の偏光素子としては出来るだけ偏光度の高いもの使用する。特に、Ｐ／Ｓ偏光分離素子の直交透過率よりも第２の偏光素子の直交透過率が低いことが好ましい。
【００１８】
さらに、透過時にＳ偏光が可視光の全波長において透過することが好ましいが、可視光のある特定の波長、あるいは特定の波長領域でＳ偏光が透過すればよい。
本発明に用いるバックライトは、これらの波長あるいは波長領域を主波長成分とする光源を用いれば同様な効果が得られる。
【００１９】
また、Ｐ偏光を第２の偏光素子１５でカットするために、第２の偏光素子の偏光軸４６とＰ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸方向４５とのなす角度θ１は９０°±３０°の範囲とすることが重要である。これ以外の範囲では透過時と反射時とでポジ・ネガ反転が発生したり、あるいはポジ・ネガ反転の発生がなくともコントラストが低い表示となってしまう。さらに好ましくは９０°±１０°とする。
【００２０】
本発明で使用するＰ／Ｓ偏光分離素子としては、選択反射性を有するＰ／Ｓ偏光分離素子であることが重要である。このＰ／Ｓ偏光分離素子は、一対の１／４波長板に挟持された選択反射層からなる。ここで一対の１／４波長板とは、選択反射層の表裏側に配置されている１／４波長板であり、それぞれの遅相軸が直交になるように配置される。
【００２１】
図１（ａ）に示すＰ／Ｓ偏光分離素子１４を例にして、Ｐ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸と１／４波長板の遅相軸との関係を簡単に説明する。図１に示されているように、Ｐ偏光は紙面に平行な振動方向のものであり、Ｐ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸も紙面に平行な方向にあることがわかる。
図１（ａ）を上方から見た軸方向を図３に示すと、４５がＰ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸である。また、図１のＰ偏光を表側（図面の上方）の１／４波長板で右円偏光に変換させるために、その遅相軸３１は前記透過偏光軸４５と４５°の角度をなして配置されている。
【００２２】
選択反射層としては円偏光の選択反射性を持つものであればよく、液晶層が螺旋構造を示すコレステリック液晶層、ディスコチック液晶層、高分子液晶層を例示することができるが、螺旋ピッチが光の波長オーダーになりやすいコレステリック液晶層が選択反射性能の面で好ましい。
また、均一な螺旋構造を持つ選択反射層でもよいが、複数の螺旋ピッチを混在させたものや、螺旋ピッチの異なる層を何層にも重ねるような構造とすることが、選択反射性の波長依存や角度依存を少なくできるので好ましい。
【００２３】
さらに、Ｓ偏光を拡散させ、液晶表示装置の視野角を拡大させるために、前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子が液晶パネル側の表面に拡散層をもつ偏光分離素子であることが好ましい。
【００２４】
本発明における偏光素子は偏光機能を有すればよく、例えば方解石等を利用した結晶偏光子でもよいが、実用的にはフィルム状の偏光板が好ましく用いられる。
【００２５】
Ｐ／Ｓ偏光分離素子と第２の偏光素子との配置関係は、上方から液晶パネル、Ｐ／Ｓ偏光分離素子、第２の偏光素子、バックライトの順で配置させることで反射時により明るい液晶表示装置を得ることができ好ましいが、液晶パネル、第２の偏光板、Ｐ／Ｓ偏光分離素子、バックライトの順番でも十分な効果を発揮する。
【００２６】
本発明が適用可能な液晶パネルは、特に限定されず、通常のツイステッドネマテック（ＴＮ）型、ツイスト角が１８０〜３６０°になるようにカイラル物質を添加した液晶を使用するスーパーツイステッドネマテック（ＳＴＮ）型およびＴＦＴ方式が挙げられる。特に、半透過型液晶表示装置の用途として携帯通信機器、例えば携帯電話、ページャー等に使用されることが多く、表示容量の多さおよび製造の容易性の面で有利なＳＴＮ型に適用した場合に効果が顕著となる。
【００２７】
本発明は、多色表示系にも適用可能で、反射から透過に切り替えたときの表示色の反転、すなわち補色への変化を生じない多色表示装置を提供することができる。多色表示の方式は限定されず、カラーフィルタを使用する方式に加えて、カラーフィルタを用いずに印加電圧による液晶層のリタデーション変化を利用して同一表示単位で３色以上の発色を行う方式のカラー液晶表示装置にも適用可能である。
なお、ここで、同一表示単位とは、セグメント表示部では対向する電極で形成される１つのセグメントであり、ドットマトリクス表示部では対向する電極で形成される１つのドットである。
【００２８】
また、本発明の効果を損じない範囲で、通常の液晶表示装置で使用されている公知の材料および公知の技術が適用可能である。
【００２９】
【実施例】
例１（実施例）
図４の構成において、液晶パネル１６としてツイスト角が２４０°、液晶層のΔｎｄが０．８６μｍのＳＴＮ素子を、位相差板１７としてリタデーション値が５８５ｎｍのポリカーボネートを用いた。
【００３０】
Ｐ／Ｓ偏光分離素子１４としては、選択反射層であるコレステリック液晶層の表側（図面の上方）に１／４波長板が貼着されたメルク社製のトランスマックス（商品名）と、その裏側に貼着した１／４波長板とから構成されており、１／４波長板の遅相軸が直交となるように配置した。
【００３１】
表側の偏光素子（第１の偏光素子）１８としては日東電工製偏光板ＮＰＦ−Ｆ１２２５ＤＵを、裏側の偏光素子（第２の偏光素子）１５としては高偏光度（９９．９５％）の日東電工製偏光板ＮＰＦ−ＥＧ１４２５ＤＵを用いた。また、透過時に使用するバックライト１９としては白色ＬＥＤを用いた。そしてこのＰ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸４５と裏側偏光板の偏光軸４６とのなす角度θ１を９０°とした。
【００３２】
表裏の偏光板の偏光軸、位相差板の光軸、Ｐ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸および液晶パネルのラビング方向の相対関係を図５に示す。このような構成にすることにより、ポジモードの表示が可能となる。ここでθ２は液晶パネルのツイスト角であり２４０°に、θ３、θ４は表側のラビング方向から計った位相差板及び表側偏光板の角度でありそれぞれ９０°、１４０°に、また、θ５、θ６は裏側のラビング方向から計ったＰ／Ｓ偏光分離素子および裏側偏光板の角度であり、それぞれ４５°、１３５°に設定した。
【００３３】
図６、図７それぞれに本実施例に使用したＰ／Ｓ偏光分離素子（メルク社製トランスマックス＋１／４波長板）、裏側の偏光板（日東電工製偏光板ＮＰＦ−ＥＧ１４２５ＤＵ）の平行配置、直交配置における分光透過率を示す。
図６および図７における直交配置の透過率より明らかなように、可視光のほぼ全波長領域においてこのＰ／Ｓ偏光分離素子の方が裏側の偏光板より直交透過率が高い。このため、Ｓ偏光がこの構成のＰ／Ｓ偏光分離素子を透過できる。
【００３４】
この液晶表示装置を１／６５デュティー、１／６バイアスで駆動したところ、反射時の表示はポジ表示となり、明るく、コントラスト比が８の優れた見栄えであった。また、バックライトを用いた透過時の表示もポジ表示となり、ポジ・ネガ反転のない表示が得られた。
【００３５】
例２（実施例）
表側の偏光板の貼り付け角度を、例１に対し９０度回転し、図５のθ４の角度を５０°とした以外は例１と全く同じ構成とした。今度はネガモードの表示となったが、反射時でも透過時でもポジ・ネガ反転のない表示が得られた。
【００３６】
例３（実施例）
裏側の偏光板を液晶パネルとＰ／Ｓ偏光分離素子との間に配置した以外は、例１と全く同じ構成とした。この場合、例１と比較すると反射時の明るさは若干減少するが、透過時の透過率は例１とほとんど同一であり、例１と遜色ないポジ・ネガ反転のない表示が得られた。
【００３７】
例４（実施例）
例１と同じ構成にし、バックライトとして４５０ｎｍ近傍に主波長成分を持つ青色系のＬＥＤを使用した。図６に示されているように、４５０ｎｍ近傍のＰ／Ｓ偏光分離素子の直交透過率は約２０％であることより、例１で用いた白色ＬＥＤの場合よりも明るい表示が得られ、ポジ・ネガ反転のないものであった。
【００３８】
例５（実施例）
本発明の別な実施例として図８の構成とし、液晶パネル１６としてツイスト角が９０°、液晶層のΔｎｄが１．２μｍのＴＮ型液晶パネルを用いた。その他の部材は例１と同様とし、表側の偏光板１８およびＰ／Ｓ偏光分離素子１４はノーマリーホワイトモードとなるようそれぞれの透過軸がラビング方向と平行になるよう配置した。
【００３９】
この液晶表示装置を１／８デュティー、１／４バイアスで駆動したところ、ＴＮパネルにおいてもＳＴＮパネルと同様な効果が得られた。反射時の表示はポジ表示となり、明るく、コントラスト比が２０の優れた見栄えであった。また、透過時の表示もポジ表示となり、ポジ・ネガ反転のない表示が可能となった。
【００４０】
例６（実施例）
本発明の別な実施例として図９のように、Ｐ／Ｓ偏光分離素子１４の表側（上方）に拡散板１０を配置した以外は例１と同じ構成とした。
この場合でも、反射と透過でポジ・ネガ反転のない表示が得られたが、さらに反射時に選択反射による鏡面的な反射が拡散板により拡散され、色相が白っぽくなり、より視認性の優れた表示が可能となった。
【００４１】
例７（実施例）
図４の構成において、液晶パネル１６としてツイスト角が２４０゜、液晶層のΔｎｄが１．２７μｍのＳＴＮ型液晶パネルを、位相差板１７としてリタデーション値が１４９０ｎｍのポリカーボネートをそれぞれ用いた。
また、図５におけるθ３、θ４をそれぞれ１１５゜、１６０゜に、また、θ５、θ６をそれぞれ１４５゜、５５゜に設定した以外は例１と同様の構成とした。
【００４２】
この液晶表示装置を１／６５デュティー、１／５バイアスで駆動し、４値の駆動電圧を印加したところ、反射時は白背景に赤、青、緑の４色が表示され、明るく表示品位の高い見栄えであった。また、透過時にもほぼ同色の表示ができ、ポジ・ネガ反転のない明るい表示が得られた。
【００４３】
例８（比較例）
例１の構成において、裏側の偏光板１５を除いた以外は同様の構成とした。得られた液晶表示装置を例１と同様の駆動条件で駆動し、表示状態を確認すると、反射時はコントラスト比が５のポジ表示であったが、透過時にはネガ表示となった。
【００４４】
例９（比較例）
例４の構成において、バックライト１９を白色バックライトとした以外は同様の構成とした。この液晶表示装置の表示状態を確認すると、反射時はポジ表示、透過時にはネガ表示となり、ポジ・ネガ反転が生じてしまった。
【００４５】
例１０（比較例）
例５の構成において、裏側の偏光板１５を除いた以外は例５と同様の構成とした。得られた液晶表示装置の表示状態を確認すると、反射時の表示状態はポジ表示で、コントラスト比は８であったが、透過時の表示状態はネガ表示となった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の構成により、従来のＰ／Ｓ偏光分離素子だけを用いた場合の反射時と透過時とで表示のポジ・ネガが反転していた現象をなくすことができ、ディスプレイとしての応用範囲が拡大できるようになった。
【００４７】
また、本発明の構成により反射時におけるコントラストも大幅に拡大する効果も得られた。これは従来、反射モードの時選択反射を利用したＰ／Ｓ偏光分離素子のみを使用した構成では、透過したＰ偏光がバックライト等で反射し再度観察者側に戻り、コントラストを低下させていたことによるものである。これに対し本発明の構成にすれば、反射時にＰ偏光が裏側の偏光板によりほぼ完全に遮断されるため、観察者側に戻ってくるＰ偏光がほとんどなくなり、コントラスト比を大幅に向上させることができるという効果もでてくる。
さらに、第２の偏光素子をＰ／Ｓ偏光分離素子の後側に配置する場合には、より明るい表示が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポジ・ネガ反転防止の原理を説明する概念図
【図２】従来のポジ・ネガ反転を説明する概念図
【図３】本発明の一実施例におけるＰ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸と１／４波長板の遅延軸の関係図
【図４】本発明の一実施例を説明する模式的断面図
【図５】本発明の一実施例における各種光学素子の光学軸の関係図
【図６】本発明の一実施例に使用したＰ／Ｓ偏光分離素子の分光透過率の図
【図７】本発明の一実施例に使用した裏側偏光板の分光透過率の図
【図８】本発明の一実施例（例５）を説明する模式的断面図
【図９】本発明の一実施例（例６）を説明する模式的断面図
【符号の説明】
１０拡散板
１１１／４波長板
１２選択反射層
１３１／４波長板
１４Ｐ／Ｓ偏光分離素子
１５第２の偏光素子（裏側偏光板）
１６液晶パネル
１７位相差板
１８第１の偏光素子（表側偏光板）
１９バックライト
３１表側の１／４波長板の遅延軸
３２裏側の１／４波長板の遅延軸
４１表側基板のラビング方向
４２裏側基板のラビング方向
４３位相差板の光軸方向
４４表側偏光板の偏光軸方向
４５Ｐ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸方向
４６裏側偏光板の偏光軸方向
θ１第２の偏光素子の偏光軸とＰ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸とのなす角度
θ２液晶パネルのツイスト角
θ３表側のラビング方向から反時計周りに計った位相差板の光軸の角度
θ４表側のラビング方向から反時計周りに計った表側偏光板の偏光軸の角度
θ５裏側のラビング方向から反時計周りに計ったＰ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸の角度
θ６裏側のラビング方向から反時計周りに計った裏側偏光板の偏光軸の角度

Claims

透明電極と配向膜とをそれぞれ有しほぼ平行に設けられた二つの基板間に誘電異方性が正のネマチック液晶が挟持された液晶パネルと、前記液晶パネルの表側に配置する第１の偏光素子と、前記液晶パネルの裏側にＰ／Ｓ偏光分離素子とバックライトとを有する液晶表示装置において、
前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子が一対の１／４波長板とその間に挟持された左右円偏光の一方を通過し他方を反射する選択反射層とからなり、前記液晶パネルと前記バックライトとの間に第２の偏光素子が配置され、前記バックライトの主波長成分に対する第２の偏光素子の直交透過率が前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子の直交透過率よりも低く、第２の偏光素子の偏光軸と前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子の透過偏光軸とのなす角度が９０°±３０°であることを特徴とする液晶表示装置。
前記第２の偏光素子が前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子とバックライトとの間に配置されている請求項１に記載の液晶表示装置。
前記液晶パネルが１８０〜３６０°のツイスト角を有するスーパーツイステッド型液晶パネルである請求項１または２に記載の液晶表示装置。
前記液晶パネルの液晶層の液晶の屈折率異方性Δｎと液晶層の厚みｄとの積Δｎｄが１．０〜１．５μｍであり、前記透明電極に３値以上の異なった電圧値を選択印加することによって、少なくとも３色を同一表示単位で発色させる請求項３に記載の液晶表示装置。
前記Ｐ／Ｓ偏光分離素子が液晶パネル側の表面に拡散層をもつ偏光分離素子である請求項１、２、３または４に記載の液晶表示装置。