JP4494552B2

JP4494552B2 - 透過型液晶表示装置

Info

Publication number: JP4494552B2
Application number: JP15599799A
Authority: JP
Inventors: 知久本田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: JP2000347179A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、透過型液晶表示装置に係り、特に、選択透過反射型のカラーフィルタを用いた透過型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過型カラー液晶表示装置は、液晶セルの背後からバックライト光を照射し、液晶セルを透過した光、又は、透過前の光をカラーフィルタに通して液晶パネル表面から出射させ、カラー表示をするようにしている。
【０００３】
このようにした液晶表示装置としては、例えば特開平９−３１８８０７号公報に開示されるような、カラーフィルタとしてコレステリック液晶を分散したコレステリックフィルムを液晶セルの入光側に配置したものがある。
【０００４】
このカラーフィルタは、輝度、色純度において、従来の顔料や染料を用いたカラーフィルタと比較して優れた性能を有している。特に、温度によりその選択反射光の波長が変化し、更に紫外線照射によって液晶状態を保持できる紫外線硬化型コレステリック液晶を用いることにより、従来と比較して簡単に製造することができるという利点がある。
【０００５】
前記のようなコレステリック液晶、及び、カイラルネマチック液晶は、液晶分子軸の長距離配向秩序に加えて、ダイレクタが螺旋的に空間変化をしているという特性がある。即ち、液晶分子軸と平行な平面内では、液晶はネマティック相と同様な配向秩序があるが、隣接する平面へ移ると、この局所的な配向方向がわずかに回転しているので、これが順次連続して螺旋構造となっている。
【０００６】
一方、自然光は、右旋円偏光と左旋円偏光に分けることが可能であり、コレステリック液晶もしくはカイラルネマチック液晶は、前記右旋及び左旋両成分の光が、液晶の螺旋軸に平行に入射した場合、該液晶のねじれ方向と同じ回転方向の円偏光成分のみを反射し、他方の円偏光成分は透過するという特性がある。
【０００７】
このとき、反射光の、入射光に対する位相の変化が生じないので、反射光の入射前後における偏光方向は不変であり、また、反射光の波長は、コレステリック液晶もしくはカイラルネマチック液晶のねじれのピッチにより変化する。このピッチは、液晶にねじれの力を発生させるカイラル剤の添加量や、適当な外場（例えば温度、電場、磁場等）により変化する。
【０００８】
従って、上記のようなパラメータを、可視域で制御することにより、赤、緑、青の透過光を形成させることができ、且つ、透過させた光以外の光を光源側に反射し、再利用して、輝度を従来のカラーフィルタと比較して高く設定することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような前記コレステリック液晶もしくはカイラルネマチック液晶からなるカラーフィルタは、液晶ディスプレイに用いた場合、背面からのバックライト光はコントラスト良くＯＮ／ＯＦＦすることができるが、観察側から入射した外光に対しては、カラーフィルタにおいて、これが透過する以外の波長光（補色光）を反射するので、補色の反射光がディスプレイ面における表示光として出光してしまう。
【００１０】
この場合、液晶ディスプレイの使用環境が暗い場合は問題がないが、明るい環境では前記反射光の色によってディスプレイ表面における色表示が乱されてしまい、コントラストの低下をもたらすという問題点がある。
【００１１】
この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、外光が多い明るい場所でも、ディスプレイ表面における正確な色表示及び高いコントラストを得ることができる透過型液晶表示装置用カラーフィルタを備えた透過型液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、請求項１のように、出光面からバックライト光を出射するバックライト装置と、前記バックライト装置の前記出光面側に配置されたカラーフィルタと、このカラーフィルタの出光側に配置され、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦにより、透過光の位相シフト量が０又はπとなるようにされた液晶セルと、この液晶セルの出光面側又は前記カラーフィルタと液晶セルの間の一方に配置され、透過光の位相を１／４波長シフトする１／４波長板と、前記液晶セルの出光面側で且つ前記１／４波長板の出光面側となる位置に配置され、前記電圧ＯＮ時に該一方から出光する直線偏光を透過し、且つ、電圧無印加時の直線偏光を遮断する直線偏光板と、を有してなり、前記液晶セルの透過光強度及び表示光強度は印加電圧に伴い増加するようにされ、前記カラーフィルタは、光透過性基板上に、少なくとも赤、緑、青の各色に対応してパターニングして配置され、対応する色の波長光のうち、右旋円偏光又は左旋円偏光の一方の円偏光のみを透過し、他方の円偏光及び対応しない波長光を反射するコレステリック液晶又はカイラルネマチック液晶の一方からなる選択透過反射液晶層と、この選択透過反射液晶層の外光入射側に形成された透過光と同色の着色層と、を有してなることを特徴とする透過型液晶表示装置により、上記目的を達成するものである。
【００１５】
この発明においては、透過型液晶表示装置用カラーフィルタが、コレステリック液晶又はカイラルネマチック液晶の一方からなる選択透過反射液晶層と、この選択透過反射液晶層の外光入射側に形成された透過光と同色の着色層とから構成しているので、外光の多い明るい環境で使用した場合でも、入射した外光が、選択透過反射液晶層に到達する前に着色層によって吸収され、又、カラーフィルタを透過したバックライト光が前記着色層に吸収されることは少なく、従って光の利用効率を低下させることなく、外光反射による悪影響を低減させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１に示されるように、本発明の実施の形態の例に係る透過型液晶表示装置１０は、赤、緑、青の各色の波長光を含むバックライト光を出射するバックライト装置１２と、画素毎にパターニングされ、前記赤、緑、青の対応する波長光のみを透過し、他を反射する選択透過反射型のカラーフィルタ１４とを含んで構成され、更に、バックライト装置１２の出光面に臨んで配置された円偏光分離フィルム１６と、前記カラーフィルタ１４と、液晶セル２０と、１／４波長板２２と、直線偏光板２４とをこの順で積層して備えている。
【００１８】
前記カラーフィルタ１４と液晶セル２０は、一対のガラス基板１８Ａ、１８Ｂ間に挟持して配置されている。
【００１９】
前記バックライト装置１２は、例えば、透明電極を有した透明樹脂シートに挟持された薄膜状のエレクトロルミネッセンスセルから構成され、その背面側（図１において下側）には、例えば金属薄膜からなる反射層１２Ａが配置されている。
【００２０】
この反射層１２Ａは、エレクトロルミネッセンスセルから出射し、円偏光分離フィルム１６において反射され（後述）た、例えば右旋円偏光成分を再度円偏光分離フィルム１６方向に反射し、このとき偏光成分の位相を反転させ、又は、無偏光な状態にし、全部又は一部を円偏光分離フィルム１６を透過できる左旋円偏光成分として、光利用率を向上させている。
【００２１】
ここで、図１中、符号Ｒ、Ｌは、それぞれ右旋円偏光、左旋円偏光を示している。又、「←→」、「・」（図３参照）はそれぞれ直線偏光の電場振動ベクトルを示しており、「←→」は紙面面内方向、「・」は紙面に垂直な方向である。
【００２２】
前記円偏光分離フィルム１６は、この実施の形態の例においては、左旋円偏光Ｌを透過し、右旋円偏光Ｒを反射するものであり、複屈折性を有するフィルムを３層以上に積層し、更にこれに１／４波長層を積層して構成されている。上記のような複屈折性を有するフィルムは、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂等の面内複屈折性を示す物質を延伸等の方法によって得ることができる。
【００２３】
また、前記円偏光分離フィルムとしては、コレステリック液晶を用い、このコレステリック液晶に分光をもたせることで、可視光の全ての領域において、右旋円偏光Ｒを反射させるものとすることができる。
【００２４】
前記カラーフィルタ１４は、図２に拡大して示されるように、選択透過反射液晶層１４Ａと、その出光面側に形成された着色層１４Ｂとから構成されている。図２の符号１４Ｃはブラックマトリクスを示す。
【００２５】
前記選択透過反射液晶層１４Ａは、前記ガラス基板１８Ａ上に積層されたコレステリック液晶層又はカイラルネマチック液晶層からなり、無偏光光であるバックライト光のうち、前記円偏光分離フィルム１６を透過した左旋（又は右旋）円偏光の対応する赤、緑、青以外の波長光を反射するようにされている。
【００２６】
前記着色層１４Ｂは、前記選択透過反射液晶層１４Ａと同様に、画素毎にパターニングされ、且つ、対応する選択透過反射液晶層１４Ａを透過する光の色と同色の顔料または染料を光硬化性の透明樹脂に分散して形成されている。
【００２７】
前記カラーフィルタ１４の選択透過反射層１４Ａは、例えば特開平９−３１８８０７号公報に開示されるようなコレステリックフィルムあるいはカイラルネマチックフィルムから構成してもよい。
【００２８】
なお、図１は、液晶セル２０における４画素、及び、これに対応する各部分を示している。又、前記カラーフィルタ１４は、図に示されているように、１画素につきＲ、Ｇ、Ｂの領域を有し、各領域はそれぞれの波長領域の光であって、左旋円偏光Ｌのみを透過し、他の波長領域の左旋円偏光Ｌを反射するようにされている。
【００２９】
前記液晶セル２０は、複屈折制御（ＥＣＢ）型であり、電場を印加することによって、液晶セル２０内の液晶層の複屈折を制御するものであって、ＶＡＮ方式、ＰＡＮ方式、ＨＡＮ方式等があり、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦにより、透過光の位相シフト量が０又はπとなるようにされている。
【００３０】
従って、印加電圧ＯＮの場合、入射した左旋円偏光Ｌは位相シフト量が０であるので、そのまま透過し、図２に示されるように、ＯＦＦの場合は位相シフト量がπとなるので、右旋円偏光Ｒに変換されて出射する。
【００３１】
前記１／４波長板２２は、ポリイミド等の高分子材料からなる位相板であり、入射する円偏光を直線偏光に、又はその逆に変換する作用を備えている。従って、この１／４波長板２２は、液晶セル２０から入射した左旋円偏光Ｌと右旋円偏光Ｒとを、相互に偏光面が直交する２種類の直線偏光に変換する。
【００３２】
前記直線偏光板２４は、その透過光の偏光方向を、前記左旋円偏光Ｌが変換された「←→」の直線偏光の電場振動ベクトルの方向と一致するように配置されている。
【００３３】
この透過型液晶表示装置１０において、バックライト装置１２から出射された無偏光光は、円偏光分離フィルム１６において左旋円偏光Ｌのみがこれを透過して、前記カラーフィルタ１４に入射する。
【００３４】
カラーフィルタ１４においては、その選択透過反射液晶層１４Ａの各画素におけるＲ、Ｇ、Ｂの領域において、それぞれ対応する波長領域の光のみが透過し、他の波長領域の光は反射される。
【００３５】
前記着色層１４Ｂは、前記選択透過反射液晶層１４Ａと同様にＲ、Ｇ、Ｂにパターニングされ、且つ選択透過反射液晶層１４Ａと同色に着色されているので、選択透過反射液晶層１４Ａを透過した各色の光は、吸収されることなく、これを透過し、液晶セル２０に入射する。
【００３６】
前記液晶セル２０においては、印加電圧ＯＮの状態では入射した左旋円偏光Ｌはそのまま透過して、１／４波長板２２に入射し、ここで光の位相が１／４波長シフトされることにより「←→」の直線偏光に転換されて、前記直線偏光板２４から表示光として出射される。このとき、液晶セル２０の透過光強度及び表示光強度は印加電圧に伴い増加する。
【００３７】
一方、図３に示されるように、液晶セル２０の印加電圧がＯＦＦの場合は、透過する光の位相がπシフトされるので、入射した左旋円偏光Ｌは右旋円偏光Ｒとされ、更に、１／４波長板２２において「・」の直線偏光に転換されるが、これは直線偏光板２４を透過することができないので、暗表示となる。
【００３８】
前記透過型液晶表示装置１０の使用環境が明るく外光が多い場合、前記直線偏光板２４、１／４波長板２２及び液晶セル２０を通って外光が入射し、これがカラーフィルタ１４に到達する。
【００３９】
カラーフィルタ１４では、外光入射側に着色層１４Ｂがあり、且つ、この着色層１４Ｂは、前記選択透過反射液晶層１４Ａを透過する光の色と同色とされているので、これと同色の波長光のみを透過し、他は吸収される。
【００４０】
この着色層１４Ｂを透過した光は、同色の選択透過反射液晶層１４Ａも透過する。
【００４１】
従って、外光が選択透過反射液晶層１４Ａにおいて補色の反射光を生起することがなく、明るい場所でもよりコントラストの高い表示を得ることができる。
【００４２】
なお、前記着色層１４Ｂは、光透過性樹脂に顔料を分散して着色してなるものであるが、本発明はこれに限定されるものでなく、選択透過反射液晶層１４Ａを透過した光と同色に着色されたものであればよい。
【００４３】
又、前記１／４波長板２２は液晶セル２０と直線偏光板２４との間に配置されているが、これはカラーフィルタ１４と液晶セル２０との間に配置しても良い。この場合、液晶セル２０は直線偏光の偏光面の方向を制御するタイプとする。
【００４４】
【実施例】
上記カラーフィルタの実施例について詳細に説明する。
【００４５】
まず、選択透過反射液晶層としてのコレステリック液晶層を作成するため、無アルカリガラス上に黒色顔料分散光硬化性樹脂を１．５μｍの厚さで塗布し、フォトマスクを使用してブラックマトリクス状に露光した。
【００４６】
その後、アルカリ現像を行うことによりブラックマトリクスパターンを形成し、次に、その上に光硬化性コレステリック液晶を５μｍの厚さに塗布し、温度をコレステリック液晶の中心波長が４５０ｎｍになるように調整して、フォトマスクによりＲＧＢ（赤、緑、青）の３つの画素パターンのうち１つの画素パターン部分を露光した。
【００４７】
その後、温度を変化させて、コレステリック液晶層による反射中心波長が５５０ｎｍになるように調節し、残りの部分を全面露光した。
【００４８】
更にその上に光硬化性樹脂を５μｍの厚さで塗布し、同様にマスク露光を行い、反射中心波長４５０ｎｍの部分と、反射中心波長６５０ｎｍの部分とになるように調整した。
【００４９】
このとき、先に形成したコレステリック液晶層と反射中心波長が異なるように形成することにより、ある画素ではＲＧ光を反射して、Ｂ光のみを透過し、ある画素ではＲＢ光を反射してＧ光のみを透過し、又ある画素では、ＧＢ光を反射してＲ光のみを透過させることができ、これによって、ＲＧＢの３色にパターニングされた選択透過反射液晶層を形成した。
【００５０】
次に、前記形成された選択透過反射液晶層の上に、赤色顔料分散光硬化性樹脂（富士フィルムオーリン製）を１μｍの厚さに塗布し、フォトマスクを用いて前記選択透過反射液晶層の赤色透過部の上のみに赤色フィルタを形成した。
【００５１】
同様の手順で、緑、青の各色を繰り返して、最終的にパターニングされた着色層を形成して、図２に示されるようなカラーフィルタを構成した。
【００５２】
次に、前記カラーフィルタを用いて、液晶のセル組を行った。スペーサとして、積水ファインケミカル製ＳＰ−２０３（３μｍ）を散布し、セル中にメルク製ＺＬＩ−４７９２の液晶を注入した。これにより、液晶のレタデーションと厚みにより複屈折が起こり、電圧の印加の有無によって位相がπ変化する液晶セルを構成した。
【００５３】
更に、前記液晶セルの上に、市販の１／４波長板を貼り付け、その進相軸に対して４５°傾けて直線偏光板を貼り込んだ。
【００５４】
上記のようにして完成した、カラーフィルタを含む液晶セルを、円偏光分離フィルムを置いたバックライト装置の上に設置したところ、液晶セルの電圧無印加状態では、直線偏光板を介しての光の洩れはほとんど観測されず、又、液晶セルに電圧を印加した状態では、印加した画素部分で着色光が透過してみえ、液晶表示パネルとして使用することができた。
【００５５】
一方、使用環境を明るくして外光を前面から入射させたところ、選択透過反射液晶層（コレステリック液晶層）における補色光の反射がほとんど観察されず、従って、室内での観測結果は、着色層を用いないコレステリック液晶層のみのカラーフィルタの場合と比較して、液晶ディスプレイのコントラストが約３倍に向上していた。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、液晶表示装置に入射する外光の補色反射光がほとんど発生することがなく、これによってディスプレイ面における画像のコントラストを大幅に向上することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の例に係る透過型液晶表示装置を示す略示断面図
【図２】同透過型液晶表示装置におけるカラーフィルタを拡大して示す断面図
【図３】同透過型液晶表示装置の暗状態を示す略示断面図
【符号の説明】
１０…透過型液晶表示装置
１２…バックライト装置
１４…カラーフィルタ
１４Ａ…選択透過反射液晶層
１４Ｂ…着色層
１６…円偏光分離フィルム
２０…液晶セル
２２…１／４波長板
２４…直線偏光板

Claims

出光面からバックライト光を出射するバックライト装置と、前記バックライト装置の前記出光面側に配置されたカラーフィルタと、このカラーフィルタの出光側に配置され、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦにより、透過光の位相シフト量が０又はπとなるようにされた液晶セルと、この液晶セルの出光面側又は前記カラーフィルタと液晶セルの間の一方に配置され、透過光の位相を１／４波長シフトする１／４波長板と、前記液晶セルの出光面側で且つ前記１／４波長板の出光面側となる位置に配置され、前記電圧ＯＮ時に該一方から出光する直線偏光を透過し、且つ、電圧無印加時の直線偏光を遮断する直線偏光板と、を有してなり、前記液晶セルの透過光強度及び表示光強度は印加電圧に伴い増加するようにされ、前記カラーフィルタは、光透過性基板上に、少なくとも赤、緑、青の各色に対応してパターニングして配置され、対応する色の波長光のうち、右旋円偏光又は左旋円偏光の一方の円偏光のみを透過し、他方の円偏光及び対応しない波長光を反射するコレステリック液晶又はカイラルネマチック液晶の一方からなる選択透過反射液晶層と、この選択透過反射液晶層の外光入射側に形成された透過光と同色の着色層と、を有してなることを特徴とする透過型液晶表示装置。