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KR100793532B1 - 액정 표시 소자 및 그것을 이용한 표시 장치 - Google Patents

액정 표시 소자 및 그것을 이용한 표시 장치 Download PDF

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KR100793532B1
KR100793532B1 KR1020020010400A KR20020010400A KR100793532B1 KR 100793532 B1 KR100793532 B1 KR 100793532B1 KR 1020020010400 A KR1020020010400 A KR 1020020010400A KR 20020010400 A KR20020010400 A KR 20020010400A KR 100793532 B1 KR100793532 B1 KR 100793532B1
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light
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crystal display
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쯔무라마꼬또
다께모또이와오
나까가와히데끼
오우찌사또시
이마하세다로
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

적어도 한쪽이 투명한 2장의 기판과, 2장의 기판 사이에 끼워진 액정층을 구비하고, 상기 기판의 적어도 한쪽에 복수의 화소와 복수의 화소에서 액정층을 구동하는 액티브 소자를 구비한 액정 표시 소자에 있어서, 액정층으로의 입사광의 광축이 액정 분자의 배향 방향에 대해 거의 수직인 면에 있고, 또한 입사광이 기판의 법선에 대해 소정 각도로 경사진 방향에서 액정층으로 입사하는 구성으로서, 액정 분자의 작은 움직임으로 원하는 위상 변조를 행하는 것이 가능하므로, 액정 구동 전압을 대폭적으로 저감할 수 있다.
액정 표시 소자, 위상 변조, 광축, 구동 전압, 광학계, 액정 분자

Description

액정 표시 소자 및 그것을 이용한 표시 장치{LIQUID CRYSTAL DISPLAY ELEMENT AND DISPLAY UNIT USING THEREOF}
도1a 및 도1b는 본 발명의 액정 표시 소자의 액정 표시 원리의 설명도.
도2는 패널에 대해 공기 중으로부터 조사광을 입사시키는 경우의 실시예의 설명도.
도3은 본 발명의 액정 표시 소자의 반사율에서의 액정층으로의 인가 전압 의존성의 측정 결과를 도시하는 그래프.
도4는 조사광의 패널로의 입사 각도와 액정층으로의 입사 각도를 대체로 같게 하기 위한 광학계의 실시예의 설명도.
도5는 홀로그램 소자를 이용한 광학계의 실시예의 설명도.
도6은 화소 전극 상에 회절 격자를 형성한 실시예의 설명도.
도7은 육면체 프리즘의 출사측 면에 알루미늄이나 은 등의 고반사율 금속을 코팅한 실시예의 설명도.
도8은 기판과의 계면에 있어서의 액정 분자의 경사 각도인 프리틸트 각도 θLC에 대한 설명도.
도9a 및 도9b는 본 발명의 액정 표시 소자에 있어서의 액정 배향으로서 수직 배향을 적용한 경우에 대한 실시예의 설명도.
도10a 및 도10b는 육면체 프리즘과 입사광 및 출사광과의 관계의 변동에 대한 설명도.
도11은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 실시예의 설명도.
도12는 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 다른 실시예의 설명도.
도13은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 다른 실시예의 설명도.
도14는 투과형 액정 표시 소자의 실시예의 설명도.
도15는 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 다른 실시예의 설명도.
도16은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 다른 실시예의 설명도.
도17은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 다른 실시예의 설명도.
도18은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치의 다른 실시예의 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 패널
101 : 액정 분자
102 : 반사 기판
103 : 투명 기판
105 : 광축
111 : 액정층
종래 반사형 액정 패널용 투사 광학계는 편광 빔 스플리터를 이용한 방식이 주류로서, 예를 들면 특개2000-310823호 공보에 그 예가 기재되어 있다. 또한, 종래 액정 패널의 표시 방식은 통상, 입사광이 패널에 대해 거의 수직으로 입사하는 것을 전제로 설계되어 있다. 바꾸어 말하면, 입사광이 패널에 대해 거의 수직으로 입사한 경우에 최고의 성능이 발휘되도록 설계되어 있다.
반사형 패널용 액정 표시 방식의 일례로서는, SID, 90, 다이제스트, p.327에 기재되어 있는 바와 같은, 액정 분자를 패널 기판에 대해 거의 수직으로 배향시켜 전압 인가시에 액정 분자가 기울어지는 방향과 입사광의 편광 방향을 45도 어긋나게 하는 관계를 취하는 방식을 들 수 있다. 또한, 투과형 패널에 있어서도 입사광이 패널에 대해 거의 수직으로 입사하는 것을 전제로 하고 있다. 전형적인 투과형 액정 표시 방식으로서는, 분자 결정 및 액정 논문집(Molecular Crystal and Liquid Crystal letters), 2, p. 139(1985)에 기재된 트위스트 네마틱 모드를 들 수 있다.
또는, 패널에 대해 경사지게 광을 조사하는 것을 전제로 한 방식을 몇가지 들 수 있다. SPIE 회보(Proceedings of SPIE), 3634, p.80이나 일본국 특개평9-189809호 공보 등에 그 기재의 예가 있다. SPIE 회보(Proceedings of SPIE), 3634, p.80에 기재된 방식에서의 패널로의 입사 각도는 크더라도 겨우 20도 내지 30도이다. 채용되고 있는 액정 표시 장치는, 기본적으로 액정층에 입사광이 거의 수직으로 입사하는 것을 전제로 한 표시 방식을 기초로, 액정층의 두께 등의 구성 파라미터에 대해, 입사 각도를 어긋나게 한 조건으로 최적화시키고 있을 뿐인 방법이다. 더구나, 패널로의 입사 각도는 가령 30도였다 하더라도, 공기 중에서 유리 속으로 광이 입사할 때에 스넬(Snell) 법칙에 따라 각도가 변경되므로, 액정층으로의 광의 입사 각도는 약 19.5도로 작다.
또한, 일본국 특개평9-189809호 공보에 기재되어 있는 방식은, 패널로의 입사 각도는 60도 전후이지만, 홀로그램 소자에 의해 광로를 변화시켜 액정층으로의 각도가 충분히 얇아지도록 구성되어 있다. 이 방식에서의 액정층으로의 입사 각도는 크더라도 약 10도이다. 왜냐하면, 투사 광학계의 F값의 제약으로 인해 출사 각도를 크게 할 수 없기 때문이다. 예를 들면, 액정층에 있어서의 입사 각도가 10도인 경우, 패널 외부로의 출사 각도는 15도가 되고, F값으로 하여 약 2에 상당하다. 액정 표시 방식에 대해서는, 기본적으로 상기와 같은 액정층으로 입사광이 거의 수직으로 입사하는 것을 전제로 한 표시 방식이 채용되고 있다.
투사형 액정 표시 장치에 이용되는 패널의 비용 절감을 위해서는 패널 크기의 소형화가 가장 효과적이다. 패널 크기를 소형화하기 위해서는, 화소 크기를 작게 할 필요가 있다. 종래의 네마틱 액정을 이용한 액정 표시 방식의 구동 전압은, 일반적으로 3Vrms 내지 6Vrms 정도로서 반드시 낮다고는 할 수 없다. 더구나, 액정은 교류 구동이 필요하므로, 구동 전압폭은 6V 내지 12V쯤 필요하다. 이와 같은 전압을 제어하기 위한 구동 회로를 구성하는 트랜지스터나, 화소에 있어서의 트랜지스터는 고내압 트랜지스터로 될 수 밖에 없으므로, 필연적으로 트랜지스터 크기의 소형화에는 한계가 있고, 화소의 소형화에 방해가 된다. 종래 방식에서의 화소 크기의 한계는 8㎛ 내지 10㎛정도이다.
본 발명의 주된 목적은 투사형 액정 표시 장치에 이용되는 패널의 비용을 절감하는 것이다. 이를 위해 해결하고자 하는 과제는 투사형 액정 표시 장치에 이용되는 패널에서의 액정 구동 전압을 저감하는 것이다.
본 출원에 따른 일 실시 태양의 액정 표시 소자에 따르면, 적어도 한쪽이 투명한 2장의 기판과, 2장의 기판에 개재된 액정층을 구비하고, 이 2장의 기판 중 적어도 한쪽에 복수의 화소와 복수의 화소에 있어서 액정층을 구동하는 액티브 소자를 구비한 액정 표시 소자로서, 액정층으로의 입사광의 광축이 2장의 기판 중 적어도 한쪽의 기판상에서의 액정 분자의 배향 방향에 대해 대체로 수직인 평면 내에 존재하고, 또한 입사광이 기판의 법선 방향에 대해 소정 각도로 경사진 방향에서 액정층으로 입사하는 구성이다.
또한, 액정 표시 소자에 있어서의 액정층으로의 입사광의 편광 방향이 액정 분자의 배향 방향에 대해 대체로 수직 내지 평행이다.
또한, 액정 표시 소자에 있어서의 액정층의 액정 배향은 수평(homogeneous) 배향 내지 수직(homeotropic) 배향이다.
또한, 액정 표시 소자는 반사형 내지 투과형 중 어느 방식에서도 실현이 가능하다.
또한, 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치는, 액정 표시 소자의 외부에서 소자로의 광의 입사 각도를 액정층에서도 유지하기 위한 수단을 구비하고 있고, 이에 따라 액정층에서의 광로의 주축과 기판의 법선 방향이 이루는 각도가 기판에서 공기로 광이 출사할 때의 전반사 각도보다 커지도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치는, 액정 표시 소자의 외부에서 소자로의 광의 입사 각도를 액정층에서도 유지하기 위한 수단을 구비하고 있고, 이에 따라 액정층에서의 광로의 주축과 기판의 법선 방향이 이루는 각도가, 기판과 공기 사이의 브루스터(brewster) 각도 이상이 되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 액정 표시 소자는, 홀로그램 소자를 구비하고, 이 홀로그램 소자는, 입사 p편광에 대해서는 대체적으로 회절시키지 않고, 액정층에 의해 변조를 받음으로써 발생하는 s편광을 액정 표시 소자의 대강 수직 방향으로 회절시키도록 구성된 형태를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 액정 표시 소자는 각 화소에 회절 격자를 구비하는 형태를 얻을 수 있다.
본 출원의 다른 실시 태양에 따르면, 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치는 광원과, 이 광원으로부터의 백색광을 삼원색광으로 색분리하는 색분리 광학계와, 이 삼원색의 각 색에 대응하는 액정 표시 소자를 구비하고, 이 색분리 광학계에 의해 색분리된 삼원색광을 각 액정 표시 소자에 대해 경사진 방향으로부터 입사하도록 구성되어 있으며, 액정 표시 소자로부터 대체로 소자의 수직 방향으로 출사되는 출사광을 색합성하는 색합성 광학계를 구비하고, 색합성 광학계에 의해 색합성된 광을 투사하는 투사 렌즈를 구비한다.
또한, 이 표시 장치는 광원의 광축과 투사 렌즈의 광축이 거의 평행, 혹은 서로 약 90도의 각도로 비틀려 현격하게 차이나도록 평행으로 배치되어 있어, 색분리 광학계와 각 액정 표시 소자의 광로 상에, 광축을 변환 가능한 광학 프리즘을 배치한 것이다.
또한, 본 발명의 액정 표시 소자는, 기판에 대해 주로 평행한 전계 성분에 의해 구동되는 액정층, 또는 강유전성 액정 재료로 이루어지는 액정층, 또는 반 강유전성 액정 재료로 이루어지는 액정층을 구비하고, 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 사이에서 스위칭하도록 구성하며, 이 액정층으로의 입사광의 광축이 이 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 중 한쪽의 배향 방향에 대해 대체로 수직인 평면내에 있고, 또한 입사광이 기판의 법선 방향에 대해 소정 각도로 기울어진 방향에서 액정층으로 입사하는 구성으로 한 것이다.
(실시예 1)
도1a 및 도1b를 이용하여, 본 실시예의 액정 표시 소자에 대해 설명한다. 도1a 및 도1b는 본 발명의 액정 표시 소자의 원리 설명도이다. 액정 분자(101)는 반사 기판(102)과 투명 기판(103)의 사이에 개재되어 액정층(111)을 구성하고 있 다. 액정 분자(101)의 배향 상태는, 액정 분자가 각 기판에 대해 대체로 평행이고 또한 비틀림 각도가 거의 0도인, 수평(homogeneous) 배향이다. 액정 분자(101)는 각 기판에 대해 약간 경사져 배향되어 있고, 소위 프리틸트 각도를 구비하고 있다. 반사 기판(102) 내지 투명 기판(103) 상에 액정 분사를 투영했을 때의 장축 방향을 액정 분자의 배향 방향이라 칭한다. 도1a는 반사 기판(102)-투명 기판(103)간의 전압을 0Vrms 근방으로 했을 때의 상태를 나타내고 있고, 도1b는 반사 기판(102)-투명 기판(103)간에 소정의 전압을 인가하여 액정 분자의 기판에 대한 각도 θLC가 도1a의 그것에 대해 변화한 상태를 도시하고 있다.
입사광의 광축(105) 및 출사광의 광축(106)은 모두 액정 분자(101)의 배향 방향에 대해 대체로 수직인 평면 내에 존재하고, 또한 반사 기판(102)의 법선 방향(104)에 대해 소정의 각도 θ를 이루고 있다. 입사광의 편광 상태는 투명 기판(103)에 대해 p편광 내지 s편광이다. 도1a에 있어서의 입사광의 편광 상태(107p)는 p편광이다.
액정층에 전압을 인가하고 있지 않거나 혹는 그 값이 충분히 작은 경우에는, 입사 편광에 대한 이방성이 충분히 작으므로 복굴절량이 작고, 입사 편광의 편광 상태는 출사측에 있어서도 대체로 유지된다. 그 경우, 상술한 바와 같이 직교 니콜(cross nicol) 배치로 되어 있으므로, 출사광은 출사측의 편광 소자로서 편광판을 이용한 경우에는 흡수되어, 어두운 표시(흑색 표시)가 된다. 한편, 액정층에 전압을 인가한 경우에 도1b에 도시한 바와 같이 액정 분자가 경사지고(θLC가 증대), 입사 편광에 대한 이방성이 생기므로 복굴절량이 변화하며, 입사 편광의 편광 상태가 변조되어 출사측의 편광판을 통과하는 광량이 변화한다. 액정으로의 인가 전압을 증가시키면, 출사측 편광판의 통과 광량이 증대되고, 소정의 구동 전압에서 최대 투과율을 나타낸다. 이상과 같이, 본 표시 방식은 액정층으로의 전압 무인가시 내지 그 값이 충분히 작은 경우에 어두운 표시를 행하고, 소정 전압에서 밝은 표시를 수행하는 노멀리 블랙 방식이다.
도2는 패널(100)에 대해 공기중으로부터 조사광을 입사시키는 경우의 실시예의 설명도이다. 패널(100)은 반사 전극(121)을 구비한 반사 기판(102)과 투명 전극(123)을 구비한 투명 기판(103)에 의해 개재된 액정층(111)으로 이루어진다. 액정층과 각 기판과의 사이에는, 액정 분자의 배향 방향을 제어하기 위한 배향막(122)을 구비하고 있다. 또한, 패널 주위에는 액정을 밀봉하기 위한 밀봉(seal) 영역(124) 등을 구비한다.
패널(100)로의 입사광의 광축(105) 상에는 편광판이나 편광 변환 소자 등의 편광 소자(115)를 구비하고, 패널에 입사하기 전에 미리 p편광 내지 s편광으로 일치해 둔다. 편광 소자(115)를 통과한 편광, 여기에서는 p편광 성분(107p)은 투명 기판(103)과 공기와의 계면에 있어서의 스넬 법칙에 따라 투명 기판(103)에 입사한다. 그 때의 패널(100)에 대한 법선(104)과 액정층(111) 내에서의 입사광 내지 반사광인 출사광이 이루는 각도를 θ로 한다.
광로가 인접 화소간에 걸치므로, 화소 경계의 휘도는 양쪽 화소의 영향을 받기 때문에, 화소의 경계를 흐릿하게 할 수 있다. 이에 따라, 표시물의 윤곽의 경 계를 원활하게 표시할 수 있어, 바람직한 화상 표시를 할 수 있다.
도3에, 소자의 반사율에서의 액정층으로의 인가 전압 의존성의 측정 결과를 나타낸다. 전압 무인가시에 거의 0%의 반사율을 나타내고, 1.8Vrms 전후의 낮은 구동 전압에서 최대 반사율이 되는 노멀리 블랙의 특성이 얻어졌다.
일반적으로 이용되고 있는 트위스트 네마틱 모드 등과 같은 종래 액정 표시 방식에서는, 액정 분자의 기판에 대한 경사 각도를 거의 0도와 90도 사이에서 스위칭시킴으로써 입사광에 대해 원하는 위상 변조를 행하고, 편광판과 조합시킴으로써 휘도 변조를 행하고 있다. 액정 분자의 기판에 대한 경사 각도를 거의 90도가 되도록 하기 위해서는 수 볼트 정도의 비교적 높은 전압이 필요하며, 이것이 종래 표시 방식의 구동 전압이 높은 이유이다. 한편, 본 발명의 표시 방식에서는, 원하는 위상 변조를 수행하는데 필요한 액정 분자의 기판에 대한 경사 각도는 약 45도 정도이다. 액정 분자를 기판에 대해 약 45도 정도 경사지게 하는데 필요한 전압은 2볼트 정도가 좋고, 본 발명의 액정 표시 방식은 종래 액정 표시 방식에 비해 구동 전압을 대폭적으로 저감할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 액정 표시 방식을 구비한 액정 표시 소자는, 액정 배향이 수평(homogeneous) 배향이므로, 액정 응답 시간이 짧고, 바꾸어 말하면 고속인 액정 응답 특성을 구비하고 있다는 특징도 갖는다.
(실시예 2)
도4는 조사광의 패널(100)로의 입사 각도와 액정층으로의 입사 각도를 거의 같게 하기 위한 광학계의 실시예를 도시한 도면이다. 입사광은 편광판 등에 의해 미리 p편광 내지 s편광으로 하여 프리즘에 입사시킨다. 조사광의 패널(100)로의 입사 각도와 액정층으로의 입사 각도를 거의 같게 하기 위해, 서로 마주하는 평행한 측면이 사다리꼴이고 또한 다른 4면이 정사각형 내지 직사각형인 육면체 프리즘을 이용하고 있다.
상기 프리즘을 이용하지 않고 공기중에서 직접 패널(100)로 광을 입사시킨 경우에는, 패널 표면의 광의 반사에 의해 패널 내로 입사하는 광로가 대폭 감소한다. 특히, 공기와 유리 기판 등의 패널을 구성하는 부재와의 계면에 있어서서 브루스터(brewster) 각도를 초과하여 광을 패널로 입사시키고자 하면 상기 반사판에 의한 광량의 손실이 크다. 상기 프리즘을 이용함으로써, 패널(100)에 광을 입사할 때의 반사에 의한 광량 감소를 대폭 저감할 수 있다. 프리즘의 사다리꼴의 각도와 저변의 길이를 조절함으로써, 프리즘의 입사면에 거의 수직으로 입사시키거나 또는 패널(100)의 법선에 대해 거의 직각 방향에서 입사시키거나 하는 것도 가능하며, 그 사이도 임의로 조정 가능하다.
또한, 상기 프리즘을 이용하지 않은 경우에는, 패널 내에서 공기 중으로 광이 출사할 때의 패널-공기 계면에 있어서의 광축의 각도로는 전반사 각도가 있고, 패널 내의 광축의 각도는 전반사 각도를 초과한 각도로 할 수 없다. 상기 프리즘을 이용함으로써, 패널내의 광축의 각도를 상기 전반사 각도를 초과하는 각도로 할 수 있다.
프리즘의 형상으로서는, 상기 육면체 프리즘에 한정되지 않고, 조사광의 패널(100)로의 입사 각도와 액정층으로의 입사 각도를 거의 동일하게 할 수 있는 것 이라면, 다른 형상이라도 상관없다는 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 3)
도5는 반사면(130)을 이용한 광학계의 실시예의 설명도이다. 반사면(130)은 패널(100)에 의해 위상 변조를 받은 광(106)을 회절시켜 패널(100)의 거의 법선 방향으로 출사하기 위해 이용되고 있다.
반사면(130)의 파장 의존성에 의한 화상 광의 흐려짐을 방지하기 위해서는, 액정층(111)과 반사면(130)과의 거리를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 도5에서는 반사면(130)의 배치를 패널(100)과 프리즘(112)의 사이로 하였지만, 패널(100)의 내부에 반사면(130)을 배치하는 것이 보다 바람직하다. 구체적으로는, 반사면(130)에 직접 투명 전극(123)이나 배향막(122)을 형성하는 것은 곤란하므로, 투명 전극(123)과 반사면(130)과의 사이에 매우 얇은 유리판을 개재하고, 또한 기판의 강도를 확보하기 위해 추가로 유리판을 홀로그램 소자상에 적층한 구성을 일례로서 들 수 있다.
패널(100)로의 입사광은 p편광으로 해 둔다. 반사면(130)은 특정 각도로 입사한 광에 있어서, p편광에 대해서는 회절시키지 않고, s편광에 대해서는 회절하도록 설계되어 있다. 액정층에 의해 위상 변조되어 패널(100)로부터 출사된 출사광 중 p편광 성분은 반사면(130)에 의해 회절되지 않고 프리즘의 제1 출사면(141)으로 향하고, s편광 성분은 반사면(130)에 의해 회절되어 프리즘의 제2 출사면(131)으로 향한다. 반사면(130)은 p편광 성분도 약간 회절시키므로 반사면(130)에 의해 회절된 광에는 s편광 성분 외에 p편광 성분도 약간 포함된다. 따라서, 도5에는 도시되 어 있지 않지만, 상기 반사면(130)에 의해 회절된 광 중의 p편광 성분을 제거하기 위해 프리즘의 제2 출사면(131) 뒤에 편광판을 설치해 두면 콘트라스트비를 향상시킬 수 있으므로, 더욱 바람직하다. 반사면(130)의 편광 특성과 회절 특성을 이용함으로써, 액정층(111)으로부터 패널(100)의 법선에 대해 경사진 방향으로 출사하는 광을, 편광 상태에 따라 출사하는 방향을 변조함과 동시에, 화상광으로서 이용하는 s편광 성분(108s)을 거의 패널(100)의 법선 방향으로 출사한다.
(실시예 4)
도6은, 반사 전극(121) 상에 회절 격자를 형성한 실시예의 설명도이다. 반사 전극(121) 상의 회절 격자는, 액정층에서 변조를 받은 s성분(108s)만을 패널(100)에 거의 수직 방향으로 회절시키고, 한쪽 p성분(108p)은 반사 전극(121)에서의 정반사 방향으로 출사하도록 구성되어 있다. 패널(100)로부터의 출사광 중 일정 범위의 각도만을 받아들이는 광학계인, 소위 슈리렌(Schlieren) 광학계와 조합시킴으로써, 투사 광학계를 구성할 수 있다. 본 방식의 경우에는, 액정층에 있어서의 광로 길이가 절반이 되므로, 액정층의 두께와 액정 재료의 굴절율 이방성과의 곱을 2배로 해 둘 필요가 있다. RGB마다 화소를 설치하여, 각각의 화소의 회절 격자에서 패널(100)에 대해 거의 수직 방향으로 회절되는 광의 파장을 R 내지 G 내지 B로 해 두고, 슈리렌 광학계와 조합시킴으로써, 1장의 패널을 이용하여 전체 컬러 표시를 행하는 것도 가능하다.
(실시예 5)
도7은 본 실시예의 설명도이다. 육면체 프리즘(112)의 출사측 면에, 알루미 늄이나 은 등의 고반사율 금속을 코팅하여 반사면(130)으로 함으로써, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 브라운관에서는, 어두운 화상에 부분적으로 밝은 백색 화상이 포함되는 경우에, 그 부분의 백색 휘도를 통상의 백색 휘도에 비해 높게 하는, 소위 "피크 휘도"의 기능이 있다. 피크 휘도에 의해, 예를 들면 어둠 속에 비치는 라이트나 태양광이 빛나는 넓은 바다 등과 같은 화면내에서의 휘도비가 큰 화상을 효과적으로 표현할 수 있다. 그러나, 액정 디스플레이에서는 최대 휘도가 광원의 광도에 의해 제한되므로, 피크 휘도의 실현이 곤란했다.
본 구성을 취함으로써, 어두운 화상 부분의 광은 반사면에 의해 패널(100)로 복귀되어 하얀 화상에서 재이용된다. 화상 전체가 밝은 경우의 백색 휘도에 비해, 어두운 화상에서의 백색 휘도를 높게 하는 것이 가능하다. 즉, 피크 휘도를 실현할 수 있다.
(실시예 6)
도8에 기판과의 계면에 있어서의 액정 분자의 경사 각도인 프리틸트 각도 θLC에 대해 도시한다. 프리틸트 각도 θLC가 필요 이상으로 작은 경우, 화소간의 횡전계에 의해, 주로 화소 경계부의 액정 분자의 배향이 흐트러지는 문제가 발생한다. 이 액정 분자의 배향이 흐트러지는 모양은, 화소마다 다르므로, 화상의 균질성이 훼손된다. 또한, 인접 화소간의 횡전계가 작은 상태에서는 흐트러진 배향이 원래로 되돌아가지만, 그 되돌아가기까지의 시정수는 정상적인 영역에 있어서의 액정 분자의 응답 시정수에 비해 극단적으로 길고, 화상에 있어서는 응답 지연에 의 한 화상 열화로서 인식된다. 이들 문제를 해결하기 위해서는, 액정 분자에 있어서 충분한 프리틸트 각도 θLC를 부여하는 방법이 유효하다. 그러나, 본 방식에서는 프리틸트 각도 θLC를 크게 하면, 전암 무인가시에도 입사 편광에 대한 복굴절율이 증대하므로, 흑색 휘도를 낮게 할 수 없어 콘트라스트비가 저감되어 버린다.
이 문제는, 다음과 같이 함으로써 해결할 수 있다. 입사 편광의 광학축 및 출사 편광의 광학축을 액정 분자의 프리틸트 각도 θLC에 따라 기판에 수직 방향 내지 평행 방향에서 약간 경사지게 함으로써, 입사 편광에 대한 복굴절량을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 흑색의 휘도를 보다 낮게 할 수 있고, 콘트라스트비를 대폭 향상시킬 수 있다. 입사 편광의 광학축 및 출사 편광의 광학축의 각도의 어긋남 량을 결정하는 파라미터는 액정 분자의 프리틸트 각도 θLC 외에, 입사 편광의 입사 각도나, 반사형 방식의 경우 반사판의 재질에 기인하는 s편광과 p편광의 반사율의 입사 각도 의존성의 차이 등을 들 수 있다. 입사 편광의 광학축 및 출사 편광의 광학축의 각도의 어긋남 량은 실험적으로 결정하는 것이 가능하다.
구체적으로는, 액정으로의 인가 전압을 약 0Vrms으로 한 상태에서, 흑색 휘도가 가장 작아지도록 입사 편광의 광학축 및 출사 편광의 광학축을 조정하면 된다. 보다 구체적으로는, 입사측 편광판의 광학축 및 출사측 편광판의 광학축을 회전하여 조정하면 된다.
(실시예 7)
도9a 및 도9b를 이용하여, 본 발명의 액정 표시 소자에서의 액정 배향으로서 수직 배향을 적용한 경우에 대하여 실시예를 설명한다. 액정 분자(101)는 반사 기판(102)과 투명 기판(103)에 개재되어 있고 액정층(111)을 구성하고 있다. 액정 분자(101)의 배향 상태는, 비틀림 각도가 거의 0도이고 또한 각 기판에 대해 거의 수직으로 배향되어 있는, 소위 수직(homeotropic) 배향이다. 도9a는 반사 기판(102)-투명 기판(103)간의 전압을 0Vrms 근방으로 했을 때의 상태를 나타내고 있고, 도9b는 반사 기판(102)-투명 기판(103) 간에 소정의 전압을 인가하여 액정 분자의 기판에 대한 각도 θLC가 도1의 그것에 대해 변화한 상태를 나타내고 있다. 반사 기판(102)-투명 기판(103) 사이에 전압을 인가했을 때에 액정 분자(101)의 기판에 대한 경사 각도 θLC가 소정 방향에서 변화하도록, 액정 분자의 기판에 대한 경사 각도 θLC는 90도가 아니라, 90도 보다 작은 소정의 값이다. 반사 기판(102)과 투명 기판(103) 사이에 전압을 인가했을 때에 액정 분자가 기울어지는 방향이 본 실시예의 액정 표시 소자에 있어서의 액정 배향 방향이 된다. 입사광의 광축(105) 및 출사광의 광축(106)은 모두 액정 분자(106)의 배향 방향에 대해 대체로 수직인 평면 내에 존재하고, 또한 반사 기판(102)의 법선 방향(104)에 대해 소정 각도 θ를 이루고 있다. 입사광의 편광 상태는 투명 기판(103)에 대해 p편광 내지 s편광이다. 도9a에서의 입사광의 편광 상태(107p)는 p편광이다.
액정층에 전압을 인가하지 않거나 혹은 그 값이 충분히 작은 경우에는, 입사 편광에 대한 이방성이 충분히 작기 때문에 복굴절량이 작고, 입사 편광의 편광 상태는 출사측에서도 대체적으로 유지된다. 그 경우, 상기와 같이 직교 니콜 배치로 되어 있으므로, 출사광은 출사측의 편광 소자로서 편광판을 이용한 경우에는 흡수되어, 어두운 표시(흑색 표시)가 된다. 한편, 액정층에 전압을 인가한 경우에는 도9b에 도시한 바와 같이 액정 분자가 기울어져(θLC가 감소), 입사 편광에 대한 이방성이 생기므로 복굴절율이 변화하고, 입사 편광의 편광 상태가 변조되어, 출사측의 편광판을 통과하는 광량이 변화한다. 액정으로의 인가 전압을 증가시키면, 출사측 편광판의 통과 광량이 증대되어, 소정의 구동 전압에서 최대 투과율을 나타낸다. 이상과 같이, 본 표시 방식은 액정층으로의 전압 무인가시 내지 그 값이 충분히 작을 때에 어두운 표시를 행하고, 소정 전압에서 밝은 표시를 행하는 노멀리 블랙 방식이다.
(실시예 8)
도10a 및 도10b를 이용하여, 육면체 프리즘(112)과 입사광의 광축(105) 및 출사광의 광축(106)과의 관계의 변동에 대해 설명한다. 도10a는 입사광의 광축(105)이 육면체 프리즘(112)의 입사면에 대해 거의 수직인 경우이다. 한편, 도10b는 입사광의 광축(105)과 육면체 프리즘(112)의 입사면이 이루는 각도가 거의 브루스터 각도인 경우를 도시하고 있다.
(실시예 9)
도11은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치인, 3장 방식의 투사 광학계의 실시예의 설명도이다. 본 실시예의 투사 광학계는 광원(201)과, 다이크로익 미러(202 및 205)와 미러(203)와 렌즈(204)로 이루어지는 색분리 광학계와, RGB의 각 색마다의 패널(100R, 100G, 100B)과, 크로스 다이크로익 프리즘(206)과, 상기 각 패널(100R, 100G, 100B)과 상기 크로스 다이크로익 프리즘(206)과의 사이에 배치된 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)와, 투사 렌즈(207) 등으로 구성된다.
광원(201)으로부터 방사된 백색광(208)은 다이크로익 미러(22)에 의해, 청색광(209)과 황색광(210)으로 분리되고, 청색광(209)은 육면체 프리즘(112B)을 통해 패널(100B)에 입사한다. 한편, 황색광은 미러(203) 및 렌즈(204)를 통해, 다이크로익 미러(205)에 의해 적색광(211)과 녹색광(212)으로 분리되어, 각각 패널(100R, 100G)에 입사된다.
각 색마다의 패널(100R, 100G, 100B)로의 입사광은 화소마다 임의로 위상 변조되어 각 패널(100R, 100G, 100B)을 출사하지만, 그 때에 홀로그램 소자에 의해 광로가 변조되어 각 패널(100R, 100G, 100B)의 거의 법선 방향으로 출사한다. 각 육면체 프리즘(112R, 112G, 1112B)은 크로스 다이크로익 프리즘(206)의 각 면과 상대시켜 배치된다. 각 패널(100R, 100G, 100B)로부터 출사된 광(213, 214, 215)은 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 의해 색합성되어 투사 렌즈(207) 방향으로 향하고, 투사 렌즈(207)에 의해 스크린으로 투사된다.
각 패널(100R, 100G, 100B)에 구비된 홀로그램 소자에 의해, 패널로부터의 출사광은 거의 패널에 대해 법선 방향으로 출사되므로, 투사 렌즈(207)의 F값을 필요 이상으로 작게 할 필요가 없어, 소형 경량화가 가능하다. 또한, 본 작용은 마찬가지로 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 대해서도 소형 프리즘의 사용을 가능하게 하여, 광학계 전체의 소형 경량화에 도움을 준다.
각 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)의 출사구에는, 불필요 광의 흡수체 내지 흡수체로 유도하는 광학계를 구성해 두는 것이 바람직하다. 이에 따라, 미광(迷光)의 발생이 효과적으로 방지되어, 콘트라스트비의 저하도 방지된다. 또는, 각 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)의 출사측의 면을 실시예 5에서 설명한 바와 같이 반사면으로서 둠으로써, 각 패널(100R, 100G, 100B)로의 복귀광이 재이용되어 피크 휘도의 향상을 가능하게 한다. 도11에서는, 각 패널(100R, 100G, 100B)의 장변 방향과, 크로스 다이크로익 프리즘(206)에서의 4개의 프리즘 중 어느 접합면에 대해서도 평행한 방향을 평행하게 배치하고 있지만, 각 패널(100R, 100G, 100B)의 단변 방향으로 평행하게 되도록 배치해도 좋다.
본 실시예는, 주로 3장 방식의 투사 광학계에 대해서 설명하였다. 한편, 실시예 1에서도 설명한 바와 같이 본 발명의 액정 표시 방식은 고속 액정 응답 특성을 갖고 있다. 이것을 이용하여, 1장의 패널을 이용하여 필드 순차 컬러 방식의 표시 장치를 구성하는 것도 물론 가능하다.
(실시예 10)
도12는 3장 방식의 투사 광학계의 다른 실시예의 설명도이다. 2개의 크로스 다이크로익 프리즘을 이용하고 있다. 본 실시예의 투사 광학계는 광원(201)으로부터의 백색광을 제1 크로스 다이크로익 프리즘(209')에 의해 RGB로 색분리하고, 또한 각 RGB의 광을 각각 상기 제1 크로스 다이크로익 프리즘(209')으로부터 3방향으로 출사하며, 미러(203)에 의해 각각의 광을 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)으로 유도하여 패널(100R, 100G, 100B)에 조사하고, 패널(100R, 100G, 100B)에서 변조된 각 색마다의 광을 제2 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 의해 색합성하며, 투사 렌즈(207)를 통해 스크린에 투사하는 구성이다. 입사측의 크로스 다이크로익 프리즘(209')과 출사측의 다이크로익 프리즘(206)은 상호 동일한 편광에 대해 컷오프 파장이 다른 것을 이용하고 있다. 다른 측면에서 보면, 입사측의 p편광에 대한 컷오프 파장과 출사측의 s편광에 대한 컷오프 파장을 일치해 두는 것이 좋다. 만약 일치되어 있지 않으면, 본래 출사측의 다이크로익 프리즘(206)을 통과해야 할 광이 반사되어 광량이 손실됨과 동시에 다르게 패널에 입사하여 미광이 되어 콘트라스트비의 저하로 이어지는 등의 문제가 발생한다.
도13은 3장 방식의 투사 광학계의 다른 실시예의 설명도이다. 2개의 크로스 다이크로익 프리즘을 이용하고 있다. 본 실시예의 투사 광학계는 광원(201)으로부터의 백색광을 제1 크로스 다이크로익 프리즘(209')에 의해 RGB로 색분리하고, 또한 각 RGB의 광을 각각 상기 제1 크로스 다이크로익 프리즘(209')으로부터 3가지 방향으로 출사하고, 각 패널(100R, 100G, 100B)에 대해 경사지게 입사한다. 그 때, 광원(201)으로부터 각 패널(100R, 100G, 100B)로의 입사광의 입사각을 유지하기 위해 각 패널(100R, 100G, 100B)과 크로스 다이크로익 프리즘(209', 206)과의 사이에 프리즘(208R, 208G, 208B)을 배치하고 있다. 각 패널(100R, 100G, 100B)로부터의 출사광은 제2 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 의해 색합성되어, 투사 렌즈(207)를 통해 스크린에 투사된다.
(실시예 12)
도15 내지 도18은 본 발명의 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치인, 3장 방 식의 투사 광학계의 실시예의 설명도이다. 본 실시예의 투사 광학계는, 광원(201)과, 다이크로익 미러(202, 205)와 미러(203)와 렌즈(204)로 이루어지는 색분리 광학계와, RGB의 각 색마다의 패널(100R, 100G, 100B)과, 크로스 다이크로익 프리즘(206)과, 상기 각 패널(101)과 상기 크로스 다이크로익 프리즘(206)과의 사이에 배치된 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)과, 투사 렌즈(207) 등으로 구성된다.
광원(201)의 광축과 투사 렌즈(207)의 광축이 거의 평행하게 배치되어 있다. 상기 광원(201)의 광축과 투사 렌즈(207)의 광축은, 서로 약 90도의 각도로 비틀려 현격하게 평행하게 배치되어 있어도 좋다. 프론트 프로젝터 용도에서는 경사 상방으로 투사하기 위해, 투사 렌즈의 광축은 패널의 광축에 대해 10:0이나 9:1의 시프트 량으로 오프셋시켜도 좋다.
표시 장치에는 광원(201)이 있고, 광원(201)은 초고압 수은 램프, 메탈 할라이드 램프, 크세논 램프, 수은 크세논 램프, 할로겐 램프 등의 백색 램프이다.
광원(201)의 전구로부터 방사되는 광은 타원면 또는 포물면 또는 비구면의 반사면(130)에서 집광되고, 제1 어레이 렌즈(301)에 입사한다. 광은 제1 어레이 렌즈(301)를 통과한 후, 제2 어레이 렌즈(302)를 통과하고, 편광 빔 스플리터(304)에 입사한다. 이 입사광은 편광 빔 스플리터(304)에 의해 투과광은 P편광광, 반사광은 S편광광으로 분리되고, 그 P편광광은 편광 빔 스플리터(304)의 출사측 면에 배치된 λ/2 위상차판에 의해 편광 방향이 90도 회전하여, S편광광이 되고, 렌즈(204)에 입사한다. 또한, 상기 S편광광은 반사를 반복하여, 인접하는 편광 빔 스플리터(304)의 출사면으로부터 출사되어 렌즈(204)에 입사한다. 렌즈(204)는 적어도 1장 이상의 구성이고, 정(正)의 굴절력을 가지며, 그 S편광광을 더 집광시키는 작용을 갖고, 그 렌즈(204)를 통과한 광은 다이크로익 미러(205)를 조사한다.
각 패널(100R, 100G, 100B)의 출사측에는 s편광광을 투과하는 사출 편광판(303)을 배치하여, 편광도를 향상시킨다. 상기 투사 렌즈(204)에 의해 각 패널(100R, 100G, 100B)에 형성된 화상은, 스크린 상에 확대 투영되어 표시 장치로서 기능한다.
광원(201)으로부터 방사된 백색광(208)은 서로 약 90도 교차하여 배치된 청색 반사 다이크로익 미러와 적색 반사 다이크로익 미러에 의해 이루어지는 크로스 다이크로익 미러(202)에 입사한다. 청색 반사 다이크로익 미러(205)에 의해 청색광(209)은 반사되어 미러(203)에 입사하고, 미러(203)에서 반사하여 육면체 프리즘(112B)에 입사한다. 육면체 프리즘(112B)에서, 입사광에 대해 출사광은 그 방향이 변경되어 출사하고, 홀로그램 소자(130B)에 입사한다.
적색 반사 다이크로익 미러(205)에 의해 적색광(211)은 반사되어, 미러(203)에 입사하고, 미러(203)에서 반사하여 육면체 프리즘(112R)에 입사한다. 육면체 프리즘(112R)에서, 입사광에 대해 출사광은, 그 방향이 변경되어 출사하고, 홀로그램 소자(130R)에 입사한다.
크로스 다이크로익 미러(202)를 통과한 녹색광(212)은, 미러(203)에 입사하고, 미러(203)에서 반사하여 육면체 프리즘(112G)에 입사한다. 육면체 프리즘(112G)에서, 입사광에 대해 출사광은, 그 방향이 변경되어 출사하고, 홀로그 램 소자(130G)에 입사한다.
각 색마다의 패널(100R, 100G, 100B)로 입사한 광은 화소마다 임의로 위상 변조되어 각 패널(100R, 100G, 100B)을 출사하지만, 그 때에 홀로그램 소자에 의해 광로를 변조시켜 각 패널(100R, 100G, 100B)의 거의 법선 방향으로 출사한다. 각 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)은, 크로스 다이크로익 프리즘(206)의 각 면과 상대시켜 배치된다. 각 패널(100R, 100G, 100B)로부터 출사된 광(213, 214, 215)은 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 의해 색 합성되어 투사 렌즈(207) 방향으로 향하고, 투사 렌즈(207)에 의해 스크린에 투사된다.
각 패널(100R, 100G, 100B)에 구비된 홀로그램 소자에 의해, 패널로부터의 출사광은 거의 패널에 대해 법선 방향으로 출사되므로, 투사 렌즈(207)의 F값을 필요 이상으로 작게 할 필요가 없어, 소형 경량화가 가능하다. 또한, 본 작용은 동일하게 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 대해서도 소형 프리즘의 사용을 가능하게 하여, 광학계 전체의 소형 경량화에 기여한다.
각 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)의 출사구에는, 불필요 광의 흡수체 내지 흡수체로 유도하는 광학계를 구성해 두는 것이 바람직하다. 이에 따라, 미광의 발생이 효과적으로 방지되어, 콘트라스트비의 저하도 방지된다. 또는, 각 육면체 프리즘(112R, 112G, 112B)의 출사측 면을 실시예 5에서 설명한 바와 같이 반사면으로 해 둠으로써, 각 패널(100R, 100G, 100B)로의 복귀광이 재이용되어 피크 휘도의 향상을 가능하게 한다. 도11에서는, 각 패널(100R, 100G, 100B)의 장변 방향과, 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 있어서의 4개의 프리즘 중 어느 접합면에 대해서 도 평행한 방향을 평행하게 배치하고 있지만, 각 패널(100R, 100G, 100B)의 단변 방향으로 평행하게 되도록 배치해도 좋다.
각 홀로그램 소자(130R, 130G, 130B)는 각 색광이 출사측 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 입사하기 전의 RGB의 각 광로상에 배치한다. 내열성 향상을 위해 홀로그램 소자(130R, 130G, 130B)는 출사측 크로스 다이크로익 프리즘(206)에 접합시켜도 좋다. 또한, 사파이어를 베이스로 하는 그 초재에 접합시켜도 좋다.
본 실시예는 주로 3장 방식의 투사 광학계에 대해 설명하였다. 한편, 실시예 1에서도 설명한 바와 같이, 본 발명의 액정 표시 방식은 고속의 액정 응답 특성을 구비하고 있다. 이것을 이용하여, 1장의 패널을 이용하여 필드 순차 컬러 방식의 표시 장치를 구성하는 것도 물론 가능하다.
(실시예 13)
지금까지는, 주로 반사형 액정 표시 소자를 구성한 경우에 대해 설명했지만, 본 실시예에서는 투과형의 액정 표시 소자를 구성한 경우에 대해 설명한다. 반사형의 경우, 입사광은 반사 수단에 의해 반사되므로 액정층을 2회 통과한다. 한편, 투과형의 경우에는, 입사광은 액정층을 1회만 통과한다. 따라서, 투과형의 경우에는 액정층의 광학적인 두께인 리타데이션(retardation)을 반사형의 경우에 비해 2배로 해 둘 필요가 있다.
도14에 본 발명의 액정 표시 방식을 적용한 투과형 액정 표시 소자의 실시예의 설명도를 도시하고 있다. 본 실시예의 액정 표시 소자는, 적어도 2장의 투명 기판(103a, 103b)에 개재된 액정층(111)과, 편광자(115)와, 검광자(116)로 이루어 지고, 또한 편광자(115)와 액정층(111) 사이와, 액정층(111)과 검광자(116) 사이에 각각 홀로그램 소자(130a, 130b)를 구비한 것을 특징으로 한다. 본 실시예의 액정층(111)에 있어서의 액정 배향 방향은 입사 편광 방향에 대해 수직 내지 평행 방향으로 해 둔다. 투명 기판(103a)에 대해 거의 수직 방향으로부터 입사하는 입사광의 광축(105)은 홀로그램 소자(130a)에 의해 회절되어, 액정층(111)에 대해 경사지게 입사한다. 액정층(111)에서 변조를 받아 출사한 광은 홀로그램 소자(130b)에 의해 회절되어 투명 기판에 대해 거의 수직 방향으로 회절되고 검광자(116)를 통과한다. 홀로그램 소자(130a)는 편광자(115)를 통과하는 편광을 회절하도록 구성되고, 한편 홀로그램 소자(130b)는 검광자(116)를 통과하는 편광을 회절하도록 구성된다. 편광자(115) 및 검광자(116)는 크로스 니콜의 배치에 있다.
(실시예 14)
지금까지는, 주로 패널(100)에서의 2장의 기판에 대한 법선을 포함하는 면내에서 액정 분자의 배향이 변위하는 방식에 대해 설명했지만, 본 실시예에서는 패널(100)을 구성하는 2장의 기판에 대해 평행한 면내에서 액정 분자의 배향이 변위하는 방식에 대해 설명한다. 패널(100)을 구성하는 2장의 기판에 대해 평행한 면내에서 액정 분자의 배향이 변위하는 방식의 구체적인 예는, (1) 기판에 대해 주로 평행한 전계 성분에 의해 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 사이에서 스위칭하는 방식, (2) 강유전성 액정 재료를 이용하여 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 사이에서 스위칭하는 방식, (3) 반 강유전성 액정 재료를 이용하여 또한 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 사이에서 스위칭하는 방식 등을 들 수 있다.
액정층으로의 입사광의 광축은, 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 중 한쪽 배향 방향에 대해 거의 수직인 평면내에 존재하고, 또한 상기 입사광이 상기 기판의 법선 방향에 대해 소정 각도로 기울어진 방향으로부터 액정층에 입사하는 구성으로 해 둔다. 이에 따라, 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 중 한쪽 배향 방향의 상태에 있어서는 입사광의 편광 상태가 변조되지 않아 흑색 표시가 되고, 또 한쪽 배향 방향의 상태에 있어서는 입사광의 편광 상태가 변조되어 백색 표시가 된다. 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 사이에서 연속적으로 배향 방향을 변조 가능한 방식이라면, 중간조 표시가 가능하다. 또한, 강유전성 액정을 이용한 경우와 같이 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 사이에서 이산적인 배향 방향을 취하는 경우에는, 펄스폭 변조를 함으로써 중간조 표시를 할 수 있다.
이들 각 실시예에 따르면, 적어도 한쪽이 투명한 2장의 기판과, 상기 2장의 기판에 개재된 액정층을 구비하고, 상기 2장의 기판 중 적어도 한쪽에 복수의 화소와 상기 복수의 화소에서 액정층을 구동하는 액티브 소자를 구비한 액정 표시 소자에 있어서, 액정층으로의 입사광의 광축이 액정 분자의 배향 방향에 대해 거의 수직인 평면 내에 존재하고, 또한 상기 입사광이 상기 기판의 법선 방향에 대해 소정 각도로 기울어진 방향으로부터 액정층에 입사하는 구성으로 함으로써, 액정 분자의 약간의 움직임으로 원하는 위상 변조를 수행할 수 있으므로, 액정 구동 전압을 대폭으로 저감할 수 있다.
흑색 표시 상태는, 액정 분자의 배향 방향과 입사 편광의 편광축을 직교 내 지 평행한, 액정층에 의한 위상 변조가 매우 작은 상태로 수행한다. 따라서, 흑색 레벨을 작게 유지하는 양호한 콘트라스트비를 얻을 수 있음과 동시에, 흑색 레벨의 파장 의존성이나 온도 의존성이 작으므로 항상 안정된 콘트라스트비를 실현할 수 있다. 또한, 액정 분자의 배향 방향에 직교하는 면내에서의 시야각 특성이 양호하므로 투사 표시 장치에서 F값을 저감하여도 높은 콘트라스트비를 유지할 수 있어, 표시 장치의 밝기와 높은 콘트라스트비를 양립시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 액정 구동 전압을 저감한 액정 표시 소자, 또는 이 액정 표시 소자를 이용한 표시 장치를 제공할 수 있다.

Claims (37)

  1. 적어도 한쪽이 투명한 2매의 기판과, 상기 2매의 기판에 협지된 액정층을 구비하고, 상기 2매의 기판 중 적어도 한쪽에 복수의 화소와 상기 복수의 화소에 있어서 액정층을 구동하는 액티브 소자를 구비하고, 편광 소자와 함께 이용되는 투과형 액정 표시 소자에 있어서,
    상기 액정층으로의 입사광의 광축 및 출사광의 광축이, 상기 2매의 기판 상에 있어서의 액정 분자의 배향 방향에 대해 수직인 평면 내에 있고, 또한 상기 입사광이 상기 기판의 법선 방향에 대해 미리 정한 각도만큼 기울어진 방향으로부터 액정층에 입사하는 구성으로 하고,
    상기 액정층에 전압이 인가된 경우, 입사광의 편광 상태가 변조되어 상기 편광 소자를 통과하는 출사광의 광량이 변화하는 구성으로 하고,
    상기 액정층으로의 입사광의 편광 방향이 상기 액정 분자의 배향 방향에 대해 수직 내지 평행인 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액정층의 액정 분자의 배향이 수평 배향인 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액정층의 액정 분자의 배향이 수직 배향인 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 2매의 기판 중 한쪽은 반사 기판인 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 2매의 기판은 투명 기판인 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 투과형 액정 표시 소자로의 입사광의 각도를 유지하여 상기 액정층에 빛이 도달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  7. 제4항에 있어서, 상기 액정층에 있어서의 광로의 주축과 기판의 법선 방향이 이루는 각도가, 상기 기판으로부터 공기에 빛이 출사할 때의 전반사 각도보다도 커지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  8. 제4항에 있어서, 상기 액정층에 있어서의 광로의 주축과 상기 기판의 법선 방향이 이루는 각도가, 상기 기판과 공기 사이의 편광 각도 이상이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  9. 제4항에 있어서, 홀로그램 소자를 갖고 상기 홀로그램 소자를, 입사 p편광에 대해서는 회절하지 않고, 상기 액정층에 의해 변조를 받음으로써 발생하는 s편광을 액정 표시 소자의 수직 방향으로 회절하도록 구성한 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  10. 제4항에 있어서, 상기 각 화소에 회절 격자를 구비하고, 상기 액정층에 의해 변조를 받음으로써 발생하는 s편광을 투과형 액정 표시 소자의 수직 방향으로 회절하도록 구성한 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  11. 광원과, 상기 광원으로부터의 백색광을 삼원색광으로 색분리하는 색분리 광학계와,
    상기 삼원색의 각 색에 대응하는 제8항에 기재된 어느 하나의 투과형 액정 표시 소자를 구비하고,
    상기 색분리 광학계에 의해 색분리된 삼원색광을 상기 각 투과형 액정 표시 소자에 대해 경사 방향으로부터 입사하도록 구성되어 있고,
    상기 투과형 액정 표시 소자로부터 소자의 수직 방향으로 출사되는 출사광을 색합성하는 색합성 광학계를 구비하고,
    상기 색합성 광학계에 의해 색합성된 빛을 투사하는 투사 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광원의 광축과 투사 렌즈의 광축이 평행, 혹은 서로 90도의 각도로 비틀리도록 평행으로 배치되어 있고,
    상기 색분리 광학계와 상기 각 투과형 액정 표시 소자의 광로 상에, 광축을 변환 가능한 광학 프리즘을 배치한 것을 특징으로 하는 표시 장치.
  13. 제5항에 있어서, 액정층의 전후에 홀로그램 소자를 구비하고,
    입사측의 홀로그램 소자는 기판에 대해 수직 방향으로부터 입사하는 입사광을 회절하여 액정층에 경사져 입사시키고,
    한쪽 출사측의 홀로그램 소자는 액정층으로부터의 출사광을 기판에 대해 수직 방향으로 회절하고,
    상기 입사측의 홀로그램 소자는 입사 편광을 회절하고,
    상기 출사측의 홀로그램 소자는 입사 편광과는 직교하는 편광 상태에 있는 출사 편광을 회절하도록 구성한 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기판에 대해 평행한 전계 성분에 의해 구동되는 액정층을 구비하고, 상기 전계 성분에 의해 구동되는 상태와 구동되지 않는 상태의 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향의 사이에서 스위칭하도록 구성하고,
    상기 액정층으로의 입사광의 광축이, 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 중 한쪽의 배향 방향에 대해 수직인 평면 내에 있고, 또한 상기 입사광이 상기 기판의 법선 방향에 대해 미리 정한 각도만큼 기울어진 방향으로부터 액정층으로 입사하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  15. 제1항에 있어서, 액정층을 구성하는 액정 재료로서 강유전성 액정 재료를 이용하고 또한 전계 성분에 의해 구동되는 상태와 구동되지 않는 상태의 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향의 사이에서 스위칭하도록 구성하고,
    상기 액정층으로의 입사광의 광축이, 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 중 한쪽 배향 방향에 대해 수직인 평면 내에 있고, 또한 상기 입사광이 상기 기판의 법선 방향에 대해 미리 정한 각도만큼 기울어진 방향으로부터 액정층에 입사하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
  16. 제1항에 있어서, 액정층을 구성하는 액정 재료로서 반강유전성 액정 재료를 이용하고 또한 전계 성분에 의해 구동되는 상태와 구동되지 않는 상태의 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향의 사이에서 스위칭하도록 구성하고,
    상기 액정층으로의 입사광의 광축이, 상기 2가지 상태의 액정 분자의 배향 방향 중 한쪽 배향 방향에 대해 수직인 평면 내에 있고, 또한 상기 입사광이 상기 기판의 법선 방향에 대해 미리 정한 각도만큼 기울어진 방향으로부터 액정층에 입사하는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 투과형 액정 표시 소자.
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