JP3385130B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は散乱型の液晶表示素子に関し、詳
しくは散乱型の液晶セルによる偏光解消と、位相差板に
よる複屈折を利用したカラー液晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来技術】ネマティック液晶にコレステリック液晶を
添加した液晶組成物を基板間に挾持した相転移型液晶表
示素子や、液晶とポリマーからなる微細な分散構造を基
板間に挾持した高分子分散型の液晶表示素子、誘電異方
性が負の液晶を用い、電流による乱流を利用した動的散
乱モード（ＤＳＭ）などの散乱型液晶表示素子は、印加
電圧の大きさに応じて透明状態と光散乱状態を切り替え
ることができ、この現象を利用した表示素子が提案・開
発されている。これらの方式で直視型のカラー表示を行
わせる試みも知られており、黒田らはＤＳＭセルを直行
させた２枚の偏光板で挾んだ上にカラーフィルターを重
ねる方式を提案している〔テレビジョン学会画像表示研
究会資料、５−２（１９７４）〕。この方式によれば画
素に電圧が印加されていない状態では液晶セルを透過し
た偏光は他方の偏光板で遮断されるため黒い表示が得ら
れる。画素に電圧を印加して液晶層を散乱状態とする
と、液晶層に入射した直線偏光は液晶層によって偏光解
消され、他方の偏光板に入射する。このとき、光の約半
分は偏光板を通過するため、カラーフィルターの色が認
知され、このようにしてカラー表示を行わせることがで
きる。しかしながらこの方法ではカラーフィルターによ
る光の吸収が大きく、そのため明るい表示が困難であっ
たり、無理に明るい表示を行わせるためには強力な照明
が必要となり、消費電力が増加するという問題がある。
特にカラーフィルターとしてマイクロカラーフィルター
を用い、白い背景を得るためにはカラーフィルターによ
る加法混色を用いるため、さらに強い照明が必要となる
という問題があった。また、本方式ではＤＳＭ方式を用
いているために駆動電圧が高く、また信頼性が低いとい
う問題があった。さらに、液晶層の抵抗が低いため薄膜
トランジスター駆動などのアクティブマトリクス駆動が
できないという問題があった。

【０００３】

【目的】本発明の目的は、散乱型の液晶セルを用いたカ
ラー液晶表示素子における以上のような問題を解決した
液晶表示素子を提供することにある。すなわち、弱い照
明においても明るい白背景が得られ、鮮明なカラー表示
が行うことができる液晶表示素子を提供することを目的
とする。

【０００４】

【構成】本発明の液晶表示素子は、電圧印加による液晶
層の散乱性の変化によりもたらされる偏光解消機能の変
化を用いて、位相差板による複屈折色の発現を制御でき
ることを特徴とする液晶表示素子である。すなわち、本
発明の液晶表示素子は、１対の偏光板の間に設けられ、
液晶層が存在しないときに複屈折による着色を呈するよ
うにその遅相軸が配置された位相差板と、該位相差板と
前記１対の偏光基板の間に設けられ、印加電圧によって
光散乱状態と透明状態の間で光学特性が変化する液晶調
光層と、該液晶調光層を挾持する透明基板とを、少なく
とも構成要素として含む液晶表示素子に関する。本発明
になる１例の液晶表示素子の構成例を図１に示す。ガラ
スや樹脂板または樹脂フィルムなどの一対の透光性基板
１１，１２間に液晶調光層１３が挾持されて、液晶セル
１０が構成されている。１４，１５は液晶調光層に電圧
を印加するための画素電極である。液晶セル１０の外側
には偏光板２０，３０が配置され、液晶セルと少なくと
も一方の偏光板の間には位相差板４０が配置されてい
る。ただ本図のものは偏光板２０と位相差板４０との間
に液晶セル１０を設けたものであるが、さらに偏光板３
０と位相差板４０との間にも液晶セルを設けたものであ
っても良い。５０は冷陰極管や熱陰極管、分散型ＥＬ，
発光ダイオードなどの照明装置である。液晶調光層１３
としては散乱状態と透明状態間を外場で切り替えられる
方式であれば用いることができ、中でも、電場制御の動
的散乱方式（ＤＳＭ）、相転移方式（ＰＣ）、高分子分
散方式（ＰＤＬＣ）が代表的である。このうち、ＤＳＭ
方式は、誘電異方性が負の液晶にイオン性のドーパント
を加えたものを液晶層とし、電流による乱流によって散
乱状態を引き起こす方式であり、相転移方式は誘電異方
性が正のコレステリック液晶を液晶層とし、電圧印加に
よるコレステリック相のフォーカルコニック組織からネ
マティック相のホメオトロピック配向への相変化を利用
したものである。ＰＤＬＣは高分子からなる多孔膜中に
液晶を独立相または連続相として微細形状に分散させた
構造を用いたものである。本発明は原理上散乱モードで
あればどのような方式をも用いることができるが、比較
的低電圧で駆動できる点や応答速度が速い点、アクティ
ブ駆動を行う際に高い保持率が得られる点などから、高
分子分散型の液晶表示モードを特に好ましく用いる。

【０００５】本発明になる液晶表示素子の作用を図２を
用いて説明する。本例では、図３のように上下の偏光板
の透過軸（２０Ｔ，３０Ｔ）を平行とし、位相差板のレ
ターデーションを５５０ｎｍとし、位相差板の遅相軸
（４０Ｚ）を偏光板の透過軸から４５°回転させて配置
した。照明光色は白色とした。照明装置５０を出たラン
ダム偏光Ｌ１は偏光板２０によって直線偏光Ｌ２とな
り、液晶セル１０に入射する。液晶層が透明状態の時、
入射光の偏光状態は変化せずに直線偏光のまま液晶セル
を出射し（Ｌ３ａ）、位相差板４０に入射する。位相差
板４０を通過することにより光は位相差板のレターデー
ションと波長によって定まる楕円偏光となって出射する
（Ｌ４ａ）。光Ｌ４ａは偏光板３０を通過する際に波長
ごと偏光状態に応じた強度で出射するため着色光Ｌ５ａ
となって出射する。本例の場合には、緑色の複屈折色が
観察される。一方、液晶層が散乱状態にあるとき、直線
偏光Ｌ２は液晶セル１０によって偏光解消されてランダ
ム偏光（Ｌ３ｂ）として出射する。ランダム偏光Ｌ３ｂ
は位相差板４０を通過した後も波長によらずランダム偏
光のまま偏光板３０に到達する。このため、偏光板通過
後の光は白色光となる。前記位相差板は、一般には面内
で屈折率に異方性を有する光学素子で、通常延伸した透
明高分子フィルムが用いられる。該フィルムとしては、
例えばポリカーボネート、トリアセチルセルロース、ポ
リエステル、ポリビニルアルコールなどの延伸フィルム
が挙げられる。本発明で使用する位相差板のレターデー
ションは１５０〜１３５０ｎｍの範囲にあるものが好ま
しく、さらに好ましくは２００〜１２００ｎｍの範囲に
あるものである。位相差板のレターデーションが１５０
ｎｍ未満で、小さい場合には、白ないし黒色となってし
まいカラー表示が不可能となり、１３５０ｎｍを越えて
大きい場合には、白色となってしまい、同様にカラー表
示が不可能となる。前記位相差板の遅相軸（注：遅相軸
とは、位相差板の光速度の最も遅い方向、換言すると屈
折率の最も大きい方向）は、液晶セルを取り除いた時
に、位相差板の複屈折による着色が生ずるように配置す
ることが必要で、鮮明な色表示を行うためには好ましく
は偏光板の透過軸ないし吸収軸と位相差板の遅相軸が３
０°から６０°、より好ましくは３５°から５５°の範
囲となるように設定することが必要である。

【０００６】平行配置した位相差板による色付きは図４
の色度図に示すように位相差板のレターデーションによ
り調整可能である。また、２つの偏光板の配置を透過軸
が直行するように配置した場合には図５の色度図のよう
に平行配置の場合の補色が得られる。両図からわかるよ
うにレターデーションは１５０ｎｍ〜１３５０ｎｍの範
囲であることが好ましい。この範囲以下では白色となっ
てしまったり、さらに小さい場合には非常に暗くなって
しまう。またこの範囲以上であると色純度が低下した
り、さらに大きい場合には白色となってしまう。以上の
説明から明らかなように、本発明になる液晶表示素子は
カラーフィルターを用いずに色表示を行わせるため、従
来のカラーフィルターを用いる方式のようなフィルター
による光損失は全くなく、きわめて明るい表示が可能と
なる。前記の例では単一種の位相差板を用い、白と一種
類の着色状態間の表示を行わせるものであるが、図６の
様に異なるレターデーションを有する複数の位相差板を
画素に対応させて素子内に並列配置する事により一つの
素子内で複数の色を表示させることもできる。たとえ
ば、位相差板４１に３５０ｎｍのレターデーションのも
のを、位相差板４２に６００ｎｍのレターデーションの
ものを用いることにより青と黄緑の２色の表示が可能と
なる。また、複数の位相差板を微細化し並列配置するこ
とにより、各色の加法混色によりマルチカラー表示を行
わせることもできる。前記の例では観察者側に位相差板
を設けたが、位相差板と液晶セルの位置関係は逆であっ
ても良い。また、位相差板としては、前記の例の様に１
枚用いても良いし、複数枚用いても良い。複数枚用い、
遅相軸をずらして配置した場合には着色時のスペクトル
の幅を広げられたり、レターデーションが大きい場合の
長波長側の複屈折色と短波長側の複屈折色の混色が避け
られる等の利点がある。同様の理由により略一軸配向性
のものではなく、厚み方向で配向方向が連続的に変化し
たねじれ配向した位相差板をも好ましく用いる。以上の
説明においては、いずれも照明を設けた場合について説
明したが、照明の代わりに光反射板を設け反射型として
用いることもできる。ただし、明るい白を発現させるた
めには照明手段を設けることが好ましい。

【０００７】

【実施例】

実施例１ 透明電極を有し垂直配向が施された一対のガラス基板を
配向処理面が対向するように８μｍのスペーサーを介し
て重ね合わせ、空隙にメルク社製のネマティック液晶Ｂ
Ｌ００２とカイラルネマティック液晶Ｓ８１１の混合液
晶（Ｓ８１１濃度：４．４重量％）がガラス板偏光板の
間に設けられ、液晶層が存在しないときに複屈折による
着色注入し、相転移型の液晶セルを作製した。このセル
を用いて、観察側から見て偏光板、位相差板、液晶セ
ル、偏光板、拡散反射板の順に重ね合わせた。上下の偏
光板の吸収軸は平行又は直交とし、位相差板の遅相軸は
偏光板の吸収軸と４５°の角度を成すように配置した。
位相差板にはポリカーボネートの延伸フィルムを用い
た。この液晶表示素子は４Ｖの電圧印加で灰色がかった
白色となり、１５Ｖの印加で位相差板の複屈折色が表１
のように表示された。色純度としては１５０ｎｍ〜１３
５０ｎｍの範囲が優れていた。

【表１】 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 偏光板配置 位相差板のレターデーション 色調 ｎｍ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 平行 １５０ 暗い黄色 ２００ 黄 ３５０ 青 ５５０ 緑 ８５０ 青 ９５０ 青緑 １３００ 紫 １４００ 薄紫 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 直行 １５０ 薄青 ４００ 黄 ４７０ 橙 ５５０ 紫 ６２０ 青 ８００ 緑 １０００ 橙 １２００ 青紫 １４００ 薄い黄色 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

【０００８】実施例２ 透明電極を有する一対のガラス基板を配向処理面が対抗
するように７μｍのスペーサーを介して重ね合わせ、空
隙に２−エチルヘキシルカルビトールアクリレート、ト
リプロピレングリコールジアクリレート、ベンゾインプ
ロピルエーテル、メルク社製液晶ＢＬ０４６の混合組成
物（重量比で１２／１２／１／７５）を注入し、紫外線
照射を行うことにより高分子分散型の液晶表示素子を作
製した。この液晶セルを用いて実施例１と同様に液晶表
示素子を作製した。この素子は電圧無印加時には灰色が
かった白色となり、電圧印加によって表１と同様な色を
呈した。ただし本例の場合には色表示を行わせるための
電圧は５Ｖと低く、実施例１では観察されたヒステリシ
ス特性も観察されなかった。応答速度は４０ｍｓｅｃで
あり、この点でも実施例１（１００ｍｓｅｃ）より優れ
ていた。

【０００９】実施例３ 実施例２において拡散反射板の代わりに、光拡散板を上
部に有し熱陰極管を光源とする照明装置を用い、素子を
透過型として用いた。この場合には、発色がより鮮やか
となり、白は純白となってきわめて鮮やかな表示が得ら
れた。

【００１０】実施例４ 実施例３において、液晶セルの電極を３分割し、画素に
対応する位置４００ｎｍ，５５０ｎｍ，６２０ｎｍの３
種の位相差板を配置した。この素子は電圧無印加時には
白色で、電圧を印加する画素に応じて、青、緑、赤の表
示が行えた。

【００１１】

【効果】本発明の液晶表示素子は、散乱型の液晶セルに
よる偏光解消と、位相差板による複屈折を利用したもの
であり、従来のカラー液晶表示素子のようなカラーフィ
ルターを必要としない。そのため、きわめて明るい表示
が行える。また、位相差板のレターデーションを最適化
することにより、高い色純度のカラー表示が可能とな
る。また、レターデーションの異なる位相差板を素子内
に並列配置する事により、複数の色を表示することが可
能となり、多彩な表示ができる。さらに液晶調光層とし
て高分子分散型の液晶調光層を用いた場合には、低電圧
で動作させることができ、応答が速い表示素子が得られ
る。また、本調光層を用いてアクティブ駆動を行う場合
には、表示色の多彩さとともに大容量表示が可能とな
り、情報表示デバイスとしての広い用途を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示素子の１例の構成を模式的に
示す図である。

【図２】図１に示す液晶表示素子の作用を説明した図で
ある。

【図３】図１および図２に示す液晶表示素子の偏光板の
透過軸と位相差板の遅相軸との配置関係を示す図であ
る。

【図４】位相差板による色付きが、位相差板のレターデ
ーションにより調整可能であることを示す色度図であ
る。

【図５】位相差板を平行配置した場合の色度図である。

【図６】異なるレターデーションを有する複数の位相差
板を画素に対応させて素子内に並列配置した液晶表示素
子である。

【符号の説明】

１０ 液晶セル １１ 透光性基板 １２ 透光性基板 １３ 液晶調光層 １４ 画素電極 １５ 画素電極 ２０ 偏光板 ３０ 偏光板 ４０ 位相差板 ４１ 位相差板（３５０ｎｍのレターデーションのも
の） ４２ 位相差板（６００ｎｍのレターデーションのも
の） ５０ 照明装置 ｘ ＣｌＥのｘｙ色度図におけるｘ ｙ ＣｌＥのｘｙ色度図におけるｙ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−134322（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−212928（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−225322（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−280015（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−51659（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13363 G02F 1/1335 G02F 1/1334 G02F 1/137

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １対の偏光板の間に設けられ、液晶層が
   存在しないときに複屈折による着色を呈するようにその
   遅相軸が配置された位相差板と、該位相差板と前記１対
   の偏光基板の間に設けられ、印加電圧によって光散乱状
   態と透明状態の間で光学特性が変化する液晶調光層と、
   該液晶調光層を狭持する透明基板とを、少なくとも構成
   要素として含む液晶表示素子。
2. 【請求項２】 位相差板が、偏光板の透過軸あるいは吸
   収軸と位相差板の遅相軸が３０°から６０°の範囲とな
   るように設定されたものである請求項１記載の液晶表示
   素子。
3. 【請求項３】 位相差板のレターデーションが１５０ｎ
   ｍ〜１３５０ｎｍの範囲のものである請求項１または２
   記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】 位相差板として、レターデーションの異
   なる複数の位相差板を並列配置したものである請求項
   １、２または３記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】 複数の位相差板が、その遅相軸が互いに
   相違するものである請求項４記載の液晶表示素子。
6. 【請求項６】 液晶調光層が液晶とポリマーとから形成
   された微細な分散構造物である請求項１、２、３、４ま
   たは５記載の液晶表示素子。