JP3858581B2 - 液晶装置及び電子機器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶装置、特に反射表示と透過表示を切り替えて表示することが出来る半透過反射型液晶装置に関する。また、この液晶装置を用いた電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
外光を利用して表示を行う反射型液晶装置は、暗い場所で表示を認識することができない。従って、補助光源を備えた半透過反射型として利用されることが多い。近年急速に普及が進んでいる反射型カラー液晶装置も、その多くは例えば国際公開された国際出願(国際出願の番号:WO99/40480)に開示されているように、半透過反射型カラー液晶装置として利用されている。
【0003】
従来の半透過反射型液晶装置の構成について、図8に基づいて説明する。801は第1偏光板、802は第1位相差板、803は第2位相差板、804は液晶セル、805は第3位相差板、806は第2偏光板、807はバックライトである。液晶セル804は、第1基板811と第2基板812、液晶813、第1基板内面に設けられた走査電極814、第2基板内面に設けられた信号電極を兼ねる半透過反射板815とからなる。またバックライト807は、導光板821と反射板822、光源823とからなる。
【0004】
次に、図9に基づいて従来の半透過反射型液晶装置の動作原理を説明する。図9において、901は第1偏光板、902は第1位相差板、903は第2位相差板、904は液晶、905は半透過反射板、906は第3位相差板、907は第2偏光板、908は導光板、909は反射板である。また、911は液晶のオン領域であり、912は液晶のオフ領域である。オン領域では液晶に選択電圧が印加され、チルト角、即ち液晶分子が基板表面となす角度が大きくなっている。一方、オフ領域では液晶に非選択電圧が印加され、チルト角が小さくなっている。
【0005】
まず反射表示について説明する。外光921は、第1偏光板によって直線偏光に変換され、第1位相差板、第2位相差板、液晶を通って、オン領域では円偏光に、オフ領域では直線偏光に変換される。その後、半透過反射板で反射されて液晶、第2位相差板、第1位相差板を通って、オン領域では入射偏光と直交する直線偏光に変換されて偏光板に吸収され黒表示931に、オフ領域では入射偏光と平行な直線偏光に変換されて偏光板を透過し白表示932になる。
【0006】
次に透過表示について説明する。バックライト光源922から出た光は、導光板中で全反射を繰り返しながら、導光板に刻まれたシボ等(図示せず)によって散乱されて液晶セル側に出射する。この光は第2偏光板で直線偏光に、さらに第3位相差板によって円偏光に変換される。この円偏光を、反射表示で液晶のオン領域に入射した外光が半透過反射板によって反射された際の円偏光と同じ回転方向、例えば右回りの円偏光になるよう設定しておくことによって、オン領域で黒を、オフ領域で少し暗めの白を表示することが出来るようになる。一方、半透過反射板で下方に反射された円偏光は左回りの円偏光になり、第3位相差板によって直線偏光に戻された後、第2偏光板で吸収される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の半透過反射型カラー液晶装置には、透過率が低いという課題があった。これは、先に説明したように半透過反射板で反射したバックライトの光が、第3位相差板による偏光変換により、第2偏光板で吸収されてしまうことに原因があった。半透過反射板の透過率は、5〜15%程度に過ぎないから、実に85〜95%の光が無駄になっている計算になる。
【0008】
そこで本発明においては、散乱偏光板を備えたバックライトを利用することによって、半透過反射板を反射される光をリサイクルして光の利用効率を向上し、透過率が高い半透過反射型液晶装置を提供することを目的とする。
【0009】
【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が講じた手段は、以下の通りである。
【0010】
本発明による液晶装置は、一対の基板間に液晶を挟持してなる液晶セルと、前記液晶セルの内側に配置され、前記液晶側から入射した光を反射する半透過反射板と、前記液晶セルの外側に配置された導光板と、前記液晶セルと前記導光板との間に配置された位相差板と、前記導光板と前記位相差板との間に配置された散乱偏光板と、前記導光板の前記散乱偏光板が配置された側と反対側に配置された反射板と、を備えた液晶装置において、前記位相差板は、前記半透過反射板において前記液晶側から入射した光が反射されたときの円偏光の回転方向と同じ回転方向の円偏光を前記液晶セルの側に出射するとともに、前記半透過反射板によって前記導光板側に反射された円偏光を直線偏光に変換して前記散乱偏光板を透過させることを特徴とする。また、前記位相差板は、4分の1波長板であることを特徴とする。あるいは、また、前記位相差板は、4分の1波長板と2分の1波長板とを有して構成されていることを特徴とする。散乱偏光板とは、所定の直線偏光成分を散乱し、それ以外の偏光成分を透過する機能を有する偏光板である。また位相差板は、これに入射する直線偏光を概ね円偏光に変換する機能を有し、少なくとも1枚の4分の1波長板を含む構成が望ましい。また散乱偏光板は導光板に接着しておくことが望ましい。上記構成によれば、散乱偏光板によって導光体から直線偏光が取り出され、位相差板によって円偏光に変換されて半透過反射板に入射する。半透過反射板で反射された光も、反射板で反射されてリサイクルされる。この間に光を吸収する部材が無いため、光の多くが半透過反射板を透過し、従来よりも明るい透過表示が得られるという効果を有する。
【0011】
また、本発明による液晶装置は、前記導光板と前記反射板との間には、更に位相差板が備えられていることを特徴とする。また、前記導光板と前記反射板との間に配置された前記位相差板は、前記導光板側から入射した直線偏光を、90度旋光させた直線偏光として再び前記導光板側に出射することを特徴とする。この位相差板も、これに入射する直線偏光を概ね円偏光に変換する機能を有し、少なくとも1枚の4分の1波長板を含む構成が望ましい。また、特に上記の液晶装置においては、反射板が鏡面に近い反射面を持ち、偏光を乱さないことが望ましい。上記構成によれば、半透過反射板で反射された光が、同じ偏光状態に戻されてリサイクルされるため、明るくコントラストの高い透過表示が得られるという効果を有する。
【0012】
また、本発明による電子機器は、上記のいずれかに記載の液晶装置を搭載したことを特徴とする。上記構成によれば、電池寿命が長く、かつ表示が見やすい携帯用電子機器が提供出来るという効果を有する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0014】
(第1の実施の形態)
図1は本発明に係る液晶装置の構造を示す図である。第1の実施の形態では特に単純マトリクス型の液晶装置を例に説明するが、同様の構成をアクティブマトリクス型の装置に適用することも可能である。
【0015】
図1に基づいて構成を説明する。101は偏光板、102は第1位相差板、103は第2位相差板、104は液晶セル、105は第3位相差板、106はバックライトである。液晶セル104は、第1基板111と第2基板112、液晶113、第1基板内面に設けられた走査電極114、第2基板内面に設けられた信号電極を兼ねる半透過反射板、あるいは信号電極とは別体でこれに近接した半透過反射板115とからなる。またバックライト106は、導光板121と、導光板121の液晶セル104側の面に配置された散乱偏光板122、導光板121の散乱偏光板122が配置される面とは反対側の面に配置された反射板123、光源124とからなる。
【0016】
なお図示した構成要素以外にも、液晶配向膜や上下ショート防止膜、オーバーコート層、スペーサーボール、シール剤、ブラックマスク、アンチグレア膜、液晶ドライバーIC、駆動回路等の要素が必要な場合があるが、これらは図を煩雑にするばかりで、本発明の特徴を説明する上で特に必要が無いため、説明及び図示を省略した。通常に用いられている要素が利用されているものと、理解して欲しい。
【0017】
次に各構成要素について説明する。偏光板101は、所定の直線偏光成分を吸収し、それ以外の偏光成分を透過する機能を有する偏光板であり、例えばヨウ素錯体などの二色性物質をポリビニルアルコールフィルムなどに吸着させ、延伸することによって得られる。また散乱偏光板122は、所定の直線偏光成分を散乱し、それ以外の偏光成分を透過する機能を有する偏光板であり、特開平11-174231号公報や特開平11-509014号公報、特表2000-506989号公報、特表2000-506990号公報に開示されているように、等方性ポリマー中に複屈折性ポリマー粒を分散させた構造を有するものなどが利用できる。
【0018】
第1位相差板102と第2位相差板103、第3位相差板105には、ポリカーボネート樹脂や、分子内に極性基を有するノルボルネン系樹脂の延伸フィルム、あるいは高分子液晶フィルム等が利用できる。第3位相差板は本発明に不可欠の要素であるが、第1位相差板と第2位相差板は、液晶の複屈折による着色を補償するために利用されるものであって、1枚だけ用いても良いし、省略しても良い。第3位相差板は、直線偏光を概ね円偏光に変換する機能を有するものであって、例えば120〜180nm程度のリターデーションを有する4分の1波長板や、あるいは4分の1波長板と2分の1波長板の積層品などが適している。
【0019】
第1基板111と第2基板112には、ガラス基板またはプラスチック基板が利用できる。但し本発明の液晶装置は、反射表示ばかりでなく透過表示も行うため、両基板は少なくとも可視光の一部の波長領域で透明でなければならない。
【0020】
液晶113は、0°〜300°ねじれたネマチック液晶組成物から成る。ねじれ角は第1・第2基板における配向処理の方向と、液晶に添加するカイラル剤の分量で決定する。
【0021】
走査電極114は、ストライプ状の透明電極、例えばITOからなる。但し、アクティブマトリクス型の液晶装置の場合には、走査電極が第2基板側に設けられ、第1基板側には全面にITOの共通電極を設けるか、さもなくば電極を設けないことになる。
【0022】
半透過反射板115には、一般的にパール顔料を樹脂中に分散させたフィルムが利用されているが、これを液晶セル内に作り込むことは難しい。そこで図2(a)(b)(c)に示す3つの方法を考案した。もちろん半透過反射板を得る方法はこれに限定されるわけではなく、これらから派生した別の構造を取っても良い。
【0023】
図2(a)において、201は第2基板上に設けられた信号電極を兼ねる半透過反射板、202は第1基板上に設けられたITOからなる走査電極であり、両者が交差する領域が画素領域(ドット)である。201のハッチング領域は厚さ200ÅのAlスパッタ膜であり、約8%の光を透過し、残りの光を反射する半透過反射板として機能する。
【0024】
また図2(b)において、203は第2基板上に設けられた信号電極を兼ねる半透過反射板、202は第1基板上に設けられたITOからなる走査電極である。203のハッチング領域は厚み2000ÅのAlスパッタ膜であり、光をほとんど透過しないが、2μm幅のスリット204を複数設けているために、そのスリット領域に入射した光が透過する。スリット領域204の液晶は、対向する走査電極との間に生じる斜め電界によってAl膜上の領域とほぼ同じように動作するため、透過表示が可能である。但し、スリット幅が1μm変動するごとに、透過表示のしきい値電圧が約0.04V変動するため、特に単純マトリクス駆動では、スリット幅を厳密に制御する必要がある。
【0025】
図2(c)は信号電極と半透過反射板を別体にした例であって、205は第2基板上に設けられた半透過反射板、207は205の全面を覆うように設けられたITOからなる信号電極、202は第1基板上に設けられたITOからなる走査電極である。205のハッチング領域はやはり厚み2000ÅのAlスパッタ膜であり、光をほとんど透過しないが、開口部206を設けているために、その領域の光が透過する。また205上にSiO2絶縁膜を介してITOからなる信号電極207を被せているために、開口部206の液晶も正常に動作し、透過表示が可能である。
【0026】
再び図1に戻って、各構成要素について説明する。
【0027】
バックライト106は、導光板121と光源124を組み合わせた構造で、導光板の上面には散乱偏光板122が光学接着されている。さらにその上に、拡散板や集光プリズムを積層してもよい。また導光板の裏面には金属薄膜あるいは誘電体多層膜からなる反射板を配置する。光源には冷陰極管やLEDが利用できる。
【0028】
なお、特に図示しなかったがカラー表示を得るためには、各ドットに対応してカラーフィルタを設けておく必要がある。また、半透過反射板が鏡面反射する場合には、偏光板101と半透過反射板115との間に前方散乱板を備えておく必要がある。前方散乱板としては、屈折率が異なる2種類の微小領域から構成されるフィルムが利用できる。半透過反射板が散乱反射する場合には、前方散乱板を省略することが出来る。
【0029】
次に図3に基づいて、本実施例の液晶装置のセル条件を説明する。図3において、積層された5枚の長方形は、上から順に第1偏光板、第1・第2位相差板、液晶セル、第3位相差板、散乱偏光板の各層を示し、各長方形上に描いた矢印によってその軸方向を示した。
【0030】
第1偏光板の吸収軸方向301は、パネル長手方向に対して左35.5度である。第1位相差板の遅延軸方向302は、パネル長手方向に対して左102.5度であり、そのリターデーションは455nmである。第2位相差板の遅延軸方向303は、パネル長手方向に対して左48.5度であり、そのリターデーションは544nmである。液晶セルの第1基板のラビング方向304は、パネル長手方向に対して右37.5度である。液晶セルの第2基板のラビング方向305は、パネル長手方向に対して左37.5度である。液晶は、第1基板から第2基板に向かって左周りに255度ツイストしている。また液晶の複屈折Δnとセルギャップdの積は0.90μmである。第3位相差板の遅延軸方向306は、パネル長手方向に対して右0.5度であり、そのリターデーションは140nmである。散乱偏光板の散乱軸方向307は、パネル長手方向に対して左139.5度である。
【0031】
次に、図4に基づいて本実施例の液晶装置の動作原理を説明する。図4において、401は偏光板、402は第1位相差板、403は第2位相差板、404は液晶、405は半透過反射板、406は第3位相差板、407は散乱偏光板、408は導光板、409は反射板である。また、411は液晶のオン領域、412は液晶のオフ領域である。
【0032】
反射表示の動作については従来の技術と同様である。外光421は、偏光板401によって直線偏光に変換され、第1位相差板402、第2位相差板403、液晶404を通って、オン領域411では円偏光に、オフ領域412では直線偏光に変換される。その後、半透過反射板405で反射されて液晶、第2位相差板、第1位相差板を通って、オン領域は黒表示431に、オフ領域は白表示432になる。
【0033】
次に透過表示について説明する。バックライト光源422から出た光は、導光板中で全反射を繰り返しながら、散乱偏光板の散乱軸に平行な偏光成分のみ散乱されて液晶セル側に出射する。散乱偏光板の散乱軸に直交する偏光成分も、散乱偏光板や導光板のリターデーションによって偏光状態を変えつつ、いずれは散乱偏光板で散乱されて出射する。こうして液晶セル側に出射した直線偏光は、第3位相差板によって円偏光に変換される。この円偏光を、反射表示で液晶のオン領域に入射した外光が半透過反射板によって反射された際の円偏光と同じ回転方向になるよう設定しておくことによって、オン領域で黒を、オフ領域で少し暗めの白を表示することが出来るようになる。一方、半透過反射板で下方に反射された円偏光は、反射板で反射されて、再び半透過反射板に戻ってくる。これを何度か繰り返す内に、バックライト光の大部分が半透過反射板を透過することが出来る。
【0034】
上述したような本実施例の構成によれば、従来の4倍近い透過率を有する半透過反射型液晶装置を提供することができる。逆にその分の半透過反射板の透過率を小さくすることによって、従来よりも反射表示が明るい半透過反射型液晶装置を提供することもできる。
【0035】
(第2の実施の形態)
次に、本発明に係る第2の実施の形態である液晶装置について説明する。先に説明した第1の実施の形態の液晶装置では、透過表示が明るくなったが、コントラスト的には十分でなかった。そこで本実施形態の液晶装置は、さらに位相差板を導光板と反射板との間に備えることによって、コントラストの高い反射表示を得ようとするものである。
【0036】
図5は本発明に係る第2の実施の形態である液晶装置の構造を示す図である。ここでは、特に単純マトリクス型のカラー液晶装置を例に説明する。501は偏光板、502は第1位相差板、503は第2位相差板、504は液晶セル、505は第3位相差板、506はバックライトである。液晶セル504は、第1基板511と第2基板512、液晶513、第1基板内面に設けられた走査電極514、第2基板内面に設けられた信号電極を兼ねる半透過反射板515、マイクロカラーフィルタ516とからなる。またバックライト506は、導光板521と、導光板521の液晶セル504側の面に配置された散乱偏光板522、導光板521の散乱偏光板522が配置される面とは反対側の面に配置された第4位相差板523、反射板524、光源525とからなる。
【0037】
次に各構成要素について説明する。第4位相差板524は、第3位相差板と同様、直線偏光を概ね円偏光に変換する機能を有しており、ポリカーボネート樹脂の延伸フィルム等による4分の1波長板が利用できる。バックライトの反射板524は、金属あるいは誘電体多層膜からなり、偏光を乱さない鏡面反射を有するものが望ましい。カラーフィルタ516は、反射でも明るい表示を得るために、透過型カラー液晶装置で用いられているタイプよりも透過率が高く、色の淡いものを利用した。必要に応じてブラックマスクを設けても良い。またこのカラーフィルタは、第2基板側の半透過反射板上に設けることも出来る。その他の諸要素は、第1の実施の形態と同様のものを利用した。
【0038】
次に、図6に基づいて本実施例の液晶装置の動作原理を説明する。図6において、601は偏光板、602は第1位相差板、603は第2位相差板、604は液晶、605は半透過反射板、606は第3位相差板、607は散乱偏光板、608は導光板、609は第4位相差板、610は反射板である。また、611は液晶のオン領域、612は液晶のオフ領域である。
【0039】
反射表示の動作については従来の技術と同様である。外光621は、偏光板によって直線偏光に変換され、第1位相差板、第2位相差板、液晶を通って、オン領域では円偏光に、オフ領域では直線偏光に変換される。その後、半透過反射板で反射されて液晶、第2位相差板、第1位相差板を通って、オン領域は黒表示631に、オフ領域は白表示632になる。
【0040】
次に透過表示について説明する。バックライト光源622から出た光は、導光板中で全反射を繰り返しながら、散乱偏光板の散乱軸に平行な偏光成分のみ散乱されて液晶セル側に出射する。散乱偏光板の散乱軸に直交する偏光成分も、散乱偏光板や導光板のリターデーションによって偏光状態を変えつつ、いずれは散乱偏光板で散乱されて出射する。液晶セル側に出射した直線偏光は、第3位相差板によって反射表示のオン領域と同じ回転方向、例えば右回りの円偏光に変換される。こうして半透過反射板を透過した光は、オン領域で黒を、オフ領域で少し暗めの白を表示する。一方、半透過反射板で下方に反射された光は左回り円偏光となり、第3位相差板によって当初バックライトから出射した直線偏光に直交する直線偏光に変換されるが、第4位相差板と反射板によって90度旋光されて、再び第3位相差板で右回り円偏光に変換されて半透過反射板に到達する。これを何度か繰り返す内に、バックライト光の大部分が、右回り円偏光として半透過反射板を透過することが出来る。
【0041】
上述したような本実施例の構成によれば、従来の4倍近い透過率を有し、かつコントラストが高い半透過反射型カラー液晶装置を提供することができる。
【0042】
(第3の実施の形態)
次に、本発明に係る第3の実施の形態とする電子機器の例を3つ示す。本発明の液晶装置は、様々な環境下で用いられ、かつ低消費電力が必要とされる携帯機器に適している。
【0043】
図7(a)は携帯電話であり、本体701の前面上方部に表示部702が設けられる。携帯電話は、屋内屋外を問わずあらゆる環境で利用される。特に自動車内で利用されることが多いが、夜間の車内は大変暗い。従って携帯電話に利用される表示装置は、消費電力が小さい反射型表示をメインに、必要に応じて補助光を利用した透過型表示ができる半透過反射型液晶装置が望ましい。本発明の液晶装置は、特に透過型表示が従来の液晶装置よりも明るく、かつコントラストが高いため、大変視認しやすい。
【0044】
図7(b)はウォッチであり、本体703の中央に表示部704が設けられる。ウォッチ用途における重要な観点は、消費電力の低さである。本発明の液晶装置を用いれば、消費電力の小さな暗いバックライト光源を用いても従来同様の透過表示の明るさが確保できるため、電池寿命の長いウォッチが実現出来る。
【0045】
図7(c)は携帯情報機器であり、本体705の上側に表示部706、下側に入力部707が設けられる。従来このような携帯情報機器には、反射型モノクロ液晶装置を利用することが多かった。透過型カラー液晶装置は、常時バックライトを利用するため消費電力が大きく、連続使用時間が短いからである。このような場合にも本発明の実施形態2のような半透過反射型カラー液晶装置を利用すれば、小さな消費電力でカラーの表示が可能で、従来より格段に使いやすい携帯情報機器が得られる。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、散乱偏光板を備えたバックライトを利用することによって、半透過反射板を反射される光をリサイクルして光の利用効率を向上し、透過率が高い半透過反射型液晶装置を提供することができる。また、リサイクルによって透過率が向上した分だけ半透過反射板の透過率を小さくすることによって、従来よりも反射率が高い半透過反射型液晶装置を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における液晶装置の構造を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態における液晶装置の半透過反射板の構造を示す図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態における液晶装置のセル条件を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態における液晶装置の動作原理を説明する図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態における液晶装置の構造を示す図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態における液晶装置の動作原理を説明する図である。
【図7】本発明の第3の実施の形態における電子機器の外観を示す図である。(a)携帯電話、(b)ウォッチ、(c)携帯情報機器。
【図8】従来の技術における液晶装置の構造を示す図である。
【図9】従来の技術における液晶装置の動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
101、501 偏光板
102、502 第1位相差板
103、503 第2位相差板
104、504 液晶セル
105、505 第3位相差板
106、506 バックライト
111、511 第1基板
112、512 第2基板
113、513 液晶
114、514 走査電極
115、515 信号電極を兼ねる半透過反射板、あるいは信号電極と近接した半透過反射板
516 カラーフィルタ
121、521 導光板
122、522 散乱偏光板
123、523 反射板
523 第4位相差板
124、525 光源
Claims (6)
- 一対の基板間に液晶を挟持してなる液晶セルと、
前記液晶セルの内側に配置され、前記液晶側から入射した光を反射する半透過反射板と、
前記液晶セルの外側に配置された導光板と、
前記液晶セルと前記導光板との間に配置された位相差板と、
前記導光板と前記位相差板との間に配置された散乱偏光板と、
前記導光板の前記散乱偏光板が配置された側と反対側に配置された反射板と、
を備えた液晶装置において、
前記位相差板は、前記半透過反射板において前記液晶側から入射した光が反射されたときの円偏光の回転方向と同じ回転方向の円偏光を前記液晶セルの側に出射するとともに、前記半透過反射板によって前記導光板側に反射された円偏光を直線偏光に変換して前記散乱偏光板を透過させることを特徴とする液晶装置。 - 前記位相差板は、4分の1波長板であることを特徴とする請求項1記載の液晶装置。
- 前記位相差板は、4分の1波長板と2分の1波長板とを有して構成されていることを特徴とする請求項1記載の液晶装置。
- 前記導光板と前記反射板との間には、更に位相差板が備えられていることを特徴とする請求項1記載の液晶装置。
- 前記導光板と前記反射板との間に配置された前記位相差板は、前記導光板側から入射した直線偏光を、90度旋光させた直線偏光として再び前記導光板側に出射することを特徴とする請求項4に記載の液晶装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の液晶装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
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