(57)【要約】【課題】  良好なコントラスト比が確保できると共に、動画像表示の際の色再現性の低下を防ぐことのできる液晶表示素子を提供する。【解決手段】  少なくとも透明電極５４を備えた第１の基板Ｂと、反射機能を有する電極５８を備えた第２の基板Ａとの間に光学的に一軸性の配向をなす液晶層５６を挟持すると共に、第１の基板上に位相差板５２を配置し、さらに位相差板上に偏光板５１を配置する。そして、偏光板５１の光学軸と位相差板５２の遅相軸を角度θとし、かつ偏光板５１の光学軸と液晶層５６の光学軸との角度を２θ＋４５°とすることにより、黒表示時の光抜けをなくすようにする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な第１の基板と、反射機能を備えた第２の基板との間に光学的に一軸性の配向をなす液晶を挟持し、前記液晶のリタデーションを変化させて表示を行う液晶表示素子において、
前記第１の基板上に配置された位相差板と、
前記位相差板上に配置された偏光板と、
を備え、
前記偏光板の光学軸と前記位相差板の遅相軸との角度をθとしたとき、前記偏光板の光学軸と前記一軸性の配向をなす液晶の光学軸との角度が２θ＋４５°であることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記位相差板のリタデーションの総和が２２０ｎｍから２８０ｎｍであり、かつ液晶層のリタデーションの可変範囲に１１０ｎｍから１４０ｎｍを含むことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記液晶は、ベンド配向をなすネマティック液晶であることを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記角度θを、２２．５°とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
前記液晶の複屈折による干渉色を用いてカラー表示を行うことを特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子に関し、特に少なくとも透明電極を備えた第１の基板と、反射機能を有する電極を備えた第２の基板との間に液晶を挟持した反射型の液晶表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ネマティック液晶表示素子において、一つ一つの画素にトランジスタ（例えば薄膜トランジスタ／ＴＦＴ）のような能動素子を配置した、アクティブマトリクスといわれる液晶表示素子の開発が行われている。現在、このアクティブマトリクス型の液晶表示素子に用いられるネマティック液晶のモードとして、ツイステッドネマチック（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モードが広く用いられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、最近では横方向電圧を利用したインプレインスイッチング（Ｉｎ−Ｐｌａｉｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードが発表されており、これによりツイステッドネマチックモード液晶ディスプレイの欠点であった視野角特性の改善がなされている。その他、上述したＴＦＴ等の能動素子を用いない、ネマティック液晶表示素子の代表例として、スーパーツイステッドネマティック（Ｓｕｐｅｒ  Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）モードがある。
【０００４】
また同一方向にラビング処理を行った、上下二枚の電極基板間にネマティック液晶を挟むことで形成されたスプレイ配向に電圧を印加してベンド配向に配向変化させることで応答時間を改善した方式が１９８３年にＢｏｓらによって発表されている（pセル）。またこのようなベンド配向セルに位相補償を行うことで視野角特性を改善した研究が１９９３年に内田等によって発表されている（ＯＣＢセル）。
【０００５】
またさらに、λ／４位相差板を備えた電界制御複屈折（ＥＣＢ）モードを有し、かつ電圧無印加時にベンド配向をとり電圧印加時にスプレイ配向をとる液晶セルに反射板を設けた、バックライトを有しない一枚偏光子型反射型液晶表示素子がある（特許文献１参照。）。
【０００６】
ところで、このような一枚偏光子型反射液晶表示素子は、視感度の高い５５０ｎｍ程度の光の波長に対しては良好な黒表示及び白表示が可能であるが、５５０ｎｍ付近以外の波長の光においては黒表示時の光り抜け及び白表示時の色ずれが生じるという問題がある。
【０００７】
図８は、このような従来の液晶表示素子の代表的な構成を示すものであり、外界からの光は偏光板１１の左側より入射し、この偏光板１１を通過した光は、例えばλ／４位相差板１２に入射する。そして、この位相差板１２を通過した光は、偏光板１１に対して傾いた直線偏光となり、この後、液晶パネル１３を通過して反射板１４に達する。なお、図８において、１５は、入射光の進行方向を示している。
【０００８】
ここで、液晶パネル１３の液晶層のリタデーションが０ｎｍのときに、黒表示状態となる。図９は、このような黒状態のときの波長と表示素子の反射率の関係を示すものであり、このとき、図９に示すように５５０ｎｍ以外の波長の光の反射率が０％とならないため、黒表示時の反射率が上がってしまいコントラスト比が悪化してしまうという問題が生じる。
【０００９】
そこで、このような問題を解決するために、偏光板及びλ／２の位相差を持つ位相差板を、λ／４の位相差を持つホモジニアス配向もしくは垂直配向を有する液晶パネル上に配置する構成が知られている（特許文献２参照。）。
【００１０】
【非特許文献１】エム・シャット（Ｍ．  Ｓｃｈａｄｔ）とダブリュー・ヘルフリッヒ（Ｗ．  Ｈｅｌｆｒｉｃｈ）著Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ第１８巻、第４号（１９７１年２月１５日発行）第１２７頁から１２８頁
【特許文献１】特開平０６−３３７４２１号公報
【特許文献２】特開２００１−６６５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、このようにホモジニアス配向あるいは垂直配向を用いた従来の液晶表示素子は、ある階調表示状態から別のある中間調表示状態へ遷移する際の応答速度が遅いため、特にカラーフィルターを用いず干渉によってカラー表示を行う液晶表示素子においては、液晶ダイレクタが応答している最中に目的とは異なる色が表示されてしまう。このため、良好なコントラスト比を確保することができず、特に動画表示状態において色再現性が低下するという問題点がある。
【００１２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、良好なコントラスト比が確保できると共に、動画像表示の際の色再現性の低下を防ぐことのできる液晶表示素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、透明な第１の基板と、反射機能を備えた第２の基板との間に光学的に一軸性の配向をなす液晶を挟持し、前記液晶のリタデーションを変化させて表示を行う液晶表示素子において、前記第１の基板上に配置された位相差板と、前記位相差板上に配置された偏光板と、を備え、前記偏光板の光学軸と前記位相差板の遅相軸との角度をθとしたとき、前記偏光板の光学軸と前記一軸性の配向をなす液晶の光学軸との角度が２θ＋４５°であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のように、第１の基板と第２の基板との間に光学的に一軸性の配向をなす液晶を挟持すると共に、偏光板の光学軸と位相差板の遅相軸を角度θとし、かつ偏光板の光学軸と前記一軸性の配向をなす液晶の光学軸との角度を２θ＋４５°とすることにより、黒表示時の光抜けをなくすことができる。これにより、良好なコントラスト比が確保できると共に、動画像表示の際の色再現性の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
まず本発明に係る反射型の液晶表示素子の基本的原理を、図１を用いて説明する。
【００１６】
ここで、図１において、３１は偏光板、３２は位相差板であり、この位相差板３２の遅相軸は、偏光板３１の光学軸に対して角度θの位置にある。また、３３は液晶パネル、３４は反射板である。なお、液晶パネル３３は、透明な第１の基板と反射層を持つ第２の基板とに液晶が挟持されており、第１または第２の基板は、少なくとも一方が一軸性の配向処理がなされているので、間に挟まれた液晶が配向して光学的異方性を生じる。ネマティック液晶を用いると、この異方性は１軸性となる。液晶パネル３３の遅相軸は位相差板３２を通過した直線偏光の方向に対して４５°の角度をもつようになっている。
【００１７】
なお、以下の説明では偏光板３１の光学軸の角度を基準に取り、これを０°とする。ここで、この光学軸とは偏光板３１の透過軸もしくは吸収軸のどちらでもよい。また、光の波長λは主に人間の視感度が高い５５０ｎｍ付近であるが、カラーフィルターを利用するなどカラー表示時においてはそれぞれの色の代表的な波長とする。またλ／２位相差板とは位相差板の持つリタデーション量がλ／２である位相差板のことであり、λ／４位相差板とはリタデーション量がλ／４である位相差板のことである。
【００１８】
ここで、このように構成された反射型液晶表示素子においては、図１に示すように、まず外界からの波長λの光は偏光板３１の左側より入射する。そして、この偏光板３１を通過した光は角度０°の直線偏光となりλ／２のリタデーション量を持つ位相差板３２に入射する。
【００１９】
なお、位相差板３２の遅相軸は、偏光板３１の光学軸に対して角度θの位置にあるので位相差板３２を通過した光は、偏光板３１に対して角度２θ傾いた直線偏光となる。また、この直線偏光が次に通過する液晶パネル３３の遅相軸は偏光板３１に対して角度２θ＋４５°の位置に配置されているので、液晶パネル３３の遅相軸は位相差板３２を通過した直線偏光の方向に対して４５°の角度をもつ。
【００２０】
ここで、液晶パネル３３のもつリタデーション量がλ／４である場合、液晶パネル３３を通過した光は円偏光となる。このとき最終的に表示素子より射出する光の強度は０となり黒表示状態になる。また、液晶パネル３３の持つリタデーション量がλ／２である場合、液晶パネル３３を通過した光は偏光板３１の光学軸に対して角度２θ＋９０°の直線偏光となる。このとき最終的に表示素子より出射する光の強度は最大値をとる。
【００２１】
以上は、光の波長がλであった場合の光スイッチングの挙動であるが、光の波長がλ以外の波長であった場合には、位相差板３２及び液晶パネル３３を通過した光は楕円偏光になる。次に、光の波長がλ以外の波長であった場合における光スイッチングの挙動について偏光解析の観点より説明する。
【００２２】
ここで、完全偏光した光をストークスベクトルで表し、これを極座標表示した際、すべての偏光状態が半径１の球上にのる。この球をポアンカレ球と呼ぶ（『応用光学』，  山口一郎：オーム社）。また一軸性複屈折媒質による偏光状態の変化はこの球上での点の移動で説明される。
【００２３】
図２は液晶パネル３３のリタデーション量がλ／４の場合の偏光状態の変化を示すポアンカレ球であり、偏光板３１を通過した波長λの光が次に位相差板３２を通過する場合、光は図２の０°の地点より位相差板３２の角度θの地点を中心とした円上を位相差板３２の位相差であるπラジアンだけ回転して２θの地点Ｐに移動する。これは位相差板３２を通過した光が２θの角度を持つ直線偏光になったことを意味する。
【００２４】
さらに、この光は液晶パネル３３を通過する際には液晶パネル３３の角度２θ＋４５°の点を中心として液晶パネル３３の位相差であるπ／２ラジアン回転し、地点Ｑに移動する。これは液晶パネル３３を通過した光が円偏光になったことを意味する。このとき、液晶表示素子は黒状態を呈する。
【００２５】
ここで、液晶表示素子としては光の波長がλ以外の波長であっても地点Ｑが、この点から動かなければ、良好な黒表示状態を実現できる。
【００２６】
次に、光の波長がλよりも小さい場合を考える。この場合、位相板３２の位相差はπラジアンよりも小さくなるので地点Ｐは図２中のａの方向にずれる。しかし、次に液晶パネル３３を通過する際、液晶パネル３３の位相差も図２中のａ’に示すようにπ／２ラジアンより小さくなっているため、結果として地点Ｑのずれ量を補償することが出来る。
【００２７】
光の波長がλよりも大きい場合を考える。この場合、位相板３２の位相差はπラジアンよりも大きくなるので地点Ｐは図２中のｂの方向にずれる。しかし、次に液晶パネル３３を通過する際、液晶パネル３３の位相差も図２中のｂ’に示すようにπ／２ラジアンより大きくなっているため、やはり地点Ｑのずれ量を補償することが出来る。
【００２８】
これらの原理により光の波長がλ以外であっても、位相差板３２の遅相軸を偏光板３１の光学軸に対して角度θとなる位置に配置すると共に液晶パネル３３の遅相軸を偏光板３１に対して角度２θ＋４５°の位置に配置することにより、液晶パネル３３の遅相軸は位相差板３２を通過した直線偏光の方向に対して４５°の角度をもつことができ、これにより液晶パネル３３を通過した光は円偏光を保つことができる。この結果、広い範囲の波長域において良好な黒状態を実現でき、コントラスト比が向上できる。
【００２９】
また白表示状態つまり液晶パネル３３のリタデーション量がλ／２の状態においても同様の原理によって良好な白表示状態つまりλ以外の波長においても反射強度の低下がない表示状態を実現できる。
【００３０】
ところで、シミュレーションの結果、良好な白表示と黒表示はトレードオフの関係にあることが判明した。つまり、角度θの値により黒表示状態が良好である場合と白表示状態が良好である場合に分かれることが判明した。
【００３１】
例えば、反射型液晶表示素子においては、白背景に黒文字を表示させる場合など、黒表示状態だけではなく白表示状態も重視する必要がある。そして、この観点からさらに白表示時の波長透過率特性と黒表示時の波長透過率特性の関係を調べると、位相差板３２の遅相軸と偏光板３１の光学軸との角度θが２２．５°である場合に人間の目にみやすい良好な表示状態となることが判明した。
【００３２】
また、液晶パネル３３中の液晶配向については、電界制御型複屈折モードであれば用いることが出来るが、前述した干渉色を用いたカラー表示にて動画表示を行う際の色再現性低下問題に着目し、図３に図示するベンド配向を用いるとさらによいことを見出した。ここで、このベンド配向とは図３に示すような上下の基板７１，７１のプレチルトが等しいものだけでなく、プレチルトが異なっている非対称配向も含む。また、どちらか一方のプレチルトが９０°つまり基板７１，７１に対して垂直な状態であってもよい。
【００３３】
次に本発明の最良の形態に係る反射型液晶表示素子について図４を用いて説明する。
【００３４】
図４に示すように、この反射型液晶表示素子５０は、透明基板５３、透明電極５４及び配向膜５５を備えた基板Ｂと、基板５９、反射電極５８及び配向膜５７を備えた基板Ａと、２つの基板Ａ，Ｂにより挟持された液晶層５６と、基板Ｂ上に配置されたλ／２位相差板５２と、λ／２位相差板５２の上に配置される偏光板５１とを備えている。
【００３５】
ここで、本実施の形態においては、透明基板５３及び基板５９の少なくとも一方に一軸性配向処理が施されている。なお、λ／２位相差板５２は、リタデーションの総和が２２０ｎｍから２８０ｎｍであることが好ましく、また液晶としてはネマティック液晶を用いることが好ましく、さらに液晶層５６のリタデーションの可変範囲に１１０ｎｍから１４０ｎｍを含むことが好ましい。
【００３６】
なお、上述の図１における基本原理の説明では、簡単のために液晶パネルと反射板を別部材として説明したが、本発明の実施においては斜視時の視差を防ぐために基板５９上にアルミ電極などの反射特性を持つ部材で構成した反射電極５８を設け、液晶パネルと反射板を一体としている。また、直視型ディスプレイとして用いる場合には反射電極５７として凸凹形状による拡散反射電極を用いてもよい。もしくは透明基板５３から偏光板５１上までいずれかの位置に前方散乱フイルムを設置してもよい（図示せず）。
【００３７】
また、図５に示すように液晶層５６に電圧を印加するためのＴＦＴ回路を基板５９上に設けても良く、カラー表示素子の場合には基板５３上にカラーフィルターを設けても良い。なお、図５において、６１はソース線、６２はゲート線、６３はＴＦＴである。
【００３８】
また、カラーフィルターの組み合わせについては、赤・緑・青のカラーフィルターをそれぞれ備える副画素をつくりそれらの加法混色によって表示させるようにしてもよい。もしくは緑・マゼンタフィルターをそれぞれ設置した副画素をつくり、緑表示には緑フィルターを備えた画素を用いて表示を行い、赤もしくは青表示時にはマゼンタフィルターを備えた画素で干渉色を利用した色表示を行ってもよい。
【００３９】
この他、赤とシアンの組み合わせ、青と黄色の組み合わせなども使用することが可能である。また赤・緑・青いずれかひとつのカラーフィルターのみを用い、他の２色を干渉色を用いることによって三原色表示させてもよい。
【００４０】
ここで、既述したように、少なくとも透明基板５３を備えた第１の基板である基板Ｂと、反射機能を有する反射電極５８を備えた第２の基板である基板Ａとの間に一軸性の配向をなす液晶を挟持し、液晶のリタデーションを変化させて表示を行う液晶表示素子において、偏光板３１の光学軸と位相差板３２の遅相軸との角度をθとしたとき、偏光板３１の光学軸と一軸性の配向をなす液晶の光学軸との角度を２θ＋４５°とすることにより、液晶パネル３３を通過した光は円偏光を保つことができる。この結果、広い範囲の波長域において良好な黒状態を実現でき、黒表示時の光抜けをなくすことができる。これにより、良好なコントラスト比が確保できると共に、動画像表示の際の、色再現性の低下を防ぐことができる。
【００４１】
ただし、ここで定義する角度は厳密に一致していなくともおおむねこの前後であればほぼ所望の特性を得ることができる。たとえば２θ＋４５°に対して±３°程度の範囲内であれば本発明の目的を達することができる。
【００４２】
次に、本実施の形態の実施例について説明する。
【００４３】
本実施例においては、まず厚さ０．７ｍｍのガラス基板上に感光性樹脂（日産化学社製）を用いて凸凹形状を形成し、この後、基板上に絶縁樹脂（ＪＳＲ社製Ｏｐｔｍｅｒ  ｓｓ６６９９Ｇ）をスピンコート法により塗布し、絶縁膜を形成する。
【００４４】
次に、絶縁膜上に１５０ｎｍのＡｌ膜による反射電極を形成し、散乱特性を持つ反射電極基板Ａ（図４参照）を作成する。なお、ガラス基板の代わりにシリコン基板、プラスチック基板等を用いてもよい。
【００４５】
次に厚さ０．７ｍｍのガラス基板上に１５０ｎｍのＩＴＯ膜による透明電極を形成し、基板Ｂ（図４参照）を作成する。なお、ガラス基板の代わりに透明なプラスチック基板等を用いてもよい。
【００４６】
次に、これら基板Ａ，Ｂに樹脂（ＪＳＲ社製ポリイミドＪＡＬＳ２０２２）をスピンコート法により塗布し、その後８０℃５分間の前乾燥を行った後、２００℃で１時間の加熱焼成を行い、膜厚５０ｎｍのポリイミド配向膜を形成する。
【００４７】
次に、これら基板Ａ，Ｂ上のポリイミド配向膜に対して一軸配向処理としてナイロン布によるラビング処理を施す。なお、このラビング処理の条件は、径１０ｃｍのロールにナイロン（ＮＦ−７７／帝人社製）を張り合わせたラビングロールを用い、押し込み量０．５ｍｍ、送り速度１０ｃｍ／ｓｅｃ、回転数１０００ｒｐｍ、回数３回とする。
【００４８】
続いて、一方の基板上にスペーサーとして、平均粒径９mｍのシリカビーズを散布し、各基板Ａ，Ｂのラビング処理方向が互いに平行となるように対向させ、市販液晶［ＫＮ５０２７（チッソ社製）］を注入し、液晶セルを得る。
【００４９】
次に、このようにして得る液晶セルの基板Ｂ上にλ／２位相差板としてリタデーション量２７５ｎｍのポリカーボネイトフイルムを貼る。さらに、このλ／２位相差板上に偏光板を貼り、反射型液晶表示素子を得る。
【００５０】
ここで、これら偏光板の光学軸、λ／２位相版及び液晶セルの遅相軸の物理的配置であるが、λ／２位相差板の遅相軸は偏光板の光学軸に対し時計回り方向に２２．５°、液晶セルの遅相軸は偏光板の光学軸に対し同じく時計回り方向に９０°の位置とする。なお、λ／２位相差板の遅相軸を偏光板の光学軸に対し反時計回り方向に２２．５°、液晶セルの遅相軸を偏光板の光学軸に対し同じく反時計回り方向に９０°の位置に配置してもよい。このときのプレチルトは１０°である。
【００５１】
ところで、この液晶セル内の液晶配向は当初スプレイ配向を取るが、反射電極及び透明電極間に１０Ｖ程度の電圧を印加することで容易にベンド配向に移行する。なお、このベンド配向は電極間の電圧が２Ｖ以上であれば維持される。また、電圧印加時のリタデーション量は１１０ｎｍから４５０ｎｍの範囲で変化する。
【００５２】
ここで、このような本実施例に係る反射型液晶表示素子において、反射電極及び透明電極間に３．４５Ｖ程度の電圧を印加すると、液晶セルのリタデーション量は２７５ｎｍとなり、このとき反射光強度は最大値を取る。また、６．３Ｖ程度の電圧を印加すると、液晶セルのリタデーション量は１３７．５ｎｍとなり、反射光強度は最小値を取る。
【００５３】
図６は、本実施例に係る構成における代表的な波長と反射光強度の関係を示すものであり、これより３．４５Ｖ時の反射光強度は可視光波長領域全体においてなだらかな特性を示し、色ずれのない白色表示が可能であることが判る。また６．３Ｖ時の反射光強度は、３．４５Ｖ時の反射光強度に比べどの波長においてもきわめて小さく、コントラスト比が高いことが判る。
【００５４】
また、図７は、２Ｖから６．３Ｖの範囲で電圧印加した際の反射光の色度座標を示すものであり、この図７から２．７Ｖ付近で赤表示、２Ｖ付近で青の表示が可能であることが判る。なお、赤表示時の色純度を良好なものとする目的でマゼンタ色のカラーフィルターを設置してもよい。また、緑表示を行う際には緑色のカラーフィルターを設置し、３．４５Ｖから６．３Ｖの範囲で電圧印加を行ってもよい。
【００５５】
またこの構成では白表示から黒表示への切り替えならびに黒表示から白表示への切り替え時の反射光強度の応答時間は数ｍｓから十数ｍｓ程度ときわめて小さく動画像表示時の色再現性の低下が抑制される。
【００５６】
以上、本実施例によれば、黒表示時の光抜けをなくし良好なコントラスト比を確保しつつ安価で動画像表示に適した反射型液晶表示素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る反射型の液晶表示素子の原理説明図。
【図２】上記液晶表示素子中の偏光状態の説明図。
【図３】上記液晶表示素子の画素構成の一例を示す図。
【図４】本発明の実施の形態に係る液晶表示素子の構成を説明する図。
【図５】上記液晶表示素子のＴＦＴ回路構成を示す図。
【図６】本実施の形態の実施例における代表的な波長と反射光強度の関係を示す図。
【図７】上記実施例における色座標の変化を示す図。
【図８】従来の反射型液晶表示素子の代表的構成を表す図。
【図９】従来の反射型液晶表示素子における黒表示時の波長と反射率の関係を表す図。
【符号の説明】
【００５８】
３１        偏光板
３２        λ／２位相差板
３３        液晶パネル
３４        反射板
５１        偏光板
５２        λ／２位相差板
５３        透明基板
５４        透明電極
５５        配向膜
５６        液晶層
５７        配向膜
５８        反射電極
５９        基板
６１        ソース線
６２        ゲート線
６３        ＴＦＴ
７１        基板
７４        液晶ダイレクタ
Ａ，Ｂ      基板
【図１】
2006091114.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006091114.tif 000008
【図７】
2006091114.tif 000009
【図８】
2006091114.tif 000010
【図９】
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