(57)【要約】【課題】  従来のＥＣＢ液晶素子は光利用効率が低く、コントラストが劣る。【解決手段】  光を透過する第１の基板と、第１の基板に平行に配置され、第１基板の方向に光を反射する第２の基板と、該第１と第２の基板の間に挟持された誘電率異方性が負のネマティック液晶と、該ネマティック液晶に電圧を印加する電極と、該第１の基板の外側に配置された位相差板ならびに偏光板とを有し、  該ネマティック液晶は、電圧が印加されていないときに基板に対して略垂直に配向し、電圧の印加によって基板に対して傾斜して配向し、傾斜する角度の変化に伴って透過光の複屈折による色相変化を呈する液晶表示素子であって、  該位相差板は，リタデーション値が可視域の光の波長の１／２の範囲に設定されており、該偏光板の透過軸と該位相差板の遅相軸が角度θをなし、該偏光板の透過軸と液晶の傾斜方位とが、概略、角度２θ＋４５°をなすことを特徴とする液晶表示素子。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過する第１の基板と、第１の基板に平行に配置され、第１基板の方向に光を反射する第２の基板と、該第１と第２の基板の間に挟持された誘電率異方性が負のネマティック液晶と、該ネマティック液晶に電圧を印加する電極と、該第１の基板の外側に配置された位相差板ならびに偏光板とを有し、
該ネマティック液晶は、電圧が印加されていないときに基板に対して略垂直に配向し、電圧の印加によって基板に対して傾斜して配向し、傾斜する角度の変化に伴って透過光の複屈折による色相変化を呈する液晶表示素子であって、
該位相差板は，リタデーション値が可視域の光の波長の１／２の範囲に設定されており、該偏光板の透過軸と該位相差板の遅相軸が角度θをなし、該偏光板の透過軸と液晶の傾斜方位とが、概略、角度２θ＋４５°をなすことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記角度θが５度超、２５度未満の範囲である請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
白表示状態および黒表示状態のいずれにおいても該ネマティック液晶に電圧が印加されている請求項１または２に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、特に複屈折を用いたカラー表示が可能な液晶表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯情報端末などに液晶表示素子が広く用いられており、そのほとんどは反射型もしくは半透過型といわれる反射機能と透過機能を両方兼ね備えている液晶素子が用いられる。その理由は透過型のみの液晶もしくは自発光型表示素子では、屋外での視認性を確保するのが難しいためである。したがって、屋外にて使用される表示素子は周囲の外光を利用可能な液晶表示素子が有利であり、広く利用されている。反射機能を有する表示素子としてはいくつかの表示原理が提案されているが、現在のところ実用に供されているほとんど全てが偏光板を用いた液晶素子となっている。この偏光板型液晶素子によって白・中間調・黒を連続的に明度変調し、それに赤・緑・青からなるマイクロカラーフィルタを配設することによってフルカラー表示を得ることができる。
【０００３】
上述した反射機能を有する偏光板型液晶表示素子では、多くの場合広帯域円偏光板と呼ばれる偏光板が使用される。この広帯域円偏光板とは（１）直線偏光板、（２）λ／２位相差板、（３）λ／４位相差板の三層が積層されているのが代表的な構成である。このとき偏光板の透過軸を０度とすると、偏光板の背面側にλ／２の位相差を有する一軸性位相差板が配設されており、該λ／２板の光軸方向θ１が１５度に設定されており、さらにその背面側にλ／４の位相差を有する一軸性位相差板が配設されており、該λ／４の光軸方向θ２が７５度に設定されているものである。なおここでいうところの光の波長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。
【０００４】
ここでθ１およびθ２は必ずしも上記のように１５度および７５度に設定しなくても、θ２＝θ１＋４５なる関係を満たすように設定されていれば、ほぼ所望の特性を得ることができる。つまり、前記広帯域円偏光板の背面に配設される液晶層のリタデーション量が０であって、その背面に反射板が設けられている場合には、広帯域円偏光板による偏光回転効果によって可視光のほぼ全域において反射光をゼロに近づけることができるのである。これによって高いコントラストを有する反射型液晶素子を得ることが可能となる。
【０００５】
しかしながらこの広帯域円偏光板は３枚のフィルムが積層された構成であることから、原理的に全体の厚みが厚くなってしまうとともに、フィルム重量も重くなることから、携帯機器への搭載には物理的に更なる改善が求められている。
【０００６】
一方光学的にも３枚のフィルムを通過することから各々のフィルム界面での光損失の影響によって白表示時の光利用効率の低下をもたらしている。
【０００７】
このような課題に対して、特許文献１では偏光板と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開示されている。この構成では使用するフィルムは偏光板とλ／２板の２枚で済むことから物理的にも光学的にも有利であると考えられる。
【０００８】
この構成では、例えば垂直配向を用いた場合には、電圧無印加時には液晶層のリタデーション量はゼロであるため、表示状態は白表示となる。一方、電圧を印加して液晶層をホモジニアス配向に制御した場合には、液晶層のリタデーション量がλ／４となり、表示状態は黒表示となる。もちろんこのときのλ／２板の光軸方向θ１と液晶層の液晶分子傾斜方向θ２との関係はθ２＝θ１＋４５となるように設定されている。これによってモノクロ領域の連続階調表示が実現でき、これとカラーフィルターとの組み合わせによってフルカラー表示を行うことができる。
【特許文献１】特開２００１−６６５９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の通り光学的に有利な点があるものの、カラー表示のときの赤・緑・青のカラーフィルター使用による光損失によって、前記光学的優位性を十分に活かしきることが出来ない。つまり十分明るいカラー表示を行うことが出来ない。
【００１０】
一般に、液晶表示素子特に垂直配向状態を用いる液晶表示素子では、白・黒いずれかの状態が必ず電圧無印加状態となっている。例えば黒から白へのスイッチングは電圧印加状態から電圧無印加状態へのスイッチングとなる。つまり液晶の緩和応答を使った応答となり、この場合一般的に応答速度は遅い。
【００１１】
液晶ディスプレイとして実用化されている駆動方式の多くは、中間調表示などの時には所望の駆動電圧よりも高い、もしくは低い電圧を１フレーム分だけ印加して応答速度を加速する手法がオーバードライブ駆動として一般に知られており、広く使用されているが、電圧無印加状態に向かう液晶の緩和応答を使用するスイッチングにおいては、目標とする電圧が０Ｖであるので、こうした動画特性にとって有効な駆動方法を採用することが出来ず、どうしても応答速度が遅くなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、光を透過する第１の基板と、第１の基板に平行に配置され、第１基板の方向に光を反射する第２の基板と、該第１と第２の基板の間に挟持された誘電率異方性が負のネマティック液晶と、該ネマティック液晶に電圧を印加する電極と、該第１の基板の外側に配置された位相差板ならびに偏光板とを有し、
該ネマティック液晶は、電圧が印加されていないときに基板に対して略垂直に配向し、電圧の印加によって基板に対して傾斜して配向し、傾斜する角度の変化に伴って透過光の複屈折による色相変化を呈する液晶表示素子であって、
該位相差板は，リタデーション値が可視域の光の波長の１／２の範囲に設定されており、該偏光板の透過軸と該位相差板の遅相軸が角度θをなし、該偏光板の透過軸と液晶の傾斜方位とが、概略、角度２θ＋４５°をなすことを特徴とする。
【００１３】
前記角度θを５度超、２５度未満の範囲にすることにより、さらに良好な反射表示特性が得られる。
【００１４】
本発明はまた、白表示状態および黒表示状態のいずれにおいても液晶に電圧が印加されているようにできるので，高速応答にとって有利である。
【００１５】
本発明の以上の要件において、角度は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。上記の「概略の角度」とは、この範囲をさす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明の最良の形態について図１に図示する。
【００１７】
順に偏光板５１、λ／２板５２、ガラス５３、ＩＴＯ５４、配向膜５５、液晶層５６、配向膜５７、反射板５８、ガラス５９の順で配置されている。
【００１８】
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するのが好ましい。また直視型ディスプレイとして用いる場合には電極５８として凸凹形状による拡散反射電極を用いてもよい。また透明基板５３から偏光板５１上までの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）。また図２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上に設けてもよい。
【００１９】
また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よい。カラーフィルターの組み合わせについては、従来からあるように赤・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が、さらに明るいカラー表示のためには、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複屈折効果を利用した色相変化に基づく色表示を行ってもよい。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。
【００２０】
もちろん干渉色のみによるカラー表示を行ってもよい。
【００２１】
こうすることで従来からある赤・緑・青の３つのカラーフィルターを用いるカラー表示方式と比較して大幅に光利用効率を高めることが可能となる。
【００２２】
黒表示を行う場合には液晶層のリタデーション量をλ／４となるよう電圧値を調整する。白表示の場合には液晶層のリタデーション量がゼロとなるように電圧をオフにしてもよいが、高速化のためには液晶層のリタデーション量がλ／２なるように電圧を印加することで白表示することが好ましい。
【００２３】
このときの白表示や黒表示を行う際には、前状態からの表示切替直後の１フレーム目において、より大きな（もしくは小さな）電圧を印加するようなオーバードライブ駆動をすることが応答速度の点でより好ましい。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例に基づいて説明する。本実施例の共通の構成として以下に記載の構成を用いる。
【００２５】
厚さ０．７ｍｍのガラス基板上に１５０ｎｍのＡｌ膜による反射電極を形成し反射電極基板Ａを作製する。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。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を作成する。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。
【００２６】
次に、基板Ａ及びＢにＪＳＲ社製ポリイミド配向膜ＪＡＬＳ２０２１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のポリイミド被膜を形成する。
【００２７】
続いて、基板Ａ及びＢ上のポリイミド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。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。
【００２８】
続いて、一方の基板上にスペーサーとして、平均粒径６．５μｍのシリカビーズを散布し、各基板のラビング処理方向が互いに反平行となるように対向させ、市販液晶ＭＬＣ６６０８（チッソ社製）を注入し液晶セルを得る。
【００２９】
このようにして得る液晶セルの基板Ｂ上にλ／２位相差板を貼る。さらにλ／２位相差板上に偏光板を貼り、反射型液晶表示素子が得られる。このときのλ／２位相差板の物理的配置、および偏光板の透過軸と液晶分子の傾斜方向とのなす角については実施例に応じて変化させるものとする。
【００３０】
［実施例１］
λ／２板と液晶分子の傾斜角との関係について、黒反射率を計算した。結果を図３に示す。
【００３１】
図３（ａ）は、液晶層に対して２．７Ｖの電圧印加の際に、液晶分子傾斜方位角が偏光板の透過軸に対して７５度の角をなすとき、上記λ／２板の光軸の方位角を変化させたときの反射率を示している。このグラフの横軸はλ／２板の光軸と偏光板の透過軸とのなす角、縦軸は反射率である。この結果からわかるように、１５度近傍において最も暗い反射率を示している。
【００３２】
同様に図３（ｂ）は、液晶層に対して２．７Ｖの電圧印加の際に、液晶分子傾斜方位角が偏光板の透過軸に対して９０度の角をなすとき、上記λ／２板の光軸の方位角を変化させたときの反射率を示している。このグラフの横軸はλ／２板の光軸と偏光板の透過軸とのなす角、縦軸は反射率である。この結果からわかるように、２２．５度近傍において最も暗い反射率を示している。
【００３３】
他の角度についても同様の検討によって、偏光板の透過軸と該位相差板の遅相軸が角度θとすると、偏光板の透過軸と電圧印加時の液晶分子の傾斜方位角方向とのなす角度が２θ＋４５°であるときに最も暗い表示を得ることが可能となる。つまりこの条件によって、高いコントラストを得ることが可能となる。
【００３４】
また図３（ａ），（ｂ）より、この角度は厳密に上記関係となっていなくても、±数度の範囲内（例えば±３度程度）であればコントラストとが許容範囲内であることがわかる。
【００３５】
［実施例２］
上の結果に基づき、偏光板の透過軸と該位相差板の遅相軸が角度θとしたとき、偏光板の透過軸と電圧印加時の液晶分子の傾斜方位角方向とのなす角度を２θ＋４５°と設定して、白表示と黒表示それぞれの表示状態について反射率を計算した。結果を図４に示す。図４の縦軸は反射率、横軸は波長（単位ｎｍ）、実線が白表示、波線が黒表示のである。
【００３６】
白表示状態として液晶層に対して３．４Ｖ印加の状態、黒表示状態として液晶層に対して２．７Ｖ印加の状態とした。
【００３７】
図４（ａ）−（ｇ）はそれぞれ、θ＝０、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５度の結果である。
【００３８】
この結果から、θが０度および５度のとき、白表示状態での分光反射率特性が山形となっており、緑色に着色しているとともに平均的な光利用効率が低いことがわかる。
【００３９】
また黒表示状態は、θ＝２５度、３０度、３５度のときに短波長側の反射率が１０％を超えており、黒ではなく青っぽい表示となってしまう。
【００４０】
したがって、白黒の観点からはθとして５度超、２５度未満の範囲にあることが好ましいことがわかる。
【００４１】
［実施例３］
上記と同じ素子を用い、複屈折による干渉色効果に関して計算した。結果を図５に示す。
【００４２】
図５のグラフは液晶層への印加電圧として０Ｖ〜６Ｖまでの範囲で変化させたときのｘｙ色度図上でとる軌跡をあらわしている。図５（ａ）−（ｈ）はそれぞれ、θ＝０、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５度の結果である。
【００４３】
この結果から、θが３０度のときは、ｘｙ色度図上にてｘ座標の取りうる値が０．４以下しかなく、色純度の高い赤色表示ができないことを示している。
【００４４】
また、２５度および３５度のときは０．４を越える値が得られているが、このときの反射明度を調べてみると、小さい値となっているため実際には明るい赤表示ができていない。したがって、複屈折効果による干渉色を利用するようなカラー表示の観点からは、θとして２５度未満が好ましいことがわかる。
【００４５】
［実施例４］
実施例４では明細書中で述べたオーバードライブの効果についての検討結果を示す。実施例２と同様に、白表示状態として液晶層に対して３．４Ｖ印加の状態、黒表示状態として液晶層に対して２．７Ｖ印加の状態とする。
【００４６】
白表示状態から黒表示状態に遷移させるときに、３．４Ｖ印加から２．７Ｖ印加へとそのまま印加電圧を変化させるときの応答速度τ１とし、３．４Ｖ印加から２．７Ｖ印加へと変化させるときに、３．４Ｖの連続印加の後に１フレーム（６０分の１秒）分だけ０Ｖを印加し、その後２．７Ｖを印加するように素子に印加する電圧を制御するときの応答速度τ２とする。これら、τ１、τ２を比較するとτ２の方が高速である。
【００４７】
同様の実験により、黒表示状態から白表示状態に遷移させるときにもオーバードライブ駆動法を適用することが可能となる。
【００４８】
つまりオーバードライブの適用範囲が白から黒、および黒から白の両方で使用可能となるため、素子の高速化につなげることができる。
【００４９】
本発明のカラー液晶表示素子を半透過型の反射型部分に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来の反射型表示素子の代表的構成を表す図。
【図２】本発明の反射型液晶表示素子のＴＦＴ回路構成を示す図。
【図３】λ／２板の光軸の方位角に対する反射率を示す図。
【図４】実施例における反射特性を示す図。
【図５】実施例におけるｘｙ色度図を示す図。
【符号の説明】
【００５１】
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
６４  反射電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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