(57)【要約】【課題】透過表示部分と反射表示部分の段差部分に起因する光漏れを防止し、黒表示条件の設定マージン拡大を可能とすることによりコントラストの高い半透過型液晶表示素子を得ることを目的とする。【解決手段】本発明における半透過型液晶表示素子２０は、２枚の電極基板間に挟持された液晶材料よりなる液晶層１１を備え、同一表示面内に透過表示領域と反射表示領域を備え、液晶層１１における透過表示領域に対応する部分と反射表示領域に対応する部分との間に段差構造を有する液晶表示素子であって、液晶材料の誘電率異方性が１０〜１５であり、透過表示領域の液晶層１１のリタデーション値が１７０〜３００nmである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の電極基板間に挟持された液晶材料よりなる液晶層を備え、同一表示面内に透過表示領域と反射表示領域を備え、前記液晶層における前記透過表示領域に対応する部分と前記反射表示領域に対応する部分との間に段差構造を有する半透過型液晶表示素子であって、
前記液晶材料の誘電率異方性が１０〜１５であり、前記透過表示領域の液晶層のリタデーション値が１７０〜３００nmである半透過型液晶表示素子。
【請求項２】
前記液晶層の表面および裏面に光学フィルムを備え、
前記光学フィルムは、透過表示を行う際に透過表示領域の液晶層のリタデーションをキャンセルする光学フィルムであり、リタデーション値が２０〜５０nmである請求項１に記載の半透過型液晶表示素子。
【請求項３】
前記液晶層は、透過表示を行う際に電圧印加により黒表示となるときの透過表示領域の液晶層のリタデーション値が２０〜５０nmである請求項１に記載の半透過型液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１画素内に反射表示部分と透過表示部分を有する半透過型液晶表示素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、液晶表示素子は非常に幅広い応用分野に適用されており、テレビ、PCモニター等の比較的大きな表示面積のものが多くなっている一方で、その薄型、軽量、低消費電力の特徴を生かしてモバイル機器用のモニターとしても多く用いられている。
【０００３】
この携帯電話をはじめとするモバイル機器用のモニターに用いる場合、上記のような液晶表示素子が本来的に有する特徴を生かすことができ、非常に適した応用分野であるといえる。しかし、モバイル機器に用いた場合、その使用環境が種々変化し、屋外の非常に明るい環境から、夜間の非常に暗い環境まで表示を視認することが必要であり、全ての明るさの環境下で良好な表示品位を示すことが求められる。
【０００４】
このような課題を解決するために提案されているのが、半透過型液晶表示素子である。半透過型液晶表示素子では、１画素内に透過表示部分と反射表示部分を有する構造をしている。そのため、暗い環境下では透過表示を観察し、反対に外光が明るく、透過してくる表示を観察することができない環境下では、外光を利用した反射表示を観察する。この構成により、非常に明るい昼間の屋外のような環境から、夜の暗闇のような環境まで全ての明るさで良好な表示を得ることができる。
【０００５】
半透過型液晶表示素子を作成する場合、表面の偏光板は、反射表示部分と透過表示部分で共通となる。つまり、同じ光学フィルムを透過することで、透過表示と反射表示を両立することが必要となる。このような制約の下、液晶材料を平行配向させた液晶表示モード（ECBモード：Electrically  Controlled  Birefringence）が一般に半透過型液晶表示素子に適用されている。
【０００６】
平行配向を用いたECBモードでは、液晶層のリタデーションはその厚みに比例する。また、透過部分は液晶層を背面から前面へ一度の通過のみであり、反射部分は前面から入射し、反射板で折り返して再度前面へと至る２回の透過となる。したがって、透過部分と反射部分のそれぞれに求められる最適なリタデーションは異なる。一般には、透過部分は約λ／２のリタデーションが必要であり、反射部分の液晶層はλ／４のリタデーションが必要となる。先に述べたように、平行配向を用いたECBモードでは、液晶層のリタデーションは液晶層の厚み、つまりパネルギャップに比例するので、透過部分と反射部分のパネルギャップは２倍異なることになる。仮に液晶材料の屈折率異方性を０．０７と仮定すると、透過部分は約４μm、反射部分は２μmとすることになり、TFT基板上に有機膜を用いて段差構造を作成し、同一画素内の透過部分と反射部分に異なるギャップを形成している。
【０００７】
このようにして作成した、平行配向を用いたECBモードを半透過型液晶表示素子に適用することにより、暗い環境下では透過表示により画像を視認し、反対に外光が明るく、透過表示が見難い環境下では、外光を利用した反射表示により画像を視認することができる（下記特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１８７２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の半透過型液晶表示素子の場合では、透過部分が４μmであり、反射表示部分のパネルギャップが２μmであるので、このパネルギャップ差のすべてをTFT基板上に作成した有機膜の段差構造でまかなう場合、２μmの段差を作成しなければならない。
【００１０】
しかしながら、この段差部分では、配向膜のラビング処理にムラを生じやすく、また液晶配向にも歪みを与えやすいので、液晶材料の配向状態が悪くなるという問題があった。平行配向を用いたECBモードの場合、一般にノーマリホワイトモードの表示を行うことになるため、電圧を印加していない状態で、仮に段差部分に大きな配向不良が生じていたとしても表示不良と認識されることはなく、白表示時には問題は生じない。一方、電圧を印加して黒表示を行うとき、液晶分子は配向状態を保ちながら電界方向へ配向方向を変化させ、黒表示を行っているが、段差部分の配向不良は電圧印加による応答過程で、配向状態は改善するものの、その他の領域のように十分に良好な平行配向とはならないため、黒表示においても光抜けが生じ、コントラスト比を大きく低下させてしまう。
【００１１】
そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、透過表示部分と反射表示部分の段差部分に起因する光漏れを防止し、黒表示条件の設定マージン拡大を可能とすることにより、コントラストの高い半透過型液晶表示素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明における半透過型液晶表示素子は、２枚の電極基板間に挟持された液晶材料よりなる液晶層を備え、同一表示面内に透過表示領域と反射表示領域を備え、前記液晶層における前記透過表示領域に対応する部分と前記反射表示領域に対応する部分との間に段差構造を有する液晶表示素子であって、前記液晶材料の誘電率異方性が１０〜１５であり、前記透過表示領域の液晶層のリタデーション値が１７０〜３００nmである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半透過型液晶表示素子によれば、黒表示時の液晶分子の応答状態を電圧印加により液晶分子が十分に応答した状態とするため、透過表示部分と反射表示部分の間の段差部分での液晶配向不良に起因する光漏れを軽減することができ、また黒表示のための電圧設定マージンを広くすることができる。これにより、電圧設定ずれに起因する黒輝度の上昇もない、高コントラストの半透過型液晶表示素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１における半透過型液晶表示素子２０の構成を示した図である。半透過型液晶表示素子２０は、２枚の電極基板間に挟持された液晶材料よりなる液晶層１１を備え、同一表示面内に透過表示領域と反射表示領域を備え、液晶層１１における透過表示領域に対応する部分１３と反射表示領域に対応する部分１４との間に段差構造を有する。透過表示領域１３と反射表示領域１４の液晶層１１の厚さは、段差構造により異なり、透過表示領域１３はdt、反射表示領域１４はdrである。この段差構造は、表示に寄与する光の光路長をほぼ等しくするために設けており、dt＝２drが好ましい。また、ガラス基板１２の液晶層１１とは反対の表面に光学フィルム１〜４を備え、これらを挟持するように偏光板５，６が設けられている。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
表１は簡単なフィルム構成を示したものであり、このフィルムを用いたと仮定して本発明の考え方を具体的に説明する。図２は、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションと電圧印加との関係を示した図である。図に示すように、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは電圧印加とともに小さくなる傾向がある。一般に、平行配向を用いたECBモードの半透過型液晶表示素子２０では、液晶層１１の表面および裏面に光学フィルム１〜４を張り付けする（図１）。透過表示を行う場合、電圧を印加して液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが小さくなり、見かけ上リタデーションが０となった部分で黒表示を行うように、光学フィルム２，３が液晶層１１のリタデーションの一部をキャンセルする構成とする。
【００１７】
一般的に用いられる値として、液晶材料の屈折率異方性Δnは約０．０７、パネルギャップを４．４μmとすると、電圧無印加時の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは約３１０nmである。表１より、光学フィルム２と３を合わせたリタデーションは１１０nmであり、液晶層１１に電圧を印加して、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが１１０nmとなった時、みかけのリタデーションが０となり黒表示となる。また、光学フィルム１は、反射表示を考慮したもので、透過表示と同じく電圧無印加時に白表示となる、いわゆるノーマリホワイトモード（NWモード）の表示となるように、およそλ／４となる光学フィルム１を用いている。透過表示ではこのフィルムは不要であるので、裏面側に光学フィルム１と直交する方向に同じ大きさのリタデーションを有する光学フィルム４を用いている。
【００１８】
なお、反射表示領域に関しては、基本的には透過表示領域の約半分のリタデーションが必要である。具体的には、電圧印加により１４０nm程度変化させ黒表示を行うが、黒表示時にも２０〜３０nm程度のリタデーションが残っている。したがって、反射表示領域のリタデーションは１７０〜１８０nm程度にするのが適当である。本実施例では反射表示については特に言及しない限り本条件を用いている。
【００１９】
次に、液晶材料の屈折率異方性がほぼ同じで、誘電率異方性Δεが１２．２と６．０の２種類の液晶材料を用いて検討を行う。図３は、２種類の液晶材料を用いた液晶パネルの透過表示領域のリタデーションの電圧依存性を示した図である。図より、誘電率異方性Δεが大きい方が電圧の印加により急激に透過表示領域のリタデーションが低下することが分かる。図４は、これらの液晶パネルの透過率の電圧依存性を示した図である。高Δε液晶、低Δε液晶を用いたパネルは、それぞれ２．２V、３Vで液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが１１０nmとなり、光学フィルム２，３によりキャンセルされ、見かけの透過表示領域のリタデーションが０となるため、その電圧で透過率が極小（黒表示）となる。
【００２０】
図３に示したように、誘電率異方性Δεが大きい液晶材料を用いると電圧印加により液晶分子がより応答しやすくなる。半透過型液晶表示素子２０では、透過部分と反射部分の間の段差部分で液晶配向が乱れやすく、そのため、電圧を印加して液晶分子が電界方向へ応答したときでもその配向不良の影響が残り、光漏れ、コントラスト低下の原因となっている。高Δε液晶を用いると液晶分子がより応答しやすく、電圧印加して液晶分子を電界方向に応答させたときに、電圧無印加時の段差による配向不良の影響が現れにくく、コントラスト低下を招かなくなる。
【００２１】
しかし、表１の想定の下では高Δε液晶を用いたパネルも、低Δε液晶を用いたパネルであっても、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが１１０nmとなったときに黒表示となる。図３に示すように、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが１１０nmのとき、液晶分子は電界方向への応答状態がより進んだ状態とはいえない。また、図５は、黒表示をするときの液晶分子の立ち上がり角度を示した図であり、表１の想定の下では高Δε液晶でも、低Δε液晶でも、ほぼ同じ７０数°程度であり、液晶分子は電界方向への応答状態がより進んだ状態とはいえないことがわかる。
【００２２】
上述したように、液晶材料の誘電率異方性を大きくし、電圧印加により液晶分子がより容易に電界方向へ応答するようにしても、光学フィルム２，３のリタデーションが大きければ、液晶分子が電圧印加により急峻に電界方向へ変化している途中の状態を黒表示として用いることになり、わずかな電圧設定の変動により黒表示からずれてしまう。つまり、液晶材料のΔεを大きくしたことで電圧印加による応答性を改善しただけでは、電圧マージンが狭く、常に良好な黒表示を得ることができない。単に同じ液晶分子の電界方向への応答状態を得るための電圧は低くなるものの、基本的には光学フィルム２，３のリタデーションと、透過表示領域が同じリタデーションとなった状態を黒表示とするので、急峻に電界方向へ変化している途中の応答状態で黒表示となる。このようにリタデーションが１１０nmの光学フィルム２，３を用いた半透過型液晶表示装置では、高Δε液晶を用いたことにより、段差部分の配向不良の影響を黒表示時に小さくすることができず、コントラスト改善をすることができない。
【００２３】
以上より、高Δε液晶を用いることで高コントラストの効果を得るためには、黒表示時の液晶分子の電界方向への応答状態をより進んだ状態とすることが必要であることがわかる。そこで、液晶層１１のリタデーションが１１０nmとなったときに黒表示になる例よりも液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが小さくなったときに黒表示となるよう、光学フィルム２，３の変更を行う必要がある。
【００２４】
図６は、Δε＝１２．２の液晶を用いて、光学フィルム２，３のリタデーションを４段階に変化させたときの液晶パネルの電気的特性を示した図である。光学フィルム２，３のリタデーション値が大きいほど、液晶層１１の透過表示領域の大きなリタデーションが残った状態で見かけ上のリタデーションを０とすることができるため、黒表示を得ることができる電圧が低くなった。これらの液晶パネルでは、液晶層１１は同じであり、光学フィルム２，３に違いがあるものの、いずれの液晶パネルも液晶分子は電圧印加により同じように応答していると考えることができる。液晶層１１の透過表示領域のリタデーションをキャンセルする量が小さいほど、黒表示を得るためには液晶分子がより電界方向へ応答することが必要となる。つまり、光学フィルム２，３のリタデーションを小さくしたとき、黒表示のための電圧が高くなり、液晶分子の応答がより進んだ状態となるので、段差部分の配向不良の影響が少なくなり、光漏れのない良好な黒表示を得ることができる。以上より、高Δε液晶を用い、光学フィルム２，３のリタデーションを小さくしたときに、最も良好な黒表示を得ることができると分かる。
【００２５】
次に、良好な黒表示を得るときの誘電率異方性の最適範囲を検討する。Δεが１５以上になると液晶の信頼性に問題を生じる可能性があり、Δε１０以下の場合は駆動電圧が高くなりすぎ、消費電力等に問題が生じることが考えられる。よって、表示特性、信頼性の両方を満足するためには、Δε１０〜１５の液晶材料を用いることが最適である。
【００２６】
図６より、光学フィルム２，３のリタデーションが小さくなると駆動電圧が高くなり、より電界方向へ液晶分子が応答した状態を黒表示として用いるため、高コントラストの効果を得ることが分かる。しかし同時に光学フィルム２，３のリタデーションは、黒表示電圧の設定マージン、液晶パネルの駆動電圧の限界にも影響するため、光学フィルム２，３のリタデーション値の最適範囲を求めるためには、これらを含めて検討する必要がある。
【００２７】
図７は、光学フィルム２，３のリタデーションと黒表示電圧マージンの関係を示した図である。ここではコントラスト１００以上を得るための電圧設定マージンを検討対象として選んだ。図より、リタデーションが小さいほど電圧設定マージンが広くなり、電圧設定が容易となることがわかる。さらに詳細には、５０nm以下ではその効果が大きく、５０nmを超える範囲ではあまり効果がないことがわかる。また、この特性は液晶層１１の誘電率異方性をΔε１０〜１５の範囲で変化させても同様の特性を示す。
【００２８】
図８は、コントラスト１００以上を得る電圧の透過表示領域のリタデーション依存性を示した図である。図より、駆動電圧はリタデーションが大きいほど低くなり、TFT駆動が容易となることを示している。特に２０nm以上では安定して低い駆動電圧を得ることができるが、２０nm以下では駆動電圧が高くなり、安定した動作を得ることができないことが分かる。また、この特性は液晶層１１の誘電率異方性をΔε１０〜１５の範囲で変化させても同様の特性を示す。
【００２９】
以上図７，８の結果より、光学フィルム２，３のリタデーション（言い換えれば黒表示時の液晶層１１の透過表示領域のリタデーション）は２０〜５０nmのときに良好な黒表示を得る最適な範囲であることがわかる。
【００３０】
また、電圧無印加時（白表示）から電圧印加時（黒表示）へ変化するとき、一般的に液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは１５０〜２５０nmの変化を必要とする。上記より、電圧印加時（黒表示）の透過表示領域のリタデーションは２０〜５０nmであることから、電圧無印加時（白表示）の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは、１７０〜３００nmとすることが適当である。
【００３１】
次に、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは、色度、白色透過率にも影響するため、これらを含めて上述した１７０〜３００nmのリタデーションが最適かどうか検討する必要がある。図９は、色度とリタデーションとの関係を示した図である。図より、白色色度は液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが３００nmを超えた部分から急速に黄色に変化している。よって３００nm以下のリタデーションが最適であることがわかる。図１０は、白色透過率と透過表示領域のリタデーションとの関係を示した図である。図より、白色透過率は１７０nmから大きく改善することが分かる。また、図９，１０の特性は液晶層１１の誘電率異方性をΔε１０〜１５の範囲で変化させても同様の特性を示す。この点からも電圧無印加時（白色表示）の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは、１７０〜３００nmが最適な範囲であることがわかる。
【００３２】
図１１は、本発明における液晶層１１のリタデーションの電圧依存性と従来の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションの電圧依存性を比較した図である。以上より、半透過型液晶表示素子２０において、用いる液晶材料の誘電率異方性Δnを１０〜１５の範囲とし、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションをキャンセルする光学フィルム２，３のリタデーションを２０〜５０nm（黒表示時の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションを２０〜５０nm）とし、電圧無印加時の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションを１７０〜３００nmとすることが良好な黒表示を得る最適な範囲である。このとき透過部分と反射部分の間の段差部分での液晶配向不良に起因する光漏れを軽減することができ、また黒表示のための電圧設定マージンを広くすることができる。これにより、電圧設定ずれに起因する黒輝度の上昇もない、高コントラストの半透過型液晶表示素子を得ることができる。
【００３３】
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、具体的な実施例を用いて高いコントラストを得る半導体液晶表示素子について説明する。透過部分のパネルギャップを３．８μm、反射部分のパネルギャップを２μmとして半透過型液晶セルを作成し、誘電率異方性＋１２．２（ε‖＝１６．５、ε⊥＝４．２）、屈折率異方性０．０７０２（ne＝１．５３７２、no＝１．４６７０）の液晶材料を注入した。上下基板面での液晶配向は反平行となるように、各基板面上に作成したポリイミド膜からなる配向膜をラビング処理した。透過部分の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは約２７０nmであった。また、段差構造の大きさは１．８μmであった。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
この半透過型液晶セルに表２に示した光学フィルム１〜４を貼付し、コントラストを評価した。なお、このセルでの透過表示領域のリタデーションの電圧依存性は図１２に示すとおりであり、透過率の電圧依存性は図１３に示すとおりである。電圧印加に伴って透過表示領域のリタデーションは小さくなり、約３．５V印加時に液晶層１１の透過表示領域のリタデーションは５０nmとなった。また、液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが５０nmとなる約３．５V印加で黒表示となった。以上より、実施の形態１で示した最適な範囲内（誘電率異方性Δnが１０〜１５の範囲、黒表示時の液晶層１１の透過表示領域のリタデーションが２０〜５０nmの範囲）であることがわかる。
【００３６】
この液晶パネルの透過表示のコントラストは２００となり、同様の構造の半透過型液晶表示素子２０で、段差での光漏れの見られる液晶パネルの通常のコントラストは８０〜１００であるので、本実施例の液晶パネルは非常に高いコントラストを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１における半透過型液晶表示素子の構成を示した図である。
【図２】従来技術における液晶層の透過表示領域のリタデーションの電圧依存性を示した図である。
【図３】実施の形態１における誘電率異方性が異なる液晶の透過表示領域のリタデーションの電圧依存性を示した図である。
【図４】実施の形態１における誘電率異方性が異なる液晶の透過率の電圧依存性を示した図である。
【図５】実施の形態１における誘電率異方性が異なる液晶の立ち上がり角度の電圧依存性を示した図である。
【図６】実施の形態１における光学フィルムのリタデーションが異なるときの液晶の透過率の電圧依存性を示した図である。
【図７】実施の形態１におけるコントラスト１００以上を得る電圧設定幅の透過表示領域のリタデーション依存性を示した図である。
【図８】実施の形態１におけるコントラスト１００以上を得る設定電圧値の透過表示領域のリタデーション依存性を示した図である。
【図９】実施の形態１における白色色度の透過表示領域のリタデーション依存性を示した図である。
【図１０】実施の形態１における白色透過率の透過表示領域のリタデーション依存性を示した図である。
【図１１】実施の形態１における液晶層の透過表示領域のリタデーションと従来技術における液晶層の透過表示領域のリタデーションとの電圧依存性を比較した図である。
【図１２】実施の形態２における液晶層の透過表示領域のリタデーションの電圧依存性を示した図である。
【図１３】実施の形態２における液晶層の透過率の電圧依存性を示した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１〜４  光学フィルム、５，６  偏光板、１１  液晶層、１２  ガラス基板、１３  透過表示領域に対応する部分、１４  反射表示領域に対応する部分、２０  半透過型液晶表示素子。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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