JP4402111B2 - 液晶表示パネルおよび液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示パネルおよび液晶表示装置に関し、特に透過型または半透過型の液晶表示パネルおよび液晶表示装置に関する。

現在、様々な電子機器における表示画面として、液晶表示装置が広く用いられている。これらの液晶表示装置は、その特徴である薄型・軽量・低消費電力の特徴を最大限に生かし、様々な用途で電子機器に搭載され、一般に広く普及している。

特に、携帯電話に代表されるようなモバイル機器においては、ユーザーが常に携帯している必要性があるので、薄型・軽量・低消費電力化の要望が特に強く、更なる改善に向け技術開発が盛んに行われている。これに付随して、モバイル機器に搭載する液晶表示装置についても同様の強い要望があり、更なる薄型・軽量・低消費電力化の技術開発が望まれている。

従来から多く用いられている液晶表示装置の構成は、一対の透明電極基板と液晶層とからなる液晶パネルに少なくとも一枚の偏光板を組み合わせたものである。透過型あるいは半透過型液晶パネルの場合には、透明電極基板の両面に一対の偏光板が設けられており、また反射型液晶パネルの場合には、観察者側に配置した透明電極基板にのみ偏光板が設けられている。

上記の液晶パネルは、光源として冷陰極放電管やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などを用い、光源の周囲はリフレクターによって囲まれている。光源から照射した光は、液晶パネル平面を均一に照射する必要があるため、点又は線光源からの光を導光板によって二次元発光体に変換している。さらに、上記光源および導光板にレンズシートや拡散シートを組み合わせて、均一な面内輝度を持つライトユニットを形成している。

上記ライトユニットを配置する場所としては、液晶パネルの前面側（観察者側）に配置するフロントライト型と、液晶パネルの背面側に配置するバックライト型があり、現在も広く利用されている。

ところが、液晶パネルに上述のようなライトユニットを組み合わせた構成では、ライトユニットにおいて使用される導光板やレンズシートや拡散シートの厚みの分だけ液晶モジュールの総厚が厚くなる、さらには液晶モジュールの重さも重くなってしまうといった問題点がある。このため、液晶パネルと従来のライトユニットとを組み合わせた液晶表示装置では、モバイル機器に求められる薄型・軽量化の厳しい要求に応えることが非常に困難である。

このような問題点を解決するために、液晶パネルにおける透明電極基板を導光板として用いて薄型・軽量化を行う技術が、例えば日本国公開特許公報である特開２００３−５７６４５号公報（公開日平成１５年２月２６日）および日本国公開特許公報である特開２００３−６６４４３号公報（公開日平成１５年３月５日）に開示されている。特開２００３−５７６４５号公報には、前面側に配置する透明電極基板を導光板として用いる技術（フロントライト型）が開示されている。特開２００３−６６４４３号公報には、背面側に配置する透明電極基板を導光板として用いる技術（バックライト型）が開示されている。以下に、上記従来技術を説明する。

まず、特開２００３−５７６４５号公報に開示のあるフロントライト型の技術について、図６を参照して以下に説明する。

特開２００３−５７６４５号公報におけるフロントライト型の液晶表示装置は、図６に示すように、一対の透明電極基板１０１，１０２の間隙に液晶層１０３を挟持して液晶パネルが構成されており、一対の透明電極基板１０１，１０２のうち観察者側に配置する透明電極基板１０２の側端部にＬＥＤや冷陰極管などからなる点または線状光源１０４を備えている。また、上記液晶パネルでは、透明電極基板１０１，１０２のそれぞれの外側に、偏光板１０５が配置されている。

さらに、上記液晶パネルの観察者側の面には、凹凸構造を有する光路変換層１０６が設けられている。また、上記液晶パネルの背面側には、鏡面反射膜１０７が形成されている。

上記のような構成とすることで、特開２００３−５７６４５号公報における液晶表示装置は、導光板の機能を透明電極基板１０２に集約することで、部材点数の削減による薄型化・軽量化が達成できる。

さらに、特開２００３−６６４４３号公報に開示のあるバックライト型の技術について、図７を参照して以下に説明する。

特開２００３−６６４４３号公報におけるバックライト型の液晶表示装置は、図７に示すように、一対の透明電極基板１０１，１０２の間隙に液晶層１０３を挟持して液晶パネルが構成されており、一対の透明電極基板１０１，１０２のうち背面側に配置する透明電極基板１０１の側端部にＬＥＤや冷陰極管などからなる点または線状光源１０４を備えている。また、上記液晶パネルでは、透明電極基板１０１，１０２のそれぞれの外側に、偏光板１０５が配置されている。

また、上記液晶パネルにおいて、透明電極基板１０１の前面側には、該透明電極基板１０１と接触して低屈折率層１１６が配置されている。この低屈折率層１１６は、透明電極基板１０１よりも低い屈折率を有する層である。さらに、透明電極基板１０１の背面側には、偏光板１１７と、凹凸構造を有する光路変換層１１７と、全反射膜１１８とが形成され、半透過型液晶表示装置を構成している。

上記のような構成とすることで、特開２００３−６６４４３号公報における液晶表示装置は、導光板の機能を透明電極基板１０１に集約することで、部材点数の削減による薄型化・軽量化が達成できる。

しかしながら、上記従来の構成において、上記特開２００３−５７６４５号公報のように、観察者側に配置する透明電極基板を導光板として用いるフロントライト型の構成の場合には、表示画像のコントラストが低下してしまうといった問題がある。また、上記特開２００３−６６４４３号公報のように、背面側に配置する透明電極基板を導光板として用いるバックライト型の構成の場合には、該透明電極基板の側面に配置した光源からの光を有効に利用することができず、明るい画像が得られないといった問題がある。以下に上記のそれぞれの問題について、詳細に説明する。

特開２００３−５７６４５号公報に記載のフロントライト型の構成では、前面側の透明電極基板１０２の側面に配置された光源１０４からの光は、該透明電極基板１０２の内部を伝播し、偏光板１０５を透過した後、偏光板１０５の上層に形成された凹凸構造を持つ光路変換層１０６にて全反射して、再びパネル内部方向へ入射する。この光路変換層１０６にて反射した光は、偏光板１を透過した後、透明電極基板１０２を透過し、液晶層１０３に入射する。液晶層１０３を透過した光は、背面側の透明電極基板１０１を透過し、偏光板１０５の裏面に形成された鏡面反射膜１０７にて反射し、再び観察者側へ光を出射する。

以上の説明における経路は図６に示した経路（Ａ）となり、この経路（Ａ）を辿る光において、液晶層１０３にて出射光を制御することで、所望の画像を表示することができる。

しかしながら、上記図６の構成では、透明電極基板１０２は、ガラスや配向膜等の屈折率が１．５程度の層と、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等からなる比較的屈折率の高い透明電極とからなり、屈折率差が比較的大きな積層膜の界面を有することとなる。このため、光源１０４から出射し、偏光板１０５および光路変換層１０６から再び透明電極基板１０２に入射した光において、図６の経路（Ｂ）に示すように、液晶層１０３に入射する前に透明電極基板１０２上の積層膜の何れかの界面で反射し、そのまま透明電極基板１０２から偏光板１０５を透過してしまう光が存在する。

この光は、液晶層１０３での制御ができないため、余分な光り抜けとなり、表示画像のコントラストの低下を引き起こす。

次に、特開２００３−６６４４３号公報に記載のバックライト型の構成では、背面側に配置される透明電極基板１０１の一側面に光源１０４を配置している。この構成においては、光源１０４から出射した光は、図７中の経路（Ａ）に示したように、透明電極基板１０１および偏光板１０５の内部を伝播し、透明電極基板１０１の背面に形成された光路変換層１１７に入射された後、反射膜１１８にて反射される。反射膜１１８にて反射された光は、液晶層１０３にて制御された後、観察者側に配置された透明電極基板１０２と偏光板１０５とを透過することで、画像を表示することができる。

また、上記図７の構成では、図７中の経路（Ｂ）に示すように、光源１０４から出射した後、低屈折率層１１６に直接入射する光は、該低屈折率層１１６によって全反射させることができるので、余分な光り抜けによるコントラストの低下は無い。

しかしながら、光源１０４から出射して低屈折率層１１６に直接入射する光においては、低屈折率層１１６によって全反射された後、そのまま透明電極基板１０１における光源１０４が設けられた側面の逆対面から出射してしまう光が多く存在する。このように、透明電極基板１０１の逆対面から出射する光は、当然ながら表示画像に対する表示光としての役割をなさないため、上記図７の構成では、光源１０４からの光のロスが大きくなり光源１０４から出射される光を効率良く利用することができないため、明るい画像を表示することができない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、液晶パネルにおける透明電極基板を導光板として用いることで薄型・軽量化を図るとともに、コントラストの低下が無く、かつ明るく良好な画像を表示することのできる液晶表示パネルおよび液晶表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る液晶表示パネルは、一対の透明基板間に液晶層を充填してなる液晶表示パネルにおいて、上記一対の透明基板のうち、観察者側から見て背面に配置される透明基板に対して、その前面側に、上記透明基板とほぼ等しい屈折率を有すると共に、所定の凹凸面が形成されてなる第１の光路変換層と、上記第１の光路変換層の前面側に該第１の光路変換層の凹凸面と接触して形成されると共に、該第１の光路変換層よりも小さい屈折率を有する低屈折率層とを配置し、その背面側に、所定の凹凸面が形成されてなる第２の光路変換層を配置していることを特徴としている。

上記の構成では、背面側透明基板の側面に光源を配置することで薄型化を図っているバックライト型の液晶表示装置に使用される液晶表示パネルにおいて、上記背面側透明基板の前面側に、所定の凹凸面が形成された第１の光路変換層と低屈折率層とが形成されている。

そして、第１の光路変換層の凹凸面は、これを適切な形状に設計することで、第１の光路変換層と低屈折率層との界面において、Ａ）光源から直接入射される光（水平に近い光）をより基板法線方向に近い光に変換して全反射させる作用、Ｂ）基板法線方向に近い光が入射されるとこれを透過させる作用を得ることができる。

また、第２の光路変換層の凹凸面は、これを適切な形状に設計することで、光源から直接入射される光をより基板法線方向に近い光に変換して反射する作用を得ることができる。

つまり、光源から照射される光は、最初に第１の光路変換層の凹凸面もしくは第２の光路変換層の凹凸面にて反射され、このとき、水平に近い光からより基板法線方向に近い光に変換されるため、背面側透明基板における光源が設けられた側面の逆対面から出射されることがなく、光源からの光のロスを減らし、明るい画像表示を行うことができる。尚、光源から照射された後、最初に第１の光路変換層の凹凸面にて反射された光は、次に第２の光路変換層の凹凸面にて反射され、さらに第１の光路変換層の凹凸面を透過して、観察者側（前面側）に出射される。

本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分に理解されるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

本発明の実施形態を示すものであり、実施の形態１に係る液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。 上記液晶表示装置において、第１の光路変換層と低屈折率層との界面での光の反射の様子を示す図である。 実施の形態１に係る他の液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。 実施の形態３に係る液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。 従来の液晶表示装置の一構成例を示す断面図である。 従来の液晶表示装置の一構成例を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

〔実施の形態１〕
図１は、本実施の形態１に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。上記液晶表示装置では、前面側基板部１と背面側基板部２との間隙に液晶層３を挟持した構成の液晶表示パネルが用いられる。すなわち、上記液晶表示パネルに、光源５や駆動回路（図示せず）等を実装することで液晶表示装置が提供される。

前面側基板部１は、透明基板１１に対して、その前面側に偏光板１２が配置され、背面側に透明電極１３が形成されている。

背面側基板部２は、透明基板（背面側透明基板）２１に対して、その前面側に第１の光路変換層２２，低屈折率層２３，および透明電極２４が透明基板２１側からこの順序で形成されており、その背面側に偏光板２５および第２の光路変換層２６が透明基板２１側からこの順序で形成されている。背面側基板部２において、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６は、それぞれ所定の凹凸構造を有している。

前面側基板部１および背面側基板部２は、透明電極１３および透明電極２４を対向するように配置され、その間隙に液晶層３が形成されている。前面側基板部１および背面側基板部２において、透明電極１３，２４のさらに内側には所定の配向処理を施した配向膜（図示せず）が配置されている。液晶層３は、枠状のシール４によって前面側基板部１および背面側基板部２の間に封入されている。

また、背面側基板部２における透明基板２１の側面には、光源５が配置されている。すなわち、本実施の形態１に係る液晶表示パネルは、透明基板２１を光源５の導光板として用いるバックライト型の構成に適用されるものである。

上記液晶表示パネルにおいて、一対の透明基板１１，２１は、ソーダガラスや無アルカリガラス等の透明ガラス基板や、有機樹脂（例えばエポキシ樹脂やアクリル樹脂）やポリエーテルスルホン等からなるプラスチック基板など任意の透明基板を用いることができる。

尚、透明基板２１の側面に配置した光源５からの光を効率良く基板内を伝播させるためには、より透明性の高い基板を用いることが望ましく、ガラス基板であれば無アルカリガラスを用いることが望ましい。また、基板の薄型軽量化を達成するためには、有機樹脂を透明基板材料として用いることが望ましく、透明性の観点から更に望ましくは、アクリル樹脂を透明基板材料として用いることがより望ましい。

本実施の形態１に係る液晶表示装置の表示原理について、図１を用いて説明する。ここでは、透明基板２１の側面に配置した光源５から出射した光を、透明基板２１の上面側（第１の光路変換層２２側）に直接入射する光（光路Ａ）と、透明基板２１の背面側（偏光板２５側）に直接入射する光（光路Ｂ）との２種類に分類して説明する。

まずは、光路Ａを辿る光について説明する。

光路Ａを辿る光は、透明基板２１の側面に配置した光源５から出射された後、透明基板２１と第１の光路変換層２２との界面に入射する。ここで、第１の光路変換層２２の屈折率は、入射される光において反射や屈折が生じずに第１の光路変換層２２を透過するように、透明基板２１の屈折率と略一致させるか、第１の光路変換層２２の屈折率を透明基板２１の屈折率よりも小さいものとすることが好ましい。但し、その後の光路において、第１の光路変換層２２から透明基板２１に向けての進入もあり、この光の進入の際も反射や屈折を生じさせないようにする必要があるため、透明基板２１の屈折率と第１の光路変換層２２の屈折率とは略一致させることが最も好ましい。

尚、透明基板２１と第１の光路変換層２２とは、必ずしも別部材として設けられる必要はなく、同一の部材として一体的に形成されるものであっても良い。透明基板２１と第１の光路変換層２２とを同一の部材として一体的に形成した場合、透明基板２１と第１の光路変換層２２との間の界面が存在しないため、この界面での不要な反射や屈折を完全に排除できる。

第１の光路変換層２２を透過した光は、次に、第１の光路変換層２２と低屈折率層２３との界面に入射する。このとき、上記入射光は、第１の光路変換層２２の凹凸によってこの界面で全反射される。この全反射によって、上記入射光は、背面側へ折り返すと共に、反射前の光よりも反射後の光の方が基板法線方向に近い角度となるように進行方向が変換される。

ここで、第１の光路変換層２２の凹凸、すなわち第１の光路変換層２２と低屈折率層２３との界面における凹凸に関し、図２を参照して説明する。

第１の光路変換層２２においては、図２に示す傾斜面Ｐを有することが重要である。上記傾斜面Ｐは、その法線方向が基板法線方向に対して角度θ傾いており、この傾きによって光源５から出射された光を直接受けることができるようになっている。また、光源５から出射された光のうち、透明基板２１の上面側（第１の光路変換層２２側）に直接入射される光は、必ず上記傾斜面Ｐに入射されるように、第１の光路変換層２２の凹凸が設定されている。

上記傾斜面Ｐにおける第１の光路変換層２２と低屈折率層２３との界面では、光源５から入射された光を全反射させる必要がある。このため、低屈折率層２３の屈折率は、第１の光路変換層２２の屈折率よりも低くなっている。

さらに、上記傾斜面Ｐに対する光の入射角は、傾斜面Ｐの界面における臨界角よりも大きくなる必要がある。ここで、上記傾斜面Ｐによって反射される前の光の、基板法線に対する入射角をα_１とし、上記傾斜面Ｐによって反射された後の光の、基板法線に対する出射角をα_２とする。この場合、上記傾斜面Ｐに対する光の入射角は（α_１−θ）となるため、第１の光路変換層２２の屈折率をｎ_２２と低屈折率層２３の屈折率をｎ_２３とすると、
α_１−θ＞ｓｉｎ（ｎ_２３／ｎ_２２）＝（傾斜面Ｐの界面における臨界角）
となるように上記θが設定される。尚、傾斜面Ｐによって反射される前の光は、光源５からの距離によってその大きさの多少の変動はあるが、基板法線に対してほぼ直交する方向に近い光であるため、α_１＝９０°と近似することができる。

また、上記傾斜面Ｐによって反射される前の光と反射された後の光とを比較すると、
α_１−θ＝α_２＋θ
であることから、
α_２＝α_１−２θ
となる。上記式より、上記傾斜面Ｐで反射された光は、反射前の光よりも基板法線方向に近い角度となるように進行方向が変換されていることが分かる。

ここで、第１の光路変換層２２の材料を一般的に用いられるガラス（屈折率を１．５２）とし、低屈折率層２３の材料を実用レベルで最も屈折率が低い二フッ化マグネシウム（屈折率を１．２８）とした時に、傾斜面Ｐの界面における臨界角は約５７°となる。この場合、上記傾斜面Ｐの傾斜角θは３３°未満とすればよく、低屈折率層２３材料の屈折率のバリエーションに伴う傾斜角θの変化範囲は、０°＜θ＜３３°となる。さらに、上記界面での全反射を効率良く起こすためには、第１の光路変換層２２と低屈折率層２３との屈折率差が０．０５以上であることが望ましく、これより、傾斜角θの範囲は、１５°＜θ＜３３°とすることがより好ましい。

また、第１の光路変換層２２の上記凹凸の形状においては、傾斜面Ｐ以外の面の傾斜角については特に限定する必要が無く、任意の傾斜角を設定することができる。

尚、図１に示す第１の光路変換層２２においては、上記傾斜面Ｐが等ピッチで形成されているような記載となっているが、該傾斜面Ｐの形成は等ピッチである必要はなく、光源５からの距離に応じてピッチを変えてもよい。例えば、傾斜面Ｐが等ピッチで形成した場合には、光源５から近いところでは光量分布が大きく、遠いところで光量分布Ｐが小さくなる傾向がある。このため、このような光源距離に起因する光量分布の不均一を補正するために、光源５から近いところでは上記傾斜面Ｐのピッチを大きくとり、光源５から遠いところではピッチを小さくするような構成が考えられる。また、上記傾斜面Ｐの傾斜角θについても、入射される光の入射角α_１の変動に合わせて、光源５からの距離に応じて異ならせてもよい。例えば、光源５から近いところではθを小さく、遠いところではθを大きくするような構成が考えられる。

光源５から出射された後、第１の光路変換層２２と低屈折率層２３との界面で反射された光は、再び透明基板２１を透過して背面側に配置された偏光板２５にて所望の方向に直線偏光化され、さらに第２の光路変換層２６に入射する。

第２の光路変換層２６に入射された光は、第２の光路変換層２６の外面（第２の光路変換層２６と第２の光路変換層２６の外側にある空気層等との界面）にて反射され、前面側に折り返される。第２の光路変換層２６の外面にて反射された光は、その後、偏光板２５、透明基板２１、第１の光路変換層２２、低屈折率層２３、液晶層３、前面側基板部１を透過して観察者に向けて出射され、表示光として機能する。

また、第２の光路変換層２６の外面は、第１の光路変換層２２と同様に凹凸を有する面であるため、第２の光路変換層２６の外面にて反射される光は、その反射を受ける箇所によってその進行方向の角度が変わることがありうる。第２の光路変換層２６における凹凸については後述するが、少なくとも第２の光路変換層２６における凹凸は、光路Ａを辿る光に対しての反射機能をも考慮してその形状が適切に設計される必要がある。

次には、光路Ｂを辿る光について説明する。

光路Ｂを辿る光は、透明基板２１の側面に配置した光源５から出射された後、透明基板２１と第２の光路変換層２６との界面に入射する。ここで、第２の光路変換層２６の屈折率は、入射される光において反射や屈折が生じずに第２の光路変換層２６を透過するように、透明基板２１の屈折率と略一致させるか、透明基板２１の屈折率よりも小さいものとすることが好ましい。但し、その後の光路において、第２の光路変換層２６から透明基板２１に向けての進入もあり、この光の進入の際も反射や屈折を生じさせないようにする必要があるため、透明基板２１の屈折率と第２の光路変換層２６の屈折率とは略一致させることが最も好ましい。

第２の光路変換層２６を透過した光は、次に、第２の光路変換層２６の外面（第２の光路変換層２６と第２の光路変換層２６の外側にある空気層等との界面）に入射する。このとき、上記入射光は、第２の光路変換層２６の凹凸によってこの外面にて反射される。この反射によって、上記入射光は、前面側へ折り返すと共に、反射前の光よりも反射後の光の方が基板法線方向に近い角度となるように進行方向が変換される。

ここで、第２の光路変換層２６において形成される凹凸は、上述した第１の光路変換層２２において形成される凹凸と類似した作用を生じており、第２の光路変換層２６において第１の光路変換層２２と同一形状の凹凸を有する部材を用いることが可能である。しかしながら一方で、光路Ａと光路Ｂとでは、第１の光路変換層２２または第２の光路変換層２６で最初に反射された後の光路条件（観察者側に出射されるまでの反射回数等）が異なる。このため、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６は、光路Ａ、光路Ｂのそれぞれで最適な出射光が得られるような形状に設計されることが好ましく、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６の凹凸が同一形状である必要は無い。

第２の光路変換層２６の外面にて反射された光は、その後、偏光板２５、透明基板２１、第１の光路変換層２２、低屈折率層２３、液晶層３、前面側基板部１を透過して観察者に向けて出射され、表示光として機能する。

以上のように、本実施の形態１に係る液晶表示装置では、透明基板２１の前面側に第１の光路変換層２２および低屈折率層２３が設けられている。このため、光源５から出射され透明基板２１の上面側（第１の光路変換層２２側）に直接入射する光は、第１の光路変換層２２と低屈折率層２３との界面で全反射されて背面側に折り返すと共に、この全反射の際に反射前の光よりも反射後の光の方が基板法線方向に近い角度となるように進行方向が変換される。また、背面側に折り返された光は、第２の光路変換層２６によって反射され、観察者側に出射する。

上記の作用により、本実施の形態１に係る液晶表示装置では、第１の光路変換層２２を有していない従来構造に比べ、光源５から出射した後、基板に対してほぼ水平方向を維持して反射されることで、光源を配置した側面とは逆側の側面からそのまま出射してしまうような光が無くなる。このため、光源５から出射する光の利用効率が向上し、明るく良好な画像を表示することができるようになる。

また、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６において、上記凹凸を形成するための構造物の形状としては、例えば凹凸面の何れかの面が光源５の配置された入射面に対して対向するように配置されたストライプ状の凹凸面を有する形状であってもよく、あるいは、凹凸面の何れか一面が入射面に対して対面するように配置された三角錐形状や四角錐形状又は円錐形状や、多角柱構造等を用いることができる。

上記凹凸を形成するための構造物を、ストライプ状の凹凸面を有する形状とした場合、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６の製造が簡易となるといった利点がある。しかしながら、この場合には、入射面に対して対向する面（すなわち、図２における面Ｐ）がストライプ状に形成されるため、液晶層３に対して入射される光においてもストライプ状の強度ムラが生じる恐れがある。

これに対し、上記凹凸を形成するための構造物において、三角錐形状や四角錐形状又は円錐形状や、多角柱構造等を用いた場合、液晶層３に対して入射される光においてもストライプ状の強度ムラが生じず、より均一な入射光の強度分布が得られる。

また、第一の透明基板２１の側面に配置さる光源５は、その前面側の端部が、透明基板２１と第１の光路変換層２２との境界面よりも、前面側にはみ出さないように配置されることが好ましい。すなわち、上記光源５の前面側の端部が、透明基板２１と第１の光路変換層２２との境界面よりも前面側にはみ出した場合、第１の光路変換層２２や低屈折率層２３等の部材の側面からも光が入射してしまう。このような光は、部材の界面において想定外の反射を生じ、そのまま観察者側へ出射してしまう恐れがあり、余分な光抜けが発生してコントラストを低下してしまう。

第一の透明基板２１の側面に配置さる光源５は、その前面側の端部が透明基板２１と第１の光路変換層２２との境界面よりも、前面側にはみ出さないように配置すれば、上述のような不所望な光抜けを防止でき、コントラストの低下のない良好な画像を得ることができる。

また、第２の光路変換層２６のさらに背面側には、有機樹脂などからなる反射シートを配置したり、金属薄膜からなる全反射膜を形成することで、第２の光路変換層２６を透過してしまった光を再び観察者側へ戻すことができ、光源５から出射される光をロス無く表示光として用いることができる。

ここで、反射シートの厚みは、一般的に０．１〜０．２ｍｍ程度の厚みを有するので、薄型化の観点からは、図３に示したように、第２の光路変換層２６の背面側に金属薄膜からなる全反射膜２７を形成することが好ましい。このような全反射膜２７は、アルミニウム、金、銀、銅、クロム、モリブデン、チタン、パラジウムなどの合金からなる金属薄膜を用いることができる。

〔実施の形態２〕
図４は、本実施の形態２に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態２に係る液晶表示装置は、実施の形態１に係る液晶表示装置と類似した構成を有しているため、図１と同様の構成部分については、同一の部材番号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４に示される上記液晶表示装置は、図１における背面側基板部２に代えて、背面側基板６を用いた構成となっている。また、背面側基板６は、背面側基板部２と比べ、低屈折率層２３と透明電極２４との間に光散乱層２８が形成されている点が異なっている。

上記液晶表示装置において、光源５から出射した光は、第１の光路変換層２２、低屈折率層２３および第２の光路変換層２６の作用によって、図４中経路（Ａ），（Ｂ）に示すように、観察者側へと光路変換されて光散乱層２８に入射する。背面側基板６において、光散乱層２８に入射されるまでの光の経路は、背面側基板部２と同様である。

光散乱層２８は、第１の光路変換層２２、低屈折率層２３および第２の光路変換層２６の作用によって観察者側の正面方向へ集光された光に対して、さらに散乱効果を与える。このため、光散乱層２８を備えた本実施の形態２に係る液晶表示装置では、基板面内の輝度分布バラツキを無くし、良好な表示を得ることができる。

また、光散乱層２８は、本実施の形態２では低屈折率層２３の直上層として新たに形成しているが、特にこの構成に限定されるものでは無く、透明基板１１および透明基板２１の間であれば、何れの層の間隙に形成されていても良い。また、カラーフィルターを形成する場合には、カラーフィルター自体に光散乱性を付与しても良く、又は、カラーフィルターを平坦化するためのオーバーコート自体に光散乱性を付与しても良い。

ここで、光散乱性の付与は、無機粒子、例えばアルミナやシリカなどの微細粒子を光散乱層中に分散させて光散乱性を付与する方法や、高分子モノマーの架橋反応を利用して、有機微粒子を分散させて光散乱性を付与する方法等が挙げられる。

〔実施の形態３〕
図５は、本実施の形態３に係る液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施の形態３に係る液晶表示装置は、実施の形態１に係る液晶表示装置と類似した構成を有しているため、図１と同様の構成部分については、同一の部材番号を付し、その詳細な説明を省略する。

図５に示される上記液晶表示装置は、図１における背面側基板部２に代えて、背面側基板７を用いた構成となっている。また、背面側基板７は、背面側基板部２と比べ、低屈折率層２３と透明電極２４との間に金属薄膜からなる半透過反射膜２９が形成されている点が異なっている。

ここで、半透過反射膜２９は、金属薄膜の膜厚を調整して得ることのできるハーフミラー型の半透過反射膜や、開口部を設けた全反射性の金属薄膜からなる半透過反射膜等から形成することができる。また、この金属薄膜はアルミニウム、金、銀、銅、クロム、モリブデン、チタン、パラジウムなどの金属の合金により形成することができる。

上記液晶表示装置においては、光源５を点灯させて表示を行う透過表示モードと、反射表示モードとでの表示が可能となる。

先ずは、透過表示モードについて説明する。透過表示モードでは、光源５から出射した光は、第１の光路変換層２２、低屈折率層２３および第２の光路変換層２６の作用によって、図５中経路（Ａ），（Ｂ）に示すように、観察者側へと光路変換されて半透過反射膜２９に入射する。背面側基板７において、半透過反射膜２９に入射されるまでの光の経路は、背面側基板部２と同様である。経路（Ａ），（Ｂ）を辿って半透過反射膜２９に入射された光のうち、の透過機能によって、該半透過反射膜２９を透過した光が表示光として利用される。

次に、反射表示モードについては、図５中経路（Ｃ）で示すように、観察者側から入射される外光が前面側基板部１を透過して、液晶層３へ入射する。液晶層３へ入射された外交は、さらに半透過反射膜２９に入射し、該半透過反射膜２９で反射されて再び観察者側へ出射することによって、反射型の表示を行うことができる。

また、半透過反射膜２９としては、屈折率の異なる誘電体を積層してなる誘電体多層膜を用いることもできる。この場合にも、上記の金属薄膜を半透過反射膜２９として用いる場合と同様に、透過表示モードと反射表示モードを切り替えて表示を行う半透過型液晶表示装置として用いることができる。

上記誘電体多層膜としては、低屈折率誘電体として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、あるいは、あるいは二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等が挙げられ、高屈折率誘電体として、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）や二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等が挙げられ、上記誘電体多層膜は低屈折率誘電体と高屈折率誘電体を順に積層することで得られる。

尚、上記実施の形態１ないし３に示した液晶表示装置では、カラーフィルターや保護膜や絶縁膜等は特に示されていないが、必要に応じて透明基板上に形成すればよい。

また、本発明の液晶表示装置の駆動方法に関しては特に限定されることは無く、アクティブマトリクス方式やパッシブマトリクス方式など任意に選択すればよい。

さらに、上記実施の形態１ないし３においては、光源５から出射される光を経路（Ａ），（Ｂ）の２種類の光に大別して説明している。ここで、上記経路（Ａ），（Ｂ）を辿る光は、光源５から出射される全ての光のうち、最も好適な態様で表示に寄与する光である。しかしながら、光源５から出射される全ての光が経路（Ａ），（Ｂ）を辿るように、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６を設計することは不可能であるか、もしくは困難である。

すなわち、光源５から出射される光のうち、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６の間で複数回の反射が繰り返されて透明基板２１側面から反射されたり、所望の反射を受けずに基板法線方向に対して大きく傾いた状態で背面側基板から出射される光が一部存在することが考えられる。

但し、第１の光路変換層２２および第２の光路変換層２６の凹凸を適切に設計することによって、光源５から出射される全ての光のうち、経路（Ａ），（Ｂ）を辿る光の割合を増加させ、従来と比較してより明るい表示を行うことは充分に可能である。

以下に、本実施の形態に係る液晶表示装置の評価について説明する。

実施例１として、図１に示す構成の液晶表示装置を以下の方法にて作成した。ここでは、観察者側に配置する透明基板１１と背面側に配置する透明基板２１とには、屈折率が１．５２の無アルカリガラスを用いた。

まず、透明基板１１にＩＴＯからなる透明電極１３を形成し、可溶性ポリイミドを透明電極１３上に印刷した後、焼成を行った。次に、配向膜面をラビング処理によって所定の配向方向になるように配向処理を行い、観察者側に配置する基板を得た。

次に、あらかじめ所定の形状（本実施例では四角錘形状）に形成された金型を用い、整形したアクリル系ネガレジストの転写フィルムを、透明基板２１上に高温下で転写し、これを紫外線照射により硬化することで、透明基板２１上に第１の光路変換層２２を形成した。次に、第１の光路変換層２２の上層に、低屈折率層２３として、屈折率１．３１の低屈折率材料ＨＦ−７０７（商品名；日立化成工業株式会社製）を成膜した。

低屈折率層２３の上層には、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の３色からなるカラーフィルターを形成し、熱硬化樹脂からなる平坦化層を形成した（カラーフィルターと平坦化層とは図１において図示せず）。

平坦化層の上層に、ＩＴＯからなる透明電極２４を形成して、その上層に観察者側基板２と同様に配向膜形成し、ラビング処理を行い背面側の基板を得た。

上記のようにして得られた観察者側に配置する透明基板１１と背面側に配置する透明基板２１とを、枠状のシール４を周辺部に形成して、ＩＴＯからなる透明電極１３，２４同士を対向するように貼り合せて、液晶層３としてネマティック液晶のＺＬＩ−４７９２（商品名：メルクジャパン株式会社製）を封入した。

一対の透明基板１１，２１には、それぞれの基板に形成した配向膜の配向方向と偏光板透過軸が一致するように、偏光板１２，２５としてＳＥＧ−１４２５ＤＵ（商品名；日東電工株式会社製）を貼り付けた。

さらに、上記偏光板１２，２５の背面側に、予め所定の凹凸パターンを形成した金型により作成（本実施例では、四角錘パターン）したアクリル樹脂からなる第２の光路変換層２６を上記偏光板２５の背面側に貼り付けて形成した。

次に、上記のようにして得られた液晶表示パネルの透明基板２１の側面に３個のＬＥＤからなる光源５を配置して本実施例１の液晶表示装置を得た。

実施例２として、図３に示す構成の液晶表示装置を作成した。すなわち、実施例１にて示した液晶表示装置において、第２の光路変換層２６のさらに背面側に、銀とパラジウムとの９８：２（重量比）の合金からなる全反射膜２７を１０００Åの膜厚で形成し、本実施例２の液晶表示装置を得た。

実施例３として、図４に示す構成の液晶表示装置を作成した。すなわち、実施例１にて示した液晶表示装置において、低屈折率層２３のさらに上層に（前面側に）、アクリル系の樹脂材料の転写フィルムである「ＲＦシリーズ」（商品名：日立化成工業株式会社製）を光散乱層２８として形成し、本実施例３の液晶表示装置を得た。

実施例４として、図５に示す構成の液晶表示装置を作成した。すなわち、実施例１にて示した液晶表示装置において、低屈折率層２３のさらに上層に（前面側に）、金属薄膜からなる半透過反射膜２９を、銀：パラジウム＝９８：２の合金にて、反射率：透過率＝７：３となるように膜厚２８０Åで形成し、本実施例４の液晶表示装置を得た。

実施例５として、図５に示す構成の液晶表示装置を作成した。すなわち、実施例１にて示した液晶表示装置において、低屈折率層２３のさらに上層に（前面側に）、ＳＩＯ_２とＴｉＯ_２からなる誘電体多層膜を順に３層積層して半透過反射膜２９を形成し、本実施例５の液晶表示装置を得た。

〔比較例１〕
比較例１として、図７に示す構成の液晶表示装置を作成した。すなわち、実施例１にて示した液晶表示装置において、凹凸構造を持つ第１の光路変換層２２を形成せず、透明基板２１（図７では透明基板１０１）上に低屈折率層２３（図７では低屈折率層１１６）を直接形成し、本比較例１の液晶表示装置を得た。

〔評価結果〕
上記のようにして作成した実施例１ないし５、および比較例１の液晶表示装置についての評価結果を以下に示す。

まず、透過型液晶表示装置の実施例１ないし３と比較例１とについて、液晶層を電圧無印加状態（ノーマリホワイト）とした場合の輝度と面内輝度バラツキ（表示品位：輝度ムラ目視判定）とについて評価を行った結果を以下に示す。尚、輝度については、色彩輝度計ＢＭ５（商品名：ＴＯＰＣＯＮ製）を用いて２°視野にて測定を行った。

上記表１より、比較例１の液晶表示装置と比較して、実施例１ないし３の各液晶表示装置は、光源からの出射光を効率良く観察者側に出射させることができるため、大きく輝度が向上していることがわかる。

また、実施例１と実施例２とを比較して、第２の光路変換層２６の背面に金属薄膜からなる全反射膜２７を形成することにより、第２の光路変換層２６での反射効率が向上し、輝度が向上し更に良好な明るい画像が得られることが分かる。

また、実施例１と実施例３とを比較して、低屈折率層２３の上層に形成した光散乱層２８によって面内輝度分布を均一化することによって、面内に輝度ムラのない明るい良好な画像を得られることがわかる。

次に、半透過型液晶表示装置の実施例４及び実施例５について、暗所にて表示を確認したところ、背面側の透明基板の側面に配置したＬＥＤ光源から光を効率良く観察者側に出射させることができ透過型表示として明るい画像を表示できることがわかった。

また、ＬＥＤ光源の点灯をやめて、外光のみで表示を行ったところ、実施例４（金属薄膜からなる半透過反射膜）、実施例５（誘電体多層膜からなる半透過反射膜）のいずれの場合にも良好な反射型表示を得ることができた。

以上のように、本液晶表示パネルは、一対の透明基板間に液晶層を充填してなる液晶表示パネルにおいて、上記一対の透明基板のうち、観察者側から見て背面に配置される透明基板に対して、その前面側に、上記透明基板とほぼ等しい屈折率を有すると共に、所定の凹凸面が形成されてなる第１の光路変換層と、上記第１の光路変換層の前面側に該第１の光路変換層の凹凸面と接触して形成されると共に、該第１の光路変換層よりも小さい屈折率を有する低屈折率層とを配置し、その背面側に、所定の凹凸面が形成されてなる第２の光路変換層を配置している構成である。

上記の構成によれば、背面側透明基板の側面に光源を配置することで薄型化を図っているバックライト型の液晶表示装置に使用される液晶表示パネルにおいて、上記背面側透明基板の前面側に、所定の凹凸面が形成された第１の光路変換層と低屈折率層とが形成されている。

そして、第１の光路変換層の凹凸面は、これを適切な形状に設計することで、第１の光路変換層と低屈折率層との界面において、Ａ）光源から直接入射される光（水平に近い光）をより基板法線方向に近い光に変換して全反射させる作用、Ｂ）基板法線方向に近い光が入射されるとこれを透過させる作用を得ることができる。

また、第２の光路変換層の凹凸面は、これを適切な形状に設計することで、光源から直接入射される光をより基板法線方向に近い光に変換して反射する作用を得ることができる。

つまり、光源から照射される光は、最初に第１の光路変換層の凹凸面もしくは第２の光路変換層の凹凸面にて反射され、このとき、水平に近い光からより基板法線方向に近い光に変換されるため、背面側透明基板における光源が設けられた側面の逆対面から出射されることがなく、光源からの光のロスを減らし、明るい画像表示を行うことができる。尚、光源から照射された後、最初に第１の光路変換層の凹凸面にて反射された光は、次に第２の光路変換層の凹凸面にて反射され、さらに第１の光路変換層の凹凸面を透過して、観察者側（前面側）に出射される。

また、上記液晶表示パネルは、上記第２の光路変換層のさらに背面側に、全反射膜が形成されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、上記第２の光路変換層の背面側から抜ける光を無くすことができ、光源からの光のロスをさらに減らして、明るい画像表示を行うことができる。

また、上記液晶表示パネルは、上記一対の透明基板間に、少なくとも一層の光散乱層が形成されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、上記光源から出射される光を、上記光散乱層によって面内輝度分布がより均一化された光として観察者側に出射することができ、面内に輝度ムラのない明るい良好な画像を得ることができる。

また、上記液晶表示パネルは、上記低屈折率層の前面側に、半透過反射膜が形成されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、上記液晶表示パネルを半透過反射型の液晶表示パネルとして用いることができる。

また、本液晶表示装置は、上記記載の何れかの液晶表示パネルを用いた液晶表示装置であって、上記一対の透明基板のうち、観察者側からみて背面に配置される背面側透明基板の少なくとも一側面に光源が配置されている構成である。

上記の構成によれば、上述した液晶表示パネルと同一の作用により、光源からの光のロスを減らし、明るい画像表示を行うことができる。

また、上記液晶表示装置では、上記光源の前面側の端部は、上記透明基板と第１の光路変換層との境界面よりも、前面側にはみ出さないように配置されている構成とすることが好ましい。

上記の構成によれば、第１の光路変換層や低屈折率層等の部材の側面からも光が入射し、これらの入射光が部材の界面において想定外の反射を生じ、そのまま観察者側へ出射してコントラストを低下させるといった不具合を防止できる。

また、本液晶表示装置は、一対の透明基板間に液晶層を充填してなる液晶表示パネルを備え、上記一対の透明基板のうち、観察者側から見て背面に配置される背面側透明基板の少なくとも一側面に光源が配置されている液晶表示装置において、上記背面側透明基板の前面側に、光源から直接入射される光をより基板法線方向に近い光に変換して全反射する機能、および基板法線方向に近い光が入射されるとこれを透過させる機能を備えた、所定の凹凸形状を有する界面が存在し、上記背面側透明基板の背面側に、光源から直接入射される光をより基板法線方向に近い光に変換して反射する機能を備えた、所定の凹凸形状を有する反射面が存在する構成である。

上記の構成によれば、光源から照射される光は、最初に、上記背面側透明基板の前面側に存在する界面、もしくは上記背面側透明基板の背面側に存在する反射面にて反射され、このとき、水平に近い光からより基板法線方向に近い光に変換されるため、背面側透明基板における光源が設けられた側面の逆対面から出射されることがなく、光源からの光のロスを減らし、明るい画像表示を行うことができる。尚、光源から照射された後、上記背面側透明基板の前面側に存在する界面にて反射された光は、次に上記背面側透明基板の背面側に存在する反射面にて反射され、さらに上記界面を透過して、観察者側（前面側）に出射される。

薄型・軽量化を図った液晶表示パネルおよび液晶表示装置において、光源からの光のロスを減らした明るい画像表示が可能となり、携帯電話、ＰＤＡ等のモバイル機器に適用できる。

Claims (7)

1. 一対の透明基板間に液晶層を充填してなる液晶表示パネルにおいて、
   上記一対の透明基板のうち、観察者側から見て背面に配置される背面側透明基板に対して、
   その前面側に、上記背面側透明基板とほぼ等しい屈折率を有すると共に、所定の凹凸面が形成されてなる第１の光路変換層と、上記第１の光路変換層の前面側に該第１の光路変換層凹凸面と接触して形成されると共に、該第１の光路変換層よりも小さい屈折率を有する低屈折率層とを配置し、
   その背面側に、所定の凹凸面が形成されてなる第２の光路変換層を配置している液晶表示パネル。
2. 上記第２の光路変換層のさらに背面側に、全反射膜が形成されている請求項１に記載の液晶表示パネル。
3. 上記一対の透明基板間に、少なくとも一層の光散乱層が形成されている請求項１に記載の液晶表示パネル。
4. 上記低屈折率層の前面側に、半透過反射膜が形成されている請求項１に記載の液晶表示パネル。
5. 上記請求項１ないし４の何れかに記載の液晶表示パネルを用いた液晶表示装置であって、
   上記一対の透明基板のうち、観察者側からみて背面に配置される背面側透明基板の少なくとも一側面に光源が配置されている液晶表示装置。
6. 上記光源の前面側の端部は、上記背面側透明基板と第１の光路変換層との境界面よりも、前面側にはみ出さないように配置されている請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 一対の透明基板間に液晶層を充填してなる液晶表示パネルを備え、上記一対の透明基板のうち、観察者側から見て背面に配置される背面側透明基板の少なくとも一側面に光源が配置されている液晶表示装置において、
   上記背面側透明基板の前面側に、光源から直接入射される光をより基板法線方向に近い光に変換して全反射する機能、および基板法線方向に近い光が入射されるとこれを透過させる機能を備えた、所定の凹凸形状を有する界面が存在し、
   上記背面側透明基板の背面側に、光源から直接入射される光をより基板法線方向に近い光に変換して反射する機能を備えた、所定の凹凸形状を有する反射面が存在する液晶表示装置。

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