JPH0990431A - 反射型ゲストホスト液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カラーフィルタを用いる事なく反射型ゲスト
ホスト液晶表示装置をマルチカラー化する。 【解決手段】 反射型ゲストホスト液晶表示装置の上側
基板１には透明電極３が形成されている。下側基板２に
は電極４及び反射層１３が形成されていると共に、両基
板の間隙には電気光学体５が保持されており、印加電圧
に応じて画素毎に光変調を行なう。電気光学体５は二色
性色素８を含有し且つ透明電極３に沿って一様に配向し
たゲストホスト型の液晶層６と、所定の光学異方軸を有
し反射層１３に沿って成膜された位相差層７とを含む積
層構造を有する。位相差層７は反射層１３で反射される
振動成分の往復路中に介在しその振動方向を９０°回転
して吸収状態にある液晶層６に再入射する。この際、位
相差層７のリターデーションを画素毎に最適化して再入
射時液晶層６によって吸収される振動成分の波長に選択
性を持たせてカラー表示を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射型ゲストホスト
液晶表示装置に関する。より詳しくは、位相差板を用い
る一方偏光板を除く事により入射光の利用効率を改善す
る技術に関する。さらに詳しくは、位相差板に波長選択
性を持たせてマルチカラー表示を可能にする技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置には種々のモードがあり、
現在ツイスト配向又はスーパーツイスト配向されたネマ
ティック液晶を用いたＴＮモードあるいはＳＴＮモード
が主流となっている。しかしながら、これらのモードは
動作原理上一対の偏光板が必要であり、その光吸収があ
る為透過率が低く明るい表示画面が得られない。これら
のモードの他、二色性色素を利用したゲストホストモー
ドも開発されている。ゲストホストモードの液晶表示装
置は液晶に添加した二色性色素の吸収係数の異方性を利
用して表示を行なうものである。棒状構造の二色性色素
を用いると、色素分子は液晶分子に平行に配向する性質
があるので、電界を印加して液晶の分子配向を変化させ
ると、色素の配向方向も変化する。この色素は方向によ
って着色したりしなかったりするので、電圧を印加する
事によって液晶表示装置の着色、無色を切り換える事が
できる。

【０００３】図６はハイルマイヤー（Ｈｅｉｌｍｅｉｅ
ｒ）型ゲストホスト液晶表示装置の構造を示しており、
（Ａ）は電圧無印加状態を表わし、（Ｂ）は電圧印加状
態を表わしている。この液晶表示装置はｐ形色素と誘電
異方性が正のネマティック液晶（Ｎ_p 液晶）を用いてい
る。ｐ形の二色性色素は分子軸に略平行な吸収軸を持っ
ており、分子軸に平行な偏光成分Ｌｘを強く吸収し、そ
れに垂直な偏光成分Ｌｙは殆ど吸収しない。（Ａ）に示
す電圧無印加状態では、入射光に含まれる偏光成分Ｌｘ
がｐ形色素により強く吸収され、液晶表示装置は着色す
る。これに対し、（Ｂ）に示す電圧印加状態では、誘電
異方性が正のＮ_p 液晶が電界に応答して立ち上がり、こ
れに合わせてｐ形色素も垂直方向に整列する。この為、
偏光成分Ｌｘは僅かに吸収されるだけで液晶表示装置は
略無色を呈する。入射光に含まれる他方の偏光成分Ｌｙ
は電圧印加状態及び電圧無印加状態の何れであっても二
色性色素によって吸収される事は殆どない。従って、ハ
イルマイヤー型ゲストホスト液晶表示装置では、予め１
枚の偏光板を介在させ、他方の偏光成分Ｌｙを取り除
き、コントラストの改善を図っている。

【０００４】ネマティック液晶を用いたゲストホスト液
晶表示装置では、ゲストとして添加する二色性色素がネ
マティック液晶と同様に配向する。液晶の配向方向と平
行な偏光成分は吸収するが、これと直交する偏光成分は
殆ど吸収しない。従って、十分なコントラストを得る為
に、液晶表示装置の入射側に１枚の偏光板を配置し、入
射光の偏光方向を液晶の配向方向と一致させている。し
かしながら、この様にすると偏光板により原理的には入
射光の５０％（実際には４０％程度）が失われる為、表
示がＴＮモードの様に暗くなってしまう。この問題を改
善する手法として、単に偏光板を取り除いただけでは吸
光度のオンオフ比が著しく低下するので適当ではなく、
種々の改善策が提案されている。例えば図７に示す様
に、入射側から偏光板を除去する一方、出射側に位相差
板及び反射板を取り付けた反射型ゲストホスト液晶表示
装置が提案されている。この方式では、互いに直交する
２つの偏光成分Ｌｘ，Ｌｙが、四分の一波長板として機
能する位相差板によって往路及び復路で偏光方向を９０
°回転させ、偏光成分の入れ替えが行なわれる。従っ
て、（Ａ）に示すオフ状態（吸収状態）では、各偏光成
分Ｌｘ，Ｌｙが入射光路か反射光路の何れかで吸収を受
ける事になる。又（Ｂ）に示すオン状態（透過状態）で
は何れの偏光成分Ｌｘ，Ｌｙも殆ど吸収を受ける事はな
い。これにより、入射光の利用効率が著しく改善でき、
表示装置が明るくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示した反射型ゲストホスト液晶表示装置は位相差板を用
いる事により入射光の利用効率を向上できるが、ゲスト
として用いる二色性色素の色調しか表示する事ができな
い。例えば、黒色の二色性色素を使用した場合、印加電
圧を変化させて中間調表示を行なったとしても、黒、
灰、白の様に明度が変化するのみである。即ち、従来の
方式では表示のマルチカラー化やフルカラー化ができな
い。ところで、カラー化を実現する為には一般にカラー
フィルタを表示装置に組み込む事が行なわれている。し
かしながら、カラーフィルタを用いるとオン状態（透過
状態）でも入射光はカラーフィルタによる吸収を受ける
為白表示が暗くなる欠点が生じる。又、液晶分子及び二
色性色素の長軸方向が基板に対し垂直となっている透過
状態でも入射光は二色性色素の短軸方向に若干吸収され
る為、この分がカラーフィルタによる吸収に加わる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為、以下の構成を有する反射型ゲストホス
ト液晶表示装置を提案するものである。即ち、本発明に
かかる反射型ゲストホスト液晶表示装置は基本的な構成
として、電極が形成され且つ入射光を受け入れる一方の
基板と、同じく電極が形成され且つ所定の間隙を介して
該一方の基板に対向配置した他方の基板と、該間隙に保
持され両電極の間に印加される電圧に応じて画素毎に光
変調を行なうゲストホスト型の液晶層と、該他方の基板
に配置した位相差板及び反射板とを有する。前記液晶層
は印加電圧に応じて吸収状態と透過状態に変化し、吸収
状態では入射光に含まれる第１振動成分を略吸収する一
方これと直交する第２振動成分を略透過する。透過状態
では両振動成分を略透過する。前記位相差板層は該反射
板で反射される第２振動成分の往復路中に介在し該第２
振動成分を第１振動成分に変換して吸収状態にある該液
晶層に再入射する。特徴事項として、該位相差板のリタ
ーデーションを画素毎に最適化して再入射時該液晶層に
よって吸収される第１振動成分の波長に選択性を持たせ
てカラー表示を行なう。

【０００７】具体的には、該位相差板は画素毎に異なる
厚みに設定してリターデーションを最適化する。又、前
記位相差板は両基板の間隙に内蔵されている。さらに前
記反射板は両基板の間隙に内蔵されている。

【０００８】以上の様に本発明では、位相差板を有する
反射型ゲストホスト液晶表示装置において、位相差板の
リターデーションを画素毎に最適化する事により、出射
時に二色性色素によって吸収される光の波長に選択性を
持たせ、カラーフィルタや偏光板を用いる事なくマルチ
カラー表示を可能にしている。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明にかかる反射型ゲス
トホスト液晶表示装置の最良な実施形態を示している。
（Ａ）に示す様に、本装置は上側基板１と下側基板２と
を用いて組み立てられている。上側基板１はガラス等か
らなり透明電極３が形成され且つ入射光を受け入れる。
この透明電極３は例えば行方向に沿ってストライプ状に
パタニングされている。下側基板２には電極４が形成さ
れている。この電極４は例えば列方向に沿ってストライ
プ状にパタニングされている。従って、上側の透明電極
３と下側の電極４は行列状に交差して画素を規定し、単
純マトリクス型の液晶表示装置が得られる。なお、本発
明は単純マトリクス型に限られるものではなく所謂アク
ティブマトリクス型にも適用可能である事はいうまでも
ない。下側の電極４の表面には反射層１３が形成されて
いる。この反射層１３は内蔵型の反射板である。なお、
本発明はこれに限られるものではなく反射板を内蔵型と
する代わりに下側基板２の外側に取り付ける外装型であ
っても良い。又、下側の電極４と反射層１３を一体化し
て反射電極を形成しても良い。例えば、金属アルミニウ
ムを成膜した後ストライプ状にパタニングすれば所望の
反射電極４が得られる。下側基板２は所定の間隙を介し
て上側基板１に対向配置されている。この間隙には電気
光学体５が保持されており、上側の透明電極３と下側の
電極４の間に印加される電圧に応じて入射光の光変調を
画素単位で行なう。電気光学体５はゲストホスト型の液
晶層６と位相差層７とを含む積層構造を有する。液晶層
６は例えば黒色の二色性色素８を含有すると共に、透明
電極３に沿って一様に配向している。位相差層７は所定
の光学異方軸を有し、反射層１３に沿って成膜されてい
る。この位相差層７は内蔵型の位相差板である。但し、
本発明はこれに限られるものではなく内蔵型の位相差板
に代え、下側基板２の外側に位相差板を取り付けた外装
型としても良い事は勿論である。位相差層７の上には配
向膜１１が形成されている。又、透明電極３の表面にも
配向膜１０が形成されている。従って、液晶層６は上下
の配向膜１０，１１により保持されており、その配向状
態を予め制御している。

【００１０】液晶層６は印加電圧に応じて吸収状態と透
過状態に変化する。（Ａ）は吸収状態を表わしており、
入射光に含まれる第１振動成分Ｘを略吸収する一方、こ
れと直交する第２振動成分Ｙを略透過する。逆に、透過
状態では両振動成分Ｘ，Ｙを略透過する。図示する様
に、吸収状態ではネマティック液晶分子９は水平配向し
ており、これに応じて二色性色素８も水平配向してい
る。本例では電圧無印加で吸収状態を実現しており、電
圧印加で透過状態に変化する。この為、ネマティック液
晶分子９は正の誘電異方性を有し且つ配向膜１０，１１
により予め水平配向（ホモジニアス配向）に制御されて
いる。逆に、電圧印加で図示の吸収状態を実現する事も
できる。この場合には、ネマティック液晶分子９は負の
誘電異方性を有するものを用いる。かかる構成におい
て、位相差層７は反射層１３で反射される第２振動成分
Ｙの往復路中に介在し、第２振動成分Ｙを第１振動成分
Ｘに変換して、吸収状態にある液晶層６に再入射する。

【００１１】位相差層７は四分の一波長板として機能す
る。（Ｂ）に示す様に、その光学異方軸は吸収状態にあ
る液晶層の配向方向と４５°の角度で交差している。吸
収状態を透過した第２振動成分Ｙ（直線偏光成分）の振
動方向は配向方向と直交している。又、この第２振動成
分Ｙは光学異方軸と４５°の角度で交差している。第２
振動成分Ｙ（直線偏光成分）は四分の一波長板を透過す
ると円偏光に変換される。この円偏光は反射層１３で反
射された後再び四分の一波長板に入射すると第２振動成
分Ｙと直交する直線偏光（第１振動成分Ｘ）に変換され
る。この様にして変換された第１振動成分Ｘは吸収状態
にある液晶層６により吸収される事になる。

【００１２】本発明の特徴事項として、位相差層７のリ
ターデーションを画素毎に最適化して再入射時液晶層６
によって吸収される第１振動成分の波長に選択性を持た
せてカラー表示を行なっている。具体的には、位相差層
７は画素毎に異なる厚みに設定してリターデーションを
最適化している。例えば、画素毎に赤緑青の三原色に対
応した波長選択性を持たせると、フルカラー表示を行な
う事ができる。

【００１３】図２は、液晶層６の透過状態を表わしてお
り、ネマティック液晶分子９は垂直配向している。これ
に合わせて、二色性色素８も垂直配向している。従っ
て、第１振動成分Ｘ及び第２振動成分Ｙ共に二色性色素
８の短軸方向に沿った僅かな吸収分を除き液晶層６を略
全面的に透過する。反射光は第１振動成分と第２振動成
分が互いに入れ替わるだけであり、何等光変調を受けな
い。誘電異方性が正のネマティック液晶分子９は印加電
圧に応答して立ち上がり、垂直配向に変化する。なお、
前述した様に電圧無印加でネマティック液晶分子９の垂
直配向を実現する事も可能である。即ち、上下の配向膜
１０，１１の材料等を適宜選択する事により、ネマティ
ック液晶分子９を垂直配向（ホメオトロピック配向）す
る事ができる。この場合には、誘電異方性が負のネマテ
ィック液晶分子９を用い、電圧印加に応じて水平配向に
切り換える。この時、水平配向方向を一定とする為、垂
直配向状態で予めネマティック液晶分子９にプレチルト
を付けておく。

【００１４】引き続き図１及び図２を参照して、最良の
実施形態の具体的な構成を詳細に説明する。本液晶表示
装置において、液晶層６はネマティック液晶分子９から
なり、この中には黒色の二色性色素８が添加されてい
る。二色性色素８を混入した液晶層６は水平配向あるい
は垂直配向されている。下側の電極４の表面は反射層１
３で覆われており、本表示装置は反射型ディスプレイと
なっている。反射層１３の上には可視域４００〜７００
nmの波長に対してλ／４の位相差を付与できる透明な位
相差層７が形成されている。位相差層７のリターデーシ
ョンは画素毎に異なっており、所望の波長選択性が付与
されている。位相差層７の光学異方軸は液晶層６が水平
配向されている場合、その配向方向と４５°の角度をな
す様に設定されている。位相差層７は光学異方軸に沿っ
て一軸配向した液晶分子を含む高分子液晶材料で形成さ
れている。例えば、高分子液晶材料（液晶性高分子であ
る芳香族ポリエステル、シロキサン樹脂等）を用いて、
これをネマティック層あるいはスメクティックＡ相の温
度で基板上に配列させておいてから、室温に戻し固定す
る事で、一軸異方性の位相差層７が得られる。屈折率異
方性（Δｎ）の高い高分子液晶材料を用いてλ／４層を
形成すれば、その膜厚を十分に薄くできる。この位相差
層７と液晶層６との間にはパシベーション層を兼ねた配
向膜１１が介在している。配向膜１１としては感光性材
料を用いる事ができ、露光現像により画素毎にパタン化
できる様にしている。感光性材料としては例えばポリビ
ニルアルコール（ＰＶＡ）の水溶液に光架橋反応を起さ
せる為の重クロム酸アンモンを微量添加したものを用い
る事ができ、スピンコーティング等により基板上に塗布
できる。ＰＶＡは液晶層６に対して優れた配向性を有し
ており、配向膜１１として好適である。

【００１５】次に本発明の特徴要件となる位相差層の波
長選択性について詳細な説明を行なう。図３は吸収状態
にあるゲストホスト液晶層（吸光度の異方体）をモデル
的に表わしたものである。図示する様に吸光度の異方体
は楕円体Ａで表わされる。これに対し、吸光度の異方体
を通過する透過光は楕円体Ｂとしてモデル的に表わされ
る。透過光の楕円体Ｂは吸光度の低い方向に沿った第２
振動成分を多く含んでいる。

【００１６】図４は位相差層を屈折率楕円体Ｃとしてモ
デル的に表わしたものである。透過光の楕円体Ｂは屈折
率楕円体Ｃを通過した後反射層により反射され、再び屈
折率楕円体Ｃを通過して反射光の楕円体Ｄに変換され
る。前述した様に位相差層は特定の波長λに対して四分
の一波長分の位相差を付与する。位相差層を表わす屈折
率楕円体Ｃの長軸方向及び短軸方向の光の間に往復でλ
／２の位相差を与える事になり、透過光の楕円体Ｂは９
０°だけ回転して反射光の楕円体Ｄとなって出射する。
これにより、透過時に吸光度の低い方向の第２振動成分
を有している為吸収されにくかった光が、吸光度の高い
方向に沿った第１振動成分を持つ事となり、出射時に吸
光されやすくなる。

【００１７】ここで位相差層のリターデーションＲ＝Δ
ｎ・ｄについて考察を加える。なお、Δｎは前述した様
に屈折率異方性であり、ｄは位相差層の厚みを表わして
いる。リターデーションＲはΔｎとｄで決まる為一定で
ある。これに対してＲ＝Δｎ・ｄ＝λ／４の関係を満た
す特定の波長λのみが正確に四分の一波長分の位相差を
付与される。例えば、波長６００nmの光について往復で
λ／２の位相差を付与する様に位相差層のリターデーシ
ョンＲを設定する。即ち、２・Ｒ＝２・Δｎ・ｄ＝２・
（６００×１０^-9／４）＝３００nmである。これとは異
なる波長６００ｘnm（ｘは係数）の光に対しては２Ｒ＝
２・Δｎ・ｄ＝３００nm＝６００ｘ×１０^-9／２ｘとな
る。従って、６００ｘnmの波長の光に対してはλ／２ｘ
の位相差を発生させる。この様にｘが１以外となる波長
の光は図４に示したモデルとは異なり理想的に９０°回
転して出射してこない。この為、出射時の吸光効率が低
下する。換言すると、ｘが１以外である波長成分がある
程度透過する事になり、波長選択性が生じる。この波長
選択性を利用する事により二色性色素の色以外の表示が
可能になる。即ち、表示したい色調以外の波長の光がλ
／２に近くなる様に位相差層のリターデーションＲを形
成し、吸光効率を大きくするのである。この為には例え
ば位相差層の厚みｄを調整すれば良い。これにより表示
したい色の波長の光に対する吸光効率が低下し、出射光
中により多くその光波長成分が残存する事となる。例え
ば、位相差層の厚みｄを最適化する事で画素毎に赤緑青
の三原色に対する波長選択性を付与でき、フルカラー表
示も可能である。

【００１８】最後に図５を参照して波長選択性を持たせ
た位相差層７の形成方法を詳細に説明する。先ず工程
（ａ）で、ガラス等からなる基板２を洗浄した後その表
面にスパッタリング法又は真空蒸着法で導電膜を成膜す
る。この導電膜を所定の形状にパタニングして電極４に
加工する。次に電極４の上を反射層１３で被覆する。こ
の反射層１３を所定の方向に沿って下地ラビング処理す
る。さらに、反射層１３の上に高分子液晶材料を塗布す
る。この高分子液晶は、例えば安息香酸エステル系のメ
ソゲンをペンダントとした側鎖型の高分子液晶である。
この高分子液晶をシクロヘキサンとメチルエチルケトン
を８：２の割合で混合した溶液に、３〜５重量％溶解さ
せる。この溶液をスピンコートし、ガラス基板２上に高
分子液晶を成膜する。この時スピンコートの回転速度を
適当に設定する事で膜厚を制御でき、ひいては位相差層
のリターデーションを最適化できる。この後基板加熱を
行ない、一旦高分子液晶を光学的に等方性状態まで加温
する。続いて加熱温度を徐々に降下しネマティック層を
経て室温状態まで戻す。ネマティック層において高分子
液晶は反射層１３の下地ラビング方向に沿って配列し、
所望の一軸配向性が得られる。この一軸配向状態は基板
２を室温に戻す事により固定される。この様なアニール
処理により、高分子液晶材料に含まれる液晶分子は一軸
配向し、所望のリターデーションを有する位相差層７が
得られる。

【００１９】工程（ｂ）に進み、位相差層７の上に感光
性材料１１ａを塗布する。例えば、ＰＶＡの水溶液０．
１〜５wt％をスピンコートする。この時水溶液にＰＶＡ
の光架橋反応を起させる為例えば重クロム酸アンモンを
微量添加しておく。次に工程（ｃ）に進み、所望のマス
クＭを用いて水銀ランプあるいはキセノンランプで露光
処理を行なう。さらに工程（ｄ）に進み、水洗処理を施
すと露光されなかった感光性材料１１ａの部分が水に溶
解し、パタン化されたＰＶＡのポリマーからなる配向膜
１１が形成される。最後に工程（ｅ）で、この配向膜１
１をマスクとして基板２をｎ−ブタノンに浸漬すると、
配向膜１１により被覆されていない位相差層７の部分が
溶解しパタン化される事になる。従って、特定の画素の
みに所望のリターデーションを有する位相差層７を選択
的に形成できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、位
相差板を有する反射型ゲストホスト液晶表示装置におい
て、位相差板のリターデーションを画素毎に最適化する
事により、出射時に二色性色素によって吸収される光の
波長に選択性を持たせ、カラーフィルタや偏光板を用い
る事なくマルチカラー表示を可能にしている。又、透過
状態では光は二色性色素の短軸方向によってしか吸収さ
れない為、白表示を明るくする事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる反射型ゲストホスト液晶表示装
置の最良な実施形態を示す断面図及び平面図である。

【図２】図１に示した反射型ゲストホスト液晶表示装置
の動作説明に供する断面図である。

【図３】吸収状態にあるゲストホスト液晶層を吸光度の
楕円体としてモデル化した模式図である。

【図４】位相差層の作用を屈折率楕円体としてモデル化
した模式図である。

【図５】図１に示した反射型ゲストホスト液晶表示装置
に組み込まれる位相差層の形成方法を示す工程図であ
る。

【図６】従来の透過型ゲストホスト液晶表示装置を示す
断面図である。

【図７】従来の反射型ゲストホスト液晶表示装置を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ 上側基板 ２ 下側基板 ３ 透明電極 ４ 電極 ５ 電気光学体 ６ 液晶層 ７ 位相差層 ８ 二色性色素 ９ ネマティック液晶分子 １０ 配向膜 １１ 配向膜 １３ 反射層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極が形成され且つ入射光を受け入れる
   一方の基板と、電極が形成され且つ所定の間隙を介して
   該一方の基板に対向配置した他方の基板と、該間隙に保
   持され両電極の間に印加される電圧に応じて画素毎に光
   変調を行なうゲストホスト型の液晶層と、該他方の基板
   側に配置した位相差板及び反射板とを有し、 前記液晶層は印加電圧に応じて吸収状態と透過状態に変
   化し、吸収状態では入射光に含まれる第１振動成分を略
   吸収する一方これと直交する第２振動成分を略透過し、
   透過状態では両振動成分を略透過し、 前記位相差板は該反射板で反射される第２振動成分の往
   復路中に介在し該第２振動成分を第１振動成分に変換し
   て吸収状態にある該液晶層に再入射する反射型ゲストホ
   スト液晶表示装置であって、 該位相差板のリターデーションを画素毎に最適化して再
   入射時該液晶層によって吸収される第１振動成分の波長
   に選択性を持たせてカラー表示を行なう事を特徴とする
   反射型ゲストホスト液晶表示装置。
2. 【請求項２】 該位相差板は画素毎に異なる厚みに設定
   してリターデーションを最適化する事を特徴とする請求
   項１記載の反射型ゲストホスト液晶表示装置。
3. 【請求項３】 前記位相差板は両基板の間隙に内蔵され
   ている事を特徴とする請求項１記載の反射型ゲストホス
   ト液晶表示装置。
4. 【請求項４】 前記反射板は両基板の間隙に内蔵されて
   いる事を特徴とする請求項３記載の反射型ゲストホスト
   液晶表示装置。