液晶表示装置

专利摘要:
異方性吸収材を含む液晶材料を取り囲む第１のセル壁（１）、及び対向する第２のセル壁（２）、並びに前記第１のセル壁（１）の内側表面上に設けられた微細構造４）を含む液晶表示セル。微細構造（４）は、特別屈折率（ｎｅ）に比べて液晶材料の通常屈折率（ｎ０）により密接に整合する屈折率を有する材料から形成される。
公开号:JP2011507039A
申请号:JP2010538365
申请日:2007-12-21
公开日:2011-03-03
发明作者:キットソン，ステファン
申请人:ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー．；
IPC主号:G02F1-137

专利说明:

[0001] 本発明は、液晶表示装置に関する。]
背景技術

[0002] 従来の表示技術は、光をあまり有効に利用せず、したがって通常、非常に明るいバックライトを内蔵している。薄暗い光条件下において容易に見ることが可能なフルカラー反射型表示装置の作成は難しく、未だにその明確な解決法はない。]
[0003] 一つの候補技術は、異方性吸収材(いわゆるゲストホストデバイス）をドープした液晶（「ＬＣ」）の使用である。「ゲスト」吸収材は通常、ディレクタと呼ばれる「ホスト」ＬＣ分子の共通の整列方向に整合する性質を有する棒形、又は木摺（きずり）形の色素分子である。ゲスト吸収材は、分子長手方向に対して平行な偏光の光を吸収する性質を持つ。したがって、ゲスト吸収材、及び液晶が見る者にとってちょうど真横にあるとき、それらは光を吸収せず、表示装置は明るく見える。色素、及び液晶が見る者にとって側面にあるとき、それらはある直線偏光を強力に吸収し、表示装置は、着色されたように見える。高いコントラスト比を実現するためには、表示装置は、暗い状態においていかなる偏光の光をも吸収するように設計されなければならない。これを実現する多数の標準的な装置構成がある。例えば、Cole-Kashnowセルでは、染色された液晶が垂直配向から平面配向へ切り替わり、セルと反射器の間に、四分の一波長板を有する。波長板は、自身の光軸が、液晶の平面配向方向に対して４５度になるように配置される。表示装置に入射した未偏光の光は、セル及び波長板を通過し、反射され、種々の層を通過して見る者へと戻る。入射光のある直線偏光は、セルを通過する最初の通過時に吸収され、その結果、直交直線偏光の光がセルから放射され、四分の一波長板を通過し、ミラーで反射される。色素ドープ層に到達する戻り光は、９０度だけ回転された偏光を有し、したがって、今度は、見る者に到達する前に強力に吸収される。]
[0004] ３つのゲストホストデバイスが相互に積み重ねられ、それぞれにシアン、黄色、又はマゼンタといった異なる色の色素がドープされたフルカラー表示装置が製造されている。この構成は、個々のカラー表示装置を横並びに配置する代替実施形態に比べて、比較的効率がよい。]
[0005] 液晶分子、及びその中に溶解される染料は、完全な秩序を有してなく、したがって、２つの状態間の差を減少させる性質を持つ。結局のところ、有効な反射性を持つ表示装置にとって必要なコントラスト、及び明るさを実現することは難しい。]
[0006] 二色性比を増加させることにより、ゲストホストディスプレイの性能を向上させる試みがなされている。二色性比とは、液晶中の色素分子の秩序を表す尺度である。二色性比（ＤＲ）は、下記のように定義される。]
[0007] （数１）
ＤＲ＝Ａ｜／Ａ＋＝（１＋２Ｓ）／（１−Ｓ）]
[0008] Ａ｜及びＡ＋はそれぞれ、液晶ディレクタに対して平行又は垂直な吸収率であり、Ｓは、秩序パラメタである。]
[0009] ネマチック液晶ホストを使用して一般に達成される最大二色性比は、約１３である。]
[0010] もう一つの試みは、２００６年発行のMol. Cryst. Liq, Cryst.、第453巻、第371〜378頁に記載されているように、ポリマーゲルの中で二周波液晶材料を使用し、暗い状態において吸収と分散を組み合わせることである。ニ周波液晶材料は、第1の周波数範囲において、電界中で正の誘電異方性を示し、第２の異なる周波数範囲において、電解中で負の誘電異方性を示す。ポリマーゲルは、染色された液晶中に溶解されたモノマーからその場で形成されるのに対し、液晶は、低周波数の電界により、セル壁に対して垂直な向きに整列する。オフ状態において、液晶分子は、セル壁に対して垂直な向きに整列し、セルは、光を透過する。高周波数の電界を印加すると、液晶分子は、負の誘電異方性を示し、電界方向から逸れる向きへ傾斜し、液晶ドメイン再配向、屈折率不整合、及び色素分子による光吸収によって、光の散乱が生じる。散乱はさらに、暗い状態における反射を減少させ、表示装置のコントラスト比を増加させる。全ての波長を散乱させることは、モノクロ表示装置の場合には許容されるが、積層カラーデバイスでは問題となる。多すぎる散乱は、後続の層に到達する光の量を減少させる。]
課題を解決するための手段

[0011] 本発明の態様は、独立請求項に規定される。好ましい特徴は、従属請求項に規定される。]
[0012] 液晶の異方性により、ディレクタに沿って偏光された光は、ディレクタに対して垂直な向きに偏光された光とは異なる速度で伝搬する。したがって液晶は、複屈折性となる。ネマチック液晶のような一軸性液晶は、通常屈折率ｎ０及び特別屈折率ｎｅの２つの主屈折率を有する。屈折率ｎ０は、電気ベクトルが光軸（通常波）に対して垂直に振動するときの光波から測定される。屈折率ｎｅは、電気ベクトルが光軸（特別波）に沿って振動するときの光波から測定される。アキラル配列のネマチック液晶の場合、光軸は、ディレクタに等しい。]
[0013] 微細構造の屈折率をｎ０に適合させることにより、表示装置が明るい状態にあるとき、すなわちディレクタがセル壁の面に対して垂直であるときに、微細構造を有するセル壁を通過する入射光の回折及び散乱は低減され、最小限に抑えられる。暗い状態にあるとき、すなわち液晶がセル壁の面に対して平行であるときには、屈折率不整合が発生し、光は横道へと散乱され、そこでより強力に吸収される。その結果は、２つの状態間における反射率の差は拡大され、表示装置の見え方は改善される。]
[0014] 一般に、表示装置は反射モードで使用される。しかしながら、表示装置は透過モードで使用されることもある。]
[0015] 微細構造は、任意の適当な構造を含む場合があり、例えば、ホスト又はホールの格子又はアレイを含む場合がある。微細構造を含むユニットの長さ寸法、及び形を調節することによって、光の散乱の量及び方向を調節することができる。]
[0016] 本明細書において「異方性吸収材」という語は、液晶中に溶解された多色性染料、又は液晶中に分散された多色性顔料を意味する。便宜上、本明細書は、溶解された多色性染料、特に二色性染料の使用を例として本発明を説明している。二色性染料の適当な例は、液晶表示技術の当業者にとって周知であろう。]
[0017] 次に、例示のみを目的とする下記の図面を参照し、本発明の詳細を説明する。]
図面の簡単な説明

[0018] ある向きに配置された本発明の一実施形態による液晶表示セルを示す概略図である。
別の向きに配置された図１の表示セルを示す概略図である。
別の向きに配置された図１の表示セルを示す概略図である。] 図１
実施例

[0019] 表示装置は、二色性色素が内部に溶解された液晶材料の層５を取り囲む第１のセル壁１、及び対向する第２のセル壁２を含む。第１のセル壁１の内側表面上には、微細構造４が設けられ、この例では格子構造が設けられ、そこに紙面に向かう向きに整列する溝が形成されている。微細構造４は、液晶材料のｎ０と同じ屈折率を有する材料から形成される。]
[0020] 液晶材料の分子６が、セル壁（図１）に対して垂直な向きに並んでいるとき、屈折率整合によって散乱及び回折はいずれも防止され、入射光は、層５を通過して真っ直ぐに進行する。二色性色素分子は、液晶分子５の向きと整合し、光３を強力に吸収することはない。したがってセルは、明るい状態となる。] 図１
[0021] 液晶分子６が、格子の溝に沿って水平な向きに並んでいるとき、微細構造４の表面における屈折率不整合によって、紙面に向かう方向に偏光された光３の強い回折、及び散乱が発生する（図２）。回折、又は散乱された光は、セルを通過する際に通る経路が長くなり、その結果、吸収色素による作用は増加する。この構成では、セルは、暗い状態になる。] 図２
[0022] 図３に示す構成は、入射光が格子４の溝を横切る向きに偏光されている点を除き、図２のものと同様である。屈折率不整合はなく、回折は発生しない。] 図２ 図３
[0023] 液晶分子６は、（並列配向を誘導するために）摩擦ポリマーを使用して表面を処理したり、（垂直配向を誘導するために）レシチン又はクロム化合物のような界面活性剤を使用して表面を処理する従来の技術により、垂直、又は水平な向きに整列するように形成することができる。正の誘電異方性を有する液晶を得るための並列配向から垂直配向への切替えは、透明電極（図示せず）を介して適当な電界を印加することにより達成される場合がある。負の誘電異方性を有する液晶材料を得るための垂直配向から並列配向への切替えも、適当な電界を印加することによって達成される場合がある。こうした配向切替え技術は、当然ながら当業者にとって周知であり、これ以上の詳しい説明は必要ない。]
[0024] 本発明の一つの利点は、散乱の角度を、微細構造４の間隔の設計によって調節できることである。比較的大きい角度に散乱される光の量は、微細構造の形によって決まる。一実施形態では、微細構造の散乱特性を最適化し、又は洗練するために、微細構造は、例えば、杭又は穴の不規則、又は擬似的に不規則な格子又は二次元アレイとして、部分的、又は完全に不規則に形成される。前の例では、光の約３０％の回折が容易に達成可能であることが示された。光学の理論的考察によれば、適当な設計により、さらにもっと多くの光をそのような光として散乱させることが可能なはずであることが示されるであろう。]
[0025] 達成される経路長の増加は、回折角によって決まり、回折角は、角度のコサインとして逆スケーリングされる。したがって、例えば、３０度の回折角は、公称入射角でセル壁に入射する光に比べて経路長を１５％だけ増加させる。ただし、回折角が臨界角よりも大きい場合は、回折光が表示装置から出ることはなく、回折光は内部反射されることになる。一般的な屈折率の場合、臨界角は、セル壁の法線から約４２度の角度になるであろう。もしこの角度を達成できた場合、回折光は、見る者から全く見えなくなり、暗い状態の反射率（又は透過率）は減少する。少な目に見積もって、入射光３の３０％が回折光になるものとした場合、コントラスト比は、事実上この量だけ増加される場合がある。]
[0026] 通常入射時の光を単純化した場合、回折光の角度を決定する式は、下記のようになる。]
[0027] （数２）
λｇ＝±ｍλ０／ｎｓｉｎθｍ]
[0028] λｇは間隔であり、λ０は波長であり、θｍは、第ｍ次の回折次数の場合の回折角であり、ｎは、屈折率である。]
[0029] この角度は、光の波長、及び微細構造の間隔に応じて決まる。上記の式を使用すれば、臨界角よりも僅かに大きい角度で光を屈折させるためには、間隔を波長に近づける必要があることが分かる。この波長選択性は、有用な場合がある。必要なのは、各層において、その層の色素により吸収される波長の光を回折させることだけである。他の波長の光は、次の層へ通過させなければならない。所与の間隔においては、比較的長い波長の光が、比較的小さい角度で回折する。したがって、層の並びは、最も長い波長の光を吸収する色素を有する層を最初にし、最も短い波長を吸収する層が最後となるように並べることが有利である。各層における微細構造の間隔を調節することにより、各層における「間違った」波長の損失量を最小限に抑えることが可能である。層から出る吸収されなかった光を散乱させるために、第２セル壁の内側表面に、さらに別の微細構造を有することが望ましい場合がある。]
[0030] 一つの設計上の選択事項は、微細構造のタイプである。平行な溝の単純なアレイ（単回折格子）であることが好ましい。液晶分子が、屈折率不整合のための正しい方向である溝に沿った方向に整列する性質を有することは、有利である。ただし、杭、穴、柱などのより複雑な二次元アレイも、有利な場合がある。これらは、層内で光をあらゆる方向に散乱させる性質を持ち、それは、あらゆる方向からの入射光を処理する際に役立つ場合がある。回折角が光の入射角に応じて決まることは、何の意味もない。上記の単純な分析では、光は、表示装置に対して垂直に入射するものと仮定している。実際には、光の大部分は、好ましい方向、すなわち、見る者の頭上から来る可能性が比較的高い。したがって、設計は、所与の方向を中心として入射角の狭い範囲で最良に動作するように調節されることが好ましい。]
[0031] 好ましい微細構造は、約４００〜６００ｎｍの範囲の間隔を有する。ダイアモンド・ポイントで調整されたローラを使用して、広い面積にわたって単回折格子を形成することが可能である。また、当業者にとって既知の代替技術を使用して、広い面積にわたってもっと複雑な微細構造を形成することも可能であり、それは、液晶を整列させるために使用される場合がある。微細構造で覆われた表面を得た後、次に、インプリントプロセスを使用して、その構造を多数回複製することが可能である。そのようなプロセスを使用して、ゲストホストセルにおいて長間隔（１２００ｎｍ）単回折格子を使用する効果をテストした。ポリマーには通常、紫外線硬化可能なアクリル樹脂が使用された。この紫外線硬化可能なアクリル樹脂は、市販の標準的な成分から構成され、使用される液晶の通常の屈折率に近い屈折率を有する。動作として、液晶が表面に対して平行に整列しているとき、屈折率は強くなる。電圧を印加することによって液晶を垂直に整列させることができ、回折は非常に弱くなる。]
[0032] 実験の詳細
微細構造は、間隔１．２μｍ、高さ約１μｍの単回折格子マスターから、インプリントにより形成された。インプリントは、ＩＴＯがコーティングされたＰＥＳ基板上で実施され、基板は、第１セル壁１としての働きをした。第１セル壁１は、摩擦ポリイミド（ＳＥ−１３０、日産化学）でコーティングされた第２セル壁２を有するテストセルの中に形成された。セル壁の間は、表面に撒かれた３μｍビーズによって間隔を空けられ、セルには、ＺＬＩ−４７２７ネマチック液晶混合物（メルク社）が充填された。]
[0033] 何も電圧を印加しない状態では、液晶は平面状であり、格子溝に沿って偏光された光の強い回折がある。印加された電圧（１ｋＨｚ、３０Ｖ振幅）は、液晶を垂直配向になるように駆動し、回折は非常に弱くなる。単回折格子を使用した場合、ある偏光の光のみが強力に回折される。（溝を横切る方向の）他の偏光は、屈折率に何も違いがない。両方の偏光を吸収するために、上で述べたCole-Kashnowセルのような構成が使用される場合がある。]
[0034] 杭のようなもっと複雑な構造を使用した場合、変更への依存はより複雑になる。]
[0035] 本発明によれば、散乱光の方向、及び強度を調節することが可能となり、望ましくない方向への散乱を低減し、公称効率を向上させることが可能となる。]
[0036] 微細構造は、液晶を非常に効率的に整列させることができ、したがって、一つの微細構造を使用して液晶を整列させ、光学を調節することが両方とも可能な場合がある。さらに、当該微細構造を使用すれば、液晶の２状態配向が可能となる。]

权利要求:

請求項1
異方性吸収材を含む液晶材料を取り囲む第１の壁、及び対向する第２の壁、並びに前記第１の壁の内側表面上の微細構造を含む液晶表示セルであって、前記微細構造は、特別屈折率（ｎｅ）に比べて前記液晶材料の通常屈折率（ｎ０）により密接に整合する屈折率を有する材料から形成される、液晶表示セル。
請求項2
前記微細構造の屈折率は、ｎ０±５％の範囲にある、請求項１に記載の液晶表示セル。
請求項3
前記微細構造の屈折率は、ｎ０に実質的に等しい、請求項１に記載の液晶表示セル。
請求項4
前記微細構造は、格子である、請求項１〜３の何れか一項に記載の液晶表示セル。
請求項5
前記微細構造は、杭のアレイである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項6
前記微細構造は、穴のアレイである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項7
前記微細構造は、３００〜１０００ｎｍの範囲の間隔を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項8
前記微細構造は、４００〜６００ｎｍの範囲の間隔を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項9
前記微細構造は、液晶材料の隣り合う分子の一様な配向を誘導する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項10
前記配向は、平面配向、又は傾斜平面配向である、請求項９に記載の液晶表示セル。
請求項11
前記微細構造と前記液晶材料のｎｅとの間の屈折率不整合は、少なくとも一部の入射光を前記セル壁間において内部的に全反射させるようなものである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項12
前記微細構造は、不規則な、又は擬似的に不規則なアレイに特徴を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項13
前記第２のセル壁の内側表面上に設けられた第２の微細構造をさらに含み、前記微細構造は、前記特別屈折率（ｎｅ）に比べて前記液晶材料の通常屈折率（ｎ０）により密接に整合する屈折率を有する材料から形成される、液晶表示セル。
請求項14
前記第２の微細構造材料の屈折率は、ｎ０±５％の範囲にある、請求項１３に記載の液晶表示セル。
請求項15
前記第２の微細構造材料の屈折率は、ｎ０に実質的に等しい、請求項１３に記載の液晶表示セル。
請求項16
前記第２の微細構造は、格子である、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項17
前記第２の微細構造は、杭のアレイである、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項18
前記第２の微細構造は、穴のアレイである、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項19
前記第２の微細構造は、３００〜１０００ｎｍの範囲の間隔を有する、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項20
前記第２の微細構造は、４００〜６００ｎｍの範囲の間隔を有する、請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項21
前記第２の微細構造は、前記液晶材料の隣り合う分子の一様な配向を誘導する、請求項１３〜２０のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項22
前記配向は、平面配向、又は傾斜平面配向である、請求項２１に記載の液晶表示セル。
請求項23
前記第２の微細構造は、不規則な、又は擬似的に不規則なアレイに特徴を有する、請求項１３〜２２のいずれか一項に記載の液晶表示セル。
請求項24
相互に互いの上に積み重ねられた、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の液晶表示セルを少なくとも２つ含む表示装置であって、各セルにおける色素が、他のセルにおける色素とは実質的に異なる範囲の波長の光を吸収することができる、表示装置。
請求項25
３つの表示セルを含み、各表示セルが、シアン、黄色、及びマゼンタのうちの異なるものを選択的に吸収することができる、請求項２５に記載の表示装置。
請求項26
前記液晶表示セルの一端の後ろに反射器をさらに含む、請求項２５に記載の表示装置。
請求項27
前記反射器に最も近いセルは、黄色波長を吸収することができ、中間セルは、緑波長を吸収することができ、前記反射器から最も遠いセルは、赤色波長を吸収することができる、請求項２６に記載の表示装置。
請求項28
前記セルは、他のセルに比べて異なる間隔の微細構造を有する、請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の表示装置。
請求項29
図面を参照して本明細書で実質的に説明されたような表示セル、又は表示装置。