專利名稱：液晶顯示元件及其使用的層疊相位差片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用賓主型液晶而不使用偏振片的明亮的反射型液晶顯示元件及其使用的層疊相位差片。
在使用向列液晶的顯示元件中，隨著液晶分子取向的不同而有若干種模式。最普及的是扭轉(zhuǎn)向列(TN)模式，此外還有各向同性(垂直)取向或均勻(水平)取向的雙折射模式、賓主模式等。
TN液晶是將介電常數(shù)呈各向異性的正向列液晶夾在經(jīng)過水平取向處理的帶電極的基板之間而成的，液晶分子長軸在基板之間連續(xù)扭轉(zhuǎn)90°的狀態(tài)而為穩(wěn)定狀態(tài)。這時(shí)垂直于基板入射的線偏振光的偏振面沿液晶的取向旋轉(zhuǎn)90°。因此，如果使起偏品和檢振器正交，則顯現(xiàn)白色。另外，若通過施加電壓使液晶分子直立，則入射的線偏振光可直接進(jìn)入液晶層，因被檢偏器吸收而顯現(xiàn)黑色。
由于TN模式或雙折射模式的液晶顯示元件需要有偏振片，因此自然光中的一個(gè)方向的偏振光被吸收掉。從而，即使在理想狀態(tài)下，透射率也達(dá)不到50％以上，通常約為20～30％。因此，特別是在利用外界光的反射型液晶的情況下，顯示非常暗。
作為不使用偏振片的明亮模式有如圖4所示的相變賓主模式，現(xiàn)在研究得最充分的是明亮的反差大的模式。而且正在試制使用該模式的多色反射型TFT液晶板(例如S.Mitsui，Y.Shimada等人，SID92，pp437～440)。如果將二色性色素和螺旋螺距比較短的膽甾醇型液晶混合的賓主液晶夾在基板之間，則如圖4(a)所示，扭轉(zhuǎn)螺旋沿垂直于基板的方向取向。這時(shí)，入射光被色素吸收，例如，如果使用黑色素，則顯現(xiàn)黑色。由于二色性色素有沿液晶分子的長軸方向的吸收軸，所以入射的線偏振光由于液晶分子的作用，沿?zé)o旋光方向的吸光度大。因此使用雙折射率Δn盡可能小的主液晶。如果將電壓加在該液晶上，首先如圖4(b)所示，螺旋軸平行于基板，如果再加電壓，螺旋松開，變成如圖4(c)所示的垂直取向。這時(shí)，由于色素的吸光度小，所以底部反射板的顏色明亮可見。
在賓主型液晶情況下，如果加大元件厚度d，增大色素濃度，反差就會(huì)增大，但亮度下降。另外，暗狀態(tài)和亮狀態(tài)的透射率(或反射率)的對(duì)數(shù)比率稱為“二色性比”為賓主型液晶的性能指標(biāo)。二色性比越大就越亮，能獲得反差大的顯示。在相變賓主型液晶模式情況下，為了提高二色性比，除了減小雙折射率Δn外，增大元件厚度d與液晶螺旋螺距P的比率d/p是有效的。但是，如果越使d/p增大，則有使驅(qū)動(dòng)電壓變高的副作用。通常采用的d/p的值約為2，驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)10V左右，是TN模式的2倍以上。另外，電壓升高時(shí)與下降時(shí)的閾值電壓不同，表現(xiàn)出一種滯后現(xiàn)象。因此難以顯示中間色調(diào)。另外，在無電壓狀態(tài)和飽和狀態(tài)之間要經(jīng)過改變螺旋軸方向的中間狀態(tài)，因此不適合矩陣驅(qū)動(dòng)。
作為不用偏振片的另一模式，如圖5所示，有將1/4波片31和反射板32配置在均勻(水平)取向的賓主型液晶的背后的模式(例如ァプライドフイジツクスレタ-ズ(應(yīng)用物理通訊)，30卷，12號(hào)，619頁，H.S.Cole和R.A.Kashnow(1977))。在無電壓狀態(tài)下，圖5(a)所示的平行于水平取向的液晶分子入射的偏振光在入射途中被色素吸收掉。另外，垂直于水平取向的液晶分子的線偏振光透過液晶層后通過返回途中的1/4波片31后變成圓偏振光，在反射板32上反射后成為返回的圓偏振光。垂直于水平取向的液晶分子的線偏振光再通過返回途中的1/4波片31，相位移動(dòng)1/2波長，變成平行于液晶分子的線偏振光，返回液晶層，被液晶中的二色性色素吸收掉。因此，顯示變暗。另一方面，如果施加電壓，則變成圖5(b)所示的垂直取向，液晶層中光的吸收變少。因此，顯示變亮。
但是，使用上述以往的1/4波片的液晶顯示元件的反差非常低，幾乎注意不到。反差之所以這么低，是因?yàn)橄辔徊铍S光的入射角的不同而不同，往復(fù)通過1/4波片的光不能完全變換成線偏振光，在返回途中產(chǎn)生不被色素吸收的成分。下面對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說明。即光在某一方向的偏振光(平行于液晶分子長軸)被二色性色素吸收。垂直于液晶分子長軸的偏振光透過液晶層，入射到相位差片上。通常采用1/4波片作為相位差片，設(shè)沿與偏振光之間成45°角度的滯后軸方向的主折射率為np，沿與偏振光正交的超前軸方向的主折射率為ns。透過液晶層的偏振光以與包含液晶分子的長軸和基板法線的面成θ的入射角入射時(shí)的相位差，用隨著入射角θ的增大而減小的雙折射率與隨著入射角θ的增大而增大的距離之積表示，即下式(1){npns/(np2sin2θ+ns2cos2θ)1/21-ns}d/λcosθ
上式(1)可近似地變?yōu)橄率?2)，當(dāng)入射角θ增大時(shí)，相位差與cosθ成比例地減小。
(np-ns)dcosθ/λ 2與此不同，在包含液晶分子短軸和基板法線的面上，雙折射與角度無關(guān)，因此相位差變?yōu)橄率?3)，隨入射角θ的增大，與cosθ成反比地急劇增大。
(np-ns)d/λcosθ 3這樣，例如即使設(shè)定入射角θ＝0°時(shí)，相位差片的相位差為λ/4，當(dāng)入射角為30°時(shí)，相位差片的相位差變化就很大，在返回途中有未被色素吸收的光，反差變得極低。
另外，在這種模式中，液晶的取向是均勻的，閾值特性的陡峭性不明顯，可進(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)的像素?cái)?shù)很少。
另一方面，作為現(xiàn)在廣泛使用的一種模式，有將TN模式扭轉(zhuǎn)很大的超扭轉(zhuǎn)向列(STN)(Super Twisted Nematic))模式，而即使在該模式中，也使用相位差片。若將STN液晶夾在偏振片之間，則因?yàn)榕まD(zhuǎn)螺距短而呈現(xiàn)雙折射顏色。而且，其雙折射量(相位差)隨著電壓的變化而變化，所顯示的顏色也變化。為了不使STN液晶帶顏色，近年來使用一種由高分子材料制成的相位差板的技術(shù)顯著地發(fā)展起來。為了消除由STN液晶的雙折射產(chǎn)生的附加色，通常使用相位差為400～500nm左右的高分子材料相位差片?？墒牵@種消色用的相位差板與入射角有關(guān)，存在由于視角方向不同而使得顯示帶色等缺點(diǎn)，因此提出了消除這種缺點(diǎn)的方法如下(例如，Y.Fujimura，T.Nagatuka，H.Yoshimi和T.ShimomuraSTD′91 Digest，35.1(1991))。
通常，沿厚度方向的主折射率nz相對(duì)于相位差片面內(nèi)的主折射率np、ns(np＞ns，np方向稱為滯后軸方向，ns方向超前軸方向)來說，nz與ns相等，或稍小些。從正面看液晶板時(shí)，nz無影響，可是斜視液晶板時(shí)，nz的成分加進(jìn)了雙折射量中。由于沿相當(dāng)于式(3)的方向，即相當(dāng)于包含液晶分子短軸和基板法線的面內(nèi)的方向，nz比ns大，因此斜視時(shí)的雙折射率變小，光路變長，兩者相抵消，使得相位差的變化變小。
若根據(jù)長塚(前面已提到)等的模擬方法，當(dāng)滿足下式(4)時(shí)，相位差對(duì)入射角的依賴關(guān)系最小。
nz＝(np+ns)/2 4作為實(shí)現(xiàn)式(4)所示關(guān)系的具有代表性的相位差片，有日束電工(株)制作的三維折射率控制相位差膜NRZ。在該相位差膜NRZ的情況下，通過對(duì)聚碳酸酯的延伸方法的研究，以控制厚度方向的主折射率nz。
除此之外，通過貼雙折射率Δn為正的和負(fù)的通常的相位差膜的方法，也能實(shí)現(xiàn)滿足式(4)所示條件的相位差片。
本發(fā)明就是鑒于上述情況而開發(fā)的，其目的是提供一種無偏振片的明亮的反差大的反射型液晶顯示元件及其使用的層疊相位差片。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中至少備有通過取向膜將賓主型液晶夾在相對(duì)的電極之間的液晶層；配置在液晶層背后的相位差片；以及配置在相位差片背后的反射片。這樣設(shè)定相位差片的相位差，使通過液晶層的偏振光入射到相位差片上，并在反射片上反射，再次從上述相位差板上出射時(shí)，偏振光的相對(duì)相位差改變180°，而且設(shè)定沿相位差片的厚度方向的主折射率為面內(nèi)的2個(gè)主折射率的中間值。
另外，在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，相位差片的相位差相對(duì)于波長為550nm的光來說，最好為大約1/4波長。
另外，在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，取向膜為垂直取向膜，而且賓主型液晶最好是在介電常數(shù)各向異性的負(fù)的向列液晶中混合有二色性色素的液晶。
另外，在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，賓主型液晶有180°～250°的熱轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)，上述扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)的螺距最好比摩根極限值大。另外，這時(shí)相位差片為1/4波片，相位差片的雙折射主軸最好位于與液晶層中距相位差片最近的液晶分子的取向成30°～60°角度的方向上。
另外，在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，相位差片最好由相位差波長色散比聚碳酸酯小的材料構(gòu)成。這時(shí)相位差片最好由聚乙烯醇構(gòu)成。
另外，本發(fā)明的層疊相位差片的結(jié)構(gòu)的特征為該層疊相位差片是將折射率與波長的相關(guān)性小的相位差片A和折射率與波長的相關(guān)性大、且其相位差比相位差片A小的相位差片B，使滯后軸大致正交貼合而成的，相位差片B的沿厚度方向的折射率nZB比沿滯后軸方向的折射率nPB大。
另外，在本發(fā)明的層疊相位差片的結(jié)構(gòu)中，沿相位差片B的厚度方向的折射率nZB與沿滯后軸方向的折射率nPB之差同相位差片B的厚度dB的乘積(nZB-nPB)×dB最好為層疊相位差片的相位差的一半左右。這時(shí)，相位差片A最好由聚丙烯或聚乙烯醇構(gòu)成，相位差片B最好由聚碳酸酯構(gòu)成。
另外，在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，相位差片是將折射率與波長的相關(guān)性小的相位差片A和折射率與波長的相關(guān)性大且其相位差比相位差板A小的相位差板B，使滯后軸大致正交貼合而成的層疊相位差片，相位差片B沿厚度方向的折射率nZB最好比沿滯后軸方向的折射率nBP大。
如果采用本發(fā)明的液晶元件結(jié)構(gòu)，則由于至少備有通過取向膜將賓主型液晶夾在相對(duì)的電極之間的液晶層、配置在液晶層背后的相位差片、以及配置在相位差片背后的反射片，而且這樣設(shè)定相位差片的相位差，使通過液晶層的偏振光入射到相位差片上，并被反射片反射，再次從相位差片射擊時(shí)，偏振光的相位差改變180°，并且設(shè)定沿相位差片的厚度方向的主折射率為面內(nèi)的2個(gè)主折射率的中間值，因此，從任何方向入射到相位差片的偏振光都旋轉(zhuǎn)1/2波長，變成與入射偏振光正交的線偏振光后返回液晶層。而且該線偏振光與入射時(shí)一樣，沿液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)，被賓主型液晶中的二色性色素吸收。因此沒有反射光，同時(shí)二色性比也變大。從而實(shí)現(xiàn)明亮的、反差大的顯示。
在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，如果采用使相位差片的相位差相對(duì)于波長550nm的光來說為1/4波長左右的好的實(shí)施例，則波長為550nm的光從任何方向入射到相位差片的偏振光都只旋轉(zhuǎn)1/2波長。
在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，如果采用取向膜為垂直取向膜，而且賓主型液晶為在介電常數(shù)為各向異性的負(fù)的向列液晶中混合二色性色素的液晶的好的實(shí)施例，則二色性比變得更大。
在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，如果采用使賓主型液晶具有180°～250°的扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)，且該扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)的螺距比摩根極限值大的好的實(shí)施例，則能提高閾值特性的陡峭性，可進(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)。這時(shí)，如果采用相位差片為1/4波片，且相位差片的雙折射主軸與最靠近液晶層的相位差片的液晶分子的取向成30°～60°角度的方向的好的實(shí)施例，則能實(shí)現(xiàn)反差高的顯示。
在本發(fā)明的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)中，如果采用相位差片是由相位差的波長色散比聚碳酸酯小的材料構(gòu)成的好的實(shí)施例，則能降低顯示的帶色性，提高反差。這時(shí)，如果采用相位差片是由聚乙烯醇構(gòu)成的好的實(shí)施例，則能使相位差的波長色散比聚碳酸酯的情況下更小。
如果采用本發(fā)明的層疊相位差片的結(jié)構(gòu)，則由于該層疊相位差片特征是將折射率與波長的相關(guān)性小的相位差片A和折射率與波長的相關(guān)性大且其相位差與相位差片A小的相位差片B，使滯后軸大致正交貼合而成，且沿相位差片B的厚度方向的折射率nZB比沿滯后軸方向的折射率nPB大，所以能補(bǔ)償相位差對(duì)入射角的依賴關(guān)系，能實(shí)現(xiàn)相位差與波長成比例地單調(diào)增加的層疊相位差片。從而對(duì)全部波長來說都沒有反射光，減少顯示時(shí)的帶色性，同時(shí)更加增大反差。
在本發(fā)明的層疊相位差板的結(jié)構(gòu)中，如果采用使沿相位差片B的厚度方向的折射率nZB與沿滯后軸方向的折射率nPB之差同相位差B的厚度dB的乘積(nZB-nPB)×dB大約為層疊相位差片的相位差的一半的好的實(shí)施例，則能進(jìn)一步降低相位差對(duì)入射角的依賴關(guān)系。
以下，結(jié)合附圖，用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體地說明。


圖1是本發(fā)明的液晶顯示元件的第1個(gè)實(shí)施例的斷面圖。
圖2是本發(fā)明的液晶顯示元件的第2個(gè)實(shí)施例的斷面圖。
圖3是本發(fā)明的層疊相位差片的示意圖。
圖4是按以往的技術(shù)制作的液晶顯示元件之一例的斷面圖。
圖5是按以往的技術(shù)制作的液晶顯示元件的另一例的斷面圖。
圖6是按以往的技術(shù)制作的層疊相位差片的相位差與波長的關(guān)系特性曲線圖。
以往研究的是相變賓主模式，最適合于作為明度和反差指標(biāo)的二色性比率高的反射型彩色液晶。而本發(fā)明的液晶顯示元件是采用1/4波片的賓主模式和不依賴于入射角的相位差片組合而成的，因此與以往的液晶顯示元件相比較，能獲得二色性比高二成的顯示。
作為STN用的相位差片，通常采用相位差為400nm左右的薄膜，但還能制作相位差更小的薄膜。即使入射角變化，也可使相位差的變化極小的相位差片的相位差小到相當(dāng)于λ/4，如果將該相位差片配置在賓主型液晶的背后，在采用以往的1/4波片的液晶顯示元件的情況下，能使非常低的反差顯著的變高。
另外，以往的賓主型液晶是均勻取向的，所以得不到閾值特性的陡峭性，不適合于矩陣驅(qū)動(dòng)，但在STN液晶的情況下，明顯地由于呈扭轉(zhuǎn)取向，所以提高了閾值特性的陡峭?？墒牵赟TN液晶中，利用雙折射設(shè)定入射的線偏振光變成像橢圓偏振光那樣扭轉(zhuǎn)，在此條件下，由色素產(chǎn)生的吸光度下降。但是，如果使扭轉(zhuǎn)取向滿足成為波導(dǎo)的摩根極限條件，則入射的線偏振光的偏振面沿液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)，因此能獲得與均勻取向時(shí)同樣的吸光度。如果，所謂摩根極限條件是設(shè)液晶的雙折射率為Δn、扭轉(zhuǎn)螺距為P、入射光波長為λ時(shí)由下式(5)表示的條件。
p＞8λ/Δn 5式中設(shè)p＞＞λ/Δn第一實(shí)施例圖1是本發(fā)明的液晶顯示元件的一個(gè)實(shí)施例的斷面圖。如圖1所示，在由玻璃制成的上基板1上形成由氧化銦錫構(gòu)成的行電極3a、3b及3c。另外，在同樣由玻璃制成的下基板2上形成由氧化銦錫構(gòu)成的列電極4。在行電極3a、3b、3c和列電極4上印刷有聚酰亞胺取向膜5，對(duì)每個(gè)基板都進(jìn)行了沿圖面從右向左的打磨處理。然后用球形隔離墊、以12μm的間隔將這兩塊基板貼合起來，并在其周圍涂敷密封樹脂6。于是形成空元件。
將微量手性試劑S-811混合在BDH(株)制作的向列液晶E-8(Δn＝0.23)中，作成螺距為24μm的手性向列液晶，將若干種顏色的蒽醌系列的二色性色素混合到上述手性向列液晶中而成黑色的二色性色素11，將其溶解1％生成賓主型液晶，將該賓主型液晶注入上述空元件中。于是制成液晶板12。
如上制成液晶板12后，液晶在元件內(nèi)扭轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)超扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)7。利用透射偏光顯微鏡觀察該元件時(shí)，確認(rèn)平行于上基板1上的液晶分子8的長軸的偏振光9被吸收，垂直于液晶分子8的長軸的偏振光10能透射。即入射的線偏振光沿任何方向扭轉(zhuǎn)旋光，一部分光被二色性色素11吸收，另一部分幾乎不被吸收而透過，沿虛線箭頭16、16′所示方向行進(jìn)。當(dāng)該液晶板12的常數(shù)符合式(5)所示的摩根極限條件式時(shí)，扭轉(zhuǎn)螺距P為24μm，液晶的雙折射率Δn為0.23，因此波長直至690nm的可見光滿足式(5)，可知與實(shí)驗(yàn)一致。在相變賓主型模式的情況下，液晶的雙折射率小者為好，但在本實(shí)施例的液晶顯示元件中，為了提高響應(yīng)速度，增大液晶的雙折射率，即使液晶層較薄，也超過了摩根極限值。
在液晶板12的背后設(shè)有1/4波片，它是日東電工(株)制作的NRZ、也就是對(duì)于波長為550nm的入射光來說，能得到140nm的相位差的相位差片13。在相位差片13的背后設(shè)有擴(kuò)散鋁反射片14。相位差片13的延伸方向(雙折射的主軸方向)相對(duì)于下基板2上的液晶分子15的長軸(取向方向)成45°角的方向，該方向的主折射率np與在面內(nèi)與其正交的主折射率ns之差同相位差片13的厚度d的乘積為140nm。ns、np與厚度方向的主折射率nz之差同相位差片13的厚度d的乘積為70nm。因此，波長為550nm的從大約±50°的任何方向入射到相位差片13上的偏振光都只旋轉(zhuǎn)1/2波長，變成與入射偏振光正交的線偏振光17、17′返回液晶層。而且，該線偏振光17、17′與入射時(shí)一樣，沿液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)，被二色性色素11吸收。因此無反射光。
但是，構(gòu)成相位差片的材料是聚碳酸酯時(shí)，相位差波長色散(與波長的依賴關(guān)系)比較大，特別是藍(lán)色的波長的雙折射量Δnd/λ變大，所以不被吸收的成分多，呈稍帶藍(lán)色的顯示。作為STN模式的消色用的相位差片，與液晶分子的雙折射波長色散一致的相位差片的反差較大，所以適合采用相位差波長色散大的聚碳酸酯。但是，在本發(fā)明的情況下，問題變成降低帶色的顯示，使反差更大，所以適合采用相位差波長色散小的聚乙烯醇。
如果在該液晶顯示元件的電極之間施加2.5V.60Hz的矩形波，則圖1中的液晶分子18和二色性色素19都變成垂直取向。因此色素的吸光度下降，變成明亮的顯示。在普通的室內(nèi)吊燈的照射下，用亮度計(jì)測(cè)定明暗部分之間的反差約為8∶1。
為了進(jìn)行比較，將與以往相同的普通的1/4波片和反射片配置在相同的液晶板背后，測(cè)定結(jié)果表明反差約為2.3。
另外，用通常的電壓平均化法對(duì)本實(shí)施例的液晶板進(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)時(shí)，能率比為1/32，所得反差為4.5。均勻取向時(shí)，能率比的極限約為1/4。另外，如果通過脈寬調(diào)制，施加中間值有效電壓，則容易進(jìn)行層次顯示。
如果液晶的扭轉(zhuǎn)大于本實(shí)施例中的180°而小于50°時(shí)，則閾值特性的陡峭性更大，可進(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)的像素?cái)?shù)增多。但即使在這種情況下，扭轉(zhuǎn)螺距也必須保持在摩根極限值以上，因此如果采用相同的液晶，元件厚度增加。而且該元件厚度比通常的STN液晶時(shí)的厚度還大，因此，響應(yīng)速度變得更慢。液晶的扭轉(zhuǎn)為180°時(shí)，作為超扭轉(zhuǎn)取向，響應(yīng)速度非?？欤M(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)時(shí)的閾值特性還保持著一定程度的陡峭性，因此可以說達(dá)到了最佳平衡條件。
在本實(shí)施例中，采用日東電工(株)制作的ZNR1/4波片作為相位差片13，但不一定受此限制，也可以是使反射的偏振光旋轉(zhuǎn)1/2波長的相位差片。另外，入射角的相關(guān)性的補(bǔ)償方法及相位差也不一定受本實(shí)施例的限制。例如將相位差為-70nm的負(fù)相位差片貼在通常的相位差為70nm的單軸相位差片上，也能使相位差對(duì)入射角的依賴性小，且反差比以往更大。
在黑白顯示的情況下，作為1/4波片的基準(zhǔn)波長，最好采用視覺靈敏度最高的550nm，但在彩色顯示的情況下，必須與該顯示色的波長一致。
另外，在本實(shí)施例中，下基板2上的液晶分子15的長軸(取向方向)與相位差片13的延伸軸(雙折射的主軸)之間的交角為45°，但不一定受此角度的限制，如果使該交角在30°～60°的范圍內(nèi)，則暗狀態(tài)會(huì)變得相當(dāng)暗，實(shí)現(xiàn)反差大的顯示。
第2實(shí)施例在第1實(shí)施例中，采用水平取向膜，進(jìn)行180°扭轉(zhuǎn)取向，使多數(shù)行可進(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)。但使用像素?cái)?shù)少的顯示板時(shí)，由于閾值特性的陡峭性不成問題，所以對(duì)能使二色性比更高的取向狀態(tài)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采用垂直取向膜，以及采用介電常數(shù)各向異性的負(fù)的向列液晶時(shí)，二色性比會(huì)變得更大。其原因在于水平取向膜的束縛力大，所以取向膜附近的液晶分子及二色性色素分子即使施加電壓也不動(dòng)，因此變得稍暗。與此相反，由于垂直取向膜的束縛力非常小，取向膜附近的液晶分子也有響應(yīng)，能得到較大的二色性比。
圖2是本發(fā)明的液晶顯示元件的第2個(gè)實(shí)施例的斷面圖。作為液晶27，采用在介電常數(shù)各向異性的負(fù)的メルク(公司)制作的ZLI2806中的溶解2％的正型光致抗蝕劑黑色二色性色素(分子顛倒時(shí)吸光)而成的液晶。作為取向膜25，是在兩基板上涂敷日產(chǎn)化學(xué)(株)制作的聚酰亞胺系列垂直取向膜SE1211。對(duì)上基板沿圖面向右、對(duì)下基板沿圖面向左進(jìn)行反向平行打磨處理。然后，用球形隔離墊以5μm的間隔將兩基板貼合起來。將上述的液晶27注入到如上形成的空元件中，從而可實(shí)現(xiàn)與基板法線傾斜數(shù)度的取向38、39。不加電壓時(shí)，大致就是這樣的垂直取向，所以不吸光。當(dāng)施加電壓后，液晶分子28及色素分子31向打磨方向傾倒，大致呈均勻(水平)取向狀態(tài)，因此平行于取向方向的偏振光9被吸收。與第1實(shí)施例一樣，如果將進(jìn)行過入射角相關(guān)性補(bǔ)償?shù)?/4波片即相位差片13和反射片14配置在元件背后，則入射途中透過的偏振光10從相位差片13再次射擊時(shí)，相位旋轉(zhuǎn)180°，在返回途中被吸收。
作為相位差片13，與第1實(shí)施例一樣，采用日東電工(株)制作的1/4波片ZNR時(shí)，反射率為50％，反差為15。換算成二色性比約為4.9。為了進(jìn)行比較，使用相同的二色性色素，制成相變賓主型液晶板，反射率為50％時(shí)，反差約為9。換算成二色性比約為4.2。由此可知，本實(shí)施例中的液晶顯示元件的反差比前者約大1.5倍，二色性比也大18％。如果采用本實(shí)施例中的液晶顯示元件的結(jié)構(gòu)，則可進(jìn)行層次顯示，驅(qū)動(dòng)電壓也可降低到5V。如果用未對(duì)入射角相關(guān)性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南辔徊钇鳛?/4波片時(shí)，反射率為50％時(shí)，反差非常小，僅為4.5。
可是用NRZ作為相位差片時(shí)，由于相位差對(duì)波長的依賴性大，所以顯示帶色。如果對(duì)入射角的相關(guān)性進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)相位差與波長成比例地單調(diào)增加的相位差片，則對(duì)全部波長來說都無反射光，因此能降低帶色顯示，同時(shí)反差更大。本發(fā)明者通過對(duì)日東電工(株)制作的寬頻帶波長膜(wide-band retardation film)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)這種相位差片，進(jìn)一步改進(jìn)了第1實(shí)施例中的液晶顯示元件。
首先，說明作為原有技術(shù)的日東電工(株)制作的寬頻帶波長膜的波長相關(guān)補(bǔ)償原理。該寬頻帶波長膜是將折射率對(duì)波長的依賴性大的薄膜a(聚碳酸酯)和對(duì)波長依賴性小的薄膜b(聚丙烯)重疊貼合而成的。圖6示出了薄膜a、b的Δnd與波長的關(guān)系曲線。實(shí)線30a、30b分制表示薄膜a、b的相位差。實(shí)線30c表示將薄膜b和比薄膜b薄的薄膜a，使滯后軸正交貼合而成的層疊薄膜的Δnd。即，實(shí)線30c是薄膜b的Δnd與薄膜a的Δnd之差，成單調(diào)增加的曲線。另外，虛線31是Δnd＝λ/4時(shí)的相位差的曲線，實(shí)線30c近似該虛線31，可知相對(duì)于哪個(gè)波長，接近于條件Δnd＝λ/4?？墒牵酝膶掝l帶波長膜未進(jìn)行入射角相關(guān)性補(bǔ)償，所以反差比使用NRZ時(shí)還低。
補(bǔ)償寬頻帶波長膜這種層疊薄膜的入射角相關(guān)性的第1種方法是調(diào)整厚度方向的折射率，使貼合的2種薄膜中的任何一種都滿足入射角相關(guān)性小的式(4)。但實(shí)際上這種調(diào)整既有材料方面的困難，又與成本高有關(guān)。而在本實(shí)施例中，通過將普通的聚丙烯薄膜和使厚度方向的折射率nz增大的聚碳酸酯薄膜貼合起來構(gòu)成層疊相位差片。
圖3是本發(fā)明的層疊相位差片的結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)聚丙烯薄膜沿滯后軸方向、超前軸方向、厚度方向的折射率及厚度分別為np1、ns1、nz1及d1，設(shè)聚碳酸酯薄膜沿滯后軸方向、超前軸方向、厚度方向的折射率及厚度分別為np2、ns2、nz2及d2。使聚丙烯薄膜的超前軸與聚碳酸酯薄膜的超前軸正交這一點(diǎn)與以往相同，但在本實(shí)施例中，設(shè)定聚碳酸酯薄膜沿厚度方向的折射率nz2比沿滯后軸方向的折射率np2大。這是因?yàn)槿绻诤谐拜S方向的折射率ns1的面內(nèi)使入射角變大，則根據(jù)式(3)，聚丙烯薄膜的相位差與cosθ成反比而變大，但如果nz2＝np2，聚碳酸酯薄膜的相位差與cosθ成反比，則層疊相位差片總體的相位差也與cosθ成反比而變大，所以聚碳酸酯薄膜與入射角的相關(guān)性變得更大。
當(dāng)nz2＝np2時(shí)，層疊相位差片的相位差由下式(6)表示，假設(shè)與入射角相關(guān)性未補(bǔ)償?shù)膯螌?/4波片相同。
(λ/4)/cosθ 6因此，為了補(bǔ)償該假設(shè)的單層1/4波阻片的相位差與入射角的相關(guān)性，如果能適用式(4)，則按滿足下式(7)的關(guān)系設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)計(jì)相位差與入射角的相關(guān)性會(huì)達(dá)到最小。
nz2×d2＝np2×d2+λ/8 7上式(7)意味著聚碳酸酯薄膜沿厚度方向的折射率nz2與沿滯后軸方向的的折射率np2之差同聚碳酸酯薄膜厚度d2的乘積(nz2-np2)×d2為層疊相位差片的相位差的大約一半。實(shí)際上改變圖4中的層疊相位差片的nz2后，進(jìn)行觀察時(shí)確認(rèn)了這一事實(shí)。在本實(shí)施例中，所使用的層疊相位差片沿聚丙烯薄膜面內(nèi)的雙折射(np1-ns1)d1為605nm，沿聚碳酸酯薄膜面內(nèi)的Δnd即(np2-ns2)×dz為465nm，(nz2-np2)×d2為535nm。但，這些相位差是用波長為550nm的光測(cè)定時(shí)的值。
當(dāng)采用具有圖2所示結(jié)構(gòu)的對(duì)該入射角相關(guān)性和波長相關(guān)性進(jìn)行了補(bǔ)償?shù)膶盈B相位差片的液晶顯示元件時(shí)，無電壓狀態(tài)下的反射率約為50％，加5V電壓時(shí)的反差約為20，實(shí)現(xiàn)了明亮、反差大且無彩色的黑白反差顯示，換算成二色性比為5、3。即與相變賓主型液晶板的情況相比較，反差高達(dá)2倍，二色性比也大26％。而且，在入射角相關(guān)性和波長相關(guān)性兩者都能得到補(bǔ)償?shù)谋景l(fā)明的層疊相位差片中，波長相關(guān)性大的聚碳酸酯薄膜沿厚度方向的折射率nz2比沿滯后軸方向的折射率np2大，但作為層疊相位差片總體則滿足式(4)。
如上所述，即因?yàn)?np1-ns1)d1＝605nm，nz1＝ns1，(np2-ns2)d2＝465nm，(nz2-ns2)d2＝535nm，所以根據(jù)這些關(guān)系式，層疊相位差片的滯后軸方向、超前軸方向及厚度方向的平均折射率Np、Ns、Nz分別由式(8)、式(9)、式(10)表示。
Np＝(np1d1+ns2d2)/(d1+d2)8Ns＝(ns1d1+np2d2)/(d1+d2)9Nz＝(nz1d1+nz2d2)/(d1+d2)10由式(8)-式(9)導(dǎo)出下式(11)所示的關(guān)系，由式(9)-式(10)導(dǎo)出下式(12)所示的關(guān)系。
(Np-Ns)(d1+d2)＝(np1d1+ns2d2)11-(ns1d1+np2d2)＝(np1-ns1)d1-(np2-ns2)d2＝605nm-465nm＝140nm(Nz-Ns)(d1+d2)＝(nz1-ns1)d112-(np2-nz2)d2＝0-{(np2-ns2)d2-(nz2-ns2)d2}＝0-(465-535)＝70nm再由式(11)、式(12)導(dǎo)出下式(13)所示的關(guān)系。
Nz＝(Np+Ns)/2-13上式(13)是與式(4)相同的關(guān)系式，表示相位差與入射角的相關(guān)性達(dá)到最小。即本層疊相位差片可用來作本發(fā)明的液晶顯示元件的相位差片。
在本實(shí)施例中，使層疊相位差片的相位差為λ/，但在本發(fā)明的液晶顯示元件以外使用時(shí)，通過設(shè)計(jì)一個(gè)相位差片，使其滿足用 /2( 為相位差)代替式(7)中的λ/8后的條件，則能獲得相位差與波長的相關(guān)性和與入射角的相關(guān)性得到補(bǔ)償?shù)膶盈B相位差片。
在本實(shí)施例中，采用聚丙烯和聚碳酸酯作為層疊相位差片的材料，但不一定受此結(jié)構(gòu)的限制，也可用聚乙烯醇作為構(gòu)成層疊相位差片的2種材料中折射率對(duì)波長的依賴性小的材料。
如上所述，本發(fā)明的液晶顯示元件是將在STN的雙折射模式中使用的視場(chǎng)角補(bǔ)償相位差片與使用以往由于反差非常低而不被注意的1/4波片的反射型賓主液晶相組合而成的。因此消除了以往的反射型液晶所存在的全部問題，而實(shí)現(xiàn)了明亮、反差非常大、而且容易進(jìn)行層次顯示、驅(qū)動(dòng)電壓低的液晶顯示元件。另外，能實(shí)現(xiàn)1/4波片的相位差對(duì)入射角的依賴關(guān)系和對(duì)波長的依賴關(guān)系這兩者都能得到補(bǔ)償?shù)南辔徊钇瑢⑦@種相位差片用于本發(fā)明的液晶顯示元件中，進(jìn)一步提高了顯示性能。
以往，在賓主模式中，由于賓主型液晶是均勻取向或像相變賓主型那樣扭轉(zhuǎn)360°以上，所以難以進(jìn)行矩陣驅(qū)動(dòng)。但在本實(shí)施例中，采用使賓主型液晶扭轉(zhuǎn)250°以下的向列結(jié)構(gòu)，如果使該扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)螺距比摩根極限值大，通過與入射角相關(guān)性得到補(bǔ)償?shù)南辔徊钇M合，即使由單純的矩陣驅(qū)動(dòng)，也能實(shí)現(xiàn)反差大的顯示。
如果將有源元件附加到本發(fā)明的液晶元件中，驅(qū)動(dòng)多數(shù)像素，使用透射率高的微型濾色片，則可獲得反射型彩色顯示。但在本發(fā)明的液晶顯示元件中，因在液晶層的背后設(shè)有相位差片和反射片，因此在液晶層與相位差片及反射片之間的距離大時(shí)，呈現(xiàn)出重影。因此，在理想情況下，最好將相位差片和反射片設(shè)置在液晶面板內(nèi)部。將相位差片和反射片設(shè)置在液晶面板外部時(shí)，位于液晶層和相位差片之間的基板應(yīng)作得很薄，例如最好使用塑料基板等。因此，即使在像素間距小的場(chǎng)合，也基本上能消除重影的問題。
如上所述，如果采用本發(fā)明的液晶顯示元件，則不管從哪個(gè)方向入射到相位差片上的偏振光都只旋轉(zhuǎn)1/2波長，變成與入射偏振光正交的線偏振光，返回液晶層。然后，該線偏振光與在入射途中一樣，沿液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)，被賓主型液晶中的二色性色素所吸收。因此，無反射光，同時(shí)二色性比變大。從而能實(shí)現(xiàn)明亮、反差大的顯示。
如果采用本發(fā)明的層疊相位差片，則能補(bǔ)償相位差對(duì)入射角的依賴關(guān)系，還能實(shí)現(xiàn)相位差與波長成比例地單調(diào)增加的層疊相位差片。從而能使全部波長無反射光，降低帶色顯示，同時(shí)進(jìn)一步加大反差。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示元件，它至少備有通過取向膜將賓主型液晶夾在相對(duì)的電極之間的液晶層、配置在液晶層背后的相位差片、以及配置在相位差片背后的反射片，這樣設(shè)定相位差片的相位差，使通過液晶層的偏振光入射到相位差片上，被反射片反射，再次從相位差片射擊時(shí)，上述偏振光的相位差改變180°，而且設(shè)定相位差片沿厚度方向的主折射率為面內(nèi)的2個(gè)主折射率的中間值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示元件，相位差片的相位差對(duì)波長為550nm的光來說，約為1/4波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示元件，取向膜為垂直取向膜，而且賓主型液晶是將二色性色素混合在介電常數(shù)各向異性的負(fù)的向列液晶中而成的液晶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示元件，賓主型液晶有180°～250°的扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)，該扭轉(zhuǎn)向列結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)螺距大于摩根極限值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示元件，相位差片是1/4波片，相位差片的雙折射的主軸位于與液晶層中最靠近相位差片的液晶分子的取向成30°～60°角方向上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示元件，相位差片由相位差的波長色散比聚碳酸酯小的材料構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液晶顯示元件，相位差片由聚乙烯醇構(gòu)成。
8.一種層疊相位差片，它是將折射率對(duì)波長的依賴關(guān)系小的相位差片A和折射率對(duì)波長的依賴關(guān)系大且其相位差比相位差片A小的相位差片B，使滯后軸成正交貼合而成的層疊相位差片，其特征為相位差片B沿厚度方向的折射率nZB比沿滯后軸方向的折射率nPB大。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相位差片，其相位差片B沿厚度方向的折射率nZB與沿滯后軸方向的折射率nPB之差同相位差片B的厚度dB的乘積(nZB-nPB)×dB大約為層疊相位差片的相位差的一半。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的相位差片，其相位差片A由聚丙烯或聚乙烯醇構(gòu)成，相位差片B由聚碳酸酯構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示元件，其相位差片是將折射率對(duì)波長的依賴關(guān)系小的相位差片A和折射率對(duì)波長的依賴關(guān)系大且其相位差比相位差片A小的相位差片B，使滯后軸大致成正交貼合而成的層疊相位差片，相位差片B沿厚度方向的折射率nZB比沿滯后軸方向的折射率nPB大。
全文摘要
一種無偏振片的明亮、反差大的反射型液晶顯示元件及其使用的層疊相位差片。在上下基板1、2上形成一對(duì)電極3、4，將取向膜5印刷在兩電極上，對(duì)兩基板進(jìn)行打磨處理后貼合形成空元件。在混合了微量手性試劑的手性扭轉(zhuǎn)液晶中溶解1％的蒽醌系列的二色性色素11，生成賓主型液晶，并將其注入空元件中制成液晶板12。將1/4波片即相位差片13及反射片14配置在液晶面板12的背后。
文檔編號(hào)G02F1/139GK1148183SQ9510632
公開日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1995年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月18日
發(fā)明者脅田尚英, 山口久典 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社