透射反射液晶显示器 [本发明的领域]
本发明涉及装设反射和透射两种功能的液晶显示器，这种显示器由于各种办公自动化(OA)设备，诸如文字处理器和个人计算机，移动信息终端，诸如移动电话装置和PDA(个人数字助理)，或装有液晶监视器的便携式摄录一体机。
[本发明的背景]
近年来，预期液晶显示器不断对便携式信息终端装置扩展其显示器市场，其中液晶显示器能够能最好地发挥其独特的使用特性，即尺寸薄重量轻。
由于移动信息终端一般是电池驱动的，重要的主题是降低电耗。因而已对反射型液晶显示器特别予以注意，这种显示器没有或不需要使用全部的耗电的背灯，并能够降低电耗，厚度将重量。
反射型液晶显示器中使用的显示模式是在透射型中广泛使用的模式，诸如TN(扭转向列)和STN(超扭转向列)模式。然而，就亮度和对比度来说按当前要求，即使TN和STN模式的液晶显示器也没有足够的显示质量，并需要在诸如高亮度和改进的对比度等显示质量上改进。反射型液晶显示器的缺点是，当在黑暗处使用时，有可见度明显失真，结果是降低了用于显示的反射光。另一方面，与此相反，透射型液晶显示器地问题在于，当在诸如好天气明亮环境下使用时的可见度失真。
因而，已经研发了一种透射反射(transflective)液晶显示器，它组合了透射显示模式和反射显示模式。然而，这种显示器的问题是，在黑暗显示状态发生漏光，结果是黑色水平不足。
透射反射液晶显示器需要通过在透射模式下有透射功能的一区域，向液晶显示层形成一入射光。因而，必须在液晶层和背光层之间，配置一偏光器，与一个或多个聚合物一般是聚碳酸酯伸展膜。然而，透射模式的液晶显示器基本上不能避免关于视角的问题，即当从倾斜方向观看显示器时，液晶分子特有的折射率各向异性改变显示颜色并降低显示对比度，并为了使聚合物伸展膜和偏光器的组合扩大视角基本上是困难的。
本发明的目的是要提供一种透射反射液晶显示器，其在透射模式亮度好，对比度高，且的视角依赖性较低。
[本发明的公开]
根据本发明的第一方式，提供了一种透射反射液晶显示器，它包括具有透明电极的第一基片，具有透射反射电极的第二基片，其上形成有反射功能的一区域，并形成有透射功能的一区域，夹在第一和第二基片之间的均匀定向的液晶层，排布在第一基片与液晶层接触的面相反的表面的第一光学各向异性元件，排布在第一光学各向异性元件上的偏光器，排布在第二基片与液晶层接触的面相反的表面的第二光学各向异性元件，以及排布在第二光学各向异性元件下表面上的偏光器，其中第二光学各向异性元件包含至少一片液晶膜，该液晶膜是通过固定由光学上呈现正单轴性的液晶聚合物在液晶状态形成的向列混合定向获得的。
根据本发明的第二方式，提供了第一方式的透射反射液晶显示器，其中第二光学各向异性元件包括至少一片液晶膜，该液晶膜是通过固定由光学上呈现正单轴性的液晶聚合物在液晶状态形成的向列混合定向获得的，以及至少一片聚合物伸展膜。
根据本发明的第三方式，提供了第一或第二方式的透射反射液晶显示器，其中由以下两个倾斜方向形成的一角度在0到30度的范围内，即由液晶聚合物分子定向器的投射方向定义的液晶膜在液晶膜的上和下表面的倾斜方向，其中液晶聚合物定向器对该膜的角度较小，以及由液晶分子定向器的投射方向在第一基片侧上的单元界面上定义的预倾斜方向。
根据本发明的第四方式，提供了第一到第三方式之一的透射反射液晶显示器，其中液晶层在有反射功能的区域比在有透射功能的区域厚度较小。
以下将更详细说明本发明。
本发明的透射反射液晶显示器包括具有透明电极的第一基片，具有透射反射电极的第二基片，其上形成有反射功能的一区域，并形成有透射功能的一区域，夹在第一和第二基片之间的均匀定向的液晶层，排布在第一基片与液晶层接触的面相反的表面的第一光学各向异性元件，排布在第一光学各向异性元件上的偏光器，排布在第二基片与液晶层接触的面相反的表面的第二光学各向异性元件，以及排布在第二光学各向异性元件下表面上的偏光器，其中第二光学各向异性元件包含至少一片液晶膜，该液晶膜是通过固定由光学上呈现正单轴性的液晶聚合物在液晶状态形成的向列混合定向获得的。
本发明的透射反射液晶显示器的特征在于，第二光学各向异性元件包括至少一片液晶膜，该液晶膜是通过固定由呈现光学正单轴性的液晶聚合物在液晶状态形成的向列混合定向获得的，以及至少一片聚合物伸展膜。
本发明的透射反射液晶显示器由以下所述顺序的部件构成，偏光器，第一光学各向异性元件，具有透明电极的第一基片，定向的元件层，具有透射反射电极(以下必要时称为“反射层”)的第二基片，其上形成有反射功能的一区域，第二光学各向异性元件，偏光器，及背灯。如果必要，可装设附加的部件，诸如光漫射层，光控膜，导光板，棱镜片等。本发明的透射反射液晶显示器，通过在后部排布背灯，既能够用于反射模式，又能够用于透射模式。
以下的说明是对由本发明中使用的第一基片，第二基片，及夹在其间的均匀定向的液晶层构成的液晶单元给出的。
该液晶单元包含具有透射反射电极的第二基片，其上形成有反射功能的一区域，并形成有透射功能的一区域。有反射功能的区域将是反射显示部分，而有透射功能的区域将是透射显示部分。
本发明中，液晶层在有反射功能的区域处最好比在有透射功能的区域处有较小的厚度。其原因阐述如下。
首先，在液晶层有适合于反射显示厚度的情形下，说明透射显示部分中的透射显示。在使液晶层厚度适合于反射显示的情形下，与由外部场诸如电场引起的液晶层定向变化相关的偏光状态变化程度使得，从观察者侧通过液晶层入射形成的光在反射层被反射，并通过与观察者侧相对的液晶层出射，从而获得足够的对比率。然而，这种情形下，通过液晶层的光定向状态变化程度在透射显示部分是不够的。因而即使除了排布在液晶单元观察者侧用于反射显示的偏光器之外，仅用于透射显示的偏光器排布在液晶单元后侧，在透射显示部分中有可能不能获得足够显示。换言之，在液晶层的定向状态的设置适用于反射显示部分，透射显示部分将缺乏亮度或虽有足够的亮度但在黑暗显示时透射中不降低，导致不良的对比率。
更具体来说，在反射显示时，液晶层中的液晶定向状态由施加的电压控制，使得大约1/4波长的光学延迟传递给只一次通过液晶层的光。以厚度适用于反射显示的液晶层实现的透射显示，即通过实现电压调整提供1/4波长的相位调整不能厚度足够的亮度显示，因为当透射显示部分处于黑暗显示模式时，透射的充分降低引起几乎光的一半亮度由排布在光被反射侧的偏光器吸收。此外，当光学元件诸如偏光器和光学延迟补偿器的排布使得在透射吸收部分的亮度显示模式时增加亮度时，在透射显示部分的黑暗显示模式时的亮度将大约为亮度显示模式时的1/2，导致不良的对比率。
与此相反，为了使液晶层厚度适用于透射显示，必须向液晶层施加电压调整，使得向光透射液晶层传递1/2波长的光延迟。因而，为了采用反射光和透射光两者用于高分辨率及优秀的可见度的显示模式，反射显示部分的液晶层必须比透射显示部分厚。本发明中，反射显示部分的液晶层厚度最好是透射显示部分的百分之30到90，并特别最好是百分之40到60。理想上，反射显示部分的液晶层厚度大约为透射显示部分的1/2。
本发明中，液晶单元的模式最好是采用液晶分子被均匀定向的电控双折射(ECB)的显示模式。最好不使用TN和STN模式，因为从生产的观点而言容易发生由于液晶分子定向中的缺陷所至的问题，这种缺陷是，在透射显示部分和反射显示部分之间的边界处当它们之间的厚度差变得较大时引起的。
对液晶单元的驱动模式不加任何特定的限制。因而，这可以是sTN-LCD中使用的被动矩阵模式，使用主动电极诸如TFT(薄膜晶体管)电极和TFD(薄膜二极管)电极的主动矩阵模式，以及等离子地址模式。
本发明中使用的第一基片是具有透明电极(反电极)的透明基片，而第二基片是具有透射反射电极的透明基片。
对形成第一或第二基片的透明基片不加特别的限制，只要它使材料准直，在特定定向方向中呈现形成液晶层的液体晶体性即可。具体来说，可以使用具有使液晶准直的性质的透明基片，或使用虽没有这种性质但装有有这种性质的准直薄膜等透明基片。对于单元的电极可以是传统的电极，诸如ITO。一般来说，电极可装设在透明基片与液晶层接触的表面。在使用具有准直膜的透明基片的情形下，电极可装设在基片和准直膜之间。
对形成液晶层的液晶材料不加任何特别的限制。因而，可以使用传统的各种低分子量和聚合物液晶物质及其混合物。液晶材料可以混合染料，手性搀杂剂，以及发液晶物质，达到对液晶性没有负面的影响的程度。
对形成反射层的材料不加特别的限制，只要能够反射光即可。因而，反射层材料可以是金属，诸如铝，银，金，铬，铂，包含这些一种或多种这些金属的合金，氧化物，诸如氧化镁，电介质的层压膜，呈现有选择反射性的液晶膜，将它们的组合。这些反射层可以是扁平的或弯曲的，并可通过在其表面形成粗粗图案而提供散射的反射性，那些在位于观看侧相反侧电极基片上有作为电极功能的层，以及任何它们的组合。
对偏光器不加特定的限制，只要能够实现本发明的目的即可。因而，可以适当使用一般在液晶显示器中使用的传统的偏光器。具体的例子为基于PVA偏光膜，诸如聚乙烯醇(PVA)，偏缩醛PVA，偏光膜，诸如通过拉伸亲水聚合物膜获得的偏光膜，这种聚合物膜包含乙烯-乙烯基醋酸盐共聚物局部皂化产品并吸收碘和/或二向色染料，以及包含多烯-定向膜的偏光膜，诸如PVA的脱水产品及聚氯乙烯的脱氯产品。另外，可以使用反射型偏光器。
这些偏光器可以独立使用，或与透明防护层组合使用，这些防护层装设在偏光器的一面或两面，用于提高强度，抗潮湿，及阻热。防护层的例子有通过在偏光器上直接或经过粘合层层压塑料膜，诸如聚酯和三乙酰纤维素；树脂涂层；及丙烯酸-或环氧基光凝固型树脂层。当防护层涂敷在偏光膜的两个表面时，它们可以相同或不同。
对本发明中使用的第一光延迟元件不加任何特定限制，只要有优秀的它们性和均匀性即可。最好能够使用聚合物拉伸膜，及从元件材料形成的光补偿膜。
聚合物拉伸膜的例子有以纤维素-，聚碳酸酯-，聚烯丙基-，聚砜-，聚丙烯-，聚醚砜-，或循环的石蜡基聚合物形成的双轴或单轴光延迟膜。这些材料中，就成本和膜均匀性而言，聚碳酸酯-基聚合物最佳。另外，有较少双折射有色色散性的膜，诸如由JSR公司制造的“ARTON”等，也是较好的，因为能够抑制画面质量中色调制。
由液晶材料形成的光补偿膜的例子包括各种呈现主链-和/或侧链-型液晶性的液晶聚合化合物，诸如液晶聚酯，液晶聚碳酸酯，聚丙烯酰胺，聚丙二酸，或具有在定向之后通过交叉链接等被聚合的反应性低分子量液晶物质。这些膜可以是有自支持力的或在透明支持基片上形成的单层膜。
本发明中可使用一个或多个第一光学延迟元件。可组合使用聚合拉伸膜和液晶光补偿膜。
本发明中使用的第二光学各向异性元件包括至少一片液晶膜，该膜是通过固定呈现光学正单轴性的液晶聚合物在液晶状态下形成的向列混合定向获得的。
第二光学各向异性元件最好包括至少一片液晶膜，该膜是通过固定由呈现光学正单轴性的液晶聚合物在液晶状态下形成的向列混合定向获得的，以及至少一片聚合拉伸膜。
本发明中使用的第二光学各向异性元件包括呈现光学正单轴性的一种液晶聚合物，更具体来说，是一种呈现光学正单轴性的液晶聚合化合物，或包括至少一类液晶化合物并呈现光学正单轴性的液晶聚合物，并包含至少一种液晶膜，其中固定在液晶状态下由液晶聚合化合物或合成物形成的向列混合定向。
这里所使用的术语“向列混合定向”表示一种定向结构，其中液晶分子在一向列位中被定向，在该相位中液晶聚合物到膜的上和下表面的定向器在各表面形成彼此不同的角度(倾角)。因而，由于由定向器和膜平面形成的角度在膜的上和下界面附近之间不同，向列混合定向能够由倾角在上和下膜表面之间连续变化的定向定义。
本发明中，向列混合定向结构中平均倾角最好在5到45度的范围。
液晶膜是一种有固定向列混合定向结构的膜，其中液晶分子定向器在上述膜厚指向中的所有位置被定向在不同角度。因而，在整个膜结构中不再存在光轴。
这里所使用的术语“平均倾角”表示液晶分子的定向器和沿液晶膜厚方向的膜平面之间角度的平均值。在液晶膜中，由一个膜表面附近的液晶分子的定向器和该膜表面形成的角度的绝对值一般为20到90度，最好为30到70度，同时反面的膜界面附近角度的绝对值一般为0到20度，最好为0到10度。在该定向结构中平均倾角的绝对值一般为5到45度，最好为7到40度，更好为10到38度，且更好为15到35度。平均倾角，如果偏离以上范围，则将引起结果液晶显示器的对比度降低。平均倾角可通过使用液晶旋转方法确定。
形成第二光学各向异性元件的液晶膜可由任何液晶材料形成，只要膜有固定的向列混合定向结构和规定的平均倾角即可。例如，该膜可以是在液晶状态下使低分子量的液晶基片准直以呈现向列混合定向，并通过光或热交叉链接固定该定向结构获得的膜，或通过使聚合液晶物质在液晶状态下准直并固定该定向结构获得的膜。这里所使用的术语“液晶膜”可表示通过把低分子量或聚合液晶物质形成为膜获得的膜，这样液晶膜本身可能不具有液晶性。
能够呈现适当的视角改进透射反射液晶显示器效果的液晶膜的厚度，可变不是按确定性被确定的，因为这依赖于装有膜的液晶显示器的模式和各种光学参数。然而，厚度一般从0.2μm到10μm，最好从0.3μm到5μm，并更好从0.5μm到2μm。小于0.2μm的厚度将可能不能获得补偿效果。大于10μm的厚度将可能引起结果的液晶显示器着色不理想。
当从正常方向观察膜时，对在液晶膜平面的平面中准延迟值说明如下。就是说，在有固定向列混合定向结构的液晶膜中，平行于定向器的折射率(ne)不同于垂直于定向器的折射率(no)。因而，从no减去ne获得的值定义为准双折射率，于是准延迟值由准双折射率与绝对膜获厚度的乘积确定。一般来说，这一准延迟值通过偏振光学测量例如椭圆光度法易于获得。相对于单色光550nm，用作为光学各向异性元件的元件膜准延迟值，一般在10nm到600nm的范围内，最好在30nm到400nm的范围内，并更好是50nm到300nm。小于10nm的延迟值可能不能放大结果的元件显示器的视角。大于600nm的延迟值当斜向观看显示器时可能引起不必要显色。
以下，将更为详细说明本发明的透射反射元件显示器中光学各向异性元件的排布状态。为了描述具体的排布状态，以下分别使用图2和3定义由元件膜组成的光学各向异性元件的上和下平面，元件的倾斜方向元件单元预倾斜方向。
首先，当包含液晶膜的光学各向异性元件的上和下表面，由膜界面和膜平面的附近中液晶分子的定向器形成的角度定义时，在锐角侧与定向器形成20到90度的平面定义为“b-平面”，而在锐角侧形成0到20度的平面定义为“c-平面”。
光学各向异性元件的倾斜方向由当从b-平面侧向c-平面侧通过液晶膜观察时的方向定义，液晶分子的定向器及其在c-平面的投影形成一锐角，且该锐角平行于该投影(图1和2)。
一般来说，在液晶单元中的液晶与每一基片之间的界面上，即单元界面，驱动低分子量液晶不平行于该低于界面，并以一定角度倾斜，该角度一般称为“预-倾斜角”。然而，单元界面上液晶分子的定向器及其投影形成锐角并平行于投影的方向，定义为“液晶单元的预-倾斜方向”(图3)。
第二光学各向异性元件可由上述液晶膜及聚合物拉伸膜构成。
这种聚合物拉伸膜的例子是呈现单-或双-轴性的介质，它们可以是各种聚合物拉伸膜，诸如聚碳酸酯(PC)，聚甲基丙烯酸酯(PMMA)，聚乙烯醇(PVA)，及由JSR公司制造的“ARTON”。就产品的成本来看单液晶膜和单聚合物拉伸膜的组合是实际上最好的。
第二各向异性元件的液晶膜可用作为单个单元或与支持基片组合，诸如透明塑料膜。另外，液晶膜可与偏光器集成使用。在使用液晶膜作为单独的单元的情形下，这通常在层压到用于保护偏光器上透明塑料膜之后使用，诸如聚酯和三乙酰纤维素。另外，如果必要，液晶膜和/或聚合物拉伸膜可与通过压敏粘合剂或粘合剂与偏光器集成。
当只是单个的液晶膜用作为透射反射元件显示器的第二各向异性元件时，膜最好排布在液晶单元的第二基片和偏光器之间。在面向第一基片液晶界面上，液晶膜的倾斜方向还最好与液晶层的液晶分子的预倾斜方向大致重合。由倾斜方向和预倾斜方向形成的角度的绝对值，最好在0到30度范围内，更好在0到20度，并特别好是在1到10度。超过30度的角度结果可能有不良的视角补偿效果。
当单液晶膜与单聚合物拉伸膜的组合用作为透射反射液晶显示器的第二光学各向异性元件时，它们排布在第二基片和偏光器之间。这种情形下，液晶膜可排布在与液晶单元相邻侧，或与偏光器相邻侧。
本发明中，当排布液晶膜和聚合物拉伸膜时，液晶膜最好类似于只使用单液晶膜的情形排布。就是说，在面向第一基片的液晶界面上，液晶膜中的液晶聚合物的倾斜方向，最好大体上与液晶层的液晶分子的预倾斜方向一致。由倾斜方向和预倾斜方向形成的角度最好在0到30度范围内，更好是1到20度，并特别好是0到10度。聚合物拉伸膜的排布使得液晶膜的倾斜方向和聚合物拉伸膜的延迟轴，最好形成范围在40到80度内的一角度，更好是50到70度。
对光散射层，背灯，光控膜，导光板及棱镜片不加特别的限制。因而可以使用传统的部件。
除了上述的部件之外，本发明的透射反射液晶显示器可装设其它部件。例如，色滤器的使用使其能够产生彩色液晶显示，它们能够提供颜色纯度增加的多-或全彩色图象。
[工业中的应用]
如上所述，本发明的透射反射液晶显示器，能够以透射模式和优秀的视角性质提供高对比度明亮的图象。
[例子]
将参照以下发明和比较例子进一步描述本发明，但这并非是对其限制。除非另外声明，例子中的延迟(Δnd)是波长为550nm的值。
例子1
图5示意表示例子1中使用的透射反射液晶显示器。
在基片7上配置由高反射性材料诸如AL的反射电极，与高透射材料诸如ITO构成的透射反射电极6，同时在透明基片3上配置有反向电极4。由呈现正电介质常数各向异性的液晶材料形成的液晶层5，夹持在透射反射电极6和反向电极4之间。此外，这一显示器中，第一光学各向异性元件2和偏光器3排布在与透明基片3的反向电极相对表面，且第二光学各向异性元件8与偏光器9排布在与基片7的透射反射电极6相反的表面上。背灯10也装设在偏光器9的后侧。
根据日本专利公开No.6-347742中所述的方法，生产厚度0.68μm的液晶膜16，在该膜中固定在厚度方向平均倾角为28度的向列混合定向。因而，图5中示出生产带有元件排布的ECB-型透射反射液晶显示器。
这里所使用的液晶单元13包含由Merck Ltd.制造的ZLI-1695作为液晶材料。结果的液晶层5具有厚度2.4μm的反射电极区(反射显示部分)，及厚度4.8μm的透射电极区(透射显示部分)。基片两个界面上的液晶层的预倾角分别为2度，在反射显示部分和透射显示部分液晶单元的Δnd大约分别为150nm和300nm。
厚度180μm的偏光器(SQW-862，由Sumitomo ChemicalIndustry Co.，Ltd.制造)排布在液晶单元13观察侧(图的上部分)，其间排布有每一个由单轴拉伸聚碳酸酯膜形成的聚合物拉伸膜14和15构成的第一光学各向异性元件2。聚合物拉伸膜14的Δnd大约268nm，而聚合物拉伸膜15的Δnd大约98nm。
由元件膜16构成的第二各向异性元件8，及由单轴拉伸聚碳酸酯膜形成的聚合物拉伸膜17排布在液晶单元13偏光器9的观察器侧背后，且偏光器9排布在膜17的观察器侧背后。有固定向列混合定向结构的液晶膜16具有120nm的Δnd，同时聚合物拉伸膜17具有272 nm的Δnd。
偏光器1和9的吸收轴，聚合物拉伸膜14，15，和17的慢轴，液晶单元13在两界面上的预倾角，及液晶膜16的倾斜方向如图6中所述定向。
图7示出当接通背灯(透射模式)时，作为来自所有方向的对比率的透射率(白色图象0V)/(黑色图象6V)。
图8示出，当背灯接通(透射模式)时在左和右方向，从0V的白色图象到6V的黑色图象的六级显示图象的透射视角性质。
图9示出，当背灯接通(透射模式)时在上和下方向，从0V的白色图象到6V的黑色图象的六级显示图象的透射视角性质。
从图7到9所示的结果发现，该液晶显示器特别是在透射模式具有优秀的视角性质。
比较例子1
产生类似于例子1的液晶显示器，所不同在于，图5所示的结构中，替代液晶膜16排布大约137nm的Δnd的单轴拉伸聚碳酸酯膜16’，且排布在液晶单元13的观察器侧背后的偏光器的吸收轴及聚合物拉伸膜16’和17’的慢轴，如图10所示定向。
图11示出当接通背灯(透射模式)时，作为来自所有方向的对比率的透射率(白色图象0V)/(黑色图象6V)。
图12示出，当背灯接通(透射模式)时在左和右方向，从0V的白色图象到6V的黑色图象的六级显示图象的透射视角性质。
图13示出，当背灯接通(透射模式)时在上和下方向，从0V的白色图象到6V的黑色图象的六级显示图象的透射视角性质。
例子1和比较例子1就视角性质进行比较。
当比较图7和11所有方向的对比度轮廓时，确认使用有向列混合物结构的液晶膜能够获得更广的视角性质。
当在图8和9及图12和13中比较传统显示器的透射模式中通常作为缺陷的上和下及左和右方向分级性质时，确认使用有向列混合物结构的液晶膜改进了反转性质。
在这例子中，不使用色滤器进行实验。然而不必说，在液晶单元中装有色滤器的液晶显示器能够显示优秀多彩色或全彩色图象。
图1用于描述液晶分子的倾角和扭转角的概念视图。
图2是构成第二光学各向异性元件的元件膜的定向结构的概念视图。
图3是描绘元件单元的预倾斜方向的概念视图。
图4是本发明的透射反射液晶显示器的示意剖视图。
图5例子1的透射反射液晶显示器的示意剖视图。
图6是指示例子1中偏光器的吸收轴，液晶单元预倾斜方向，及聚合物拉伸膜的慢轴，与液晶膜的倾斜方向的角度关系的平面视图。
图7是指示当从所有方向观看例子1的透射反射液晶显示器时的对比率的视图。
图8示出例子1的透射反射液晶显示器从0V的白色图象到6V的六级显示图象的左和右方向透射视角性质。
图9示出例子1的透射反射液晶显示器从0V的白色图象到6V的六级显示图象的上和下方向透射视角性质。
图10是比较例子1中偏光器的吸收轴，液晶单元预倾斜方向，及聚合物拉伸膜的慢轴的角度关系的平面视图。
图11是指示当从所有方向观察比较例子1的透射反射液晶显示器时对比度的视图。
图12示出比较例子1的透射反射液晶显示器从0V的白色图象到6V的六级显示图象的左和右方向透射视角性质。
图13示出比较例子1的透射反射液晶显示器从0V的白色图象到6V的六级显示图象的上和下方向透射视角性质。