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次世代反射型液晶技術
次世代反射型液晶技術 次世代反射型液晶技術 A Novel Refrective LCD 東 垣 良 之 * Yoshiyuki Higashigaki 岩 内 謙 一 * Ken'ichi Iwauchi 柳 沼 道 雄 * Michio Yaginuma 水 野 裕 二 * Yuji Mizuno 要 旨 反射型カラー LCD の高輝度化，高コントラスト化 及び広色域化を同時に達成するため， 指向性カラー反 射膜を開発した。一枚偏光子と組み合わせて，TFT 駆 動により指向性カラー反射による動画表示を実証し た。カラーバー表示の特性評価により，視野角の半分 に相当する指向性角以内では， 反射ゲインによる高輝 度化，オフアキシス反射による高コントラスト化，及 びホログラムカラー反射による広色域化を確認するこ とができた。 渡 辺 寿 史 * Hisashi Watanabe 合 田 匡 史 * Tadashi Gohda 石津谷 幸 司 * Kouji Ishizuya 階調制御を可能として4096色が表示可能となった３）。 表示特性は B=30％，CR=5。ゲストホスト液晶より高 速応答及び高コントラストが期待される一枚偏光表示 モードを用いた反射型TFTパネルが試作され，初期特 性として B=30％，CR=10 が達成され，64 階調表示に より，26 万色表示が可能となった４）。 新聞紙（B 50％，CR5）並み以上のカラー印刷の性 能を表示するには，特に，反射輝度の向上が望まれて いる。ここでは，指向性カラー反射による高輝度化， 高コントラスト化，広色域化について報告する。 １ . 指向性カラー反射機能について The RGB directive color reflectors with different directive angles were prepared and assembled into the reflective color LCD panels with a single polarizer. A moving image with directive color reflection was successfully demonstrated using a TFT drive. It was revealed that brightness was enhanced by gain reflection, contrast improved by off-axis reflection, and color gamut expanded by holographic color reflection, within a directive angle corresponding to half of a viewing angle. まえがき 透過型カラー液晶のバックライトを拡散反射板に置 き換えた反射型カラーLCDがMIM駆動により実現さ れた１）。 反射型表示の明るさを優先するため色域が狭 いものであったが，明るさ（B）14％，コントラスト （CR）8 が得られた。カラーフィルターを用いない電 界制御複屈折モードにより，表示性能 B=20％及び CR=3 が報告された２）。フルカラー表示に至らなかっ たが， 電子システム手帳のマルチカラー化に実用化さ れた。偏光子を用いないゲストホスト液晶を適用し， * ディスプレイ技術開発本部 機能デバイス開発センター 拡散反射膜として金属凹凸反射板が実用化されてい る 。この反射板は入射光を正反射し，凹凸面による 拡散反射成分を附与する機能を持っている。しかし， 入射光を反射板の法線方向に反射するオフアキシス反 射機能がない。従って，ディスプレイの法線方向から 直視すると，反射ゲインは小さい。正反射方向の明る い方向から直視すると液晶デバイス構造に起因する界 面反射が重畳し，高いコントラスト表示が得られ難 い。このような課題を解決する試みとして，オフアキ シス反射機能をもった指向性反射による高輝度化と高 コントラスト化を同時に満足する技術が望まれる。 ５） 図１は傾斜角がガウス分布した時の凹凸反射板の反 射ゲインをまとめた。30 度入射垂直受光の測定条件 下では，凹凸面の平均傾斜角を関数とする反射ゲイン は最大 1.6 と予測される。ここでは，横軸の傾斜角は 傾斜角の二乗平均の平方根を意味している。尚，反射 ゲインが最大1.6であることは実験的にも確かめられ ている５）。他方，拡散反射する標準白色板にオフアキ シス反射と指向性反射機能を附与して，指向性角θd まで反射角幅を絞り込むと，輝度反射ゲイン（1/(Sin θd )2）が得られる。従って，指向性角を 30 度とする と，反射ゲインとして４が予測されるが，凹凸反射板 にはオフアキシス機能がないので，また，凹凸面がラ ― 15 ― シャープ技報 第80号・2001年8月 図１ 凹凸反射板の反射ゲイン（計算結果） Fig. 1 Reflection gain of though surfaces. ンダム配向しているので， 凹凸反射板のゲインは小さ な値となっている。ところが，指向性反射膜は反射ゲ インとして 3.5 が実測された６）。 吸収型カラーフィルタを用いた反射型カラー液晶表 示では明るさを優先するため， 色域を小さくする傾向 １） があった 。他方，指向性反射及びオフアキシス反射 機能を創出するため，反射型体積ホログラムを利用し ているので，カラー反射機能も反射板に附与できる。 ところが，このホログラム形成にはレーザ光を用いる ので，反射波長幅は通常 20 nm 程度で，反射率 100％ が得られる。従って，反射型カラーフィルタとして広 い色域が得られるが，波長 380 から 780 nm に渡る周 囲光の利用効率は低いことになる。これを避けるた め，反射波長幅を透過型液晶素子並みの透過波長幅 100 nm 近くまで拡大する必要がある。反射波長幅を 拡大できると，透過型液晶デバイス並みの色域を反射 型表示でも達成することが可能と期待される。 以上の ことから，ホログラムを応用した指向性反射技術は反 射型表示の高輝度化，高コントラスト化，及び広色域 化を同時に達成するものであることが分かる。 指向性角 0 度の時は，オフアキシス角があっても， ホログラム干渉縞は指向性薄膜内で傾いた平面構造と なる。従って，白表示状態は鏡面反射となり，周囲光 源の映り込みが生じ，また，カラー表示状態はメタ リックカラーとなる。これを避けるためには，有限の 指向性角が必要である。指向性角（極角：θd ）が小 さい時，表示輝度は高くなるが，視野角 2θd は小さ くなる。 反射型カラーフィルタとしての RGB パターンの形 成には，ホログラム記録媒体を二枚のフォトマスク で挟み，Ｂ反射露光後媒体を相対的にシフトさせ，G 反射露光を行った。また，その後 R 反射露光を繰り返 した。 これらの露光工程は常温常圧ドライプロセスで ある。RGBサブピクセル化後，各反射波長幅を拡大す るため，フォトモノマーを含んだフィルムをホログラ ム記録媒体に貼り合わせ， モノマーの拡散温度と拡散 時間を最適化し， チャープ構造を与える条件を特定し た７）。チャープ構造形成後，紫外線照射（約 1J）と熱 処理（120 ℃，２時間）を行い，ホログラム構造の安 定化を図った。 以上のことから， 指向性カラー反射膜内における各 RGB 反射サブピクセル領域は反射波長の違いにより 図２ チャープ構造による反射波長の拡大図 Fig. 2 Broad reflection band width of chirp hologram. ２ . 指向性反射膜の作製 指向性反射機能を実現するため， 二光束干渉露光法 を適用した。指向性角を規定するため，マイクロレン ズアレイを用いた。 このアレイを垂直に透過したレー ザ光を物体光として，更に，ホログラム記録媒体の裏 からオフアキシス角だけ法線方向からずれて入射する レーザ光を参照光として干渉露光を行った。尚，指向 性膜材料としては DuPont 社製のホログラム記録媒体 を用いた。 ― 16 ― 図３ TFT 駆動用指向性カラー反射膜 Fig. 3 Pixellated directive color reflector. 次世代反射型液晶技術 干渉周期構造がそれぞれ異なるが， 反射プロファイル が同一となる干渉構造の変形はそれぞれ同一となって いる。これは，指向性角以内では加法混色によりフル カラー表示するために必要なことである。 図２は最適 化した反射プロファイルを透過スペクトルとして表し ている。また，図３は，TFT 駆動基板に合わせてピク セル化した指向性カラー反射膜（ドットピッチ ＝ 96 mm）の外観を示す。 ３ . TFT 駆動パネルの実証試作 図４ 試作パネルの明るさと指向性角 指向性カラー反射膜と一枚偏光子を用いて，TFT駆 動パネルを試作した。試作に先立って，指向性角と明 るさの関係を把握した。その結果を図４にまとめる。 入射光の利用効率は偏光子のため 43 ％に低減し，更 に，透過型液晶デバイスに用いられる吸収型カラー フィルタの存在のため，30.7 ％に低減する。従って， パネルの開口率を 50 ％とするとエネルギー利用効率 として 6.25 ％が予測される。反射型パネルでも透過 型パネルでも，吸収型カラーフィルタ並みの色域を目 標とする限り，エネルギー利用効率は 6％程度にな る。ところが，指向性反射によって輝度向上が期待さ れる。図４から指向性角 20 度（視野角 40 度）で明る さ 60％を達成できることが分かる。 一枚偏光板と指向性カラー反射膜を用いる表示デバ イスの表示性能を最適化するには， 指向性反射膜上で の反射位相差の発生が180度からのずれとして小さい ことが必要である。このため，チャープ構造を形成し た緑反射サンプルについて 30 度入射角における振幅 反射率と位相差を分光エリプソメータにより実測し た。その結果を図５に示す。また，図５にはチャープ 量として，干渉縞当たり0.01％膨潤を想定した試料の 計算結果も合わせて示す。理論と実験から，反射位相 差は 180 度に近いことを確認することができた。 パネル試作工程における指向性反射膜の特性劣化を 低減するオーバーコートを形成して， 反射膜をパネル 内部に配置することも可能であるが， 今回は実験の都 合により，指向性反射膜と液晶層の分離膜として，50 µm 厚の薄いガラス板を用いて，視差の発生を抑制し た。また，おおよその視野角 10 度，20 度，及び 30 度 に相当する指向性反射膜を用意し， 一枚偏光表示モー ドを利用したパネル（それぞれ DDA10，DDA20， DDA30 と呼ぶ）を試作した。 パネルのTFT駆動には市販の携帯情報端末（透過型 ザウルス）を用い，8 色のカラー表示を行い，明るさ 及び反射プロファイルは白表示状態から測定し， 黒表 示状態の明るさを測定して，コントラストを算出し た。また，RGB 表示領域から各反射色度座標を求め， Fig. 4 Luminance enhancement as a function of directive angle. 図５ 指向性反射膜の反射位相差の評価 Fig. 5 Retardation generation at directive reflector (Green). 色域を評価した。 垂直入射光に対する視感反射率の反 射プロファイルを図６にまとめる。ここで，極角方向 及び方位角方向におけるプロファイルから反射ピーク 値と指向性角（半値半幅）を求めた。RGB領域におけ る反射スペクトルを測定し，色域を図７にまとめた。 以上の結果を表１にまとめる。 視野角 20 度で明るさ 42％，コントラスト 28，色域 72％が得られた。明るさ60%を達成するには開口率の 向上（50% から 70%）が考えられる。尚，昨年度試作 した 8 色カラーバー表示セル（開口率 80%）では視野 角 17 度で明るさ 127％，コントラスト 29，色域 100％ を達成している８）。 試作した指向性カラー反射膜は開口率 50％の条件 下で 11-12％のエネルギー利用効率を示すが，一枚偏 光表示モードにより効率は 5-6％と予測される。実測 値は 2.5％であった。この低い値の原因として，今回 の試作では指向性反射膜が液晶セルの外側に配置され たことが考えられる。反射膜と薄いガラス基板の間を ― 17 ― シャープ技報 第80号・2001年8月 図６ 試作パネルの反射プロファイル（左から DDA10, DDA20, DDA30 の結果） Fig. 6 Reflection profiles of three samples. 表１ 試作パネルの表示特性 Table 1 Specification of panels. 試作TFTパネル名 明るさ コントラスト 色域 視野角 DDA10 117.5 14.4 79.9 12.5度 DDA20 42.3 28.4 71.9 24.5度 DDA30 28.9 19.1 74.6 35度 明るさ：標準白色板の視感反射率を100％ 色 域：吸収型カラーフィルタの色域を100％（光源はD65） 図７ 試作パネルの色域 Fig. 7 Color gamut of panels. 反射光が導光することが観察されたからである。尚， MIM 駆動基板によるパネル試作も行ったが，この時 反射膜はパネル内配置であり， 上記の導光する反射光 は発生しなかった。また，エネルギー反射率として 5 ％が得られたことを付記する。 ることができたが，ホログラム技術を応用した新規な 作製プロセスの開発が今後必要とされる。 謝辞 本研究の一部は通産省プロジェクトの一環として NEDO から委託されて実施された。 むすび 参考文献 指向性カラー反射機能を用いると，明るく，見易 く，色の奇麗な反射型ディスプレイが実現できる見通 しが得られた。視野角を犠牲にしているが，ネット ワークに繋がった膨大な数が想定される個人専用のモ バイルディスプレイとして， 将来の電子商取り引きを 含めた電子バリュ（端末のキャッシュ機能化）のセ キュリティ向上に役立つものと考えている。 今回， 指向性反射膜を用いるデバイス機能を実証す １） 前田強他， 信学技報EID95-145（1995） . ２） 日経マイクロデバイス， 1995年8月号， pp.30-50（1995） . ３） I. Washizuka, et al., AM-LCD'97, pp9， （1997） . ４） 中村浩三他， シャープ技報， 69， pp33， （1997） . ５） 木村直史他， シャープ技報， 56， pp28（1993）. ６） 東垣良之他， シャープ技報， 74， pp16（1999）. ７） T. Tokumaru, et al., Proc. SPIE, 3637, 196 （1999） . ８） M. Yaginuma, et al., IDRC'00, pp315， （2000）. （２ ００ １年６月１３日受理） ― 18 ―