上 野 毅 稔
要 旨
反射型液晶表示デ ィスプレイ (反 射型 LCD)は 高度情報化社会の進展 に とってキー となる重要な デバイスである。透過型 LCDで は背面光源 により消費電力が全体 の 1/2〜 1/3程 占めているが ,反
射型 LCDは 背面光源 を用いないため ,バ ッテ リーで も長時間駆動が可能 な携帯 デバ イス として有 用である。いつで も ,ど こで も ,だ れ とで も気軽 な映像情報 の交換 には掛 け替 えのない素子である。
ところで ,反 射型 LCDの 設計 においては外部光の効率的な利用が重要である。透過型 LCDに お いては ,背 景光 によって明 るさを自由に命」 御す ることがで きる。一方 ,反 射型 LCDで は利用 しうる 光 のエネルギーが外部光 に限 られて しまい ,任 意の光強度 を得 ることはで きない。 こうした入射光 の損失 はパネルの輝度低下や表示 コン トラス トの低下 を招いて しまうため ,光 の損失 を極力抑 えな ければな らない。反射型 LCDに おいては近年広視野角化 の取 り組 みが行われてお り,そ の進展が 目 覚 ましいが ,他 方では外部光 の利用効率改善が重要 となることは明 らかである。本論文では ,反 射 型素子 の全 ての構成要素 において反射率 を上昇 させ る最適化が行 われなければな らない ことか ら
,特 に直線偏光子 における表面反射 の影響 について検討 した。直線偏光子 は入射 自然光 を直線偏光 に 変換す る光学素子であ り ,LCDに おいては必要不可欠な光学素子である。偏光子の評価法 について 議論 し ,反 射型液晶ディスプレイにおける設計概念 を明 らか にした。
また ,反 射型 LCDで は光源が周囲光であることか ら ,種 々のスペ ク トル下での色彩設計 を考慮す る必要がある。これ まで透過型 LCDで 用い られていた背面光源の単一スペ ク トルではな く,多 様 な 光源 を対象 とす る必要がある。本論文ではこうした条件 の下で邑速 ,か つ確実 に色彩設計 しうる数 学的手法 について明 らかにした。以下 に本論文 の概要 を示す。
第 1章 は緒論である。 ここでは本研究の 目的について述べ る とともに ,液 晶の高品位化 に関す る 研究過程 について概説 し ,本 研究の内容 について述べた。
第 2章 では ,反 射型 カラー液晶表示素子の現状 と課題 について述べている。今 日 ,技 術 の進歩 に も関わ らず ,情 幸又 機器利用の拡大 によ り ,エ ネルギー消費が増 えているのが現状である。従 って低 消費電力機器 の導入 は室内環境や地球環境 のために望 ましい ことである。反射型 LCDは ,こ れ に応 えうるキーデバ イス として注 目を浴びている。 この設計 に際 してはパネルヘの散乱機能の付与が不 可欠である。ここでは現状で提案 されている 3種 類 の方式 について詳述 した。反射型 LCDに た透過 型 LCDよ り高度 な光学設計が必要 とされている。光利用効率 の向上 はアウ トドアか ら室 内環境で の使用が可能 になることを意味 し ,イ ンテ リジェン ト・ペーパーホワイ トディスプレイが実現 に近 づ くことになる。 ここでは表面反射 と色彩設計 の重要性 について説 いている。
第 3章 では偏光子の光学的特性 ,特 に表面反射 の影響 について検討 している。表面反射 は表示 自 体 には全 く寄与せず ,し か も暗状態 を損 なうことか らコン トラス トの低下 を招いて しまう。論文で
学位 と学位記番号 :博 士
(工学 ),博 第 7号 授与年月 日 :平 成 13年 3月 19日
授与時の所属 :八 戸工業大学大学院工学研究科電子工学専攻博士後期課程
八戸工業大学紀要 第 21巻
はこの影響の甚大 さとその評価方法 について検討 している。光学的な評価 は偏光子単体 と 2枚 の偏 光子 を積層 した場合の 2通 りを測定す るだけで表面反射 の影響 を求 めることがで きる。積層の際 に はぅ偏光子の基板 TACの 屈折率 と整合 させた接着剤 (n=1.47)を 用い ,内 部反射 を避 ける状態 を 得た。結果 として可視光領域 における偏光子の反射成分 は約 4%程 であることが分かった。偏光子 の表面反射 は ,空 気 と保護層である TACフ ィルム界面で起 きる。理論計算で は反射率 として は 3
9%が 得 られ , この値 は実験結果 とほぼ一致す ることが確認 された。
次に偏光子 における光学特性の最適化 を検討 した。透過型でコン トラス トを高 めるには偏光子の 吸光度 を上 げることが考 えられるが ,反 射型か ら考 えると光利用効率が低下 して しまう。 そ こで最 適化 を図 る必要性が生 じて くる。偏光子の積層枚数 と吸光度 には比例 関係が認 め られ ,Lanbert Beer則 が成立 していることが確認 された。反射型表示の一種である新聞紙 は日常支障無 く用いてい
るが ,そ のコン トラス トは 5程 度である。反射型 LCD素 子のコン トラス トを C=5に 設定 し ,実 用 偏光子の 2色 性比 D三 75の 元で最適化 を図った。偏光子の透過方向 と吸収方向の透過率 をそれぞれ T上 ,T‖ とした場合 ,Dは 偏光子が有す る 2色 性比 (log T上 /1og T‖ )で ある。結果 として透過率 約 97.5%の 値が得 られた。現行 の偏光子ではこの値が 93.9%で あるため ,改 良によ り 3.6%分 の明
るさ向上が見込 まれることが示唆 された。
第 4章 では色彩設計 について述べている。バ ックライ トを使用 しない明 るい反射型 LCDは ,携 帯
情報端末の重要なデバ イスである。中で もゲス ト・ ホス ト型液晶表示素子 は 2色 性色素の吸収異方 性 を用いるため ,大 変広い視野角特性 を有 している。そのため複屈折モー ドや旋光モー ドの表示方 式で用いなければな らない複雑 な光学補償が不要 となる。 白黒表示 の GH― LCDは マイクロカラー フィルタ表示の光バルブ として用いることがで きる。 この場合 ,正 確 に無彩色 にしなければな らな い。従 って ,色 素 を混合 して無彩色 となるように濃度 を調整 しなければな らない。本論文では最適 色素濃度 を求 め Newton― Raphson法 を応用 した色彩設計 について検討 した。
まず ,一 部報告 されている基本式 に誤 りがあ り検討 を行い ,矛 盾の無い式 を導出することがで き た。この基本式 に基づ き種々の条件 における色彩設計 を行 った。取 り上 げた LCDモ ー ドはゲス ト ・ ホス ト効果であ り ,最 適色素濃度 を求 めるシ ミュレーションを行 った。 シ ミュレーションでは光バ ルブ としての機能 を考慮 し ,3種 類の色素 を混合することとした。
最適化過程 における色素濃度の推移 を検討 した結果 ,約 10回 程度の繰 り返 しで数値が収束 してい ることが分かった。途 中で濃度が負の値 となる場合が生 じ ,物 理的にはあ り得 ない状態であるが ,計 算過程上 は問題ではない ことが確認 された。 また ,三 刺激値 の推移 を見 ると ,初 期段階で色度図上 大 きな変動 を示すが ,い ずれの場合で も 10回 程度の繰 り返 し計算で収束値 を得 られ ることが分かっ り ,最 終的には無彩色 を実現す ることがで きた。得 られた透過率の波長依存性 は大 き く変動 してお り ,無 彩色 と判断 しに くいが等色関数 との計算 により何れ も無彩色 となってい ることが確認 された。
経験的に設計 しに くい色彩で も ,本 法では容易 にその最適条件 を見出す ことがで きる。
ところで ,こ れ までは
o打状態 を前提 に光学特性 を議論 して きたが,実 用時 は電圧印加 に伴い吸収 が変化す る。 そのため ,色 相が変化 して しまう可能性 もある。 そこで ,電 圧印力日に伴 う表面層の影 響 を検討 した。表面層 は電圧 を印加 して も実効的に配向が変化 しない部分 を示 してお り ,電 圧無印 加時 は 100%,無 限大の電圧が印加 された場合 には 0%と なる。最適濃度 における三刺激値 の表面層 依存性 は ,い ずれの場合 にも三刺激値 は等 しい値 を取 り ,電 圧印力日 状態で も無彩色状態 を維持 で き
ることが示 された。
以上 ,本 論文では反射型 LCDの 実用 に際 した表面反射の影響 について明 らかにす るとともに,ゲ
ス ト・ ホス ト液晶カラー表示素子 における色彩設計法 について検討 した。本研究 の結果 は ,カ ラー フィル タ ,ゲ ス トホス ト素子 ,偏 光子な ど吸収型 デバイスな どの工学的応用が可能であ り ,反 射型
LCDの 設計 において有用な指針が得 られ ,表 示品位 の向上 に寄与す る知見が得 られた。
主指導教員 関 秀廣
八戸工業大学紀要 第 21巻
Colori∬ letric Design and Optical Evaluation of the Color LCDs
Taketoshi UwANO
Abstract
Reflective color liquid crystal displays(LCDs)are important key devises in future informa―
tion oriented society The rellective LCDs do not use a backhght The backhght consumes electric power about one third of the trans■ litted LCDs Therefore the long available time of a buttery is useful for the co■ llnunication with anybody,in anyⅥ /here,in anytirne Backlight―
less device reahzes an energy saving world. Design of reFlective mode needs a high efnciency of utilization of the ambient hght for the bright display ln the transmissive mode, the brightness can be easily controlled by the backlight However, the hght energy in the renective mode is limited、vithin the ambient light. The loss of light is resulted in darkening of the display panel lt is an important point of the design of the renective display, Ⅲ【 any LCD Inodes in the reflective display、 vith high performance have been discussed and developed in recent years ln order to improve the emciency of the ambient light,the renectance of the panel rnust be increased as high as possible Therefore aH components in the renective device must be designed in the optimunl conditions A polarizer is the optical device■ 、 ア hich converts the incident natural polarized light to the linearly polarized light and is an essential component for the L(,Ds Usually, the property of the polarizer has not been discussed in detail Ho、 、 ア ever,the optical analysis of the polarizer is necessary for the improvement of the optical property ln this paper,the evaluation of the polarizer is discussed precisely and the design concept for the renective display is clarined
Chapter l,the introduction,gives a historical backgrOund on the LCDs,the ptlrpose and the contents of the paper
Chapter 2 describes a present state and the subjects of the reflective LCDs. Recently,the technology of the LCDs has made remarkable advances,but an energy consumption must be decreased for the portable equipment The tarnsmissive LCDs have the backlight for the improvement of the intensity of illumination Therefore,the reflective color LCDs needs more precise optical design than the trans■ lissive LCDs Because the incident light loss does not allowed for the renective LCDs The renective LCDs are classined into three classes in the point of the scattering function The detail structures and the comparison was discussed
Chapter 3 describes the optical characteristics of a linear polarizer. Rellective color L(,Ds are important key devises in future information oriented society The renective LCD does not use a backhght. The backhght consumes electric po、 、 ア er about one third of the transI五 tted LCDs Therefore the long available tilne of a buttery is useful for the coHHnunica―
tion 、 vith anybody in anywhere, anytilne Backhght― less device realizes an energy saving
M/orld Design of reflective mode needs a high ettciency of utilization of the ambient light for the bright display ln the transH五 ssive mode,the brightness can be easily controlled by the backhght, However,the light energy in the reflective mode is limited、 vithin the ambient light.
The loss of light is resulted in darkening of the display panel. It is an important point of the design Of the reflective display ふ /1any LCD modes in the renective display with high perfor―
mance have been discussed and developed in recent years ln order to improve the emciency of the ambient hght, the reflectance of the panel must be increased as high as possible, Therefore an components in the renective device must be designed in the optimum conditions.
A polarizer is an optical device which converts the incident natural polarized hght to the hnearly polarized light and is an essential colllponent for the LCDs. Usually,the property of the polari5er has not been discussed in detail. Ho、 vever,the optical analysis of the polarizer is necessary for the illlprovement of the optical property. In this paper,the evaluation of the polarizer is discussed precisely and the design concept for the renective display is clarined.
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