JP2001503152A - 封入液晶物質を電極に付着する電着方法 - Google Patents

封入液晶物質を電極に付着する電着方法

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Abstract

(57)【要約】 電極パターンを有する基材を提供し;液晶組成物、封入媒体またはそのための前駆体および場合によりキャリヤー媒体を含んで成る電着媒体と接触させて電極パターンおよび基材を配置し;電極パターンまたはその選択された部分に電圧を加えることにより、封入媒体中に分散された液晶組成物を含んで成る封入液晶物質を電極パターンまたはその選択された部分に付着させることにより電極材料に封入液晶物質を適用する。被覆基材−電極コンビネーションは、ディスプレイ、遮蔽用スクリーン、サイン、建築用仕切などに作ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 封入液晶物質を電極に付着する電着方法 発明の技術分野 本発明は、電着により封入された液晶物質を電極表面に適用する方法に関する 。 発明の背景 電気−光学的に活性な要素(electro-optically active element)が液晶物質 を含んで成る液晶ディスプレイ(“LCD's”)および他のデバイスは周知で ある。 ある種のデバイスは、液晶組成物がポリマーのような封入媒体内(containmen t medium)に封入または分散されている封入液晶構造物を採用している。十分に 強い電場に対応する電圧が封入された液晶構造を横切って電極を介して加えられ ると(フィールドオン(field-on)状態)、電場に基づいてその中の液晶分子の 配列が再配向し、その結果、入射光が透過する。逆に、そのような電圧が存在し ないでは(フィールドオフ(field-off)状態)、液晶分子の配列がランダムで あり、および/または液晶−マトリックス界面により影響を受け、その結果、構 造物は、入射光を散乱し、および/または吸収する。この構造物をフィールドオ フ状態からフィールドオン状態に変換する印加電圧は、一般的に閾(しきい)電 圧と呼ばれる。そのようなデバイスは、ディスプレイ、建築用パーティション( 仕切板)、自動車用サンルーフ、遮蔽用スクリーン(privacy screen)およびサ インなどに使用することができる。 一般的に、封入液晶物質は、基材−電極コンビネーションに流体状の塗布可能 前駆体形態で適用され、溶媒またはキャリヤー媒体を蒸発させることにより、重 合のような化学反応により、あるいは冷却時の固化のような物理的な変化により 最終の形態に転換することができる。別の方法は、封入液晶物質のフィルムまた はシートを準備し、次に、それを基材−電極コンビネーションに積層する方法で ある。 ファーガソン(Fergason)の米国特許第4,435,047号(1984年) は、液晶、封入媒体およびキャリヤー媒体を含んで成るエマルジョンを調製し、 基材支持電極上にこのエマルジョンの層を形成し、エマルジョンを乾燥させるこ とを含んで成る封入液晶デバイスの製造を開示している。 ドーン(Doane)らの米国特許第4,688,900号(1987年)は、未 重合封入媒体前駆体モノマーおよび液晶の組み合わせを基材/電極に適用し、モ ノマーを重合することによる封入液晶デバイスの製造を開示している。 ウェスト(West)らの米国特許第4,685,771号(1987年)は、溶 媒または温度誘導相分離法により封入液晶デバイスを製造することを開示してい る。 従来技術の方法には、幾つかの制約がある。実際に電気−光学的に活性である デバイスの一部分、即ち、電極材料が存在する箇所だけを選択的に被覆すること は困難であり、従って、実用的には殆ど全部の基材が被覆される。電極のパター ンが複雑であり、全領域に対して比較的小さい場合、大きな割合の封入液晶物質 が実際上無駄になる。例えばカラーディスプレイを製造する場合、これらの方法 では、電極/基材コンビネーションの異なる領域に異なる種類の封入液晶物質を 好都合に適用することはできない。例えば車のサンルーフまたはある種の建築上 の用途のように、基材が平坦でない場合、被覆することが困難である。 発明者は、上述のような制約を克服する、電極に封入液晶物質を適用する新た な方法を見い出した。 発明の要約 本発明は、電極材料に封入液晶物質を適用する方法であって、 電極パターンを有する基材を提供し; 液晶組成物、封入媒体またはそのための前駆体(precursor)および場合によ りキャリヤー媒体を含んで成る電着媒体と接触させて電極パターンおよび基材を 配置し; 電極パターンまたはその選択された部分に電圧を加えることにより、封入媒体 中に分散された液晶組成物を含んで成る封入液晶物質を電極パターンまたはその 選択された部分に付着させること を含んで成る。 この電着方法の後で、基材を電着法から取り出して、過剰の媒体を濯いで除去 し、そして、キャリヤー媒体(存在する場合)を蒸発させてよい。 図面の簡単な説明 第1図および第2図は、封入液晶構造物を含んで成るデバイスの作動を模式的 に示す。 第3a−c図は、基材上に電極を如何に選択的に被覆するのかを示す。 第4a−d図は、異なる色のピクセルを如何に選択的に電着してカラーディス プレイを作るのかを示す。 好ましい態様の説明 封入液晶構造物およびその製造は、米国特許第4,435,047号(198 4年)、同第4,606,611号(1986年)、同第4,616,903号 (1986年)および同第4,707,080号(1987年)(いずれもファ ーガソン);パールマン(Pearlman)らの公告されたヨーロッパ特許出願第15 6,615号(1985年);ウー(Wu)らの米国特許第4,671,618号 (1987年);ウェスト(West)らの米国特許第4,673,255号(19 87年)および同第4,685,771号(1987年);ドーンらの米国特許 第4,688,900号(1987年);ならびに大日本インキ化学の公告され たヨーロッパ特許出願第EP0,313,053号(1989年)に開示されて おり、本明細書においてはこれらの開示事項が引用により組み込まれる。封入液 晶構造物にいては、液晶組成物の独立した体積部分が封入媒体またはマトリック ス内に封入され、分散され、埋め込まれ、あるいは含まれている。この体積部分 は、必ずしも球形または実質的に球形である必要はない。これらは不規則な形状 であってもよく、また、相互につながっていてもよい。体積部分間の相互つなが りの量は、上述のヨーロッパ特許公告第EP0,313,053に記載されてい るように液晶が連続相を形成するように見える程度であってもよい。『液晶組成 物』は、単一の独立した液体結晶性化合物から成っていようと、異なる液体結晶 性化合物の混合物から成っていようと、あるいは液体結晶性化合物および非液体 結晶性化合物の混合物から成っていようと、液体結晶性特性を有する組成物を意 味する。好ましい態様では、液晶組成物は、ネマチック(nematic)または操作 上ではネマチックであり、より好ましくは正誘電性異方性(positive dielectri c anisotropy)も有する。もう1つの好ましい態様では、液晶組成物は、操作上 スメチック(smetic)である。更にもう1つの好ましい態様では、液晶組成物は 、キラルネマチック(chiral nematic)である。 個々の液晶分子は、典型的には細長い形状を有し、その長い分子の軸に沿って 相互に平行に整列または配向する性質を自体有する。この整列により、液晶組成 物は、非等方性となり、これは、その測定される物理的、光学的および他の性質 が測定方向(整列の方向に対して平行または垂直)に影響されることを意味する 。更に、整列方向は、外部からの刺激、例えば電場または磁場により影響され、 その結果、刺激が存在しない場合、液晶組成物が1つの方向で物理的性質の特定 の数値示すことになるが、刺激が加えられると、迅速に異なる値に切り替わる。 液晶組成物がディスプレイ用の材料として有用であるのは、この異方性および容 易に再整列することのためである。 好ましい電着媒体は、キャリヤー媒体の存在下でエマルジョン化(乳化)して いる封入媒体および液晶組成物を含んで成り、キャリヤー媒体は、好ましくは水 性媒体であり、例えば水である。エマルジョン化を促進する、またはエマルジョ ン安定性もしくは性能を改善する添加剤を場合により加えてよい。エマルジョン を基材または電極に適用(付着)し、キャリヤー媒体を除去し、後に封入液晶構 造物が残る。 封入液晶構造物用の封入媒体は、好ましくはポリマー材料である。適当な封入 媒体には、ゼラチン、ポリウレタン、ポリ(エチレンオキシド)、ポリ(ビニリ ルピロリドン)、セルロース系ポリマー、天然ガム(natural gum)、アクリル およびメタクリルポリマーならびにコポリマー、エポキシド、ポリオレフィン、 ビニルポリマーなどが含まれるが、これらに限定されるものではない。ポリウレ タンラテックス、例えばパールマンの米国特許第4,992,201号(199 1年)に記載されているようなものは、特に好ましい封入媒体であり、引用する ことによりこの特許を本明細書に組み込むことができる。 典型的には、封入液晶構造物は、十分な電場が存在しない場合(『フィールド オフ』状態)では実質的に非透明であり、十分な電場が存在する場合(または『 フィールドオン』状態)では実質的に透明である。電場は、液晶組成物中の液晶 分子の配列の変更を誘起し、それにより、封入液晶構造物を非常に光を散乱する (および/または吸収する)状態から非常に散乱しないおよび実質的に透明な状 態に切り替える。一般的に、液晶組成物は、正誘電異方性を有し、また、液晶組 成物の常光の屈折率(ordinary index of refraction)が封入媒体の屈折率と一 致し、他方、異常光の屈折率(extraordinary index of refraction)は実質的 に一致しないのが好ましい。これらの原理は、上述の引用文献、特にファーガソ ンの特許に更に記載されている。近隣の液滴における異なる液晶の配列のために 生じることがある散乱が更にある。これが散乱の主モードである場合、屈折率が 一致するという要件を緩和してよい。十分な電場が加えられる封入液晶構造物の これらの部分において、非透明状態から透明状態への遷移が起こり、他方、電場 が加えられていない隣接領域は、不透明のままである。 これらの原理は、第1図および第2図(同じ数字は、同じ要素を示す)に図示 されている。封入液晶構造物8は、中で分散している複数の体積部分の液晶組成 物11を有する封入媒体10を有して成り、上部電極12と下部電極13、例え ばインジウムスズオキシド(『ITO(indium tin oxide)』)または薄い金属 コーティングからできているものの間に配置されている。電圧源14が電極12 および13に接続されているが、スイッチ15は開いた状態であり(第1図)、 封入液晶材料8を横切って電圧は加えられていない。入射光(光線A)は、後方 に(光線a’およびa”)、また、前方に(光線b’およびb”)に散乱される 。スイッチ15を閉じると(第2図)、封入液晶構造物8を横切って電圧が加え られ、加えられた電圧の場により液晶組成物11中の分子がその長い軸に沿って 整列する。封入媒体10の屈折率と液晶組成物11の常光の屈折率が一致するこ とにより、入射光(光線A)は散乱せずに、封入液晶構造物8を透過する。 第3a−c図に本発明の方法を図示している。第3a図は、数字8の電極パタ ーン21を被覆した基材20(例えばガラスまたはポリ(エチレンテレフタレー ト))を示す。リード線22は電極21に電圧を加える手段を提供する。電極2 1は、透明導電極性材料、例えばITOから形成してよい。電極21を反射モー ドで操作するディスプレイのバックプレーン電極(backplane electrode)とす る場合、従って、透明性が必要ではない場合、電極は、アルミニウム、金、銀ま たは銅のような金属からできていてよい。第3b図は、電着媒体24を含む容器 23に浸けられた第3a図の基材−電極コンビネーションを示す。個別のリード 線26を有する対極25(例えば白金)もエマルジョン24に浸けられている。 電極25および21を横切って電圧が加えられる。この例では、電極21は、ア ノードとして示され、電極25はカソードとして示されているが、反対の極を使 用するこも可能である。適当な時間の後、電圧を切り、基材−電極コンビネーシ ョン20−21を容器23から取り出し、濯いで過剰の電着媒体24を除去する 。キャリヤー媒体を(存在する場合)乾燥により除去した後、電極21のみが封 入液晶材料24’により被覆された基材−電極コンビネーションが得られる。対 照的に、従来の被覆方法において、基材20の電極部分だけを選択的に被覆する ことは遥かに不都合であった。被覆された基材−電極コンビネーションを反対向 きの基材−電極コンビネーションと積層することができ、第1図および第2図に 示すようなサンドイッチ構造が得られる。 多色性染料(pleochroic dye)を液晶と混合してその溶液を生成してよく、色 付きディスプレイおよび他のデバイスが得られる。多色性染料の分子は、一般的 に液晶の分子と整列し、従って、電場を加えると、主として液晶の配列だけでな く、多色性染料の配列にも影響を与える。多色性染料により入射光が吸収される 程度は、入射光に対する染料の向きに影響されるので、液晶−多色性染料コンビ ネーションに外部刺激を加えると、吸収による光の減衰をコントロールする機構 が提供される。カラー画像を表示することができるディスプレイは、赤、青およ び緑の封入液晶構造物から作った対応する色のピクセルを隣合わせに並べて付着 することにより形成することができる。ある態様では、多色性染料は、封入媒体 中に存在してもよい。 等方性染料を使用することもできる。この等方性染料は、封入媒体中に、液晶 組成物中に、あるいは双方の中に存在してよい。等方性染料は、加えられる電場 によりその配列が変化しないが、代わりに、静的カラーフィルター(static col or filter)として作用する。また、等方性染料および多色性染料のコンビネー ションを使用することも可能である。等方性(また、非多色性(non-pleochroic )とも呼ばれる)染料の使用については特にファーガソンの米国特許第4.87 8,741号(1989年)において記載され、本明細書においても引用により これを組み込むことができる。(従って、本明細書において使用する場合、『液 晶組成物』は多色性染料または等方性染料を溶解状態で含む液晶組成物も意味す る。) 本発明は、第4a−d図に示すように、カラーディスプレイの製造に特に好都 合に適用できる。第4a図は、異なる色付きピクセル(例えば、それぞれ赤、青 および緑)に対応する電極31a−cのアレイ(列)を表面に有する基材30を 示す。電極31a−cのそれぞれは、それぞれの電気リード32a−cにより選 択的に印加できる。電極31aは、先の第3a−c図にて説明した手順に従って 、選択的に印加されて赤の封入液晶組成物33aにより被覆でき、第4b図の中 間構造となる。次に、電極31bを選択的に印加して青の封入液晶組成物33b により被覆して第4c図の第2の中間構造が得られる。最後に、電極31cを選 択的に印加して緑の封入液晶組成物33cにより被覆して、赤、青および青のピ ク セルが隣同士に付着された第4d図に示す最終構造が得られる。通常の被覆およ び乾燥または積層方法では、このように隣同士に異なる色のピクセルとすること は非常に困難であり、特にピクセルの数が何百万となり、隣接するピクセル同士 の間隔が非常に小さい場合の高い解像度のディスプレイの場合にそうである。 電着は、従来技術に比べて幾つかの追加の利点を有する。従来の被覆技術、例 えばドクター−ブレード(doctor-blade)コーティング、スロット−ダイ(slot -die)コーティングおよびプリンティング(印刷)ほど、湿り、塗布性および流 れ不安定性に対して敏感ではない。電着被覆は、他の被覆技術を悩ませるフィッ シュアイ(fish-eye)、クレーター(crater)、ウェイビネス(waviness、波き ず)および機械的チャターマーク(mechanical chatter mark)のような被覆の 欠点を有する可能性が小さい。この方法は、平坦でない電極に相似被覆(confor mal coating)を適用する場合に特に適当である。従って、レンズおよび車のサ ンルーフまたはムーンルーフならびに他の湾曲したまたは三次元的な対象物体を 被覆できる。 本発明の電着方法は、各基材または基材のバッチを被覆すべきエマルジョン内 に順に配置するバッチ方法で、または電流を流しながら、例えば基材のロールを エマルジョン内を連続的に通過させる連続方法のいずれでも実施できる。 本発明の1つの態様は、電極上に電気的に被覆できるイオン的に安定した水性 系ポリマーを使用することを含む。水性ラテックス中の液晶のエマルジョンを電 極に電着する場合、液晶の滴(または体積部分)は、付着されたフィルム内に組 み込まれるようになる。カルボキシル(負の電荷を有する)イオン性基を含むラ テックス中の液晶エマルジョンは、プロトンが発生するアノードに付着し易く、 中和してカルボキシル基を安定にする。水素化アミン(正の電荷を有する)基を 含むエマルジョンは、水酸化物イオンが生成するカソードに付着し易い。ある場 合では、カソード上の被覆が好ましい。例えば、金属電極を用いて陰極電着する と、電極の腐食を減らすことができる。インジウムスズ酸化物のような酸化物を 含む電極を用いる場合、陽極電着により腐食を減らすことができる。当業者であ れば、デバイスの性能を最大限にして電極腐食を減らすことができるようにこれ らのパラメーターを調節することができる。ポリマー封入媒体が電極に付着され るので、この態様は、電気析出(electroprecipitation)態様として考えること もできる。 もう1つの態様は、電極における結合形成反応による電着を利用し、これは電 気析出というより電気重合(electropolymerization)となる。電極において封 入液晶フィルムを形成する電気重合を起こすことができる特定のポリマー系には 、エポキシおよびアクリル系が含まれる。電気重合プロセスにおいて、電着媒体 は、液晶組成物および封入媒体用の前駆体物質(例えばモノマーまたはオリゴマ ー)を含んで成り、前駆体物質は、重合してポリマー封入媒体として電極上に付 着する。前駆体物質は、一般的に粘度が小さい物質であるので、キャリヤー媒体 として作用することもでき、それにより、別のキャリヤー媒体の必要性を回避で きる。 上述の全ての態様において、封入媒体の性質および得られるデバイスの性質を 改善するために架橋手段を含ませてもよい。 一般的に約1〜約100ボルトの電圧で十分に付着を実施できる。必要な時間 は、通常約1秒から約20分である。電流および電圧を調節して被覆の品質を改 善することができる。電着は、一定電流、一定電圧またはパルスモードで実施で きる。当業者であれば、特定の封入媒体および液晶組成物に最も適当である時間 、電流および電圧の組み合わせを容易に決定できる。 本発明の実施は、以下の実施例を参照することにより更に理解することができ るが、これらの実施例は例示のためのものであり、本発明は、これらに限定され るものではない。実施例1 プロペラブレード撹拌機により水性ポリウレタンラテックス(XR9677、 アイ・シー・アイ・アメリカズ(ICI Americas)、水中40重量%)にて液 晶(ZLI−1840、エー・メルク(E.Merck)、ダルムシュタット(Darmst adt)、ドイツ国)のエマルジョンを調製した。約2gのエマルジョンを水により 約20gに希釈した。ITO被覆ガラス基材および白金電極をこのエマルジョン に浸けた。100Vの電圧を3分間加えた。ITOを正にバイアスさせた(アノ ード)。不透明なフィルムをITO被覆ガラス基材に電着した。サンプルを取り 出し水により洗浄し、その後乾燥して、ITO被覆ガラスをその上に積層した。 サンプルは、封入液晶フィルムの電圧に依存する透明効果特性を示した。実施例2 0.1重量%のフッ素系界面活性剤(ゾニル(Zonyl)FSN)を含む水性ポ リウレタンラテックス(XR9677、水中40重量%)における液晶(5g、 ZLI−1840)のエマルジョンを20mlのバイアルに移した。これを等量 の水により希釈して全体の体積を10mlとした。白金電極およびITOパター ンを被覆したガラス基材をバイアルに浸けた。ITOパターンが白金電極に対し て正となるように2mAの一定電流を流すようにガルバノスタット(galvanosta t)を使用した。約20秒後、電流を停止した。ITO被覆ガラ基材を取り出し て水により洗浄して、ITOパターンが存在する部分のみに封入液晶物質の被覆 を得た。被覆を約1時間で放置して乾燥した。別のITO被覆ガラスを上に積層 した。サンプルは、電圧を加えた場合に透明になった。実施例3 電極パターンを有するITO被覆ポリエステルフィルムを実施例2にて説明し たエマルジョンに浸けた。アノードとしてのITO被覆ポリエステルおよびカソ ードとしての白金を用いて2mAの電流を約15秒間流した。次に、ポリエステ ルフィルムをエマルジョンから取り出して過剰のエマルジョンを濯いで除去し、 電極パターンの形状に適合する形状を有する封入液晶フィルムを得た。このフィ ルムを30分間放置して乾燥し、その後、もう1つのITO被覆ポリエステルフ ィルムを上に積層した。ポリエステルフィルムの被覆部分は、電圧を加えた場合 に透明になった。実施例4 ITO/ガラス基材をガルバノスタットに電気的に取り付け、水中のポリウレ タンラテックス(ネオレッツ(Neorez)R9677)に黒の多色性染料混合物( 1.6重量%、S344、三井東圧株式会社、日本)を含む液晶(E49、メル ク社(Merck Ltd.、英国)のエマルジョンに入れた。エマルジョンにはカソード として作用する白金箔対極も入れた。2mAの一定電流を約30秒間流し、その 後、基材を取り出して水により濯いだ。過剰の水をペーパータオルで軽く叩いて 除去し、被覆した基材を層流フード(laminar flow hood)内で1時間乾燥した 。被覆の品質は良好であった。即ち、非常に均一であり、表面的な欠陥は殆ど無 かった。サンプルは13.2ミクロンの厚さであり、別のITO被覆上部シート で積層した後、44ボルトの交流信号を加えた場合、暗色で光を散乱する状態か ら透明になった。実施例5 7つの独立してアドレス(指示)できる画素を有する電極パターンをITO/ ガラス基材にエッチングした。4つの画素をガルバノスタットに接続し、水中の ポリウレタンラテックス(ネオレッツR9677)に黒の多色性染料混合物(1 .6重量%、S344)を含む液晶(E49)のエマルジョンに入れた。エマル ジョンにはカソードとして作用する白金箔対極も浸けた。2mAの一定電流を約 20秒間流し、その後、電極を取り出して水により濯いだ。残りの3つの画素を ガルバノスタットに接続し、同じポリウレタンラテックス材料に染料を含まない 液晶材料(E49)のエマルジョンに入れた。2mAの一定電流を約20秒間流 し、その後、基材を取り出して水により濯いだ。過剰の水を被覆基材から軽く叩 いて除去し、被覆した基材を層流フード内で放置して1時間乾燥した。別のIT O/ガラス基材を被覆の上部に積層した。得られたディスプレイは、4つの黒い 画素および3つの白い画素を有し、これらは、適当な電圧を加えることにより独 立してスイッチオンおよびオフすることができた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.電極材料に封入液晶物質を適用する方法であって、 電極パターンを有する基材を提供し; 液晶組成物、封入媒体またはそのための前駆体および場合によりキャリヤー媒 体を含んで成る電着媒体と接触させて電極パターンおよび基材を配置し; 電極パターンまたはその選択された部分に電圧を加えることにより、封入媒体 中に分散された液晶組成物を含んで成る封入液晶物質を電極パターンまたはその 選択された部分に付着させること を含んで成る方法。 2.電着媒体は、ラテックス含有媒体中で乳化した液晶組成物を含んでなる請 求の範囲第1項記載の方法。 3.ラテックスはポリウレタンラテックスである請求の範囲第2項記載の方法 。 4.液晶組成物は、使用に際してネマチックであり、正の誘電異方性を有する 請求の範囲第1項記載の方法。 5.液晶組成物は、使用に際してスメチックである請求の範囲第1項記載の方 法。 6.液晶組成物は、キラルネマチックである請求の範囲第1項記載の方法。 7.電極パターンまたはその選択された部分に正電圧を加える請求の範囲第1 項記載の方法。 8.電極パターンまたはその選択された部分に負電圧を加える請求の範囲第1 項記載の方法。 9.エマルジョンは、染料を更に含んで成り、この染料は、付着工程の間、封 入媒体および液晶組成物の少なくとも1つに付着される請求の範囲第1項記載の 方法。 10.染料は、多色非染料である請求の範囲第9項記載の方法。 11.染料は、等方性染色である請求の範囲第9項記載の方法。 12.エマルジョンは、多色性染料および等方性染料の双方を含んで成る請求 の範囲第9項記載の方法。 13.異なる染料を含む電着媒体を用いて浸漬操作および付着操作のシーケン スを少なくとも1回繰り返し、繰り返される浸漬−付着シーケンスにおいて電極 パターンの異なる部分に電圧を加え、少なくとも2つの異なる色の封入液晶物質 を電極パターンの異なる部分に付着する請求の範囲第9項記載の方法。 14.赤、緑および青の封入液晶物質のピクセルアレイを付着する請求の範囲 第13項記載の方法。 15.封入液晶物質は、電気析出過程により付着される請求の範囲第1項記載 の方法。 16.封入液晶物質は、電気重合過程により付着される請求の範囲第1項記載 の方法。
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