JP2002148590A

JP2002148590A - 液晶装置

Info

Publication number: JP2002148590A
Application number: JP2000339548A
Authority: JP
Inventors: Tomio Sonehara; 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】散乱性液晶を用いた液晶装置において、高い
コントラストを有する液晶装置を提供する。【解決手段】本発明の液晶装置１は、第１の透明基板
２、第２の透明基板３からなる一対の基板と、一対の基
板間に挟持された各々が断面三角形状の複数の透明構造
体４と、一対の基板と透明構造体とで区画された空間内
に封入された散乱性液晶５と、散乱性液晶に電界を付与
して液晶分子を配列させることで散乱性液晶の実効的な
屈折率を変化させる共通電極６および画素電極７と、第
１の透明基板２の外面に配置された吸収体８とを備えて
いる。そして、透明構造体４の屈折率と電界無印加時の
散乱性液晶５の常光屈折率とが等しくなるように設定さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶装置に関し、
特に透過状態と散乱状態とで明暗の表示を切り換える方
式の液晶装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置（Liquid Crystal Displa
y, 以下、ＬＣＤと略記する）を構成する液晶セルは、
上下基板に一対の電極をそれぞれ配し、これら電極間に
印加した電界で基板間の液晶を駆動する方式が一般的で
ある。例えばアクティブマトリクス方式の液晶セルにお
いては、複数のデータ線と複数の走査線とが格子状に形
成されるとともに、画素電極、画素電極駆動用のスイッ
チング素子である薄膜トランジスタ（Thin Film Transi
stor, 以下、ＴＦＴと略記する）がマトリクス状に配置
されたアクティブマトリクス基板と、対向電極が配置さ
れた対向基板とが所定の間隔をもって配置されている。
アクティブマトリクス基板と対向基板とは、スぺーサを
混入したシール材により一定の間隔を保って互いに電極
形成面が対向するように貼り合わされ、これら２枚の基
板間に液晶が封入されている。

【０００３】液晶材料に関しては、近年、高分子分散型
液晶（散乱性液晶の一種）に関する研究が進められてい
る。これは液晶と高分子からなる複合体の光散乱効果を
利用するものであり、この液晶を利用したＬＣＤは高分
子分散型ＬＣＤと称されている。この高分子分散型ＬＣ
Ｄには、液晶が微小粒滴として高分子マトリクス中に分
散しているタイプや、液晶の連続相中に高分子が３次元
網目状または微小粒滴状に分散しているタイプがある。
その動作原理は、電界無印加時に液晶分子はランダムに
配列しており、入射光が散乱される一方、電界印加時に
は液晶分子が電界方向に再配列するので、その時の液晶
の屈折率と高分子の屈折率を等しく設定しておけば、入
射光が散乱されず、透明な外観を呈することによるもの
である。もしくは、電圧無印加時に液晶と高分子が配向
分散して透明であり、電圧印加時に液晶が電界方向に再
配列して高分子との屈折率差から散乱を呈することによ
るものである。

【０００４】後者の動作原理を利用したＬＣＤとして、
本発明者らが先に開発したJournalof the SID vol.7/1,
pp.23-27 に記載のＩＲＩＳ（Internal-Reflection I
nverted-Scattering）モードの液晶パネルがある。この
液晶パネルでは、ＰＤＬＣ（Polymer-Dispersed Liquid
Crystal）の一種である高分子分散型液晶を用いてお
り、ポリマー前駆体やモノマーを含有する液晶にＵＶ光
を照射することによってポリマー前駆体やモノマーを重
合させる。この際、ポリマー前駆体やモノマーが液晶中
でゲストとして配向し、この配向状態のまま光重合する
ことでポリマー骨格が特定方向に並んで固定化される。
例えば、モノマー材料として光感光性のメタクリレー
ト、液晶材料にはシアノビフェニル系液晶をベースとし
たネマティック液晶を用いることができる。

【０００５】そして、ＵＶ照射条件、液晶材料、ポリマ
ー前駆体やモノマーの材料等を適宜選択することにより
液晶とポリマーを屈折率をほぼ一致させた状態で配向さ
せ、光学的に透明な状態とすることができる。つまり、
液晶層に電界が印加されない状態（ＯＦＦ状態）で透明
状態となる。次に、液晶層に電界が印加されると、液晶
は電界に沿って再配向する。ここで電界に追随しないポ
リマーとの間で屈折率の差異が生じ、入射した光は直進
せずに光散乱を受ける。つまり、液晶層に電界が印加さ
れた状態（ＯＮ状態）で散乱状態となる。従来一般のＰ
ＤＬＣがＯＦＦ時に散乱、ＯＮ時に透明であったのに対
し、ＩＲＩＳモードの液晶パネルはＯＦＦ時に透明、Ｏ
Ｎ時に散乱となる点が大きな特徴点である。

【０００６】例えば図７（ａ）に示すように、反射型の
高分子分散型ＬＣＤ１０１に対して一方向から光Ｌが入
射した場合、散乱状態（図７（ａ）の下側）であれば、
光があらゆる方向に出射されて使用者の目に入るので、
明（白）表示となる。一方、透過状態（以下、透明状態
ということもある、図７（ａ）の上側）であれば、光は
反射板１０２で正反射する方向にしか出射されないの
で、使用者がこの方向から見ない限り、暗（黒）表示と
なる。実際に使用者は光源を直視する正反射方向を自然
に回避するのが普通であるから、この方向は視認に使わ
ない領域と考えられる。なお、図７において、符号１０
０は使用者の目を表しており、これにより液晶表示装置
に対する使用者の見る方向を示す。このように、高分子
分散型表示方式は光散乱効果に基づいているので、偏光
子を必要とせず、これによって視野角が広く、明るい表
示が実現できるという利点を持っている。しかも、反射
型であれば装置の小型化、低消費電力化が図れることか
ら、特に携帯機器の表示部への応用が期待されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、高分
子分散型ＬＣＤは偏光板を用いることなく、表示が可能
なため、明るい表示が可能である。また、白表示はペー
パーホワイト表示が可能であり、偏光板を用いるタイプ
に比べて白表示の品質に優れている。その反面、黒表示
は液晶パネルの透過状態を使用しているため、偏光板を
用いるタイプに比べて黒表示の品質が劣っている。この
ため、コントラストが低く、一般的な表示装置として使
いにくいという問題があった。

【０００８】例えば、図７（ａ）のように一方向から光
が入射した場合については上で説明したが、図７（ｂ）
に示すように、あらゆる方向から光Ｌが入射する場合に
は透明状態であっても反射光があらゆる方向に出射する
ので、表示として見た場合、黒表示が明るくなって本来
の散乱状態の白表示に近づいてしまったり、極端な場
合、散乱光よりも反射光の方が強くなると、透明状態で
明、散乱状態で暗というように画像の明暗が逆転すると
いう問題があった。

【０００９】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであり、透過状態と散乱状態とで表示を切り
換える方式の液晶装置において、高いコントラストを有
する液晶装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の液晶装置は、一対の透明基板と、一対の
透明基板間に挟持された断面三角形状の複数の透明構造
体と、一対の透明基板と透明構造体とで区画された空間
内に封入された散乱性液晶と、散乱性液晶に電界を付与
して液晶分子を配列させることで散乱性液晶の実効的な
屈折率を変化させる電界印加手段と、透明構造体の断面
三角形の底辺側に位置する一方の透明基板の外面に配置
された光吸収手段とを備え、透明構造体の屈折率と電界
無印加状態での散乱性液晶の常光屈折率とが等しいこと
を特徴とする。前記各透明構造体の形状は断面が三角形
状であれば、一方向に延びる凸条でもよいし、多角錘で
もよい。

【００１１】本発明の液晶装置の基本構造は、一対の透
明基板間に各々が断面三角形状の複数の透明構造体、す
なわち凸条や多角錘状の透明構造体が挟持され、これら
基板と透明構造体で囲まれた空間内に散乱性液晶が封入
されたものである。そして、透明構造体の屈折率と電界
無印加状態での散乱性液晶の常光屈折率とが等しくなる
ようにこれらの材料が選択されている。したがって、散
乱性液晶に電界を印加していない状態で液晶の常光屈折
率と透明構造体の屈折率が等しいときには液晶と透明構
造体との界面で屈折率差がないため、透明構造体の断面
三角形の頂点側にあたる他方の透明基板側から光を入射
させると、その入射光は液晶中を散乱することなく透過
した後、液晶と透明構造体との界面でも屈折を起こすこ
となく直進し、透明構造体中を透過する。そして、この
光は、透明構造体の断面三角形の底辺側にあたる一方の
透明基板の外面に設けられた光吸収手段によって吸収さ
れる。この状態が暗（黒）表示となる。

【００１２】一方、電界印加手段を用いて散乱性液晶に
電界を印加すると、散乱性液晶の実効的な屈折率が変化
して液晶の常光屈折率と異常光屈折率との中間位の屈折
率を示すようになり、液晶と透明構造体との界面で屈折
率差が生じるとともに液晶自体が散乱状態を呈する。こ
こで、他方の透明基板側から光を入射させると、その入
射光は液晶中で散乱すると同時に、液晶と透明構造体と
の界面まで到達した光は透明構造体の斜面で反射し、再
度液晶層を透過した後、他方の透明基板側から出射され
る。この状態が明（白）表示となる。なお、本発明での
「散乱性液晶」とは、液晶層に電界が印加された状態で
散乱状態となる液晶のことをいう。

【００１３】すなわち、原理的に言えば、従来の散乱性
液晶を用いた液晶装置が散乱により「明（白）」を、反
射により「暗（黒）」を表示していたのに対し、本発明
の液晶装置では、散乱と反射により「明（白）」を、透
過、吸収により「暗（黒）」を表示する。その結果、本
発明によれば、透明構造体からの反射光が加わる分、明
（白）表示の輝度が高くなると同時に、積極的に吸収を
利用したことで暗（黒）表示がより暗く（黒く）なり、
従来に比べてコントラストを向上させることができる。

【００１４】前記散乱性液晶の具体例の一つに、高分子
と液晶分子とが混在した高分子分散型液晶を挙げること
ができる。この場合、透明構造体の液晶に接する斜面に
垂直配向処理を施すと、液晶分子は、電界無印加状態で
は透明構造体の斜面近傍で斜面に対して垂直に配向し、
隣接する透明構造体の間の中央付近では基板面にほぼ平
行に配向する。これに伴って高分子も同様に配向する。
そして、液晶に対して基板面に垂直な方向の電界を印加
すると、液晶分子は印加電界に沿って基板面に垂直な方
向に再配列する一方、高分子は無印加状態の配向のまま
であるから、実効的な屈折率変化が得られ、本発明の目
的に合致したものとなる。

【００１５】前記電界印加手段の具体例として、前記一
方の透明基板上に形成された共通電極と、他方の透明基
板上に形成された複数の画素電極とを備えたものを例示
することができる。この場合、複数の画素電極を他方の
透明基板上に設けた複数のスイッチング素子によってそ
れぞれ駆動する構成とすることが望ましい。つまり、本
発明の液晶装置の駆動には、アクティブマトリクス方式
を採用することができる。さらに、他方の透明基板にカ
ラーフィルターを備え、カラー液晶装置としてもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
１〜図６を参照して説明する。図１は本実施の形態の液
晶装置の構成を示す断面図である。本実施の形態の液晶
装置１は、図１に示すように、一対の透明基板２，３間
に各々が断面三角形状の複数の透明構造体４が挟持さ
れ、これら基板２，３と透明構造体４とで囲まれた空間
内に液晶５が封入されている。一対の基板を構成する第
１の透明基板２（一方の透明基板）、第２の透明基板３
（他方の透明基板）はともにガラス、石英、プラスチッ
ク等の材料から構成され、透明構造体４は例えばアクリ
ル樹脂等の材料から構成されている。ここで用いる液晶
５は高分子分散型の散乱性液晶であって、高分子材料と
して光感光性のメタクリレート、液晶にはシアノビフェ
ニル系液晶をベースとしたネマティック液晶を用いるこ
とができる。また、透明構造体４の屈折率と電界無印加
時の液晶５の常光屈折率（ｎ_LCO）が等しくなるように
これら材料の組み合わせが選択されている。

【００１７】各透明構造体４の形状としては断面が三角
形状であればよく、例えば図２に示すように、一方向に
延びる凸条状の透明構造体４ａでもよいし、図３に示す
ように、四角錐（多角錘）状の透明構造体４ｂでもよ
い。そして、液晶５に接する透明構造体４の全ての斜面
４ｃに垂直配向膜（図示略）が形成されている。この場
合、垂直配向膜の材料としては、ポリイミド、界面活性
剤、カップリング剤、金属錯体等を用いることができ
る。さらに、金属膜と直鎖構造の硫黄化合物分子により
金属膜表面に形成された単分子膜とを含む配向膜を用い
ることもできる。

【００１８】図１に示すように、第１の透明基板２上の
透明構造体４の下方に、インジウム錫酸化物（Indium T
in Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電膜か
らなる共通電極６（電界印加手段）が基板全面にわたっ
て形成されている。一方、第２の透明基板３上にはＩＴ
Ｏ等の透明導電膜からなる複数の画素電極７（電界印加
手段）が画素毎に形成されている。なお、透明構造体４
の斜面が垂直配向されているのに対し、第２の透明基板
３の液晶に接する面は平行配向するか、もしくは配向処
理せずに斜面の垂直配向による平行配向効果を利用して
もよい。そして、各画素電極７は第２の透明基板３上に
設けられた複数のスイッチング素子（図示略）によって
それぞれ駆動される構成となっている。つまり、本実施
の形態の液晶装置１の駆動にはアクティブマトリクス方
式が採用されている。スイッチング素子には、ＴＦＴを
用いてもよいし、ＴＦＤ（Thin Film Diode,薄膜ダイオ
ード）を用いてもよい。また、第１の透明基板２の外面
側には黒色紙等からなる吸収体８（光吸収手段）が設け
られている。

【００１９】次に、図４、図５を用いて上記構成の液晶
装置１の動作について説明する。図４および図５は図１
の拡大図であり、図４は電界無印加時の液晶の配向状態
を、図５は電界印加時の液晶の配向状態をそれぞれ示し
ている。

【００２０】図４に示すように、液晶５に電界が印加さ
れていない時は高分子９と液晶分子１０がともに透明構
造体４の斜面４ｃに対して垂直に配向し、散乱状態を呈
しない。そして、液晶５の常光屈折率（ｎ_LCO）と透明
構造体４の屈折率（ｎ_resin）が等しく、液晶５の実効
屈折率（ｎ_eff）も常光屈折率とほぼ変わらないため、
液晶５と透明構造体４との界面で屈折率差がほとんどな
い。本実施の形態の場合、これら全ての屈折率が１．５
程度である。そのため、第２の透明基板３側から光Ｌを
入射させると、その入射光Ｌは液晶５の中を散乱するこ
となく透過した後、液晶５と透明構造体４との界面でも
屈折を起こすことなく直進し、透明構造体４中を透過す
る。そして、この光Ｌは、第１の透明基板２も透過した
後、その外面に配置された吸収体８によって吸収され
る。この状態が暗（黒）表示となる。

【００２１】一方、図５に示すように、共通電極６に定
電位を与え、画素電極７に信号電位を与えることで液晶
５に電界を印加すると、液晶５の実効屈折率（ｎ_eff）
が変化して液晶５の常光屈折率（ｎ_LCO：１．５程度）
と異常光屈折率（ｎ_LCe：１．６程度）の中間位の屈折
率を示すようになり、液晶５と透明構造体４との界面で
屈折率差が生じる。そして、液晶分子１０が電界の向き
に再配列して、液晶分子１０と高分子９が異なる方向に
配向するので、液晶５は全体として散乱状態を呈する。
この状態で、第２の透明基板３側から光Ｌを入射させる
と、その入射光Ｌは液晶５中で散乱して第２の透明基板
３から出射される（散乱光Ｌ１を破線の矢印で示す）と
同時に、液晶５と透明構造体４との界面まで到達した光
は透明構造体４の斜面４ｃで反射し、再度液晶５を透過
した後、第２の透明基板３側から出射される（反射光Ｌ
２を実線の矢印で示す）。この状態が明（白）表示とな
る。

【００２２】従来の散乱性液晶を用いた液晶装置が散乱
により「明（白）」を、反射により「暗（黒）」を表示
していたのに対し、本実施の形態の液晶装置１では、散
乱と反射により「明（白）」を、透過、吸収により「暗
（黒）」を表示する。その結果、本実施の形態の液晶装
置１によれば、光の回帰性を利用している分、つまり透
明構造体４からの反射光が加わる分、明（白）表示の輝
度が高くなると同時に、吸収を利用したことで暗（黒）
表示がより暗く（黒く）なり、従来に比べてコントラス
トを向上させることができる。

【００２３】さらに、凸条または四角錐状の複数の透明
構造体４が一対の透明基板２，３の間に挟持されている
ので、これら透明構造体４がスペーサの役目を果たし、
透明基板２，３間の間隔、いわゆるセルギャップが基板
全面にわたって均一になり、画像むらを低減できるとい
う効果が得られる。

【００２４】また、透明構造体４の斜面４ｃの角度を変
えることによって反射光Ｌ２の出射角度を制御すること
ができる。

【００２５】上記実施の形態では白黒表示の液晶装置の
例を説明したが、本発明をカラー表示の液晶装置に適用
することも可能である。例えば図６に示す液晶装置１１
は、第２の透明基板３の上に各画素に対応したＲ
（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる３色の色素層１２
ｒ，１２ｇ，１２ｂと遮光層１３（ブラックマトリク
ス）とからなるカラーフィルター１４が形成されてい
る。カラーフィルター１４上にオーバーコート層１５が
形成され、その上に複数の画素電極７が形成されてい
る。その他の構成は図１の液晶装置と同様である。この
ようにして、カラー液晶装置を実現することもできる。

【００２６】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば上記実施の形態における透明構造体の形状、構成材
料等に関しては適宜変更が可能である。また、高分子分
散型液晶中に含まれる高分子は高分子前駆体あるいはモ
ノマーの状態で存在していてもよいが、これらを重合さ
せてポリマーネットワークを形成する構成とすれば、高
分子の配向状態が液晶分子の動きにより影響を受けにく
くなり、屈折率差が大きくなって散乱の程度が大きくな
る点でより好ましい。

【００２７】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
液晶装置によれば、光の回帰性を利用している分、明
（白）表示の輝度がより高くなると同時に、吸収を利用
することで暗（黒）表示がより暗く（黒く）なり、従来
に比べてコントラストを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の液晶装置を示す断面
図である。

【図２】同、液晶装置の透明構造体の形状を示す斜視
図である。

【図３】同、透明構造体の他の形状を示す斜視図であ
る。

【図４】同、液晶装置の動作を説明するための図であ
って、電界無印加状態を示す断面図である。

【図５】同、電界印加状態を示す断面図である。

【図６】同、液晶装置の他の例を示す断面図である。

【図７】散乱性液晶を用いた液晶装置の表示原理を説
明するための図である。

【符号の説明】

１，１１液晶装置２第１の透明基板（一方の透明基板）３第２の透明基板（他方の透明基板）４，４ａ，４ｂ透明構造体５液晶６共通電極（電界印加手段）７画素電極（電界印加手段）８吸収体（光吸収手段）９高分子１０液晶分子１４カラーフィルター

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の透明基板と、該一対の透明基板間
に挟持された断面三角形状の複数の透明構造体と、前記
一対の透明基板と前記透明構造体とで区画された空間内
に封入された散乱性液晶と、該散乱性液晶に電界を付与
して液晶分子を配列させることで前記散乱性液晶の実効
的な屈折率を変化させる電界印加手段と、前記透明構造
体の断面三角形の底辺側に位置する一方の透明基板の外
面に配置された光吸収手段とを備え、前記透明構造体の
屈折率と電界無印加状態での前記散乱性液晶の常光屈折
率とが等しいことを特徴とする液晶装置。
【請求項２】前記各透明構造体の形状が一方向に延び
る凸条であることを特徴とする請求項１に記載の液晶装
置。
【請求項３】前記各透明構造体の形状が多角錘である
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
【請求項４】前記散乱性液晶が高分子分散型液晶であ
ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に
記載の液晶装置。
【請求項５】前記透明構造体の前記散乱性液晶に接す
る斜面に垂直配向処理が施されたことを特徴とする請求
項４に記載の液晶装置。
【請求項６】前記電界印加手段が、前記一方の透明基
板上に形成された共通電極と、他方の透明基板上に形成
された複数の画素電極とを備え、該複数の画素電極が該
他方の透明基板上に設けられた複数のスイッチング素子
によってそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項１
ないし５のいずれか一項に記載の液晶装置。
【請求項７】前記他方の透明基板にカラーフィルター
が備えられたことを特徴とする請求項６に記載の液晶装
置。