JP2006208567A - 液晶素子とその製造方法及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の色のカラーフィルタを用いてカラー表示を行う方式の液晶素子において、各色の表示の明るさを均一にし、高品質な多色表示を実現する。
【解決手段】本発明では、透明電極を有する一対の透明な基板１１ａ，１１ｂ間に液晶を用いた調光層１３を有し、一方の基板１１ａ側に配置された複数の色のカラーフィルタ１５を用いてカラー表示を行う方式の液晶素子２０において、少なくとも一方の基板１１ａは、カラーフィルタ１５の各色のフィルタ部１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂに対応する部分の表面層１２ａが、各色毎に異なる臨界表面張力パターンを有する基板であり、該基板１１ａと他の一方の基板１１ｂ間に、外部電場により光散乱状態と透明状態が制御可能な高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層１３を配し、該調光層が前記臨界表面張力パターンに対応して異なる高分子マトリックス構造となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、外部電界により光散乱状態と透明状態が制御可能な高分子分散型液晶素子に係り、特に、高品質なカラー表示を行うことができる液晶素子とその製造方法、及びその液晶素子を用いた液晶表示装置に関するものである。

従来、外部電場により光散乱状態と透明状態が制御可能な液晶素子としては、高分子分散型液晶カプセル（以下、ＮＣＡＰと表記する：特許文献１（特公平７−３６０６８号公報）参照）や高分子マトリックス中に液晶を分散させた方式（以下、ＰＮＬＣと表記する：特許文献２（特許第２７２４５９６号公報）参照）及びネマチック液晶のＤＳＭ方式等がある。
ただし、ＮＣＡＰ及びＰＮＬＣは電界無印加で光散乱状態を示し、電界印加で光透過状態になる方式である。また、ＤＳＭ方式は、この逆に動作し、電界印加で光散乱、電界無印加で光透過となる。

ここでＮＣＡＰ方式の液晶層構造のモデル図を図１０に示す。同図においては、透明電極を有する透明な一対の基板１０３の間に、高分子樹脂１０２に囲まれて液晶カプセル１０１が分散した構造となっており、電界無印加では液晶カプセル１０１内の液晶分子配向が均一でないために、高分子樹脂１０２の屈折率と不整合とすることで入射光が散乱され、その後方散乱光により白色状態として観測される。また、基板間に電界を印加すると液晶分子が電界方向に配列し（図１０の基板１０３面に垂直に配列する）、この状態で液晶カプセル１０１の屈折率と高分子樹脂１０２の屈折率が同等になるために光透過状態とすることができる。

次にＰＮＬＣ方式の液晶層構造のモデル図を図１１に示す。同図においては、透明電極を有する透明な一対の基板１０３の間に、高分子マトリックス樹脂１１２の中に液晶１１１が連続相として分散した構造となっており、図１０のＮＣＡＰ方式の場合と同様に、電界無印加では液晶分子配向が均一でないために、高分子マトリックス樹脂１１２の屈折率と不整合とすることで入射光が散乱され、その後方散乱光により白色状態として観測される。また、基板間に電界を印加すると液晶分子が電界方向に配列し（図１１の基板１０３面に垂直に配列する）、この状態で液晶１１１の屈折率と高分子マトリックス樹脂１１２の屈折率が同等になるために光透過状態とすることができる。

図１０に示す構造のＮＣＡＰの作製方法には、カプセル化法、光重合相分離法、熱相分離法及び溶媒蒸発相分離法等、様々な技術がある。特に光重合を用いる光重合相分離法は大面積に対応できる方式とされている。
光重合相分離法とは、光重合性モノマーもしくはオリゴマーと液晶材料及び重合開始剤を混合した溶液（以後、調光層前駆体と呼ぶ）に紫外線（ＵＶ）を照射することで、その重合反応過程において高分子樹脂１０２と液晶の相分離をさせながら液晶カプセル１０１を形成する方法である。ＵＶの強度が大きいほど直径が小さくなり、逆にＵＶの強度が小さいほど直径の大きな液晶カプセル１０１が形成される。同一組成の場合、液晶カプセル１０１の直径をＵＶ照射強度により制御することで、電界無印加時の光散乱の度合いが異なる。一般に、光の波長レベルの直径に近いほど散乱性が強くなり、高い白色状態として観測できる。

図１１に示す構造のＰＮＬＣの液晶相の作製方法としては、光重合相分離法が用いられる。この方法はＮＣＡＰでの光重合相分離法と同様で、光重合性モノマーもしくはオリゴマーと液晶材料及び重合開始剤を混合した溶液（以後、調光層前駆体と呼ぶ）にＵＶを照射することで、その重合反応過程において高分子樹脂と液晶の相分離をさせながら高分子マトリックス樹脂１１２を形成し、そのマトリックス中に液晶１１１を連続相として分散させる方法である。
同一組成であっても、ＰＮＬＣ作製時の、ＵＶの強度が大きいほど高分子マトリックスが細かく密に形成され、逆にＵＶの強度が小さいほど高分子マトリックスが粗く疎に形成される。この高分子マトリックスのメッシュ径をＵＶ照射強度により制御することで、電界無印加時の光散乱の度合いが異なる。一般に、光の波長レベルのメッシュ径に近いほど散乱性が強くなり、高い白色状態として観測できる。

従来、高分子分散型液晶素子は白黒表示のような濃淡表示に用いられてきたが、最近では一方の基板に複数の色のカラーフィルタを設けて、多色のカラー表示も行われている。
しかし、単色の濃淡表示を行わせる場合には、画面全体の明るさがほぼ均一な良好な表示が得られるが、複数の色のカラーフィルタを設けて多色カラー表示を行わせると、表示の明るさが色ごとに異なるという不具合を生じる。

図１２は、赤、緑、青の三色のカラーフィルタを有する従来の高分子分散液晶素子の電圧−透過率特性を示している。図１２から各色の光の透過率が異なっていることが理解できる。これは液晶／高分子マトリックス複合膜の光透過特性に波長依存性があり、長波長域の光に対する透過率は高いが、短波長域の光に対する透過率が低いためであり、図１２に示すように各色の電圧に対する透過率曲線がずれてしまう。

この複合膜の波長依存性を補償して、各色の表示の明るさを均一化するために、以下の方法が考えられる。
(1) 各色のカラーフィルタの厚さを変えて透過光量を調整する。
(2) 各色のカラーフィルタに対応して印加電圧を変えて液晶分子の配列状態を調整することで補償する。
(3) 各色のカラーフィルタに対応する複合膜の高分子マトリックスの構造を異ならせて補償する。

上記(1) の方法では、カラーフィルタの厚さを変えるため、その形成方法が煩雑になるだけでなく、カラーフィルタの色によってその厚さが薄くなったり厚くなったりするため、色純度が確保しにくく表示品質が低下してしまう。
上記(2) の方法では、各色のカラーフィルタに対応する部分の印加電圧を変えるための素子の駆動方法が複雑になってしまう。

上記の(1)、(2)の方法での不具合を改善するために、例えば特許文献３（特開平６−２８１９１６号公報）に上記の(3) の方法が開示されている。この従来技術では、複数の色のカラーフィルタが、長波長域の光を透過させる赤色フィルタと、中間波長域の光を透過させる緑色フィルタと、短波長域の光を透過させる青色フィルタである場合、各カラーフィルタに対応する複合膜の厚さ方向の高分子マトリックスの平均的な寸法を、赤色フィルタが対応する部分、緑色フィルタが対応する部分、青色フィルタが対応する部分の順で順次大きくする。そして、この液晶素子の製造方法では、光重合相分離法を用いており、光重合性モノマーもしくはオリゴマーと液晶材料及び重合開始剤を混合した調光層前駆体を封入した素子の基板外面からＵＶビームで走査し、かつこのＵＶビームの強度を、前記複数の色のカラーフィルタが対応する部分ごとにこれらカラーフィルタの透過波長域に応じて制御して、前記調光層前駆体を光重合させるものである。ところが、この方式のように異なる強度のＵＶビームを順次操作する場合、例えば最初に形成するカラーフィルタに対応する部分でのＵＶ照射において、そのビーム境界部の外側にも調光層前駆体が存在するため、高分子樹脂と液晶の相分離がうまく進まず、照射部を均一な構造にすることが困難である。また、最終的には各カラーフィルタに対応する境界部分の構造の解像度が低いパターンになってしまう。

なお、上記の従来技術以外にも、外部電場により光散乱状態と透明状態が制御可能なＮＣＡＰ及びＰＮＬＣのような液晶素子において、無電界状態で同一素子内に光散乱状態（もしくは高分子マトリックスの構造）の異なるパターンを形成しようとする場合、
(1) 光散乱状態の異なるパターンに対応して、調光層材料が異なる、
(2) パターンに合わせたＵＶ光の透過率の異なるマスクを使用する、
等の方法が考えられるが、上記(1) では、２枚の対向する基板間に異なる材料を混じり合わないように配置することは、生産性上、非常に困難が伴うため現実的ではない。
また、上記(2) の方法では、調光層前駆体に、ある異なる強度パターンのＵＶ光が同時に照射されることになる。ＵＶ照射強度が異なる場合、高分子が重合し始めると同時に開始される相分離の速度が異なるため、パターン境界での構造が不均一になってしまい解像度が低いパターンとなってしまう。

特公平７−３６０６８号公報 特許第２７２４５９６号公報 特開平６−２８１９１６号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、外部電界により光散乱状態と透明状態が制御可能な高分子分散型液晶素子のカラー化において、カラーフィルターに対応する部分毎に調光部の高分子マトリックス構造を制御することで各色の表示の明るさが均一な液晶素子と、その製造方法を提供することを目的とする。
より詳しく述べると、本発明は、透明電極を有する一対の透明な基板間に液晶を用いた調光層を有し、一方の基板側に配置された複数の色のカラーフィルタを用いてカラー表示を行う方式の液晶素子において、各色の表示の明るさを均一にすること、高品質な多色表示を実現することを目的とし、さらには、高精細で生産性の高い液晶素子を提供すること、高品位の表示品質が得られる液晶素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、高精細で、生産性の高い液晶素子の製造方法を提供すること、低コストで生産性の高い液晶素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、液晶素子を用いた高品位で省エネルギーなカラー液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための手段として、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、透明電極を有する一対の透明な基板間に液晶を用いた調光層を有し、一方の基板側に配置された複数の色のカラーフィルタを用いてカラー表示を行う方式の液晶素子において、一対の基板のうち少なくとも一方は、前記複数の色のカラーフィルタの各色のフィルタ部に対応する部分の表面層が、各色毎に異なる臨界表面張力パターンを有する基板であり、該基板と他の一方の基板間に、外部電場により光散乱状態と透明状態が制御可能な高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を配し、該調光層が前記臨界表面張力パターンに対応して異なる高分子マトリックス構造となっていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の手段は、第１の手段の液晶素子において、前記カラーフィルタの複数の色は赤色、緑色、青色の３色であり、前記表面層の臨界表面張力が赤色フィルタに対応する部分、緑色フィルタに対応する部分、青色フィルタに対応する部分の順に小さくなっており、この順で該調光層の高分子マトリックスの平均的な寸法が大きくなっていることを特徴とする（請求項２）。
また、本発明の第３の手段は、第１または第２の手段の液晶素子において、前記臨界表面張力の異なる臨界表面張力パターンの表面層が、エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料からなることを特徴とする（請求項３）。

本発明の第４の手段は、第３の手段の液晶素子において、前記表面層が、側鎖に疎水性基を有する高分子材料からなることを特徴とする（請求項４）。
また、本発明の第５の手段は、第３または第４の手段の液晶素子において、前記臨界表面張力を変化させるエネルギーの付与が紫外線照射であることを特徴とする（請求項５）。

本発明の第６の手段は、第３乃至第５のいずれか一つの手段の液晶素子を作製する際の液晶素子の製造方法において、一方の基板にエネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層の各色のカラーフィルターに対応する部分に所定のエネルギーを付与することにより臨界表面張力異なるパターンを形成する工程を施し、他方の基板にもエネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層に、第一の基板と略対向するように同様のエネルギー付与による臨界表面張力の異なるパターンを形成する工程を施し、かつ前記２枚の基板を表面層が対向するように配置し、該２枚の基板間に、紫外線硬化型の高分子モノマーもしくはオリゴマー、液晶材料、及び重合開始剤を含有する調光層構成材料を介在させ、少なくとも一方の基板を通して紫外線を照射し、高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を形成することを特徴とする（請求項６）。

本発明の第７の手段は、第３乃至第５のいずれか一つの手段の液晶素子を作製する際の液晶素子の製造方法において、一方の基板にエネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層の各色のカラーフィルターに対応する部分に所定のエネルギーを付与することにより臨界表面張力の異なるパターンを形成する工程を施し、他方の基板には全面に均一な臨界表面張力を有する表面層を形成する工程を施し、かつ前記２枚の基板を表面層が対向するように配置し、該２枚の基板間に、紫外線硬化型の高分子モノマーもしくはオリゴマー、正の誘電異方性を有する液晶材料、及び重合開始剤を含有する調光層構成材料を介在させ、少なくとも一方の基板を通して紫外線を照射し、高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を形成することを特徴とする（請求項７）。

本発明の第８の手段は、液晶素子を用いてカラー画像表示を行う液晶表示装置において、前記液晶素子として、第１乃至第５のいずれか一つの手段の液晶素子を備えたことを特徴とする（請求項８）。

本発明の第１の手段の液晶素子では、一対の基板のうち少なくとも一方は、前記複数の色のカラーフィルタの各色のフィルタ部に対応する部分の表面層が、各色毎に異なる臨界表面張力パターンを有する基板であり、該基板と他の一方の基板間に、外部電場により光散乱状態と透明状態が制御可能な高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を配し、該調光層が前記臨界表面張力パターンに対応して異なる高分子マトリックス構造となっていることにより、各色の表示の明るさを均一にすることができ、同一印加電界で均一な透過率を有する高品質なカラー液晶素子を実現することができる。

本発明の第２の手段の液晶素子では、第１の手段の構成及び効果に加え、前記カラーフィルタの複数の色は赤色、緑色、青色の３色であり、前記表面層の臨界表面張力が赤色フィルタに対応する部分、緑色フィルタに対応する部分、青色フィルタに対応する部分の順に小さくなっており、この順で該調光層の高分子マトリックスの平均的な寸法が大きくなっていることにより、高品質な多色表示を実現することができる。
また、本発明の第３の手段の液晶素子では、第１または第２の手段の構成及び効果に加えて、前記臨界表面張力の異なる臨界表面張力パターンの表面層が、エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料からなることにより、高精細で生産性の高い液晶素子を実現することができる。

本発明の第４の手段の液晶素子では、第３の手段の構成及び効果に加え、前記表面層が、側鎖に疎水性基を有する高分子材料からなることにより、材料入手が容易であるばかりでなく、任意の臨界表面張力に対応して均一性の高い構造制御により、高品位の表示品質を得ることができる。
また、本発明の第５の手段の液晶素子では、第３または第４の手段の構成及び効果に加えて、前記臨界表面張力を変化させるエネルギーの付与が紫外線照射であることにより、高精細で、生産性の高い液晶素子を得ることができる。

本発明の第６の手段の液晶素子の製造方法では、第３乃至第５のいずれか一つの手段の液晶素子を作製する際に、一方の基板にエネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層の各色のカラーフィルターに対応する部分に所定のエネルギーを付与することにより臨界表面張力異なるパターンを形成する工程を施し、他方の基板にもエネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層に、第一の基板と略対向するように同様のエネルギー付与による臨界表面張力の異なるパターンを形成する工程を施し、かつ前記２枚の基板を表面層が対向するように配置し、該２枚の基板間に、紫外線硬化型の高分子モノマーもしくはオリゴマー、液晶材料、及び重合開始剤を含有する調光層構成材料を介在させ、少なくとも一方の基板を通して紫外線を照射し、高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を形成することにより、高精細で、生産性の高い液晶素子の製造方法を実現することができる。

本発明の第７の手段の液晶素子の製造方法では、第３乃至第５のいずれか一つの手段の液晶素子を作製する際に、一方の基板にエネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層の各色のカラーフィルターに対応する部分に所定のエネルギーを付与することにより臨界表面張力の異なるパターンを形成する工程を施し、他方の基板には全面に均一な臨界表面張力を有する表面層を形成する工程を施し、かつ前記２枚の基板を表面層が対向するように配置し、該２枚の基板間に、紫外線硬化型の高分子モノマーもしくはオリゴマー、正の誘電異方性を有する液晶材料、及び重合開始剤を含有する調光層構成材料を介在させ、少なくとも一方の基板を通して紫外線を照射し、高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を形成することにより、低コストで生産性の高い液晶素子の製造方法を実現することができる。

本発明の第８の手段の液晶表示装置では、液晶素子として、第１乃至第５のいずれか一つの手段の液晶素子を備えたことにより、高品位で省エネルギーなカラー液晶表示装置を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、高分子材料からなる臨界表面張力が異なる表面層を有する基板間に形成されるＰＮＬＣが、その臨界表面張力が大きいほど光散乱性が高く、かつ駆動電圧が高くなることを実験的に見いだしたことを利用することにより創案されたものである。
一般的に、２枚の基板間での液晶分子の均一な分子配向を制御することで種々の動作モードの液晶素子が用いられている。この液晶分子の配向には、配向剤と呼ばれる高分子材料であるポリイミド樹脂が用いられている。液晶分子を基板にホモジニアス配向もしくはホメオトロピック配向させ、さらには基板に対してある角度（プレチルト角と呼ぶ）で傾いた配向を実現することのできる種々の配向剤が開発されている。これらのポリイミド材料において、その臨界表面張力の違いが液晶分子の配向に大きく寄与していることは良く知られている。つまり液晶のポリイミド表面に対する濡れ性が大きく関与しているといえる。

本発明者らは、臨界表面張力の異なるポリイミド樹脂を表面層として、ＰＮＬＣの反射率に対する表面層の影響を検討し、以下の知見を得ることができた。
図１に、本発明を評価するための液晶素子の素子構造を示す。この液晶素子１０は、透明電極（図示せず）を有する２枚の透明基板１１の表面にそれぞれ表面層１２を形成し、この表面層１２が形成された２枚の基板１１を対向して配置した構成のセル間に、調光層１３としてＰＮＬＣが形成されたものである。この液晶素子１０の反射率は図３に示す構成の測定系で測定した。具体的には、黒色板２２上に載置した液晶素子１０に対して光源２１からの光を３０度の入射角で入射させ、液晶素子１０からの反射光を受光ユニット２３で受光して反射率を測定した。

液晶素子１０の表面層１２に用いたポリイミド樹脂は、チッソ石油化学製のPIA-X491、PIA-5310とＪＳＲ製のAL-3046の３種類である。それぞれのポリイミド樹脂を用いた表面層１２の臨界表面張力、ＰＮＬＣ素子としての反射率及びＰＮＬＣ調光層１３の高分子マトリックスのメッシュ径（ＳＥＭ観察）を下記の表１に示す。
また、参考のため臨界表面張力測定時の純水の接触角（濡れ性の目安となる）も提示した。なお、この液晶素子１０は２枚の基板１１に同一の材料により表面層１２を形成したものであり、基板間の厚み（セル厚）は２２μｍとした。

臨界表面張力の大きな表面層（高エネルギー表面）を配したＰＮＬＣ構造が、その高分子マトリックスのメッシュ径が小さく、反射率が高いことがわかる。ＰＮＬＣの反射率を高くするためには、高分子マトリックスのメッシュ径が光の波長レベルのサイズに近い場合が最も高くなることは、良く知られている事実であり、上記の結果は整合するものである。しかしながら、表面層１２の違いでメッシュ径が異なる要因は明確でないが、その臨界表面張力がＰＮＬＣ調光層１３の形成時のＵＶ照射による相分離過程に何らかの相関を有していると考えられている。

さらに、一方の基板に臨界表面張力の小さなPIA-X491、他方の基板に臨界表面張力の大きなAL-3046の表面層１２を形成して同様の液晶素子１０を作製し、評価したところ、反射率１３．７％、メッシュ径約２μｍ程度であった。これは、PIA-X491同士の表面層を持つ反射率１０．６％とAL-3046での反射率１５．３％の中間的な特性であり、高分子マトリックス構造も、この特性を反映している。このことは、２枚の基板１１に異なる臨界表面張力を持つ材料の表面層１２を配置することで、任意の高分子マトリックス構造を持つ液晶素子１０が得られることを示唆している。

ＰＮＬＣでカラーフィルタを用いて液晶素子を構成する場合、電界印加によりＰＮＬＣの調光層が透明状態であるときに、対応するカラーフィルタを透過する光の色を見ることになる。
そこで、図１に示した素子の透過率の電圧依存性を測定した。図４に透過率の測定系の構成を示す。表１の異なるポリイミド樹脂を表面層にした素子での透過率−電圧特性の測定結果を図５に示す。図５より、臨界表面エネルギーが大きく、高分子マトリックスのメッシュ径が小さくなる表面層（AL-3046）を有する素子の駆動電圧が高くなることがわかる。

上記の知見をもとに、本発明の構成を説明する。図２に本発明に係る液晶素子の基本構成を示す。
図２は液晶素子の概略断面図である。この液晶素子２０は、一方の基板（第一の基板）１１ａにカラーフィルタ１５を形成し、各色のカラーフィルタに対応する部分に、臨界表面張力の異なる表面層１２ａを形成する。そして長波長域の光を透過させる赤色フィルタ１５Ｒと、中間波長域の光を透過させる緑色フィルタ１５Ｇと、短波長域の光を透過させる青色フィルタ１５Ｂで、各カラーフィルタに対応する高分子マトリックスのメッシュ径を、赤色フィルタ１５Ｒが対応する部分、緑色フィルタ１５Ｇが対応する部分、青色フィルタ１５Ｂが対応する部分の順で順次大きくすることで、電圧に対する透過率特性を調整することができる。そのためには赤色フィルタ１５Ｒが対応する部分、緑色フィルタ１５Ｇが対応する部分、青色フィルタ１５Ｂが対応する部分の順で臨界表面張力が小さい表面層１２ａを形成する。この異なる臨界表面張力の表面層パターンの形成方法としては、例えば、それぞれの色のフィルタ部に対応するパターンの印刷版で順次フレキソ印刷法で行うことができる。実際には、スピンコーティング法、フレキソ印刷法、ディッピング法、インクジェット法、キャスト法、バーコート法等の塗布方法を適便、組み合わせることによりパターン形成できる。

さて、他方の基板（第二の基板）１１ｂにも同様の表面層１２ｂのパターンを対向するように形成し、この第二の基板１５ｂと第一の基板１５ａとをスペーサ（図示せず）及びシール剤１４を介して所望の間隔で重ね合わせることで、調光層のない空のセルが作製される。この基板間に調光層前駆体を封入し、高圧水銀ランプにより波長３６５ｎｍ中心（３００ｎｍ以下の短波長の紫外線は、調光層前駆体材料が分解する可能性があるためカットした）の紫外線（ＵＶ）を全面に照射することで、ＰＮＬＣ調光層１３を形成する。ＰＮＬＣ形成時に照射する紫外線（ＵＶ）の波長に対して、表面層およびカラーフィルタの材料が極端に異なる吸収がないものを使用することで、第一の基板１１ａ及び第二の基板１１ｂのいずれからでも紫外線（ＵＶ）が照射できる。また、セル全面で紫外線透過率をほぼ同等にすることで、パターン部間での調光層前駆体への照射強度のばらつきがなくなり、高分子が重合し始めると同時に開始される相分離の速度を均一にできる。このため、各色のカラーフィルタ１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂに対応した部分の表面層１２ａの臨界表面張力の違いにより制御される、解像度の優れた高分子マトリックス構造の異なるパターンを、カラーフィルタ１５の色に合わせた部分に対応して形成することができるため、各色の表示の明るさが均一なカラー液晶素子２０を実現することができる。

また、一方の基板１１ａにカラーフィルタ１５と各色に対応する臨界表面張力の異なるパターンの表面層１２ａを形成し、他の一方の基板１１ｂには全面にある臨界表面張力を有する材料の表面層１２ｂを形成しても良い。すなわち所望する透過率−電圧を示す高分子マトリックスのメッシュ径が形成される、臨界表面張力の異なる表面層の組合せを用いることができる。

さらに、本発明者らは、エネルギーの付与によって臨界表面張力が変化する材料からなる表面層であって、該表面層に所望のパターンに紫外線等のエネルギービームを照射することで得られる臨界表面張力パターンを形成した基板を用いることで、第１の手段と同様の液晶素子を作製できることを見いだした。

臨界表面張力の異なるパターンにおいて、その異なる臨界表面張力の差が大きいほど、液晶素子での透過率−電圧特性の設定の自由度が増すので、エネルギーの付与により、より大きく臨界表面張力が変化する材料が好ましい。かような材料としては、凝集性の側鎖を有する高分子材料を用いるのが望ましい。具体的には図６の概念図に示すように、ポリイミドやアクリレート等の骨格を有する主鎖Ｌにアルキル基（−(ＣＨ_２)_ＸＣＨ_３）等の凝集力の強い側鎖Ｒが結合しているもの等が挙げられる。このアルキル基はハロゲン原子、シアノ基、フェニル基、ヒドロキシル基、カルボキシル基または炭素数１〜１２の直鎖、分岐鎖もしくは環状のアルキル基やアルコキシ基で置換されたフェニル基を含有していてもよい。Ｒの結合部位が多いほど臨界表面張力が小さくなると考えられる。紫外線照射（好ましくは１００〜３００ｎｍの短波長の紫外線）等によって、結合の一部が切断される、あるいは配向状態が変化するために臨界表面張力が増加すると推察される。

異なる材料で臨界表面張力の異なるパターンを実現するためには、製造上、それぞれの塗布工程による塗り分けが必要となるために生産性が悪くなってしまう。また、前記のようなフレキソ印刷法等の塗布方法を用いる場合は、より高精細なパターンを形成する上で不利である。

エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料で、臨界表面張力の異なるパターンを形成する場合には、例えば、その材料で基板全面に均一な表面層を形成後、所望のパターンのメタルマスク、もしくは石英ガラス基板のフォトマスク等を用いて、該表面層に短波長の紫外線を照射することで、容易にパターン形成ができるために生産性が高いというメリットがある。また、メタルマスク、フォトマスクでのパターン形成は、印刷等の方式に比較して、より高精細にできる利点もある。

また、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料においては、付与するエネルギー量により、臨界表面張力をある範囲内で制御できるため、２枚の基板１１ａ，１１ｂの表面層１２ａ，１２ｂでの異なる臨界表面張力の組合せに対応する場合でも、同一材料だけで実現できるため、低コスト化にも有利である。

本発明のカラー表示装置は、上述の構成の液晶素子２０を用いるので、従来のＴＮ（twisted nematic）方式の液晶素子等を用いたものに比較して、偏光板を用いないＰＮＬＣ方式で構成されるので、光の利用効率が高く明るいカラー表示が可能であり、バックライトでのエネルギー消費も低くできるため省エネルギーな液晶表示装置を提供できる。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。

［実施例１］
図２に示す構成の液晶素子２０を作製した。
まず、一方の基板１１ａとして、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１５を形成した透明電極付きのガラス基板を準備した。この基板１１ａの、赤色フィルター１５Ｒに対応する部分にポリイミド膜であるＪＳＲ製のAL-3046を、緑色フィルタ１５Ｇに対応する部分にはチッソ石油化学製のPIA-5310、青色フィルタ１５Ｂに対応する部分にはチッソ石油化学製のPIA-X491をフレキソ印刷で成膜して表面層１２ａを形成した。膜厚はいずれも約８０ｎｍであった。さらに透明電極付きの他方の基板１１ｂ上にも、カラーフィルタ１５を形成した基板１１ａと対応する部分に上記３種類のポリイミド膜を成膜して表面層１２ｂを形成した。膜厚はいずれも約８０ｎｍであった。以上の異なる表面層１２ａ，１２ｂが形成された一方の基板にシール剤１４としてアミン硬化エポキシ樹脂をディスペンサー塗布し、他方の基板にはスペーサとして２２μｍ粒径の樹脂ビーズをイソプロピルアルコールを溶媒として、約１００個／ｍｍ^２の密度で散布し、互いの表面層の同一のポリイミド膜部分を対向するように貼り合わせ、加熱硬化させて空セルを作製した。この空セルに、大日本インキ化学工業（株）製のＰＮＬＣ用の液晶組成物、モノマー組成物、および重合開始剤の混合物である調光層前駆体材料（製品名：PNM-101）を封入した後、高圧水銀ランプにより波長３６５ｎｍ中心の紫外線（照射光強度５０ｍＷ／ｃｍ^２）をカラーフィルタが形成されていない基板１１ｂの側から２分間照射し、ＰＮＬＣ調光層１３を形成した。
作製したカラー液晶素子２０の各色の透過率−電圧曲線はほぼ重なり、駆動電圧に対して均一な明るさを得ることができた。また、この液晶素子２０に電圧３０Ｖ、周波数６０Ｈｚの矩形波電界を印加したところ、各色部分の透過率はいずれも約８０％であった。

［実施例２］
実施例１と同様に、まず、一方の基板１１ａとして、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１５を形成した透明電極付きのガラス基板を準備した。この基板１１ａの、赤色フィルター１５Ｒに対応する部分にポリイミド膜であるＪＳＲ製のAL-3046を、緑色フィルタ１５Ｇに対応する部分にはチッソ石油化学製のPIA-5310、青色フィルタ１５Ｂに対応する部分にはチッソ石油化学製のPIA-X491をフレキソ印刷で成膜して表面層１２ａを形成した。膜厚はいずれも約８０ｎｍであった。さらに、透明電極付きの他方の基板１１ｂ上には、スピンコーティングにより、ポリイミド膜であるチッソ石油化学製のPIA-5310を全面に成膜して表面層１２ｂを形成した。この、膜厚は約６０ｎｍであった。この２枚の基板１１ａ，１１ｂで実施例１と同様に空セルを作製し、ＰＮＬＣ調光層１３も同様の材料、作製条件で形成した。

このカラー液晶素子２０においても、各色部分の電圧印加での透過率特性は似通っており、充分に明るさの均一性がとれた。さらに、透過特性を合わせるにはカラーフィルタ１５の透過特性のわずかな変更で実現することができる（各色のカラーフィルタ厚みを異ならせない範囲での調整が可能である）。この液晶素子２０も電圧３０Ｖ、周波数６０Ｈｚの矩形波電界を印加したところ、各色の透過率は約８０％であった。

［実施例３］
エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料として、ポリイミド骨格に疎水部分を有するチッソ石油化学製のPIA-X491の紫外線照射による臨界表面張力の変化を評価した。評価用試料は、ガラス基板上にPIA-X491をスピンコートし、２１０℃で焼成し成膜したものを用いた。膜厚は約８０ｎｍである。

（１）高圧水銀ランプを用い、２５０ｎｍの光の強度が５ｍＷ／ｃｍ^２となるように光源と基板との距離を調整し、照射時間を変化させることにより（２５０ｎｍの波長に対する）照射量を変え、水に対する接触角の変化を観測した。図７は紫外線照射量と水に対する接触角の関係を示したものである。未照射時には接触角が９０°を超え疎水性（撥水性）であるが、照射量１０Ｊ／ｃｍ^２以上では２０°程度に低下し親水性に変化している。この変化を誘起するのに有効な光の波長に合わせた光源を用いることによって照射量をさらに小さくすることが可能であると考えられる。

（２）上記紫外線を９Ｊ／ｃｍ^２照射した場合と未照射の場合において、表面エネルギーの異なる数種類の液体の接触角を測定した。図８は液体の表面張力と接触角の関係を示したものである。図８から臨界表面張力は未照射の場合に約２４ｍＮ／ｍ、紫外線照射した場合に約４０ｍＮ／ｍであることがわかる。このように、紫外線照射量によりその臨界表面張力を制御した表面層を得ることができる。

PIA-491を表面層として、紫外線照射量の異なる素子（図１に示す素子構造）を作製し、その透過率−電圧特性を測定した。測定結果を図９に示す。また、下記の表２に、紫外線照射量の異なる表面層の臨界表面張力および形成されたＰＮＬＣ調光層の高分子マトリックスのメッシュ径を示した。

この結果から、紫外線照射量が多くなると、表面層の臨界表面張力が大きくなり、その臨界表面張力に対応して高分子メッシュ径が小さくなることで、透過率−電圧曲線を高電圧側にシフトさせることが可能であると理解できる。

以上の知見をもとに、図２に示す構成の液晶素子２０を作製した。
まず、一方の基板１１ａとして、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１５を形成した透明電極付きのガラス基板を準備した。この基板１１ａにスピンコーティングにより、PIA-X491を膜厚約８０ｎｍで成膜した。この基板１１ａの緑色フィルタ１５Ｇに対応する部分のみに、石英基板のフォトマスクを介して、２５０ｎｍの光強度が５ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線を７分間照射（照射量２．１Ｊ／ｃｍ^２）した。さらに、同様に赤色フィルタ１５Ｒに対応する部分にのみ紫外線を１５分間照射（照射量４．５Ｊ／ｃｍ^２）した。また、青色フィルタ１５Ｂに対応する部分は紫外線未照射とした。以上の方法により、各色のカラーフィルタに対応して、表面層上に異なる臨界表面張力パターンが形成されたことになる。他方の透明電極基板１１ｂにも、スピンコーティングによりPIX-491（膜厚８０ｎｍ）を成膜し、カラーフィルタ付き基板１１ａの臨界表面張力パターンに対向するように同様の条件で紫外線を照射した。この２枚の基板１１ａ，１１ｂで、実施例１と同様の工程及び材料で空セルを作製し、さらに調光層１３を作製した。
作製したカラー液晶素子２０の各色の透過率−電圧曲線はほぼ重なり、駆動電圧に対して均一な明るさを得ることができた。また、この液晶素子２０に電圧３０Ｖ、周波数６０Ｈｚの矩形波電界を印加したところ、各色部分の透過率はいずれも約８０％であった。

［実施例４］
実施例３と同様に、まず、一方の基板１１ａとして、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタ１５を形成した透明電極付きのガラス基板を準備した。同様の手順で各色のカラーフィルタ１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂに対応して、表面層１２ａ上に異なる臨界表面張力パターンを形成した。
他方の透明電極基板１１ｂにも、スピンコーティングによりPIX-491（膜厚８０ｎｍ）を成膜し、全面に２５０ｎｍの光強度が５ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線を７分間照射（照射量２．１Ｊ／ｃｍ^２）し、均一な臨界表面張力を有する表面層１２ｂを形成した。この２枚の基板１１ａ，１１ｂで、実施例１と同様の工程及び材料で空セルを作製し、さらに調光層１３を作製した。
このカラー液晶素子２０においても、各色部分の電圧印加での透過率特性は似通っており、充分に明るさの均一性がとれた。この液晶素子２０も電圧３０Ｖ、周波数６０Ｈｚの矩形波電界を印加したところ、各色の透過率は約８０％であった。

以上説明したように、本発明によれば、透明電極を有する一対の透明な基板間に液晶を用いた調光層を有し、一方の基板側に配置された複数の色のカラーフィルタを用いてカラー表示を行う方式の液晶素子において、各色の表示の明るさを均一にすることができ、高品質な多色表示を実現することができ、さらには、高精細で生産性が高く、高品位の表示品質が得られる液晶素子を実現することができる。そして、この液晶素子を利用することにより、高品位で省エネルギーなカラー液晶表示装置を実現することができる。このカラー液晶表示装置は、透過型や反射型のカラー液晶ディスプレイの他、投射型カラー液晶プロジェクタや、投射型カラー液晶ディスプレイ、あるいはヘッドマウントディスプレイ等、様々なカラー表示装置に利用することができる。

本発明を評価するための液晶素子の素子構造を示す概略要部断面図である。 本発明に係る液晶素子の基本構成を示す概略断面図である。 液晶素子の反射率の測定に用いた測定系の構成を示す図である。 液晶素子の透過率の測定に用いた測定系の構成を示す図である。 異なるポリイミド樹脂での透過率−電圧特性を示す図である。 凝集性の側鎖を有する高分子材料の一例を示す図である。 実施例３の評価試料における紫外線照射量と水に対する接触角の関係を示す図である。 実施例３の評価試料に紫外線を照射した場合と未照射の場合において、表面エネルギーの異なる数種類の液体の接触角を測定したときの、液体の表面張力と接触角の関係を示す図である。 PIA-491を表面層として紫外線照射量の異なる素子を作製し、その透過率−電圧特性を測定した結果を示す図である。 ＮＣＡＰ方式の液晶層構造のモデルを示す図である。 ＰＮＬＣ方式の液晶層構造のモデルを示す図である。 赤、緑、青の三色のカラーフィルタを有する従来の高分子分散液晶素子の電圧−透過率特性を示す図である。

符号の説明

１０：液晶素子
１１，１１ａ，１１ｂ：基板
１２，１２ａ，１２ｂ：表面層
１３：調光層
１４：シール剤
１５：カラーフィルタ
１５Ｒ：赤色フィルタ
１５Ｇ：緑色フィルタ
１５Ｂ：青色フィルタ
２０：カラー液晶素子

Claims (8)

1. 透明電極を有する一対の透明な基板間に液晶を用いた調光層を有し、一方の基板側に配置された複数の色のカラーフィルタを用いてカラー表示を行う方式の液晶素子において、
   一対の基板のうち少なくとも一方は、前記複数の色のカラーフィルタの各色のフィルタ部に対応する部分の表面層が、各色毎に異なる臨界表面張力パターンを有する基板であり、該基板と他の一方の基板間に、外部電場により光散乱状態と透明状態が制御可能な高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を配し、該調光層が前記臨界表面張力パターンに対応して異なる高分子マトリックス構造となっていることを特徴とする液晶素子。
2. 請求項１記載の液晶素子において、
   前記カラーフィルタの複数の色は赤色、緑色、青色の３色であり、前記表面層の臨界表面張力が赤色フィルタに対応する部分、緑色フィルタに対応する部分、青色フィルタに対応する部分の順に小さくなっており、この順で該調光層の高分子マトリックスの平均的な寸法が大きくなっていることを特徴とする液晶素子。
3. 請求項１または２記載の液晶素子において、
   前記臨界表面張力の異なる臨界表面張力パターンの表面層が、エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料からなることを特徴とする液晶素子。
4. 請求項３記載の液晶素子において、
   前記表面層が、側鎖に疎水性基を有する高分子材料からなることを特徴とする液晶素子。
5. 請求項３または４記載の液晶素子において、
   前記臨界表面張力を変化させるエネルギーの付与が紫外線照射であることを特徴とする液晶素子。
6. 請求項３乃至５のいずれか一つに記載の液晶素子を作製する際の液晶素子の製造方法において、
   一方の基板にエネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層の各色のカラーフィルターに対応する部分に所定のエネルギーを付与することにより臨界表面張力異なるパターンを形成する工程を施し、
   他方の基板にもエネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層に、第一の基板と略対向するように同様のエネルギー付与による臨界表面張力の異なるパターンを形成する工程を施し、
   かつ前記２枚の基板を表面層が対向するように配置し、該２枚の基板間に、紫外線硬化型の高分子モノマーもしくはオリゴマー、液晶材料、及び重合開始剤を含有する調光層構成材料を介在させ、
   少なくとも一方の基板を通して紫外線を照射し、高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を形成することを特徴とする液晶素子の製造方法。
7. 請求項３乃至５のいずれか一つに記載の液晶素子を作製する際の液晶素子の製造方法において、
   一方の基板にエネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料からなる表面層を形成する工程と、該表面層の各色のカラーフィルターに対応する部分に所定のエネルギーを付与することにより臨界表面張力の異なるパターンを形成する工程を施し、
   他方の基板には全面に均一な臨界表面張力を有する表面層を形成する工程を施し、
   かつ前記２枚の基板を表面層が対向するように配置し、該２枚の基板間に、紫外線硬化型の高分子モノマーもしくはオリゴマー、正の誘電異方性を有する液晶材料、及び重合開始剤を含有する調光層構成材料を介在させ、
   少なくとも一方の基板を通して紫外線を照射し、高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性の調光層を形成することを特徴とする液晶素子の製造方法。
8. 液晶素子を用いてカラー画像表示を行う液晶表示装置において、
   前記液晶素子として、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の液晶素子を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
   

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