JP2007041429A

JP2007041429A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2007041429A
Application number: JP2005227498A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Takanashi; 英彦高梨
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】電圧保持率を高い状態で維持するとともに、駆動電圧の低い光散乱型の液晶表示装置を提供する。
【解決手段】一主面側に第１電極１１が設けられた第１基板１０と、一主面側に第２電極２１が設けられた第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に、第１電極１１および第２電極２１を介して挟持される光散乱性の液晶層３０とを備えた液晶表示装置において、少なくとも一方の第１電極１１および第２電極２１と液晶層３０との間に垂直配向膜４０が設けられている液晶表示装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものであって、特には、電界の印加により光散乱性が変化する液晶層を備えた液晶表示装置に関する。

近年、携帯電話、携帯情報端末などのモバイル機器の発達に伴い、低消費電力かつ高品位画質の表示素子の需要が高まってきている。その中でも、電子書籍配信事業の出現により、読書用携帯端末用途として、長時間の読書に適した表示品位を持った「読む」ディスプレイの実現が期待されている。

「読む」ディスプレイとしては、コレステリック液晶ディスプレイ、電子インクディスプレイ、ツイストボール型ディスプレイなどが提案されているが、その中で、偏光板が不要で明るく、紙と同様に外光の散乱を用いて明表示を行うものは、紙に近い表示品位で長時間の読書に最も適していると言うことができる。また、バックライトを用いず、外光の反射（散乱）により表示するため、非常に低消費電力である。

その中の有力な候補として、ポリマーネットワーク型液晶ディスプレイ（以下、ＰＮ−ＬＣＤ）がある（例えば、下記特許文献１参照）。このディスプレイは、液晶中に三次元網目状に形成された高分子ネットワークが張り巡らされた構造を持ち、印加電界により液晶の位相を変化させることで光散乱強度を制御する表示モードである。光散乱表示である他に、中諧調表示が容易である、表示書き換え時間が短い、一般的なアモルファスシリコン薄膜トランジスタ（以下、ａ−ＳｉＴＦＴ）で駆動が可能である、など多くの特徴がある。

ここで、反射型のＰＮ−ＬＣＤの一例を図２に示す。この図に示すように、ＰＮ−ＬＣＤの背面側基板となる第１基板１０には、各画素を独立に駆動する画素電極となる第１電極１１がマトリクス状に設けられている。また、ここでの図示は省略するが、第１基板１０には、第１電極１１に電気的に接続された駆動素子としての薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor（ＴＦＴ））および配線などを含むアクティブ型の駆動回路が形成されている。また、第１基板１０における第１電極１１の形成面側とは反対側の面には、光吸収層１２が設けられている。一方、表面側基板となる第２基板２０には、一主面側の全域に第２電極２１が設けられている。

そして、第１基板１０と第２基板２０との間には、第１電極１１、第２電極２１を介して光散乱性の液晶層３０が挟持されている。この液晶層３０は、三次元網目状のネットワーク構造を有するポリマー３１と、ポリマー３１のネットワーク構造中に分散された液晶ドロプレット３２とを備えている。各液晶ドロプレット３２中には液晶分子３３が包括されている。

上述したようなＰＮ−ＬＣＤは、無電界時には、液晶ドロプレット３２中の液晶分子３３がランダムに配向するため、第２基板２０側からの入射光が散乱されて白表示となる。一方、電界を印加したときには、液晶分子３３が第１基板１０および第２基板２０に対して垂直方向に配向し、入射光が透過して光吸収層１２で吸収されることで黒表示となる。

特許第２７２４５９６号公報

しかしながら、上述したようなＰＮ−ＬＣＤでは、第１電極１１および第２電極２１と液晶層３０とが直接接触しているため、電極表面から液晶層３０への電荷注入が起こり、ＴＦＴ駆動する場合に重要な電圧保持率が低下してしまう。電圧保持率が低いと、駆動電圧が高くなるだけでなく、電力が無駄に消費され、消費電力が上昇してしまう。

この改善策として、電圧保持率の低下を防ぐために、第１電極１１および第２電極２１と液晶層３０との間に、絶縁性材料からなる保護膜を介在させることも考えられるが、駆動電圧が上昇してしまう。

かかる問題点を改善するため、本発明は、電圧保持率を高い状態で維持するとともに、駆動電圧の低い液晶表示装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、一対の基板と、基板の一主面側にそれぞれ設けられた電極と、基板間に電極を介して挟持される光散乱性の液晶層とを備えた液晶表示装置において、少なくとも一方の電極と液晶層との間に垂直配向膜が設けられていることを特徴としている。

このような液晶表示装置によれば、少なくとも一方の電極と液晶層との間に垂直配向膜が設けられていることで、電極と液晶層とが直接接触しないため、電極から液晶層への電荷注入が抑制される。これにより、電圧保持率が高い状態で維持される。また、電極と液晶層との間に介在される膜が垂直配向膜であることで、電圧印加時に液晶分子が基板面に対して垂直方向に配向され易くなる。これにより、駆動電圧を低くすることができる。

以上説明したように、本発明の液晶表示装置によれば、電圧保持率が高い状態で維持されるとともに、駆動電圧を低くすることができるため、液晶表示装置の低消費電力化を図ることができる。

以下、本発明の液晶表示装置に係わる実施の形態の一例を、詳細に説明する。ここでは、反射型のＰＮ−ＬＣＤの例について、図１を用いて説明する。なお、背景技術で図２を用いて説明したものと同様の構成には、同一の番号を付して説明する。

この液晶表示装置は、透明性基板からなる第１基板１０と第２基板２０との間に、光散乱性の液晶層３０が挟持されている。

第１基板１０は、背面側の基板であり、例えばガラスなどの透明材料により構成されている。第１基板１０の一主面側には、各画素を独立に駆動する画素電極となる第１電極１１がマトリクス状に設けられている。第１電極１１は、透明性を有する例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide)膜により構成されている。また、ここでの図示は省略するが、第１基板１０には、第１電極１１に電気的に接続された駆動素子としてのＴＦＴおよび配線などを含むアクティブ型の駆動回路が形成されている。

また、第１基板１０における第１電極１１の形成面側とは反対側の面には、光吸収層１２が設けられている。この光吸収層１２は、例えばカーボンナノ粒子により構成されている。

一方、第１基板１０に対向配置される第２基板２０は、表示側の基板であり、例えばガラスなどの透明材料により構成されている。第２基板２０には、第１基板１０と対向する側の全域に、透明性を有する例えばＩＴＯ膜からなる第２電極２１が設けられている。

上記第１基板１０と第２基板２０との間には、第１電極１１および第２電極２１を介して、光散乱性のポリマーネットワーク（ＰＮ）型の液晶層３０が挟持されている。この液晶層３０は、三次元網目状のネットワーク構造を有するポリマー３１と、ポリマー３１のネットワーク構造中に分散された液晶ドロプレット３２（液晶部）とを備えている。各ドロプレット３２中には液晶分子３３が包括されている。各ドロプレット３２は連通した状態で設けられていてもよく、ドロプレット３２中の液晶分子３３の一部が後述する垂直配向膜と接触していてもよい。この液晶分子３３は、誘電率異方性が正であり、後述するように、第１電極１１と第２電極２１との間に電界をかけた場合には、基板面に対して垂直方向に配向される。

そして、本発明の特徴的な構成として、上記第１電極１１および第２電極２１のうちの少なくとも一方と液晶層３０との間には、垂直配向膜４０が設けられている。ここでは、第１電極１１および第２電極２１の両方と液晶層３０との間に垂直配向膜４０が設けられることする。ここで、垂直配向膜４０とは、例えば垂直配向（Vertically Aligned（ＶＡ））モードの液晶表示装置において、無電界時に液晶分子を略垂直方向に配向させる配向膜として用いられるものである。この垂直配向膜４０は、例えばポリイミド樹脂を主成分とする有機材料で構成されている。

上述したように、第１電極１１および第２電極２１と液晶層３０との間に垂直配向膜４０が介在されることで、第１電極１１および第２電極１２と液晶層３０とが直接接触しないため、電極表面から液晶層３０への電荷の注入が防止され、電圧保持率が高い状態で維持される。

また、本実施形態の液晶表示装置では、上述したように、液晶分子３３は、ポリマー３１のネットワーク構造中に分散された液晶ドロプレット３２中に包括されているため、垂直配向膜４０が設けられていても、無電界時にはランダムに配向されている。しかし、上記垂直配向膜４０が設けられることで、電界印加時に、液晶分子３３が基板面に対して垂直方向に配向し易くなるため、駆動電圧が低くなる。

そして、この垂直配向膜４０は、液晶分子のプレチルト角を８０度以上９０度以下に制御することが好ましい。ここで、本発明における光散乱型の液晶表示装置では、上述したように、無電界時に液晶ドロプレット３２中の液晶分子３３はランダムに配向しているため、プレチルト角は測定不能である。このため、第１電極１１上および第２電極２１上に垂直配向膜４０が設けられた状態の第１基板１０と第２基板２０とを貼り合わせ、基板間に液晶材料のみを封入した場合のプレチルト角を測定する。

本実施形態では、第１電極１１および第２電極２１の両方と液晶層３０との間に垂直配向膜４０が設けられることとしたが、垂直配向膜４０はどちらか一方の電極と液晶層３０との間に設けられていればよい。ただし、垂直配向膜４０が両方の電極と液晶層３０との間に設けられていた方が、電極表面から液晶層３０への電荷の注入が防止され、電圧保持率が高い状態で維持されるだけでなく、電界を正負対照に印加することができるため、好ましい。

上記第１基板１０と第２基板２０とは、周縁に設けられたシール材３４により接着されている。また、シール材３４中を含む第１基板１０と第２基板２０との間には、スペーサ３５が点在しており、セルギャップｇが上記基板間の全域で維持されるように構成されている。ここでは、例えば直径５０μｍの球形のスペーサ３５を用いることで、セルギャップｇが５０μｍに調整されることとする。

上述したような構成の液晶表示装置は、無電界時には、液晶ドロプレット３２中の液晶分子３３がランダムに配向している。したがって、第２基板２０側から入射した光に対してポリマー３１と液晶ドロプレット３２との間で屈折率差が生じ、光が散乱されて白表示となる（ノーマリーホワイト）。

一方、第１電極１１と第２電極２１との間に電界を印加したときには、基板面に対して液晶分子３３が垂直方向に配向する。これにより、第２基板２０側から入射する光に対して液晶ドロプレット３２の屈折率がポリマー３１の屈折率と等しくなるので、この光は散乱されることなく液晶層３０および第１基板１０を透過して下側に設けられた光吸収層１２で吸収されることで黒表示される。

このような構成の液晶表示装置は、次のような方法により製造される。

まず、図１に示すように、第１基板１０上にＴＦＴを配列形成した後、ＴＦＴを覆う状態で、平坦化絶縁膜（図示省略）を形成する。その後、この平坦化絶縁膜にＴＦＴに達する接続孔を形成する。次いで、平坦化膜上に、例えば蒸着法、スパッタリング法、または化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition（ＣＶＤ））法により、上記接続孔を埋め込む状態で、例えばＩＴＯ膜を形成する。次いで、通常のリソグラフィ技術により、ＩＴＯ膜をパターン加工することで、第１電極１１を形成する。

また、第２基板２０上にも、ＩＴＯ膜からなる第２電極２１を形成する。この場合の第２電極２１はベタ膜状に設けられることとする。

次いで、例えばスピンコート法により、例えばポリイミド樹脂を主成分とする垂直配向材料を第１電極１１上および第２電極２１上に塗布することで、第１基板１０および第２基板２０に垂直配向膜４０をそれぞれ形成する。その後、焼成を行うことで、溶剤を蒸発させる。

続いて、各垂直配向膜４０の形成面を対向させた状態で、第１基板１０と第２基板２０とをスペーサ３５を挟んで重ね合わせ、第１基板１０と第２基板２０の周囲に設けられたシール材３４により接着する。続いて、第１基板１０と第２基板２０との間に、例えば架橋性のモノマーと液晶材料との混合液を注入し、このモノマーを重合することで、ポリマー３１と液晶分子３３が包括された液晶ドロプレット３２とからなる液晶層３０を形成する。以上により、図１に示した液晶表示装置が完成する。

このような液晶表示装置によれば、第１電極１１および第２電極２１と液晶層３０との間に垂直配向膜４０が設けられていることで、第１電極１１および第２電極２１と液晶層３０とが直接接触しないため、電極表面から液晶層３０への電荷注入が防止される。これにより、電圧保持率を高い状態で維持することができる。また、電極と液晶層３０との間に垂直配向膜４０が介在することで、電圧印加時に液晶分子３３が基板面に対して垂直方向に配向され易い。これにより、駆動電圧を低くすることができる。以上のことから、液晶表示装置の低消費電力化を図ることができる。

なお、上述した実施形態では、垂直配向膜４０として、ポリイミド系の樹脂からなる有機材料を塗布形成したが、本発明はこれに限定されず、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ₂）等の無機材料を斜方蒸着法により成膜してもよい。

この場合には、例えば第１電極１１が形成された第１基板１０の一主面の法線に対して所定の角度（蒸着角度）から蒸着分子を供給することで、基板面に対して液晶分子を略垂直方向に配向させる垂直配向膜４０が形成される。この際、蒸着角度を適宜設定して垂直配向膜４０を形成することで、液晶分子のプレチルト角を８０度以上９０度以下に制御することが可能となる。

なお、この斜方蒸着法により成膜される垂直配向膜４０としては、上述した二酸化珪素（ＳｉＯ₂）の他に、一酸化珪素（ＳｉＯ）や、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）等の金属酸化物、フッ化セリウム（ＣｅＦ₃）、フッ化ランタン（ＬａＦ₃）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、フッ化ネオジウム（ＮｄＦ₃）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の金属フッ化物がある。

また、上記実施形態では、反射型の液晶表示装置の例を用いて説明したが、透過型の液晶表示装置であっても、本発明は適用可能である。この場合には、第１基板１０の光吸収層１２は設けられず、例えば第１基板１０側から入射した光を第２基板２０側へ透過させる。このため、電界を印加していない状態が遮光となり、電界を印加した状態が透過となる。

さらに上記実施形態は、ＰＮ型の液晶層３０を備えた液晶表示装置について説明したが、本発明は光散乱型の液晶表示装置であればよく、樹脂中に液晶マイクロカプセルを分散させた高分子分散型液晶（Polymer Dispersion Liquid Crystal（ＰＤＬＣ））を用いた液晶表示装置であっても適用可能である。ただし、ＰＮ型の液晶層３０を備えた液晶表示装置の方が、液晶分子３３と垂直配向膜４０とが接触する部分が存在するため、本発明の効果を顕著に奏することができる。

（実施例１）
上述した実施形態と同様に、図１に示す液晶表示装置を製造した。すなわち、ガラス基板からなる第１基板１０上にＩＴＯからなる第１電極１１を３０ｎｍの膜厚で形成した。次いで、第１電極１１上に、垂直配向材料（ＪＳＲ社製垂直配向材料ＪＡＬＳ−６８２-Ｒ６）を塗布形成し、クリーンオーブンで１８０℃、２時間焼成して垂直配向膜４０を形成した。また、第２基板２０上にも、ＩＴＯからなる第２電極２１を３０ｎｍの膜厚で形成した後、第１基板１０と同様に、第２電極２１上に垂直配向膜４０を形成した。

次いで、垂直配向膜４０を対向させた状態で、第１基板１０と第２基板２０とをスペーサ３５（積水化学社製スペーサーミクロパールＳＰ−２５０（直径５０μｍ））を挟んで重ね合わせ、第１基板１０と第２基板２０の周囲に設けられたシール材３４（積水化学社製フォトレックＡ−７８５）により接着することで、セルを作製した。

続いて、第１基板１０と第２基板２０との間に、架橋性のモノマーと液晶材料との混合液（大日本インキ化学工業社製液晶（モノマーミクスチャーＦＳ−１００）を注入し、このモノマーを照度４０ｍＷ／ｃｍ²のＵＶランプで１０秒間照射することで、ポリマー３１と液晶分子３３が包括された液晶ドロプレット３２とからなる液晶層３０を形成した。以上のようにして、液晶表示装置を作製した。

なお、予め、上記垂直配向膜４０により制御される液晶分子のプレチルト角をAutronic-Melchers Gmbh社製プレチルト角測定システムTBA-105を用いて測定したところ、８８度であった。

（比較例１）
上述した実施例１に対する比較例１として、背景技術で図２を用いて説明した垂直配向膜４０が設けられていない液晶表示装置を製造した。

（比較例２）
上述した実施例１に対する比較例２として、垂直配向膜４０の代わりに、無電界時に液晶分子を水平方向に配向させる水平配向膜を用いて実施例１と同様の方法により液晶表示装置を作製した。具体的には、第１電極１１上および第２電極２１上に、水平配向材料（ＪＳＲ社製ポリイミド配向材料ＡＬ−１５２４））を塗布形成し、クリーンオーブンで１８０℃、１時間焼成して水平配向膜を形成した。

なお、比較例２の液晶表示装置に用いる水平配向膜により制御される液晶分子のプレチルト角を実施例１と同様に測定したところ、３度であった。

上述した実施例１および比較例１、２の液晶表示装置のセルギャップは５０μｍであることとする。

これらの液晶表示装置について、東陽テクニカ製電圧保持率測定装置６２５４により、印加電圧１０Ｖ、周波数３０Ｈｚ、ゲート幅６０μ秒の場合における電圧保持率を測定した。

また、リング系のランプで４５度で光が入射するように光学系を設定した後、大塚電子製瞬間マルチ測光システムＭＣＰＤ−７０００を用いて、受光光学系における標準散乱板に対する反射率を印加電圧を変化させて測定した。この際、コントラストが１０以上となる印加電圧を駆動電圧として測定した。

以上の結果を表１に示す。

この表に示すように、実施例１の液晶表示装置は、比較例１、２の液晶表示装置と比較して、高い電圧保持率を示した。特に、液晶層と電極とが直接接触する比較例１の液晶表示装置と比較して、顕著に効果があることが確認された。また、実施例１の液晶表示装置は、比較例１、２の液晶表示装置と比較して駆動電圧が低くなることが確認された。特に、液晶層と電極との間に水平配向膜が介在されている比較例２の液晶表示装置と比較して、駆動電圧は１／２以下に低減されることが確認された。

本発明の液晶表示装置に係る実施形態を説明するための断面図である。従来の液晶表示装置を説明するための断面図である。

符号の説明

１０…第１基板、１１…第１電極、２０…第２基板、２１…第２電極、３０…液晶層、３１…ポリマー、３２…液晶ドロプレット、３３…液晶分子、４０…垂直配向膜

Claims

一対の基板と、当該基板の一主面側にそれぞれ設けられた電極と、前記基板間に前記電極を介して挟持される光散乱性の液晶層とを備えた液晶表示装置において、
少なくとも一方の前記電極と前記液晶層との間に垂直配向膜が設けられている
ことを特徴とする液晶表示装置。
両方の前記電極と前記液晶層との間に前記垂直配向膜が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記垂直配向膜は、液晶分子のプレチルト角を８０度以上９０度以下に制御する
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記液晶層は、ネットワーク構造を有するポリマーと、当該ポリマーのネットワーク構造中に分散された液晶部とを備えている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。