JP2008225402A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】プラスチックフィルムなど可撓性のある基板を使った液晶表示素子において、ガスバリアー層に入るクラックに対し、ガスバリアー層を多層化せずに対策を打つ。
【解決手段】２枚の可撓性を有する基板とシールによって形成された空間に液晶が注入され、基板の液晶層側の面に形成された電極により液晶の光学特性を制御して画像表示を行う液晶表示素子において、両面にガスバリアー層１１，１３が形成されたプラスチック基板１９の液晶層側の面の電極１５のない領域に電極１５と同じ材料からなるベタ領域１４を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、液晶を挟持する基板がプラスチックなどの可撓性基板である液晶表示素子の構造に関する。

プラスチックフィルム基板からなる液晶表示素子は、軽量で薄いという性質を活かし携帯電話機の表示パネルとして実用化されたことがある。最近では、割れにくい、曲げられる、平面形状の自由度が高い、という特徴にも注目が集まるようになり様々な応用製品が提案されるようになった。

しかし、これら可撓性基板からなる液晶表示素子は、ガラス基板と違い基板自身にガス或いは水蒸気透過性があるため、常温常圧下でガスあるいは水蒸気が基板を透過して液晶内に溶け込んでしまうことが知られている。このようにして液晶内に溶け込んだガスが飽和状態に達していると、落下等の衝撃により液晶表示素子内に気泡が発生してしまう。そこで基板表面に気体が透過し難い無機物ないし有機物からなるガスバリアー層を設けていた。ガスバリアー層は、製造工程を簡略化させるため基板の片側の面だけに設ける場合が多いが、気泡に対する長期的な信頼性を重要視する場合は基板の両面に設けられる場合もある（例えば文献１）。

文献１には、膜厚１００ｎｍ以下のＳｉＡｌＯＮ膜で膜厚２００ｎｍ以上のＳｉＯｘ膜に相当するガスバリアー特性を達成したことが示されており、このなかで基板の両面にガスバリアー層を形成したことが例示されている。さらに、プラスチック基板上にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の有機物からなるガスバリアー層を形成し、さらにハードコート層を形成してから無機物からなるガスバリアー層を積層するという２層のガスバリアー層構造で、無機物からなるガスバリアー層に生じたクラックによるガスバリアー機能の低下を防いだことも示されている。

製造工程を簡単にするためガスバリアー層を設けないでガス透過性を下げる工夫がある（例えば文献２）。文献２では、液晶層側にガスバリアー層を設けず、ガス透過性の小さいＩＴＯ膜を表示電極のない領域に設けることが示されている（例えば文献２）。この方法は表示電極に使うＩＴＯとガスバリアー機能を有するＩＴＯ膜とが同時に形成できるので製造工程が簡略化している。
特開平６−３３７４０６号公報 特開２０００−２８４３１０号公報

文献１のＳｉＡｌＯＮ膜は薄いにも関わらずガス透過率が小さくクラックが入りづらいといっても元素の種類が多いため製造工程が複雑である。そこで製造が簡単なシリコンＳｉの酸化物ないし窒化物を使いたい。しかしながらこれらの材料は、ガス透過率を充分に小さくするのに膜厚を２００ｎｍ以上にする必要があり、弾力性が少なく厚いためクラックが入りやすい。このような材料からなるガスバリアー層を基板の両面に備えていても、液晶表示素子を折り曲げたりして発生するクラックによりガスバリアー能力が低下してしまうことがあった。文献１の後半に示された手法のように、クラックによるガスバリアー能力低下を避けるためガスバリアー層を２層にする方法は製造工程を長くしてしまい、製造が簡単な理由で採用しようとしていた前述の無機材料と整合しない。なお柔軟性はあるがガスバリアー能力が無機膜に比べて著しく劣っている有機物からなるガスバリアー層は
、長期的な信頼性を要求される用途には向かない。

また我々の実験では、文献２のように液晶側にガスバリアー層を設けず画素電極のない領域だけにガスバリアー機能を有する膜を配置した液晶セルは気泡発生を防げなかった。これは、画素電極の隙間を通って基板と液晶層の間でガス成分が行き来したためである。

そこで本発明の目的は、プラスチックフィルムなど可撓性のある基板を使った液晶表示素子において、製造工程が短く、曲げなどの変形が加わっても長期的にガスバリアー能力を高く維持できる液晶表示素子を提供することである。

上記目標を達成するため、この発明の液晶表示素子は、２枚の可撓性を有する基板とシールによって形成された空間に液晶が注入され、その基板の液晶層側の面に形成された電極により液晶の光学特性を制御して画像表示を行う液晶光学素子において、基板の両面にガスバリアー層が形成され、基板の液晶層側の面の電極のない領域に電極と同じ材料からなるベタ領域を有することを特徴とする。

ガスバリアー層のうち液晶層側のガスバリアー層が無機物からなることが好ましい。

可撓性基板の外側のガスバリアー層は、液晶表示素子の外部から可撓性基板に進入しようとするガスや水分を防ぎ、内側のガスバリアー層は可撓性基板から液晶層に進入しようとするガスや水分を防いでいる。内側のガスバリアー層が無機物のとき、曲げなどの変形でクラックが入ったとしても、広い面積を占め電極材料と同じ材質の膜からなるベタ領域がガスバリアー層を覆っているので、クラックによるガスバリアー能力の低下を食い止めることができる。内側のガスバリアー層が有機物からなる場合、ベタ領域のガス透過率が小さいため基板から液晶層へのガスの進入を遅らせることができる。

この発明の液晶表示素子は、上記のような構成および作用を有しているので、曲げなどの変形が加わっても長期的にガスバリアー能力を高く維持でき、ガスバリアー層に製造が容易な材料を使える上、ベタ領域が電極と同じ物質であり電極を同時に形成できるため製造工程が増大しない。また内側のガスバリアー層を無機物とし外側のガスバリアー層を有機物とすると、基板へのガス浸透は大きくなるが外側のガスバリアー層を塗布で形成できるので製造工程が簡略化する。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施例１）

図１と図２、図３を用いて本発明の第１の実施の形態（以下実施例１と称する）を説明する、。図１は実施例１の液晶表示素子の部材構成を示した断面図である。図２は表示用の電極の周辺部の透明電極材料パターンを示した平面図である。図３は電極に印加する駆動信号の波形図である。なお図中の縮尺は適宜変更している。

図１において部材を説明する。図の下部では、下側の偏光板１０と下側のプラスチック基板１９が積層している。下側のプラスチック基板１９において、液晶層１８からみて基板支持材１２の外側と内側の面にはそれぞれガスバリアー層１１，１３が形成され、さらにガスバリアー層１３上には電極１５とベタ領域１４が形成され、その上部には配向膜１６が塗布されている。同様に図の上部では上から、上側の偏光板１０と上側のプラスチック基板１９が積層している。上側のプラスチック基板１９において、液晶層１８からみて
基板支持材１２の外側と内側の面にはそれぞれガスバリアー層１１，１３が形成され、さらにガスバリアー層１３の下には電極１５とベタ領域１４が形成され、その下部には配向膜１６が塗布されている。プラスチック基板１９の周辺部にはシール１７が設けられ、シール１７とプラスチック基板１９から形成された空間に液晶が充填され、液晶層１８を形成している。

基板支持材１３は厚さが１００μｍのポリカーボネートである。ガスバリアー層１１、１３は、スパッタ法で形成した厚さが０．２５μｍの窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなっている。電極１５とベタ領域１４は、スパッター法により形成された厚さが０．０３μｍのＩＴＯからなっている。配向膜１６は厚さが０．０５μｍでポリイミドからなっている。シール１７は幅が０．８ｍｍ程度のエポキシ接着剤である。液晶層１８は厚みが７μｍで分子が９０゜ツイストしたツイストネマチック液晶（以下ＴＮ液晶と称する）からなっている。なおプラスチック基板間隔を一定に保つためのスペーサは図示していない。

図２において、電極とベタ領域の平面的な関係を説明する。（ａ）は上側のプラスチック基板１９に形成された電極１５とベタ領域１４に相当するＩＴＯパターンであり、（ｂ）は下側のプラスチック基板１９に形成された電極１５とベタ領域１４に相当するＩＴＯパターンである。（ａ）は画素の点灯・消灯が区別されるセグメント側であり、（ｂ）はコモン側となる。

図２（ａ）において、点灯させることで図形を表示する各セグメント電極１５ａには液晶セルの外部から駆動信号を伝達する配線電極１５ｂが接続しいる。セグメント電極１５ａと配線電極１５ｂをベタ領域１４ａが取り囲んでいる。またベタ領域１４ａは後述するコモン電極１５ｃ用の配線電極１５ｄとも平面的に重ならないよう隙間が開いている。

同様に図２（ｂ）において、平面的にセグメント電極１５ａと重なる位置にコモン電極１５ｃ（一般的にコモン電極というと共通電極全体を指すが、本実施例中では表示に関与する部分だけをコモン電極と呼んでいる）があり、各コモン電極１５ｃに液晶セルの外部から駆動信号を伝達する配線電極１５ｄが接続しいる。コモン電極１５ｃと配線電極１５ｄをベタ領域１４ｂが取り囲んでいる。またベタ領域１４ｂはセグメント電極１５ａ用の配線電極１５ｂとも平面的に重ならないよう隙間が開いている。

セグメント電極１５ａとコモン電極１５ｃに挟まれた液晶層１８に印加する電圧によりセグメント（画素ともいう）の点灯・消灯を制御する。配線電極１５ａ，１５ｄと、フローティングであるため電位が未確定になっているベタ領域１４ａ，１４ｂは平面的に重ならないので、配線電極１５ｂ、１５ｄ上の液晶層１８は電圧が印加されないため点灯しない。液晶物質の抵抗成分により導電位となっているベタ領域１４ａ、１４ｂに挟まれる液晶層も点灯しない。なお配線電極１５ｂ、１５ｄの幅や、配線電極１５ｂ、１５ｄとベタ領域１４ａ、１４ｂの間隔はそれぞれ２０〜４０μｍであり、セグメント電極１５ａの大きさ（概ね数ｍｍ）にくらべ目立つことはない。

図３においてセグメントの点灯と消灯の制御を説明する。コモン電極１５ｄには駆動信号ＣＯＭを印加する。セグント電極１５ａには、駆動信号ＣＯＭと同相で波高値の等しい駆動信号ＯＦＦか、駆動信号ＣＯＭと逆相で波高値の等しい駆動信号ＯＮを印加する。ここで駆動信号ＯＦＦはセグメントを消灯させ、駆動信号ＯＮはセグメントを点灯させる。

以上のように実施例１の液晶表示素子は、いわゆるスタティック駆動されているので、表示品質が配線電極１５ｂ、１５ｄの抵抗の影響を受けにくい。そこでＩＴＯの膜厚さを０．０３μｍというように薄くすることができる。この程度までＩＴＯ膜を薄くすると表示素子が曲がってもクラックが入りにくくなる。広い面積を占めるベタ領域１４ａ，１４
ｂは、膜厚が薄いためＩＴＯ膜だけのガス透過率は比較的大きな値になってしまうが、ガスバリアー層１３に入ったクラックの保護として機能する分には十分なガスバリアー能力を備えている。
（実施例２）

図４から図７を用いて本発明の第２の実施の形態（以下実施例２と称する）を説明する。図４は本発明の実施例２の液晶表示素子の部材構成を示した断面図である。図５は実施例２の液晶表示素子の表示用の電極の周辺部の透明電極材料パターンを示した平面図である。図６は実施例２の液晶表示素子の電極とベタ領域に印加する駆動信号の波形図である。図７は実施例２の液晶表示素子の、（透過率−電圧）特性を示すグラフである。

図４において部材を説明する。図１の実施例１と共通の部材は同じ番号で示している。図１の実施例１との違いは、上側の偏光板１０と上側のプラスチック基板１９の間に位相差板４１が挿入されていることと、液晶層１８ａが液晶分子を９０゜以上捻ったスーパーツイストネマチック液晶（以下ＳＴＮ液晶と称する）からなっていることである。ＳＴＮ液晶パネルは複屈折性を利用しているので、偏光版だけでは点灯と消灯が色の違いとなって現れてしまうので、これを白と黒に対応させるため位相差板４１を挿入している。このため実施例２の偏光板１０と配向膜１６は、材料は同じであるがそれぞれ吸収軸の角度関係とラビング方向が実施例１と異なっている。

図５において、電極とベタ領域の平面的な関係を説明する。（ａ）は上側のプラスチック基板１９に形成された電極１５とベタ領域１４に相当するＩＴＯパターンであり、（ｂ）は下側のプラスチック基板１９に形成された電極１５とベタ領域１４に相当するＩＴＯパターンである。（ａ）は画素の点灯・消灯が区別されるセグメント側であり、（ｂ）はコモン側となる。

図５（ａ）において各セグメント電極１５ａと配線電極１５ｂは実施例１の図２と同じものである。ベタ領域１４ｃがコモン電極１５ｃ用の配線電極１５ｄと平面的に重なっているところが実施例１と異なっている。

同様に図５（ｂ）においてコモン電極１５ｃと配線電極１５ｄも実施例１の図２と同じものである。ベタ領域１４ｄがセグメント電極１５ａ用の配線電極１５ｂと平面的に重なっているところが実施例１と異なっている。

図６においてセグメントの点灯と消灯の制御を説明する。実施例１と同様に、コモン電極１５ｄには駆動信号ＣＯＭを印加する。駆動信号ＣＯＭは、最小値が電圧０Ｖで最大値が電圧Ｖｏｎとなる矩形波である。セグント電極１５ａには、駆動信号ＣＯＭと同相で波高値の等しい駆動信号ＯＦＦか、駆動信号ＣＯＭと逆相で波高値の等しい駆動信号ＯＮを印加する。ここで駆動信号ＯＦＦはセグメントを消灯させ、駆動信号ＯＮはセグメントを点灯させる。実施例１との違いはベタ電極１４ｃ、１４ｄに電圧ＶＭを印加することである。この電圧ＶＭは電圧Ｖｏｎと電圧０Ｖの中間の電圧である。

図７において各電圧と液晶表示素子の透過率の関係を説明する。図７は、縦軸が透過率Ｔで横軸が画素に印加される実効値Ｖである。実効値Ｖが閾値Ｖｔｈ以下では液晶表示素子の透過率は黒レベルとなる。液晶表示素子の透過率特性は、実効値Ｖが閾値Ｖｔｈを越えると、透過率Ｔが急速に増加し電圧Ｖｏｎで飽和する。電圧Ｖｔｈは概ね２Ｖ、電圧Ｖｏｎと電圧Ｖｔｈの間隔は概ね０．２Ｖ程度である。電圧Ｖｏｎを２．２Ｖとすると、電圧ＶＭは１．１Ｖで、このときの透過率Ｔは黒レベルである。

再び図６に戻り各領域の点灯と消灯状況を説明する。セグント電極１５ａに駆動信号Ｏ
ＦＦを印加すれば、そのセグメントは実効値が０Ｖとなるので消灯（黒レベル）する。反対にセグント電極１５ａに駆動信号ＯＮを印加すれば、そのセグメントは実効値がＶｏｎとなり点灯（白レベル）する。次に配線電極１５ｂとベタ領域１４ｄが重なる領域は、実効値ＶＭが印加されるので消灯（黒レベル）する。同様に配線電極１５ｃとベタ領域１４ｃが重なる領域も消灯（黒レベル）する。なお上下のベタ領域１４ｃ、１４ｄが重なり合う領域は実効値が０Ｖなので消灯している。

実施例１ではベタ領域１４ａ、１４ｂに対向するプラスチック基板１９上の配線電極１５ｂ、１５ａを避けるため隙間を設けていた。しかし実施例２のようにベタ領域１４ｃ、１４ｄに電圧Ｖｏｎの半分の電圧ＶＭを印加しておくとプラスチック基板１９上の配線電極１５ｂ、１５ａを避ける隙間が不要になる。表示しようとする図形が複雑になってくるとこの隙間が設計の障害になってくるので、隙間のないほうが好ましい。実施例２では電圧ＶＭで消灯させる必要があったのでＳＴＮ液晶をスタティック駆動した。ＴＮ液晶でも閾値Ｖｔｈが高く透過率特性の急峻なものを使えば同じ駆動が可能である。点灯と消灯が透明状態と散乱状態となる高分子分散型液晶でも同様であり、この場合は偏光板を必要としない。

実施例２では点灯を白、消灯を黒としていたが、点灯が黒で消灯が白のノーマリホワイトパネルでも同様の効果が得られる。実施例１，２ではネマテチック液晶で説明していたが高分子分散型液晶でも同様の効果が得られる。実施例１、２ではスタティック駆動で説明したが時分割駆動（ダイナミック駆動）でも同様の効果が得られる。

本発明の実施例１の液晶表示素子の部材構成を示した断面図である。 本発明の実施例１の液晶表示素子の表示用の電極の周辺部の透明電極材料パターンを示した平面図である。 本発明の実施例１の液晶表示素子の電極に印加する駆動信号の波形図である。 本発明の実施例２の液晶表示素子の部材構成を示した断面図である。 本発明の実施例２の液晶表示素子の表示用の電極の周辺部の透明電極材料パターンを示した平面図である。 本発明の実施例２の液晶表示素子の電極とベタ領域に印加する駆動信号の波形図である。 本発明の実施例２の液晶表示素子の、（透過率−電圧）特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 偏光板
１１，１３ ガスバリアー層
１２ 支持基板
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ベタ領域
１５ 電極
１５ａ セグメント電極
１５ｃ コモン電極
１５ｂ、１５ｄ 配線電極
１６ 配向膜
１７ シール
１８，１８ａ 液晶層
１９ プラスチック基板
４１ 位相差板
ＣＯＭ コモン電極駆動信号
ＯＦＦ 消灯用のセグメント電極駆動信号
ＯＮ 点灯用のセグメント電極駆動信号
ＶＭ 中間の電圧
Ｖｏｎ 点灯させる電圧
Ｖｔｈ 閾値電圧

Claims (2)

1. ２枚の可撓性を有する基板とシールによって形成された空間に液晶が注入され、前記基板の液晶層側の面に形成された電極により前記液晶の光学特性を制御して画像表示を行う液晶表示素子において、
   前記基板の両面にガスバリアー層が形成され、前記基板の液晶層側の面の前記電極のない領域に前記電極と同じ材料からなるベタ領域を有することを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記ガスバリアー層のうち液晶層側のガスバリアー層が無機物からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。

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