JP2013088466A - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性が高く且つ低コストで製造可能であると共に、表示性能に優れた液晶表示装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一対の基板間に挟持された液晶層を有する液晶表示装置であって、前記液晶層が、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化されていることを特徴とする液晶表示装置とする。また、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化させる工程と、ゲル化した液晶を一対の基板間に配置する工程とを含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置及びその製造方法に関する。

透過・散乱モード液晶表示装置は、液晶分子の配向によって光の散乱状態と透過状態とを切り替える装置である。このような液晶表示装置としては、高分子分散型、金属酸化物分散型などが一般に知られている。高分子分散型の液晶表示装置では、一対の基板間に挟持された高分子層中に液晶滴を形成し、電圧を印加しない場合には液晶滴中の液晶分子がランダムに配向して光散乱状態を示し、電圧を印加する場合には液晶滴中の液晶分子が一定の方向に配向して光透過状態を示すように構成されている（例えば、特許文献１〜４参照）。また、金属酸化物分散型の液晶表示装置では、一対の基板間に挟持された金属酸化物層中に液晶滴を形成し、高分子分散型の液晶表示装置と同様の原理によって光散乱状態と光透過状態と示すように構成されている（例えば、特許文献５参照）

特開２００２−１８２１８６号公報 特開平６−２３５９０８号公報 特開平５−１０７５２４号公報 特開平６−２３５９４２号公報 特開平５−７２５１２号公報

しかしながら、高分子分散型の液晶表示装置では、高分子前駆体と液晶とを混合し、一対の基板間に注入した後、光照射又は加熱を行うことにより、高分子前駆体を重合させて高分子層を形成すると同時に高分子層中に液晶滴を形成しなければならない。従って、高分子層や液晶滴を形成するための材料やプロセスが必要であり、製造コストが高くなるという問題がある。また、高分子層中に液晶滴が均一に形成されないこともあり、表示特性も十分でないという問題もある。
他方、金属酸化物分散型の液晶表示装置では、金属アルコキシド化合物と水との混合物を光照射によって加水分解して形成された水溶性の重合体のゾルに液晶を混合して分散し、これをさらに光照射及び加熱して脱水縮合反応させることにより、金属酸化物層を形成すると同時に金属酸化物層中に液晶滴を形成しなければならない。従って、この装置でも同様に、金属酸化物層や液晶滴を形成するのに要する材料やプロセスのために製造コストが高くなる上、金属酸化物層中に液晶滴が均一に形成されないために表示特性も十分でないという問題がある。
さらに、液晶表示装置の生産性を高めるための方法として、ロール・トゥ・ロール（Roll to Roll）方式と称する方法があるが、上記のような高分子分散型や金属酸化物分散型の液晶表示装置を、この方法に応用することも困難である。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、生産性が高く且つ低コストで製造可能であると共に、表示性能に優れた液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、安価で容易に入手可能なエアロゲル粉末を液晶に添加してゲル化させたものを液晶層に用いることで、高分子分散型や金属酸化物分散型の液晶表示装置と同じように電圧の印加によって液晶分子の配向を制御することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、一対の基板間に挟持された液晶層を有する液晶表示装置であって、前記液晶層が、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化されていることを特徴とする液晶表示装置である。
また、本発明は、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化させる工程と、ゲル化した液晶を一対の基板間に配置する工程とを含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法である。

本発明によれば、生産性が高く且つ低コストで製造可能であると共に、表示性能に優れた液晶表示装置及びその製造方法を提供することができる。

本発明の液晶表示装置の断面図である。

本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に挟持された液晶層を有する。そして、液晶層は、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化されている。ここで、本明細書において「エアロゲル粉末」とは、湿潤ゲルを超臨界乾燥することによって得られる超微細構造を有する多孔質体（エアロゲル）を粉末状にしたものを意味する。このエアロゲル粉末は、溶媒等に添加すると容易にゲル化するという特性を有する。
以下、図面を参照して本発明の液晶表示装置について詳細に説明する。なお、本発明の液晶表示装置は、液晶層の構成以外は公知の液晶表示装置の構成を採用することができ、以下の構成に限定されるものではない。

図１は、平面電極を用いた本発明の液晶表示装置の断面図である。図１において、基板１ａと基板１ｂとの間に液晶層２が挟持されている。また、基板１ａ及び基板１ｂ上には平面電極３が形成されており、スペーサー５によってセルギャップが均一に維持されている。そして、液晶層２は、シール材４によって封止されている。なお、この平面電極構造は、ツイステッドネマチックモードなどで広く一般的に採用されている。

液晶層２は、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化されている。エアロゲル粉末としては、特に限定されず、例えば、シリカエアロゲル粉末やカーボンエアロゲル粉末等を用いることができる。その中でも、エアロゲル粉末は、シリカエアロゲル粉末であることが好ましい。その理由は、シリカエアロゲル粉末の屈折率は、液晶分子の短軸方向の屈折率（ｎｏ）とほぼ等しく（約１．４６）、電圧を印加して液晶層２中の液晶分子を一定の方向に配向させた際に散乱が起きず、良好な光透過状態を示すためである。

シリカエアロゲル粉末は、アルコキシシランの加水分解、重合反応によって得られたシリカ骨格からなる湿潤状態のゲル状化合物を、アルコールあるいは二酸化炭素等の溶媒（分散媒）の存在下で、この溶媒の臨界点以上の超臨界状態で乾燥することによって製造することができる。また、このようなシリカエアロゲル粉末として、一般に市販されており、例えば、日本アエロジル株式会社製のＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）シリーズを用いることができる。

エアロゲル粉末は親水性であること、具体的には、水酸基を表面に有していることが好ましい。エアロゲル粉末が親水性であれば、液晶のゲル化が容易になる。親水性のエアロゲル粉末としては、例えば、日本アエロジル株式会社製のＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）５０、１３０、１５０、２００、３００、３８０等を用いることができる。

エアロゲル粉末の添加量は、液晶をゲル化させ得る範囲であれば特に限定されず、エアロゲル粉末の平均粒径に応じて適宜調整すればよい。液晶層２におけるエアロゲル粉末の添加量は、一般に２〜６質量％、好ましくは３〜５質量％である。エアロゲル粉末の添加量が２質量％未満であると、液晶のゲル化が十分でない場合がある。一方、エアロゲル粉末の添加量が６質量％を超えると、固くなってゲル状ではなくなり、電圧の印加によって液晶分子の配向を制御することが困難になる場合がある。

エアロゲル粉末の平均粒径は、液晶をゲル化させ得る範囲であれば特に限定されない。エアロゲル粉末の平均粒径は、一般に１００ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ〜３０ｎｍ以下である。エアロゲル粉末の平均粒径が１００ｎｍを超えると、エアロゲル粉末が液晶層２中でそのまま残存する場合がある。ここで、本明細書において「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法によって測定されたものを意味する。

液晶層２に用いられる液晶としては、特に限定されないが、２種以上の液晶成分を含む混合液晶であることが好ましい。この混合液晶は、使用用途にあわせて所望の物性（例えば、屈折率異方性、誘電率異方性、粘度、相転位温度など）を満たすように幾つかの液晶成分を混合することによって調製されるため、一義的に定義することは難しいが、フッ素系混合液晶やシアノ系混合液晶などと一般的に称される混合液晶であってよい。ここで、本明細書において「フッ素系混合液晶」とは、１種以上のフッ素系液晶を含む混合液晶を意味し、「シアノ系混合液晶」とは、１種以上のシアノ系液晶を含む混合液晶を意味する。これらの混合液晶は、一般的に公知であると共に商業的に利用可能である。
これらの中でも好ましい液晶は、ポジ型ネマチック液晶である。ポジ型ネマチック液晶の例としては、メルク株式会社製のＺＬＩ−４７９２及びＭＬＣ−６６０８、チッソ石油化学株式会社製のＪＣ−５０６６ＸＸ等が挙げられる。

液晶にエアロゲル粉末を添加してゲル化させる方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行うことができる。例えば、液晶にエアロゲル粉末を添加した後、周知の混合手段を用いて混合すればよい。特に、液晶にエアロゲル粉末を添加した後、超音波を照射すれば、液晶を均一にゲル化させることが容易になる。超音波を照射する際の条件は、液晶及びエアロゲル粉末の種類や量に応じて適宜設定すればよく、特に限定されない。一般的には、室温（２５℃）下で１００〜１０００Ｗの超音波を１〜６０分間照射すればよい。

本発明では、上記のようにしてゲル化させた液晶を液晶層２として用いる。この液晶層２に電圧を印加しない場合、液晶分子はランダムに配向し、光散乱状態となる。従って、良好な光散乱状態を得るためには、液晶分子の屈折率（ｎｅとｎｏの平均）とエアロゲル粉末の屈折率との差が０．０５以上であることが好ましい。当該屈折率の差が０．０５未満であると、光散乱が不十分となり、所望の表示性能が得られない場合がある。逆に、この液晶層２に電圧を印加した場合、液晶分子が電界に沿って配向し、光透過状態となる。従って、良好な光透過状態を得るためには、液晶分子の短軸方向の屈折率（ｎｏ）とエアロゲル粉末の屈折率とがほぼ等しいことが好ましい。当該屈折率の差が大きいと、光散乱が生じてしまい、所望の表示性能が得られない。

ゲル化した液晶を基板１ａと基板１ｂとの間に配置する方法としては、特に限定されず、ＯＤＦ（液晶滴下注入法）等の公知の方法に準じて行うことができる。また、ゲル化した液晶をインクジェット法等によって印刷すれば、ロール・トゥ・ロール方式に用いることもできるため、液晶表示装置の生産性を向上させることが可能になる。また、この方法であれば、今後主流となるフレキシブル基板に対しても適用することができる。具体的には、ゲル化した液晶を基板１ｂ上に塗布（又は印刷）して液晶層２を形成した後、液晶層２上に基板１ａを積層すればよい。

上記のようにして製造される本発明の液晶表示装置は、安価で容易に入手可能なエアロゲル粉末を少量用いるだけで製造できるため、従来よりも低コストで製造することができる。また、ゲル化させた液晶を液晶層２として用いることができるため、インクジェット法等による印刷が可能になり、生産性の高いロール・トゥ・ロール方式にも応用することができる。さらに、均一にゲル化させた液晶を液晶層２として用いているため、表示性能にも優れている。

本発明の液晶表示装置は、上記のような特性を有しているため、各種ディスプレイの他、照明器具やシャッターガラス等に用いることができる。

以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
実施例において、液晶として、ポジ型ネマチック液晶ＺＬＩ−４７９２（メルク株式会社製フッ素系混合液晶）を用い、エアロゲル粉末として、ＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）３００及び１３０（日本アエロジル株式会社製シリカエアロゲル粉末）を用いた。ここで、ポジ型ネマチック液晶ＺＬＩ−４７９２の屈折率（ｎｅとｎｏの平均）は１．５３、短軸方向の屈折率（ｎｏ）は１．４８である。また、ＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）３００及び１３０の屈折率は、１．４６である。また、ＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）３００の平均粒径は７ｎｍ、ＡＥＲＯＳＩＬ（登録商標）１３０の平均粒径は１６ｎｍである。

まず、バイアル瓶にポジ型ネマチック液晶及びエアロゲル粉末を加えて攪拌した後、室温下、ウォーターバス中で６００Ｗの超音波を１０分間照射した。この混合後の状態を目視にて確認した結果を表１に示す。表１において、液晶がゲル化しないか、ゲル化が不十分であったものを×、ゲル化したものを○、粘土状となって流動性が得られなかったものを××として表す。

次に、透明電極（ＩＴＯ）を形成した一方のガラス基板上に、エアロゲル粉末を添加したポジ型ネマチック液晶を塗布した後、この上に他方のガラス基板を積層し、液晶セルを形成した。ここで、液晶セルのセルギャップは５μｍとした。
得られた液晶セルに対して電圧（６０Ｖ）のＯＮ及びＯＦＦを繰り返して行い、光の散乱状態と透過状態との切り替えの状態を目視にて確認した。その結果を表２に示す。表２において、光の散乱状態と透過状態との切り替えができなかったものを×、光の散乱状態と透過状態との切り替えができたものを○、光の散乱状態と透過状態との切り替えが良好であったものを◎として表す。

表１及び表２の結果からわかるように、ゲル化した液晶を液晶層として用いたものは、光の散乱状態と透過状態との切り替えが可能であったのに対し、ゲル化していない液晶を液晶として用いたものは、光の散乱状態と透過状態との切り替えができなかった。
以上の結果からわかるように、本発明によれば、生産性が高く且つ低コストで製造可能であると共に、表示性能に優れた液晶表示装置及びその製造方法を提供することができる。

１ａ、１ｂ 基板、２ 液晶層、３ 平面電極、４ シール材、５ スペーサー。

Claims (21)

1. 一対の基板間に挟持された液晶層を有する液晶表示装置であって、
   前記液晶層が、液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化されていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記液晶層における前記エアロゲル粉末の添加量が２〜６質量％であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記エアロゲル粉末の平均粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
4. 前記エアロゲル粉末が親水性であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
5. 前記エアロゲル粉末がシリカエアロゲル粉末であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
6. 前記液晶がポジ型ネマチック液晶であることを特徴であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
7. 前記基板がフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
8. 液晶分子の短軸方向の屈折率が、前記エアロゲル粉末の屈折率とほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
9. 液晶分子の屈折率と前記エアロゲル粉末の屈折率との差が０．０５以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
10. 液晶にエアロゲル粉末を添加することによってゲル化させる工程と、
    ゲル化した液晶を一対の基板間に配置する工程と
    を含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
11. 前記ゲル化した液晶を一方の基板上に塗布して液晶層を形成した後、前記液晶層上に他方の基板を積層することを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置の製造方法。
12. 前記液晶に前記エアロゲル粉末を添加した後、超音波を照射することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の液晶表示装置の製造方法。
13. インクジェット法によって前記ゲル化した液晶を一方の基板上に印刷することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
14. 前記液晶層における前記エアロゲル粉末の添加量が２〜６質量％であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
15. 前記エアロゲル粉末の平均粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
16. 前記エアロゲル粉末が親水性であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
17. 前記エアロゲル粉末がシリカエアロゲル粉末であることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
18. 前記液晶がポジ型ネマチック液晶であることを特徴であることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
19. 前記基板がフレキシブル基板であることを特徴とする請求項１０〜１８のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
20. 液晶分子の短軸方向の屈折率が、前記エアロゲル粉末の屈折率とほぼ等しいことを特徴とする請求項１０〜１９のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。
21. 液晶分子の屈折率と前記エアロゲル粉末の屈折率との差が０．０５以上であることを特徴とする請求項１０〜２０のいずれか一項に記載の液晶表示装置の製造方法。

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