JP2014137485A - 高分子液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 厳寒の所で使用しても品質保証が得られる高分子液晶表示を提供する。
【解決手段】 一対の基板１、２間に高分子液晶５を封止した高分子液晶表示素子２０の見切り枠Ｍの外側にあって、一対の基板１、２のいずれか一方の基板、又は両方の基板の内面に絶縁膜２１を設け、見切り枠Ｍの外側のセルギャップ量を前記見切り枠の内側のセルギャップ量より小さくし、見切り枠の外側のセルギャップ量を大きくても６μｍ以下に抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高分子液晶を用いた液晶表示素子に関し、特に、寒暖があるような場所でも使用できる高分子液晶表示素子に関する。

高分子分散液晶を用いた液晶表示素子は配向膜を必要とせず、また偏光板も必要としないことからコストメリットが大きく、また、偏光板を用いないことから光透過率が高く、明るい表示が得られなどの利点がある。そのため、近年においてはさまざまな分野で使用されるようになってきている。例えば、下記の特許文献１に記載されたカメラのファインダ装置もその一つである。

特許文献１に記載されたファインダ装置に用いられる液晶表示素子について図３、４を用いて説明する。図３は高分子分散液晶の液晶表示素子を用いた表示ユニットの斜視図を表しており、図４はファインダ装置の視野の様子を示す平面図を示している。なお、図中において、符号は主旨を逸脱しない範囲で修正している。
特許文献１に記載されたファインダ装置は対物系レンズ、プリズムなどからなる対物光学系と、ダハプリズム、接眼レンズなどからなる接眼光学系と、対物光学系と接眼光学系の間に配設した表示ユニットからなる。そして、対物光学系を通った光は表示ユニットで結像する。図３は表示ユニットの斜視図を示している。図３において、表示ユニットは一対の透明なガラスからなる下基板１と上基板２の間に高分子分散液晶を封止して形成した液晶表示素子１０と、液晶表示素子１０の側方に配設したＬＥＤなる光源５０と、液晶表示素子１０の前方に配設した視野枠板５１とから構成している。視野枠板５１は光が液晶表示素子１０に入射する前側に設けており、視野枠板５１の開口部５１ａを通った光のみが液晶表示素子１０に入射して液晶表示素子１０に画像が結像するようになっている。そして、接眼光学系側に導かれて視認されるようになっている。

また、表示ユニットの表示を制御する制御装置を有しており、通常撮影モード、パノラマ撮影モードをモードセレクタによって選択する機能を持っている。また、高分子分散液晶からなる液晶表示素子１０には、図４に示すように、パノラマ撮影領域６１、近距離補正領域６２、パノラマ上枠領域６３、パノラマ下枠領域６４、ターゲットマークの領域６５、視野枠板５１によって遮光される領域６６などを設けている。また、視野枠板５１によって遮光される領域６６以外の上記の各領域の部分には一対の対向したガラスからなる下基板１と上基板２にセグメント電極（透明電極）を設けていて、セグメント電極への電圧印加（通電）で透明状態になり、電圧不印加（非通電）により不透明（白濁）状態が現れるようになっている。

通常撮影モードの撮影は液晶表示素子１０のパノラマ撮影領域６１、近距離補正領域６２、パノラマ上枠領域６３、パノラマ下枠領域６４を通電状態での透明状態にして撮影を行う構成をとっている。
また、パノラマ撮影モードの場合で被写体輝度が一定値以上（例えば、昼間の屋外での撮影）場合は、パノラマ撮影領域６１を通電状態での透明状態にし、近距離補正領域６２、パノラマ上枠領域６３、パノラマ下枠領域６４、ターゲットマークの領域６５は非通電状態での不透明状態にして撮影を行うようにし、被写体輝度が一定値以下（例えば、夜景や薄暗い所での撮影）である場合はパノラマ撮影領域６１及び近距離補正領域６２が通電状態での透明状態にし、パノラマ上枠領域６３、パノラマ下枠領域６４及びターゲットマークの領域６５が非通電状態で不透明状態にして撮影を行う構成をとっている。

ここで、高分子分散液晶は、０．５〜数μｍの液晶微粒子が高分子材料中に分散、あるいはネットワーク状に配列したものであり、電界の有無により光透過の状態（透明）と光散乱の状態（白濁）の間を変化する。このような液晶としては、ＰＮＬＣ（Polymer Network liquid Crystal）、ＰＤＬＣ（Polymer Dispersed liquid Crystal）などが知られている。以降、本明細書においては、ＰＮＬＣ、ＰＤＬＣなどを高分子液晶と呼称し、それを用いた液晶表示素子を高分子液晶表示素子と呼称して説明する。

ＰＮＬＣは高分子材料（モノマー）と液晶材料（例えば、ネマティック液晶）を用いたものであり、紫外線照射によってモノマーが重合して３次元網目状のポリマーネットワークを形成し、その網目状の中に液晶分子が分散した状態をなしたものである。そして、所定の電圧印加状態で透明になり、電圧無印加状態で白濁を示す。このＰＮＬＣは１Ｖ〜３Ｖの低い電圧で応答し、しかも、応答速度が１０〜３０ｍｓと早いことから、一般的に多用されている。

高分子液晶としてＰＮＬＣを用いた高分子液晶表示素子は、一般に、図５に示すような構成をなす。図５はＰＮＬＣを用いた高分子液晶表示素子の要部断面図を示したものである。
図５において、１０は高分子液晶表示素子を表しており、図３に示した液晶表示素子１０に相当するものであるので、同一符号を付与している。高分子液晶表示素子１０は、その内面にＩＴＯ膜からなる画素電極３を設けたガラス板などからなる下基板１と、内面にＩＴＯ膜からなる対向電極４を設けたガラス板などから上基板２を一定の隙間を設けて配設し、その隙間の中に高分子液晶５をシール材６でもって封入した構成をなしている。なお、図５において、画素電極３と対向電極４は特許文献１に記載されたセグメント電極に相当するものである。

高分子液晶５は、前述したように、紫外線硬化型のアクリル樹脂など高分子材料（モノマー）にネマティック液晶などの液晶材料を混合したものからなり、高分子液晶５を封止した状態で紫外線を照射すると、モノマーが重合して３次元網目状のポリマーネットワークを形成する。そして、その網目の中に液晶分子が分散した状態になる。

ここで、高分子液晶表示素子は電圧印加による透明状態での光の透過と、電圧無印加による白濁状態での光の不透過でもって映像や画像の表示を行っている。そのような中で、電圧無印加状態における白濁状態は高分子液晶表示素子の高分子液晶層の厚さに大きく影響を受ける。つまり、高分子液晶層の厚さが小さいと白濁状態が薄くなって光が透過するようになり、鮮明な映像が得られなくなるという問題が発生する。また、高分子液晶層の厚さが大きいと良好な白濁状態が得られるものの駆動するために高い電圧が必要となり、電力消費を早めるという問題が発生する。このような問題を回避するために、高分子液晶層の厚さを概ね４〜８μｍの範囲内に抑えることが好ましいとされている。

特開２０００−１７１８６０号公報

高分子液晶表示素子の寒冷保証に係る１つの試験として、急冷試験なる信頼性試験がある。これは、常温状態にある高分子液晶表示素子を−３０°Ｃに冷却した冷凍装置内に入れて急冷し、この急冷によって品質特性がどのように変化するかを見る試験である。

図６は、上記急冷試験の結果、発生した問題点を説明する模式的に示した説明図で、高
分子液晶表示素子１０に電圧印加によって透明状態にし、上基板２の上面側から見た状態を示したものである。なお、急冷試験に用いた高分子液晶表示素子は、セルギャップ量８μｍのものを用いている。

図６において、Ａは硬化した高分子液晶層のクラックを表していて、シール材６の内側に、封止材６に沿った状態で、硬化した高分子液晶層にクラックＡが無数に発生する。なお、以降において、このクラックＡを単にクラックと呼称して説明することにする。

クラックが発生する原因としては、高分子液晶表示素子の構成部材が急冷によって、それぞれ急激に熱収縮を起こすためと考えられる。構成部材はそれぞれ熱収縮率が異なり、また、高分子液晶層は、他の構成部材より特に熱収縮率が大きいことから、急冷された結果、上下基板に挟まれたセル内部に負圧力が発生する。そのため、上下基板のシール材で強固に固定された近傍は、基板に変形が起き難いことから、硬化した樹脂に負圧力による大きな負荷力がかかってクラックが発生する。一方、シール材から離れた部位は、基板が負圧力による大きな負荷力で反りなどの変形が起こり、そのため、先に基板が変形して、高分子液晶層には大きな負荷力がかからず、クラックが発生しにくいと推察される。

このように発生したクラックは外観品質を悪くする。また、厳寒の中での繰り返し使用が頻繁に行われると、そのクラックの程度が大きくなると共に広がりを見せ、屈折率の変化が起きて表示画像を悪くするという問題が発生する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、厳寒の中での繰り返し使用が行われても、クラックが発生しない良品質の高分子液晶表示素子を提供することである。

上記課題を解決するための手段として、本発明の高分子液晶表示素子は、一対の基板間に高分子液晶をシール材によって封止した高分子液晶表示素子において、表示領域の外周位置に対応する見切り枠を設定し、一対の基板の少なくとも一方の基板の内側であって、かつ、見切り枠の外側となる領域に、シール材に沿って、絶縁膜を設けたことを特徴とするものである。

また、本発明の高分子液晶表示素子は、絶縁膜を一対の基板の両方の基板に設けたことを特徴とするものである。

一対の基板の少なくとも一方の基板の内側に、あるいは、一対の基板の両方の基板の内側に、そして、見切り枠の外側となる領域に、シール材に沿って絶縁膜を設けると、見切り枠の外側の領域の高分子液晶層の厚さは見切り枠の内側の領域の高分子液晶層の厚さより小さくなる。

高分子液晶表示素子を急冷すると、従来技術で説明したように、使用されている材料に急激な熱収縮が起き、そして、この急激な熱収縮によって上下基板内に負圧力が発生する。
本発明において、シール材に沿って見切り枠の外側の領域部分に絶縁膜を設けて高分子液晶層の厚さを小さくしている。それによって、見切り枠の外側の領域部分は存在する高分子液晶層の容量は少ない。そのため、その領域部分で生じる負圧力も小さくなり、硬化した高分子液晶層への負荷力も小さくなってクラックの発生が抑制される。なお、見切り枠の外側の領域部分は、高分子液晶層の厚さが小さくなることで液晶材料による白濁状態は薄くなるが、その部分は目に視認されない部分であるので、外観的には何の支障も生じない。

一方、見切り枠の内側の領域部分は高分子液晶層の厚さが大きいので、その領域部分に存在する高分子液晶層の容量も多い。そのため、発生する負圧力も大きくなるが、その部分の上下基板は固定されている部分から離れているので基板自体が変形し易くなり、負圧力による負荷力で基板に反りなどが生じて変形する。このため、硬化した高分子液晶層への負荷力も小さくなってクラックの発生が抑制される。

本発明によれば、厳寒の中で使用してもクラックが発生せず、高品質の高分子液晶表示素子が得られる。

本発明の第１実施形態に係る高分子液晶表示素子の平面図と断面図を示したもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。 本発明の第２実施形態に係る高分子液晶表示素子の平面図と断面図を示したもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＹ−Ｙ断面図である。 特許文献１に示された高分子分散液晶の液晶表示素子を用いた表示ユニットの斜視図である。 特許文献１に示されたファインダ装置の視野の様子を示す平面図である。 ＰＮＬＣを用いた高分子液晶表示素子の要部断面図である。 従来の高分子液晶表示素子の外観図で、急冷試験によって発生した問題点を説明する模式的に示した図である。

以下、発明を実施するための実施形態について図を用いながら説明する。
［第１実施形態］
最初に、本発明の第１実施形態に係る高分子液晶表示素子の構成について図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る高分子液晶表示素子の平面図と断面図を示したもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＸ−Ｘ断面図を示したものである。なお、前述の図５をもって説明した従来技術における構成部品と同じ仕様をなす構成部品は同一符号を付して説明する。

図1（ａ）の平面図において、２点鎖線で示した符号Ｍのラインは見切り枠のラインを表している。この見切り枠Ｍは、表示領域と非表示領域との境を示すラインを表している。また、図１（ｂ）の断面図において、ｍは見切り枠Ｍの内側の領域を示していて、見切り枠Ｍの内側の領域ｍは表示画像が目に視認される部分、即ち、表示領域になっている。また、見切り枠Ｍの外側は表示領域外の部分で、目に視認されない部分になっている。
本実施形態における高分子液晶表示素子２０は、図１（ａ）に示すように、透明なガラス基板などからなる上基板２の上面側から見ると、一周に渡る最外縁部分にシール材６が見え、見切り枠Ｍの外側の領域にあってシール材６の内側に、シール材６に沿って設けた絶縁膜２１が見える。

第１実施形態における高分子液晶表示素子２０の構成は、図１（ｂ）に示すように、内面にＩＴＯ膜からなる画素電極３を設けた透明なガラス板などからなる下基板１と、内面
にＩＴＯ膜からなる対向電極４と上基板２の見切り枠Ｍの外側の領域部分に絶縁膜２１とを設けた透明なガラス板などからなる上基板２とを所要の隙間を設けて対向して配置し、その隙間内に高分子液晶５をシール材６で封入した構成をとる。なお、図中においては、画素電極３及び対向電極４に接続される配線パターン、高分子液晶層を注入するための注入孔は省略している。

絶縁膜２１は、第１実施形態においては、上基板２の内面に設けている。この絶縁膜２１はこの部位における高分子液晶層の厚さを小さくするために設けているもので、第１実施形態においては２μｍの厚みの絶縁膜を設けて、この部位の高分子液晶層の厚さを６μｍに抑制している。従って、見切り枠Ｍの内側の領域ｍでの高分子液晶層の厚さは８μｍに設定している。この絶縁膜２１はこの部位の高分子液晶層の厚さを小さくするために設けるものであるから、必ずしも上基板２に限るものではなく、下基板１側に設けても良いものである。また、上下基板の両方に設けても構わない。

ここで、上記の構成をなす構成部品の仕様について説明する。下基板１、上基板２は透明なガラス板からなっており、ソーダガラス，石英ガラス，ホウケイ酸ガラス，普通板ガラスなどのものが利用でき、多くは０３〜１．１ｍｍのものが選択される。

画素電極３、対向電極４はＩＴＯ膜からなり、真空蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法などで形成した後、エッチング法で所望の形状に形成している。その厚みは、高い電圧を得るために、概ね１００〜２００Åの厚みに薄く形成し、約１０ＫΩ〜５００Ωの高いシート抵抗値にしている。

絶縁膜２１には熱硬化性のアクリル樹脂やポリイミド樹脂などの樹脂が好適に選択できる。これらの樹脂を用いて印刷法、スピン法などで所要の厚みに形成し、熱硬化処理を施して形成する。この絶縁膜２１は見切り枠Ｍの外側に形成するにあたり、配設位置精度が厳しく求められる場合はフォトリソグラフィ法によってその形状を形成するのが好ましい。

高分子液晶５は高分子材料（モノマー）に液晶材料を混合したＰＮＬＣを用いており、高分子液晶材料としては紫外線硬化性アクリル樹脂が例示され、特に紫外線照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリルオリゴマーを含有するのが好ましい。また、液晶材料としては、ネマティック液晶，スメスティック液晶，コレステリック液晶が好ましく選択される。これらの液晶材料の混合割合は好ましくは６０〜９０重量％で、６０重量％以下であると散乱の効果が乏しくなり、９０重量％以上になると高分子と液晶が上下２層に相分離する傾向が強まり、界面の割合が小さくなり散乱特性は低下する。

なお、図示はしていないが、所要のセルギャップを得るために所要粒径の絶縁性のスペーサを配合する。スペーサ材としてはガラスビーズなどが用いられる。

上記の高分子液晶５を一対の基板に封入後に水銀ランプなどを用いて紫外線照射を行うと、高分子液晶材料が重合して３次元網目状のポリマーネットワークを形成する。そして、その網目の中に液晶分子が分散した状態が得られる。紫外線照射は、温度はネマティック−アイソトロピック相転移温度以上に加温して行うが、通常、４０°Ｃ前後の温度で、強度２０〜８０ｍＷ／ｃｍ^２、時間３０〜１２０秒の範囲の中で信頼性と表示特性を考慮して適宜に設定するのが良い。

シール材６の材料としては熱硬化性のエポキシ樹脂やアクリル樹脂などが好適に用いられる。また、所要のセルギャップを設けるために所要粒径の絶縁性のガラスボールやガラスファイバーが配合する。スクリーン印刷法などで形成し、一対の上下基板を加圧・加熱
の下で樹脂を硬化させてシール材６を形成する。

第１実施形態において、見切り枠Ｍの内側の領域はセルギャップを８μｍに設定し、見切り枠Ｍの外側の領域は２μｍ厚みの絶縁膜２１を設けて、高分子液晶層の厚さを６μｍに設定した。このような高分子液晶層の厚さ設定の下で、従来技術で説明した急冷試験と同じ急冷試験を行った。

急冷試験の結果、シール材６の近傍のポリマーネットワークを形成した高分子液晶層には従来発生を見たクラックの発生は見られなかった。また、見切り枠Ｍの内側の領域もクラックの現象は現れなかった。

また、実験的に、見切り枠Ｍの内側の領域、見切り枠Ｍの外側の領域共に高分子液晶層の厚さを６μｍに設定して急冷試験を行った結果、クラックの現象は全く現れなかった。しかしながら、電圧無印加時における液晶の白濁性は僅かではあるが薄められるという結果が現れた。

以上のことから、見切り枠Ｍの外側の領域のセルギャップ量を６μｍ以下に抑えるとクラックが発生しないことが判明した。また見切り枠Ｍの外側の領域は、高分子液晶層の厚さが小さくなって白濁性は薄くなるが、目に視認されない部分であるので何ら支障も生じない。

これは、高分子液晶層の厚さを小さくすると、その部位の高分子液晶層の容量が少なくなり、急冷による急激な熱収縮による負圧力発生も小さく抑制されると判断されるものである。よって、見切り枠Ｍの外側の領域に絶縁膜を設けて高分子液晶層の厚さを小さく抑えることでクラック発生を防止することができる。

なお、ここで、セルギャップ量を小さくするために設ける絶縁膜２１の形成幅はクラックの発生と密接な関係を持つ。図１において、ｎは絶縁膜２１の幅を表している。絶縁膜２１が見切り枠Ｍの外側に設けられているとはいえ、絶縁膜２１の幅ｎが小さすぎると、絶縁膜２１の幅ｎから外れた部位にクラックが発生してくる。そして、幅ｎの小さい絶縁膜２１とぎりぎりのラインに見切り枠Ｍが設けられていると、見切り枠Ｍの内側にクラック発生が現れてくる。このようなことから、絶縁膜２１の幅ｎは、熱収縮によって発生するセルギャップ内の負圧力が上下基板の変形で吸収される位置の近い所にまで絶縁膜２１を設けるように、幅ｎを設定するのが好ましい。このようにすると、絶縁膜２１から外れた所においては、急激な熱収縮によって生じる負圧力は上下基板が反りなどの変形を起こして圧力吸収を行うので、高分子液晶層への圧力負荷が和らげられてクラック発生が抑制されるからである。

見切り枠Ｍは求められ製品仕様などによって設定される。従って、設定された見切り枠Ｍの大きさに上記の内容を考慮して設定した絶縁膜２１の幅ｎとシール材６の幅を考慮して液晶表示素子の大きさを設定するようにするのが好ましい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る高分子液晶表示素子の構成について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施形態に係る高分子液晶表示素子の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＹ−Ｙ断面図を示したものである。

第２実施形態に係る高分子液晶表示素子の構成で前述の第１実施形態での高分子液晶表示素子の構成と異なる所は、図２（ｂ）に示すように、見切り枠Ｍの外側の領域に設ける絶縁膜２１を上基板２と下基板１のそれぞれの内面２箇所に設けたことが異なる点である
。そして、他の構成部分は第１実施形態における構成と同じ構成をとっている。

第２実施形態に係る高分子液晶表示素子３０は、図２（ｂ）に示すように、見切り枠Ｍの外側の領域に、上基板２と下基板１のそれぞれの内面側に２μｍ厚みの絶縁膜２１を設けている。そして、見切り枠Ｍの内側の領域（ｍ）の高分子液晶層の厚さを８μｍに設定し、絶縁膜２１を設けた部位の高分子液晶層の厚さを４μｍに設定している。

以上の構成をとった結果、急冷試験を行ったところ、第１実施形態の場合と同じように、見切り枠Ｍの外側の領域及び内側の領域共にクラックの発生は現れなかった。

１ 下基板
２ 上基板
３ 画素電極
４ 対向電極
５ 高分子液晶層
６ シール材
１０、２０、３０ 高分子液晶表示素子
２１ 絶縁膜
Ａ クラック
Ｍ 見切り枠
ｍ 見切り枠の内側の領域
ｎ 幅

Claims (3)

1. 一対の基板間に高分子液晶層をシール材によって封止した高分子液晶表示素子において、表示領域の外周位置に対応する見切り枠を設定し、前記一対の基板の少なくとも一方の基板の内側であって、かつ、前記見切り枠の外側となる領域に、前記シール材に沿って、絶縁膜を設けたことを特徴とする高分子液晶表示素子。
2. 前記絶縁膜は前記一対の基板の両方の基板に設けたことを特徴とする請求項１に記載の高分子液晶表示素子。
3. 前記高分子液晶表示素子の前記見切り枠の外側における前記高分子液晶層の厚さは前記見切り枠の内側の前記高分子液晶層の厚さより小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子液晶表示素子。