JP2558949B2 - 液晶表示素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は低電圧で液晶の状態を画素ごとに切り換える
ことにより表示を行い、フラットディスプレイ、投写型
ディスプレイなどの表示デバイスとして用いる液晶表示
素子とその製造方法に関するものである。

従来の技術 液晶表示素子はネマチック液晶を使用したTN型やSTN
型のものが、その低消費電力，低電圧駆動，軽量化，薄
型化等の特長を生かしてフラットディスプレイとしてパ
ーソナルワードプロセッサー，ハンドヘルコンピュータ
ー，ポケットテレビ等の表示デバイスとして広く実用化
されている。また近年では、画素電極ごとに能動素子を
設けたアクティブマトリクス型の液晶表示素子が高密度
化が可能であるという特長の故に主流になりつつある。
しかしながら、上記のものは偏光板を要するものであ
り、また配向処理を要するものでもある。これらを要さ
ず明るくてコントラストの良い、大型で廉価な液晶表示
素子ということで散乱−透明の切り換で表示を行なう方
法が注目されている。以前はこの種のモードとしてDSM
（動的散乱）型またはPC（相転移）型の液晶を用いた液
晶表示素子も提案されていたが、各々液晶中を流れる電
流値が高いため、消費電流が大きいといった欠点があっ
たり、液晶層の厚み制御が困難で色ムラを起こし易いと
いった欠点があったりで実用化には至らなかった。

最近ではこういった欠点のない偏光板、配向処理の不
要な液晶表示素子として液晶のカプセル化によりポリマ
ー中に液晶滴を分散させてそのポリマーをフィルム化す
る方法が知られている。ここでカプセル化物質として
は、ゼラチン，アラビアゴム，ポリビニルアルコール等
が提案（特開昭58−501631号，米国特許443504号）され
たり、このほかにも液晶がエポキシ樹脂中に分散したも
の（特開昭61−502128号）、液晶が紫外線硬化ポリマー
中に分散したもの（特開昭62−2231号）等が開示されて
いるが、どれも電界を加えると液晶分子が電界の方向に
配列し、その際の液晶の屈折率n_oまたはn_eとポリマーの
屈折率n_pが等しくなって透明性を有し、電界を除くと液
晶分子をランダムな配列に戻り、この液晶を通過する光
は散乱してしまうという２状態をもって表示を行なう原
理によるものである。

発明が解決しようとする課題 このような高分子分散タイプの液晶表示素子において
は十分なコントラストを有するうえで、液晶と高分子の
比率及び液晶液の粒径が重要となってくる。

高分子分散液晶の構造としては、液晶が球状の小滴に
包まれた状態で高分子マトリクス中に分散しているもの
と、連続相の液晶中に３次元網目状高分子が分布してい
るものがあるが、これらは液晶と高分子の比率により決
まるものであり、ここでは特に区別して扱わない。一般
には液晶が０％〜60％の割合で含まれる場合には液晶は
孤立した状態で存在しうるが、60％を越えると独立では
存在しえず、連続相となってしまう。

ここで液晶滴の粒径とは、孤立した状態ならばその液
晶の小滴の粒径を示し、連続相の状態では高分子の３次
元網目構造の空隙間隔を示す。

十分なコントラストを有し、該見易くする為には散乱
状態における散乱能力を高くする必要がある。散乱状態
における散乱能力が大きい液晶滴の粒径はおよそ１μｍ
前後であることが判っている。該粒径にて作製された高
分子分散液晶表示素子は十分なコントラストを持つと同
時に、低電圧での駆動も可能で、応答速度も速い。

しかしながら、液晶滴の粒子径が１μｍ前後と非常に
小さい為に散乱光の強度が波長に依存するという問題点
が生じ、自然光の平行ビームもしくはこれに疑似なる光
線を入射させた場合、散乱状態を示している液晶表示素
子を通過した光線は波長が大きい光ほど強く、従って赤
色もしくは黄橙色に色づいてみえてしまう。

課題を解決するための手段 本発明は上記課題を解決するためになされたものであ
り、上下２枚のうち少なくとも一方が画素構造を有する
透明電極基板の間に、高分子分散液晶を狭持してなる液
晶表示素子において、該高分子分散液晶層が層ごとに異
なる平均粒子径の液晶滴からなる少なくとも２層以上か
ら構成されることを特徴とする液晶表示素子およびその
製造方法を提供するものである。

この液晶表示素子において、基板は例えばガラス，金
属，プラスチックフィルム等が掲げられ、堅固な材料で
あっても柔軟性を有する材料であっても良いが、２枚が
対向して適当な間隔を隔て得るものである。またその少
なくとも一方は透明性を有し、その２枚の間に挟持され
る液晶層を外側から見識しうるものであれば良い。この
２枚の基板の内側には目的に応じて透明，不透明の適宜
な電極が全面または一部に配置されている。

２枚の基板の間には液晶層として、ネマティック液晶
が樹脂マトリクス中に分散保持されたもの、あるいは樹
脂マトリクスが液晶材料中に粒子状又はネットワーク状
に存在しているような高分子分散液晶からなるものが介
在される。

ただし、本発明ではこの高分子分散液晶は単層ではな
く、分散された液晶滴の粒子径が層によって異なるよう
な２層もしくはそれ以上の複数層から構成されている。
このうちの少なくとも一層は液晶滴の平均粒子径が0.1
μｍ〜１μｍから成る高分子分散液晶層であり、また少
なくとも一層は液晶滴の平均粒子径が１μｍ〜５μｍか
ら成る高分子分散液晶層を含んだものである。

液晶材料はネマティック液晶，スメクティック液晶，
コレステリック液晶が好ましく、単一もしくは２種以上
の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含んだ混合
物であっても良い。

樹脂マトリクス材料としては透明なポリマーが好まし
く、熱可塑性樹脂，熱硬化性樹脂，光硬化性樹脂のいず
れであっても良いが、先に述べた様に液晶滴の粒子径を
層によって容易に変えうることが可能となるためには、
製造工程の容易さ、液晶相との相分離等の点から考え合
わせても紫外線硬化タイプの樹脂を用いるのが好まし
い。具体的な例として紫外線硬化性アクリル系樹脂が例
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ものが好まし
い。

このような高分子形成性モノマーとしては、２−エチ
ルヘキシルアクリレート2,−ヒドロキシエチルアクリレ
ート，ネオペンチルグリコールジアクリレート，ヘキサ
ンジオールアクリレート，ジエチレングリコールジアク
リレート，トリプロピレングリコールジアクリレート，
ポリエチレングリコールジアクリレート，トリメチロー
ルプロパントリアクリレート，ペンタエリスリトールト
リアクリレート等々である。

オリゴマーもしくはプレポリマーとしてはポリエステ
ルアクリレート，エポキシアクリレート，ポリウレタン
アクリレート等が揚げられる。

また重合を速やかに行う為に重合開始剤を用いても良
く、この例として、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−
フェニルプロパン−１−オン（メルク社製「ダロキュア
1173」）,1−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒド
ロキシ−２−メチルプロパン−１−オン（メルク社製
「ダロキュア1116」）,1−ヒドロキシシクロヘキシルフ
ェニルケトン（チバガイギー社製「イルガキュア18
4」），ベンジルメチルケタール（チバガイギー社製
「イルガキュア651」）等が揚げられる。その他に任意
成分として連鎖移動剤，光増感剤，染料，架橋剤等を適
宜併用することができる。

これらの材料を用いた液晶表示素子の製造方法は好ま
しくは以下のようにして行なうことができる。

即ち、上下２枚のうち少なくとも一方が透明で、電極
層を有する基板の間に、前記紫外線硬化タイプの高分子
形成性モノマー、もしくはオリゴマー及びプレポリマ
ー、そして任意成分よりなる液状ないし粘稠物に液晶材
料を均一に溶解させた溶液を注入して、透明な基板を通
して紫外線を照射し、これによって該モノマーもしくは
オリゴマーを重合させることによって液晶を相分離させ
て高分子分散液晶層が形成される。尚２枚の基板間には
間隙保持用のスペーサーを通常周知の方法に従って介在
させるのが望ましい。高分子分散液晶層中の液晶材料の
割合はここでは規定しないが一般には20wt％〜95wt％が
良い。高分子分散液晶層の厚みとしては通常２μｍ〜50
μｍ程度、好ましくは５μｍ〜30μｍ程度が良い。

但し本発明に従えば、該高分子分散液晶層が層によっ
て異なる粒子径の液晶滴から成る、少なくとも２層以上
から構成されるものであるからこの液晶表示素子の製造
方法としては例えば以下のような方法を揚げることがで
きる。

まず、上下基板の電極面側に先に述べた液晶を均一に
溶解させた高分子形成性モノマー，オリゴマー混合溶液
を塗布し、紫外線照射して高分子分散液晶薄膜を形成す
る。この膜厚として好ましくは１μｍ〜５μｍであり、
液晶滴の大きさとしては１μｍ〜５μｍのものが好まし
い。この液晶滴の大きさは液晶と高分子の重量比、照射
する紫外線の強度、樹脂の重合速度等によって制御する
ことが可能である。

塗布の方法としてはスピンナー塗布，ディップ塗布，
ロール塗布，キャスト塗布等が揚げられる。

上記の様にして得られた高分子分散液晶薄膜を有する
基板ともう一方の基板とを所定の間隙を保持させて電極
面を対向させて貼り合わせる。この間隙に先に述べた液
晶を均一に溶解させた高分子形成性モノマー、及びオリ
ゴマー混合溶液を注入し、透明な基板を通して紫外線を
照射して、あらかじめ基板上に配した高分子分散液晶層
とは別の高分子分散液晶層を得ることができる。この際
に、液晶と高分子の重量比、照射する紫外線の強度、樹
脂の重合速度を変えて、先に形成した高分子分散液晶層
とは液晶滴の大きさの異なる層を形成する。もう一層の
液晶滴の大きさとしては0.1μｍ〜１μｍのものが好ま
しい。

上記の製造方法によって本発明の層によって異なる粒
子径の液晶滴から成る２層から構成される液晶表示素子
が得られた。この液晶表示素子の断面図の一部を第１図
に示す。

第１図において、１はアクティブマトリクス基板用の
ガラス、もしくはプラスチック等の基板、２はITO,SnO₂
等の画素電極、３は能動素子、４及び５は高分子分散液
晶層、６は対向基板用のガラス，プラスチック等の基
板、７はITO,SnO₂等の対向電極を示している。

但しこの例は本発明の一例であり、前記高分子分散液
晶層は２層以上であれば何層でもかまわない。先に述べ
た基板上の電極面に塗布により該高分子分散液晶層を形
成する方法を応用すれば２層以上の複数層であっても順
次重ねて形成していけば容易に作成可能となる。但し、
複数層となった場合には該高分子分散液晶層の液晶滴の
平均粒子径が0.1μｍ〜１μｍである層、及び液晶滴の
平均粒子径が１μｍ〜５μｍである層を各々少なくとも
１層含んでいる。好ましくは液晶滴の平均粒子径が１μ
ｍ〜５μｍである高分子分散液晶層はできるだけ薄く、
逆に平均粒子径が0.1μｍ〜１μｍの層が大部分を占め
る方が良い。

以上述べた場合の液晶材料と高分子材料は各層に於い
て、液晶材料の常光屈折率（n₀）、異常光屈折率（n_e）
のいずれかが高分子材料の屈折率（n_p）と等しくなるよ
うに選ぶ必要がある。なお好ましくは、各層の液晶材料
及び高分子材料は同一組成のものを用いた方が、透明時
の光線の屈折がなくて、良好な液晶表示素子が得られ
る。

このようにして得られた液晶表示素子は、電気的に散
乱状態と透過状態とを制御しうる高分子分散液晶層を挟
持しているために偏光板が不要であり、透過時の光の透
過率を大幅に向上できる。

また、ツイストネマティック型の液晶表示素子にはな
くてはならないラビング等の配向処理が不要であるので
工程を簡略化できるとともに、ラビング時の静電気によ
る能動素子の破壊や能動素子周辺のラビングムラ等もな
くなり製造歩留りの向上にもなる。

作用 本発明によれば、明るくコントラストの高い高分子分
散液晶タイプの液晶表示素子で、透過状態の部分では光
を透過し、散乱状態の部分では波長の大小にかかわら
ず、可視光線の波長全域に於いて光は散乱され、完全な
黒表示を得られ、なおかつ透過散乱の切換えを低電圧で
駆動できる液晶表示素子を得ることができる。

更に詳しく説明すると、散乱状態では高分子分散液晶
層の液晶滴の平均粒子径が１μｍ〜５μｍである該液晶
層にて可視領域の全波長の光線散乱され、平均粒子径が
0.1μｍ〜１μｍの液晶滴の高分子分散液晶層において
更に散乱する。これに電圧を印加して透過状態にする
際、平均粒子径0.1μｍ〜１μｍの液晶滴の該液晶層が
支配的となって低電圧にて駆動できるので、液晶滴の平
均粒子径の異なる複数層の高分子分散液晶層を有するこ
とで両方の特長をうまく生かすことができる。

実施例 以下、実施例により本発明を具体的に説明する。しか
し本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１） ガラス基板上にクロムを0.1μｍ蒸着して、パターニ
ングを行ないゲート電極を作成した。この上からシリコ
ンナイトライド，アモルファスシリコン，シリコンナイ
トライドをプラズマCVDにより成膜した後、パターニン
グして絶縁層及び半導体層とした。ドーピングさせたア
モルファスシリコンをこれらの上にプラズマCVDにより
成膜し、パターニングして、さらにITOで画素電極を作
成し、しかる後にアルミニウムを0.5μｍの厚みで蒸着
してソース電極，ドレイン電極を形成しアクティブマト
リクス基板を作成した。

トリメチロールプロパントリアクリレート10部、及び
２−ヒドロキシエチルアクリレート10部、及びアクリル
オリゴマー（東亜合成化学（株）製「Ｍ−1200」）23
部、及び光硬化開始剤としてメルク社製「ダロキュアー
1173」）を0.5部、液晶としてBDH社製「E7」を21部混合
し、均一に溶解させた混合液を前記アクティブマトリク
ス基板の電極面上にスピンナーにて塗布し、紫外線を約
30秒間照射させて、樹脂を重合させて高分子分散液晶薄
膜を厚さ３μｍで得た。この際の液晶滴の平均粒子径を
測定すると約2.2μｍであった。

このアクティブマトリクス基板と全面ベタのITO電極
を形成した対向電極基板を重ね合わせて、注入口以外の
周辺部分をシールして固定し空セルを作製した。

この空セルに注入口より、トリメチロールプロパント
リアクリレート10部、及び２−ヒドロキシエチルアクリ
レート10部、及びアクリルオリゴマー（東亜合成化学
（株）製「Ｍ−1200」）23部、及び光硬化開始剤として
メルク社製「ダロキュアー1173」）を0.5部、液晶とし
てBDH社製「E7」を128部混合し、均一に溶解させた混合
液を注入した。

これに対向電極基板側から紫外線を約15秒間照射し
て、樹脂を重合させて、液晶滴の平均粒子径が約0.9μ
ｍの高分子分散液晶層を得た。以上のようにして２層か
ら成る高分子分散液晶表示素子を作成した。この液晶表
示素子はギャップ間は10μｍであり、電圧無印加の状態
で散乱し、電圧を印加すると透明となった。この液晶表
示素子を電圧AC5Vにて駆動させて、Ｒ（赤）,G（緑）,B
（青）の３原色光を透過させてコントラスト比を測定し
たところどれも約100と良好であった。

（比較例１） 実施例１の高分子分散液晶層が液晶滴の平均粒子径が
約2.2μｍの該液晶層のみの１層の液晶表示素子を比較
のために作成したところ、AC5Vの駆動ではR,G,Bの光と
もコントラストは約10と低かった。

（比較例２） 実施例１の高分子分散液晶層が液晶滴の平均粒子径が
約0.9μｍの該液晶層のみの１層の液晶表示素子を比較
のために作成したところ、AC5Vの駆動でR,G,Bの３原色
光線のコントラスト比を測定したところＲは約20、G,B
においては約100とＲのみ劣っていた。

発明の効果 本発明は高分子分散タイプの液晶表示素子では層ごと
に液晶滴の平均粒子径が異なる分散液晶層を有している
が、単層の場合と比較してもさほど複雑なプロセスを必
要とせずに得られる。

散乱状態においても色づきといった問題を生じること
なく、可視光線の全波長域において十分な散乱能力を有
し、良好なコントラストが得られ、しかも低電圧で駆動
できる画素構造を有する液晶表示素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶表示素子の一例の断面の一部を示
す概略図である。 １……アクティブマトリクス基板、２……画素電極、３
……能動素子、4,5……高分子分散液晶層、６……対向
電極用基板、７……対向電極。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下２枚のうち少なくとも一方が画素構造
   を有する透明電極基板の間に、高分子分散液晶を狭持し
   てなる液晶表示素子において、該高分子分散液晶層が層
   ごとに異なる平均分子径の液晶滴から成る、少なくとも
   ２層以上から構成されることを特徴とする液晶表示素
   子。
2. 【請求項２】高分子分散液晶層の液晶滴の平均粒子径が
   0.1μｍ〜１μｍである液晶層、上下２枚のうち少なく
   とも一方が透明な電極を有する基板の間に、高分子分散
   液および高分子分散液晶層の液晶滴の平均粒子径が１μ
   ｍ〜５μｍである液晶層を各々少なくとも一層ずつ有す
   ることを特徴とする請求項（１）記載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】上下２枚のうち少なくとも一方が透明な電
   極を有する基板の間に、高分子分散液晶を狭持し、該高
   分子分散液晶層がｎ（ｎは２以上の整数）層から構成さ
   れる液晶表示素子の製造方法において、あらかじめ基板
   上に（ｎ−１）層まで高分子分散液晶層を積層する工程
   と、上下２枚の基板を一定の間隙を保持させて貼り合わ
   せる工程と、２枚の基板間隙に液晶溶液を注入し光照射
   により高分子分散液晶を形成する工程とからなることを
   特徴とする液晶表示素子の製造方法。
4. 【請求項４】２層以上から構成される高分子分散液晶層
   が層ごとに液晶滴の平均粒子径が異なることを特徴とす
   る請求項（３）記載の液晶表示素子の製造方法。