JP2784619B2 - 液晶電気光学装置 - Google Patents

液晶電気光学装置

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JP2784619B2 JP4283652A JP28365292A JP2784619B2 JP 2784619 B2 JP2784619 B2 JP 2784619B2 JP 4283652 A JP4283652 A JP 4283652A JP 28365292 A JP28365292 A JP 28365292A JP 2784619 B2 JP2784619 B2 JP 2784619B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高分子樹脂の中に液晶材
料を分散させた液晶樹脂複合体または液晶材料中に樹脂
を散在させた液晶樹脂複合体を有する分散型の液晶電気
光学装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の液晶電気光学装置はネマチック液
晶等を使用したTN型やSTN型のものが広く知られ、
実用化されている。また、最近では強誘電性液晶を使用
したものも知られている。これらの液晶電気光学装置
は、基本的には基板上に電極及びリードを有する第1の
基板と基板上に電極とリードを有する第2の基板によっ
て、液晶組成物を挟持しており、前記基板上の電極によ
って、液晶組成物に電界を加え、液晶材料自身の誘電率
の異方性によって、または強誘電性液晶の場合は自発分
極によって、液晶分子の状態を変化させ、その結果液晶
分子の状態の変化に伴う電気光学効果を利用するもので
ある。
【0003】TN、STN型の液晶電気光学装置におい
て、液晶分子は、液晶層の両基板接触面では配向処理の
ために行われるラビングによって規制力に従って、ラビ
ング方向に並ぶ。上下基板においては、このラビング方
向が90゜または200゜〜290゜に位置するように
ずらせてある。液晶層の中間付近では、90゜〜290
゜に位置する上下の分子の間をエネルギーが一番小さく
なるように螺旋状に液晶分子が並ぶことになる。この
時、STN型の場合は必要に応じて液晶材料にカイラル
物質を混合している。
【0004】これらの液晶電気光学装置はいずれも偏光
板を有しかつ液晶分子を液晶電気光学装置内で一定の方
向に規則正しく配向させる必要があった。この配向処理
は、配向膜(通常は有機膜)を綿やベルベットの布で一
定方向に擦るというもので、この処理がなければ、一定
方向に液晶分子は配列せず、液晶の電気光学効果を利用
することはできない。そのため、装置の構造は、一対の
基板によって液晶材料を保持する容器を構成して、その
容器内に液晶を注入し、液晶を配向させてその光学的な
効果を利用していた。
【0005】一方、これらの偏光板や配向処理等を必要
とせず、画面の明るく、かつ表示の際のコントラストの
よい分散型液晶電気光学装置が知られている。この分散
型液晶とは透光性の固相ポリマーが液晶材料を粒状また
は海面状に保持して調光層を構成しているものである。
この液晶装置の作製方法としては、カプセル化された液
晶材料をポリマー中に分散させ、そのポリマーをフィル
ムあるいは基板上に薄膜として形成されたものが知られ
ている。ここで、カプセル化材料としてはアラビアゴ
ム、ポリビニルアルコール、ゼラチン等が用いられてい
る。またはこれとは逆に液晶材料中に固相ポリマーを散
在させ液晶材料を均一にランダム配向させた構成を有し
ているものもある。
【0006】例えば、ポリビニルアルコールでカプセル
化された液晶分子は、それらが薄膜中で正の誘電異方性
を有するものであるならば電界の存在下でその液晶分子
が液晶分子の長軸を電界に平行になるように配列させ液
晶の屈折率と等しい場合には透明性が発現する。一方電
界がない場合には、液晶は特定の方向に配列せず様々な
方向を向いているので、液晶の屈折率がポリマーの屈折
率との差が大きいために光は散乱され光の透過を妨げ、
白濁状態になる。このような透明性と白濁状態との差を
利用して、各種情報を提供するものである。 分散型液
晶としてはこのようなカプセル化されたもの以外にも液
晶材料がエポキシ樹脂内に分散されたものや、液晶と光
硬化型の樹脂とを混合し、樹脂硬化の為の光を照射し
て、液晶と樹脂との相分離を利用したもの、3次元につ
ながったポリマーの中に液晶を含侵させたものなどが知
られている。本発明においてはこれらを総称して分散型
液晶と呼ぶ。
【0007】これらの分散型液晶電気光学装置は、従来
のTN、STN等の電気光学装置に比して偏光板を使用
しないために液晶電気光学装置の光の透過率は格段に高
い。具体的には偏光板一枚の透過率は約50%であり、
それを組み合わせて使うアクティブマトリクスの場合1
%程度の光しか透過しない、STN系では20%程度で
あり、そのためこれらの場合は後部照明の照度を高め画
面を明るくする努力をしている。一方、分散型液晶電気
光学装置の場合50%以上の光が透過する。これは一重
に分散型液晶装置が偏光板を必要としないことによる、
優位性である。
【0008】前述のように分散型液晶は透明状態と白濁
状態との間で使用し、液晶電気光学装置を透過する光の
量が多いので、通常は透過型の液晶電気光学装置として
研究開発がなされている。特に、透過型の中でも、投影
型の液晶電気光学装置として開発されている。この投影
型の液晶電気光学装置とは液晶電気光学装置パネルを光
源から発せられる光の光路上に配置させ、パネルに通過
してきた光を一定の角度を有したスリットを通して壁面
上に投影するものである。このパネルの液晶は印加電圧
に応答しない閾値以下の低電界領域では様々な方向に向
いており、白濁状態となっている。
【0009】この時に入射してきた光はパネル通過後に
散乱され、入射してきた光の光路を大きく広げることに
なる。そしてその次に配置されたスリットで散乱された
光をカットしてしまうために壁面上にはほとんど光が達
せずに黒状態が得られる。一方、電界印加時で液晶が応
答し電界方向に対して液晶分子が平行に配列するときに
は入射してきた光は散乱することなく直進し、壁面上に
は高輝度の明状態が得られる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】このような分散型液晶
電気光学装置の作製工程においては、調光層中の透明支
持体である樹脂の硬化のためにしばしば反応開始剤と、
この反応開始剤を活性化つまりラジカル化するためのエ
ネルギー源として紫外光が用いられる。
【0011】そこで、問題となるのが紫外光照射による
調光層中の液晶分子の劣化である。液晶分子はその構造
内に不飽和結合を含んでいるため、これら結合が紫外光
を吸収して分解しやすい。これを液晶材料の光劣化とい
う。液晶材料が劣化すると光学特性に寄与するはずの液
晶量が減り、特に電界無印可時の散乱特性を損なってし
まう。また分解した液晶材料は装置内で可動イオン等の
不純物として存在するので、装置の低抵抗化の原因とな
る。よって、樹脂硬化時には、液晶が分解する程の高強
度、または長時間の紫外光照射は望ましくない。
【0012】一般に樹脂成分であるモノマーとオリゴマ
ーを架橋重合(硬化ともいう)させるためには、その反
応の出発物質としての活性基つまりラジカルが必要であ
り、このラジカルを発生させるために反応開始剤が用い
られる。反応開始剤はその構造内に例えばベンゾイル基
のようにラジカル化すると活性な置換基を有しており、
この置換基部分は紫外光を吸収することにより開裂して
上記のようなラジカルを発生させる。当然、ラジカル発
生のためには開裂に必要なだけの充分なエネルギーが必
要で、高強度、あるいは長時間の紫外光照射を反応開始
剤に対して行う必要がある。
【0013】しかし液晶材料とこのうよな反応開始剤を
含む樹脂材料が混合された系に高強度あるいは長時間の
紫外光照射を行うと、液晶が劣化して光学特性の低下が
起こる。また、不純物発生のために装置内の調光層部分
の抵抗が下がるという問題も生じる。よって、液晶樹脂
混合系中の樹脂成分を硬化させるには、高強度、あるい
は長時間の紫外光照射は望ましくない。一方、低強度、
あるいは短時間の紫外光照射では樹脂の硬化は充分に行
われず、未硬化樹脂成分が不純物として調光層部分に残
り、同様に装置全体の抵抗低下を招く。
【0014】このような系内の樹脂成分を低強度、また
は短時間の紫外光照射で硬化させるためには発生ラジカ
ルの絶対量、つまり反応開始剤添加量を多くすればよ
い。しかし従来用いられている反応開始剤は樹脂成分硬
化後に未反応の反応開始剤(以下、残渣と言う)が残
り、これらは硬化後の光照射によって開裂するなどそれ
自体が、またそれらから発生したラジカルが後に液晶分
子を劣化させるなどして系内の不純物発生の原因とな
る。当然、系内の反応開始剤量が多くなればなる程、樹
脂硬化に寄与しなかった残渣量も多くなるので、不純物
も多くなり、さらに系全体の抵抗が低下する。
【0015】一般にネマチック型液晶はその駆動の際に
は実効値応答であることが知られている。また、液晶電
気光学装置を薄膜トランジスタで駆動するためには、各
表示部において時間経過に伴う実効値電圧低下が起こら
ないことが望ましいとされている。時間経過による実効
値電圧低下が全く起こらない状態を電圧保持率100%
と表現すると、上記のように装置内に不純物が存在場合
は、抵抗が下がり、電圧印加後に液晶内に電流が流れや
すくなるため、電圧保持率は低下する。この電圧保持率
の低下は液晶電気光学装置としての表示のちらつき、ト
ーンの変化等の原因となる。
【0016】上記の理由から、分散型液晶電気光学装置
を、ちらつきやトーン変化なく薄膜トランジスタで駆動
するためには調光層部分に残存する不純物を減らすこと
が第一の手段であり、不純物の大きな原因である硬化後
に反応開始剤の残渣のない高電圧保持特性の装置作製が
必要となる。
【0017】
【問題を解決するための手段】本発明は前述の如き問題
を解決するものであり、ちらつきやトーン変化のない時
分割駆動の可能な電圧保持率の高い分散型液晶電気光学
装置を提供する。
【0018】〔第1の発明〕液晶材料を透明支持体内に
分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散
保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であっ
て、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくと
も一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特
徴とする液晶電気光学装置。
【0019】〔第2の発明〕請求項1記載の自己反応型
開始剤とはその構造内に外部励起源により開裂して活性
基を生じるような、置換基を少なくとも1つ以上有し、
かつ透明支持体を構成するモノマーあるいはオリゴマー
中の反応基と反応可能な構造の置換基を少なくとも1つ
以上有していることを特徴とする液晶電気光学装置。
【0020】以上のような構成をとることにより、電圧
保持率の高い、液晶電気光学装置を実現するものであ
る。
【0021】
【作用】電圧保持率が高いということは、存在する不純
物が極めて少ないということであり、その原因の1つで
ある反応開始剤の残渣が残らなければ上記不純物量はか
なり抑えることができる。しかし一般の反応開始剤は残
渣が残りやすいものであることはよく知られている。高
強度の紫外光照射では樹脂の硬化が速いので反応に寄与
する開始剤量が少なく、低強度照射では反応開始剤の開
裂が起こりにくく、反応開始剤添加量を多くすると反応
に寄与しない開始剤量が多くなるため、未反応分の反応
開始剤が残渣となる。これら残渣はいつでも開裂に必要
なエネルギーを与えられればラジカルを発生させること
ができる。よって、従来は反応開始剤の残渣が生じない
ように、反応開始剤添加量と紫外光の照射強度、照射時
間等の作製条件を最適化する必要があった。
【0022】従来から使用されている反応開始剤は、一
般に開裂してベンゾイルラジカルの様な非常に活性なラ
ジカルを発生させる。このラジカルが樹脂成分分子の二
重結合に作用することにより樹脂成分分子がラジカル化
し、ラジカル重合反応が進んでゆき樹脂成分は高分子と
して成長し硬化する。しかし、硬化がある程度進んでゆ
くと開始剤は、外部から照射される紫外光あるいはラジ
カル状態となった樹脂構成高分子によって開裂させられ
ても反応すべき相手がないので再び開始剤骨格に戻る
か、または、ラジカルとして液晶材料の劣化を引き起こ
すことになる。
【0023】これら残渣が硬化後の装置内で、開裂可能
な形をして残らなければ、開始剤の残渣によるラジカル
発生や、そこから起こりうる液晶材料の劣化も抑えられ
るので装置の抵抗は下がることなく、電圧保持率の低下
も起こらない。よって、本発明において使用する反応開
始剤(以下、自己反応型開始剤と言う)は、その骨格中
に従来の反応開始剤と同様のラジカル発生基構造を有す
る部分を1つ以上と、モノマーあるいはオリゴマー等樹
脂の反応基と同様な構造を有する部分を1つ以上持つこ
とを特徴とする。
【0024】また、反応機構としては従来の反応開始剤
と同様に、まず紫外光により自己反応型開始剤のラジカ
ル発生基が活性化されることにより、樹脂成分のラジカ
ル反応が開始、進行してゆく。硬化がある程度進み樹脂
成分が反応しきった後に、装置内に残るはずの残渣分の
自己反応型開始剤は、その骨格中に樹脂成分と同様の不
飽和結合基を持つためにそれ自身がモノマーあるいはオ
リゴマーのように樹脂成分として働き、自己反応型開始
剤成分がなくなるまでラジカル反応が進むことによって
樹脂中に硬化保持される。また、この反応は樹脂成分の
硬化反応途中でも起こりうる。反応性開始剤の一例とし
て、以下にその構造を示す。
【0025】
【化1】
【0026】ここで、X、Yは水素、炭化水素基または
その他の既知の置換基を示し、Rはアルキル基を示す。
この反応開始剤の場合、末端基にアクリル基がついてい
るが透明支持体を構成する樹脂の反応基と反応可能であ
ればビニル基、アリル基等の他の既知の置換基で代用可
能である。また同様に、末端基にオレフィン構造がつい
ているが、これも既知の置換基で代用可能である。ま
た、これはほんの一例に過ぎず、たとえ基本骨格が上記
の構造と異なっていても、前述のように自己反応型開始
剤構造内に、透明支持体の樹脂成分の反応基と反応可能
な基、およびラジカル発生のための活性基をそれぞれ少
なくとも1つ以上含むものならば使用できる。
【0027】このような反応性を持つ、自己反応開始剤
を使用することにより、装置内に残渣として残る自己反
応型開始剤は極めて少なく、先に述べた不純物の発生も
少なくなり、抵抗低下が防げる。よって、電圧保持率の
低下が抑えられ、高電圧保持特性を示す時分割駆動の可
能な液晶電気光学装置が作製できる。
【0028】また、図1では透明導電膜2のみ基板上に
設けた液晶電気光学装置の概略図を示したが、一方の基
板上に透明導電膜を形成すると同時に、金属と絶縁膜と
金属層を積層したM−I−M型の非線形素子を形成する
ことができたり、薄膜トランジスタを形成することもで
きる。通常、分散型液晶の電界印加時の透過強度特性の
急峻性は、良くなく、多数の電極を有したマトリクス駆
動を分散型液晶に直接行うことは難しい。従って、非線
形素子や薄膜トランジスタを設けて駆動を補助する方が
よい。その結果液晶側の急峻性が不足するところを補う
ことが出来る。つまりマトリクス駆動をしながら各画素
を独立に散乱状態と透過状態を作り出すことが出来る。
【0029】本発明の液晶電気光学装置において、使用
する液晶材料として、ネマチック、スメクチック、コレ
ステリック等の一般によく使用される液晶を使用でき
る。
【0030】また、前述の説明においては、液晶支持体
を樹脂と表現しているが、これは全ての波長の光に対し
て透明である必要はなく、液晶電気光学装置が使用する
波長の光に対して少なくとも50%以上の透過率を持つ
材料であれば、当然使用することができる。くわえて、
本明細書中あるいは図1において、分散している液晶材
料を液滴と表現したりその形状を単純に円形状に記載し
ているが、これは説明を簡単にするための一表現に過ぎ
ず実際には他の形状を取っている場合もあり得る。以下
に実施例を示し、本発明を説明する。
【0031】
【実施例】
『実施例1』 本実施例においては自己反応型開始剤と
しては、その骨格中にアクリル基とベンゾニル基を含む
以下に示す構造のものを用いた。
【0032】
【化1】
【0033】ここで、X、Yは水素、炭化水素基または
その他の既知の置換基を示し、Rはアルキル基を示す。
図1のように、第1の基板1上に公知の蒸着法やスパッ
タ法にて、透光性の導電膜であるインジウムと錫の酸化
物2(Indiume−Tin−Oxyde:ITO)
を500から2000Åの厚さに形成した。この時のシ
ート抵抗は20から200Ω/cmであった。これを
通常のフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、
第1の基板1とした。次に同様の構成を持つ第2の透光
性の電極を有する第2の基板を使用し、第1の基板と基
板間隔5〜50μm、望ましくは7〜20μm、でスペ
ーサを間に挟んで貼合わせた。
【0034】使用した液晶材料3としては、屈折率が
1.518、Δnが0.2240のシアノビフェニルネ
マチック液晶、光硬化性樹脂として、屈折率が1.57
3のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混合
系を用い、反応開始剤を光硬化性樹脂に対して1〜10
wt% 、望ましくは1〜3wt%添加し、これら混合
物を前記液晶基板間に注入した。この時の光硬化性樹脂
のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混合割
合は本実施例ではオリゴマー:モノマーの重量比は3
5:65の割合で混合し、液晶と光硬化性樹脂の混合比
は重量比で50:50であった。
【0035】次に液晶樹脂混合系を45℃に保ちながら
前述の第1の基板と第2の基板により形成された液晶セ
ルに注入し、約30mW/cm2 の低照度のUV照射強
度で約180秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を
起こさせながら樹脂4を硬化させ、液晶電気光学装置を
作成した。この装置の調光層の厚さは約10μmであっ
た。
【0036】この液晶電気光学装置の電圧保持率は20
V電圧印可時に80から90%程度であり、ちらつきや
トーン変化がなく時分割駆動は可能である。この液晶電
気光学装置は図2の実線10に示すように通常の液晶駆
動電圧である15〜25Vにおいて充分な透過状態が得
られ、電界無印加時の散乱特性も10%以下を示すため
光学特性の面でも満足しうるものであった。
【0037】『実施例2』 本実施例においては実施例
1と同様の液晶材料と同様の光硬化性樹脂、同様の自己
反応型開始剤を用いた。各混合比等は同じである。ま
た、硬化条件は実施例1よりさらに低照度の紫外光を使
用し、照射時間を長くして、液晶セルを完成した。
【0038】次に液晶樹脂混合系を45℃に保ちなが
ら、その基盤上にAlゲートの薄膜トランジスタが形成
された第1の基板と第2の基板により形成された液晶セ
ルに注入し、約10mW/cm2 のUV照射強度で約3
00秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせ
ながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。
この装置の調光層の厚さは約10μmであった。
【0039】この液晶電気光学装置は通常の液晶駆動電
圧である15〜25Vにおいてちらつきやトーン変化が
なく時分割駆動が充分に可能であった。
【0040】『比較例1』 本比較例では従来の反応開
始剤を使用し、低照度の紫外光を使用して、調光層の透
明支持体を作製した例を示す。
【0041】次に液晶樹脂混合系を45℃に保ちながら
前述の第1の基板と第2の基板により形成された液晶セ
ルに注入し、約30mW/cm2 の低照度のUV照射強
度で約180秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を
起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作
成した。この装置の調光層の厚さは約10μmであっ
た。
【0042】この液晶電気光学装置の電圧保持率は20
V電圧印可時に50から58%であり、ちらつきやトー
ン変化が起こる。また本装置の光学特性は図2の実線3
0に示すように通常の液晶駆動電圧である15〜25V
において充分な透過特性が得られず、電界無印加時の散
乱特性も30%程度以上を示すため光学特性の面からも
満足するものは得られなかった。
【0043】『比較例2』 本比較例においては比較例
1と同様の液晶材料と同様の光硬化性樹脂、反応開始剤
を用いた。混合比等は同じである。また、硬化条件とし
ては、紫外光の強度を強くした条件で作製をおこなっ
た。
【0044】次に液晶樹脂混合系を45℃に保ちながら
前述の第1の基板と第2の基板により形成された液晶セ
ルに注入し、約70mW/cm2 のUV照射強度で約1
80秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせ
ながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。
この装置の調光層の厚さは約10μmであった。
【0045】この液晶電気光学装置の電圧保持率は20
V電圧印可時に70%程度であり、ちらつきやトーン変
化が起こる。また本装置の光学特性は図2の実線20に
示すように通常の液晶駆動電圧である15〜25Vにお
いて充分な透過特性が得られ、電界無印加時の散乱特性
も10%程度を示すため光学特性は比較例1よりもやや
改善できた。
【0046】表1に各比較例および実施例における電圧
保持率値を示す。この電圧保持率を測定するためには、
各例毎に10個のサンプルを作製し、その全てのデータ
を示している。
【0047】
【表1】
【0048】また、図2において実線30は比較例1、
実線20は比較例2、実線10は実施例1の液晶電気光
学装置の電気光学特性曲線を示している。この図では縦
軸に液晶電気光学装置の透過率を横軸に駆動電圧を示
し、また各々の液晶電気光学装置の厚みはほぼ均一とし
たので、縦軸の透過率を比較することで直接透過特性変
化を比べることができる。
【0049】表1および図2より明らかなように本発明
による液晶電気光学装置は、その電圧保持率が時分割駆
動に充分対応できるものであること、その光学特性も通
常の駆動が充分可能なことがわかった。
【0050】本実施例では、使用した液晶としては、P
型シアノビフェニル系ネマチック液晶であるが、他にN
型ネマチック液晶でも、強誘電液晶、非強誘電液晶でも
よく、高分子液晶でも可能である。またそれらに色素を
含有していてもよい。液晶支持体としては、光硬化性樹
脂をはじめ、反応性開始剤により硬化のきっかけが与え
られうるものならばよく、光増感剤、連鎖移動剤、架橋
剤等が添加されていてもかまわない。
【0051】また、調光層は液晶液晶が樹脂壁で区分さ
れているドロップレット形状であっても樹脂が3次元網
目状に形成しているものであっても前記の液晶光学装置
を形成することが可能である。
【0052】
【発明の効果】本発明のような自己反応型開始剤を用い
ることにより、装置作製にあたり、従来問題となってい
た不純物による装置の抵抗低下と電圧保持率の低下を改
善し、ちらつきやトーン変化のない時分割駆動の可能な
高電圧保持率の分散型液晶電気光学装置を実現すること
ができる。
【0053】本発明の液晶電気光学装置では、従来おこ
なわれていた反応開始剤種類の選定、量および紫外光照
射時間等の作製条件の最適化をおこなわなくとも、上記
のような液晶電気光学装置を作製することができるの
で、それら開発に要する時間の短縮もできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶電気光学装置の構成を示す。
【図2】本発明の液晶電気光学装置の駆動電圧と透過率
との関係を示す。
【符号の説明】
1・・・基板 2・・・透明導電膜 3・・・液晶材料 4・・・透明樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−240614(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/1333

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液晶材料を透明支持体内に分散保持し
    た、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された
    調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透
    明支持体は、外部励起源により開裂して活性基を生じる
    置換基を少なくとも1つ以上有し、かつ前記透明支持体
    となるオリゴマーまたはモノマー中の反応基と反応可能
    であってかかる反応基と同一構造を有する置換基を少な
    くとも1つ以上有している自己反応開始剤を含んでいる
    ことを特徴とする液晶電気光学装置。
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