JP2794941B2

JP2794941B2 - 液晶表示素子

Info

Publication number: JP2794941B2
Application number: JP31722390A
Authority: JP
Inventors: 秀樹大前; 博司高原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: JPH04186221A

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切り替えることによ
り表示を行う、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，ハンドヘルドコンピュータ
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−透明の切り換えで表示を行なう方
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（相移転）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（特表昭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（特表昭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相分子
が電界の方向に配列し、その際の液晶の屈折率ｎ。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は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、十分なコントラストを得るためには液晶と高分子の
比率、液晶と高分子の屈折率差及び液晶滴の粒径が重要
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次元の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0wt％〜40wt％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、40wt％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、該見易くするためには散
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１μ
ｍ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
さいため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擬似なる光
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はど強く、従って赤
色もしくは黄橙色に色づいて見えてしまう。

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透明で、上下２枚
のうち少なくとも一方に画素構造を有する電極基板の間
に、高分子分散液晶材料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複数の層から構成されて
おり、前記液晶層のうち１つ以上の層が、液晶材料と高
分子マトリクスのうち少なくとも一方が他の層と材料組
成が異なることを特徴とする液晶表示素子を提供するも
のである。また、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高分子分散液晶材料を狭
持してなる液晶表示素子において、該高分子分散液晶層
が複数の層から構成されており、前記液晶層のうち１つ
以上の層が、他の層と液晶材料と高分子マトリクス材料
との配合比が異なることを特徴とする液晶表示素子を提
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
対向して適当な間隙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またはネットワーク
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、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１層は高分子マトリクス材料
の配合または組成が他の層と異なる高分子分散液晶層で
あり、もしくは少なくとも１層は液晶材料の配合または
組成が他の層と異なる高分子入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、先に述べたように液晶滴の粒子径
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、液晶層との層分離等の点から考
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
ンジオールジアクリレート，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
アクリレート等が掲げられる。

また重合を速やかに行なうため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（チバガイキー社製
「イルガキュア651」）等が掲げられる。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層分離させ
て高分子分散液晶層が形成される。なお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
の割合はここでは既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〜
50μｍ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２層以上
の複数の層から構成されており、前記液晶層のうち１つ
以上の層が液晶材料と高分子マトリクス材料のうち少な
くとも一方が他の層と配合または組成が異なるものであ
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
のような方法を掲げることができる。

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。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，キャスト塗布等が掲げられる。

上記のようにして得られた高分子分散液晶薄膜を有す
る基板をもう一方の基板とを所定の間隔を保持させて電
極面を対向させて貼り合せる。この間隙に先に述べたも
のと液晶材料と高分子形成モノマー及びオリゴマーのう
ち少なくとも一方が組成が異なった混合液を注入し、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、樹脂の重合速度等を変えて、先
に形成した高分子分散液晶層とは異なった液晶層を形成
しても良い。あるいは同一の組成の材料であっても、液
晶材料と高分子マトリクス材料の配合比が異なった高分
子分散液晶から構成された複数の該液晶層からなってい
ても良い。

上記の製造方法によって本発明の層によって異なる粒
子径の液晶滴からなる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製可能となる。

以上述べた場合の液晶材料と高分子材料は各層におい
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高分子材料
の屈折率n_pは近い値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おいて光は散乱され、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。

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製した。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
製し、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
リクス基板を作製した。

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５部、及びエポキシ
アクリルオリゴマー23部、及び光硬化開始剤としてメル
ク社製「ダロキュア−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1.9μｍ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
ルレート５部、及びウレタンアクリルオリゴマー23部、
及び光硬化開始剤としてメルク社製「ダロキュアー117
3」を0.5部、液晶としてBDH社製「E8」を21部混合し、
均一に溶解させた混合液注入した。これに対向電極基板
側から紫外線を約15部間照射して、樹脂を重合させて、
液晶滴の平均粒子径が約1.0μｍの高分子分散液晶層を
得た。以上のようにして２層からなる高分子分散液相表
示素子を作製した。

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以上と良好であ
った。

（実施例２）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製した。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
製し、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
リクス基板を作製した。

トリメチロールプラ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プマトリク
ス基板の電極面上にスンピナーにて塗布し、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0.9μｍの高分子分散液晶層を得た。以上のように
して２層からなる高分子液晶表示素子を作成した。

（比較例１）実施例２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２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
のために作製したところ、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。

なお、実施例1,2において、液晶滴の平均粒子径を約
1.9または約2.2μｍに作製するとしたが、これに限定す
るものではなく、液晶および樹脂の配合比または材料組
成を変化させると、他の粒子径のものも作製することが
できることは明らかであり、また膜厚も３μｍに限定す
るものではない。液晶パネルが変調する光の波長に応じ
て所望の粒子径、または所望の膜厚に作製すればよい。

また、本発明の実施例において高分子分散液晶は平均
粒子径をもつものを例にあげて説明したが、これに限定
するものではなく、連続相のものであってもよいことは
明らかである。前記連続相は３次元網構造の空隙間隔等
を粒子径とみなすことが可能である。これは樹脂に対す
る液晶の配合比を変化させれば実現できる。

発明の効果本発明の高分子分散タイプの液晶表示素子では層ごと
に液晶と高分子の組成、または液晶と高分子の配合比が
異なる高分子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。

なおかつ駆動電圧が低くても良好なコントラストが得
られ、散乱状態においても色づきといった問題も生ずる
ことなく、可視光線の全波長域において充分な散乱能力
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図の一部を
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

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上下２枚のうち少なくとも一方が透明で、
上下２枚のうち少なくとも一方に画素構造を有する電極
基板の間に、高分子分散液晶材料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複数の層から構
成されており、前記液晶層のうち１つ以上の層が、液晶
材料と高分子マトリクスのうち少なくとも一方が他の層
と材料組成が異なることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】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高分子分散液晶材料を狭持し
てなる液晶表示素子において、該高分子分散液晶層が複
数の層から構成されており、前記液晶層のうち１つ以上
の層が、他の層と液晶材料と高分子マトリクス材料との
配合比が異なることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項３】上下２枚のうち少なくとも一方が画素構造
を有する電極基板であることを特徴とする請求項（２）
記載の液晶表示素子。