JP3007559B2

JP3007559B2 - 液晶表示素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP3007559B2
Application number: JP7242624A
Authority: JP
Inventors: 尚英脇田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 2000-02-07
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: JPH0990352A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示素子、特に液
晶を用いた明るい液晶表示素子及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から電圧により屈折率が可変な媒体
として、液晶が広く用いられている。液晶の屈折率は分
子単軸方向の屈折率（常光屈折率：ｎ_o ）と分子長軸方
向の屈折率（異常光屈折率：ｎ_e ）とで異なり、ｎ_e の
方が大きい。液晶が電場印加によりパネルに垂直に立つ
と入射光に対する液晶の屈折率はｎ_o となり、液晶が基
板に水平な一方向を向いているときは、分子長軸と偏波
面が平行な偏光に対してｎ_e 、他方の偏光に対してはｎ
_o になる。

【０００３】液晶素子として、最も広く用いられている
のは、捻れネマチック（ＴＮ）モードや電界制御複屈折
（ＥＣＢ）モードであるが、これらのモードは偏光板を
必要とするため透過率（反射率）が低く、暗い表示とな
ってしまう。

【０００４】偏光板を使わないモードとして、動的散乱
モード（ＤＳＭ）や、高分子分散型液晶がある。いずれ
も、ＤＳＭモードは無電圧状態は透明で、電圧印加によ
って散乱が生じ、高分子分散液晶は逆に無電圧状態で散
乱状態になる。

【０００５】高分子分散型液晶では、低分子のネマチッ
ク液晶を高分子マトリクス（マイクロカプセルや多孔質
体）で包み、電圧無印加の時には、高分子と液晶の屈折
率の不一致により入射光は散乱し、電圧を印加して液晶
分子が立つと、入射光に対する屈折率が一致して透明状
態となる。高分子分散型液晶を直視型ディスプレーに応
用する提案として特開平５−３４６６９号公報がある。

【０００６】高分子マイクロカプセル中では、液晶は球
状のカプセル壁面に沿って並ぶので、その屈折率は分子
長軸方向の屈折率ｎ_e と短軸方向の屈折率ｎ_o の平均値
に近く、電圧印加時にはｎ_o になる。屈折率異方性△ｎ
は０．３未満なので、散乱状態での高分子と液晶の屈折
率差は０．１５もない。紙のように空気と高分子（セル
ロース）の屈折率差が大きいと、殆ど後方散乱となり反
射光により紙面は明るい白になるが、屈折率差が小さい
と散乱は前方散乱が主となり反射面は暗い。

【０００７】このため、高分子分散型液晶では前方散乱
状態と透明状態の間でコントラストを得られるようなシ
ュリーレン光学系を用いた投射型ディスプレイが発表さ
れている。

【０００８】高分子分散液晶には作成方法により幾つか
種類があるが、紫外線照射により重合を促進するタイプ
が最も散乱性能が良い。このタイプの高分子分散液晶
は、ネマチック液晶と高分子前駆体であるモノマーとオ
リゴマーと微量の重合開始剤を相溶させた混合溶液を空
セル内に注入した後、紫外線を照射して、高分子前駆体
を重合させてマイクロカプセルを作成する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の偏光板を用いるモードでは、反射型表示をするとき
には表示が暗くなってしまうという問題があった。高分
子分散型液晶は偏光板が不要だが、後方散乱が不十分な
ため、明るさやコントラストが足りない。また、カラー
表示の場合、通常カラーフィルターが用いられるが、カ
ラーフィルターにより入射光量が落ちるために、暗い表
示となってしまう。

【００１０】また、重合前の高分子分散液晶の混合溶液
には、揮発性の高いモノマーが含まれるので、通常用い
られている真空注入法を用いると、モノマーが揮発して
しまい、所望のマイクロカプセルができない。一方、揮
発を防ぐために、大気中で注入を行おうとすると気泡の
混入が避けられない。このパネル中の気泡は、投写型表
示装置では白輝点となり、直視型表示では黒欠陥となっ
てしまうという問題があった。

【００１１】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、偏光板を用いずに、明るくコントラストの高い表示
を可能とする液晶表示素子及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の液晶表示素子は、一対の基板間に散乱型液
晶を挟み、前記一対の基板の背面側基板の高分子液晶と
隣接する基板面に、基板水平面に対して４２度以上７０
度以下の傾斜角を持つ反射面を２μｍ以上５０μｍ以下
のピッチで複数個設けた直視型の液晶表示素子であるこ
とを特徴とする。前記において複数個とは、多数個も含
む概念である。また反射面は平面であることが好まし
い。

【００１３】前記構成においては、反射面の幅がピッチ
の２０％以上７０％以下であり、一対の基板の背後に光
吸収面を配置したことが好ましい。また前記構成におい
ては、傾斜面が、表示の観察方向から見て上を向いてい
ることがコントラストの向上のために好ましい。

【００１４】次に本発明の液晶素子の第１番目の製造方
法は、一対の基板を、所定の粒径のスペーサーを挟ん
で、前記基板の周辺を２つ以上の開口部以外をシールす
ることにより接着してセルを作成した後、前記セルを減
圧したチャンバーにさらしてセル内部の空気を排気した
状態で、高分子分散液晶の重合前の液晶及び高分子前駆
体と相溶せず、化学反応を起こさない溶媒を前記２つ以
上の開口部に接触させてからチャンバーを大気圧に戻し
て、前記セル内部を前記溶媒で満たし、次に、大気圧中
で少なくとも一つの開口部に、高分子分散液晶の重合前
の液晶と高分子前駆体の混合溶液を接触させた状態で、
前記少なくとも一つの開口部以外の開口部から前記溶媒
を排出して、セル内部の前記溶媒を前記混合溶液に置換
した後、前記混合溶液を重合させることを特徴とする。

【００１５】前記構成においては、溶媒が超純水である
ことがコスト面から好ましい。ここで超純水とは、通常
の半導体産業などで用いられている逆浸透膜処理に得ら
れるもので、電気比抵抗が１６メガΩ・ｃｍ以上の不純
物がきわめて少ない水をいう。他の溶媒としてはフロン
等も使用できる。

【００１６】また前記構成においては、混合溶液を接触
させている少なくとも一つの開口部以外の開口部近傍を
溶媒の沸点以上に加温することにより溶媒を排出するこ
とが好ましい。

【００１７】次に本発明の液晶素子の第２番目の製造方
法は、一対の基板を、所定の粒径のスペーサーを挟ん
で、前記基板の周辺を少なくとも一つの開口部以外をシ
ールすることにより接着してセルを作成し、前記セルは
表示パネル部と前記開口部から最も遠い部分に設けた予
備空間とからなり、前記セルを減圧したチャンバーにさ
らしてセル内部の空気を排気した状態で、高分子分散液
晶の重合前の液晶及び高分子前駆体と化学反応を起こさ
ない溶媒を前記開口部に接触させてからチャンバーを大
気圧に戻して、前記予備空間より少ない体積の前記溶媒
を前記開口部から前記セル内部に導入した後、前記高分
子前駆体の飽和蒸気圧より高い圧力中で、前記開口部に
接触させる液を前記高分子分散液晶の重合前の液晶と高
分子前駆体の混合溶液に切り替えて放置し、前記混合溶
液を前記表示パネル内部に満たすことを特徴とする。

【００１８】前記構成においては、溶媒が高分子分散液
晶の重合前の液晶と高分子前駆体の混合溶液と相溶しな
いものであることが、不純物の溶け込みを避けることが
できるので好ましい。

【００１９】空気中から、液晶パネルに入射した光は、
スネルの法則に従って屈折する。ガラスの屈折率は約
１．５なので、液晶パネルのガラス基板に入射角９０度
で入射した光は、４１．８度の屈折角で液晶層に入射す
る。パネル正面から入射した光は屈折しないので、入射
角０度から９０度に分布した入射光は、０度から４２度
に分布した屈折光となる。高分子分散液晶のような散乱
型液晶に電圧が印加されて透明な状態の時には、屈折光
はほぼ、そのまま直進し、傾斜角４２度の反射面に反射
されると、反射光は４２度以上の角度でガラス／空気界
面に入射して、全反射されてパネルから出射できないの
で、黒い表示となる。一方、液晶が散乱状態のときは、
反射面で反射した光は散乱して明るい白表示が得られ
る。

【００２０】本発明の液晶素子の第１〜２番目の製造方
法においては、減圧チャンバー内でセル内部を排気し、
シールの開口部を溶媒で塞ぐので、空気がセル内に侵入
するのを防げる。次に、モノマーが揮発しないように、
大気圧またはモノマーの飽和蒸気圧以上の圧力下で、モ
ノマーを含む混合溶液を溶媒と接触させてから、溶媒を
セル外部または、表示パネル内から予備空間に追い出し
て、代わりに混合溶液を表示パネル内に導入することに
より、気泡の混入なく、混合溶液を注入することができ
る。

【００２１】

【実施例】以下、具体例について詳細に述べる。（実施例１）図１は、本発明の液晶表示素子の断面図で
ある。背面側（観察者から見て）のガラス基板（５ｃｍ
角）２上には、たとえばインジウム−スズ酸化物合金
（ＩＴＯ）等の透明電極４、５が形成してあり、その上
に、アクリル樹脂を圧膜印刷後、イオンビームエッチン
グで超精密加工した金型でプレスして成形した状態で硬
化させることにより、電極６のような三角柱を伏せた形
状の突起を設けた。突起の高さは５μｍ、向かって右の
傾斜面を基板水平面に対して４５度に、左傾斜面は約８
０度で、複数の突起がピッチ１０μｍで平行に並ぶよう
に成形した。この基板の右上方（水平から６０度方向）
からアルミを２００ｎｍ蒸着することにより、この突起
の右傾斜面のみにアルミ反射膜７を付着させた。

【００２２】この基板２と、透明電極３を形成した対向
ガラス基板１を１２μｍの球形スペーサーをばらまいて
からシール樹脂９で貼合わせて空セルを作り、後に述べ
る注入法により重合前の高分子分散型液晶を注入し、紫
外線照射により重合させて、高分子分散液晶８を作成し
た。重合前の混合溶液の組成は、ＢＤＨ社製ネマチック
液晶Ｅ−８（８０重量％）に紫外線硬化型アクリル樹脂
モノマー２エチルヘキシルアクリレート及びオリゴマー
と、重合開始剤（イルガキュアー６５１）０．１重量％
を混ぜてものである。液晶マイクロカプセルの粒径は１
〜３μｍになっており、電圧無印加時には液晶は８ａの
散乱状態になり、電圧印加により８ｂのように液晶分子
が垂直配向になって透明状態になる。但し、電圧無印加
時の散乱はほとんど前方散乱である。

【００２３】このパネルの背後に黒色の光吸収板１０を
置いて、傾斜反射面７が斜め上を向くように、すなわち
紙面右側が観察者から上になるように配置して、斜め上
方の蛍光灯照明の下で、ほぼ正面から液晶表示パネルを
観測した。なお光吸収板１０は、たとえば黒色塗料をガ
ラス表面に印刷して形成する。

【００２４】電極５上の散乱状態の液晶層８ａに入射光
線が１１の実線のように入射すると、反射膜７で反射し
た光は再び、散乱されて観察方向へ戻る光が多い。この
ため、基板２上が透明電極だけの場合の反射率が２５％
程度であったのに対し、本発明の液晶表示素子の構成で
は６５％まで向上した。複数の傾斜反射膜７の間隔をも
っと狭めると、反射面に光が当たる確率は増すが、光が
液晶層へ返りにくくなるので、隣接する反射膜の間隔は
本実施例のように空けたほうが良い。本実施例では、反
射面のピッチが１０μｍで反射面の幅は５μｍである
が、反射面の幅がピッチの２０％以上７０％以下である
と反射率の向上効果が高い。また、反射面を設けるピッ
チは、回折が大きくならない２μｍ以上が良い。また、
突起の高さは、液晶層の厚みが十数μｍ以下なので、せ
いぜい１０μｍである（傾斜角度が４５°のとき幅も１
０μｍ）から、最大ピッチは５０μｍ以下がよい。

【００２５】一方、電極６から電圧を印加して透明状態
となった液晶層８ｂに入射角（界面法線となす角）が小
さい入射光線１２が入射し、傾斜反射膜７で反射した光
は、基板に水平からやや下方向に反射し、隣の反射膜の
裏面に当たってから、パネルから出射して背後の光吸収
面で吸収される。入射角が大きくなるつれて、反射膜で
反射した光は、液晶層へ再入射して上基板と空気界面に
当たるが、必ず全反射される。例えば入射角８５度の入
射光線１３は、屈折角４２度で反射膜７で反射すると、
上基板と空気界面には４８度で入射するので全反射して
観察者側へ出射できない。なお、傾斜反射面に当たらな
い光は、光吸収面１０に吸収される。従って、液晶が透
明状態のときは、反射光はほとんど観測されず、反射率
５％の黒表示となった。

【００２６】傾斜面の角度は、４２度以上であればよい
が、あまり垂直に近いと散乱状態のときの白表示が暗く
なるので、７０度以下程度がよい。また、反射型表示素
子の場合、ほとんどの入射光はパネルの上方から入射す
るので、傾斜面は本実施例のように観察者から見て、上
を向いているのがより明るくできる。

【００２７】この結果、本発明の液晶表示素子のコント
ラストは約１３：１となり、透明電極だけの従来例と比
べて２倍以上の高コントラスト表示が可能となった。以
上のように、本発明の表示素子は反射型の明るいカラー
表示で、視野角の広いディスプレイを実現した。本実施
例では散乱／透過可変媒体として高分子分散型液晶を用
いたが、必ずしもこれに限らず、コレステリック−ネマ
チック相転移型液晶のフォーカルコニック状態と透明状
態を切り替えるモードや、動的散乱モードでもよい。

【００２８】次に、本発明の液晶素子の製造方法につい
て図２の概念図を用いて説明する。一方のガラス基板上
にスペーサーを散布した後、ほぼ同サイズの対向基板に
シール樹脂をスクリーン印刷で印刷し、シール２１を形
成してから、両基板を貼り合わせてセル２０を作成す
る。図２では、セル２０は平面図で示されている。この
うち、セル２０の一点鎖線より下の部分が、画素電極が
形成された表示パネル部２４であり、一点鎖線から上の
シール２１に囲まれた部分は予備空間２３である。初め
に、チャンバー１８内にセル２０を入れて、排気バルブ
２６を空けてチャンバー内およびセル２０の内部空間の
空気を０．１torrまで排気する。この状態で、図のよう
に、容器に入れたネマチック液晶２２に、シールの開口
部１９を接触させて、液晶が開口部を完全に塞いでか
ら、排気バルブ２６からチッソガスを導入してチャンバ
ー内を大気圧に戻すと、ネマチック液晶２２はセル内に
徐々に入っていく。そして、チャンバーの蓋が開けば、
すぐに、予め、容易しておいた、重合前の高分子分散液
晶の混合溶液２５にセル２０の開口部１９を接触させる
と、ネマチック液晶２２と混合溶液２５が表面張力によ
り接触し、ネマチック液晶２２が奥へ入って行くに連れ
て、混合溶液２５がセル内に注入され最後には、ネマチ
ック液晶２２が予備空間２３に入ってしまい、表示パネ
ル部２４はすべて混合溶液で占められる。そして、一点
鎖線の部分でセル２０を切断して、表示パネル２４に紫
外線を照射して、高分子分散液晶素子を完成させた。

【００２９】このように、本発明の液晶素子の製造方法
を用いれば、モノマーが揮発することもなく、気泡の混
入もなしに、混合溶液の注入が可能となる。本実施例で
使用したモノマーは、０．５気圧程度で揮発するので、
大気圧で混合溶液を注入したが、モノマーの揮発が始ま
る飽和蒸気圧がより高い圧力で、混合溶液の注入は行え
ばよく、大気圧でなくともよい。また、チャンバー内で
最初に注入するのは、本実施例ではネマチック液晶を用
いたが、これに限らず、混合溶液と化学反応を起こさな
い、また、セル内部を汚さず、減圧時に揮発しない溶媒
であれば、これに限らない。ただし、ネマチック液晶の
場合は混合物の一成分なので、相溶してもよいが、これ
以外の溶媒の場合は、混合溶液と相溶しない溶媒がより
望ましい。

【００３０】（実施例２）本発明の第２の液晶素子の製
造方法について図３の概念図を用いて説明する。セル２
０には開口部を上下に２カ所設けてあり、実施例１と同
様、チャンバー内でセル内を排気した後、ディスペンサ
ーバルブを備えた漏斗３３と受け皿３２に溜めた、比抵
抗が１６メガΩ・ｃｍ以上の超純水２９を、開口部３
０、３１から注入すると、セル内部は気泡は無く超純水
で占められた。そして、チャンバーから出してすぐに、
重合前の高分子分散液晶の混合溶液２５に開口部３０を
接触させ、その状態で、もう一方の開口部３１付近のガ
ラスをヒーター３４で１０２℃に加熱した。すると、超
純水は開口部３１から蒸発して排出されるにつれて、混
合物２５が注入され、セル内は混合溶液２５が気泡無し
で注入された。なお、突起（反射面）は、溶液の流れる
方向でシール２１の内部、すなわち図２〜３の縦ストラ
イプの方向にストライプ状に形成するのが良い。

【００３１】本実施例では、超純水を初めに注入した
が、混合溶液と化学反応せず、相溶しない溶媒であれば
これに限らない。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、一対の基板間に散乱型液晶を
挟み、前記一対の基板の背面側基板の高分子液晶と隣接
する基板面に、基板水平面に対して４２度以上７０度以
下の傾斜角を持つ反射面を２μｍ以上５０μｍ以下のピ
ッチで複数個設けたことにより、偏光板を用いずに、明
るくコントラストの高い表示を可能とする直視型の液晶
表示素子を実現できる。すなわち、本発明の液晶表示素
子は、高分子分散型液晶のような散乱型液晶の背後に傾
斜した反射面を設けることにより偏光板不要の明るい反
射型ディスプレイを実現するできる。また、本発明の液
晶素子の製造方法は、揮発しない溶媒を真空注入してか
ら、大気圧中で重合前の高分子分散液晶の混合溶液に置
換することにより、モノマーの揮発を防ぎ、気泡のなく
注入が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示素子の断面図

【図２】本発明の液晶素子の製造方法の概念図

【図３】本発明の第２の液晶素子の製造方法の概念図

【符号の説明】

１，２ガラス基板３，４，５透明電極６電極７アルミ反射膜８高分子分散液晶８ａ，８ｂ液晶９シール樹脂１０光吸収板１１入射光線１２入射光線１３入射光線１８チャンバー１９シールの開口部２０セル２１シール２２ネマチック液晶２３予備空間２４表示パネル部２５重合前の高分子分散液晶の混合溶液２６排気バルブ２９超純水３０，３１開口部３２受け皿３３漏斗３４ヒーター

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板間に散乱型液晶を挟み、前記
一対の基板の背面側基板の高分子液晶と隣接する基板面
に、基板水平面に対して４２度以上７０度以下の傾斜角
を持つ反射面を２μｍ以上５０μｍ以下のピッチで複数
個設けた直視型の液晶表示素子。
【請求項２】反射面の幅がピッチの２０％以上７０％
以下であり、一対の基板の背後に光吸収面を配置した請
求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】傾斜面が、表示の観察方向から見て上を
向いている請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】一対の基板を、所定の粒径のスペーサー
を挟んで、前記基板の周辺を２つ以上の開口部以外をシ
ールすることにより接着してセルを作成した後、前記セ
ルを減圧したチャンバーにさらしてセル内部の空気を排
気した状態で、高分子分散液晶の重合前の液晶及び高分
子前駆体と相溶せず、化学反応を起こさない溶媒を前記
２つ以上の開口部に接触させてからチャンバーを大気圧
に戻して、前記セル内部を前記溶媒で満たし、次に、大
気圧中で少なくとも一つの開口部に、高分子分散液晶の
重合前の液晶と高分子前駆体の混合溶液を接触させた状
態で、前記少なくとも一つの開口部以外の開口部から前
記溶媒を排出して、セル内部の前記溶媒を前記混合溶液
に置換した後、前記混合溶液を重合させることを特徴と
する液晶素子の製造方法。
【請求項５】溶媒が超純水である請求項４に記載の液
晶素子の製造方法。
【請求項６】混合溶液を接触させている少なくとも一
つの開口部以外の開口部近傍を溶媒の沸点以上に加温す
ることにより溶媒を排出する請求項４に記載の液晶素子
の製造方法。
【請求項７】一対の基板を、所定の粒径のスペーサー
を挟んで、前記基板の周辺を少なくとも一つの開口部以
外をシールすることにより接着してセルを作成し、前記
セルは表示パネル部と前記開口部から最も遠い部分に設
けた予備空間とからなり、前記セルを減圧したチャンバ
ーにさらしてセル内部の空気を排気した状態で、高分子
分散液晶の重合前の液晶及び高分子前駆体と化学反応を
起こさない溶媒を前記開口部に接触させてからチャンバ
ーを大気圧に戻して、前記予備空間より少ない体積の前
記溶媒を前記開口部から前記セル内部に導入した後、前
記高分子前駆体の飽和蒸気圧より高い圧力中で、前記開
口部に接触させる液を前記高分子分散液晶の重合前の液
晶と高分子前駆体の混合溶液に切り替えて放置し、前記
混合溶液を前記表示パネル内部に満たすことを特徴とす
る液晶素子の製造方法。
【請求項８】溶媒が高分子分散液晶の重合前の液晶と
高分子前駆体の混合溶液と相溶しないものである請求項
７記載の液晶素子の製造方法。