JP3217884B2 - 液晶表示素子及び装置 - Google Patents

液晶表示素子及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は液晶表示を製造するため
の有用な基板材料及びこれから表示装置を製造すること
に関する。更に、本発明は溝付重合体基板に関するもの
で、このものはデバイス壁に必要とするスペースを維持
しながら柔軟な基板を使用できるようにうね（ｒｉｄｇ
ｅ）を一体化している。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示（ＬＣＤ）の装置は良く知ら
れ、そして軽く、低電力そして平面パネル表示を所望す
る多くの場合に有用である。代表的には、これらの装置
は一組のシート状ガラス基板素子を含み、又はガラス基
板間の限られた液晶物質がお互いに重なり合ったハーフ
セル（ｈａｌｆ−ｃｅｌｌ）を有している。基板は封入
剤で周囲を密閉されてセル又は装置を形成している。一
般に、透明電極が基板の内面に設けられ基板の種々の点
において電場が適用され、これによりアドレス可能の画
面を形成して表示される。
【０００３】種々のタイプの液晶物質は良く知られてお
り、そしてツイストネマチック（ＴＮ）、超ツイストネ
マチック（ＳＴＮ）又は強誘電表示装置である装置に有
用である。強誘電液晶は双安定特性及び迅速な切り換え
時間により特に有用である。強誘電液晶物質及びこれを
含む表示装置は、米国特許第４，３６７，９２４号″ｃ
ｈｉｒａｌ Ｓｍｅｃｔｉｃ Ｃ ｏｒ Ｈ Ｌｉｑｕ
ｉｄ ＣｒｙｓｔａｌＥｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｄｅｖｉｃｅ″及び米国特許第４，５６３，０５９
号″Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｆｅｒｒ
ｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ
Ｄｅｖｉｃｅｓ″に開示されている。
【０００４】オーバヘッド等を有し、そしてコンピュタ
ーの如き携帯用装置に使用される比較的軽量の広い表示
面積を準備できることは望ましいことである。或る種の
有機重合体基板はガラスより大変軽く、透明であって従
って広面積の軽量表示装置にはガラスよりずっとその使
用が好ましい。しかしながら、液晶表示の基板として重
合体物を使用する問題は、これら基板はガラスより柔軟
になり易くそして液晶表示装置を作るために密にスペー
スされた基板間で均一な分離を維持するために密なスペ
サーによって分離していなくてはならない。低電圧で均
一な電場を作りそして全表示面を均一なコントラストで
示すためには、液晶物質を含む浅いキャビティを正確に
規制することが必要である。このような良い結果を得る
ためには、各目２μｍのスペースで０．１μｍの範囲内
で規制する安定な強誘電液晶表示については大変深刻な
問題である。
【０００５】必要とされる均一なスペースを確保するた
めの公知の手段は、米国特許第４，５０１，４７１号に
示されたような寸法の正確な短かい重合体繊維若しくは
球体を用いるか、又は米国特許第４，７２０，１７３号
に示されたようなホトレジスト材から出来ているスペー
ス材を基板に接合させることである。このいづれの方法
も欠点を有する。繊維及び球状スペース粒子は全表面に
渡ってスペースを維持するために支持体の上に均一に設
けることは容易なことではなく、そして繊維は重なって
スペーサーの高さを増加する。更には、装置は柔軟で物
理的に応力が加わると、スペーサーは移動又は移行して
表示セルの材料ぎれの面を形成する原因になる。
【０００６】接合される構造体は正しく同じ高さで各基
板に正確に位置付けされることが必要で、寸法には困難
な作業と効果的な液晶表示に許容度が要求される。基板
は化学的組成が異なるので熱膨脹の相違が生じ、接触面
での接合の破損及びスペーサーの移動の原因になる。
【０００７】本発明の液晶表示（ＬＣＤ）の製造をより
広画面に適用する技術の一つの障害は、広画面の写真製
版（近年では１８インチ平方より小さいものに限られる
が）の技術及び正確なガラス磨き技術に依存することに
よる。現在、４インチのダイヤゴナル表示装置の製造割
合は低く、時として２０％以下であって、このことは相
当部分写真製版の技術を利用することによって起る欠点
にもとづく。この低い割合は、表示系を高価なものにし
ている。画面表示がより広くなれば、その価格はより高
くなろう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、基板と一体
になった微細構造スペース手段を有する基板素子を用い
て、従来技術の欠点を克服するものである。本発明は基
板とスペーサーの機能を組み合せた微細構造の基板素子
とされる一体化素子に関する。本発明はまたこのような
基板素子又はこのような基板素子を製造する方法と同様
に、ハーフセル（ｈａｌｆ−ｃｅｌｌ）を使用する液晶
表示装置を包含する。
【０００９】更には、本発明は電気的にアクセスできる
液晶表示を作るハーフセルとして使用するに適した基板
素子を包含する。このハーフセルは基板の少なくとも一
つの主要な面に微細構造輪郭（ｐｒｏｆｉｌｅ）を有す
る重合体シートを包含する。この輪郭は突起のある複数
のスペース素子を含み、この突起は好ましくは平行した
うね（ｒｉｄｇｅ）であって、物理的及び化学的に基板
本体と一体になり、各突起は基板上の面に通常のレベル
で隆起し第２の基板を保持している。
【００１０】化学的に一体とは、基板として実質的に同
じ化学的組成のスペース素子であって、化学的組成の異
なる接合剤も他の結合層をもスペース素子と基板との間
に設けていないことを意味する。突起周辺の表面は独立
して電気的に導電性の領域である。
【００１１】表示装置に組み込む場合、薄い透明な導電
性層は基板に適用し、均一にスペースされた液晶表示
（ＬＣＤ）のセルギャプ（ｃｅｌｌ ｇａｐ）の指定部
分に電圧が通ずることになる。液晶表示と通常組合わさ
れた他の素子は、基板と共同して有用な表示装置を作る
ハーフセルを提供する。
【００１２】本発明において用いられる微細構造という
意味は、例えば約１ミクロメートルから約１０ミクロメ
ートルのミクロメートル単位で測定される特徴的寸法を
有する構造素子に関する。本発明の物品が従来公知の物
品との相違は、この一体化した微細構造体の存在であ
る。
【００１３】本発明の物品はすでに公知の成形技術によ
って製造され、そして基板と一体的に成形される微細構
造の特徴については後述する。この寸法の特徴は、大変
厳しい許容度で成形することができ、そして明確な変動
を伴わずして再現性を有する。支持体と一体になる部材
に大変正確なスペースを与えそして広範囲に正確に位置
ずけるこの能力は、全面積に均一な特徴をもって大画像
の表示を形成することができる。
【００１４】基板と一体となる微細構造のスペーサーを
有する利点は、（１）メートル規模の面積に微細構造の
基板を高均一に製造することができ、これにより光学的
に高度の均一性が提供され、（２）一体化された微細構
造は電気的に隣接した導体と電気的に分離することがで
き、従って写真製版工程を省略でき経済的であり、そし
て（３）スペーサービーズ若しくは繊維を分離して適用
する必要性又は写真製版されたドット若しくはストリッ
プが削除されるので、従って液晶表示方法はより単純と
なる。本発明は、高鮮明度、大型書式、直接投影及び映
写の適用の正確で精度の高いスペース規制を必要とする
ＴＮ，ＳＴＮ及び他の液晶物質と同様強誘電液晶におい
て有用であると確信する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】アドレス可能の液晶装置
はすでに公知のものである。図１に示したように、すで
に公知の典型的なツイストネマチック表示装置１０は、
レジスター内部に、お互いに重なりながら、間隔をおい
て離れている一組の透明で平担な基板１２及び１４を設
置して形成したセル（ｃｅｌｌ）又はエンベロープ（ｅ
ｎｖｅｌｏｐｅ）を有している。基板の周辺はスクリー
ン印刷技術によって通常使用される接着シール材料（図
示されていない）で接合して封入し、密閉したセルを提
供する。
【００１６】最終的にシールする寸前に、基板間の浅い
スペース又はキャビティは液晶材料２８で充たされる。
透明導電性電極１６（ａ）から１６（ｅ）及び１８
（ａ）から１８（ｄ）は、公知のセングメントに又はＸ
−Ｙマトリックス様（図に示してあるように）のいづれ
かに基板の内面に並べられ複数の画素（ｐｉｘｅｌ）を
形成する。ここではわずか二三の電極を示しただけであ
るが、実際には多数の電極がセルに組み込まれ、そして
セルの面積が増大するにつれこの数が通常増加すること
になる。
【００１７】アライメント塗膜２０，２２は液晶表示セ
ルの内面部分に設けて、表示面との接触面において液晶
材料の所望の配向に寄与させる。このことは、セルに組
み込んだ偏光子のアライメントに補色である角度を通し
て液晶が光を回転することを保証する。偏光素子２４，
２６は表示の形態によるが光学に関するもので、そして
使用に際して表示面と組み合わされる。透過表示よりは
反射表示が望まれるときには、反射素子（図示されてい
ない）が底部基板１２と組み合わされる。この場合、底
部基板１２は透明であってはならない。
【００１８】上に述べたように、液晶表示の構成物及び
その組立技術は良く知られている。組立技術の詳細
は、″Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ−Ａｐｐｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ″，第１巻，Ｂ．Ｂａ
ｈａｄｕｒ編集，Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ
Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ．，（１９９０）発行、第
７章″Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｉ
ｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＬＣＤＳ″の如き文献に
見ることができる。
【００１９】液晶材料は基板１２及び１４の間のスペー
スに充填されるが、しかし説明のために相対する電極１
６（ｄ）及び１８（ａ）の重なり合う間の面積に液晶材
料２８のカラムをわずかに示す。３０（ａ）から３０
（ｅ）の矢印は、液晶の分子が電場がなくてもアライメ
ント層２０，２２に９０°ツイストして並ぶことを示し
ている。矢印３０（ａ）及び３０（ｅ）はまたいづれも
偏光素子２４及び２６の偏光の方向に一致する。電極リ
ード線３２（ａ）から３２（ｅ）、及び３６（ａ）から
３６（ｃ）はいづれも母線３４及び３８に接続され、次
いて模式的に示した集成電子部材４０に接続される。
【００２０】ツイストネマチック液晶装置はコレステロ
ール液晶を採用し、これは図１の矢印３０（ａ）から３
０（ｅ）に示されるように、装置の中でヘリカル又はツ
イスト分子配向を有する。装置の電極を通し液晶物質に
電場を適用すると、分子の電気異方性によって分子が再
配向し、そして巻きもどし（ｕｎｗｉｎｄ）をする。こ
の行為はツイスト状態において分子をして偏光を回転
し、そしてこれによりツイストでない状態において回転
がなくても光を通過する。
【００２１】偏光素子と組み合せて使用すると、この偏
光を回転する能力は、透過光又は反射光の阻止又は通過
のいづれかの光のバルブ作用によって表示を行うことが
できる。表面４２は画素面（ｐｉｘｅｌ ａｒｅａ）で
あって、これを電極１６（ｄ）及び１８（ａ）によって
同時にオン又はオフに切換えることができる。個々に電
極が表示に組み込まれたときには、表示装置は画像を表
示することができるようになる。
【００２２】強誘電液晶は表示装置において有用であ
る。これら分子の偏光ベクトルを有し、電場の適用で並
列する。従って、電場の適用（オンの状態）によって、
これらの液晶分子のその特徴的な方法で配向する。これ
らは双安定物質であるので、配向の為の電場が取り除か
れてた（オフの状態）後であっても配向された状態で残
り、これにより電力の消費が減少される。別個の極性の
場を適用すると、液晶物質は電場の異なる配向特性に再
度配向する。良く知られたことではあるが、液晶は異な
った光に異なった配向を示すので、情報表示の切換に表
示装置の画素（ｐｉｘｅｌ）が使用される。本発明の微
細構造基板素子は、以後詳細に説明するが、例えば灰色
スケールの装置を作る場合に強誘電液晶を用いるのが特
に使用効果がある。
【００２３】電極は独立して所定の画素（ｐｉｘｅｌ）
に電場を与えるためにアドレスされる。或る種の場合に
は、電極は連続しそして繰り返し急速に走査して、テレ
ビ画面に類似した動画を提供する。このことは、短時間
の間隔で画像を変えるため、画素をオン−オフと急速に
切換えることが必要である。適切な電圧で画素を急速に
切換えるためには、液晶物質の層は均一に薄くなくては
ならず、従って均一な画像を望むならば基板の間のスペ
ースが重要な問題になる。
【００２４】均一なスペースとその結果の画像を有する
広画面表示を得ようとするために、本発明は基板と一体
化した微細構造素子を提供するのにスペーサーと一体化
した１つ又はそれより多い基板を使用する。
【００２５】本発明の液晶表示装置の一部分を図２に示
すが、ここでの装置５０は透明底部基板５２及び透明上
部基板５４を有している。導電性透明電極５８及び６０
は、それぞれ底部基板及び上部基板の内面に設けられ、
そして電源（表示していない）に接続して両者の間に電
場を形成する。光学的アライメント物質６２，６４及び
６６は種々の位置に存在している。アライメント物質６
４は底部基板５２上のアライメント層６２の適用による
もので、そして接着剤／封入剤６８によって覆われてい
る。従って、アライメント物質６４はアライメント機能
を呈せず、そして所望によって取り除くこともできる。
上部基板５４は接着剤／封入剤６８によってスペースリ
ブ５６の上部に接合し、この接着剤はまたセルの周辺を
密閉している。セルの周辺を接着剤／封入剤６８で表示
装置を完全に密閉する前に、スペースリブ５６と基板５
２及び５４で形成したキャビティに液晶物質（表示して
いない）を送入する。
【００２６】ここでスペース素子として平行リブを具体
的に説明するが、他の種類の突起も同じ機能を呈するこ
とができることは理解されよう。従って、別個の幾何学
的な横断部分の個別のポスト又は他の形態の突起もスペ
ーサーとして作用し、そして以後に説明する成形方法に
よって提供することもできる。
【００２７】スペース素子としての平行リブの種類をこ
こにおいて具体的に示すが、他の種類の突起も同じ機能
を奏すことは理解されて良い。従って、他の幾何的横断
部のポスト又は他の形態の突起もスパーサーとして機能
し、そして以後明らかにする成形方法によって提供する
ことができる。
【００２８】突起又はスペース素子の間の横の間隔は、
表示装置の特定の適用によって相当程度に変る。スペー
ス素子（突起）の幅は、約１又は２μｍから例えば２５
μｍ又はそれ以上のミクロメートルに変化する。上限は
所定の表示に許容することのできる不活動面積によって
定まる。典型的には、表示される少なくとも５０％の活
動面積を有するのが望ましい。このことは、スペース素
子の投影される表面積は全体の表示面積に対して約１／
２の表面積より多くない。
【００２９】スペース素子が実質的に表面寸法と等しい
基板については、スペース素子間の横スペースは測定方
向においてスペース素子の幅と少なくとも約１倍であ
り、そして幅は１０倍又はそれ以上になろう。更に、一
般には横方向又は縦方向において１cmについて少なくと
も約１０個の画素（１インチについて２５本）、解像力
の高い表示では１cmについて約１２０又は２４０個の画
素（１インチについて３００から６００本）そして解像
力の大変高い表示では１cmについて約４００個の画素
（１インチについて１０００本）を有するのが望まし
い。２μｍの幅のスペースリブ及び５０％の活性面積で
あると、１cmについて約２，５００画素の密度（１イン
チについて約６０００線）が達成される。
【００３０】基板５２は後に述べる方法で成形すること
ができる熱可塑性重合体物質で、光学的に透明で、製造
工程における諸条件には許容できる寸法安定性を有し、
そして表示装置に使用できるものである。本発明におい
て有用な熱可塑性物質はボリカーボネート、ポリビニル
クロリド、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、
ポリウレタンポリイミド、ポリ硫酸重合体（ｐｏｌｙｓ
ｕｌｆｕｒｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒｓ）及び他の透明熱可
塑性重合体が含まれる。
【００３１】既に説明したように、底部基板の微細構造
を有していない上部基板５４は、また好ましくは上に述
べた如き有機重合体物質又は当業界において公知のガラ
スである。本発明において述べた微細構造を上部基板が
有している場合には、その時には基板は好ましくは重合
体である。特に表示はしていないが、上部基板５４は底
部基板５２のそれと同様の微細構造基板であることがで
き、そしてスペースリブ５６と直角で交叉して接触する
スペースリブと共に適用することができる。
【００３２】本発明において有用な電極物質は、インジ
ウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）の如き公知の導電性透明酸
化物及び液晶表示において使用されている通常の物質で
ある。典型的には、スパッター又は他の公知の方法によ
って基板の表面に蒸着した導電性物質である。蒸着方法
は十分正確にできないので、導電性物質はスペースリブ
の上部に沈着される。もし或る場所に残ることがある
と、この導電性域は重ね合せた基板の電極域を通してシ
ョートする可能性がある。
【００３３】この電極を取り除くのに使用できる方法に
は、例えば沈着後リブの上部を磨き仕上げを行う如き
で、フォトレジスト等によって所望の電極面を守護しな
がら導電性層をエッチングする。エッチング方法を用い
る場合、ポジティプフォトレジストが全表面積に適用さ
れる。リブの上面のフォトレジストは選択的にレーザー
光線で照射され、電極上のフォトレジストは露出されな
い。リブ上のフォトレジストは取り除かれ、そして基板
はエッチング剤で処理される。リブ上の導電性層が取り
除かれた後、電極面上のフォトレジストは剥離され、そ
して所望に応じアライメント塗料及び／又は他の物質を
適用する。
【００３４】本発明において有用なアライメント組成物
（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）はま
た良く知られたものである。これらは、基板の表面に薄
く均一に塗布する通常使用されるスピンコーテング又は
他の方法により溶媒を使用する種々の重合体物質であ
る。適用後、乾燥しそしてクロース又は他の物質でぬぐ
って、その面と接して液晶分子が並列するように配向面
が準備される。好ましいアライメント物質はナイロン重
合体であって、溶媒で塗布することができそしてベルベ
ットの如きクロスでぬぐって有用なアライメント層を形
成する。
【００３５】広範囲の接着剤／封入剤は公知であり、そ
して有用である。重合性有機物質は通常プラスチック基
板又はガラスに使用される。熱硬化性エポキシが良く知
られ、そして良好な強度を有し、一方液晶化合物によっ
て比較的侵されない。光硬化性接着剤は、また一般に使
用されそして熱硬化法により生じた応力を取り除く利点
を有する。アクリル接着剤は本発明において有用な通常
の紫外線硬化接着剤である。或る場合には、超音波接着
が採用され、加熱、流れ及び基板自体の再固化により接
着剤を除去して結合及び密封を行う。
【００３６】微細構造にスペーされた液晶表示に光学的
な均一性を付与するために、液晶表示セルの整合基板と
接触してリブを残しそして目的とするスペースを維持す
ることが必要である。一つの解決法は各スペーサーリブ
を整合基板に接着的に結合することである。リブの高さ
はわずかに二三ミクロンであるのに対し、接着剤は通常
数ミクロンの厚さに塗布されるので、このことは簡単な
ことではない。ナイフ塗布、グラビア塗布等の如き通常
の塗布方法は塗膜をあまりにも厚くし、そしてまたチャ
ンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）の中に接着剤が入り込み液晶
の充填を阻止することになる。
【００３７】ここに新たに接着剤をリブに適用する一つ
の方法を発見し、これをタックオフ方法（ｔａｃｋ−ｏ
ｆｆ）と命名する。この方法は、接着剤を溶剤で希釈
し、平担支持体（キャリヤー）に均一に適用し、ミクロ
ンの数分の一の厚さに乾燥し、そして次に薄い接着剤層
の微細構造面のリブ側を回転させ微細構造のリブの上面
にタックオフする。薄い接着剤は決して微細構造のチャ
ンネル部分（ｃｈａｎｎｅｌ ｐｏｒｔｉｏｎ）に接触
することがなく、従ってチャンネルに移行することはな
い。
【００３８】図３は本発明の具体的態様を示すものであ
る。表示装置７０は、底部及び上部基板７２，７４，一
体スペースリプ７６，透明導電性物質７８，８０，８
２，アライメント物質８４，８６，８８並びに接合剤／
接着剤９０を有している。スペーサーリブ７６はまた支
持ピーク９２と一体に開示されている。このピークの目
的はこのピークに超音波エネルギーを集中し、支持体の
超音波接合を促進するという特徴を提供する。
【００３９】接着剤を使用する場合、上部基板がスペー
サーに押圧されると、ピークはスペーサーとして働き接
着剤の厚さを最小限に維持する。ピークが存在しない
と、もしスペーサーに上部基板を押圧する圧力が小さい
と過度に厚い接着層となり、また圧力が大き過ぎると過
度に薄い接着層となって弱い接合及び起り得る不完全な
点となる。いづれにしても、不均一な押圧は、上部及び
底部基板の望ましくない不均一なスペースとなる。ピー
クはこの効果を最小限にするのに役立つ。
【００４０】電極物質８２及びアライメント物質８８は
ピーク９２の上に示されている。これらの物質がスペー
スリブ７６の上に沈着するのを避けることは困難であ
り、一方、基板の他の面に沈着する。装置７０は、また
スペースリブ７６に隣接した基板に形成された分離溝９
４を有する。分離溝の目的は基板７２の隣接した電極間
に電気的接触する可能性を減少させることである。溝は
スペースリブの両側に位置して示されているが、しかし
またスペースリブの片側のみに位置していても効果はあ
る。更に、二つの溝は電気的ショートの機会を最小限に
する。溝を十分に狭く且つ深くして支持体に沈着する導
電性電極物質の溝の中に沈着を阻止する以上には、寸法
について大きな問題はない。典型的には、溝は約１５ミ
クロメートルの深さ及び５ミクロメートルの幅である。
溝の壁は表面に対して真直又は角度があっても良い。
【００４１】一般には、採用される成形方法は、少なく
とも壁の１つの角度からの成形機の剥離を容易にする利
点がある。平行うね（ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｉｄｇｅ）
以外のスペース手段が採用される場合、溝は平行溝以外
の形態であって良い。従って、もしスペース素子として
個別のポストを用いた場合、ポストのベースにおいて囲
んだ形態の溝になる。
【００４２】図４は底部及び上部基板１０２及び１０
４，スペースリブ１０６（ａ）から１０６（ｆ）を有す
る表示装置１００を示し、しかし実際には相当数のリブ
が存在しそしてこの数はセルの寸法面積が増加するに従
って増加していく。電極物質１０８及び１１０，アライ
メント物質１１２，１１４及び１１６並びに接着剤／封
入剤１１８がまた示されている。この態様において、底
部基板の面に適用されている電極は均一でない。
【００４３】基板に含まれる微細構造の特色は、上部及
び底部基板の間のスペースを変えることにより、強誘電
液晶表示の灰色スケールの能力を提供するのに利用さ
れ、そしてそれ故に所定の適用した電圧に対し場を効果
的に強める。強誘電液晶はオン又はオフのいづれかであ
るので、そのコントラストは場の強度によって連続的に
は変化しない。しかしながら、画素の異なる面積での電
極間のスペースを変えることによって、所定の電圧でス
イッチされる各画素の面積は変化され、その結果視覚は
スイッチされた面積及びスイッチされない面積を平均化
し、全体をオフ及び全体をオンした中間の灰色のレベル
に変化することになる。
【００４４】図４に示した態様において、スペースリブ
１０６（ａ）と１０６（ｂ）の間の基板面には、スペー
スリブ１０６の横軸に平行して延びているピーク１２０
と谷１２２を有している。２つのピークを説明のために
簡単に示しているが、しかし一般には好ましくは２５０
μｍ×２５０μｍの画素に約１０個のピークが存在する
と良好なグレースケールを調整できる。実際には、電圧
を画素にゆっくりと増加するように適用すると、ピーク
の上の強誘電液晶の部分は電場が最も強いので初めスイ
ッチされる。もしスイッチングが丁度開始まる点におい
て電圧を保持すると、個々の画素はスイッチされたスト
リップ（例えば、暗く）そしてスイッチされないストリ
ップ（例えば、明るく）の液晶として表われる。
【００４５】視覚ではスイッチされた面積とスイッチさ
れない面積を平均化し、そして或る種の程度の灰色を感
ずる。電圧が仮にピークの上でスイッチが始まるしきい
値を越えて増加すると、ピークに隣接する電場の強さが
増加するに従いスイッチ面積のストリップが広がり、そ
してより多くの液晶がスイッチされる。視覚はスイッチ
された面積とスイッチされない面積を平均化し新しいレ
ベルの灰色を感ずる。すべての画素面積がスイッチされ
て全体をオンに又はオフの状態になるまで、電圧は所望
のレベルまで増加することができる。このようにして、
種々の程度の灰色は強誘導液晶を用いて達成することが
できる。ピークから谷への高さの差がスペーサーの高さ
の約１０％であると良好な灰色の調整が達成されること
が新たに見い出された。この高さが低いと、液晶のスイ
ッチング特性、例えば温度の如き表示環境の安定性、及
び電圧を規制する正確度によって有効ではない。
【００４６】他の灰色スケールの特徴は、チャンネル内
の表面が左へ波打ってうねっているよりは、むしろ左か
ら右にゆっくりと傾斜しているスペースリブ１０６
（ｂ）と１０６（ｃ）の間の表面１２４に関連して表わ
れる。この態様において、電場の強さが増加するにつれ
画素は左から右へ暗くなっていく。この効果は、上で述
べたピークによって得られるマルチストリップ模様より
は視覚に対しより粗悪になる。高さを変化させるような
他の配置も、また達成する効果の程度及び製造の容易さ
によって有用である。
【００４７】他の態様として、表面１２６，１２８及び
１３０の組み合せは、色表示の改善を提供するための微
細構造の特徴を利用する手段を示す。この態様におい
て、隣接する画素面積の電極表面１２６，１２８及び１
３０は、お互いにまた上部電極１１０に対して三つの異
なる高さが示されている。異なる光学カラーフィルター
物質、１３２，１３４及び１３６，例えば赤、緑及び青
がこれら表面の上のいづれのチャンネルに含まれてい
る。キャビティ内の液晶物質の深さ（ｄ）がフィルター
を通過する主たる光の波長（λ）の半分であると、最大
の色強度が達成される。従って（ｄ）の最適値は式ｎｄ
＝λ／２によって表わされ、ここでｎは主要な波長の伝
送状態での液晶物質の屈折率である。
【００４８】図４の横断図は説明の目的で単一の表示の
特徴を示すものであるが、単一の表示は全部の特徴を使
用するのではなく、またここに示した以外の組み合せも
使用できる。
【００４９】図５は本発明による微細構造液晶表示支持
体１４０を示し、ここで図２に示したアライメント層６
２及び６６は除かれており、しかし方向性の面を提供す
るために底部基板１４０のスペースリブ１４２の間のチ
ャンネル内の面１４４及び１４６の上に方向性模様の溝
を準備することによって同様の効果が達成される。溝の
模様は連続した平行溝又はそれより小さい通常のものを
含んでいるが、しかし一般には依然として成形表面を仕
上げるのにでこぼこ又はラギーツール（ｒａｇｇｙ ｔ
ｏｏｌ）を通して作るように方向性の溝模様である。代
表的には、溝はスペースリブの高の約１０から約３０％
の深さ、例えば約１μｍから約３μｍである。
【００５０】面１４４及び１４６は、スペースリブ１４
２に対して平行な線（１４４）又はこれに対して角度を
もった線（１４６）によって示された方向に効果を示す
ように溝が付けられる。これらの方向付けされた溝が基
板１４０内に設けられると、導電性物質１４８で覆われ
ていてもセル内に設けられた液晶物質の分子は好ましく
は示されているように真直に並ぶ。上部基板（示されて
いない）は、その上にスペースリブが存在するかどうか
別にして、同様に方向付けされて配列された溝を有して
いる。この方向付の溝の使用は、通常のタイプでの分離
アライメント層の使用及び液晶分子を並べるためのアラ
イメント層の磨き（ｒｕｂｂｉｎｇ）の使用も必要な
い。
【００５１】図６は本発明の他の態様を示すが、ここで
の表示装置１５０の部分は多層の液晶物質を含むものを
表わしている。上部及び底部基板１５２は間隔を置いて
離れており、そしてスペースリブ１５８を有する微細構
造中間部材１５６に接合している。電気導電性物質１６
０，アライメント物質１６２及び接着剤／封入材１６４
が前に述べたようにここにおいて示されている。液晶物
質（示されていない）はセル内に形成されたキャビティ
に含まれている。
【００５２】本発明の微細構造液晶表示素子は、エンボ
ス成形又は射出成形を用いたミクロ反復法（ｍｉｃｒｏ
ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）によっ
て製造することができる。この方法は当業者において公
知であり、米国特許第３，６８９，３４６号、同第４，
２４４，６８３号及び同第４，５７６，８５０号に開示
され、この方法の開示は本願において文献として挙げて
おいた。基本的には、この方法は通常の方法を用いて微
細構造のモールドマスターの製法を含んでいる。放射線
に照射すると急速に重合する重合性組成物でモールドマ
スターを充填する。重合された組成物をモールドマスタ
ーから取り出すと、モールドマスターの複製された微細
構造面を有する重合物品が得られる。
【００５３】物品の主要な両面が微細構造で成形される
場合、密閉した透明のモールドが使用されると、組成物
が重合されそしてモールドを開口すると微細構造素子が
得られる。本発明における微細な複製物を明らかにする
と、通常のダイヤモンド回転旋盤を用い銅合金を削って
マスターを準備する。このマスター機器をめっき方法に
よってニッケルサブマスターとする。いづれの機器は約
４インチ×８インチの寸法であって、多少スペーサーリ
ブの高さが異なった２個の微細な複製スペーサー模様を
有し、いづれの模様は約２インチの幅であって機器の全
長に渡っている。スペーサーリブは長方形の横断面であ
って、２５ミクロメートルの幅と、一方の高さが２．５
ミクロメートルで他の場合が２．８ミクロメートルの高
さである。
【００５４】このリブは、約７０％の中央部の画素面で
は１インチについて３００のリブ（１センチについて１
１８のリブ又は１センチについて１１８の画素）の密度
で並んでいる。二つの異なったリブの高さは、相合され
る表示基板を接合する課程でプラスチック微細構造の弛
緩によって吸収される。第２の機器は、図３に示された
リブを提供するためスペーサーキャビティの上部にピー
クの形材を加える点を除いて、最初のものと同じであ
る。
【００５５】サブマスター機器は、１回又は交互の方法
により、微細構造のプラスチックスペーサー基板を製造
するのに使用される。第１の方法は、ウレタン−アクリ
レート初期重合体樹脂をサブマスター機器に注入した。
硬化後、樹脂の上部側を平滑な表面にすると共に剥離ラ
イナーとして働くポリエステル又はポリカーボネートフ
イルムを樹脂の上に覆った。次にこの樹脂を約１分間３
４０から３８０nm波長の紫外線に照射して硬化した。第
２の方法は、ポリカーボネートフイルム（ゼネラルエレ
クトリック８０５０号）を加熱サブマスター機器を１０
０psi で使用し１７０℃で直接にエンボスした。
【００５６】微細構造プラスチック基板は透明な導電性
インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）によって２０００オグス
トロームの厚さにスパッター塗布を行った。このＩＴＯ
膜は次いで真空蒸着により、５００オグストロームの厚
さの二酸化珪素の層で塗布した。第２の基板は、１イン
チについて１００本の線（１センチについて３９．４
本）の密度の平行線のＩＴＯ模様を有し、市場において
入手できるＩＴＯ塗布のガラス基板を使用して準備し
た。この模様を有する基板を５００オグストロームの厚
さのナイロン重合体層となるようにスピン塗布した。こ
のナイロンは０．２ミクロメーターのＰＴＦＥフィルタ
ーで濾過した６０：４０のｍ−クレゾールとメタノール
の０．５％エルバミドナイロン マルチポリマー樹脂
（デューポン社）溶液であった。回転は２秒間で５００
rpm 、次いで６０秒間で１２００rpm 行った。塗布した
基板を６０℃で３０分間、次いで７０℃で数時間焼付け
を行った。
【００５７】通常の方法を用い、ナイロン層をベルベッ
ト布を使用して一方向に軽く磨いてアライメント表面に
寄与するようにした。上記のようにして得られたプラス
チック及びガラス基板を塗布面を接触させて整合し、こ
のガラス面約９０℃に維持した実験室用加熱板の上に置
き、そして紫外線硬化性接着剤（ノートランド社から入
手できるＯｐｔｉｃａｌ Ａｄｈｅｓｉｖｅ ６８）を
用いて集成体の三方を接合した。微細構造プラスチック
基板はガラス基板より熱膨張率が高いので高温度が採用
され、また後述するように液晶の充填工程は温度が高く
この間プラスチックは曲らないことが必要である。
【００５８】組成体はＬＣＤ工業において一般に採用さ
れている真空充填方法であり、そしてすでに文献として
引用したＬｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ−Ａｐｐｌｉ
ｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓに記載されている方
法を用いて強誘導液晶物質を充填した。集成体は次に紫
外線硬化接着剤を使用してシールした。この得られた表
示は約１インチ（２．５４センチ）四方で各基板上のＩ
ＴＯ電極間が１ギガΩより良好な電気的分離を示した。
米国特許第４，８８６，６１９号（例１７４）に開示さ
れている弗素含有磁誘電液晶物質を充填しそして偏光間
に設けると、市場において入手できるオーバヘッドプロ
ジェクターを用いて壁に投影して観察した場合、この表
示は１０から１より大きいコントラストを有していた。
【００５９】ここで、接着剤を微細構造の基板にタック
オフ法（ｔａｃｋ−ｏｆｆ ｍｅｔｈｏｄ）を採用して
適用する２つの異なった接着剤系を明らかにする。第一
の接着剤はメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）に溶解
したエポキシ接着剤（例えば、Ｓｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌのエポン３３２）の１０％固体溶液を用いた熱硬
化エポキシ系である。この溶液を４０００rpm の回転ス
ピードによりポリイミドフイルムの上に塗布する。室温
で１０分間空気乾燥した後、約４００nmの接着剤フイル
ムの厚さのものが得られた。次にゴムロールを使用し
て、この薄い接着剤フイルムにリブを押圧してリブの上
部に接着剤をタックオフ（ｔａｃｋ ｏｆｆ）する。こ
の接着剤の塗布されたリブを有する微細構造は、液晶表
示基板に貼り合せそして９０℃で２時間炉の中で完全に
硬化する。
【００６０】第２の接着剤系は、タイプＡホトレジスト
溶媒に溶解したエポキシ（Ｎｏｒｌａｎｄ ６１）の９
％固体溶液を用いた紫外線硬化エポキシ系である。この
溶液はまた４０００rpm の回転速度でポリイミドフイル
ムに塗布する。６０℃で１０分間炉で乾燥した後、約６
００nmの厚さの接着剤フイルムが得られた。次に、この
薄い接着剤を上に述べたようにしてリブの上面にタック
オフした。この接着剤の塗布されたリブを有する微細構
造は、液晶表示支持体に貼り合せ、そして紫外線硬化ラ
ンプを用いて完全に硬化した。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶表示装置及びこれを組み込んだエレクトロ
ニックス素子の部分斜視図。
【図２】本発明の液晶機器の部分斜視図。
【図３】本発明の基板の構成及び特徴を示す液晶表示装
置の断面図。
【図４】本発明の基板の構成及び特徴を示す液晶表示装
置の断面図。
【図５】本発明の微細構造を並列させた液晶基板の部分
斜視図。
【図６】本発明の中間分離及びスペース素子の２つの分
離した液晶層を有する液晶表示装置の部分斜視図。
【符号の説明】
１０…ツイストネマック表示装置 １２，１４…基板 １６ａ〜ｅ，１８ａ〜ｄ…電極 ２０，２２…アライメント塗膜層 ２４，２６…偏光素子 ３２ａ〜ｅ，３６ａ〜ｃ…電極リード線 ３４，３８…母線 ４０…集成電子部材 ５０…表示装置 ５２…透明底部基板 ５４…透明上部基板 ５６…スペースリブ ５８，６０…導電性電極 ６２，６４，６６…アライメント物質 ６８…接着剤 ７０…表示装置 ７２，７４…基板 ７６…一体化スペースリブ ７８，８０，８２…透明導電性物質 ８４，８６，８８…アライメント物質 ９０…接着剤 ９２…ピーク ９４…分離溝 １００…表示装置 １０２，１０４…底部及び上部基板 １０６ａ〜ｆ…スペースリブ １０８，１１０…電極物質 １１２，１１４，１１６…アライメント物質 １１８…接着剤 １２０…ピーク １２２…谷 １４０…液晶表示装置 １４２…スペースリブ １４４，１４６…基板 １４８…導電性物質 １５０…表示装置 １５２…上部及び底部基板 １５６…中間部材 １５８…スペースリブ １６０…導電性物質 １６２…アライメント物質 １６４…接着剤
フロントページの続き (72)発明者 マイケル フランシス ウェバー アメリカ合衆国，ミネソタ 55144− 1000，セント ポール，スリーエム セ ンター （番地なし) (72)発明者 ティモシー リー フープマン アメリカ合衆国，ミネソタ 55144− 1000，セント ポール，スリーエム セ ンター （番地なし) (56)参考文献 特開 平１−121819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−13584（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−2130（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−28719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−149798（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−198825（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−78924（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/1339 500

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気的アドレスできる液晶表示（５０，
    ７０，１００）を製造するものである少なくとも一つの
    主要な表面に微細構造の輪郭を有する重合体シートを含
    む基板素子（５２，７２，１０２）であって、該輪郭は
    複数の突起を含み、実質的に平行なうね（５６，７６，
    １０６）は物理的及び化学的に基板の主要部分と一体化
    し、いづれも基板の主要部分からの平面で規定された通
    常の程度に立ち上がっていてそれにより該第１の基板の
    主要部分から間隔のある第２の基板（５４，７４，１０
    ４）を支持し、該表面は独立してアドレスできる電気的
    導電性エリア（５８，７８，１０８）を有する該うねを
    囲んでいる基板素子（５２，７２，１０２）。
  2. 【請求項２】 該うねはピークにおいて最大である請求
    項１記載の基板素子。
  3. 【請求項３】 少なくとも該うねの上部部分は接着剤を
    有する請求項１記載の基板素子。
  4. 【請求項４】 該接着剤の高さは１ミクロメートルに及
    んでいる請求項３記載の基板素子。
  5. 【請求項５】 該うねを囲んでいる基板エリアは該平面
    に従って高さが変る請求項１記載の基板素子。
  6. 【請求項６】 該囲んでいるエリアの高さは該うねの高
    さの少なくとも１０％で変動する請求項５記載の基板素
    子。
  7. 【請求項７】 両者の主要な表面に微細構造の輪郭を有
    する重合体シートを含む基板素子であって、該輪郭は突
    起の模様を含み、実質的に平行なうね（１５８）の物理
    的及び化学的に基板の主要部分と一体化し、いづれの主
    要表面上の突起部は該主要部分の面からの平面で規定さ
    れた通常の程度に立ち上がっていてそれにより該主要部
    分から空間のある別の一組の基板（１５２）のための支
    持体を形成し、該表面素子は独立してアドレスできる電
    気的導電性エリア（１６０）を有する基板素子（１５
    ６）。
  8. 【請求項８】 該うねの少なくとも上部部分は接着剤を
    有する請求項７記載の基板素子。
  9. 【請求項９】 一組のセル壁がお互いにレジスター内で
    重なり合いそしてその間に液晶物質を設け、該セル壁は
    相対する面でアドレスできる電極（５８，７８，１０
    ８）を含む液晶表示（５０，７０，１００）であって、 少なくとも一つの主要な表面に微細構造の輪郭を有する
    重合体シート（５２，７２，１０２）を含む少なくとも
    一つの該セル壁であって、該輪郭は複数の突起を含み、
    実質的に平行なうね（５６，７６，１０６）の物理的及
    び化学的に基板の主要部分と一体化し、いづれも基板の
    主要部分からの平面で規定された通常の程度に立ち上が
    っていてそれにより該第１の基板の主要部分から空間の
    ある第２の基板（５４，７４，１０４）のための支持体
    を形成し、該表面は独立してアドレスできる電気的導電
    性エリア（５８，７８，１０８）を有する該うねを囲ん
    でいる液晶表示。
  10. 【請求項１０】 該うねが該第２の基板と接触している
    場所で該セル壁がお互いに付着している請求項９記載の
    表示。
  11. 【請求項１１】 一組の相対する電気的にアドレスでき
    る外部セル壁、そして少なくとも一つの中間セル素子が
    該外部セル壁の間に設けられ、両者の主要な表面に微細
    構造の輪郭を有する液晶表示セルを含む表示装置であっ
    て、該輪郭は物理的及び化学的に基板の主要部分と一体
    化したうね（１５８）の模様を含み、いづれの主要部分
    上の突起部は主要部分からの平面で規定された通常の程
    度に立ち上がっていて、それにより主要部分から空間の
    ある一組の別の基板（１５２）のための支持体を形成
    し、該素子は独立してアドレスできる電気的導電性エリ
    ア（１６０）を有し、ここで該外部セル壁及び中間セル
    素子は堆積し、重なり合うレジスター内において該中間
    セル素子の両側に少なくとも一つの独立したキャビティ
    を形成している表示デバイス（１５０）。
  12. 【請求項１２】 少なくとも基板の主要な面に微細構造
    輪郭を有する基板素子を成形することを含む基板素子を
    製造する方法において、該輪郭は複数の突起を含み、実
    質的に平行なうねは物理的及び化学的に基板の主要部分
    と一体化し、いづれも基板の主要部分からスペースされ
    た平面で規定された通常の程度に立ち上がっていてそれ
    により第１の基板の主要部分から間隔のある第２の基板
    のための支持体を形成することを含む製造方法。
  13. 【請求項１３】 接着剤が少なくとも該うねの上部部分
    に適用される請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 該接着剤が１ミクロメートルの厚さま
    で適用される請求項１３記載の方法。
JP00179993A 1992-01-16 1993-01-08 液晶表示素子及び装置 Expired - Fee Related JP3217884B2 (ja)

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