JP3559197B2 - 液晶電気光学装置の作製方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
特に、基板間隔が大きくないにもかかわらず、散乱効率が高い液晶電気光学装置を提案するものである。
【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つられて、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、画面の明るいコントラストのよい分散型液晶が知られている。第２図に従来の分散型液晶の概略図を示す。透光性を有する基板（１００、１００’）に挟持された分散型液晶とは透光性の固相ポリマー（１０２）が液晶材料（１０３）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。
【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、液晶の屈折率とポリマーの屈折率が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。
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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように分散型液晶のスイッチングの原理は、透光性の基板側から入射した光が調光層に於ける屈折率の異なる樹脂と液晶ドロップレットの中を数回に渡って通過し両界面において光路を変えながら反対の基板面に達し、光が散乱する。その時には入射光の光は大きく散乱した状態になっている。この時の調光層に於ける散乱効率を大きくするためには、樹脂と液晶ドロップレットとの接する回数が調光層の厚み方向に多いことが望ましい。そのたび毎に光は散乱していくからである。従って、調光層の厚みを大きくすればするほど散乱効率は大きくなる。しかしながら、基板間隔、ひいては電極間隔が大きくなり、調光層をスィッチングするための駆動電圧が大きくなってしまう問題が生じた。そのために散乱効率は良くなっても通常のＩＣでの駆動、ＴＦＴでの駆動が出来なくなってしまった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は分散型液晶に於ける光の散乱効率を向上させるものである。調光層には樹脂のなかにそれと屈折率の異なる液晶ドロップレットが数回にわたって存在し屈折率の異なる境界面において光は屈折しながら通過していくことになる。従って調光層に於ける散乱効率を上げるためには樹脂と液晶の屈折率の差を大きくする事と両者の接する回数を増やしてやればよい。液晶の屈折率の大きさは通常０．２〜０．３程度であり限界がある。
【００１１】
次に従って液晶ドロップレットについて考えることにする。調光層に於ける液晶ドロップレットの代表的な作製方法は、以下に示す３種類である。
１）液晶材料と紫外線硬化樹脂を４：６から８：２の割合で混合したものを基板間に注入し、基板面から紫外線を照射して樹脂を硬化させるものである。照射するときには液晶と樹脂の混合体の等方相から液晶相への転移する温度から５から４０℃程度に加熱した状態に試料の温度を調節しておくことが望ましい。
２）溶媒の中に液晶と樹脂を溶解したものを調整し、基板上にスピナー法か、キャスト法により塗布した後、溶媒を徐々に揮散させて作製することが出来る。樹脂としてはポリエチレンテレフタレートやポリフマル酸エステルやポリカルバゾールやＰＭＭＡ等が挙げられる。
３）ポリビニルアルコールを用いて液晶カプセルにしたもの
これらはいずれにしても液晶ドロップレットの形状は図２に示すように球形を呈している。特に外場を印加しているわけでもなく、等方的な状態がドロップレットにとって安定なだけである。散乱効率だけを考えるならば液晶と樹脂が接する回数が多ければ多いほど望ましい。図１に本発明の概略図を示す。ドロップレットの形状は球形でいるよりは偏平な形態をしていて調光層の厚み方向に偏平したドロップレット（１０４）が積層しているほうが光の散乱状態としては効率がよい。このような状態にドロップレットを変形させるためには通常の工程で作製したドロップレットを基板同士を加圧することによって変形させればよい。それにより基板間距離は小さくなりドロップレットは偏平な形になる。この場合、温度としては５０から１５０℃に加熱して、圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧するとドロップレットは容易に変形し、温度を４０℃以下にした状態で加圧をやめると変形後に元の状態に戻ることもない。その時の偏平したドロップレット径の短軸の長軸に対する比（基板法線に平行な軸の長さの基板法線に垂直な軸の長さに対する比）が１：１．２〜１：５．０程度のときに散乱効率が良かった。
【００１２】
このように変形したドロップレットの表面積は球形の時のそれに比べて大きくなる。分散型液晶の場合、ドロップレット径が小さくなると電界印加時に於いても透過状態にならずに散乱状態を保つ場合がある。この現象はドロップレット径が小さくなったことで前述したように界面の数が増加するために散乱効率は大きくなるが、その一方において、液晶分子の動きを樹脂界面が規制してしまうからだと考えられる。今までの実験結果からすると０．５〜３μｍ以下のドロップレット径の時にそのような状態となる。このような現象は偏平なドロップレット構造の時にも同様である。従って、比較的ドロップレット径の大きな状態をはじめの段階で作製しておき、１〜４μｍ程度の短軸を有したドロップレットに変形させると散乱効率が高く、かつ電界印加によって透過率の高い状態に変化させる事が出来る。
以下に実施例を示し、本発明を説明する。
【００１３】
【実施例】
『実施例１』 まずは図１に示すように通常のプロセスにより分散型液晶電気光学装置を作製する。本実施例では紫外線硬化型樹脂を用いた分散型液晶電気光学装置について説明する。透光性を有する基板（１００、１００’）上に、透光性の導電膜であるインジウムと錫の酸化膜（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）（１０１、１０１’）を公知の蒸着法やスパッタ法にて成膜した。膜厚は、５００から２０００Åであった。この時のシート抵抗は２０から２００Ω／ｃｍ２ であった。次に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た。次に前記第１の基板と第２の基板を５〜１００μｍ、望ましくは７〜３０μｍの径を有する無機製のスペーサを間に挟んで加圧して貼合わせた。その結果ほぼスペサー径のセル間隔を保つ事が出来る。つぎに液晶材料について説明する。使用した液晶は、屈折率が１．５８２、Δｎが０．２４０のシアノビフェニル系のネマチック液晶であった。未硬化の光硬化性樹脂として、屈折率が１．５７３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使用した。
【００１４】
この混合系の相図を図３に示した。液晶の分率が増加するに従って等方相からネマチック相へ転移する温度は上昇した。
液晶混合系のＮ−Ｉ相転移点よりも高温で前述の第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１０から１００ｍＷ／ｃｍ²のＵＶ照射強度で約３０〜３００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た。この結果、樹脂（１０２）に取り囲まれた液晶ドロップレット（１０３）が形成された。
【００１５】
液晶材料と樹脂との混合比が６：４のときに硬化温度を変化させて作製したセルの電界無印加時の散乱透過率（１０５）を図４に示した。次に、その液晶基板を圧力２ｋｇ／ｃｍ²でプレスしたときの散乱透過率（１０６）を図４に示した。その結果全体の散乱透過率は低下した。電界印加時の透過率を測定した時には６０℃のときに作製したものが最も透過率が高かった。その時の分散した液晶ドロップレットの断面形状の寸法は短軸の直径は平均で２．３μｍ、長軸は３．５μｍであった。

【００１６】
『実施例２』透光性基板上にスパッタ法で成膜した透光性電極で形成し、さらに、パターニングして第１の基板とした。その基板上に、液晶として屈折率が１．５８２、Δｎが０．２４０のシアノビフェニル系ネマチック液晶、カプセル化材料としてポリビニルアルコールを使用した混合系を、キャスト法にて溶媒を加熱乾燥し散乱液晶層を成膜した。そのときの膜厚は２０μｍであった。次に第２の基板上に成膜し、ここにＴＦＴ等を形成した第２の基板を真空状態を利用したラミネート法により密着、固定させることで液晶セルを作製した。ラミネータの使用は偏平なドロップレットを作製する本発明の作製には大きな威力を発揮してくれる。すなわち、基板同士の接着と同時に分散している液晶ドロップレットの偏平工程処理もおこなえるからである。
【００１７】
この装置を使用し温度を７０℃に固定し圧力を変化させてセルを作製した。散乱透過率は、圧力が２から４ｋｇ／ｃｍ２ の時に最も低下した。それ以上の圧力になると再び上昇した。加圧によりドロップレット径の短径が１μｍ以下となり小さくなりすぎたためである。
【００１８】
本発明において、使用する液晶材料はネマチック、コレステリックまたはスメクチックの液晶材料より適宜選択して使用でき、場合によっては混合物として使用することも可能である。スメクチック液晶を使用した場合、本発明のプレス工程において液晶の配列がさらに崩れ易くよりさんらんの程度の激しい液晶電気光学装置を実現でき、表示コントラストがさらに向上する。さらにこれらに加えて二色性の染料等を加えてゲストホスト型の液晶電気光学装置としてもよい。
【００１９】
また本明細書において、分散された液晶材料をドロップレットとして記載し、図面にも円または円形状で表現しているが、特にこの形状に限定されることはなくその他の形状や樹脂の３次元網目状の空洞中に液晶が含侵されているものでも同様な効果を期待できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の構成をとることにより、分散型液晶電気光学装置において散乱効率が大きく、かつ電界印加時の透過特性の良好な分散型液晶の電気光学装置を実現する事が出来た。
【００２１】
さらに、偏光板を用いないために、光の損失の少ない、明るい液晶ディスプレイができた。つまり背景色が乳白色であり、紙のような印象の液晶パネルができ上がった。
それはあたかも印刷物のような印象のディスプレイを再現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶電気光学装置の概略図を示す。
【図２】従来の分散型液晶電気光学装置の概略図を示す。
【図３】液晶、樹脂混合系の相図の一例を示す。
【図４】温度を変化させて作製した試料の透過率を示し、かつ本発明による効果の一例をあわせて示す。
【符号の説明】
１００・・・透光性基板
１０１・・・透光性電極
１０２・・・樹脂
１０３・・・液晶ドロップレット
１０４・・・偏平な液晶ドロップレット
１０６・・・基板を加圧した時のデータ

Claims (4)

1. 第１及び第２の透光性基板を有する液晶電気光学装置において、
   前記第１及び第２の透光性基板を接着し、
   前記第１及び第２の透光性基板間に紫外線硬化樹脂と液晶材料とからなる混合材料を注入し、
   前記混合材料が等方相から液晶相へ転移する温度より５〜４０℃高い温度に加熱した状態で、前記混合材料に紫外線を照射し、前記紫外線硬化樹脂を硬化させることにより前記液晶材料を含むドロップレットを形成し、
   前記第１の透光性基板と前記第２の透光性基板とを５０〜１５０℃に加熱しながら圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ ² で加圧し、その後、温度が４０℃以下になった状態で加圧をやめることによって前記ドロップレット径の短軸の長軸に対する比を１：１．２〜１：５．０になるように前記ドロップレットを偏平させることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方法。
2. 前記液晶ドロップレットは、ネマチック、コレステリックまたはスメクチックを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の液晶電気光学装置の作製方法。
3. 前記液晶ドロップレットは、染料を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の液晶電気光学装置の作製方法。
4. 前記第１の透光性基板と前記第２の透光性基板とを加圧する圧力は、２ｋｇ／ｃｍ ² であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の液晶電気光学装置の作製方法。

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