JP4216213B2 - 液晶光変調器およびそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶を用いて光を変調する、透過型および反射型の液晶光変調器および液晶表示装置に関し、特に低消費電力かつ高速な階調画像表示が必要とされるフラットパネルディスプレイやフレキシブルディスプレイに有用な液晶光変調器および液晶表示装置に関するものである。

液晶材料に電界を加えて、液晶分子の配向状態を変化させるという電気光学効果を応用すると光変調器が実現できる。
液晶光変調器は、他の電気光学効果を示す光学結晶に比べて低電圧で動作するため、表示装置用の電気光学素子として、近年注目されている。

そのような液晶光変調器の一つとして、２つの透明電極間における液晶分子の配向方向を９０度ねじり、入射光の偏光方向を回転する旋光能を利用した素子（ツイストネマティック液晶素子）が広く知られており、現在、液晶表示装置に多用されている（非特許文献１参照）。
このような液晶光変調器においては、電圧印加に伴う液晶分子の配向変化に応じて旋光能が変化するため、この変化を利用して入射光を変調するようにしている。

また、他の液晶光変調器の態様として、液晶内に合成樹脂の微細構造を形成し、その配向規制力により３次元的に液晶配向を制御したものが知られている。
上述したような、液晶内に合成樹脂を混合してなる複合体（以下、液晶・樹脂複合体と称する）では、樹脂表面における液晶の配向規制力が働くため、液晶内に合成樹脂を分散しないものと比べて、高速な応答が得られる。それにより、フラットパネルディスプレイや投写型ディスプレイ等への適用が期待されている。

なお、上記複合体を有する液晶光変調器としては、例えば、液晶に合成樹脂の原材料（モノマやオリゴマ）を溶解した混合液を透明基板で挟んだ後、この合成樹脂の原材料に対して光重合反応処理を施すことにより合成樹脂と液晶を分離させて形成するようにした液晶光変調器が開示されている（非特許文献２参照）。

フラットパネルディスプレイ大事典（第53〜55頁：工業調査会） N. A. Vaz, G.W. Smith and G. P. Montgomery. Jr.:"A light control film composed of liquid crystal droplets dispersedin a UV-curable polymer", Mol. Cryst.Liq. Cryst. , vol. 146, pp. 1-15（1987）

しかし、前述した２方式の液晶光変調器は、各々以下に述べるような問題を有している。
すなわち、前者の液晶光変調器においては、透明基板上にポリイミド膜等の配向膜を均一に塗布した状態で高温焼成処理を施し、さらに液晶分子を配向させるための摩擦（ラビング）処理を施す必要があるため、それに伴う微細塵や静電気の発生により、製造歩留りが低下して、製造コストが高くなる。

また、液晶表示装置の軽量化・柔軟化のため、プラスティック基板の導入が進められているが、ポリイミド膜は上述したように高温焼成（100℃以上）処理を必要とし、プラスティック基板を用いると、基板が熱処理で変形（そり等）して、基板表面の平坦性が劣化し易くなるため、これによっても、表示パネルの製造歩留りが低下して、製造コストが高くなる。

一方、後者の液晶光変調器においては、一旦混合した液晶・樹脂複合体を再分離させるために光重合反応が用いられることから、精密な温度管理を必要とし、さらに、この再分離の後に僅かではあるが液晶中に残留している合成樹脂が液晶の電気光学特性（応答時間やコントラスト比）を低下させる要因となる。

さらに上述したような液晶・樹脂複合体においては、微細な合成樹脂構造による液晶の表面配向規制力によって、液晶の分子が強く拘束される（表面配向規制力が近距離で働く）ため、液晶を駆動するための印加電圧が高くなり、表示パネルの消費電力がどうしても大きくなる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、微細塵や静電気の発生や基板表面の平坦性の劣化を招来するポリイミド膜等の配向膜、および光重合反応処理や高印加電圧が必要とされる液晶・樹脂複合体を使用することなく、良好な電気光学特性を簡易かつ低コストで得ることのできる液晶光変調器およびそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の液晶光変調器は、
対向配置された１対の透明電極膜と、
該１対の透明電極膜の間であって、この透明電極膜の面方向に、所定間隔をおいて互いに平行となるよう、該透明電極膜に対して固定配置された複数本の樹脂繊維と、
これら複数本の樹脂繊維の間に各々充填された液晶と、
前記液晶の層厚を設定保持する、前記１対の透明電極膜間に介在するスペーサと、
を備えた液晶光変調器において、
前記樹脂繊維の各々が、直径が１０μｍ以下の樹脂繊維単位を複数本ずつ束ねられ、全体としての直径が２〜５０μｍとされてなり、
前記１対の透明電極膜の少なくとも一方が、プラスチックフィルムよりなる透明基板上に形成されてなることを特徴とするものである。

また、前記樹脂繊維の表面分子を、機械的な延伸処理により配列形成することが好ましい。

また、前記樹脂繊維の間隔および太さは、光変調効果による所定の応答速度および所定のコントラスト比が得られる値に設定されていることが好ましい。

また、前記１対の透明電極膜のうちの一方の電極膜を不透明の電極膜とし、他方の電極膜は透明電極膜とすることが可能である。この場合に、透明電極膜とされた前記他方の電極膜を、透明基板上に形成することが可能である。

また、本発明の液晶表示装置は、上述したいずれかの液晶光変調器を備えてなることを特徴とするものである。

本発明に係る液晶光変調器および液晶表示装置によれば、対向配置された１対の透明電極膜の間に、所定間隔をおいて互いに平行となるように、前記１対の透明電極膜に対して複数本の樹脂繊維を固定配置し、これら複数本の樹脂繊維の間に各々液晶を充填するようにして構成される。

液晶は、所定間隔をおいて互いに平行となるように固定配置された複数本の樹脂繊維に沿って配向されることから、従来、液晶を配向させるために必要とされていたポリイミド膜等の配向膜とそのラビング処理が一切不要となるため、微細塵や静電気の発生や基板表面の平坦性の劣化を招来することがなく、製造歩留りを向上させることが可能となる。
さらに、ポリイミド等の配向膜の高温焼成処理が不要となるため、プラスティック基板を使用することができ、軽量で柔軟な液晶光変調器や液晶表示装置を容易に構成できる。

また、光重合反応処理や高印加電圧が必要とされる液晶・樹脂複合体が不要とされるため、微細な樹脂構造の配向規制を、従来よりも遠距離において機能させることができることから液晶を低い印加電圧で駆動することができ、低消費電力とすることができる。
さらに、従来、光重合反応処理を行なうための精密な温度管理が不要とされ、液晶・樹脂複合体の再分離の後に液晶中に残留している合成樹脂による液晶の電気光学特性（応答時間やコントラスト比）の低下を生じる虞もない。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る液晶光変調器の構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態の液晶光変調器は、透過型の液晶光変調器であって、対向配置された１対の透明電極膜２（図示されない透明基板の内側に付設されている）と、これら１対の透明電極膜２の間に、等しい間隔をおいて互いに平行となるように、一方の透明電極膜２に対して固定配置された複数本の微細な樹脂繊維３と、これら各樹脂繊維３の間に各々充填されたネマティック型の液晶１とを備えている。
また、上記各透明電極２はリード線４を介して、交流電圧を供給する電圧源５に接続されている。

また、本実施形態の液晶光変調器では、上記透明電極膜２および図示されない透明基板の外側に、偏光透過軸が互いに直交もしくは平行とされた２枚の偏光板６が配されている。
すなわち、透明電極２間に印加される電圧の強度に応じて、液晶１の配向性が変化するため、一方の偏光板６に入射した光７は、この液晶１により偏光方向が変化し、他方の偏光板６の光吸収により強度変調された光８として出射される。

本実施形態の液晶光変調器においては、上述したように合成樹脂もしくは天然樹脂の繊維が、一方向に伸びた形状とされており、さらに望ましくは、その繊維の表面分子がその方向に配向されるように構成する。これにより、その間に充填された液晶１の各分子も、この方向に配向しようとする。
その結果、透明電極２に電圧が印加されていない場合、各樹脂繊維３の間では液晶材料の弾性により、液晶１の各分子が一方向に配向される。

一方、透明電極２に電圧を印加した場合、この印加された電圧に応じて液晶１の各分子の配向が変化し、この変化に応じて液晶１の複屈折性を制御することができる。
したがって、図示されない透明基板の外側に、偏光透過軸が互いに直交もしくは平行とされた２枚の偏光板６を配設することにより、光変調機能を得ることができる。

また、本実施形態のものでは、配向膜を基板上に設けた従来のものとは異なり、液晶１が接する樹脂繊維表面の分子配向により、液晶１が良好にアンカリングされるという際立った作用効果を奏することができる。
この場合、高い配列秩序に液晶１の各分子を配向させて高コントラスト比を得るためには、上述したように樹脂繊維３の表面分子も樹脂繊維３自体の伸びる方向に配向されていることが望ましい。

また、そのための樹脂繊維３の形態としては、機械的な延伸処理により形成されたものが望ましく、配向性をより高めるためには、延伸時においてこの樹脂繊維３を加熱することも効果的である。
また、隣接する樹脂繊維３の間隔を、小さくするほど液晶１の各分子の配向が容易となるが、その一方で、このように間隔を小さくするほど液晶１が存在する光変調部の面積比率が減少してしまう。そこで、液晶表示装置を構成するのであれば、隣接する樹脂繊維３の間隔を単位画素の間隔とし、画素間の遮光部として設けられるブラックマトリックス部と位置を一致させるようにして樹脂繊維３を配設することが望ましい。

なお、樹脂繊維３の間隔のみならず太さを変えることによっても液晶１に対する配向規制力が変化するため、樹脂繊維３の間隔のみならず太さを適宜選択することにより、液晶１による光変調の応答速度やコントラスト比を所望の値に設定することが可能である。
なお、樹脂繊維３の太さとしては、成形や取り扱いの容易さを勘案すると、２μｍから５０μｍの間の値に設定することが望ましい。

また、樹脂繊維３は、一方の透明電極２に対し、その一部もしくは全部を付着させて固定する。固定方法としては、例えば、光硬化樹脂等の粘着剤１０を用いる。
なお、樹脂繊維３は一本づつ配置しても良いが、機械的な強度の確保や取り扱いの容易さを考慮して、複数の繊維を束ねたものを樹脂繊維３としてもよい。

樹脂繊維３の樹脂材料としては、加熱すると延伸しやすい材料が好ましく、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フッ素系樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレンなど）、セルロース樹脂またはそれらの共重合体（例えばアクリルウレタン樹脂）等を用いることができる。
また、配向性に優れた樹脂材料として、液晶性のモノマを硬化させた合成樹脂や、高分子液晶を用いることも可能である。

また、液晶１としては、ネマティック液晶、コレステリック液晶あるいはスメクティック液晶を用いることができる。
ただし高速応答を得るには、低粘性かつ高弾性の液晶材料が適しており、化学構造としては、液晶１の屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝異常光屈折率ｎ_ｅ−常光屈折率ｎ_ｏ）が大きいシアノ系、ビフェニール系、ターフェニール系、ピリミジン系、トラン系あるいはフッ素系等のネマティック液晶が適している。

また、スメクティック液晶を用いる場合、自発分極を有して高速応答を示す強誘電性液晶が有用である。例えば、シッフ塩基系強誘電性液晶、アゾ系強誘電性液晶、アゾキシ系強誘電性液晶、ビフェニール系強誘電性液晶、エステル系強誘電性液晶あるいはフェニールピリミジン系強誘電性液晶等とすることが好ましい。

さらに、透明基板としては、０．７ｍｍ以下の薄いガラス板とすることが有用である。
また、厚みが０．４ｍｍ以下のポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリアリレートあるいはアモルファスポリオレフィン等の非晶質透明樹脂等の柔軟なプラスティックフィルムを用いることができる。このような柔軟なプラスティックフィルム基板を用いた場合、軽量で曲げることが可能な液晶光変調器を実現することができる。

また、液晶１の層厚を高精度で設定保持するために、両透明基板（両透明電極２）間に所定厚みのスペーサ９を設けても良い。
スペーサ９としては、例えば粒径の揃ったスペーサ粒子（硬質樹脂、SiO₂など）や光リソグラフィーで形成した柱状の樹脂構造物が望ましい。

また、透明電極２としては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）を始め、酸化インジウムや酸化錫等の金属酸化物を材料として用いるとよい。これらの透明電極２は、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどの周知の成膜技術により上記透明基板上に形成する。
また、透明電極２は、ポリチオフェン系樹脂等の透明な有機系導電性材料を、スピンコート法や印刷法等を用いて透明基板上に形成するようにしてもよい。

なお、上記実施形態の液晶光変調器にバックライトを設けることにより、高コントラストの液晶表示装置を構成することができる。
さらに、上記液晶光変調器に光反射板や光拡散板を設けることにより、バックライトが不要とされる低消費電力の反射型液晶表示装置を構成することも可能である。

このような反射型液晶表示装置を構成する場合には、上述した実施形態のものにおいて、一方の透明基板を不透明のものとしたり、一方の透明電極２を金属電極に置き換えることも可能である。

本実施形態の液晶光変調器においては、上述したように配された樹脂繊維３により液晶１の各分子が配向するため、従来の液晶光変調器において用いられていたポリイミド等の配向膜を透明電極２上に設ける必要はない。
その結果、ラビング時に発生する静電気による薄膜トランジスタの破壊や発塵を招来せず、さらにポリイミド等の配向膜の高温形成が不要となるため、熱処理に弱いプラスティック基板や透明電極２にダメージを与えることなく、生産性を高めることが可能となる。

また、光重合反応処理や高印加電圧が必要とされる従来の液晶・樹脂複合体が不要とされるため、液晶１を低い印加電圧で駆動することができ低消費電力とすることができるとともに、光重合反応処理を行なうための精密な温度管理が不要とされ、液晶・樹脂複合体の再分離の後に液晶１中に残留している合成樹脂による液晶１の電気光学特性の低下を生じることもない。

以下、本発明の液晶光変調器について、実施例を用いてさらに具体的に説明する。

本実施例では、樹脂繊維３として不織布樹脂を用い、そのフィラメントの表面分子配向により液晶１の分子を配向させて、液晶光変調器（液晶セル）を構成した。
通常、洗浄に用いる不織布には、微小な付着物等の汚れを落とすために微細な繊維が使用されており、本実施例においては、このような不織布を樹脂繊維３として用いた。
すなわち、まず、セルロース製の洗浄用不織布(旭化成社 ベンコットＭ−３)を室温で一方向に延伸して、繊維の絡みをほぐした。

次に、ピンセットを用いて個別にフィラメントを取り出して束ねた。この場合、１本の繊維の直径は１０μｍ以下であり、機械的な強度を確保するため数本を束ねて樹脂繊維３とした。
次に、透明電極２を付設した一方のガラス基板上に、上記のようにして作製した樹脂繊維３を平行に一定間隔で配置した。
樹脂繊維３は、張設された状態で、粘着剤１０(光硬化樹脂)を用いて両端を透明電極２上に固定した。また、作製の容易さから、樹脂繊維３の配設間隔（ピッチ）を平均２５０μｍ(通常の液晶表示装置の画素と同程度)とした。

次に、このようにして樹脂繊維３が固定された一方のガラス基板に対し、透明電極２を付設した他方のガラス基板を、樹脂繊維３を内側にした状態で、シール樹脂を用いて互いに貼り合わせる処理を行い、この処理を行なう際に、上記両透明電極２の間にネマティック液晶を浸透させて、液晶セルを構成した。

また、スペーサ９としては、粒子径が１０μｍのものを用いた。
このため、樹脂繊維３は両透明基板により挟持され、つぶれた状態となり、透明基板の面方向に５０μｍ程度の幅を有するに至った。

このようにして作製した液晶セルをクロスニコルの偏光顕微鏡で観察した。
その結果、樹脂繊維３の延伸方向と偏光板６の透過軸方向が、互いに平行な場合と４５°傾いて交差した場合とで、透過光強度が変化して、延伸方向を光学軸方向とした明確な複屈折現象が認められた。
これにより、液晶１の分子が樹脂繊維３の延伸方向に分子配向(水平配向)していることが確認された。

また、透明電極２に印加する電圧を増加させると、樹脂繊維３から離れた部位の液晶１からその分子の配向が変化し始め、水平配向から最終的には垂直配向に変化した。
これにより、樹脂繊維３の配向規制力によって、液晶１の分子配向が支配されていることが確認された。

次に、隣接する樹脂繊維３の間隔の変化に応じて液晶配向がどのように変化するのかを検証するため、上記と比べて、隣接する樹脂繊維３の間隔が２倍(約５００μｍ)とされた液晶セルを上記と同様にして作製した。
この隣接する樹脂繊維３の間隔が約５００μｍとされた液晶セルを、上記と同様にクロスニコルの偏光顕微鏡で観察した。
その結果、液晶配向の一様性が上記のものと比べて大幅に低下していることが明らかとなった。

本発明の実施形態に係る液晶光変調器を示す模式図

符号の説明

１ 液晶
２ 透明電極
３ 樹脂繊維
４ リード線
５ 電源
６ 偏光板
７ 光（入射光）
８ 光（出射光）
９ スペーサ
１０ 粘着剤

Claims (6)

1. 対向配置された１対の透明電極膜と、
   該１対の透明電極膜の間であって、この透明電極膜の面方向に、所定間隔をおいて互いに平行となるよう、該透明電極膜に対して固定配置された複数本の樹脂繊維と、
   これら複数本の樹脂繊維の間に各々充填された液晶と、
   前記液晶の層厚を設定保持する、前記１対の透明電極膜間に介在するスペーサと、
   を備えた液晶光変調器において、
   前記樹脂繊維の各々が、直径が１０μｍ以下の樹脂繊維単位を複数本ずつ束ねられ、全体としての直径が２〜５０μｍとされてなり、
   前記１対の透明電極膜の少なくとも一方が、プラスチックフィルムよりなる透明基板上に形成されてなることを特徴とする液晶光変調器。
2. 前記樹脂繊維の表面分子が、機械的な延伸処理により配列形成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶光変調器。
3. 前記樹脂繊維の間隔および太さは、光変調効果による所定の応答速度および所定のコントラスト比が得られる値に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の液晶光変調器。
4. 前記１対の透明電極膜のうちの一方の電極膜を不透明の電極膜とし、他方の電極膜は透明電極膜としたことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の液晶光変調器。
5. 前記他方の電極膜が、透明基板上に形成されてなることを特徴とする請求項４記載の液晶光変調器。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１項記載の液晶光変調器を備えてなることを特徴とする液晶表示装置。

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