JP4220816B2 - 液晶光変調器およびその製造方法ならびに液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光変調器およびその製造方法ならびに液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶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、液晶の電気光学効果を応用すると、光の強度等を主に変化させる光変調器を実現することができる。この液晶を用いた光変調器（以下、これを液晶光変調器という。）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。このため、液晶光変調器は、ディスプレイ用の電気光学素子として近年注目されている。
【０００３】
そのような液晶光変調器の１つとして、１対の透明電極間に設けられた液晶層の液晶分子の配向方向を９０°ねじり、入射光の偏光方向を回転する旋光能を利用したツイストネマティック液晶素子が広く知られており、液晶表示装置に多く用いられている。
【０００４】
上記ツイストネマティック液晶素子は、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ことで、透過光を変調する機能が得られる。
【０００５】
上記ツイストネマティック液晶素子は、配向膜の材料として、プレチルトや電圧保持率の観点から、通常ポリイミド樹脂が選択される。そして、ガラス基板上にポリイミド樹脂を均一に塗布した後、１５０〜２００℃程度の温度で焼成してアミック酸からポリイミドを縮合させる。さらに、液晶分子を配向させるためのラビング（摩擦）処理が行われて、配向膜とされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、旋光能を利用した従来の液晶光変調器およびそれを用いた液晶表示装置は、上記配向膜に関し、以下のような課題を抱える。
【０００７】
配向膜を形成する過程で高温処理およびラビング処理を必要とするため、製造工程が煩雑となり、製造コストも高くなる。また、ラビング処理の際に、細かい塵が発生し、また、静電気が発生するため、製造歩留まりが低下する。
【０００８】
一方、液晶表示装置の軽量化、柔軟化（フレキシブル化）を実現するために、ガラス基板に変えてプラスティック基板を導入することが進められているが、このとき、上記のように配向膜を形成する過程で高温処理を必要とするため、プラスッティック基板が熱によって変形してそり等を生じ、表面の平坦性が損なわれる。また、このことが製造歩留まりを低下させる要因となる。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、製造工程が簡易で、安価に製造することができる液晶光変調器およびその製造方法ならびに液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、基板としてプラスティックフィルム基板を好適に用いることができる液晶光変調器およびその製造方法ならびに液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る液晶光変調器は、少なくとも表層分子が配向するとともに、該表層分子の配向方向が相互に直交するようにして積層配設される１対の延伸して形成された多孔質樹脂膜と、該多孔質樹脂膜に浸透され多孔質樹脂膜の積層により誘起される旋光性のねじれ配向をするネマティック液晶とからなる液晶・樹脂複合体と、該液晶・樹脂複合体を挟持する、透明電極付きの１対の透明基板と、前記１対の透明基板を挟んで設けられる光透過軸が直交する１対の偏光板と、を有することを特徴とする。
【００１２】
これにより、高温処理やラビング処理を伴うポリイミド配向膜を設けたときに生じ得る製造工程の煩雑さを軽減することができ、液晶光変調器を簡易な製造工程で、安価に製造することができる。
【００１３】
この場合、前記多孔質樹脂膜が、ポリマー繊維のネットワークを有し、該ポリマー繊維の太さが１μｍ以下であると、光散乱を防止するうえで好適である。
【００１４】
また、この場合、前記液晶・樹脂複合体の厚みが２μｍ以上であると、光利用率の高い変調を行う上で好適である。
【００１５】
また、この場合、前記多孔質樹脂膜を構成する樹脂が、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、フッ素系樹脂若しくはセルロース樹脂またはそれら樹脂の共重合体またはそれら樹脂若しくは共重合体の混合物であると、好適である。
【００１６】
また、この場合、前記１対の透明基板としてプラスティックフィルム基板を用いると、熱による損傷を受けることがなく、また、フレキシブルなプラスティックフィルム基板を好適に得ることができる。
【００１７】
また、本発明に係る液晶表示装置は、上記の液晶光変調器を有すると、上記本発明の液晶光変調器の効果を好適に得ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る液晶光変調器の製造方法は、上記の液晶光変調器の製造方法であって、樹脂を相分離して得られる多孔質樹脂材料を機械的に延伸した後、ネマティック液晶を浸透させて液晶・樹脂複合体を得ると、上記液晶光変調器の効果を好適に発揮することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る液晶光変調器およびその製造方法ならびに液晶表示装置の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。
【００２０】
まず、本実施の形態例に係る液晶光変調器および液晶表示素子について、図１を参照して説明する。図１は、液晶光変調器を構成する液晶・樹脂複合体の構造を模式的に示している。
【００２１】
液晶・樹脂複合体１７は、一方向に揃って異方性化した微細な樹脂１４が凝集した１対の多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂが相互に直交する方向に配置され、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂ中にネマティック液晶１２が浸透され、浸透したネマティック液晶１２はねじれ配向した構造を有する。
【００２２】
1対の多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、それぞれ、樹脂１４、言いかえれば、樹脂のネットワークの繊維が一方向に伸びた形態を有する。なお、1対の多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、後述する透明電極１８ａ、１８ｂ側に向いた表層（表面）の樹脂の分子のみが配向したものであってもよい。
【００２３】
ネマティック液晶１２は、樹脂１４の配向に制御されて樹脂と同じ配向方向をとるように配列される。その結果、図１に示すように、後述する透明電極１８ａ、１８ｂ側に向いた表層に位置するネマティック液晶１２のみが樹脂１４の分子と同じ方向に配向し、中間部分のネマティック液晶１２は液晶材料の弾性により、９０°ねじれることになる。なお、後述するように、液晶光変調器１０を使用して電源のオン、オフを繰り返す場合において、電源オフすなわち、電圧の印加を解除したときの液晶の弾性によるネマティック液晶１２の配向状態も、図１の形態となる。
【００２４】
液晶・樹脂複合体１７を挟んで、透明電極１８ａ、１８ｂをそれぞれ付着した1対の透明基板２０ａ、２０ｂが設けられ、これらの構成要素全体で液晶光変調器１０を構成する。
【００２５】
さらに、液晶光変調器１０の1対の透明基板２０ａ、２０ｂを挟んで、光透過軸が平行または直交した1対の偏光板２２ａ、２２ｂが設けられる。透明電極１８ａ、１８ｂは、それぞれリード線２４ａ、２４ｂを介して、交流電圧を供給する駆動電圧源２６に接続される。これらの構成要素全体で液晶表示装置２８を構成する。
【００２６】
多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、自立性を有する。ここで、自立性とは、一定の剛性をもち、言いかえれば、一定の機械的安定性をもち、自ら独立して一定の形状を保持し得る性質をいう。すなわち、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、２枚の基板で挟持するまでもなく、小さな力が加わっても変形等することなく、一定の形状を保持する。
【００２７】
多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂに用いる樹脂１４は、合成樹脂であってもよく、また、天然樹脂であってもよい。また、樹脂１４の材料としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、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、例えばポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、セルロース樹脂等の樹脂のうちのいずれか、またはそれらの樹脂の共重合体、さらにはそれらの樹脂の混合物、それらの共重合体の混合物、あるいは樹脂と共重合体の混合物を用いることができる。また、配向性に優れた樹脂として、液晶性のモノマーを硬化させた合成樹脂や、高分子液晶を用いることもできる。
【００２８】
多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、液晶１２を高い秩序で分子配向させることにより、高コントラスト比な光変調動作を得ることができる。そのため、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂを構成する樹脂は、形態が高度に異方性化しているか、または、表面の高分子主鎖もしくは側鎖が高い秩序で分子配向していることが望ましい。
【００２９】
多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、樹脂の分散密度やサイズを変えることにより、光変調の応答速度やコントラスト比が制御可能となる。
【００３０】
多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、気孔率が高いと、液晶の含有率が大きなり、光変調動作に有利であり、例えば５０％以上程度あると好適である。また、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂは、繊維状または空孔のある網目状の構造を有するものが好ましい。このような多孔質樹脂膜も、後述する相分離や延伸等の作製方法により得ることができる。ポリマー分子の繊維は、太さが１μｍ以下であると、光散乱を防止するうえで好適である。また、液晶・樹脂複合体１７の厚みは、２〜５０μｍ程度であると、光利用率の高い変調を行ううえで好適である。なお、この場合、硬質樹脂や二酸化ケイ素等からなる粒径の揃ったスペーサ粒子を多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂ中に分散しておくと、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂの厚みをより精密に制御することができる。
【００３１】
ネマティック液晶１２の材料は、低粘度で高弾性のものが適しており、例えば、ビフェニル系、ターフェニル系、フェニルシクロヘキサン系、フッ素系、トラン系またはエステル系の材料を用いることができる。
【００３２】
液晶・樹脂複合体１７におけるネマティック液晶１２の含有量（多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂおよびネマティック液晶１２全体に対するネマティック液晶１２の割合）は、特に限定するものではないが、例えば５０質量％以上であると好適である。
【００３３】
上記の液晶・樹脂複合体１７は、例えば、樹脂を相分離して得られる多孔質樹脂材料（樹脂１４）を、好ましくは樹脂のガラス転移点以上の温度で、機械的に延伸させた後、透明電極１８ａ、１８ｂに塗布し、この塗布膜にネマティック液晶１４を浸透させることにより得られる。なお、これに限らず、樹脂のガラス転移点を下回る温度下で処理してもよい。このとき、透明基板２０ａ、２０ｂの耐熱性の許容範囲内で延伸時に加熱すると、より好適である。
【００３４】
なお、本実施の形態例に係る液晶光変調器１０および液晶表示装置２８における上記液晶・樹脂複合体１７以外の構成要素については、通常の材料を用い、通常の方法で作製することができるため、以下に簡単に説明するに止める。
【００３５】
透明電極１８ａ、１８ｂの材料としては、スズをドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）等の透明金属酸化物材料が好適である。これらの透明金属酸化物材料を真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の方法を用いて成膜することにより透明電極１８ａ、１８ｂを得ることができる。また、透明金属酸化物材料に変えてポリチオフェン系樹脂等の有機系の高分子導電材料を、スピンコート法や、印刷法により塗布して透明電極１８ａ、１８ｂを形成してもよい。
【００３６】
透明電極１８ａ、１８ｂ間の間隔を多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂの積層厚みよりも大きくすることにより、液晶のねじれ配向が誘起され、また、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂに圧縮応力がかからないことにより、液晶のねじれ配向を阻害することがない。
【００３７】
透明基板２０ａ、２０ｂの材料としては、例えば厚みが０．７ｍｍ以下の薄いガラス板を用いることができ、これにより、液晶変調器１０および液晶表示装置２８の軽量化、大面積化を実現することができる。また、例えば厚みが０．４ｍｍ以下程度の薄くて可撓性を有するプラスティックフィルムを用いてもよく、これにより、さらに、フレキシブルな液晶変調器１０および液晶表示装置２８を得ることができる。このような、プラスティックフィルムに用いられる樹脂としては、ポリカーボネート、ポルエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート等の柔軟なプラスティックフィルムを挙げることができる。
【００３８】
なお、多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂの厚み、形状は、２枚の透明基板２０ａ、２０ｂ間のギャップによってではなく、前記したように、自立性を有する多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂ自体によって保持される。
【００３９】
上記のように構成される本実施の形態例に係る液晶表示装置２８は、入射光が偏光板２２ａにより液晶・樹脂複合体１７の配向処理方向と平行または垂直に偏光されて透明基板２０ａに入射され、液晶光変調器１０で偏光状態が制御され、偏光板２２ｂの光吸収により強度が変調されて（光変調されて）透過光となる。
【００４０】
すなわち、透明電極２０ａ、２０ｂに電圧が印加されていないとき、ネマティック液晶１４の弾性により、液晶の配向方向が９０°ねじれ、これにより入射した偏光は、偏光方向が９０°ねじれて出射する（旋光能）。このとき、出射側の偏光板２２ａ、２２ｂの透過軸が、素子に入射する偏光の方向に平行な場合、すなわち、ノーマリーブラックモードの場合、光を遮断して黒表示され、一方、素子に入射する偏光の方向に直交する場合、すなわち、ノーマリーホワイトモードの場合、光を透過して白表示される。
【００４１】
これに対して、透明電極２０ａ、２０ｂに十分な電圧が印加されるとき、ネマティック液晶１４が電界に平行に配向し、液晶分子が図1中、上下方向に直立する。これにより、旋光現象が消失して、液晶・樹脂複合体１７の内部で入射光の偏光方向が保存され、偏光板２２ａ、２２ｂがノーマリーブラックモードの場合、光を透過して白表示され、一方、偏光板２２ａ、２２ｂがノーマリーホワイトモードの場合、光を遮断して黒表示される。
【００４２】
上記の液晶の配向の変化、言いかえれば、液晶・樹脂複合体１７における偏光方向の変化は電圧強度に応じて連続的に生じるため、印加電圧を制御することにより、透過光強度をアナログ的に変調することができる。
【００４３】
以上説明した本実施の形態例に係る液晶光変調器１０および液晶表示装置２８は、液晶・樹脂複合体１７の多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂの樹脂分子の配向に伴って液晶が配向するため、従来のポリイミド樹脂を用いた配向膜のように、高温で処理し、あるいはラビング処理を行う必要がない。
【００４４】
このため、ラビング処理の際に生じ得る静電気によって薄膜トランジスタが破壊されるおそれや、発塵を回避することができる。また、高温処理の際の熱によるプラスティックフィルム基板や透明電極の損傷を回避することができる。これにより、液晶光変調器１０および液晶表示装置２８の生産の歩留まりの低下を軽減することができ、生産性を高めることができる。
【００４５】
また、従来のポリイミドを用いた配向膜の場合、液晶配向むらを生じ得るため大面積かつ均一にラビング処理することが困難であったが、本実施の形態例によれば、ラビング処理が不要なため、大面積の液晶表示装置を簡便に作製することができる。
【００４６】
また、本実施の形態例に係る液晶光変調器１０および液晶表示装置２８は、液晶・樹脂複合体１７の多孔質樹脂膜１６ａ、１６ｂの樹脂が高度に異方性化等していると、液晶が高い秩序で配向される。これにより、例えば５０：１程度の高コントラスト比の光変調動作を得ることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態例に係る液晶光変調器において、バックライトをさらに設けると、よりコントラスト比の良好な表示装置を得ることができる。一方、バックライトに変えて反射板や拡散板を設けてもよく、これにより消費電力の低い反射型液晶表示装置を得ることもできる。また、反射板または拡散板をバックライトと組み合わせて用いてもよい。これらの場合において、一方の透明基板や透明電極を透明でない基板や金属電極にしてもよい。
【００４８】
【実施例】
実施例を挙げて、本発明をさらに説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００４９】
ポリオレフィンを機械的に延伸した厚みが７μｍの多孔質膜の２枚を、相互に直交するように配置して積層する。ついで、積層した２枚の多孔質膜にネマティック液晶を浸透させて液晶・樹脂複合体を得る。このときの、液晶・樹脂複合体中のネマティック液晶の含有量は、５０質量％以上である。この場合、２枚の多孔質膜のそれぞれに予めネマティック液晶を浸透させた後、２枚の多孔質膜を積層してもよい。さらに、ネマティック液晶が浸透した２枚の多孔質膜を、それぞれ厚みが７２ｎｍのＩＴＯ透明電極付きの厚みが１．１ｍｍの２枚のフロートガラス基板で挟み込むことにより、液晶光変調器を得た。このとき、対向する２つのＩＴＯ透明電極間の間隔を２４μｍとし、この間隔を２枚の多孔質膜の積層厚みよりも十分大きくすることにより、液晶のねじれ配向を誘起させた。
【００５０】
試作した液晶光変調器に偏光板を設け、ＩＴＯ透明電極に１００Ｖの交流電圧を印加して、電気光学効果を測定した。図２に測定データを示す。
【００５１】
図２より明らかなように、偏光板がノーマリーブラックモードの状態（図２中、矢印Ｂで示す。）では印加電圧の増加とともに光透過率が大きくなり、透過光が増加した。一方、偏光板がノーマリーホワイトモードの状態（図２中、矢印Ａで示す。）では印加電圧の増加とともに光透過率が小さくなり、透過光が減少した。これにより、５０：１程度の高いコントラスト比が得られた。試作した液晶光変調器を用いた素子は、電圧制御型の旋光効果を有し、表示動作に必要な光変調機能を有することが確認できた。
【００５２】
また、上記の素子に１００Ｖの交流電圧パルスを印加して透過光の時間変化を測定したところ、立ち上がり６ｍｓ、立ち下がり１８ｍｓ、合計２４ｍｓという高速な応答特性が得られた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係る液晶光変調器によれば、少なくとも表層分子が配向するとともに、表層分子の配向方向が相互に直交するようにして配設される１対の多孔質樹脂膜と、多孔質樹脂膜に浸透され、ねじれ配向するネマティック液晶とからなる液晶・樹脂複合体と、液晶・樹脂複合体を挟持する、透明電極付きの１対の透明基板とを有するため、液晶光変調器を簡易な製造工程で、安価に製造することができる。
【００５４】
また、本発明に係る液晶光変調器によれば、多孔質樹脂膜を構成する樹脂が、ポリマー繊維のネットワークを有し、ポリマー繊維の太さが１μｍ以下であるため、光散乱を防止するうえで好適である。
【００５５】
また、本発明に係る液晶光変調器によれば、液晶・樹脂複合体の厚みが２μｍ以上であるため、光利用率の高い変調を行う上で好適である。
【００５６】
また、本発明に係る液晶光変調器によれば、１対の透明基板としてプラスティックフィルム基板を用いると、熱による損傷を受けることがなく、また、フレキシブルなプラスティックフィルム基板を好適に得ることができる。
【００５７】
また、本発明に係る液晶表示装置によれば、上記の液晶光変調器を有するため、本発明の液晶光変調器の効果を好適に得ることができる。
【００５８】
また、本発明に係る液晶光変調器の製造方法によれば、樹脂を相分離して得られる多孔質樹脂材料を機械的に延伸した後、ネマティック液晶を浸透させて液晶・樹脂複合体を得るため、上記液晶光変調器の効果を好適に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態例に係る液晶表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】 実施例の液晶光変調器の電気光学特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ 液晶光変調器
１２ ネマティック液晶
１４ 樹脂
１６ａ、１６ｂ 多孔質樹脂膜
１７ 液晶・樹脂複合体
１８ａ、１８ｂ 透明電極
２０ａ、２０ｂ 透明基板
２２ａ、２２ｂ 偏光板
２４ａ、２４ｂ リード線
２６ 駆動電圧源
２８ 液晶表示装置

Claims (7)

1. 少なくとも表層分子が配向するとともに、該表層分子の配向方向が相互に直交するようにして積層配設される１対の延伸して形成された多孔質樹脂膜と、該多孔質樹脂膜に浸透され多孔質樹脂膜の積層により誘起される旋光性のねじれ配向をするネマティック液晶とからなる液晶・樹脂複合体と、
   該液晶・樹脂複合体を挟持する、透明電極付きの１対の透明基板と、
   前記１対の透明基板を挟んで設けられる光透過軸が直交する１対の偏光板と、を有することを特徴とする液晶光変調器。
2. 前記多孔質樹脂膜が、ポリマー繊維のネットワークを有し、該ポリマー繊維の太さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶光変調器。
3. 前記液晶・樹脂複合体の厚みが２μｍ以上であ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. 前記多孔質樹脂膜を構成する樹脂が、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、フッ素系樹脂若しくはセルロース樹脂またはそれら樹脂の共重合体またはそれら樹脂若しくは共重合体の混合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶光変調器。
5. 前記１対の透明基板がプラスティックフィルム基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶光変調器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液晶光変調器を有することを特徴とする液晶表示装置。
7. 請求項１記載の液晶光変調器の製造方法であって、
   樹脂を相分離して得られる多孔質樹脂材料を機械的に延伸した後、ネマティック液晶を浸透させて液晶・樹脂複合体を得ることを特徴とする液晶光変調器の製造方法。

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