JP4387931B2 - ポリマーネットワーク型液晶表示装置、及び、その製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマーネットワーク型の液晶表示装置（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ／ＰＮＬＣＤ）に関し、特に、３Ｖ以下の低電圧で駆動し、かつ、従来と同等の或いはそれ以上の光散乱度を得ることができるＰＮＬＣＤ、及び、その製造方法に関する。

液晶表示装置（ＬＣＤ）には様々な方式のものがあり、一般的には、ＴＮ（Twisted Nematic）型やＳＴＮ（Super Twisted Nematic）型と呼ばれる方式のものがよく知られているが、最近では、ポリマーネットワーク（ＰＮ：Polymer Network）型と呼ばれる方式の液晶表示装置が注目を集めている。

ＰＮ型の液晶表示装置（ＰＮＬＣＤ）は、一対の透明電極基盤（ガラス基盤、或いは、プラスチック基盤）の間に、液晶とＰＮとを封じ込めた構造となっており、透明電極基盤に電圧を印加した場合には、液晶分子が電界方向に配向し、液晶分子とＰＮの屈折率がほぼ一致して透明状態になり、一方、電圧を印加しない場合には、液晶分子がＰＮの表面に沿って列び、液晶分子とＰＮの屈折率が一致せず、光散乱状態となるように構成されている。

ＰＮＬＣＤの製造工程におけるＰＮの形成は、一般に次のような方法によって行われている。まず、液晶と光重合性化合物（モノマー）との混合物を一対の透明電極基盤の間に挟み、一定の条件下で紫外線を照射する。そうすると、光重合によって光重合性化合物が高分子に変化するとともに、光重合、及び、架橋結合により、微細なドメイン（高分子の空隙）を無数に有するＰＮが液晶中に形成される。

ＰＮＬＣＤは、一般的なＬＣＤでは必要となる配向膜や配向処理が不要であり、偏光板や位相差フィルムなども不要となるため、単純な構造とすることができ、また、偏光板による光損失が生じないため、「明るさ」の点で、ＴＮ型液晶表示装置などよりも優れている。

今日では、ＬＣＤの用途（適用対象）は急速に拡がってきており、コンピュータの表示装置、テレビ、その他の製品に広く用いられている。また、据置型の製品だけでなく、各種のモバイル機器（携帯電話機など）においても、必ずと言って良い程、表示装置としてＬＣＤが用いられている。

ＰＮＬＣＤは、上述の通り「明るさ」の点で優れており、構造がシンプルであるという利点を有しているため、当然のことながら、各種のモバイル機器においても、表示装置として適用することが求められている。しかし、従来のＰＮＬＣＤは、駆動電圧が１０Ｖ前後と高いため、３Ｖという低電圧で駆動する各種のモバイル機器（携帯電話機など）に適用することは困難である。

この点ついてより詳細に説明すると、ＰＮＬＣＤの駆動電圧は、一般にＰＮの構造上の特性（ドメインの大きさや形状、及び、ＰＮの膜厚等）に依存しており、ＰＮの構造と、得られる光透過／散乱度との関係において、駆動電圧が決定されている。駆動電圧を３Ｖ程度まで低くしても、十分な光透過／散乱度が得られるようなＰＮＬＣＤを構成するには、各ドメインがいずれも適正な大きさで均一となるように、かつ、形状も均一となるようにＰＮを形成する必要があり、これを実現するためには、紫外線の露光工程において、照射する紫外線の強度、波長、及び、重合温度（重合時における露光対象物、つまり、光重合性化合物の温度）を精密にコントロールする必要がある。

但し、従来のＰＮＬＣＤの製造方法においては、紫外線の露光工程において、管型ランプ（メタルハライドランプや水銀灯など）を光源とする紫外線露光機が使用されていたため、紫外線の強度、波長、及び、温度を精密にコントロールすることが難しく、低電圧でも良好な光散乱度を得られるようなＰＮを形成することはできなかった。

例えば、管型ランプを光源とする紫外線露光機を使用してＰＮを形成しようとする場合、照射される紫外線が強すぎたり、長い波長の光が照射されてしまうというような事態が生じる可能性がある。この場合、照射光によって対象物（光重合性化合物）が加熱されて昇温し、重合温度が適正範囲から外れてしまい、その結果、形成されるドメインの大きさや形状が不均一となり、１０Ｖ程度の高い電圧をかけなければ、十分な光散乱度を得ることができないようなＰＮが形成されてしまうことになる。

また、紫外線が強すぎると、重合速度が速くなり、理想とする大きさよりも小さいドメインが形成されてしまう可能性があるが、ＰＮ中のドメインが小さいということは、それだけポリマー（絶縁体）の量が多くなるといういうことであり、抵抗が増大するため、高い駆動電圧が必要になってしまう。また、ドメインが小さすぎる場合には光散乱度が低下してしまうので、このデメリットを補償するために、設計時にＰＮの膜厚を厚く設定せざるを得ず、その結果、駆動電圧が高くなってしまう。

このように、従来の製造方法によっては低電圧駆動のＰＮＬＣＤを製造することは難しいという事情があり、このため、ＰＮＬＣＤをモバイル機器に適用することは困難であった。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、３Ｖ以下の低電圧で駆動し、かつ、従来と同等の或いはそれ以上の光散乱度を得ることができるＰＮＬＣＤ、及び、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明のＰＮＬＣＤの製造方法は、光源として多数の紫外線発光ダイオードがそれぞれ整列配置され、所定の間隔を置いて平行に配置された二つの発光部の間に、液晶と光重合性化合物との混合物を封入した一対の透明電極基盤を保持させ、その透明電極基盤に対し、その両側から紫外線を照射するとともに、制御手段による制御下において、照射する紫外線の強度と前記透明電極基盤の表面温度を制御することにより、透明電極基盤内においてＰＮを形成することを特徴としている。

本発明のＰＮＬＣＤの製造方法によれば、理想的な大きさ、かつ、理想的な形状のドメインをＰＮ中において均一に形成することができ、その結果、低電圧で駆動するとともに、従来と同等の或いはそれ以上の光散乱度が得られるＰＮＬＣＤを製造することができる。

また、良好な光散乱度が得られるため、ＰＮの膜厚を、従来のものよりも小さく（従来より３０％程度薄く）設定することができ、理想的な大きさと形状のドメインが均一に形成されるため、駆動電圧を３Ｖ以下まで低くすることができる。

従って、本発明の方法によって製造したＰＮＬＣＤは、低電圧で駆動する各種のモバイル機器に対しても簡単に適用することが可能となる。

以下、本発明「ＰＮＬＣＤの製造方法」の実施形態について説明する。まず、液晶と光重合性化合物（モノマー）との混合物を、一対の透明電極基盤の間に挟み、封じ込める。次に、図１に示すような紫外線露光機１を用いて、紫外線の露光工程を実施する。

図示されているように、この紫外線露光機１は、所定の間隔を置いて上下二段に平行に配置された二つの発光部２ａ，２ｂを有している。各発光部２ａ，２ｂにおいては、光源として、多数（ｎ×ｍ個）の紫外線発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ）が、それぞれ水平方向へ格子状（ｎ行×ｍ列）に整列配置されている。

尚、それらのＵＶ−ＬＥＤはいずれも、単波長の紫外線を発するものであって、ＰＮＬＣＤのＰＮを形成しようとする上で適正な波長の紫外線を発するものが採用されている。

また、上段の発光部２ａのＵＶ−ＬＥＤは、いずれも下向きに配置されており、電力供給部３よりケーブル９ａを介して供給される電源電力を受けて発光し、所望の強度の紫外線を下方向へ照射するように構成されている。一方、下段の発光部２ｂのＵＶ−ＬＥＤは、いずれも上向きに配置されており、電力供給部３よりケーブル９ｂを介して供給される電源電力を受けて発光し、所望の強度の紫外線を上方向へ照射するように構成されている。このように、図１の紫外線露光機１は、処理対象物（液晶と光重合性化合物を封入した一対の透明電極基盤）に対して面露光が可能で、しかも、処理対象物の上面と下面を同時に露光することができる装置である。

この紫外線露光機１は、処理対象物に対する紫外線の照射強度、及び、温度を常に監視するとともに、それらが一定の範囲内に収まるように制御される構成となっている。より具体的に説明すると、この紫外線露光機１においては、ＵＶ−ＬＥＤから照射される紫外線の強度、及び、処理対象物の表面における温度を測定するセンサー４ａ，４ｂが、発光部２ａ，２ｂの近傍にそれぞれ配置されており、これらのセンサー４ａ，４ｂによる計測値がケーブル１０ａ，１０ｂを介して制御装置５（制御手段）に常時入力されるようになっている。

制御装置５は演算回路を内蔵しており、センサー４ａ，４ｂからの計測値を受けて、処理対象物に対する紫外線の照射強度、及び、温度を一定の範囲内とするために必要なＵＶ−ＬＥＤの出力条件（供給電力の値）を演算回路によって算出し、現行の出力条件との差をとって出力条件の補正値を算出する。この出力条件の補正値は、制御装置５から伝送路８を介して電力供給部３へ伝達される。そして、電力供給部３は、伝達された補正値を受けて出力条件を変更する。その結果、紫外線の照射強度、及び、温度を一定の範囲内に収めることができる。

尚、この紫外線露光機１においては、発光部２ａ，２ｂに配置されているすべてのＵＶ−ＬＥＤの出力（電力供給量）を、それぞれ個別に調節できるように構成されており、また、センサー４ａ，４ｂは、発光部２ａ，２ｂに配置されているＵＶ−ＬＥＤの一つ一つに個別に対応しているため、すべてのＵＶ−ＬＥＤの紫外線強度、及び、温度を、それぞれ個別に制御することができる。従って、照射される紫外線の強度、及び、処理対象物の表面温度のばらつきを解消することができ、処理対象物表面のすべての領域にわたって均一に露光を行うことができる。また、処理対象物の種類毎に（或いは、工程毎に）それぞれ適切なプロファイルを予め作成しておき、露光工程を実施する際にそれらを適用することによって、処理対象物の特性や目的等に適合した最適な露光環境を創出することができる。

プロファイルの具体例としては、（１）すべてのＵＶ−ＬＥＤの照射強度を１００％とする、（２）半数のＵＶ−ＬＥＤの照射強度を１００％、残余のＵＶ−ＬＥＤの照射強度を５０％とする、（３）全体の３分の１のＵＶ−ＬＥＤの照射強度を５０％、残余のＵＶ−ＬＥＤの照射強度を２５％とする、といったものなどが一例として考えられる。

液晶と光重合性化合物を封入した一対の透明電極基盤に対し、上記のような紫外線露光機１を用いて紫外線の露光工程を実施することにより、理想的な大きさ、かつ、理想的な形状のドメインをＰＮ中において均一に形成することができ、その結果、３Ｖ以下の低電圧で駆動するとともに、従来と同等の或いはそれ以上の光散乱度が得られるＰＮＬＣＤを製造することができる。

より具体的には、駆動電圧を３Ｖ程度まで低くしても、十分な光透過／散乱度が得られるようなＰＮＬＣＤを構成するには、紫外線の露光工程において、照射する紫外線の強度、波長、及び、重合温度を精密にコントロールする必要があり、図１に示した紫外線露光機１は、前述の通り、紫外線の照射強度、及び、温度を一定の範囲（Ｔｃ点（相転移温度）〜Ｔｃ点＋０．５℃の範囲）内に収めることができ、更に、発光部２ａ，２ｂの光源として、ＰＮを形成しようとする上で適正な波長（単波長）の紫外線を発するＵＶ−ＬＥＤが採用されているため、所望の条件下で露光工程を実施することにより、各ドメインがいずれも適正な大きさ（４００〜８００ｎｍ）で均一となるように、かつ、形状も均一となるようにＰＮを形成することができる。

また、図１の紫外線露光機１を用いた場合、液晶と光重合性化合物を封入した一対の透明電極基盤を、二つの発光部２ａ，２ｂの中間位置に保持させて、上下両側方向から紫外線を同時に照射することができるため、ＰＮの深さ方向について、重合速度に遅延が生じるという問題を回避することができ、ＰＮの面方向、深さ方向のいずれについても、均一な大きさ、及び、均一な形状のドメインを形成することができる。その結果、３Ｖ以下の低電圧で駆動するとともに、従来と同等の或いはそれ以上の光散乱度が得られるＰＮＬＣＤとすることができる。

尚、ここでは、各発光部２ａ，２ｂにおいてＵＶ−ＬＥＤがｎ行×ｍ列の格子状に整列配置されてなる紫外線露光機１を用いたが、ＵＶ−ＬＥＤを千鳥状、放射状、或いは、ハニカム状に配置した紫外線露光機１を用いることもできる。また、ＵＶ−ＬＥＤの整列方向は、必ずしも水平方向である必要はなく、平面方向に（一つの平面或いは緩やかな曲面に沿って）整列されていればよく、例えば、垂直方向に整列させた構造の紫外線露光機１を用いることもできる。

本発明の第１の実施形態に係るＰＮＬＣＤの製造方法に使用する紫外線露光機１の構成図。

符号の説明

１：紫外線露光機、
２，２ａ，２ｂ：発光部、
３：電力供給部、
４，４ａ，４ｂ：センサー、
５：制御装置、
８：伝送路、
９ａ，９ｂ：ケーブル、
１０ａ，１０ｂ：ケーブル

Claims (1)

1. 光源として多数の紫外線発光ダイオードがそれぞれ整列配置され、所定の間隔を置いて平行に配置された二つの発光部の間に、液晶と光重合性化合物との混合物を封入した一対の透明電極基盤を保持させ、
   前記透明電極基盤に対し、その両側から紫外線を照射するとともに、制御手段による制御下において、照射する紫外線の強度と前記透明電極基盤の表面温度を制御することにより、前記透明電極基盤内においてポリマーネットワークを形成することを特徴とするポリマーネットワーク型の液晶表示装置の製造方法。