JP4512415B2

JP4512415B2 - 液晶光変調器および液晶表示装置

Info

Publication number: JP4512415B2
Application number: JP2004141164A
Authority: JP
Inventors: 英夫藤掛; 弘人佐藤
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005321705A

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、基板上に形成した樹脂製の配向膜（摩擦処理したポリイミド膜）により、２つの透明電極間における液晶分子を配向し均一化してなる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複屈折効果や旋光能が制御され、入射光の偏光状態が変化する。そして、光入射方向の前後に偏光板を配設し、入射光を通過させることにより、入射光を変調するようにしている。

フラットパネルディスプレイ大事典（第157〜159頁：工業調査会）

しかし、前述した液晶光変調器は、以下に述べるような問題を有している。
すなわち、透明基板上の配向膜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。

また、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。

さらに、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（通常180℃）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。

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低消費電力の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。

上述の課題を解決するため、本発明による液晶光変調器は、１対のプラスチック基板と、
前記１対のプラスチック基板の内側に付設され、対向配置された１対の透明電極膜と、
前記１対の透明電極膜の間に、該１対の透明電極膜に両端が接して、大略規則的に配置された複数本のスペーサ構造体と、
これら複数本のスペーサ構造体と前記１対の透明電極膜との間に充填された液晶とを備え、
前記スペーサ構造体の前記液晶と接する表面には、前記１対の透明電極膜に電圧を印加した場合の液晶配向方向とは異なる方向に延びる筋状起伏による液晶配向効果を有するグルーブが設けられ、前記１対の透明電極膜に電圧が印加されていない場合には前記グルーブの延びる方向に前記液晶が配向されてなり、前記透明電極膜上に配向膜を有していないことを特徴とするものである。

また、前記スペーサ構造体の各々について、前記グルーブが複数本設けられ、これら複数本のグルーブの延びる方向が、互いに略同一、かつ前記透明電極に対して、平行または所定の傾斜角をもって形成されていることが好ましい。

また、前記複数本のスペーサ構造体は、該１対の透明電極膜の少なくとも一方側に固定されて配置されていることが好ましい。

また、前記複数本のスペーサ構造体が、全体として格子状に組み合わされるように構成配置されていることが好ましい。

また、所定の規則で配置された前記複数本のスペーサ構造体の前記グルーブが、その延びる方向を全体として略一致させるように構成されていることが好ましい。

また、前記スペーサ構造体に形成されたグルーブの間隔は、具体的には１ミクロン以下であることが好ましい。

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に置き換え、他方の電極膜は透明電極膜のままとして、反射型の液晶光変調器と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た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、１対のプラスチック基板の内側に付設された透明電極の間に、透明電極膜に電圧を印加した場合の液晶配向方向とは異なる方向に延びる筋状起伏による液晶配向効果を有するグルーブを液晶と接する表面に有する、例えば合成樹脂製のスペーサ構造体を複数本配置して、このスペーサ構造体と１対の透明電極膜との間に液晶を充填するようにしており、これにより透明電極膜に電圧が印加されていない場合にはグルーブの延びる方向に液晶が配向されるように液晶の分子配向を制御することができる。

そして、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。

また、液晶は、透明電極膜に対して規則的に固定配置された複数本のスペーサ構造体の表面に設けられたグルーブに沿って配向することから、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かつ安価に構成できる。

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、液晶１を分子配向させ得る透過型の液晶光変調器であって、透明基板４の内側に付設され、互いに対向配置された１対の透明電極膜２と、これら１対の透明電極膜２の間において、規則的にかつ互いに平行に配置された複数本の微細な合成樹脂製のスペーサ構造体３と、これら各スペーサ構造体３の間に充填されたネマティック型の液晶１とを備えている。

なお、上記スペーサ構造体３は少なくとも一方の透明電極膜２に接着しており、少なくとも一方の透明基板４と一体化されている。
また、上記各透明電極２はリード線５を介して、交流電圧を供給する電圧源６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および透明基板４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７が配されている。
すなわち、透明電極膜２間に印加される電圧の強度に応じて、液晶１の配向が変化するため、一方の偏光板７に入射した光（入射光）８は、この液晶１により偏光方向が変化し、他方の偏光板７の光吸収により強度変調された光（出射光）９として出射される。

上記合成樹脂製の微小なスペーサ構造体３の各々の側面には、少なくとも１本の微細なグルーブ３a（筋状起伏）が設けられており、そのグルーブ３aの延びる方向（図１の実施例では透明基板４に平行な方向）に沿って液晶１の分子を配向しようとする。
この結果、透明電極膜２に電圧が印加されていない場合、各スペーサ構造体３の間では液晶材料の弾性により、液晶１の各分子がグルーブ３aの延びる方向に配向される。これは、スペーサ構造体３の表面に細長い液晶分子が配列されると、配向の歪みが最小化されるように、液晶１の材料の弾性により、配向方向が定められることによる。

その一方、透明電極膜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の各分子が基板面から立ち上がるように液晶１の配向方向が変化するので、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、透明基板４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７を配設することにより、光変調機能を得ることができる。

なお、スペーサ構造体３を互いに組み合わせて、透明基板４側から見た場合に、全体としてスペーサ構造体３による格子構造が形成されるように配置してもよい。その場合においても、個々のスペーサ構造体３のグルーブ３aの延びる方向は同一とし、格子構造全体として、グルーブ３aの延びる方向が略一致するように形成することが望ましい。

このように、液晶１に対して、より多くのスペーサ構造体３を均一分布させることにより、より均一な液晶配向が得られる。

また、スペーサ構造体３のグルーブ３aが延びる方向は、透明電極膜２に平行としてもよいが、液晶分子の初期配向を基板から急激に起こしたい場合には、スペーサ構造体３のグルーブ３aが延びる方向を透明電極膜２に対して所定角度だけ傾斜させるようにしてもよい（プレチルト角の付加）。

また、スペーサ構造体３の配置間隔のみならずグルーブ３aの間隔および深さを適宜変更することにより、液晶配向に対する拘束力を変化させて、液晶１による光変調の応答速度やコントラスト比、さらには光変調効果を得るための駆動電圧を所望の値に設定することが可能である。
ただし、液晶配向効果が得られるグルーブ３aの間隔は１μｍ以下とすることが好ましい。

また、グルーブ３aは種々の溝形状とし得るが、例えば、断面正弦波状または断面三角波状とすればよく、その断面形状が非対称となるようなグルーブ３aであってもよい。また、グルーブ３aの間隔は、必ずしも一定とする必要はない。

さらに、スペーサ構造体３の配置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、隣接するスペーサ構造体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スペーサ構造体３を配設することが望ましい。

なお、スペーサ構造体３の横幅としては、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。
なお、スペーサ構造体３は、いずれかの透明電極膜２に、その一部もしくは全部が付着されて固定される。

また、スペーサ構造体３は、印刷法を用い樹脂材料を含む溶液をグルーブパターン状に塗布し、乾燥させることにより、あるいはグルーブ形状の光学マスクを用いたフォトリソグラフィー法によって均一塗布膜をパターニングすることにより得ることが可能である。また、柔軟化した樹脂膜を金属などの型を用いてプレス成型することにより得てもよい。その際、金型に溝構造を形成しておけば微細なグルーブを有するスペーサ構造体を作製できる。

また、スペーサ構造体３を構成する樹脂材料としては、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、液晶１に対して配向規制力を有する分子配向性の合成樹脂（加熱により軟化配向する液晶性高分子、配向した液晶性モノマーを重合・硬化させた高分子など）も有用である。

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４としては、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、透明電極膜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。これらの透明電極膜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４上に形成する。

また、透明電極膜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４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４を不透明のものとしたり、一方の透明電極膜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スペーサ構造体３の表面構造により液晶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膜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膜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。

本発明の実施形態に係る液晶光変調器を示す概念的な断面図

符号の説明

１液晶
２透明電極膜
３スペーサ構造体
３ａグルーブ（筋状起伏）
４透明基板
５リード線
６電圧源
７偏光板
８入射光
９出射光

Claims

１対のプラスチック基板と、
前記１対のプラスチック基板の内側に付設され、対向配置された１対の透明電極膜と、
前記１対の透明電極膜の間に、該１対の透明電極膜に両端が接して、大略規則的に配置された複数本のスペーサ構造体と、
これら複数本のスペーサ構造体と前記１対の透明電極膜との間に充填された液晶とを備え、
前記スペーサ構造体の前記液晶と接する表面には、前記１対の透明電極膜に電圧を印加した場合の液晶配向方向とは異なる方向に延びる筋状起伏による液晶配向効果を有するグルーブが設けられ、前記１対の透明電極膜に電圧が印加されていない場合には前記グルーブの延びる方向に前記液晶が配向されてなり、前記透明電極膜上に配向膜を有していないことを特徴とする液晶光変調器。
前記スペーサ構造体の各々について、前記グルーブが複数本設けられ、これら複数本のグルーブの延びる方向が互いに略同一、かつ前記透明電極に対して、平行または所定の傾斜角をもって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。
前記複数本のスペーサ構造体は、前記１対の透明電極膜の少なくとも一方側に固定されて配置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。
前記複数本のスペーサ構造体が、全体として格子状に組み合わされるように構成配置されている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。
所定の規則で配置された前記複数本のスペーサ構造体の前記グルーブが、その延びる方向を全体として略一致させるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の液晶光変調器。
前記スペーサ構造体に形成されたグルーブの間隔が、１ミクロン以下であることを特徴とする請求項２〜５のうちいずれか１項記載の液晶光変調器。
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に置き換え、他方の電極膜は透明電極膜のままとしたことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１記載の液晶光変調器。
請求項１〜７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。