JP4610387B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、このような液晶マイクロエマルジョンにおいては、液晶が温度及び濃度の変化により相変化し、透明ネマティック相を形成することが記載されているが、透明ネマティック相を光学的に変化させることは開示されていない。更に、エマルジョン(a)の形成において、微小な大きさを作り出しにくいこと、また、長時間経つと透明ネマティック相が分離してエマルジョンを形成しなくなることから、これらの点において工夫の余地があった。
また、液晶材料のマトリックス中に、電圧印加下又は電圧無印加下における液晶材料の屈折率と同等の屈折率を有する無機酸化物微粒子が分散された液晶光学素子が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。この液晶光学素子は、液晶材料と無機酸化物微粒子との屈折率を利用することにより光透過率が変化するものである。
しかしながら、これらは、局所的にはネマティックの配向秩序が形成されているにもかかわらず、巨視的には等方性を示す相が形成されるという透明ネマティック相の特性を用いるものではない。したがって、透明ネマティック相の特性を用いて、液晶表示装置が基本性能に優れたものとなるようにする工夫の余地があった。
この電気光学材料においては、ポリイミドの前駆体に金属微粒子又はSiO2微粒子を分散させてフィルム化し、加熱工程、強酸による金属微粒子又はSiO2微粒子の溶解工程により作製されることになる。しかしながら、このような微液晶分散体においても、透明ネマティック相の特性を用いることにはならない。
したがって、透明ネマティック相の特性を有するとともに、そのような特性を安定的に発揮することができ、液晶表示における種々の性能を充分に発揮することができる新しいモードの液晶表示装置が求められていた。
山本潤、外1名、「液晶マイクロエマルジョンのダイナミクス」、1999年日本液晶学会討論会講演予稿集、日本液晶学会、1999年9月29日、p318−319
以下に本発明を詳述する。
上記液晶表示装置における基板や電極は、液晶表示装置としての機能が充分に発揮されることになるように、透明基板や透明電極を用いることが好ましい。透明電極としては、例えば、透明導電膜等が挙げられる。また、基板の間隔等は、本発明の作用効果が充分に発揮されるように適宜設定されることが好ましい。
上記誘電率異方性(Δε)は、Δε=ε1−ε2で求められる。ε1とは、液晶分子の長軸方向の誘電率であり、また、ε2とは、液晶分子の単軸方向の誘電率である。誘電率εは、岡野光治、小林駿介共編、「液晶 基礎編」、株式会社培風館、1985年7月15日、p.215−216に記載されているように、ε=Cpd/S(Cpは、液晶の静電容量を表す。dは、液晶層の厚さを表す。Sは、2枚の基板の電極の重なり部分の面積を表す。)により求めることができる。
上記液晶層においては、電極への印加電圧が閾値より低いときに、印加電圧が閾値以上のときよりも光学的に等方的であり、また、印加電圧が閾値以上のときに、液晶分子があらかじめ決められた方向に配列して光学的に等方的な状態が変化することにより、液晶表示装置における液晶表示を変化させることができるものであればよい。本発明においては、電極への印加電圧が閾値より低いときを電極に電圧が印加されない状態とすることが好ましい。
光学的に等方的である場合には、旋光されずに液晶層中を光が透過し、また、光学的に等方的な状態が変化した場合には、旋光されて液晶層中を光が透過するようにすることが好ましい。更に、光学的に等方的である場合には、旋光されずに液晶層中を光が透過し、透明状態であることが好ましい。
また、上記微粒子に施される表面処理は、1種であってもよいし、2種以上であってもよい。
液晶中を含めて液体中の粒子は、粒径が1μm以下程度になると、ブラウン拡散しており、ほとんどの場合、電荷を帯びている。この粒子の帯電状態は、ζ(ゼータ)電位によって表わされる。一般的に液体中に微粒子を分散させた場合、同符号の電荷を帯びた粒子が接近すると、粒子間には静電反発力とファンデルワールス引力が作用する。粒子が更に電子雲が重なり合うまで接近すると、加えて強い反発力が作用する。このように、液体中の粒子には、これらの3つの力が重なり合って作用している。粒子の大きさが小さくなればなるほど、ファンデルワールス力が支配的に作用し、粒子は凝集しやすくなる。これに対し、粒子を分散させるために、界面活性剤を加えて乳化・分散させる方法がある。しかし、液晶中では、界面活性剤は、不純物となるため、表示の際に表示不良を発生するなど悪影響を与えることになる。そこで、液晶中に粒子を乳化・分散させるためには、反発力(分散力)を高くするエネルギーを外部から粒子に与えなければならない。つまり、液晶中での粒子の乳化・分散には、剪断力が必要である。この乳化・分散原理(剪断力)は、メディアミル、コロイドミル、ロールミル、回転式、高圧式のように流体と接触壁面との外部剪断力によるものと、流体自身の分子間力によるもの、すなわち、乱流域における、速度の不規則な変動のために生じるレイノルズ応力といわれる内部剪断力(液−液剪断)を利用するものとに分けられる。
本発明においては、液晶中に含有させる微粒子の表面に修飾基を付与する表面処理等を施すことにより、上述の大掛かりな装置を用いて外部エネルギーを与えなくても微粒子の分散が可能となっている。
上記平均粒子径の測定方法は、下記(1)又は(2)の方法により行うことが好ましい。
(1)粒度分布装置で測定する方法;溶媒中に分散させ、希薄溶液にして平均粒子径をだす。この場合、どの径のものが何質量%含まれているか、全体がでるようになっている装置を用いて測定することが好ましい。例えば、自動的に平均粒子径が測定できるような大塚電子株式会社製、ダイナミック光散乱光度計DLS−7000(商品名)で測定した値を本発明における微粒子の平均粒子径とすることが好ましい。
(2)走査型電子顕微鏡(SEM)で測定する方法;SEMで適当な倍率で写真をとりn=100〜500測定しその平均値を平均粒子径とする。
上記固体粒子とは、微粒子の中で、液体状の微粒子を除くものであり、例えば、互いに混ざり合わない2液相間で、一方が他方の相に微粒子状に分散している乳濁液におけるミセルにより形成される微粒子を除くものである。
上記無機酸化物で形成された微粒子としては、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)で形成された微粒子や金属元素の酸化物により形成された微粒子が好適である。また、ガラスビーズ、シリカビーズや、チタニア、アルミナ等の無機質ビーズの形態の微粒子を用いるのが好適である。これらの微粒子は、親水性でもよく、疎水性でもよい。
上記カーボンナノチューブとしては、例えば、厚さ数原子層のグラファイト状炭素原子面を丸めた円筒形状のナノチューブ等が好適である。
また、上記液晶表示装置は、液晶層の両側に偏光板をクロスニコルに配置することで、光学的に等方的な状態で黒表示となるものであることが好ましい。これにより、光学的に等方的な状態で黒表示ができるので、黒表示が良好になる(黒表示の透過率もいっそう低くなる、液晶層の層厚マージンも広くなる、視野角変化に対して変化しにくくなる等)。
このような液晶表示装置としては、例えば、間隔を設けて対向して配置された一対の透明基板の各対向側の面にそれぞれ透明電極が形成された液晶表示装置であって、偏光板がクロスニコルに設定されたものであり、電極への印加電圧が閾値より低いときに光学的に等方的であり、暗状態(黒表示)となり、印加電圧が閾値以上のときに液晶分子の配列が変わることにより光学的に変化し、明状態(白表示)となるものが好適である。この場合、液晶材料の誘電率異方性(Δε)が0より小さくて負の値となることにより、電極間に閾値以上の電圧を印加して液晶分子を動かす際に、液晶分子の縦方向(長軸方向)が、一対の透明基板の各対向側の面にそれぞれ形成された透明電極間に発生する電界と垂直方向となるように動き、液晶分子の横方向(短軸方向)の動きを利用しないことに起因して、液晶表示の応答速度を速くすることが可能となる。また、液晶材料中に含まれる液晶分子を配向させる処理が施されていない液晶表示装置とすることにより、液晶層における微粒子の作用効果と相まって、電極への印加電圧が閾値より低いときに、液晶分子が不規則に並んだ状態、又は、微小なネマティック相が等方的に分散した状態を充分に発現することができることとなる。
上記液晶分子を配向させる処理が施されていない形態としては、例えば、基板に配向膜を設けない形態やラビング処理等が施されていない形態等が挙げられる。
図1は、本発明の液晶表示装置において、電極への印加電圧が閾値より低いときの状態を示す断面概念図であり、図2は、本発明の液晶表示装置において、印加電圧が閾値以上のときの状態を示す断面概念図である。
図1の液晶表示装置は、一対の平行なガラス又は透光性樹脂からなる基板12及び14と、これらの基板12及び14の対向する内側面にそれぞれ設けられた透明導電膜13及び15とを備えたものである。これら透明導電膜13及び15の内側面には、配向膜を設けず、ラビング処理も施されていない。これら透明導電膜の間に、液晶層20が形成されている。この液晶層20は、ネマティック液晶分子からなる液晶材料に、表面処理が施された微粒子26が分散されたものである。
この場合、偏光板(図示せず)等を用いると、透明導電膜への印加電圧が閾値より低いときには、液晶層を透明状態とすることができることから、例えば、偏光板をクロスニコルに設定すると、暗状態(黒表示)を作り出すことができる。このような液晶表示装置においては、液晶材料が光学的に等方的な状態で暗状態(黒表示)を作り出していることから、液晶表示において視角特性に優れた黒表示が得られることになる。
このとき、ネマティック液晶分子である液晶分子22は、図2及び4に示すように、一定方向に配向されるため、すなわち基板の法線方向から傾斜した方向に電界が発生することにより、液晶層20における液晶材料がネマティック相を形成することになるため、明状態(白表示)を作り出すことができる。なお、図4中の矢印は、液晶分子22が縦方向に動くことを概念的に示したものである。
上記実施形態においては、透明電極間に閾値以上の電圧を印加して液晶分子を動かす際に、液晶分子が縦方向で動くことになり、横方向の動きを利用していないこと、また、電極スリット部で基板表面に対して斜めの方向の電界が発生し、液晶分子の傾斜方向が決定されることに起因して応答速度を速くすることが可能となる。
液晶材料としては、ネマティック液晶分子からなるΔε<0であるMLC−2037(商品名、メルク社製)、微粒子としては、粒径20nmのシリカ粒子にアルキル基(C5H11;上記式(1)中、l,m,n=0、X=H(水素)、Y=−(単結合))を付与したものを用い、微粒子及び液晶材料の総質量に対する微粒子の含有量(微粒子混合比)は、5質量%とした。微粒子を充分に分散させるために、従来では、高圧式の装置を用いて大量に分散させるような大型の分散装置が必要であったが、本実施例では、小型のホモジナイザーを用いたところ微粒子は液晶中によく分散し、数日間放置しても相分離するようなことはなかった。これをスリットを有する透明導電膜つきガラス基板で作製された液晶セル間に注入することにより封入して液晶表示装置を作製した。液晶セルのセル厚は、5μmとした。液晶セルは、図1に示すような構造のものとした。このとき、基板には、配向膜を塗布したり、ラビングしたりするというような、配向処理は施さなかった。これに偏光板をクロスニコルに設置すると、表1に示すように、電圧無印加時には、液晶層は等方性となって、光透過率を測定すると0.1%になった。また、両電極間に10Vの電圧を印加すると、液晶分子は一定の方向に配列し、光透過率は30%となり、コントラスト比は、300と充分なコントラスト比が得られた。
微粒子として、粒径20nmのシリカ粒子に、下記式(2)で示される化合物を付与したものを用いたこと以外は、実施例1と同様に液晶表示装置を作製し、その光透過率を求めた。
また、本実施例においても、実施例1のアルキル基を付与した粒子と同様に小型ホモジナイザーを用いて分散させることができた。また、アルキル基付与粒子よりも更に分散性が良好で、数十日間放置しても相分離するようなことはなかった。
更に、微粒子混合比を変えて実施したところ、微粒子混合比が1〜20質量%であれば、同様の結果が得られることがわかった。
微粒子混合比を15質量%とした以外は、実施例1と同様に液晶表示装置を作製し、その光透過率を求めた。
その結果、表1に示すように、充分なコントラスト比が得られた。
また、実施例1と同様に、液晶層は、数日間放置しても相分離することはなかった。
更に、微粒子混合比を変えて実施したところ、微粒子混合比が1〜20質量%であれば、同様の結果が得られることがわかった。
反射手段を設置した反射型や半透過型液晶表示装置として使用することも可能である。
微粒子混合比を0.5質量%、30質量%とした以外は、実施例1と同様に液晶表示装置を作製し、それらの光透過率を求め、結果を表1に示した。
液晶材料において、ネマティック液晶分子からなる液晶材料としてΔε>0であるものを使用した場合について液晶表示装置を作製し、その光透過率を求めた。液晶セルは、図5に示すような構造のものとした。
液晶材料としては、ネマティック液晶分子からなるMLC−6887(商品名、メルク社製)を用いた。その他、液晶セルのセル厚や微粒子は、実施例1と同様に作製した。
この場合も、配向膜を塗布したり、ラビングしたりするというような、配向処理は施さなかった。偏光板をクロスニコルに設置すると、電圧無印加時には、黒表示を作り出すことができ、電極間に10Vの電圧を印加すると、図5に示すように白表示を作り出すことができた。
実施例1と同様に光透過率を求め、その結果を表1に示した。
微粒子として、平均粒子径が200nmのシリカ粒子を用いた以外は、実施例1と同様に液晶表示装置を作製し、その光透過率を求めた。
その結果、表1に示すように、実施例1と比較して、コントラストが低下してくる傾向となった。
微粒子として、平均粒子径が400nmのシリカ粒子を用いた以外は、実施例1と同様に液晶表示装置を作製し、その光透過率を求めた。
その結果、表1に示すように、実施例1と比較して、コントラストが低下してくる傾向となった。このように実施例7では、粒子の散乱が大きくなり、実施例1で得られた程のコントラストは得られなかった。
これらの結果から、平均粒子径については、200nm以下にすることが好ましいことがわかった。
「大塚電子社製 液晶パネル評価装置 LCD−5000(商品名)」を用いて記載セルに電圧(周波数:30ヘルツ又は60ヘルツ 波形:矩形波)を印加し透過率を測定した。レファレンスは、透過型表示の場合、空気の状態を100%とし、反射型表示の場合、標準白色板を100%とした。
実施例1〜3及び6では、微粒子混合比が好ましい範囲内で設定されていることから、クロスニコル下で電圧無印加時に充分な黒表示が得られ、また、電極への印加電圧が閾値以上のときに、充分な白表示が得られ、コントラスト比等の基本性能に優れた液晶表示装置となることがわかった。
なお、Δε>0である液晶材料を用いた実施例6においては、電極上の液晶分子を制御できないことに起因して、閾値以上の電圧を印加したときの光透過率が実施例1に比較して低下することから、Δε<0である液晶材料を用いて液晶表示装置を構成する方が好ましいことがわかった。
13、15:透明導電膜
18:スリット
20:液晶層
22:液晶分子
26:微粒子
a:エマルジョン
c:局所的にネマティックの配向秩序が形成されている状態
Claims (11)
- 基板間に電極及び液晶層が形成されてなる液晶表示装置であって、
該液晶層は、液晶分子を含む液晶材料及び微粒子からなり、電極への印加電圧が閾値より低いときに光学的に等方的であって透明であり、印加電圧が閾値以上のときに液晶分子の配列が変わることにより光学的に変化するものであり、
該微粒子は、表面処理が施され、表面に有機物が付与されたものである
ことを特徴とする液晶表示装置。 - 前記液晶層は、電極への印加電圧が閾値より低いときに、旋光させずに光を透過させる透明状態となり、印加電圧が閾値以上のときに、液晶分子の配列が変わることにより透過光を旋光させるように光学的に変化するものであることを特徴とする請求項1記載の液晶表示装置。
- 前記有機物は、液晶性を示す物質であることを特徴とする請求項1又は2記載の液晶表示装置。
- 前記微粒子は、粒子表面で液晶分子を垂直配向させるものである
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記微粒子は、平均粒子径が0.2μm以下のものである
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記微粒子は、有機質固体粒子である
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記微粒子は、無機酸化物で形成されたものである
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記微粒子は、フラーレン及び/又はカーボンナノチューブで形成されたものである
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記微粒子の含有量は、微粒子及び液晶材料の総質量に対して、1〜20質量%である
ことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記液晶材料は、Δε<0のものであり、
前記液晶表示装置は、前記基板に配向膜を設けないもの、又は、ラビング処理がされていないものである
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の液晶表示装置。 - 前記液晶表示装置は、液晶層の両側に偏光板をクロスニコルに配置することで、光学的に等方的な状態で黒表示となるものであることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の液晶表示装置。
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