JP4637908B2 - 積層型の反射型液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、積層型の反射型液晶表示素子に関し、特に異なる選択反射波長を有するコレステリック液晶の液晶層をそれぞれ有する２枚以上の液晶パネルを積層した積層型の反射型液晶表示素子に関する。

近年、電源が無くても表示保持可能で、電気的に書換えが可能な電子ペーパの技術分野が急速に発展している。電子ペーパは、電源を切断してもメモリ表示可能な超低消費電力と目にやさしく、疲れない反射型の表示と紙のような可撓性のあるフレキシブルで薄型の表示体の実現を目指している。電子ブック、電子新聞、電子ポスター等の応用が進められている。表示方式としては、帯電粒子を空気中や液体中で移動させる電気泳動方式、ニ色に色分けした帯電粒子を回転させるツイストボール方式、有機ＥＬ方式、液晶層の干渉反射を利用した双安定性のある選択反射型のコレステリック液晶方式の開発が進められている。

このような各種方式の中で、コレステリック液晶方式は、「メモリ機能」、「低電力化」、「カラー化」などの面で優位である。特に、コレステリック液晶方式は、カラー表示においては、圧倒的に有利である。コレステリック液晶方式以外の方式は、画素ごとに３色に塗り分けたカラーフィルタを配置させなければならないため、明るさが最大でも３分割に相当した１／３になり、現実的とはいえない。これに対して、コレステリック液晶方式は、液晶の干渉で色を反射するため、積層するだけでカラー表示が可能であり、５０パーセントに近い又はそれ以上の明るさが得られるという利点がある。コレステリック液晶方式のカラー表示素子については、例えば、特許文献１（特開２００２−１１６４６１号公報）などに記載されている。

図１Ａ及び図１Ｂは、コレステリック液晶による表示の原理を説明する図である。図示のように、パネルは、透明な基板３及び４の間に液晶層１を挟持した構成を有する。基板３が表示面側の基板である。基板４の外側の面には黒色の光吸収層５が設けられる。コレステリック液晶は、基板表面に平行に層をなす状態と垂直方向に層をなす状態の２つの安定的な状態がある。この２つの状態は、電気的に切り替え可能であり、電源を供給しなくとも、２つの状態が保持できる双安定性の特徴をもつ。

図１の（Ａ）に示すように、基板３及び４に設けられた電極（図示せず）に高電圧を印加すると、螺旋状に連なる液晶分子２の螺旋軸が、基板３及び４に垂直な方向に配列し、基板面に平行な層をなす状態になる。この状態をプレーナ(Planar)状態と呼ぶ。プレーナ状態の液晶層は、液晶分子の螺旋ピッチに応じた波長の光を選択的に反射（選択反射）し、特定の色を呈して、反射表示される。これが明状態（反射状態）である。この時、反射される光は螺旋ピッチの回転方向に応じて左右どちらかの一方の円偏光となる。

反射が最大となる波長λは、液晶の平均屈折率ｎ、螺旋ピッチｐから次の式で示される。

λ＝ｎ・ｐ
一方、反射帯域Δλは液晶の屈折率異方性Δｎに伴って大きくなる。

これに対して、図１の（Ｂ）に示すように、基板３及び４に設けられた電極に低電圧を印加すると、螺旋状に連なる液晶分子２の螺旋軸が、基板３及び４に平行な方向に配列した状態になる。この状態をフォーカルコニック(Focal Conic)状態と呼ぶ。フォーカルコニック状態では、干渉反射は生じないため、素子に入射した光は透過し、基板４の光吸収層５に吸収される。これが暗状態（透過状態）である。反射状態でも、反射されない光は、液晶層を透過するだけなので、下層に異なる色を反射させる液晶層を配置させることにより，反射色を合成することが可能となる。

干渉反射であるため、明状態で反射される光は、波長により変化する。そのため、液晶の螺旋ピッチを設定することにより、反射光が赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）を呈するパネルが得られる。

図２は、３枚のパネルを積層してカラー表示を可能にしたカラーコレステリック液晶表示装置の概要を示す図である。図示のように、表示面側から順に、青色（Ｂ）のパネル１０Ｂ、緑色（Ｇ）のパネル１０Ｇ、赤色（Ｒ）のパネル１０Ｒを積層して液晶表示素子９を構成する。駆動回路１１は、フレキシブルケーブル１２Ｂ、１２Ｇ、１２Ｒを介して各パネルの電極に接続される。駆動回路１１から各パネルの電極に電圧を印加することにより、各パネルの電極に対応したセルを明状態と暗状態にすることができ、画像を表示できる。各パネルは、マトリクス電極を備え，ドットマトリクス表示が可能である。

図３は、図２の液晶表示素子９の断面図を示す図である。電極は図示を省略している。各パネル１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒは、透明な基板３及び４の間にそれぞれ液晶層１Ｂ、１Ｇ、１Ｒを挟持した構成を有し、液晶層はシール６で封止されている。パネル１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒは、表示面側からこの順に配置され、パネル１０Ｂ、１０Ｇは第１の接着層７で接着され、パネル１０Ｇ、１０Ｒは、第２の接着層８で接着されている。パネル１０Ｒの表示面側と反対側の基板の外側の面には、黒色の光吸収層５が設けられている。以下の説明では、表示面側のパネル１０Ｂを第１の（青色）パネル、その液晶層１Ｂを第１の（青色）液晶層、第１のパネルの次のパネル１０Ｇを第２の（緑色）パネル、その液晶層１Ｇを第２の（緑色）液晶層、第２のパネルの次のパネル１０Ｒを第３の（赤色）パネル、その液晶層１Ｒを第３の（赤色）液晶層と称する。

第１のパネル１０Ｂを明（反射）状態にし、第２及び第３のパネル１０Ｇ、１０Ｒを暗（透過）状態にすると、青色の表示が行われる。同様に、第２のパネル１０Ｇを明（反射）状態にし、第１及び第３のパネル１０Ｂ、１０Ｒを暗（透過）状態にすると、緑色の表示が行われ、第３のパネル１０Ｒを明（反射）状態にし、第１及び第２のパネル１０Ｂ、１０Ｇを暗（透過）状態にすると、赤色の表示が行われる。更に、第１及び第２のパネル１０Ｂ、１０Ｇを明（反射）状態にし、第３のパネル１０Ｒを暗（透過）状態にすると、シアン色の表示が行われ、第２及び第３のパネル１０Ｇ、１０Ｒを明（反射）状態にし、第１のパネル１０Ｂを暗（透過）状態にすると、黄色の表示が行われ、第１及び第３のパネル１０Ｂ、１０Ｒを明（反射）状態にし、第２のパネル１０Ｇを暗（透過）状態にすると、マゼンタ色の表示が行われる。また、第１から第３のパネル１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒをすべて明（反射）状態にすると、白色の表示が行われ、第１から第３のパネル１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｒをすべて暗（透過）状態にすると、黒色の表示が行われる。

コレステリック液晶による反射型液晶表示方式では、上記のようにプレーナ状態を「明状態」、フォーカルコニック状態を「暗状態」として表示に利用する。表示特性としての明度は、プレーナ状態（明状態）の反射率が大きいほど良好となり、コントラストはフォーカルコニック状態（暗状態）での透明度が高いほど良好となる。

前述のように、プレーナ状態での反射光は、左右どちらか一方の円偏光となるため、最大でも５０％の反射率となる。高明度化を実現する方法の一つとして、液晶界面に液晶分子の配向を規制する配向規制力を加えることで、プレーナ状態での螺旋ピッチの螺旋軸を揃え、選択反射光に指向性を持たせることで、特定方向（観察方向）への反射率を高める方法が知られている。

配向規制力を加える方法としては、液晶界面に配向膜を形成し、配向膜の表面にラビング処理を施す方法や、液晶界面に光配向膜を形成し、光配向膜の表面に紫外光を照射する方法、又はそれらを組み合わせたハイブリッド方法が一般的である。配向膜又は光配向膜を設けるか設けないかでも配向規制力が異なり、配向膜のラビング処理の密度又は光配向膜への紫外光の照射強度によっても配向規制力が異なる。

コレステリック液晶層との界面に配向規制力を加えることで、プレーナ状態での選択反射光はより指向性を持つようになる。図４は、図３のカラーコレステリック液晶表示素子において、第２の緑色パネル１０Ｇを明（反射）状態にし、第１の青色パネル１０Ｂ及び第２の赤色パネルを暗（透過）状態にして、３０度の入射角で照明し、垂直方向で測定した分光反射率を示すグラフである。図示のように、ラビングを行うことにより、反射率曲線はよりシャープな曲線になり、ピーク波長の反射率も５０％以上になる。

しかし、高密度のラビング処理を行って配向規制力を強くすると、プレーナ状態においてコレステリック液晶の螺旋軸がほぼ基板法線方向となり、光が鏡面反射するため、視野角が非常に狭くなるという問題を生じる。また、配向規制力を強くし過ぎると、フォーカルコニック状態の維持が困難になり、双安定性が失われるという問題を生じる。

このような問題を解決するため、特許文献１は、プレーナ状態において、液晶の螺旋軸が基板法線から若干傾き、方位がランダムに異なるポリドメイン状態と、液晶の螺旋軸が均一にほぼ基板法線方向であるモノドメイン状態とが混在する状態にすることを記載している。具体的には、青色パネル、緑色パネル、赤色パネルの順でラビング密度が大きくなるようにし、更に、各パネルにおいて、非表示面側のラビング密度を表示面側のラビング密度より大きくしている。このように、選択反射波長の長い液晶層ほど配向規制力を強くしている。

特許文献１：特開２００２−１１６４６１号公報

特許文献１に記載された構成では、フォーカルコニック状態が安定して維持され、プレーナ状態での明度も向上する。特許文献１もフォーカルコニック状態における散乱に言及しており、フォーカルコニック状態におけるコレステリック液晶分子の螺旋軸の方向を揃えることによりドメイン間の散乱が減少することを記載している。

しかし、特許文献１に記載された構成では、実際にはフォーカルコニック状態における散乱が増大してコントラストが低下することが判明した。

本発明は、コレステリック液晶のフォーカルコニック状態における散乱を減少させて、コントラストの高い積層型の反射型液晶表示素子の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明の積層型の反射型液晶表示素子は、特許文献１に記載された構成とは逆に、選択反射波長の長い液晶を注入した液晶層を有する液晶パネルほど、パネルに施した液晶層の配向規制力が小さくする。

すなわち、本発明の積層型の反射型液晶表示素子は、異なる選択反射波長を有するコレステリック液晶層をそれぞれ有する２枚以上の液晶パネルを積層した積層型の反射型液晶表示素子であって、選択反射波長の長い液晶を注入した液晶層を有する液晶パネルほど、該パネルに施した前記液晶層の配向規制力が小さいことを特徴とする。

図１Ａは、コレステリック液晶による表示の原理を説明する図である。 図１Ｂは、コレステリック液晶による表示の原理を説明する図である。 図２は、カラーコレステリック液晶表示装置の概要を示す図である。 図３は、カラーコレステリック液晶表示素子のパネル構造を示す図である。 図４は、コレステリック液晶表示素子における配向規制力の効果を示す図である。 図５Ａは、本発明の原理を説明する図である。 図５Ｂは、本発明の原理を説明する図である。 図５Ｃは、本発明の原理を説明する図である。 図５Ｄは、本発明の原理を説明する図である。 図６は、本発明の実施例のコレステリック液晶表示素子の構造及び製造方法を説明する図である。 図７は、本発明の実施例のコレステリック液晶表示素子の構造及び製造方法を説明する図である。

符号の説明

１Ｂ 第１液晶層（青色液晶層）
１Ｇ 第２液晶層（緑色液晶層）
１Ｒ 第３液晶層（赤色液晶層）
３、４ 基板
５ 光吸収層
７、８ 接着層
１０Ｂ 第１パネル（青色パネル）
１０Ｇ 第２パネル（緑色パネル）
１０Ｒ 第３パネル（赤色パネル）
２１ 配向膜
２３、２４ 電極

本願発明者は、本発明の原理について考察を行った。図５Ａから図５Ｄを使用して、考察した原理を説明する。

配向膜や光配向膜を設けない状態、配向膜を設けてもラビングしないかラビング密度が小さい状態、光配向膜を設けても紫外光を照射していないか照射強度が弱く配向規制力が弱い状態では、図５Ａに示すように、プレーナ状態では、液晶の螺旋軸が基板法線からランダムな方位で傾く。そのため、反射光は広い角度に分布する。この状態は視野角の点からは見やすい状態であるが、反射光の強度が十分とはいえない状態である。

そこで、パネルの基板３及び４の液晶層と接する面（内面）に配向膜又は光配向膜を形成し、ラビング処理又は紫外光照射を行って、配向規制力を加える。これにより、図５Ｂに示すように、プレーナ状態では、液晶の螺旋軸が基板法線の方向になり、反射光の指向性が強くなるが、その方向の反射率は高くなる。配向規制力の強さに応じて反射光の指向性が変化する。

反射光の指向性が非常に強くなると、鏡面的な反射となるので視認性が低下するという問題が生じる。そのため、高反射率（明るさ）と視認性が適当な状態になるように、配向規制力を適宜設定する。

ここで、各色のパネルにおけるプレーナ状態での配向規制力の影響を考える。前述のように、選択反射波長の長いコレステリック液晶層ほど、液晶の螺旋軸のピッチが長い。配向規制力は、螺旋軸の端の液晶分子の方向を規制する力であり、螺旋軸のピッチが長いほど影響を受けやすいと考えられる。すなわち、同じ配向規制力であれば、液晶の螺旋軸のピッチが長い第１の赤色パネルほど液晶が均一に配向し、緑色パネル、青色パネルの順で、液晶の配向の均一性が低下すると考えられる。

一方、フォーカルコニック状態では、配向規制力が弱い時には、図５Ｃに示すように、液晶の螺旋軸は基板に平行な状態になる。フォーカルコニック状態では、液晶分子は配向規制力の影響をあまり受けないと考えられるが、プレーナ状態からフォーカルコニック状態に変化する時に、プレーナ状態における液晶の配向状態の影響を受けると考えられる。言い換えれば、強い配向規制力によりプレーナ状態で液晶が均一に配列していると、フォーカルコニック状態に変化する時にプレーナ状態における強い配向規制力及び均一性のために、液晶の螺旋軸は基板に平行になりにくいと考えられる。そのため、配向規制力の強いパネルでフォーカルコニック状態に変化すると、図５Ｄに示すように、液晶の螺旋軸の方向が基板の面に対してばらつく状態になり、散乱光が増大すると考えられる。

また、液晶層と配向膜の界面における光の散乱も考慮する必要があり、ラビング処理により液晶層と配向膜の界面に微小な凹凸を生じると、界面での光散乱が増大すると考えられる。

以上説明したように、選択反射波長の異なるコレステリック液晶層を２層以上積層した反射型液晶表示素子において、各液晶パネルの液晶層との界面に同じ配向規制力を持たせた場合、明度の向上は実現できるが、特に選択反射波長が長いパネルでの散乱が増大してコントラストの低下を招く。

そこで、本発明では、特に選択反射波長が長いパネルほど配向規制力を弱めることで、選択反射波長が長いパネルでの散乱を低減してコントラストの低下を生じないようにする。

次に、本発明の実施例の反射型液晶表示素子の構成及び製造方法を説明する。

実施例の反射型液晶表示装置は、図２に示したような概略構成を有する。この装置で使用される本発明の反射型液晶表示素子９は、図３のようなパネル構造を有し、パネルの液晶層に接する部分の構成に特徴がある。

図６及び７は、実施例の反射型液晶表示素子の構成及び製造方法を示す図である。

第１の青色パネル１０Ｂの表示面と反対側の基板４Ｂ、第２の緑色パネル１０Ｇの表示面と反対側の基板４Ｇ及び第３の赤色パネル１０Ｒの表示面と反対側の基板４Ｒの上に、透明電極層２３、絶縁層２２、及び配向膜２１を形成する。絶縁層２２は、組み立て時の透明電極層の保護及び液晶層に印加する電圧の均一性を向上するために設ける。なお、基板４Ｒの外面には黒色の光吸収層５を形成する。

図示のように、ラビング装置のローラ３１で、基板４Ｂ及び基板４Ｇの配向膜２１の表面をラビング処理するが、基板４Ｒの表面はラビング処理しない。基板４Ｂの表面のラビング処理は、ローラ３１を１２００ｒｐｍで回転させ、ローラ３１の押し込み量を０．２０ｍｍに設定して、１回処理する。また、基板４Ｇの表面のラビング処理は、ローラ３１を９００ｒｐｍで回転させ、ローラ３１の押し込み量を０．１５ｍｍに設定して、１回処理する。ここで、ラビング密度を、例えば、ラビング密度＝回数×押し込み量×（１＋（２π×ローラ径×回転数／６０×ステージ速度））で表す。従って、基板４Ｂのラビング密度は、基板４Ｇのラビング密度の１．７８倍である。言い換えれば、基板４Ｂの配向規制力は、基板４Ｇの配向規制力の約１．８倍である。なお、基板４Ｒの表面はラビング処理しないので、基板４Ｒの配向規制力は、基板４Ｇの配向規制力より小さい。

次の工程では、上記の基板４Ｂ、基板４Ｇ及び基板４Ｒの上にシール６を設け、スペーサ２５を散布する。

別途、第１の青色パネル１０Ｂの表示面側の基板３Ｂ、第２の緑色パネル１０Ｇの表示面側の基板３Ｇ及び第３の赤色パネル１０Ｒの表示面側の基板３Ｒの上に、それぞれ透明電極層２３を形成した基板を用意しておく。これらの基板３Ｂ、３Ｇ、３Ｒを、図示のように、基板４Ｇ及び基板４Ｒに貼り付ける。

次の工程では、このようにして得られたパネル内の空間に各色に対応したコレステリック液晶を注入して、封止することにより、第１から第３のパネル１０Ｂ、１０Ｇ及び１０Ｒが得られる。

次に、図７に示すように、第１から第３のパネル１０Ｂ、１０Ｇ及び１０Ｒを、各パネルの電極位置を合わせた上で、接着層７及び８を介して積層して固定する。以上のようにして、反射型液晶表示素子が完成する。

上記の反射型液晶表示素子は、第３の赤色パネル１０Ｒは、基板３Ｒにラビング処理が施されていないので、もっとも配向規制力が小さい。ラビング密度の小さな第２の緑色パネルの１０Ｇの配向規制力は、第３の赤色パネル１０Ｒの配向規制力より大きいが、第１の青色パネル１０Ｂの配向規制力より小さい。一方、第３の赤色パネル１０Ｒの液晶層１Ｒは、螺旋ピッチが長いので配向規制力により配向しやすく、第２の緑色パネルの１０Ｇの液晶層１Ｇは液晶層１Ｒよりは配向しやすいが、第１の青色パネルの１０Ｂの液晶層１Ｇよりは配向しにくいという具合に逆である。これにより、すべての液晶層１Ｂ、１Ｇ、１Ｒのプレーナ状態での配向状態は同じようになり、明度をある程度向上させた上で、コントラストの低下の少ない実用に適した反射型液晶表示素子が得られる。

以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能である。例えば、各パネルの表示面側の基板３Ｂ、３Ｇ、３Ｒには絶縁層や配向膜を設けていないが、特許文献１に記載された構成と同様に、それらを設けることも可能である。ただし、透過率を向上して散乱を低減する上からは実施例のように絶縁層や配向膜を設けないことが望ましい。基板３Ｂ、３Ｇ、３Ｒには絶縁層や配向膜を設けなくても、十分な反射強度が得られる。

また、実施例では、ラビング処理により、配向規制力を異ならせる例を説明したが、光配向膜を設けて、紫外光の照射強度を変えることにより配向規制力を異ならせことも、配向膜のラビング処理と光配向膜の紫外光照射処理を組み合わせて配向規制力を異ならせることも可能である。また、配向膜を斜めに蒸着することにより配向規制力を異ならせることも可能である。

Claims (7)

1. 異なる選択反射波長を有するコレステリック相を示す液晶層をそれぞれ有する２枚以上の液晶パネルを積層した積層型の反射型液晶表示素子であって、
   選択反射波長の長い液晶を注入した液晶層を有する液晶パネルほど、該パネルに施した前記液晶層の配向規制力が小さいことを特徴とする積層型の反射型液晶表示素子。
2. 表示面側に配置された液晶パネルの液晶層ほど選択反射波長が短く、
   表示面側に配置された液晶パネルほど該パネルに施した前記液晶層の配向規制力が大きい請求項１に記載の積層型の反射型液晶表示素子。
3. 各液晶パネルは、前記液晶層と、該液晶層を挟持する２枚の基板とを備え、
   少なくとも一部の液晶パネルが、前記２枚の基板のうち表示面側と反対側の基板にのみ、あるいは前記２枚の基板の両方に、表面に形成された透明電極と、該透明電極上に形成された配向膜とを備え、
   前記配向規制力の違いは、前記配向膜の有無による請求項１に記載の積層型の反射型液晶表示素子。
4. 各液晶パネルは、前記液晶層と、該液晶層を挟持する２枚の基板とを備え、
   少なくとも一部の液晶パネルが、前記２枚の基板のうち表示面側と反対側の基板にのみ、あるいは前記２枚の基板の両方に、表面に形成された透明電極と、該透明電極上に形成された配向膜とを備え、
   前記配向規制力の違いは、前記配向膜のラビング処理の有無及び密度による請求項１に記載の積層型の反射型液晶表示素子。
5. 各液晶パネルは、前記液晶層と、該液晶層を挟持する２枚の基板とを備え、
   少なくとも一部の液晶パネルが、前記２枚の基板のうち表示面側と反対側の基板にのみ、あるいは前記２枚の基板の両方に、表面に形成された透明電極と、該透明電極上に形成された配向膜とを備え、
   前記配向膜は光配向膜であり、前記配向規制力の違いは、前記光配向膜への紫外線照射の有無及び強度による請求項１に記載の積層型の反射型液晶表示素子。
6. 各液晶パネルは、前記液晶層と、該液晶層を挟持する２枚の基板とを備え、
   各液晶パネルの表示面と反対側の基板は、表面に形成された下側透明電極と、該下側透明電極上に形成されたラビングされる配向膜とを備え、
   各液晶パネルの表示面側の基板は、表面に形成された上側透明電極を備え、配向膜を有さない請求項１に記載の積層型の反射型液晶表示素子。
7. 各液晶パネルは、前記液晶層と、該液晶層を挟持する２枚の基板とを備え、
   各液晶パネルの表示面と反対側の基板は、表面に形成された下側透明電極と、該下側透明電極上に形成された光配向膜とを備え、
   各液晶パネルの表示面側の基板は、表面に形成された上側透明電極を備え、配向膜を有さない請求項１に記載の積層型の反射型液晶表示素子。

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