JP5065326B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特にカーボンナノチューブを利用した液晶表示装置に関するものである。

従来の技術として、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＬＣＤ）は、第一基板と、第二基板と、液晶層と、を含む。前記液晶層は、前記第一基板及び第二基板の間に設置されている。前記第一基板の前記第二基板に対向する表面に、第一透明電極層及び第一配向層が設置されている。前記第一基板の前記第一透明電極層が設置された表面と反対側の表面に、第一偏光板が設置されている。前記第二基板の前記第一基板に対向する表面に、第二透明電極層及び第二配向層が設置されている。前記第二基板の前記第二透明電極層が設置された表面と反対側の表面に、第二偏光板が設置されている。前記第一配向層の表面に平行に配列された複数の第一溝が形成されている。前記第二配向層の表面に平行に配列された複数の第二溝が形成されている。前記第一配向層の第一溝の配列方向は、前記第二配向層の第二溝の配列方向と垂直に設定されている。これにより、前記第一配向層及び前記第二配向層を利用して、前記液晶層における液晶分子を配向させることができる。

前記液晶表示装置に電圧を印加しない場合、光を透過することができる。前記液晶表示装置に電圧を印加する場合、光を透過することができない。従って、選択的に前記液晶表示装置に電圧を印加することにより、前記液晶表示装置に異なる画像を表示することができる。

Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、液晶表示装置の閾値電圧は液晶表示装置の動作温度と関係がある。即ち、動作温度が低くなるほど、液晶表示装置の閾値電圧は高くなる。この場合、液晶表示装置のコントラストは悪化するという課題がある。また、動作温度が低くなるほど、液晶表示装置の液晶分子の粘度が高くなるので、液晶分子状態が変化し難くなり、液晶表示装置の反応速度が遅くなるという課題もある。

前記課題を解決するために、従来技術として基板に加熱層を設置して液晶表示装置の温度を制御することが開示されている。前記加熱層はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）の透明な導電材料からなる。しかし、ＩＴＯ導電材料の加熱効率が低く、また、ＩＴＯ透明な導電層が厚いので、液晶表示装置の寸法が大きくなるという課題がある。

従って、前記課題を解決するために、本発明は、低温で動作する液晶表示装置を提供する。

本発明の液晶表示装置は、第一基板及び第二基板と、前記第一基板及び第二基板に挟まれた液晶層と、前記第一基板に設置された第一配向層及び前記第二基板に設置された第二配向層と、第一電極と、第二電極と、を含む。前記第一配向層及び前記第二配向層の少なくとも一方は、カーボンナノチューブ構造体を含む。前記第一電極及び第二電極は、それぞれ前記カーボンナノチューブ構造体に電気的接続されている。

前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って配列されている。

前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、相互に平行に配列されている。

前記カーボンナノチューブ構造体が、少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムが積層される。それぞれの前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、同じ方向に沿って配列されている。

前記カーボンナノチューブ構造体の表面には、複数の溝が形成されている。

前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤを含む。

前記複数のカーボンナノチューブワイヤは、平行に並列されている。

従来の技術と比べて、本発明の液晶表示装置は次の優れた点がある。第一に、本発明に利用したカーボンナノチューブ構造体は加熱層として利用されるので、本発明の液晶表示装置は低い環境温度で正常に動作することができる。第二に、前記カーボンナノチューブ構造体は加熱層及び配向層として利用されるので、本発明の液晶表示装置の厚さを薄くすることができる。第三に、前記カーボンナノチューブ構造体は従来の透明電極層及び配向層の特性を有するので、本発明の液晶表示装置は、薄型であり、コストが低くなる。

本発明の実施例１の液晶表示装置の等角図である。 図１の線ＩＩ―ＩＩに沿って見る液晶表示装置の断面図である。 図１の線ＩＩＩ―ＩＩＩに沿って見る液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施例１のカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１のカーボンナノチューブセグメントの模式図である。 本発明の実施例１のカーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１のねじれたカーボンナノチューブワイヤのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例２の液晶表示装置の等角図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１〜図３を参照すると、本実施形態の液晶表示装置３００は、第一基板３０２と、第一配向層３０４と、液晶層と、第二配向層３２４と、第二基板３２２と、を備えている。前記第一基板３０２は、前記第二基板３２２と対向して設置されている。前記液晶層は、前記第一基板３０２及び前記第二基板３２２の間に挟まれている。前記液晶層は、複数の棒状液晶分子３３８を含む。前記第一配向層３０４は、前記第一基板３０２の前記第二基板３２２に対向する表面に設置されており、前記第二配向層３２４は、前記第二基板３２２の前記第一基板３０２に対向する表面に設置されている。前記液晶層に対向するように、前記第一配向層３０４の、前記第一基板３０２に接触する表面と反対側の表面に、相互に平行な第一溝３０８が形成されている。前記液晶分子３３８に対向するように、前記第二配向層３２４の、前記第二基板３２２に接触する表面と反対側の表面に、相互に平行な第二溝３２８が形成されている。前記第一溝３０８の配列方向は、前記第二溝３２８の配列方向と直交するように設置されている。

前記第一基板３０２及び前記第二基板３２２の材料は、プラスチック、ガラス、ダイヤモンド及び石英のいずれか一種であってよい。また、前記第一基板３０２及び前記第二基板３２２は、例えば、三酢酸セルロース（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ Ｔｒｉａｃｅｔａｔｅ、ＣＴＡ）のような柔軟な材料からなることが好ましい。

前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４の少なくとも一方は、カーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。図４及び図５を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメント１４３を含む。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３は、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。前記カーボンナノチューブフィルムの幅は１００μｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

又は、前記カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも二枚の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。全ての前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブは、同じ方向に沿って配列されている。

又は、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数のカーボンナノチューブワイヤを含む。この場合、単一の前記カーボンナノチューブ構造体において、前記複数のカーボンナノチューブワイヤは、平行に並列され、又は平行に積層されている。図６を参照すると、一本の前記カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブを含む。さらに、一本のカーボンナノチューブワイヤは、端と端が接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。前記カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。各々の前記カーボンナノチューブセグメントに、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。前記複数のカーボンナノチューブはカーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。又は、前記カーボンナノチューブワイヤをねじり、ねじれた線状カーボンナノチューブワイヤ（図７を参照する）を形成することができる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体は、前記カーボンナノチューブワイヤ、ねじれたカーボンナノチューブワイヤ又はそれらの組み合わせのいずれか一種からなる。一本の前記カーボンナノチューブワイヤの直径は、０．５ｎｍ〜１００μｍである。隣接する前記カーボンナノチューブワイヤの間の距離は、１０ｎｍ〜１０μｍである。

さらに、前記カーボンナノチューブワイヤを平行に前記カーボンナノチューブフィルムに積層させることができる。この場合、前記カーボンナノチューブワイヤは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと、０°〜９０°の角度で交叉している。

前記カーボンナノチューブ構造体のカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、カーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出す第二ステップと、を含む。ここで、前記カーボンナノチューブアレイは超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献１）であることが好ましい。さらに、第二ステップの後、有機溶剤を利用して前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬して処理することができる。これにより、前記カーボンナノチューブ構造体の強靱性及び機械強度を高めることができる。

前記カーボンナノチューブ構造体は、複数の同じ方向に沿って配列されたカーボンナノチューブを含むので、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に、複数の凹部が形成される。本発明において、前記第一配向層３０４に形成された凹部は、第一溝３０８と呼ばれ、前記第二配向層３２４に形成された凹部は、第二溝３２８と呼ばれている。第一溝３０８及び第二溝３２８を利用して、前記液晶層における液晶分子を配向させることができる。

本実施形態において、前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４は全て前記カーボンナノチューブ構造体を含む。前記第一配向層３０４の第一溝３０８と、前記第二配向層３２４の第二溝３２８とが直交するように、前記第一配向層３０４及び前記第二配向層３２４を設置する。詳しく説明すれば、前記第一配向層３０４の第一溝３０８はＸ軸の方向に平行に配列されているが、前記第二配向層３２４の第二溝３２８はＺ軸の方向に平行に配列されている。前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４の厚さは、それぞれ２０ｎｍ〜５μｍである。

さらに、図２及び図３を参照すると、前記第一配向層３０４は、第一カーボンナノチューブ構造体３０４ａ及び第一固定層３０４ｂを含み、前記第二配向層３２４は、第二カーボンナノチューブ構造体３２４ａ及び第二固定層３２４ｂを含む。前記第一固定層３０４ｂ／第二固定層３２４ｂは、それぞれダイヤモンド、窒化ケイ素、アモルファスシリコンの水素化物、シリコン炭素、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化セリウム、チタン酸亜鉛、チタン酸化物のいずれか一種からなる。前記第一固定層３０４ｂ／第二固定層３２４ｂは、蒸着法、スパッタ法、プラズマ化学気相成長法のいずれか一種により形成されることができる。前記第一固定層３０４ｂ／第二固定層３２４ｂは、それぞれポリエチレンエタノール、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートのいずれか一種からなる。前記第一固定層３０４ｂ／第二固定層３２４ｂは、前記第一カーボンナノチューブ構造体３０４ａ／第二カーボンナノチューブ構造体３２４ａにスプレーされることができる。前記第一固定層３０４ｂ／第二固定層３２４ｂの厚さは、２０ｎｍ〜２μｍに設けられている。

前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４の間に、液晶層を設置する。前記液晶層は、複数の液晶分子３３８を含む。前記第一配向層３０４における第一固定層３０４ｂ及び前記第二配向層３２４における第二固定層３２４ｂを液晶層に隣接するように、前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４を対向して設置する。さらに、前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４を、例えばシリコン硫化物ゴムで密封させることができる。

前記第一配向層３０４及び第二配向層３２４の間に、複数のスペーサ（図示せず）を設置することができる。本実施例において、複数のポリエチレンボールをエタノールに入れて、前記ポリエチレンボールを含む溶液を前記第一基板３０２又は第二基板３２２に設置する。前記エタノールを蒸発させた後、前記第一基板３０２又は第二基板３２２に残した前記ポリエチレンボールをスペーサとして利用することができる。前記ポリエチレンボールの直径は、１μｍ〜１０μｍである。

前記カーボンナノチューブ構造体は、良好な柔軟性を有するので、前記第一基板３０２及び前記第二基板３２２が柔軟な材料からなる場合、前記液晶表示装置３００を湾曲させることができる。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体は、良好な導電性を有するので、前記カーボンナノチューブ構造体を従来の液晶表示装置の透明電極層として利用することができる。また、前記カーボンナノチューブ構造体は、複数の溝を有するので、光を偏光させることができる。従って、前記カーボンナノチューブ構造体は、従来の偏光板として利用することができる。本発明において、前記カーボンナノチューブ構造体を、配向層及び透明電極層として利用することができるので、本発明の液晶表示装置３００は、薄型となり、コストが低くなる。さらに、本発明の液晶表示装置３００を利用した表示装置の輝度及び光利用率が高めることができる。さらに、前記液晶表示装置３００の輝度及び光の均一性を高めるために、前記第一基板３０２又は／及び前記第二基板３２２の、前記液晶層に対向する表面と反対側の表面に、少なくとも一つの偏光板を設置することもできる。

前記第一配向層３０４は少なくとも二つの電極に電気的接続されている。前記電極は前記第一配向層３０４に電圧を印加するために設けられている。さらに、前記第一配向層３０４のカーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一つの電極に電気的接続されている。本実施例において、前記液晶表示装置３００は、第一電極３０６と、第二電極３０７と、第三電極３２６と、を含む。前記第一電極３０６及び第二電極３０７は、前記第一基板３０２に隣接して前記第一配向層３０４のカーボンナノチューブ構造体３０４ａに電気的接続するように、所定の距離で分離して設置されている。前記第三電極３２６は前記第二基板３２２に隣接して前記第二配向層３２４のカーボンナノチューブ構造体３２４ａに電気的接続されている。前記第一電極３０６及び第二電極３０７の配列方向は、前記第三電極３２６の配列方向と垂直に設けられている。

前記液晶表示装置３００を加熱しない場合、前記第三電極３２６を零電位に保持し、前記第一電極３０６及び第二電極３０７に例えば５Ｖの電圧を印加する。前記液晶表示装置３００を加熱する場合、前記第一カーボンナノチューブ構造体３０４ａに電気的接続された前記第二電極３０７は、次の四つの状態がある。第一は、前記液晶表示装置３００を作動させる前に、前記第一電極３０６及び前記第二電極３０７を接続すると、前記第一カーボンナノチューブ構造体３０４ａに電流を流して、前記液晶表示装置３００を予熱させる。第二は、前記液晶表示装置３００がＯＦＦである場合、前記第一電極３０６及び前記第二電極３０７に電流パルスを提供して、前記液晶表示装置３００を加熱させる。この場合、前記液晶表示装置３００をＯＦＦに保持させるために、例えば２．５Ｖの電圧補償を前記第三電極３２６に提供することができる。第三は、前記液晶表示装置３００がＯＦＦ／ＯＮに切り替えられる場合、前記第一電極３０６及び前記第二電極３０７に高周波交流電流を提供して、前記液晶表示装置３００を加熱させる。前記液晶表示装置３００をＯＦＦ／ＯＮに変換するための緩和時間はマイクロ秒であるので、前記高周波電流は１０ｋＨｚに設定されることができる。第四は、前記液晶表示装置３００がＯＮである場合、前記第一電極３０６及び前記第二電極３０７に電流を提供しない。

（実施例２）
本実施例が実施例１と異なる点は、本実施例の液晶表示装置４００はさらに第四電極４２７を提供する。図８を参照すると、前記第四電極４２７は前記第三電極４２６に平行に配列されて、前記第二配向層４２４のカーボンナノチューブ構造体（図示せず）に電圧を印加するために設置されている。前記第一電極４０６及び第二電極４０７の配列方向は、前記第三電極４２６及び前記第四電極４２７の配列方向と平行に設けられている。

前記液晶表示装置４００を加熱しない場合、前記第三電極４２６及び第四電極４２７を零電位に保持させ、前記第一電極４０６及び第二電極４０７に例えば５Ｖの電圧を印加する。前記液晶表示装置４００を加熱する場合、前記第二電極４０７及び第四電極４２７は、次の四つの状態がある。第一は、前記液晶表示装置４００を作動させる前に、前記第一電極４０６と第二電極４０７とを接続し、前記第三電極４２６と第四電極４２７とを接続して、それぞれ第一配向層４０４におけるカーボンナノチューブ構造体及び第二配向層４２４におけるカーボンナノチューブ構造体に電流を流して、前記液晶表示装置４００を予熱させる。第二は、前記液晶表示装置４００がＯＦＦである場合、それぞれ前記第一電極４０６及び前記第二電極４０７の間、第三電極４２６及び第四電極４２７の間に電流パルスを流して、前記液晶表示装置４００を加熱する。第三は、前記液晶表示装置４００がＯＦＦ／ＯＮに切り替えられる場合、それぞれ前記第一電極４０６及び前記第二電極４０７の間、第三電極４２６及び第四電極４２７の間に高周波交流電流を提供し、前記第四電極４２７により第二配向層４２４におけるカーボンナノチューブ構造体に高周波交流電流を提供することにより、前記液晶表示装置４００を加熱させる。前記液晶表示装置４００がＯＦＦ／ＯＮに切り替えられるための緩和時間はマイクロ秒であるので、前記高周波電流は１０ｋＨｚに設定されることができる。第四は、前記液晶表示装置４００がＯＮである場合、前記第一電極４０６及び前記第二電極４０７の間、第三電極４２６及び第四電極４２７の間に電流を提供しない。

カーボンナノチューブは、良好な導電特性及び熱伝導性、熱安定性、大きな比表面積を有するので、本発明のカーボンナノチューブ構造体は完璧な黒体として利用できる。本発明のカーボンナノチューブ構造体は１．７×１０^−６ Ｊ／（ｃｍ^２・Ｋ）の熱容量を有するので、熱応答速度が非常に速いという優れた点がある。例えば、厚さが１μｍ〜１ｍｍのカーボンナノチューブフィルム対しては、わずか１秒間でその表面温度が最大に達することができる。本実施例の、カーボンナノチューブアレイから引き出して成すカーボンナノチューブフィルムに対しては、わずか０．１ミリ秒間でその表面温度が最大に達することができる。

カーボンナノチューブは優れた導電特性を有するので、本実施例のカーボンナノチューブ構造体は従来の透明な導電層として利用できる。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体は、配向層及び電極層として利用することもできる。従って、前記カーボンナノチューブ構造体を利用することにより、液晶表示装置の厚さを減少し、バックライトの利用効率を高めることができる。また、従来の機械加工（例えば、研磨処理）を利用せずに、複数の平行な溝を形成することができるので、従来の製造方法の問題を解決することができる。

さらに、カーボンナノチューブ構造体に固定層を被覆させることにより、前記カーボンナノチューブ構造体の脱離を防止することができる。従って、本実施例の液晶表示装置は良好な配向特性を保持することができる。前記カーボンナノチューブ構造体にカーボンナノチューブは平行に配列されているので、前記カーボンナノチューブ構造体は従来の偏光板として利用できる。

本実施例の液晶表示装置は、単画素の液晶表示装置である。所定のパターンにより、複数の前記液晶表示装置を配列させることにより、多画素の液晶表示装置を設置することができる。該多画素の液晶表示装置は、同じ又は異なる基板を利用することができる。

１４３ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
３００ 液晶表示装置
３０２ 第一基板
３０４ 第一配向層
３０４ａ 第一カーボンナノチューブ構造体
３０４ｂ 第一固定層
３０６ 第一電極
３０７ 第二電極
３０８ 第一溝
３２２ 第二基板
３２４ 第二配向層
３２４ａ 第二カーボンナノチューブ構造体
３２４ｂ 第二固定層
３２６ 第三電極
３２８ 第二溝
３３８ 液晶分子
４００ 液晶表示装置
４０２ 第一基板
４０４ 第一配向層
４０６ 第一電極
４０７ 第二電極
４０８ 第一溝
４２２ 第二基板
４２４ 第二配向層
４２６ 第三電極
４２７ 第四電極
４２８ 第二溝
４３８ 液晶分子

Claims (4)

1. 第一基板及び第二基板と、前記第一基板及び第二基板に挟まれた液晶層と、前記第一基板に設置された第一配向層及び前記第二基板に設置された第二配向層と、第一電極と、第二電極と、を含み、
   前記第一配向層及び前記第二配向層の少なくとも一方が、カーボンナノチューブ構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ構造体が、一枚のカーボンナノチューブフィルム又は少なくとも二枚の積層された前記カーボンナノチューブフィルムを含み、
   単一の前記カーボンナノチューブフィルムが複数のカーボンナノチューブからなる連続のカーボンナノチューブフィルムであり、その幅が１００μｍ〜１０ｃｍであり、
   単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、相互に平行に配列され、
   前記第一電極及び第二電極がそれぞれ前記カーボンナノチューブ構造体に電気的接続されていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブが、同じ方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. それぞれの前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、同じ方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 前記カーボンナノチューブ構造体の表面に、複数の溝が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の液晶表示装置。