JP6760989B2 - 液晶カプセルを含む液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものであり、特に液晶カプセルの液晶層を備える液晶表示装置およびその製造方法に関するものである。

近年、情報化社会に伴い、大量の情報を処理して表示するディスプレイ分野が発展しており、薄型・軽量・低消費電力といった特徴を持つフラット表示装置（ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ）が必要とされている。

それに応じて、色の再現性に優れた薄型の薄膜トランジスタ液晶表示装置（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＴＦＴ−ＬＣＤ）が開発された。このような液晶表示装置は、液晶分子の光学的異方性と分極性質によって映像を表示する。

かかる液晶表示装置は、互いに対向して離隔する第１および第２基板と、第１基板と第２基板との間に設けられる液晶層を備えるが、ガラス基板を２枚用いるため、重さおよび厚さが増加し、フレキシブル表示装置に適用し難いという短所があった。

これを改善するため、複数の液晶カプセルを含む液晶層を、基板の上部にコーティングする方式で形成される液晶カプセルを含む液晶表示装置が提案された。これについて図面を参照して説明する。

図１は、従来の液晶表示装置の液晶カプセルを示す図面である。

図１に示すように、従来の液晶表示装置の液晶カプセル４２は、シェル４４と、シェル４４の内部の複数の液晶分子４６とを含む。

かかる液晶カプセル４２を液晶表示装置に適用する場合、コーティングや硬化など簡単な工程によって、液晶層を単純な構造にすることができる。

ここで、液晶カプセル４２のサイズ（直径）が可視光線の波長より小さい場合、バインダーと液晶カプセル４２との間における屈折率差による散乱といった光学的変化が発生しないので、透過率といった液晶表示装置の光学的特性が改善される。

ところが、液晶表示装置に液晶カプセル４２を適用するためには、液晶層の駆動電圧が駆動部の最大供給電圧範囲内に設定されなければならない。しかしながら、液晶カプセル４２では、アンカリングエネルギーの影響を受ける表面積が非常に増加し、シェル４４の内部の複数の液晶分子４６を動かせるための駆動電圧が上昇し過ぎるという問題がある。例えば、駆動電圧が１５０Ｖ以上に設定され得る。

一方、駆動電圧を減少させるためには、複数の液晶分子４６を取り囲むシェル４４のアンカリングエネルギーを減少させなければならない。しかしながら、シェル４４のアンカリングエネルギーを測定することは非常に複雑であり、測定サンプル間において、均一度や測定法などに偏差がある場合に、定量化が非常に困難である。

特表２０１６−５３５８０３

本発明は、かかる問題を解決するために提示されたものであって、シェルと液晶分子の臨界表面張力を制御し、液晶カプセルのアンカリングエネルギーを減少させることによって、製造工程が単純化され、液晶層の駆動電圧が減少する、液晶カプセルを含む液晶表示装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、添加剤の臨界表面張力を制御し、液晶カプセルのアンカリングエネルギーを減少させることによって、製造工程が単純化され、液晶層の駆動電圧が減少する、液晶カプセルを含む液晶表示装置およびその製造方法を提供することをさらに目的とする。

上記のような課題を解決するため、本発明は、シェルと、前記シェルの内部に配置される液晶分子とを含み、前記シェルの臨界表面張力が前記液晶分子の臨界表面張力より小さい液晶カプセルを提供する。

また、前記液晶分子は、ネマチック液晶からなり、前記シェルは、ポリテトラメチルジシロキサンからなり得る。

一方、本発明は、基板と、前記基板の上部の画素領域に配置される薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに接続される画素電極と、前記薄膜トランジスタの上部に配置される共通電極と、前記画素電極および前記共通電極の上部に配置され、液晶カプセルを含む液晶層とを備え、前記液晶カプセルは、シェルと、前記シェルの内部に配置される液晶分子とを含み、前記シェルの臨界表面張力が前記液晶分子の臨界表面張力より小さい液晶表示装置を提供する。

また一方、本発明は、シェルと、前記シェルの内部に配置される液晶分子と、前記シェルの内部に配置される添加剤とを含み、前記添加剤の臨界表面張力が前記液晶分子の臨界表面張力より小さい液晶カプセルを提供する。

そして、前記液晶分子はネマチック液晶からなり、前記添加剤は、１,５,５−トリメチル−６−アセチルメチルシクロヘキセン、５−ブチルジメチルシリルオキシ−２，６−ジメチルノン−１−エン−３−イン、オクタメチルトリシロキサン、トリス（トリメチルシリル）ボラートのうち、１つからなり得る。

また、前記添加剤は、前記液晶分子と前記シェルとの間に、添加剤層として形成することができる。

そして、前記添加剤は、アンカリングエネルギーを調節する調節基と、紫外線に反応する反応基を含むことができる。

また一方で、本発明は、基板と、前記基板の上部の画素領域に配置される薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに接続される画素電極と、前記薄膜トランジスタの上部に配置される共通電極と、前記画素電極および前記共通電極の上部に配置され、液晶カプセルを含む液晶層とを備え、前記液晶カプセルは、シェルと、前記シェルの内部に配置される液晶分子と、前記シェルの内部に配置される添加剤とを含み、前記添加剤の臨界表面張力が前記液晶分子の臨界表面張力より小さい液晶表示装置を提供する。

さらに、本発明は、液晶分子、シェル用単分子、反応性単分子型の添加剤を混合し、水中にナノサイズに分散させてナノエマルジョン溶液を形成する段階と、前記ナノエマルジョン溶液に熱を加えて前記シェル用単分子を重合させることによって、前記液晶分子、および前記反応性単分子型の添加剤を取り囲むシェルを形成する段階と、前記ナノエマルジョン溶液をバインダーと混合してコーティング溶液を形成する段階と、前記コーティング溶液を基板に塗布してコーティング溶液層を形成する段階と、前記コーティング溶液層を乾燥させる段階と、前記コーティング溶液層に紫外線を照射し、前記反応性単分子型の添加剤を前記シェルの内面に積層することによって、前記液晶分子と前記シェルとの間に添加剤層を形成する段階とを備える液晶カプセルの製造方法を提供する。

そして、前記反応性単分子型の添加剤の臨界表面張力は、前記液晶分子の臨界表面張力より小さくてもよい。

本発明では、シェルと液晶分子の臨界表面張力を制御し、液晶カプセルのアンカリングエネルギーを減少させることによって、製造工程が単純化され、液晶層の駆動電圧が減少する効果を奏する。

また、本発明は、添加剤の臨界表面張力を制御し、液晶カプセルのアンカリングエネルギーを減少させることによって、製造工程が単純化され、液晶層の駆動電圧が減少する効果を奏する。

従来の液晶表示装置の液晶カプセルを示した図である。 本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置を示す断面図である。 本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置における、低分子液滴の高分子物質に対する接触角を測定する方法を説明する図である。 本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置における、高分子物質の臨界表面張力を算出する方法を説明する図である。 本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを示す図である。 本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルのサンプル１と、比較例１および２のモード効率曲線を示す図である。 本発明の第２実施例にかかる液晶カプセルを示す図である。 本発明の第２実施例にかかる液晶カプセルのサンプル２および３と、比較例３のモード効率曲線を示す図である。 本発明の第３実施例にかかる液晶カプセルを示す図である。 本発明の第３実施例にかかる液晶カプセルの製造方法を説明するための図である。 本発明の第３実施例にかかる液晶カプセルの製造方法を説明するための図である。 本発明の第３実施例にかかる液晶カプセルの製造方法を説明するための図である。

以下、図面を参照し、本発明にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置およびその製造方法を説明する。

図２は、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置を示す断面図である。

図２に示すように、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置１１０は、薄膜トランジスタＴ、画素電極１３４および共通電極１３６が形成される基板１２０と、基板１２０の上部の液晶層１４０とを備える。

具体的に、基板１２０の上部の各画素領域Ｐにはゲート電極１２２が形成され、ゲート電極１２２の上部の基板１２０全面にはゲート絶縁層１２４が形成される。

ゲート電極１２２に対応するゲート絶縁層１２４の上部には半導体層１２６が形成され、半導体層１２６の両端上部には、互いに離隔してソース電極１２８とドレイン電極１３０が形成される。

ここで、ゲート電極１２２、半導体層１２６、ソース電極１２８およびドレイン電極１３０は、薄膜トランジスタＴを構成する。

図示してはいないが、基板１２０の上部には、互いに交差して画素領域Ｐを定義するゲート配線およびデータ配線が形成され、薄膜トランジスタＴは、ゲート配線およびデータ配線に接続される。

薄膜トランジスタＴの上部の基板１２０全面には、層間絶縁層１３２が形成され、層間絶縁層１３２の上部の画素領域Ｐには、互いに離隔して画素電極１３４と共通電極１３６が形成される。

層間絶縁層１３２には、ドレイン電極１３０を露出するドレインコンタクトホールが形成され、画素電極１３４は、ドレインコンタクトホールを介してドレイン電極１３０に接続される。

画素電極１３４および共通電極１３６は、それぞれ複数のバー状の形状を有することができる。

第１実施例では、画素電極１３４と共通電極１３６が同一層に形成されるインプレーンスイッチングモードの液晶表示装置を例に挙げたが、他の実施例では、液晶表示装置を、画素電極と共通電極が異層に形成されるインプレーンスイッチングモードに構成してもよく、液晶表示装置を、複数のバー状（若しくは複数のスリットを有する板状）の画素電極を板状の共通電極の上部に形成するように構成してもよく、または複数のバー状（若しくは複数のスリットを有する板状）の共通電極を板状の画素電極の上部に形成するフリンジフィールドモードに構成してもよい。

一方、図示してはいないが、薄膜トランジスタＴの下部や、薄膜トランジスタＴと画素電極１３４の間、または薄膜トランジスタＴと共通電極１３６の間には、カラーフィルター層を形成することができる。

画素電極１３４および共通電極１３６の上部には液晶層１４０が形成されるが、液晶層１４０は、複数の液晶カプセル１４２と、複数の液晶カプセル１４２が分散されるバインダー１４８とを含む。液晶カプセル１４２のそれぞれは、シェル１４４と、シェル１４４の内部に配置される複数の液晶分子１４６とを含む。

ここで、液晶層１４０の厚さは、約１μｍ〜約４μｍの範囲であり得る。バインダー１４８は、透明であってもよく、若しくは半透明であってもよい。また、バインダー１４８は、水溶性であってもよく、脂溶性であってもよく、若しくは水溶性と脂溶性の混合性質であってもよい。

複数の液晶カプセル１４２のそれぞれのシェル１４４は、数ｎｍ〜数百ｎｍの直径を有する高分子カプセルであって、特に１ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲の直径を有することができる。

複数の液晶分子１４６は、ネマチック液晶、強誘電性液晶、およびフレキソ液晶のうち、少なくとも１つからなり得る。

例えば、複数の液晶カプセル１４２の液晶層１４０に対する体積比は、約５０％〜約８０％の範囲であり得る。また、複数の液晶分子１４６のそれぞれの屈折率異方性は、約０．１８〜約０．３０の範囲であり、複数の液晶分子１４６のそれぞれの誘電率異方性は、約３５〜約１００の範囲であり得る。

そして、基板１２０の下部および液晶層１４０の上部には、それぞれ第１および第２偏光層１５０、１５２が形成される。

一方、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置１１０においては、シェル１４４の臨界表面張力（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ）を、複数の液晶分子１４６の臨界表面張力より小さく設定することによって、液晶カプセル１４２のアンカリングエネルギーを減少させ、液晶層１４０の駆動電圧を減少させることができる。これについて図面を参照して説明する。

図３Ａは、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置における、低分子液滴の高分子物質に対する接触角を測定する方法を説明するための図である。図３Ｂは、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを含む液晶表示装置における、高分子物質の臨界表面張力を算出する方法を説明するための図である。図２を共に参照し、説明する。

図３Ａに示すように、高分子物質１６０の上部に複数の低分子液滴１６２を塗布した状態で、複数の低分子液滴１６２のそれぞれにおける端部の接触角（Θ）を測定する。

図３Ｂに示すように、高分子物質１６０の表面張力（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ）に対する、複数の低分子液滴１６２の接触角（Θ）の余弦値（ｃｏｓΘ）をグラフにした後、グラフを伸ばして接触角（Θ）の余弦値（ｃｏｓΘ）が１となる場合（すなわち、接触角（Θ）が０°となる場合）における表面張力を、高分子物質１６０の臨界表面張力（γｃ）と定義することができる。

臨界表面張力（γｃ）は、単位面積当たりの力を意味する。その単位は、ｅｒｇ／ｃｍ^２＝ｍＪ／ｍ^２＝ｍＮ／ｍ＝ｄｙｎ／ｃｍで示される。

図４は、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルを示す図である。図２、図３Ａおよび図３Ｂを共に参照して説明する。

図４に示すように、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセル１４２は、シェル１４４と、シェル１４４の内部に配置される複数の液晶分子１４６とを含む。シェル１４４は、ホストである複数の液晶分子１４６の臨界表面張力（γｃ）より小さい臨界表面張力（γｃ）を有する高分子物質からなり得る。

その結果、液晶カプセル１４２のアンカリングエネルギーが減少し、液晶層１４０の駆動電圧が６０Ｖ以下に減少するので、液晶カプセル１４２を液晶表示装置１１０に適用することができる。

具体的には、シェル１４４は、初期に球状の液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）の形からなる複数の液晶分子１４６を含むコアー物質の外面を取り囲み、コアー物質を固定させる外壁として働く。複数の液晶分子１４６を含むコアー物質は、かかる高分子物質のシェル１４４の内部に閉じ込められた状態で存在する。

シェル１４４を構成する高分子物質は、水溶性（ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ）高分子物質、または脂溶性（ｗａｔｅｒ ｉｎｓｏｌｕｂｌｅ；ｏｉｌ ｓｏｌｕｂｌｅ）高分子物質に区分することができる。

例えば、水溶性高分子物質は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、でんぷん（ｓｔａｒｃｈ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、アルギネート、カゼインおよびアラビアガムのいずれかのうち、選択された少なくとも１つであり得る。

そして、脂溶性高分子物質は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリウレア、ポリウレタン、ウレアホルムアルデヒド（ＵＦ）、メラミンホルムアルデヒド（ＭＦ）といったアミノレジンのいずれかのうち、選択された少なくとも１つであり得る。

第１実施例では、シェル１４４が単層で形成されることを例に挙げたが、他の実施例では、シェルを二層構造にすることもできる。例えば、互いに異なる種類の高分子物質で内側シェル（ｉｎｎｅｒ ｓｈｅｌｌ）と外側シェル（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅｌｌ）を形成することができ、内側シェルを先に形成した後、外側シェルを順次に形成することができる。

二層のシェルは、単層のシェル１４４に比べてアンカリングエネルギーを容易に調節することができ、耐溶媒性に優れる。例えば、内側シェルは、ソフトな性質を有する水溶性ポリマー（例えば、ゼラチン、アラビアガム、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の単体、若しくは混合溶液）で形成し、外側シェルは、脂溶性ポリマー（例えば、アミノレジン、ポリアミドエピクロロヒドリンレジン、ホルムアルデヒドレジンなどの単体、若しくは混合溶液）で形成することができる。

バインダー１４８は、複数の液晶カプセル１４２が分散・固定できるように拘束し、複数の液晶カプセル１４２が基板１２０に密着・固定できるように働く。バインダー１４８を構成する高分子物質は、水溶性高分子物質、または水分散（ｗａｔｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｉｂｌｅ）高分子物質に区分することができる。

例えば、水溶性高分子物質は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、でんぷん（ｓｔａｒｃｈ）、メトキシセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリレートソーダ、アクリルアミド／アクリレートコポリマー、アクリルアミド／アクリレート／メタクリル酸ターポリマー、ポリアクリルアミド、アルギネートソーダ、ポリビニルピロリドン、ゼラチン、アルギネート、カゼインおよびアラビアガムのいずれかのうち、選択された少なくとも１つであり得る。

そして、水分散高分子物質は、アルキドレジン、ポリアミドエピクロロヒドリンレジン、ポリウレタンレジン、ウレアホルムアルデヒドレジン、メラミンホルムアルデヒドレジン、メラミンウレアホルムアルデヒドレジン、アクリレートコポリマーラテックス、スチレン／ブタジエンコポリマーラテックス、スチレンブタジエンアクリルコポリマーラテックス、ビニルアセテートレジンエマルジョン、ビニルアセテート／アクリレートコポリマーエマルジョン、スチレン／アクリレートコポリマーエマルジョンおよびアクリレートレジンエマルジョンのいずれかのうち、選択された少なくとも１つであり得る。

かかる様々な高分子物質のうちの、複数の液晶分子１４６の臨界表面張力（γｃ）より小さい臨界表面張力（γｃ）を有する高分子物質でシェル１４４を形成することによって、シェル１４４のアンカリングエネルギーを減少させ、液晶層１４０の駆動電圧を減少させることができる。これについて、表および図面を参照して説明する。

表１は、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルのサンプル１と、比較例１・２の臨界表面張力、および駆動電圧を示すものであり、図５は、本発明の第１実施例にかかる液晶カプセルのサンプル１と、比較例１・２のモード効率曲線を示す図である。図２、図３Ａ、図３Ｂおよび図４を共に参照して説明する。

表１の比較例１・２、サンプル１において、脂溶性高分子物質のシェル１４４を含む液晶カプセル１４２は、溶媒蒸発法によって形成される。

例えば、シェル１４４のための高分子物質を先に溶媒に溶解させた後、高分子物質の溶液を、コアー物質であるフッ素系（Ｆ）液晶混合物のネマチック液晶に混合し、乳化剤を含む水溶液にナノサイズに分散（ナノエマルジョン）させる。

その後、溶媒を蒸発させ、溶解されている高分子物質が液滴の界面へ析出されるようにしてシェル１４４を形成する。

ここで、溶媒蒸発法によってシェル１４４を形成する高分子物質としては、比較例１・２、サンプル１において、それぞれポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイソプロピルメタクリレート（ＰｉＢＭＡ）、ポリテトラメチルジシロキサンが用いられ得る。

ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイソプロピルメタクリレート（ＰｉＢＭＡ）、ポリテトラメチルジシロキサンは、それぞれ耐水性および光透過性に優れる。

そして、シェル１４４の高分子物質に対する溶媒としては、高分子に対する溶解性に優れ、比較的低温で蒸発するアセトン、メチレンクロリド、クロロホルムおよびエチルアセテートなどが用いられた。

かかる溶媒を５重量％より少ない量で使用すると、高分子物質溶液の濃度が向上して粘性の大きい溶液になり、水溶液などのような分散媒（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｍｅｄｉｕｍ）における分散性が低下するため、分散粒子のサイズを調節することが難しくなる。

また、かかる溶媒を２０重量％を超えて使用すると、高分子物質溶液の濃度が低下し、溶媒が完全に蒸発するまでの時間が増加して、工程時間が増加する。

したがって、高分子物質の溶液が５重量％〜２０重量％の濃度を有するよう、溶媒を使用することが好ましい。

一方、本発明の第１実施例にかかる液晶層１４０のバインダー１４８は、複数の液晶カプセル１４２との分散性に優れており、基板１２０との接着力および電気絶縁性に優れている。そして、バインダー１４８は、光に対し、等方性の屈折率と相対的に大きな光透過性とを有し、複数の液晶分子１４６の平均屈折率と類似の屈折率を有し得る。特に、バインダー１４８は、耐水性に優れているレジンを用いることができるが、複数の液晶カプセル１４２のそれぞれで駆動電圧を確認するため、分散性に優れているポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いた。

表１に示すように、複数の液晶分子１４６を、３０ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するネマチック液晶で形成し、複数の液晶分子１４６を取り囲むシェル１４４を、比較例１においては、３９ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で形成し、比較例２においては、３９ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するポリイソプロピルメタクリレート（ＰｉＢＭＡ）で形成して、サンプル１においては、１７．３ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するポリテトラメチルジシロキサンで形成した。

すなわち、比較例１においては、シェル１４４の臨界表面張力が液晶分子１４６の臨界表面張力より大きく、比較例２においては、シェル１４４の臨界表面張力が液晶分子１４６の臨界表面張力と同一であって、サンプル１においては、シェル１４４の臨界表面張力が液晶分子１４６の臨界表面張力より小さい。

表１および図５に示すように、比較例１・２、サンプル１における液晶カプセル１４２の駆動電圧は、それぞれ１５０Ｖ、８０Ｖ、６０Ｖである。

すなわち、シェル１４４の臨界表面張力が液晶分子１４６の臨界表面張力より大きい比較例１の液晶カプセル１４２と、シェル１４４の臨界表面張力が液晶分子１４６の臨界表面張力と同一の比較例２の液晶カプセル１４２は、それぞれの駆動電圧が、目標値である６０Ｖより大きいため、液晶表示装置１１０に適用し難い。一方、シェル１４４の臨界表面張力が液晶分子１４６の臨界表面張力より小さいサンプル１の液晶カプセル１４２は、その駆動電圧が、６０Ｖという目標値以下を満たしているので、液晶表示装置１１０に適用可能であることが分かる。

ここで、モード効率は、液晶層１４０の透過率に比例する値であって、最大モード効率の９０％である場合における電圧を、駆動電圧と定義することができる。

以上のように、本発明の第１実施例にかかる液晶表示装置１１０においては、シェル１４４を複数の液晶分子１４６の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有する高分子物質で形成することによって、液晶カプセル１４２のアンカリングエネルギーを減少させ、液晶層１４０の駆動電圧を減少させることができる。その結果、液晶カプセル１４２を液晶表示装置１１０に容易に適用することができる。

また、塗布および硬化などの簡単な工程で、液晶カプセル１４２を含む液晶層１４０をフィルム状に形成することによって、製造工程を単純化することができる。

一方、他の実施例では、液晶カプセルのシェル内部に、液晶分子の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有する高分子物質の添加剤を追加し、駆動電圧を減少させることもできる。これについて図面を参照して説明する。

図６は、本発明の第２実施例にかかる液晶カプセルを示す図であって、第１実施例と同一部分に対する説明は省略する。

図６に示すように、本発明の第２実施例にかかる液晶カプセル２４２は、シェル２４４と、シェル２４４の内部に配置される複数の液晶分子２４６と、複数の液晶分子２４６に混合される添加剤２７０とを含む。添加剤２７０は、ホストである複数の液晶分子２４６の臨界表面張力（γｃ）より小さい臨界表面張力（γｃ）を有する高分子物質からなり得る。

その結果、液晶カプセル２４２のアンカリングエネルギーが減少し、液晶カプセル２４２を含む液晶層の駆動電圧が６０Ｖ以下に減少して、液晶カプセル２４２を液晶表示装置に適用することができる。

具体的には、シェル２４４は、初期に球状の液滴の形からなる複数の液晶分子２４６と添加剤２７０を含むコアー物質の外面を取り囲み、コアー物質を固定させる外壁として働く。複数の液晶分子２４６と添加剤２７０を含むコアー物質は、かかる高分子物質のシェル２４４の内部に閉じ込められた状態で存在する。

シェル２４４を構成する高分子物質は、水溶性高分子物質、または脂溶性高分子物質に区分することができる。

複数の液晶分子２４６の臨界表面張力（γｃ）より小さい臨界表面張力（γｃ）を有する高分子物質の添加剤２７０を、複数の液晶分子２４６に混合することによって、シェル２４４のアンカリングエネルギーを減少させ、液晶カプセル２４２を含む液晶層の駆動電圧を減少させることができる。これを、表および図面を参照して説明する。

表２は、本発明の第２実施例にかかる液晶カプセルのサンプル２・３と、比較例３の臨界表面張力および駆動電圧を示す表であり、図７は、本発明の第２実施例にかかる液晶カプセルのサンプル２・３と、比較例３のモード効率曲線である。図６を共に参照して説明する。

表２の比較例３、サンプル２・３において、水溶性高分子物質のシェル２４４を含む液晶カプセル２４２は、相分離法（ｃｏａｃｅｒｖａｔｉｏｎ）で形成した。

例えば、シェル２４４のための親水性高分子物質を水溶液に溶解させた後、親水性高分子物質の溶液を、コアー物質であるフッ素系（Ｆ）液晶混合物のネマチック液晶と、乳化および臨界表面張力調節用添加剤（添加剤１・２・３）に混合して、親水性高分子物質が含まれた水溶液にナノサイズに分散（ナノエマルジョン）させた。

ここで、相分離法でシェル２４４として形成される親水性高分子物質としては、水溶液において温度や酸度（ｐＨ）によって溶解度が大きく変化する高分子を用いることが好ましい。常温における溶解度が大きく、５０℃以上の温度においては溶解度が急激に減少するポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いて、ナノエマルジョンを５０℃ないし６０℃の温度で相分離することで、シェル２４４を形成した。

その後、温度によるシェル２４４の安定性を強化するため、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）のヒドロオキシドとの反応による架橋が必要である。そのための架橋剤としてグルタルアルデヒドを、シェル２４４の形成後に添加すると、安定性を強化させることができる。

このように製造されたシェル２４４の内部には、液晶分子２４６の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有する添加剤２７０が存在することになり、水溶液はカプセル化されて、シェル２４４として形成されたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と水溶液に残っているポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が存在するので、バインダーを追加することなく、水溶液を基板に塗布することができる。

表２に示すように、シェル２４４を、３７ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するポリビニルアルコール（ＰＶＡ）で形成し、複数の液晶分子２４６を、３０ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するネマチック液晶で形成した。

比較例３では、複数の液晶分子２４６に混合する添加剤１を、化学式１で表される、３２．１ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有する２-［２-（アリルオキシ）エトキシ］エタノールや、化学式２で表される、３１．７ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有する２,５,８,１１,１４,１７-ヘキサオキサノナデカン、そして化学式３で表される、３６．２ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するサーフィノール１０４のうち、１つから形成した。

サンプル２では、複数の液晶分子２４６に混合する添加剤２を、化学式４で表される、２５．２ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有する１,５,５-トリメチル-６-アセチルメチル-シクロヘキセンと、化学式５で表される、２６．０ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有する５-ブチルジメチルシリオキシ-２,６-ジメチルノン-１-エン-３-インとのうち、１つから形成した。

サンプル２では、複数の液晶分子２４６に混合する添加剤３を、化学式６で表される、１４．８ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するオクタメチルトリシロキサンと、化学式７で表される、１６．６ｍＮ／ｍの臨界表面張力を有するトリス（トリメチルシリル）ボラートとのうち、１つから形成した。

すなわち、比較例３では、添加剤１の臨界表面張力が液晶分子２４６の臨界表面張力より大きく、サンプル２・３では、添加剤２・３の臨界表面張力が液晶分子２４６の臨界表面張力より小さい。

表２および図７に示すように、比較例３やサンプル２・３における液晶カプセル２４２の駆動電圧は、それぞれ８０Ｖ、３０Ｖ、１５Ｖである。

すなわち、添加剤１の臨界表面張力が液晶分子２４６の臨界表面張力より大きい比較例３の液晶カプセル２４２は、その駆動電圧が、目標値である６０Ｖより大きいため、液晶表示装置に適用し難い。一方、添加剤２・３の臨界表面張力が液晶分子２４６の臨界表面張力より小さいサンプル２・３の液晶カプセル２４２は、それぞれの駆動電圧が、６０Ｖという目標値以下を満たしているので、液晶表示装置に適用可能であることが分かる。

ここで、モード効率は、液晶層の透過率に比例する値であって、最大モード効率の９０％である場合における電圧を、駆動電圧と定義することができる。

以上のように、本発明の第２実施例にかかる液晶表示装置においては、複数の液晶分子２４６の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有する高分子物質の添加剤２７０を、複数の液晶分子２４６に混合し、シェル２４４の内部のコアーを形成することによって、液晶カプセル２４２のアンカリングエネルギーを減少させ、液晶層の駆動電圧を減少させることができる。その結果、液晶カプセル２４２を液晶表示装置に容易に適用することができる。

また、塗布および硬化などの簡単な工程で、液晶カプセル２４２を含む液晶層をフィルム状に形成することによって、製造工程を単純化することができる。

一方、他の実施例では、液晶カプセルのシェル内部に、液晶分子の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有する高分子物質の添加剤層を形成し、駆動電圧を減少させることもできる。これについて図面を参照して説明する。

図８は、本発明の第３実施例にかかる液晶カプセルを示す図であって、第１実施例および第２実施例と同一部分に対する説明は省略する。

図８に示すように、本発明の第３実施例にかかる液晶カプセル３４２は、シェル３４４と、シェル３４４の内部に配置される複数の液晶分子３４６と、シェル３４４と複数の液晶分子３４６の間に形成される添加剤層３７２とを含むが、添加剤層３７２は、ホストである複数の液晶分子３４６の臨界表面張力（γｃ）より小さい臨界表面張力（γｃ）を有する高分子物質からなり得る。

その結果、液晶カプセル３４２のアンカリングエネルギーが減少し、液晶カプセル３４２を含む液晶層の駆動電圧が６０Ｖ以下に減少して、液晶カプセル３４２を液晶表示装置に適用することができる。

具体的には、シェル３４４は、初期に球状の液滴の形からなる複数の液晶分子３４６と添加剤（図９Ｂの３７０）を含むコアー物質の外面を取り囲み、コアー物質を固定させる外壁として働く。複数の液晶分子３４６と添加剤３７０を含むコアー物質は、かかる高分子物質のシェル３４４の内部に閉じ込められた状態で存在することになり、その後、添加剤３７０は、紫外線（ＵＶ）によってシェル３４４の内壁に添加剤層３７２として形成される。

シェル３４４を構成する高分子物質は、水溶性高分子物質、または脂溶性高分子物質に区分することができる。

かかる液晶カプセル３４２の製造方法を、図面を参照して説明する。

図９Ａないし図９Ｃは、本発明の第３実施例にかかる液晶カプセルの製造方法を説明する図である。第１・２実施例と同一部分に対する説明は省略する。

図９Ａに示すように、液晶分子３４６、シェル用単分子（３７８、モノマー）、反応性単分子型の添加剤３７０、および界面活性剤３８０を混合した後、水のような溶液にナノサイズに分散（ナノエマルジョン）させる。

それによって、液晶分子３４６、シェル用単分子３７８、反応性単分子型の添加剤３７０が混合されて球状のナノサイズ液滴として形成される。界面活性剤３８０は、球状の液滴の外面に配置される。

ここで、反応性単分子型の添加剤３７０は、アンカリングエネルギーを調節する調節基３７４と、紫外線に反応する反応基３７６とからなり得る。そして、調節基３７４によって、液晶分子３４６の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有することができる。

図９Ｂに示すように、球状の液滴の水溶液に熱を加えると、シェル用単分子３７８が重合して、球状の液滴の表面にシェル３４４が形成される。

そのとき、反応性単分子型の添加剤３７０は、シェル３４４の内部で液晶分子３４６と混合された状態で維持されるが、シェル３４４が水に囲まれているので、外部からの紫外線（ＵＶ）による影響が最小化され、反応性単分子型の添加剤３７０の反応基３７６の反応が抑制される。

図９Ｃに示すように、シェル３４４の水溶液をバインダーと混合してコーティング溶液を形成した後、コーティング溶液を基板に塗布してコーティング溶液層を形成し、塗布されたコーティング溶液層を加熱して水を除去（乾燥）する。

その結果、基板に塗布されたコーティング溶液層は、バインダーにシェル３４４が分散した形となる。

その後、シェル３４４に紫外線（ＵＶ）を照射すると、シェル３４４の外側の水が除去された状態であるので、反応性単分子型の添加剤３７０の反応基３７６が紫外線に反応し、シェル３４４の内面に固定される。

その結果、反応性単分子型の添加剤３７０がシェル３４４の内面に積層され、添加剤層３７２が形成される。

以上のように、本発明の第３実施例にかかる液晶表示装置では、複数の液晶分子３４６の臨界表面張力より小さい臨界表面張力を有する高分子物質の添加剤層３７２を、シェル３４４の内面に形成することにより、液晶カプセル３４２のアンカリングエネルギーを減少させ、液晶層の駆動電圧を減少させることができる。その結果、液晶カプセル３４２を液晶表示装置に容易に適用することができる。

この場合、液晶分子３４６とシェル３４４との間の添加剤層３７２によって、液晶カプセル３４２のアンカリングエネルギーが調節されるので、添加剤による液晶分子３４６の物性変化が防止され、シェル３４４を構成する高分子物質に対する選択の自由度が増加する。

また、塗布および硬化などの簡単な工程で、液晶カプセル３４２を含む液晶層をフィルム状に形成することによって、製造工程を単純化することができる。

以上、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、該当技術分野における当業者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を様々に修正および変更できることを理解できるであろう。

１１０…液晶表示装置、１２０…基板、１４０…液晶層、１４２…液晶カプセル、１４４…シェル、１４６…液晶分子、１４８…バインダー

Claims (11)

1. シェルと、
   前記シェルの内部に配置される液晶分子とを含み、
   前記シェルの臨界表面張力は、前記液晶分子の臨界表面張力より小さく、
   前記液晶分子は、ネマチック液晶で形成され、
   前記シェルは、ポリテトラメチルジシロキサン−エチレン共重合体からなる、液晶カプセル。
2. 基板と、
   前記基板の上部の画素領域に配置される薄膜トランジスタと、
   前記薄膜トランジスタに接続される画素電極と、
   前記薄膜トランジスタの上部に配置される共通電極と、
   前記画素電極および前記共通電極の上部に配置され、液晶カプセルを含む液晶層とを備え、
   前記液晶カプセルは、
   シェルと、
   前記シェルの内部に配置される液晶分子とを含み、
   前記シェルの臨界表面張力は、前記液晶分子の臨界表面張力より小さく、
   前記液晶分子は、ネマチック液晶で形成され、
   前記シェルは、ポリテトラメチルジシロキサン−エチレン共重合体からなる、液晶表示装置。
3. シェルと、
   前記シェルの内部に配置される液晶分子と、
   前記シェルの内部に配置される添加剤とを含み、
   前記添加剤の臨界表面張力は、前記液晶分子の臨界表面張力より小さく、
   前記液晶分子は、ネマチック液晶で形成され、
   前記シェルは、ポリテトラメチルジシロキサン−エチレン共重合体からなる、液晶カプセル。
4. 前記液晶分子は、ネマチック液晶からなり、
   前記添加剤は、１，５，５−トリメチル−６−アセチルメチルシクロヘキセン、５−ブチルジメチルシリルオキシ−２，６−ジメチルノン−１−エン−３−イン、オクタメチルトリシロキサン、トリス（トリメチルシリル）ボラートのうちの１つからなる、請求項３に記載の液晶カプセル。
5. 前記添加剤は、前記液晶分子と前記シェルとの間に、添加剤層として形成される、請求項３に記載の液晶カプセル。
6. 前記添加剤は、アンカリングエネルギーを調節する調節基と、紫外線に反応する反応基とを含む、請求項５に記載の液晶カプセル。
7. 基板と、
   前記基板の上部の画素領域に配置される薄膜トランジスタと、
   前記薄膜トランジスタに接続される画素電極と、
   前記薄膜トランジスタの上部に配置される共通電極と、
   前記画素電極および前記共通電極の上部に配置され、液晶カプセルを含む液晶層とを備え、
   前記液晶カプセルは、
   シェルと、
   前記シェルの内部に配置される液晶分子と、
   前記シェルの内部に配置される添加剤とを含み、
   前記添加剤の臨界表面張力が前記液晶分子の臨界表面張力より小さく、
   前記液晶分子は、ネマチック液晶で形成され、
   前記シェルは、ポリテトラメチルジシロキサン−エチレン共重合体からなる、液晶表示装置。
8. 前記シェルは可視光線の波長より小さい１ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲の直径を有し、
   前記液晶カプセルの前記液晶層に対する体積比は約５０％〜約８０％の範囲である、請求項７に記載の液晶表示装置。
9. ネマチック液晶を含む液晶分子、テトラメチルジシロキサンおよびエチレンを含むシェル用単分子、反応性単分子型の添加剤を混合し、水中にナノサイズに分散させてナノエマルジョン溶液を形成する段階と、
   前記ナノエマルジョン溶液に熱を加えて前記シェル用単分子を重合させることによって、前記液晶分子、および前記反応性単分子型の添加剤を取り囲むシェルを形成する段階であって、前記シェルがポリテトラメチルジシロキサン−エチレン共重合体を含む段階と、
   前記ナノエマルジョン溶液をバインダーと混合してコーティング溶液を形成する段階と、
   前記コーティング溶液を基板に塗布し、コーティング溶液層を形成する段階と、
   前記コーティング溶液層を乾燥させる段階と、
   前記コーティング溶液層に紫外線を照射し、前記反応性単分子型の添加剤を前記シェルの内面に積層することによって、前記液晶分子と前記シェルとの間に添加剤層を形成する段階とを備える、液晶カプセルの製造方法。
10. 前記反応性単分子型の添加剤は、アンカリングエネルギーを調節する調節基と、前記紫外線に反応する反応基とからなり、
    前記反応性単分子型の添加剤の臨界表面張力は、調節基によって、前記液晶分子の臨界表面張力より小さい、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記シェルに前記紫外線を照射すると、前記反応基が前記紫外線に反応し、前記反応性単分子型の添加剤が前記シェルの内面に固定される、請求項１０に記載の製造方法。

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