JPH0296714A

JPH0296714A - 投射型アクティブマトリクス液晶表示装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0296714A
Application number: JP63249020A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Korishima; 友紀郡島; Masaki Yuki; 結城　正記; Masaya Keyakida; 昌也欅田; Yoshinori Hirai; 良典平井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1988-10-04
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1990-04-09
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JP2775769B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、画素電極毎に能動素子を配置した投射型アク
ティブマトリクス液晶表示装置に関するものである。

［従来の技術］液晶デイスプレィは、近年その低消費電力、低電圧駆動
等の特長を生かしてパーソナルワードプロセッサー、ハ
ンドベルトコンビエータ−、ポケットＴＶ等に広く利用
されている。中でも注目され、盛んに開発されているの
が、画素電極毎に能動素子を配置したアクティブマトリ
クス液晶表示装置である。

このような液晶表示素子は当初は、ＤＳＭ（動的散乱）
型の液晶を用いた液晶表示素子も提案されていたが、Ｄ
ＳＭ型では液晶中を流れる電流値が高いため、消費電流
が大きいという欠点があり、現在ではＴＮ（ツイストネ
マチック）型液晶を用いるものが主流となっており、ポ
ケットＴＶとして市場に現われている。ＴＮ型液晶では
、漏れ電流は極めて小さく、消費電力が少ないので、電
池を電源とする用途には適している。

［発明の解決しようとする課題］アクティブマトリクス液晶表示装置をＤＳモードで使用
する場合には、液晶自身の漏れ電流が大きい、このため
、各画素と並列に大きな蓄積容量を設けな（てはならな
く、かつ、液晶表示素子自体の消費電力が大きくなると
いう問題点を有していた。

ＴＮモードにおいては、液晶自身の漏れ電流は極めて小
さいので、大きな蓄積容量を付加する必要はないし、液
晶表示素子自体の消費電力は小さくできる。

しかし、ＴＮモードでは、２枚の偏光板を必要とするの
で、光の透過率が小さいという問題点を有している。特
に、カラーフィルターを用いてカラー表示を行う場合に
は、入射する光の数％しか利用できないこととなり、強
い光源を必要とし、そのため結果として消費電力を増加
させてしまう。

また、画像の投影を行う際には極めて強い光源を必要と
し、投影スクリーン上で高いコントラストが得られにく
いことや、光源の発熱による液晶表示素子への影響とい
う問題点を有している。

［問題点を解決するための手段］本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであり
、画素電極毎に能動素子を設けたアクティブマトリクス
基板と、対向電極を設けた対向電極基板との間に液晶材
料を挟持してなる液晶表示素子と、投射用光源と、投射
光学系とを用いた投射型アクティブマトリクス液晶表示
装置において、液晶材料としてネマチック液晶が樹脂マ
トリクス中に分散保持されており、その樹脂マトリクス
の屈折率が、使用する液晶の常光屈折率（ｎｅ）、異常
光屈折率（ｎｅ）または液晶がランダムに配向した場合
の屈折率（ｎｅ）のいずれかと一致するようにされた液
晶樹脂複合体からなることをことを特徴とする投射型ア
クティブマトリクス液晶表示装置を提供するものである
。

本発明の投射型アクティブマトリクス液晶表示装置では
、アクティブマトリクス基板と対向電極基板との間に挟
持される液晶材料として、電気的に散乱状態と透過状態
とを制御しつる液晶樹脂複合体を用いているため、偏光
板が不要であり、透過時の光の透過率を大幅に向上でき
る。このため、明る（コントラストの良い投射型表示が
得られる。

また、ＴＮ型液晶表示素子に必須の配向処理や発生する
静電気による能動素子の破壊といった問題点も避けられ
るので、液晶表示素子の製造歩留りを大幅に向上させる
ことができる。

さらに、この液晶樹脂複合体は、硬化後はフィルム状に
なっているので、基板の加圧による基板間短絡やスペー
サーの移動による能動素子の破壊といった問題点も生じ
にくい。

また、この液晶樹脂複合体は、比抵抗が従来のＴＮモー
ドの場合と同等であり、ＤＳモードのように大きな蓄積
容量を画素電極毎に設けなくてもよく、能動素子の設計
が容易で、かつ、液晶表示素子の消費電力を少なく保つ
ことができる。従って、ＴＮモードの従来の液晶表示素
子の製造工程から、配向膜形成工程を除くだけで製造が
可能になるので、生産が容易である。

液晶樹脂複合体の比抵抗としては、　５ＸｌＯ＠ΩＣｌ
１１以上のものが好ましい、さらに、漏れ電流等による
電圧降下を最小限にするために、１０１０Ωｃ１１以上
がより好ましく、この場合には大きな蓄積容量を画素電
極毎に付与する必要がない。

画素電極に設けられる能動素子としては、トランジスタ
、ダイオード、非線形抵抗素子等があり、必要に応じて
１つの画素に２以上の能動素子が配置されていてもよい
。このような能動素子としれに接続された画素電極とを
設けたアクティブマトリクス基板と、対向電極を設けた
対向電極基板との間に上記液晶樹脂複合体を挾んで液晶
表示素子とする。

投射用光源、投射光学系は従来から公知の投射用光源、
レンズ等の投射光学系が使用でき、通常は上記液晶表示
素子を投射用光源と投射レンズとの間に配置して用いれ
ばよい。

これにより、本発明では、液晶表示素子として透過−散
乱型の液晶樹脂複合体を挟持した液晶表示素子を用いて
いるため、明る（、高いコントラストが容易に得られる
という特長を有している。

本発明の液晶表示素子は、電気的に散乱状態と透過状態
とを制御しつる液晶樹脂複合体を挟持したものであれば
使用でる。

具体的には、本発明では、液晶表示素子として細かな孔
の多数開いた樹脂マトリクスとその孔の部分に充填され
た液晶とからなる液晶樹脂複合体をアクティブマトリク
ス基板と、対向電極基板との間に挟持し、その電極間へ
の電圧の印加状態により、その液晶の屈折率が変化し、
樹脂マトリクスの屈折率′と液晶の屈折率との関係が変
化し、両者の屈折率が一致した時には透過状態となり、
屈折率が異なった時には散乱状態となるような液晶表示
素子が使用できる。

この細かな孔の多数開いた樹脂マトリクスとその孔の部
分に充填された液晶とからなる液晶樹脂複合体は、多孔
質の連通孔を有する樹脂マトリクスに液晶を含浸したよ
うな構造であってもよいし、マイクロカプセルのような
独立液泡内に液晶が封じ込められたような構造をしてい
てもよい。

このような液晶樹脂複合体を使用した液晶表示素子の応
答時間は、電圧印加の立ち上りが１〜２０ｍ５ｅｃ程度
、電圧除去の立ち下がり　３〜３０１１Ｉｓｅｃ程度で
あり、従来のＴＮモードの液晶表示素子よりも速い。

また、その電圧−透過率の電気光学特性は、従来のＴＮ
モードの液晶表示素子よりも比較的なだらかであり、階
調表示のための駆動も容易である。

なお、この液晶樹脂複合体を使用した液晶表示素子の透
過状態での透過率は高いほどよく、散乱状態でのへイズ
値は８０％以上であることが好ましい。

具体的には、電圧を印加していない状態又は印加してい
る状態のいずれか一方で、樹脂マトリクスを構成すると
ころの硬化させられた樹脂の硬化物の屈折率が、使用す
る液晶の常光屈折率（ｎｅ）、異常光屈折率（ｎｅ）ま
たは液晶がランダムに配向した場合の屈折率（ｎｅ）の
いずれかと−致するようにされる。

これにより、得られた硬化物の屈折率と液晶の屈折率と
が一致した時に光が透過し、一致しない時に光が散乱（
白濁）することになる。この素子の散乱性は、従来のＤ
Ｓモードの液晶表示素子の場合よりも高いので、投射し
た場合にはコントラストが高（見える。

得られる樹脂の硬化物の屈折率が、使用する液晶の屈折
率の００またはれ、と一致させておくことにより、電圧
が印加されていない場合は、配列していない液晶と、樹
脂の硬化物の屈折率の違いにより、散乱状°態（つまり
白濁状態）を示す、このため、本発明のように投射型表
示装置として用いる場合には、電極のない部分は光が散
乱され、スクリーンに到達しないため、黒く見える。こ
のことにより、画素電極以外の部分からの光の漏れを防
止するために、画素電極以外の部分を遮光膜等で遮光す
る必要がないこととなり、遮光膜の形成工程が不要とな
るという利点も有する。

この場合、液晶として誘電異方性が正のネマチック液晶
を用い、その樹脂マトリクスの屈折率が、使用する液晶
の常光屈折率（ｎｅ）と一致するようにされることが最
も高性能の素子が得られろため好ましい。

これに電圧を印加した場合には、液晶が配列し、液晶の
屈折率（ｎｏあるいはｎ、）と硬化により得られた硬化
物の屈折率とが一致することにより透過状態を示すこと
になり、所望の画素で光が透過することとなり、スクリ
ーンに明るく表示される。

この素子に、この硬化工程の際に特定の部分のみに充分
に高い電圧を印加した状態で硬化させてやることにより
、その部分を常に光透過状態とすることができるので、
固定表示したいものがある場合には、そのような常透過
部分を形成してもよい。

このためには、未硬化の樹脂と液晶とを混合して、これ
を硬化させて製造すればよい、具体的には、未硬化の樹
脂と液晶との混合溶液またはラテックス等から硬化させ
られればよい。

もっとも、未硬化の樹脂として光硬化性樹脂を用い、こ
れを液晶に溶解した溶液を用いて、光硬化することによ
り本発明の素子を容易に得ることができる。特に、光硬
化性樹脂の内、光硬化性ビニル系樹脂の使用が好ましく
、耐久性の良い液晶樹脂複合体が容易に製造できる。

また、本発明の液晶表示素子は、硬化させられた硬化物
の屈折率が、使用する液晶がランダムに配向した場合の
屈折率（ｎｅ）と一致するようにされることもできる。

ここでいうランダムに配向するとは、全ての液晶分子が
基板面に対して平行又は垂直に配列しているのでなく、
硬化物の樹脂マトリクスを構成する網目もしくはカプセ
ルの影響により種々の方向を向いていることを表わす。

この場合には、電圧が印加されていない場合は、配列し
ていない（ランダムに配向）液晶と、樹脂の硬化物の屈
折率が一致しているために、透過状態を示し、スクリー
ンには明るく表示されることとなる。

逆に、電圧を印加した場合には、液晶が妃列し、液晶の
屈折率（ｎｏあるいはｎ、）と樹脂マトリクストとの屈
折率とが一致しなくなり、散乱状態（つまり白濁状態）
を示すこととなり、スクリーンには黒く表示される。

これにより電圧を印加しない状態で明るく表示される素
子が得られるが、光硬化により得られた硬化物が絹目状
もしくはカプセル状に存在し、液晶がこの樹脂の硬化物
の影響を受はランダムに配向しているのと同様の状況に
あるため、均一な状態とすることが難しいという問題点
がある。

これは、前述のように垂直または水平に配向させた場合
には、均一に配向させやすいが、ランダムに配向させる
のは、マクロ的にみればランダムであっても、部分的に
みれば配向状態が微妙に異なり、屈折率の差を生じ、こ
れがムラとなって見え易いためである。

このタイプの素子は、この硬化工程の際に特定の部分の
みにしきい値電圧以上の電圧を印加した状態で硬化させ
てやることにより、その部分が常光散乱部分となり、ス
クリーンに黒く表示されることになる。このため、画素
電極以外の部分をこのような処理をして硬化させること
により、画素電極以外の部分に遮光膜を形成したと同様
の効果を得ることができる。

な右、本発明ではこの樹脂の硬化物の屈折率と、使用す
る液晶の屈折率（ｎｏ、ｎ、、ｎ８のいずれか）とを一
致させた液晶樹脂複合体を挟持した液晶表示素子を用い
るものであり、その屈折率は完全に一致させることが好
ましいものであるが、透過状態に悪影響を与えない程度
に、はぼ一致するようにしておけば使用可能である。

具体的には、屈折率の差を０．１５程度以下にしてお（
ことが好ましい。これは、液晶により樹脂マトリクスを
構成している樹脂の硬化物が膨潤して、硬化物が本来持
っていた屈折率よりも液晶の屈折率に近ずくため、この
程度の差があっても、光はほぼ透過するようになるため
である。

また、本発明の投射型アクティブマトリクス液晶表示装
置は、カラーフィルターを設けることによりカラー表示
を行うことができる。このカラーフィルターは、１個の
液晶表示素子に３色設けてもよいし、１個の液晶表示素
子に１色設けてもこれを３個組み合わせてもよい。この
カラーフィルターは、基板の電極面側に設けてもよいし
、外側に設けてもよい。

また、液晶樹脂複合体中に染料、顔料等を混入しておく
ことにより、カラー表示を行うようにしてもよい。

第１図は、本発明の投射型アクティブマトリクス液晶表
示装置の断面図である。

第１図において、　１は液晶表示素子、２は投射用光源
と、　３は投射光学系、４は投射するスクリーン、　５
はアクティブマトリクス基板用のガラス、プラスチック
等の基板、６はＩＴＯ（Ｉｎ１Ｏｓ−ＳｎＯ＊）、５ｎ
Ｏｚ等の画素電極、７はトランジスタ、ダイオード、非
線形抵抗素子等の能動素子、８は対向電極基板用のガラ
ス、プラスチック等の基板、９はＩＴＯ，ＳｎＯ□等の
対向電極を示しており、これらアクティブマトリクス基
板と対向電極基板との間に液晶樹脂複合体１０が挟持さ
れた構造を有している。

この能動素子としてＴＰＴ　（薄膜トランジスタ）等の
３端子素子を使用する場合、対向電極基板は全画素共通
のベタ電極を設ければよいが、ＭＩＭ素子、ＰＩＮダイ
オード等の２端子素子を用いる場合には、対向電極基板
はストライブ状のバターニングをされるやまた、能動素子として、ＴＰＴを用いる場合には、半導
体材料としてはシリコンが好適であり、特に多結晶シリ
コンを使用することが好ましい。

また、電極は通常は透明電極とされるが、反射型の投射
型液晶表示装置として使用する場合には、クロム、アル
ミ等の反射電極としてもよい。

本発明の液晶表示装置は、このほか赤外線カットフィル
ター、紫外線カツトフィルター等を積層したり、文字、
図形等を印刷したりしてもよいし、複数枚の液晶表示素
子を用いたりするようにしてもよい。

さらに１本発明では、この液晶表示素子の外側にガラス
板、プラスチック板等の保護板を積層してもよい、これ
により、その表面を加圧しても、破損する危険性が低く
なり、安全性が向上する。

本発明では、前述の液晶樹脂複合体を構成する未硬化の
樹脂として光硬化性樹脂を用いる場合、光硬化ビニル系
樹脂の使用が好ましい。

具体的には、光硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に
、光照射によって重合硬化するアクリルオリゴマーを含
有するものが好ましい。

本発明で使用される液晶は、ネマチック液晶であり、単
独で用いても組成物を用いても良いが、動作温度範囲、
動作電圧など種々の要求性能を満たすには組成物を用い
た方が有利といえる。特に、正の誘電異方性を有するネ
マチック液晶と樹脂マトリクスの屈折率がその液晶の常
光屈折率（ｎｏ）と一致するような樹脂マトリクスとの
組み合わせが好適である。

また、液晶樹脂複合体に使用される液晶は、光硬化性樹
脂を用いた場合には、光硬化性樹脂を均一に溶解するこ
とが好ましく、光露光後の硬化物は溶解しない、もしく
は溶解困難なものとされ、組成物を用いる場合は、個々
の液晶の溶解度ができるだけ近いものが望ましい。

液晶樹脂複合体を製造する際、光硬化性樹脂等の硬化性
化合物と液晶゛とは５：９５〜７５：２５程度の混合物
とすればよく、液状なしは粘稠物として使用されればよ
い。

液晶樹脂複合体を製造する場合、従来の通常の液晶表示
素子のようにアクティブマトリクス基板と対向電極基板
とを電極面が対向するように配置して、周辺をシール材
でシールして、注入口から未硬化の液晶樹脂複合体用の
混合液を注入して、注入口を封止してもよいし、基板上
に硬化性化合物と液晶との混合物を供給し、対向する基
板を重ね合わせるようにして製造してもよい。

基板間ギャップは、　２〜１００μｍにて動作すること
ができるが、印加電圧、オン・オフ時のコントラストを
配慮すれば、液晶樹脂複合体の場合には４〜４０μｍに
設定することが適当である。

本発明の液晶表示素子は、液晶中に２色性色素や単なる
色素、顔料を添加したり、硬化性化合物として着色した
ものを使用したりしてもよい。

本発明では、液晶樹脂複合体として液晶を溶媒として使
用し、光露光により光硬化性樹脂を硬化させることによ
り、硬化時に不要となる単なる溶媒や水を蒸発させる必
要がない。このため、密閉系で硬化できるため、従来の
セルへの注入という製造法がそのまま採用でき、信頼性
が高く、かつ、光硬化性樹脂で２枚の基板を接着する効
果も有するため、より信頼性が高くなる。

このように液晶樹脂複合体とすることにより、上下の透
明電極が短絡する危険性が低（、かつ、通常のツイスト
ネマチック型の表示素子のように配向や基板間隙を厳密
に制御する必要もな（、透過状態と散乱状態とを制御し
つる液晶表示素子を極めて生産性良く製造できる。

この液晶表示素子は、基板がプラスチックや薄いガラス
の場合にはさらに保護のために、外側にプラスチックや
ガラス等の保護板を積層することが好ましい。

本発明の液晶表示装置は、駆動のために電圧を印加する
時には、液晶の配列が変化するような交流電圧を印加す
ればよい。具体的には、３〜１００Ｖで１０〜１．０Ｏ
ＯＨｚ程度の交流電圧を印加すればよい。

［作用］本発明によれば５液晶表示素子が透過状態の部分では光
が透過し、スクリーンが明るく表示され、散乱状態の部
分では光が散乱され、スクリーンは暗く表示され、これ
により所望の表示が得られる。

〔実施例］以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。

実施例１ガラス基板（コーニング社製７０５９基板）上にクロム
を６０部ｍ蒸着して、バターニングしてゲート電極とし
た。引き続きシリコンオキシナイトライド膜と非晶質シ
リコン膜をプラズマＣＶＤ装置で堆積した。これをレー
ザーを用いてアニールした後、バターニングして多結晶
シリコンとした。これにリンドープ非晶質シリコン、ク
ロムを夫々プラズマＣＶＤ、蒸着装置を用いて堆積し、
多結晶シリコンを覆うようにバターニングして、第１層
目のソース電極、ドレイン電極とした。さらに、（Ｔｏ
を蒸着した後、バターニングして画素電極を形成した。

続いて、クロム、アルミを連続蒸着して、画素電極と第
１層目のソース電極、ドレイン電極を接続するようにバ
ターニングして、第２層目のソース電極、ドレイン電極
とした。この後、再び、シリコンオキシナイトライド膜
をプラズマＣＶＤ装置で堆積し保護膜とし、アクティブ
マトリクス基板を作成した。

全面にベタのＩＴＯ電極を形成した同じガラス基板によ
る対向電極基板と、前に製造したアクティブマトリクス
基板とを電極面が対向するように配置して、周辺を注入
口を除き、エポキシ系のシール材でシールして空セルを
製造した。

２−エチルへキシルアクリレート　７部及び２−ヒドロ
キシエチルアクリレート１５部、アクリルオリゴマー（
東亜合成化学（株）製ｒＭ−１２００Ｊ、粘度３００．
０００ｃｐｓ／　５０℃）２４部、光硬化開始剤として
メルク社製［グロキュアー１１１６Ｊを０．９部と液晶
としてＢＤＨ社製ｒＥ−８Ｊを６４部とを均一に溶解し
た０次いで、１４μｍのスペーサーを加えて分散させて
、液晶樹脂混合液を製造した。

この混合物を、上記方法により製造した空セルに注入口
から注入し、注入口な封止した。

これに紫外線を３０秒間照射して液晶樹脂複合体を硬化
させ、液晶表示素子を作成しだいこの液晶表示素子は、
電圧を印加しない状態で散乱状態であり、電圧印加した
状態で透過状態になった。

この液晶表示素子をＯＨＰを用いてスクリーンに投射し
たところコントラスト比が約１００であった。この駆動
電圧はＡＣ５Ｖであった。

比較例１実施例１の液晶樹脂複合体の代りに、ネマチック液晶を
注入し、ＴＮ型液晶表示素子とした投射型アクティブマ
トリクス液晶表示素子を製造した。

この液晶表示素子なＯＨＰを用いてスクリーンに投射し
たところコントラスト比が約ｌＯであった。

［発明の効果］本発明の投射型アクティブマトリクス液晶表示装置では
、アクティブマトリクス基板と対向′Ｒ極基板との間に
挟持される液晶材料として、電気的に散乱状態と透過状
態とを制御しつる液晶樹脂複合体を挟持した液晶表示素
子を用いているため、偏光板が不要であり、透過時の光
の透過率を大幅に向上できる。このため、明るくコント
ラストの良い投射型表示が得られる。また、光源も小型
化できる。

また、偏光板を用いなくてもよいため、光学特性の波長
依存性が少なく、光源の色補正等がほとんど不要になる
という利点も有している。

また、ＴＮ型液晶表示素子に必須のラビング等の配向処
理やそれに伴う静電気の発生による能動素子の破壊とい
った問題点も避けられるので、液晶表示素子の製造歩留
りを大幅に向上させることができる。

また、この液晶樹脂複合体は、比抵抗が従来のＴＮモー
ドの場合と同等であり、従来のＤＳモードのように大き
な蓄積容量を画素電極毎に設けなくてもよ（、能動素子
の設計が容易で、有効画素電極面積の割合を大きくしや
すく、かつ、液晶表示素子の消費電力を少なく保つこと
ができる。

さらに、ＴＮモードの従来の液晶表示素子の製造工程か
ら、配向膜形成工程を除（だけで製造が可能になるので
、生産が容易である。

また、この液晶樹脂複合体を用いた液晶表示素子は、応
答時間が短いという特長も有しており、動画の表示も容
易なものである。さらに、この液晶表示素子の電気光学
特性（電圧−透過率）は、ＴＮモードの液晶表示素子に
比して比較的なだらかな特性であるので、階調表示への
適用も容易である。

本発明は、この外、本発明の効果を損しない範囲内で種
々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の投射型アクティブマトリクス液晶表
示装置の基本的な構成を示す断面図である。液晶表示素子　　：　１投射用光源投射光学系スクリーン基板画素電極能動素子対向電極液晶樹脂複合体：　　２：　　３＝　４：　５、　８：　　６：　　７：　　９：１０

Claims

【特許請求の範囲】

（１）画素電極毎に能動素子を設けたアクティブマトリ
クス基板と、対向電極を設けた対向電極基板との間に液
晶材料を挟持してなる液晶表示素子と、投射用光源と、
投射光学系とを用いた投射型アクティブマトリクス液晶
表示装置において、液晶材料としてネマチック液晶が樹
脂マトリクス中に分散保持されており、その樹脂マトリ
クスの屈折率が、使用する液晶の常光屈折率（ｎ＿ｏ）
、異常光屈折率（ｎ＿ｅ）または液晶がランダムに配向
した場合の屈折率（ｎ＿ｘ）のいずれかと一致するよう
にされた液晶樹脂複合体からなることをことを特徴とす
る投射型アクティブマトリクス液晶表示装置。
（２）請求項１の液晶樹脂複合体の液晶として誘電異方
性が正のネマチック液晶を用い、その樹脂マトリクスの
屈折率が、使用する液晶の常光屈折率（ｎ＿ｏ）と一致
するようにされたことを特徴とする投射型アクティブマ
トリクス液晶表示装置。
（３）請求項１の液晶樹脂複合体に用いられる樹脂が、
光硬化性ビニル系樹脂であり、液晶と該樹脂とを均一に
溶解した溶液に光照射し、樹脂を硬化させることにより
得られる液晶樹脂複合体を使用することを特徴とする投
射型アクティブマトリクス液晶表示装置。