JPH04251220A - 液晶表示素子とその製造方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子とその製造
方法に関するもので、電気的又は熱的にその表示を切り
換えることにより表示用デバイスとして利用されるもの
に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子はネマチック液晶を使用し
たツイストネマチック型や、ねじれ角度を９０゜以上に
したスーパーネマチック型のものが、低消費電力、低電
圧駆動、軽量化、薄型化といった特長を生かしてフラッ
トディスプレイとしてパーソナルワールドプロセッサー
、ハンドヘルドコンピュータ、ポケットテレビ等の表示
デバイスとして広く利用されている。また近年ではカラ
ー化も進み、画素電極ごとに能動素子を設けたアクティ
ブマトリクス型の液晶表示素子が高密度化可能であると
いう特長の故に主流となりつつある。しかしながら上記
のものは全て偏光板を要するものであり、又配向処理が
不可欠のものである。これらを要さず、明るくコントラ
ストの良い、大型で廉価な液晶表示素子ということで、
散乱−透明の状態の切り換えで表示を行なう方法が注目
されている。以前はこの種類のモードとしてＤＳＭ（動
的散乱）型またはＰＣ（相転移）型の液晶を用いた液晶
表示素子も提案されていたが、各々液晶中を流れる電流
値が高くて消費電流が大きいという欠点があったり、液
晶層の厚み制御が困難で色ムラを起こし易いといった欠
点があったりして実用化には至らなかった。

【０００３】最近ではこういった欠点の無い、尚且つ低
電圧駆動可能な液晶表示素子として液晶をカプセル化す
ることにより、ポリマー中に液晶滴を分散させてそのポ
リマーをフィルム化する方法が知られている。ここでカ
プセル化物質としては、ゼラチン、アラビアゴム、ポリ
ビニルアルコール等が提案（特表昭５８−５０１６３１
号、ＵＳＰ４４３５０４７号）されたり、このほかにも
液晶がエポキシ樹脂中に分散したもの（特表昭６１−５
０２１２８号）、液晶が紫外線硬化ポリマー中に分散し
たもの（特開昭６２−２２３１号公報）等が開示されて
いるが、どれも電界を加えると液晶分子が電界の方向に
向きを揃えて配列し、その際の液晶の屈折率ｎｏ、また
はｎｅとポリマーの屈折率ｎｐが等しくなって透明性を
有し、電界を除くと液晶分子はランダムな配列に戻り、
この液晶を通過する光は散乱してしまうという２状態を
もって表示を行なう原理によるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような分散タイプ
の液晶表示素子の液晶層となる高分子分散液晶層におけ
る高分子マトリクスとしては、基本的には透明であれば
、熱可塑性樹脂でも熱硬化樹脂であってもさしつかえな
いが、紫外線硬化型の樹脂が一般には最も簡便で、性能
も良く使用されることが多い。その理由として、従来の
液晶パネルの製造方法として上下２枚の基板にあらかじ
め所定の電極パターンを形成しておき、該電極同志が対
向するように２枚の基板を重ね合せる。この際に所定の
大きさの粒径の揃ったスペーサを基板の間にはさみこみ
、２枚の基板の間隙を保持できるようにした状態で２枚
の基板をエポキシ樹脂のシール材で固定させる。このよ
うにして得られる空セルの中に液晶を注入するといった
製造方法が多く用いられている。この製造方法を応用し
て分散タイプの液晶パネルを製造する為には高分子マト
リクスを紫外線硬化型の樹脂にすると良い。特にその１
例としてアクリル系の樹脂を用いれば、注入前に於いて
は、モノマー、あるいは／及びオリゴマーという低粘度
な前駆体として存在し、液晶とのブレンド物は常温で注
入するのに十分な流動性を有しているので、従来の液晶
パネルの製造方法を応用することができる。

【０００５】また注入した後にパネルに紫外線を照射す
ることによって樹脂のみ重合反応を起こしてポリマーと
なり、液晶のみ相分離して、樹脂分と比較して液晶の量
が少ない場合は独立した粒子状の液晶滴が形成されるし
、一方液晶の量が多い場合は高分子マトリクスが液晶材
料中に粒子状又はネットワーク状に存在し、液晶が連続
相を成すように形成される。この際に液晶滴の粒子径、
もしくはポリマーネットワークの孔径がある程度均一で
尚且つ大きさとしては０．１μｍ〜数μｍの範囲でなけ
れば分散性能が悪く、コントラストが上がらない。 この為にも紫外線硬化樹脂のように短時間で硬化が終了
しうる材料でなければならない。

【０００６】以上述べたような理由で高分子マトリクス
として紫外線硬化タイプの樹脂を用いるのが最も良い。

【０００７】しかしながら紫外線硬化型の樹脂をマトリ
クスとして用いる場合に従来の液晶表示素子で用いてい
たブラックストライプ、あるいはブラックマトリクスと
呼ばれる画素間の遮蔽層を形成することができない。な
ぜならばブラックマトリクスを形成した空セルに先に述
べた製造方法にて液晶パネルを形成した場合には高分子
分散液晶層の高分子マトリクスを紫外線硬化させる場合
に遮蔽層を形成した部分の内側の液晶樹脂複合体には光
が照射されず、該部分の高分子マトリクスは未硬化のま
ま残ってしまう。

【０００８】よって分散タイプの液晶表示素子に於いて
はブラックマトリクスは用いることができず、画素間か
ら散乱してもれてくる光の為に画像のぼやけた、シャー
プさの欠けた表示しかできない液晶表示素子しかできな
かった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたものであり、上下２枚のうち少な
くとも一方が透明な電極基板の間に、高分子分散液晶層
を挟持してなる液晶表示素子にあって、少なくとも一方
の基板の画素電極間に遮蔽層を設け、該遮蔽層の一部に
小孔を設けたことを特徴とする液晶表示素子を提供する
ものである。

【００１０】基板は例えばガラス、金属、プラスチック
フィルム等が掲げられ、堅固な材料であっても柔軟性を
有する材料であっても良いが、２枚が対向して適当な間
隔を隔て得るものである。また少なくとも一方は透明性
を有し、その２枚の間に挟持される液晶を外側から見識
しうるものであれば良い。この２枚の基板の内側には目
的に応じて透明、不透明の適宜な電極が全面または一部
に配置されている。

【００１１】２枚の基板間には液晶材料としてネマチッ
ク液晶が高分子マトリクス中に分散保持されたもの、あ
るいは高分子マトリクスが液晶材料中に粒子状又はネッ
トワーク状に存在しているような高分子分散液晶からな
るものが介在される。

【００１２】液晶材料はネマチック液晶、スメクチック
液晶、コレステリック液晶が好ましく、単一もしくは２
種以上の液晶性化合物や液晶性化合物以外の物質も含ん
だ混合物であっても良い。

【００１３】高分子マトリックス材料としては透明なポ
リマーが好ましく、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬
化性樹脂のいずれであっても良いが、先に述べたように
製造工程の容易さ、液晶相との分離等の点より紫外線硬
化タイプの樹脂を用いるのが好ましい。具体的な例とし
て紫外線硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に紫外線
照射によって重合硬化するアクリルモノマー、アクリル
オリゴマーを含有するものが好ましい。

【００１４】このような高分子形成モノマーとしては、
２−エチルヘキシルアクリレート、２−ヒドロキシエチ
ルアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレー
ト、ヘキサンジオールジアクリレート、ジエチレングリ
コールジアクリレート、トリプロピレングリコールジア
クリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、
トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリ
スリトールトリアクリレート等々である。

【００１５】オリゴマーもしくはプレポリマーとしては
、ポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート、
ポリウレタンアクリレート等が挙げられる。

【００１６】また重合を速やかに行う為に重合開始剤を
用いても良く、この例として、２−ヒドロキシ−２−メ
チル−１−フェニルプロパン−１−オン（メルク社製「
ダロキュア１１７３」）、１−（４−イソプロピルフェ
ニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オ
ン（メルク社製「ダロキュア１１１６」）、１−ビドロ
キシシクロヘキシルフェニルケトン（チバガイキー社製
「イルガキュア１８４」）、ベンジルメチルケタール（
チバガイギー社製「イルガキュア６５１」）等が掲げら
れる。

【００１７】その他に任意成分として連鎖移動剤、光増
感剤、染料、架橋剤等を適宜併用することができる。

【００１８】この紫外線硬化性化合物中に液晶材料を均
一に溶解させた液状ないしは粘稠物を２枚の基板間に注
入させた後に紫外線照射を行なって紫外線硬化性化合物
のみを硬化させ、その際に液晶材料のみ相分離して高分
子分散液晶層が形成される。

【００１９】高分子分散液晶層中の液晶材料の割合はこ
こでは規定しないが一般には２０重量％〜９０重量％程
度が良く、好ましくは５０重量％〜７０重量％程度が良
い。２０重量％以下であると液晶滴の量が少なく、散乱
の効果が乏しい。また９０重量％以上となると高分子と
液晶が上下２層に相分離する傾向が強まり、界面の割合
は小さくなり光散乱は低下する。高分子分散液晶層の構
造は液晶分率によって変わり、だいたい５０重量％以下
では液晶滴は独立したドロップレット状として存在し、
５０重量％以上となると高分子と液晶が互いに入り組ん
だ連続相となる。

【００２０】この２枚の基板の内側、つまり電極側の少
なくとも一方の表面の画素電極間に遮蔽層を配する。２
枚の基板のうち一方が画素電極と能動素子より成るアク
ティブマトリクス基板の場合は、該アクティブマトリク
ス基板と対向する電極基板の電極側に該アクティブマト
リクス基板のソース信号線、または１及びゲート信号線
及び能動素子を隠すような位置に遮蔽層を配置する。こ
の場合遮蔽層に用いる材料としては光を遮るものならば
何でも良いが、薄い膜厚で光の遮蔽効果の高い金属が良
い。例えばクロム、酸化クロム、アルミニウム、チタン
等の薄膜が該当する。遮蔽層に金属物を用いる場合は、
蒸着法、スパッタ法等によって成膜すると良い。

【００２１】この遮蔽層の一部に光を透過させるための
小孔を設ける。この小孔は形状は任意でありここでは規
定しないが、大きさはあまり大きいとパネルを表示させ
た際に小孔の部分は遮光されずに光が漏れてくるので欠
陥となって目に見えてしまう。また１つの小孔は表示の
際に目に見えない程度の大きさでも量が多いとコントラ
ストの低下をもたらす。このような小孔の形成方法とし
ては、遮蔽層を形成した後に小孔を設ける所定部の遮蔽
層をエッチング等の手法により除去してやるか、または
遮蔽層を蒸着等の手段により形成する際に小孔を設ける
所定部にあらかじめマスクしておけば容易に形成可能と
なる。

【００２２】本発明の液晶表示素子の製造方法としては
このような遮蔽層及び小孔を設けた基板と対向する基板
とを電極面が向かい合うように所定間隔を保持させたま
ま重ね合せて、注入口のみ残して周囲をシールして固め
る。この後注入口より前述の未硬化の紫外線硬化型の樹
脂及び液晶との均一溶液を２枚の基板間隔に注入する。 あるいは上下２枚の基板を重ねる際に樹脂液晶均一溶液
を滴下して余分な溶液を絞り出して所定間隔を保持させ
たまま周囲をシールしても良い。以上のように上下２枚
の基板間に未硬化の樹脂−液晶均一溶液が満たされた液
晶パネルを作成する。これに遮蔽層及び小孔を配置した
基板の外側から紫外線を照射すると、遮蔽層で隠れた部
分の樹脂−液晶溶液には光が照射されず、遮蔽層を配置
していない部分及び小孔の部分の樹脂−液晶溶液のみに
光が照射され、この部分の樹脂が硬化して高分子マトリ
クスが形成され、高分子液晶層が得られる。

【００２３】この製造方法を更に詳しく説明する為にこ
のプロセスを図面で示す。（図２）は光を照射する前の
未硬化の本発明の液晶表示素子の一部断面の概略図、（
図３）は光を照射した後の硬化後の本発明の液晶表示素
子の一部断面の概略図を示す。（図２）及び（図３）に
おいて、１はアクティブマトリクス基板用のガラス、も
しくはプラスチック等の基板、２はＩＴＯ，ＳｎＯ２等
の画素電極、３は能動素子、４は樹脂−液晶溶液、５は
高分子分散液晶層、６は遮蔽層、７は小孔、８はＩＴＯ
，ＳｎＯ２等の対向電極、９は対向基板用のガラス、も
しくはプラスチック等の基板を示している。（図３）に
示すように、遮蔽層６ののっていない部分は液晶−樹脂
溶液４が光硬化反応を起こして高分子マトリクスが形成
され、液晶滴が相分離している構造の高分子分散液晶層
５が形成されており、特に小孔７の部分の高分子分散液
晶層５は柱状に上下基板間に形成されている。実際には
光を照射する際に光のまわり込みや反射等によって開口
部の大きさよりも若干大きな部分に光が入りこんでくる
為に、開口部の面積よりもやや広い部分が高分子分散液
晶層５となる。

【００２４】本発明ではアクティブマトリクス基板を用
いたが、電極は不透明なクロム、アルミニウム等の反射
電極であるような反射型の液晶表示素子であってもよい
。

【００２５】また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、高分子マト
リクスとして着色したもの使用してもよい。

【００２６】

【作用】本発明によれば、明るくコントラストの高い高
分子分散液晶タイプの液晶表示素子であって、ブラック
ストリクスを設けても高い信頼性を有し、シャープで鮮
明な画像表示が可能な液晶表示素子を得ることができる
。

【００２７】

【実施例】以下、実施例により図面を参照しながら本発
明を具体的に説明する。しかし本発明はこれらの実施例
に限定されるものではない。

【００２８】（図１（ａ））は本発明の液晶表示素子の
一部の平面図、（図１（ｂ））は（図１（ａ））の一点
鎖線Ａ−Ｂでの液晶表示素子の一部の断面図である。図
中の１はアクティブマトリクス基板用のガラス基板、２
は画素電極、３は能動素子、４は樹脂−液晶溶液、５は
高分子分散液晶層、６は遮蔽層、７は小孔、８は対向電
極、９は対向基板用のガラス基板を示している。能動素
子３は次の様な手順で作成した。まずガラス基板上１に
クロムを０．１μｍ蒸着して、パターニングを行ないゲ
ート電極１０を作成した。この上からシリコンナイトラ
イド、アモリファスシリコン、シリコンナイトライドを
順次プラズマＣＶＤにより成膜した後にパターニングし
て絶縁層及び半導体層とした。ドーピングさせたアモル
ファスシリコンをこれらの上にプラズマＣＶＤにより成
膜し、パターニングして、更にＩＴＯで画素電極２を作
成し、しかる後にアルミニウムを０．５μｍの厚みで蒸
着してソース電極１１、ドレイン電極１２を形成し能動
素子３を作成した。画素電極２の大きさは概ね１００μ
ｍ角であり、ゲート電極１０、ソース電極１１の巾は５
μｍであった。

【００２９】対向基板９の対向電極８上に遮蔽層６及び
小孔７を設けるが、酸化クロムを厚み０．１μｍで画素
及び小孔７部分をマスキングして蒸着する。遮蔽層は巾
約２０μｍであり、小孔７はゲート電極線１０上に対応
する部分の遮蔽層６には巾３μｍのライン状に設け、ソ
ース電極線１１上に対応する部分の遮蔽層６には３μｍ
角のスポット状に設けた。

【００３０】ただし、この孔径は本実施例の一例であり
、ここでは規定しないが好ましくは一つの孔径が１０μ
ｍ以下の大きさで、小孔の総面積が遮蔽層の総面積の１
０％以内であることが好ましい。また本実施例では、ソ
ース電極上及びゲート電極上に遮蔽層及び小孔を設けた
が、これらはソース電極上のみに設ければ良い。なぜな
ら、ソース電極には絶えず信号が流れておりその度に液
晶は誤動作するが、ゲート電極には１サイクルに１回走
査された信号が送られてくるためにソース電極に比べる
と液晶の誤動作は少ないからである。

【００３１】このアクティブマトリクス基板２と対向電
極基板９とを、遮蔽層６がゲート電極１０、ソース電極
１１及び能動素子３を遮蔽するように位置合わせして重
ね合わせて、注入口以外の周辺部分をシールして固定し
空セルを作成した。

【００３２】この空セルに注入口より、トリメチロール
プロパントリアクリレート１０部、及び２−ヒドロキシ
エチルアクリレート１０部、及びアクリルオリゴマー（
東亜合成化学「Ｍ−１２００」）２５部、及び光硬化開
始剤としてメルク社製「ダイロキュア−１１７３」を０
．５部、液晶としてＢＤＨ社製「Ｅ−７」を５０部混合
し、均一に溶解させた混合液を注入した。その後これに
対向基板９側から紫外線を照射して（図１）に示すよう
なブラックマトリクスを有する高分子分散液晶表示素子
を作成した。

【００３３】次に本発明の液晶表示素子の動作原理につ
いて説明する。（図４）は前記液晶表示素子の説明図で
ある。（図４）において、４１は直径１μｍ〜４μｍの
液晶滴、４２ａ，４２ｂはガラス基板、４３ａ，４３ｂ
はＩＴＯ、４４は能動素子のＴＦＴ、４５は高分子マト
リクスであり液晶滴４１をスポンジ状に囲っている。Ｔ
ＦＴ４４のオン・オフによって画素電極ＩＴＯ４３ｂに
電圧が印加され、画素電極上の液晶を制御して光を変調
する。（図４（ａ））に示すように，電圧を印加してい
ない状態では、それぞれの液晶滴４１内の液晶分子ダイ
レクタは不規則な方向に配向している。この状態では高
分子マトリクス４５と液晶滴４１との間で屈折率の差が
生じるとともランダム配向な液晶内を通過した入射波は
散乱する。ここで（図４（ｂ））に示すように電圧を印
加すると液晶の配向方向が揃い、液晶が一定方向に配向
したときの屈折率をあらかじめ高分子マトリクスの屈折
率と合わせておくと、入射光は散乱せずに出射する。

【００３４】この様に本発明の液晶表示素子は，電圧を
印加しない状態で散乱し、電圧を印加すると透明となり
、−４０℃−８０℃のヒートサイクルテストに於いても
５００サイクル経過後もコントラスト比１００以上と充
分な信頼性を有していた。

【００３５】この実験例と比較する為の例として，遮蔽
層６に小孔７を設けずに上述と同様な構成で、同様な手
順で液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子は電圧
を印加しない状態で散乱し、電圧を印加すると透明とな
ったが、−４０℃−８０℃のヒートサイクルテストを５
００サイクル経過した後にはコントラスト比は１２と大
幅に低下した。

【００３６】

【発明の効果】本発明の液晶表示素子の製造方法に従え
ば、高分子分散液晶を挟持した場合にあっても、あらか
じめ遮蔽層を設けるとともに、該遮蔽層の一部に小孔を
設け、この小孔より該遮蔽層で遮られる部分の液晶層に
も光を当てて樹脂を硬化させるので，ブラックマトリク
スを有していても信頼性の高い液晶表示素子を得ること
が可能となる。また従来の高分子分散液晶表示素子には
紫外線を照射しても遮蔽層に遮られる部分には光が当た
らず、未硬化のまま残ってしまうという理由によりブラ
ックマトリクスを設けることは不可能で、ブラックマト
リクスが無いと画素間の部分は電圧オフ時には画素部分
より散乱していた光が漏れ出るとともに、電圧オン時に
も散乱光により画素間は完全に黒にはならず、表示がす
っきりしない、ぼやけたものとなり見づらかったが、本
発明によって画素間は常に黒表示となり表示のシャープ
さが向上し見易い画像が得られる。

【００３７】本発明の高分子分散液晶層を用いた液晶表
示素子は、散乱−透過で表示を切り換えるので偏光板が
不要であり、透過時の光の透過率を大幅に向上できる。 従って、従来であれば偏光板によって５０％強の光損失
が発生し、これが熱に変わって素子の温度上昇の問題が
発生し信頼性が乏しかったが、こういった問題点も解消
され、光効率の良い明るい液晶表示素子が得られる。

【００３８】またＴＮ型液晶表示素子に必須のラビング
等の配向処理が不必要であり、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
、液晶表示素子の歩留りを向上させることができる。 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くだけで製造が可能になるので生産
が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の液晶表示素子の一実施例に係
る一部平面図である。 （ｂ）は本発明の液晶表示素子の一実施例に係る一部断
面図である。

【図２】光を照射する前の未硬化の本発明の一実施例に
係る液晶表示素子の一部の断面概略図である。

【図３】光を照射した後の硬化後の本発明の一実施例に
係る液晶表示素子の一部の断面概略図である。

【図４】高分子分散液晶表示素子の動作原理の説明図で
ある。

【符号の説明】

１　　アクティブマトリクス基板用のガラス基板２　　
画素電極 ３　　能動素子 ４　　樹脂−液晶溶液 ５　　高分子分散液晶層 ６　　遮蔽層 ７　　小孔 ８　　対向電極 ９　　対向基板用のガラス基板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　上下２枚のうち少なくとも一方が透明
   な電極基板の間に、高分子分散液晶層を挟持してなる液
   晶表示素子であって、少なくとも一方の基板の画素電極
   間に遮蔽層を設け、該遮蔽層の一部に小孔を設けたこと
   を特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】　　一方の電極基板が画素電極と能動素子
   より成るアクティブマトリクス基板であり、遮蔽層と小
   孔を少なくともソース信号線上の対向電極基板の所定部
   に設けることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子
   。
3. 【請求項３】　　高分子分散液晶層のうちの高分子マト
   リクスが紫外線硬化型の樹脂であり、あらかじめ前記樹
   脂と液晶とを均一に溶解した溶液に光を照射して樹脂を
   硬化せしめることを特徴とする請求項１記載の液晶表示
   素子。
4. 【請求項４】　　請求項１において上下２枚の基板を電
   極面が対向するように、所定間隙を保持させたまま重ね
   合わせ、前記間隙に紫外線硬化型の樹脂と液晶を均一に
   溶解させた溶液を注入して、遮蔽層および小孔を設けた
   基板側から光を照射して樹脂を硬化させることを特徴と
   する液晶表示素子の製造方法。