JPH0940955A - 液晶表示素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ネマチック相を示す側鎖型高分子液晶（６
ｍ，６ｓ，６ｃ）と低分子液晶７の混合物に二色性色素
８を溶解した混合液晶を電極間（３ａ〜ｃと４）に挟ん
だことにより、ゲストホスト液晶を用い、偏光板を用い
ずに明るい反射型液晶表示素子及びその製造方法を提供
する。 【解決手段】 下記式（化１）に示す側鎖型高分子液晶
とネマチック液晶を３：７（重量比）の割合で混合して
アセトンに溶解させ、攪拌してから、アセトンを蒸発さ
せた。この混合物に、アントラキノン系の二色性色素を
複数色混合した黒色の二色性色素を１重量％溶解したゲ
ストホスト混合液晶を、上記の空セルに注入した。この
結果、混合液晶はホモジニアス配向していた。また拡散
反射板を配置しても良い。 【化１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ゲストホスト液晶
を用い、偏光板を用いずに明るい反射型液晶表示素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ネマチック液晶を用いた表示素子は、液
晶分子の配向によっていくつかのモードがある。もっと
も普及しているのは、捻れネマチック（ＴＮ）液晶であ
り、その他にホメオトロピック（垂直）配向、またはホ
モジニアス（水平）配向の複屈折モードやゲストホスト
モード等がある。

【０００３】ＴＮ液晶や複屈折モードの液晶は偏光板を
２枚必要とするために、自然光の一方の偏光は吸収され
てしまうので透過率が理想状態でも５０％以上にはなら
ず、通常２０から３０％程度であり、特に外光を利用す
る反射形液晶では非常に暗い表示になってしまう。

【０００４】そこで、液晶（ホスト）中に二色性色素
（ゲスト）を溶解させたゲストホスト液晶により、偏光
板をなくしたり、１枚にすることが実施されている。二
色性色素は液晶分子に沿って配向し、液晶分子長軸に沿
った吸収軸を持つので、液晶分子が水平に配向している
とき、液晶の配向方向の偏光を吸収し、垂直に配向した
とき、吸収は小さくなる。ゲストホスト液晶では、セル
厚や色素の濃度を上げるとコントラストは上昇し、透過
率は下がる。しかし、セル厚や色素濃度を変えても、明
状態と暗状態の透過率の対数の比率は一定であり、この
比率を二色比（吸光度比）と呼び、二色性色素やゲスト
ホスト液晶ディスプレイの性能指標となる。

【０００５】二色性色素の二色比は、ホモジニアス配向
させたゲストホスト液晶の、配向（分子長軸）方向に平
行な偏光の吸光度（透過率の対数）と、垂直な偏光の吸
光度または、ホメオトロピック配向ゲストホスト液晶パ
ネルの吸光度の比率を取る。通常の、ネマチック液晶を
ホストとした、溶解度が十分なポジ型の二色性色素の二
色比はせいぜい１０から１１である。

【０００６】しかし、ゲストホスト液晶ディスプレイの
二色比は、電場による配向変形に基づいた明暗変化の吸
光度比率であり、二色性色素自体の二色比より小さくな
る。偏光板１枚を用いるハイルマイヤー型ゲストホスト
液晶パネルの断面図を図２に示す。電圧無印加では、液
晶２０と二色性色素２１はホモジニアス配向しており、
その配向方向は偏光板２２の偏光軸と平行なので、暗状
態である。電圧を印加すると、液晶層の中間層の分子２
３がほぼ垂直配向し明るくなるが、基板界面近傍の分子
２４は配向膜に束縛されて動かない。この為二色比は色
素自体の値より小さくなり、ＴＮ液晶に比べるとコント
ラストが低くなってしまう。

【０００７】偏光板を用いない明るいモードとしては、
例えば、図３のような相転移ゲストホストモードがあ
る。二色性色素と、ねじれピッチの比較的短いコレステ
リック液晶を混合したゲストホスト液晶を基板の間に挟
むと、ねじれのらせんが基板に垂直な方向に図３（ａ）
のように配向する。このとき、入射光は色素に吸収され
て、例えば、黒の色素を用いれば黒表示となる。この液
晶に、電圧を印加すると、まず、図３（ｂ）のようにら
せん軸が基板に水平になり、さらに電圧を印加すると、
ねじれが解けて図３（ｃ）の垂直配向となる。このと
き、色素の吸光度は小さいので、背後の反射板の色が明
るく見える。

【０００８】相転移ゲストホストモードでは、偏光板を
用いず自然光が入射するために、ディスプレイの二色比
は色素自身の二色比Ｄpの約半分；（Ｄｐ＋１）／２以
上にはならない。また、入射直線偏光が液晶分子の複屈
折を受けて色素の吸光軸である分子長軸からずれながら
旋光することにより暗状態の吸光度が下がってしまい、
二色比はさらに小さくなる。これため、複屈折（Δｎ）
ができるだけ小さいホスト液晶が用いられる。相転移ゲ
ストホストモードで、二色比を高くするためには、Δｎ
を小さくすることの他に、セル厚ｄと液晶のねじれピッ
チｐの比率ｄ／ｐを大きくすることが有効だが、ｄ／ｐ
を大きくするほど駆動電圧が高くなる。

【０００９】偏光板を用いないもう一つのモードとし
て、図４のようにホモジニアス配向させたゲストホスト
液晶の背後に１／４波長板６１と反射板６２を配置した
モードがある（例えば、アプライド フィジックス レ
ターズ、３０巻、１２号、６１９頁、H.S.Cole and R.
A.Kashnow(1977)）。無電圧状態では、図４（ａ）の水
平配向した液晶分子に平行な入射偏光は往路で色素に吸
収される。これに垂直な直線偏光は液晶層を透過して、
１／４波長板を往路を通って円偏光となり、反射板で反
射されて逆周りの円偏光に、さらに復路の１／４波長板
を通って、１／２波長位相がシフトした、液晶分子に水
平な直線偏光に変換されて液晶層に戻り、液晶中の二色
性色素に吸収されて、暗表示となる。電圧を印加すると
図４（ｂ）の垂直配向になり、液晶層での吸収が少なく
なり、明表示となる。

【００１０】１／４波長板を用いる従来例は、コントラ
ストが非常に低いという欠点のために、従来ほとんど注
目されてこなかった。これは、光の入射角に依存して位
相差が異なる結果１／４波長板を往復した光が完全に直
線偏光に変換されず、復路で色素に吸収されない成分が
生じるためである。本発明者らは、この問題点を解決す
る、液晶表示素子を特願平６−１０３８３７号において
提案している。これは、１／４波長板の入射角依存性の
小さい波長板、すなわち、波長板の厚み方向の屈折率を
進相軸と遅相軸の屈折率の中間にした波長板を用いるこ
とによりコントラストの向上を実現している。

【００１１】通常、ネマチック液晶はフェニル基が２、
３個の低分子化合物であるが、これと側鎖型高分子液晶
を混和させた複合液晶の弾性定数比Ｋ₃／Ｋ₁が著しく小
さくなることが、木部らによって報告されている（例え
ば、第２０回液晶討論会、第３４８頁〜３４９頁）。Ｋ
₃／Ｋ₁が小さくなると、しきい値特性が急峻になる。

【００１２】また、町田らはポリ−γ−ベンジルグルタ
メートをＣＲＡ法と称する方法により基板に結合させ
て、液晶の配向膜としたときに液晶配向能が印加電場に
より変化して、通常より極めて高速に液晶が応答するこ
とを報告している（例えば、第２０回液晶討論会、第２
３０頁〜２３１頁）。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記従来
の技術は、ゲストホスト液晶は偏光板の数を減らせるか
または無くせるため、明るい表示が可能であるが、表示
パネルとしての二色比が低いためコントラストが不十分
であるという問題があった。

【００１４】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、ゲストホスト液晶を用い、偏光板を用いずに明るい
反射型液晶表示素子及びその製造方法を提供することを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の液晶表示素子は、ネマチック相を示す側鎖
型高分子液晶と低分子液晶の混合物に二色性色素を溶解
した混合液晶を電極間に挟んだことを特徴とする。本発
明の液晶表示素子は、とくにバックライトを用いずに、
反射型液晶表示素子に好適である。前記において、側鎖
型高分子液晶とは、高分子の骨格主査から枝分かれして
いる側鎖部分にメソゲン基を有する化学構造の液晶性高
分子のことである。また、低分子液晶とは、数個のフェ
ニル基を骨格とする分子量数百程度の液晶性分子であ
る。前記において、二色性色素とは、入射偏光の振動方
向によって吸収係数が異なる色素のことである。

【００１６】前記構成においては、混合物中の低分子液
晶の割合が６５重量％以上９５重量％以下であることが
好ましい。次に本発明の液晶表示素子の製造方法は、側
鎖型高分子液晶または前記側鎖型高分子液晶の前駆体を
含む溶液を基板上に塗布、焼成後、ラビングし、前記基
板間にネマチック液晶を挟んだことを特徴とする。

【００１７】前記方法においては、ネマチック液晶に二
色性色素を溶解させることが好ましい。二色性色素は
０．５重量％〜１．０重量％の範囲でネマチック液晶に
溶解させるのが好ましい。

【００１８】次に本発明の液晶表示素子は、ポリ−γ−
ベンジルグルタメートを付着させた基板間に、二色性色
素を溶解させたネマチック液晶を挟むことを特徴とす
る。二色性色素は０．５重量％〜１．０重量％の範囲で
ネマチック液晶に溶解させるのが好ましい。

【００１９】二色性色素の二色比は、色素の配向秩序度
によって大きくことなる。二色性色素をポリビニルアル
コール（ＰＶＡ）に含浸させ、ＰＶＡの延伸によって色
素を配向させた偏光板は、非常に高い二色比を持つ。液
晶中では、液晶分子のゆらぎがあるために、ゲストであ
る二色性色素の配向秩序度も下がってしまう。

【００２０】側鎖型高分子液晶とネマチック液晶の混合
物に二色性色素を溶解させると、色素の二色比は通常の
ネマチック液晶より大きくなる。これは、側鎖型高分子
液晶の混入によりホストの配向秩序度が大きくなったた
めと考えられる。従来例では、側鎖型高分子液晶とネマ
チック液晶の混合によりしきい値特性が急峻になるとい
うが効果があったが、本発明では、さらに二色性色素を
溶解させることにより、ゲストホスト液晶の二色比が大
きくなると言う新たな効果が得られることを見い出し
た。

【００２１】次に、従来のゲストホスト液晶パネルの二
色比は、配向膜界面付近の液晶分子ならびに二色性色素
分子が電圧で動きにくいために、二色性色素自身の二色
比より非常に小さくなっていた。本発明の第２の液晶表
示素子では、配向膜として側鎖型高分子液晶を用いるこ
とで、無電圧時には水平配向であった界面の液晶分子
が、電圧印加によって配向膜のメソゲン液晶分子が応答
することにより、界面の液晶分子も容易に垂直方向に応
答する。これにより、本発明の液晶表示素子は従来のゲ
ストホスト液晶パネルより高い二色比を得ることができ
る。

【００２２】また、同じ理由により、配向膜にポリ−γ
−ベンジルグルタメートを用いた本発明の別の液晶表示
素子も高い二色比を得ることができる。

【００２３】

【実施例】以下、具体例について詳細に述べる。 （実施例１）図１は本発明の液晶表示素子の断面図であ
る。ガラスからなる上基板１と下基板２上には、酸化イ
ンジウム錫からなる行電極３ａ、３ｂ、３ｃと列電極４
を形成してある。電極上にポリイミド水平配向膜５を印
刷し、どちらの基板も紙面右から左の方向にラビング処
理した。これらの基板を平均粒子直径：７μｍの球形ス
ペーサを挟み、周囲に通常使われているエポキシ系シー
ル樹脂を塗布して貼合わせた。

【００２４】そして、木部らの方法（第２０回液晶討論
会、第３４８頁〜３４９頁）に準拠し、下記式（化１）
に示す側鎖型高分子液晶ＰＳ６ＥＣとＢＤＨ(株)製のネ
マチック液晶Ｅ−７を３：７（重量比）の割合で混合し
てアセトンに溶解させ、攪拌してから、アセトンを蒸発
させてＰＳ６ＥＣ／Ｅ−７複合系を作成した。

【００２５】

【化１】

【００２６】この混合物に、アントラキノン系の二色性
色素を複数色混合した黒色の二色性色素である三井東圧
染料株式会社の商品名：Ｓ４６６を１重量％溶解したゲ
ストホスト混合液晶を、上記の空セルに注入した。

【００２７】この結果、混合液晶はホモジニアス配向し
ていることが、偏光顕微鏡で確認された。図１で、側鎖
型高分子液晶分子６のメソゲン基６ｍが低分子液晶分子
７及び二色性色素８と平行に配向し、スペーサー部であ
るアルキル基６ｓを介して主鎖６ｃに繋がっている。電
圧を印加すると界面近傍以外の低分子液晶および側鎖型
高分子液晶のメソゲン部が応答して明るくなる。このパ
ネル１０で二色性色素の二色比を測定したところ、約１
２．３となった。これに対して、ネマチック液晶Ｅ−７
に同じ黒色二色性色素を１重量％溶解させ、同じ構成の
空セルに注入したパネルでは、二色性色素の二色比は１
０．８であり、側鎖型高分子液晶の混合によって、約１
４％二色性色素の二色比が向上した。

【００２８】このパネル１０の背後に、特願平６−１０
３８３７号と同様に、日東電工（株）製ＮＲＺの、５５
０nmの入射光に対して１４０nmの位相差を与える位相差
板１１を貼り、さらに、位相差板１１の後ろに拡散アル
ミ反射板１２を接着した。この位相差板は延伸方向を、
液晶分子７の長軸に４５度なす方向を向いており、この
方向の主屈折率ｎpと面内でこれに直交する主屈折率ｎs
の差が１４０nm、ｎs及びｎpと厚み方向の主屈折率ｎz
の差が７０nmある。これにより、５５０nmの光は約±５
０度の、どの方向から位相板に入射した偏光も丁度１／
２波長回転し、入射偏光と直交する直線偏光になって、
液晶層へ戻る。従って、電極３ａ，３ｃ下のホモジニア
ス配向部で、往路では一方の偏光１３が吸収され、透過
した他方の偏光が復路で吸収されて暗状態になった。

【００２９】この液晶表示素子に電極間に２．５ボル
ト、６０ヘルツの矩形波を印加すると、液晶と二色性色
素８が共に垂直配向となり、色素の吸光度が下がって、
反射率が約５０％の明るい表示となる。明暗部のコント
ラストを、通常の天井灯の室内照明のもとで、輝度計を
用いて測定すると、約５：１となった。ネマチック液晶
Ｅ７と黒色二色性色素のパネルに同じ位相板、反射板を
設けたときは、コントラストは３．７：１であり、二色
性色素の二色比の向上により、液晶表示素子の二色比も
上がり、コントラストの高い表示が得られた。また、木
部らが明らかにしているように、しきい値特性が急峻化
し、マトリクス駆動性能も向上した。

【００３０】ただし、側鎖型高分子液晶と低分子液晶の
混合割合が、低分子液晶の割合が６５重量％より小さく
なると、逆に二色比が低くなるという現象が見られた。
また、低分子液晶の割合が９５重量％以上になると、側
鎖型高分子液晶の混合による二色比の向上の効果がほと
んどなくなった。

【００３１】（実施例２）実施例１では、配向膜として
ポリイミド配向膜を用いたが、配向膜として（化１）と
同種で、高分子主鎖とメソゲン基の間にあるスペーサー
部（−（ＣＨ₂）_m−）を長くした側鎖型高分子液晶の前
駆体である下記式（化２）のシロキサン化合物のエタノ
ール０．５重量％溶液を、電極を有する基板上にスピナ
ーで２５００ｒｐｍで２０秒間回転させて塗布し、１２
０℃で２時間焼成してから、反平行にラビングした。

【００３２】

【化２】

【００３３】この基板を図１と同じように２枚を対向さ
せて間隔７μｍで貼り合わせ空セルを作成し、ネマチッ
ク液晶に黒の二色性色素を１重量％溶解したゲストホス
ト液晶を注入すると、液晶はホモジニアスに配向した。
そして、このパネルに図１と同じ位相板、反射板を背後
に配置し、２．５ボルト、６０ヘルツの矩形波電圧を印
加したところ、実施例１の場合より反射率が向上し約５
４％でコントラストは約３．９となり、実施例１の反射
率５０％、コントラスト３．７より二色比が向上した。
これは、界面近傍の液晶分子が電圧印加により動きやす
くなったためと考えられる。

【００３４】また、側鎖型高分子液晶の前駆体ではな
く、分子量が比較的小さい側鎖型高分子液晶溶液を塗布
してもよいし、その構造はシロキサン系に限らず、アク
リル系などでもよく、液晶分子であるメソゲン基が長い
スペーサーで繋がっていればよい。

【００３５】また、本実施例ではゲストホスト液晶を用
いたが、二色性色素を含んでいない通常のネマチック液
晶を用いた、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶の配向膜として用い
ると、ポリ−γ−ベンジルグルタメートを用いた従来例
と同様に、応答速度が速くなるという効果がある。

【００３６】（実施例３）実施例２と同じ目的で、配向
膜として、ポリ−γ−ベンジルグルタメートを用いた。
町田らの方法（第２０回液晶討論会、第２３０頁〜２３
１頁）に従い、２枚の基板にまず、シランカプラー（東
芝シリコーン株式会社の商品名：ＴＳＬ８３４５）を、
エタノール０．１％溶液で付着させ、１０ｎｍ程度の厚
さに形成した後、ポリーγーベンジルグルタメートとジ
シクロヘキシルカルボジイミドをそれぞれ５重量％テト
ラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶かした溶液に１昼夜浸し
た。これらの基板をＴＨＦでよく洗浄した後、乾燥し、
反平行にラビングし、組み立てた。

【００３７】この空セルに、実施例２と同じネマチック
液晶Ｅ−７に黒二色性色素を溶解したゲストホスト液晶
を注入したところ、明状態の反射率が５７％、コントラ
ストが４．３の高二色比の表示が得られ、従来より高い
二色比が得られることが分かった。

【００３８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の液晶表示素
子は、ゲストホスト液晶の二色比を側鎖型高分子液晶を
添加したり、電圧印加によって配向能が変わる配向膜を
用いることで、同じ二色性色素を用いても、二色比が従
来より高い、明るく、高コントラストの表示が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例の液晶表示素子の断面
図

【図２】 従来の液晶表示素子の積層位相板の概念図

【図３】 従来の液晶表示素子の断面図

【図４】 （ａ）（ｂ）は、従来の液晶表示素子の断面
図

【符号の説明】

１ 上基板 ２ 下基板 ３ａ〜３ｃ 列電極 ４ 行電極 ５ 配向膜 ６ｍ、６ｓ、６ｃ 側鎖型高分子液晶分子 ７ 低分子液晶分子 ８ 二色性色素 １０ ゲストホスト液晶パネル １１ １／４波長板 １２ 拡散反射板 ２０ 液晶分子 ２１ 二色性色素 ２２ 偏光板 ２３ 液晶層の中間層の液晶分子 ２４ 基板界面近傍の液晶分子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ネマチック相を示す側鎖型高分子液晶と
   低分子液晶の混合物に二色性色素を溶解した混合液晶を
   電極間に挟んだことを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】 混合物中の低分子液晶の割合が６５重量
   ％以上９５重量％以下である請求項１記載の液晶表示素
   子。
3. 【請求項３】 側鎖型高分子液晶または前記側鎖型高分
   子液晶の前駆体を含む溶液を基板上に塗布、焼成後、ラ
   ビングし、前記基板間にネマチック液晶を挟んだことを
   特徴とする液晶表示素子の製造方法。
4. 【請求項４】 ネマチック液晶に二色性色素を溶解させ
   た請求項４記載の液晶表示素子の製造方法。
5. 【請求項５】 ポリ−γ−ベンジルグルタメートを付着
   させた基板間に、二色性色素を溶解させたネマチック液
   晶を挟むことを特徴とする液晶表示素子。