JPH11212121A - カラー液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 染料の含有による液晶の作動の障害が改善さ
れ、液晶の安定性や信頼性が向上したカラー液晶表示素
子を提供することである。 【解決手段】 色素を含有固定化した粒子と液晶を媒体
に分散させた液晶性物質を用いたカラ−液晶表示素子の
構成を採用することからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパ−ソナルコンピュ
−タ、モニタ−、ＰＤＡ（個人情報端末）等に用いられ
るカラ−液晶表示素子に関するものであり、カラ−フィ
ルタ−を使用せず明るい表示が可能なカラ−液晶表示素
子であり、特に反射型やフィルム型の表示に好適なカラ
−液晶表示素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子技術の発展に伴い液晶表示
の品質は大きく向上し要求も高度化してきた。中でもカ
ラ−表示化の要求は当然の流れであり、多くの用途に広
く普及してきた。液晶のカラ−表示にはカラ−フィルタ
−を用いる方法、ＧＨ型カラ−液晶を用いる方法、電界
制御によりカラ−化する方法が提案されているが、現状
は殆どの場合、カラ−フィルタ−が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】カラ−表示化に、カラ
−フィルタ−を用いる方法は表示の明るさやコストの面
で改良が求められている。ＧＨ型液晶を用いる方法は２
色性染料や染料の含有による液晶自体の安定性の問題や
コントラスト等表示品質の問題で実用化が遅れている。
また複屈折電界制御による方法は視野角や階調等に本質
的な問題を有している。

【０００４】

【課題を解決するための手段】カラ−フィルタ−を用い
ない明るい表示を目指し、本発明者等はＧＨ型カラ−液
晶を独立セルに封入してカラ−表示を行う方法（特開昭
６２−２０３１２３号）を検討してきたが、今回２色性
染料の代わりに色素を含有固定化した粒子（即ち、色素
が遊離しないように含有固定化された粒子）を用いるこ
とにより、例えば色素を含有するマイクロカプセルまた
は色素が混合されあるいは吸着（染色）固定化された粒
子を用いることにより上記のＧＨ型液晶で生じた問題点
を解決できることを見つけ、本発明に到達した。即ち本
発明は、色素を含有固定化した粒子、例えば色素を含有
するマイクロカプセルまたは色素が混合されあるいは吸
着（染色）固定化された粒子と液晶とを媒体に分散させ
た液晶性物質を用いたことを特徴とするカラ−液晶表示
素子にあり、更にこの液晶性物質が、スペ−サ−を兼ね
た堰で囲まれた独立セルがマトリックス状に形成された
基板の所定の独立セルに封入されたことを特徴とするカ
ラ−液晶表示素子である。

【０００５】本発明に言う液晶性物質とは、液晶、色素
を含有固定化した粒子、例えば色素を含有するマイクロ
カプセルまたは色素が混合されあるいは吸着（染色）固
定化された粒子、およびそれらを分散させる媒体からな
る。そのような液晶としては、高分子分散型、高分子ネ
ットワーク型、高分子安定型、ツイスト（ＴＮ）型、ベ
ント（ＯＣＢ）型、垂直（ＶＡ）型、水平（ＩＰＳ）
型、強誘電型、相転移型、ドロップレット型、動的散乱
型等のモ−ドで作動する公知のネマティック液晶、コレ
ステリック液晶、スメクティック液晶等であり、必要に
応じてこれらの液晶はカイラルド−パントや配向安定剤
等の添加剤を含む。

【０００６】本発明の液晶やカプセル、粒子の分散に用
いられる媒体としては、液晶やマイクロカプセルあるい
は粒子を溶解あるいは膨潤させることのない無色透明で
電気絶縁性の液状あるいは固体状の物質であり、特に屈
折率が液晶と近いことが望ましく、液晶との屈折率の差
（液晶の場合は光軸に平行な異常光に対する値）が０.
１以下であることが好ましい。また独立セルに封入する
際には液状であり封入させた後で固体状あるいはゲル状
の多孔体やネットワークを形成するものが好ましい。こ
のような物質として一般に高分子物質やそのモノマ−、
あるいはブロム化炭化水素のような高屈折率の低分子化
合物が使用される。また媒体にはマイクロカプセルや粒
子の分散安定剤、そして媒体が上記モノマ−の場合には
重合開始剤や増感剤を含有させた物であっても良い。

【０００７】本発明の液晶性物質を、高分子分散型や高
分子ネットワーク型の作動モ−ドに適応した場合、マイ
クロカプセルや粒子は液晶と同様に媒体である高分子の
ネットワ−ク状のランダムな空隙に入り込んで安定化さ
れるため移行や沈降が抑えられ好ましい。また液晶が高
分子ゲル等の媒体中でドロップレット状に分散するドロ
ップレット型や媒体の高分子がスパイラル構造を形成し
て液晶配向を助長する高分子安定型の作動モ−ドにも本
発明の液晶性物質は好適である。

【０００８】本発明のマイクロカプセルや粒子は、色素
単独では問題となる色素や液晶の安定性や耐久性の低下
を防止するために用いられる。色素はカプセル内部の液
体に溶解あるいは分散されカプセル内に閉じ込められ、
又は粒子に混合あるいは吸着（染色）固定化されて液晶
や媒体の側に漏れ出さない（遊離しない）ようにするこ
とが必要であり、液晶や媒体に溶解しない物質であるこ
とが望ましい。液晶の作動への障害、乱反射、分散安定
性等の問題からこれらの粒径は通常０. ０１〜２μｍ、
好ましくは０．１〜１μｍである。カプセル殻やカプセ
ル内部の液体あるいは粒子に使用される物質は透明であ
り、それらの屈折率が液晶の屈折率と近いことが望まし
く、液晶との屈折率の差（液晶の場合は光軸に平行な異
常光に対する値）が０. １以下であることが望ましい。
またこれらの物質の密度も液晶の値と近いことが望まし
い。

【０００９】マイクロカプセル壁や粒子に用いられる物
質としては、架橋により液晶やカプセル内部液体に不溶
化した、ポリスチレン、ポリ（メタ）アクリレ−ト、ポ
リビニ−ルアルコ−ル、ポリアクリロニトリル、等が挙
げられる。カプセルや粒子の表面は分散安定性や乱反射
の防止のため必要に応じて表面処理される。カプセル内
部液体としては色素は溶解するが、液晶とは相溶しにく
いものが望ましく、そのような液体として例えば、ハロ
ゲン化炭化水素、高級アルキルエステル、シリコーン等
が挙げられる。

【００１０】マイクロカプセルや粒子は沈降や凝集する
ことがなく液晶中に均一に分散していることが必要であ
る。液晶への粒子やマイクロカプセルの分散は、予め調
整したこれらをディスパ−ザ−やホモジェナイザ−、ホ
モミキサー等を用いて分散させる方法や色素を含有する
液体やモノマ−を液晶中でマイクロカプセル化や粒子化
する方法が用いられる。またマイクロカプセルや粒子と
液晶、必要に応じてこれらの分散安定剤や添加剤、重合
開始剤等を感光性あるいは熱重合性のモノマーやプレポ
リマーと混合し、この混合液を独立セルに充填した後で
光照射や加熱してセル内でモノマーやプレポリマーを重
合させる方法も用いられる。なお色素はマイクロカプセ
ルや粒子から漏れ出さない（遊離しない）ことが必要で
あるが、色素を含んだ又は混合もしくは吸着（染色）固
定化したこれらマイクロカプセルや粒子は媒体相だけで
なく、液晶相に存在してもよい。

【００１１】本発明に使用される色素としては、染料や
有機、無機の顔料であり、特に減法混色方式のフルカラ
−表示には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色、また
加法混色方式のフルカラ−表示には赤（Ｒ）、青
（Ｍ）、黄（Ｙ）の３色、必要に応じて更に黒（ブラッ
ク）が使用され、特に前者は独立セルに液晶を封入する
場合において望ましい。染料としてはアゾ系、アントラ
キノン系、キサンテン系、アジン系、フルオラン系、ト
リフエニルメタン系等が、有機の顔料としては、フタロ
シアニン系、アゾ系、フルオラン系、アジレーキ系、キ
ナクリドン系、アントラキノン系、ペリレン系、ペリノ
ン系等が用いられる。本発明の特徴は安定性その他に問
題のある２色性色素を使用せず、一般的な色素が使用で
きる点であり色調の選定も容易である。

【００１２】本発明に言うスペ−サ−を兼ねた堰で囲ま
れた独立セルをマトリックス状に形成した基板とは、そ
の模式図の断面図を図１（ａ）に、平面図を図１（ｂ）
に示す。基板１の表面にはスペ−サ−を兼ねた厚み一定
の格子状の堰２が形成され、堰２で囲まれた独立セル３
には液晶４が対向する基板５に覆われ封入されている。

【００１３】基板には通常５０μｍから数ｍｍの厚みの
複屈折率の小さなガラス板、樹脂板、樹脂フィルム等が
用いられ、透過型表示では２枚の基板ともに透明であ
り、反射型表示では少なくとも一方の基板が透明である
必要がある。液晶と接する側には通常数千オングストロ
ム程度の厚みの共通電極膜あるいは選択電極膜が形成さ
れており、少なくとも一方は透明である必要がある。電
極膜の表面には通常平面性を保つため通常１μｍ以下の
薄い絶縁層が形成されている。また基板の液晶と接する
（絶縁層の）面には必要に応じて通常数百オングストロ
ム程度の厚みの配向膜が形成される。水平（ＩＰＳ）駆
動の液晶の場合には電極は一方の基板にのみ形成され
る。また一方の基板にはＴＦＴ（薄膜トランジスタ）や
ＭＩＭ（メタルインシュレータメタル）等が形成された
ものでもよい。

【００１４】スペ−サ−を兼ねた堰は、電極膜や配向膜
を必要に応じて設けた基板表面に通常５〜３０μｍの幅
で３〜２０μｍの均一な厚みで形成される。堰は一般に
は液晶には安定で酸やアルカリにも強くある程度の耐熱
性を有する可撓性のある高分子物質で構成される。この
ような高分子物質としては、ポリアミド、ポリイミド、
ポリアクリレ−ト、ポリエステル、ポリシロキサン、ポ
リスルホン、ポリエポキシ、ポリフェノ−ル、ポリビニ
−ルアルコ−ル、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニ
−ル等である。堰の形成には、感光性の樹脂液やフィル
ムを用いたリソグラフィ法、オフセットや孔版等の印刷
法、他の基板上で形成した堰の転写法、等が用いられ
る。また液晶や加工工程で使用される薬品に対する安定
性を向上させるため、予め架橋性基や架橋性物質を上記
高分子材料中に存在させ、堰形成後に光照射や加熱によ
り架橋されるものであることが望ましい。堰はまた光の
漏洩を防止するためブラックに着色していることが望ま
しい。ブラック堰の形成は、印刷法ではカ−ボンブラッ
ク等の黒色物質を含有したインクを使用することにより
容易に達成できる。一方、リソグラフィ法では堰形成後
に黒色に染色する方法や特定波長の露光や加熱で黒色に
変色する反応性染料を予め壁形成材料に直接あるいは露
光や加熱で壁が破壊するマイクロカプセル中に入れてお
き、堰形成後に特定波長の光の照射や加熱により反応着
色する方法等が用いられる。更に堰表面を染色する方法
や後述する接着層にカーボンブラック等の物質を混ぜた
物を使用する方法等も利用できる。

【００１５】堰に囲まれた独立セルの平面形状（図１
（ｂ）に相当する。）は、格子状、千鳥目状、六角のハ
ニカム状、円板状、等の形状であり、５０〜５００μ
ｍ、好ましくは１００μｍ前後のセルサイズでマトリッ
クス状に形成され、従来の液晶カラ−フィルタ−に近い
サイズの形状や配列を持つ。

【００１６】本発明に言う所定の独立セルとは、表示し
たい文字や画像に対応した位置にある独立セルのことで
ある。マルチカラ−の場合には所定の独立セルに色素
（マイクロカプセルまたは粒子）を含有する複数色の液
晶を通常は交互に、フルカラ−の場合には赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）、あるいは赤（Ｒ）、青（Ｍ）、黄
（Ｙ）、必要に応じて更に黒（ブラック）の色素を含有
する液晶（マイクロカプセルまたは粒子）をカラ−フィ
ルタ−の場合と同様に、配列される。

【００１７】独立セルへの液晶の充填は、インクジェッ
ト法、印刷法、塗布法等が用いられる。特にインクジェ
ット法は簡便で精度に優れる。特殊な方法としてはカラ
−印画紙に提案されている方法のように、別々にマイク
ロカプセル化した３色の反応性色素を同時混合した液晶
を独立セル全体に塗布し充填した後に、所定の位置の独
立セルマイクロカプセルが破壊して発色する所定の波長
の光（３種）を照射して発色させる方法も採用すること
ができる。

【００１８】独立セルに充填された液晶は、配向膜や電
極を形成した面を内側にした対向基板を積層することに
よって封入される。独立セルの堰上面と対向基板との接
着は、プレスロ−ルで軽くプレスするだけで充分な場合
もあるが、より強力な接着が必要な場合には、堰形成の
ために塗布あるいは積層した高分子物質膜の表面や対向
基板の表面に熱融着性の物質を塗布しておく方法が有効
である。また対向基板の表面に形成される熱融着性の材
料で配向膜を形成するか、熱融着性の物質を配向膜に含
有させておく方法も有効である。

【００１９】本発明の液晶表示素子は、モノカラ−、マ
ルチカラ−、あるいはフルカラ−のいづれの表示にも適
応できる。また透過型のみならず反射型の表示にも適応
でき、特に反射型の明るさの改良には有効である。液晶
を挟む２枚の基板を共に樹脂基板や樹脂フィルムにする
ことによりフレキシブルな表示素子とすることは、特に
本発明の有効な利用法である。更にＴＦＴやＭＩＭを備
えた基板を使用することによりマルチプレックス駆動さ
せることも可能である。

【００２０】液晶表示素子としては、基板の内部あるい
は外部に必要に応じて、偏光板、反射板、吸光板、反射
防止板、光散乱板、バックライト、１／４波長膜、等を
設置し使用される。以下本発明を実施例で具体的に説明
する。

【００２１】

【実施例】（実施例１）先ずは本発明の原理的な実験を
述べる。ポリビニルアセトアミド（分散剤）１．５ｇと
ポリエチレングリコール（分子量約４００）３．０ｇを
溶解させた１２０ｇの水に、油性の赤色染料１．０ｇと
イソシアネート（商品名コロネート：日本ポリウレタ
ン）４．５ｇを溶解させた流動パラフィン２０ｇを入れ
てホモジェナイザーを用いて６０００ｒｐｍで３０分間
乳化させた後、モーターで激しく攪拌しながら３ｈｒ反
応させた。生成したポリウレタンのカプセル壁をもつ平
均粒径２μｍのマイクロカプセルを遠心分離器を用いて
水で６回洗浄して残留分散剤や未反応物を除去精製し
た。

【００２２】ネマティック液晶（Δε＝７. ８）５５容
量％、上記の赤色染料で着色した流動パラフィンマイク
ロカプセル５容量％、およびポリビニールアルコール２
０重量％水溶液４０容量％（ポリマーとして）をホモジ
ェナイザーを用いて混合し、液晶と赤色の流動パラフィ
ンがミクロンサイズのドロップレット状に分散した液晶
性物質を得た。ＩＴＯ（インジウム−チタン酸化物）を
コートした透明導電性ガラス基板に上記の液晶性物質を
流延法で厚み３０μｍで塗布し、加温しながら乾燥して
厚さ約１２μｍの液晶混合膜とした後、対向基板となる
ＩＴＯの透明導電性ガラス基板を積層して液晶セルを作
成した。このセルは６０ｖの電圧の印加でスイッチング
し、電圧印加状態で透明化して綺麗な赤色の光を通し
た。

【００２３】（実施例２）図２にセルの構成を示す。Ｉ
ＴＯで帯状行（走査）電極６（導電部幅１００μｍ、絶
縁部幅２０μｍ）を形成したポリエーテルスルフォンフ
ィルム基板１の表面に下地処理としてスピンコ−ト法で
ポリイミドの３００ｎｍの下地層７を形成して１８０℃
で熱処理した後、この表面に厚さ８μｍの感光性ポリイ
ミドのドライフィルムレジストを貼り合わせる。紫外線
を用いてリソグラフィ法で１２０μｍ角の正方形のマト
リックス状の堰２（堰幅は２０μｍ）を電極面の絶縁部
に重ね合わせが可能となるように形成し、独立セル３を
作製する。

【００２４】ネマティック液晶（屈折率：１. ６０）４
０容量％、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の染料で染色
した架橋ポリスチレン粒子（粒径０．８μｍの単分散、
屈折率：１. ５５）１０容量％、ラウリルブロマイド
（屈折率１. ５１）５０容量％をホモジェナイザーを用
いて混合した３色の液晶性物質８、９、１０を、電界制
御方式のインクジェット法を用いてそれぞれのノズルか
ら射出して所定の独立セル３に充填する。

【００２５】一方、ＩＴＯの帯状列（信号）電極１１を
上記の帯状行電極６に対応させて形成したガラス基板５
の電極形成面に、厚み４００ｎｍのポリビニルアルコー
ルの接着層１２を形成して対向基板とする。液晶の充填
された堰と対向基板の電極部の位置合わせをしながら両
者を積層して軽く圧力をかけながら加熱して両基板を密
着させフルカラー表示用の液晶セルとする。

【００２６】（実施例３）実施例２と同様にＩＴＯで帯
状行（走査）電極を形成したポリエーテルスルフォンフ
ィルム基板の表面にスピンコ−ト法で３００ｎｍのポリ
イミド配向膜をコートし１８０℃で熱処理した後、ラビ
ング処理を行う。このラブング面に実施例２と同様にし
て高さ１０μｍのポリイミドの１２０μｍ角の正方形で
マトリックス状の堰（堰幅は２０μｍ）を作成し、独立
セルを形成する。 ネマティック混合液晶（Δε＝８.
５）８５容量％、実施例２で用いた赤（Ｒ）、青
（Ｂ）、緑（Ｇ）の染料で染色した架橋ポリスチレン粒
子１０容量％、シアノビフェニルモノアクリレート４容
量％、ビフェニルジアクリレート１容量％、光重合開始
剤を別々に混合した３色の液晶性物質を、それぞれイン
クジェット法で所定の独立セルに充填する。

【００２７】一方、実施例２と同様にＩＴＯの帯状列電
極を形成したポリエーテルスルフォンフィルム基板の電
極形成面に、３００ｎｍのポリイミドの配向膜を形成し
ラビング処理して対向基板とする。この対向基板をラビ
ング方向をアンチパラレルにして上記の液晶を充填した
基板に積層する。このセルに１０ｖの電圧を印加しなが
ら紫外線を照射してアクリレートモノマーを重合し、ポ
リマーネットワークが形成されたフルカラー表示用の液
晶セルとする。

【００２８】（実施例４）実施例２の液晶性物質に於い
て、液晶と粒子は同じであるがラウリルブロマイドの代
わりに、シアノビフェニルモノアクリレート５０容量％
と光重合開始剤を混合した３色の液晶性物質を実施例と
同様の方法で独立セルに充填し、実施例２と同様に対向
基板を績層する。これに紫外線を照射してアクリレート
モノマーを重合し液晶セルとする。

【００２９】（実施例５）実施例３の青色染料で染色し
た架橋ポリスチレン粒子を含む液晶性物質を用いた場合
と、この比較例として実施例３の液晶性物質に於いて、
上記架橋ポリスチレン粒子に替えて青色染料を直接媒体
と液晶に添加して液晶性物質とした場合の、液晶セルの
性能（退色性と電流値の変化）を比較した。液晶セルの
作製は実施例３と同様で、独立セルにはこれらの青色に
着色した液晶性物質のみを塗布法でそれぞれ充填して封
入した。なお、比較例の液晶および色素の組成を実施例
３の液晶性物質のそれらに合わせるため、比較例では架
橋ポリスチレンの容量分はアクリレートの量（モノ／ジ
の比は同一の４／１）を増やして調節した。退色性およ
び電流値変化の評価はフェードメーター（カーボンアー
ク光源）にて２００ｈｒ液晶セルを照射した前後の液晶
セルの色相（４６０ｎｍ）と電流値（ＡＣ１０V 印加）
の測定で行った。結果は本実施例では色相変化（Δ
Ｅ^* ）は２．５％であり電流値変化（Ｉ／Ｉ₀ ）は２で
あったが、比較例では色相変化は１４％であり電流値変
化は５であり、色素を粒子に吸着（染色）固定化した本
実施例（実施例３）が大きく安定化することがわかる。

【００３０】

【発明の効果】色素がマイクロカプセルに含有されある
いは粒子に固定されており、単独では問題となる安定性
や耐久性が向上する。液晶分子や液晶ドメインに直接的
な作用がなく液晶の作動の障害とならない。そのため表
示の安定性や信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフルカラ−液晶表示素子の基本的なセ
ル構造の（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

【図２】実施例２のカラ−液晶表示素子のセル断面構造
図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 堰 ３ 独立セル ４ 液晶性物質 ５ 対向基板 ６ 帯状行電極 ７ 下地層 ８、９、１０ カラー液晶性物質 １１ 帯状列電極 １２ 接着層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 色素を含有固定化した粒子と液晶を媒体
   に分散させた液晶性物質を用いたことを特徴とするカラ
   −液晶表示素子。
2. 【請求項２】 上記粒子が色素を含有するマイクロカプ
   セルまたは色素が混合されあるいは吸着（染色）固定化
   された粒子であることを特徴とする請求項１記載のカラ
   −液晶表示素子。
3. 【請求項３】 上記液晶性物質が、スペ−サ−を兼ねた
   堰で囲まれた独立セルがマトリックス状に形成された基
   板の所定の独立セルに封入されたことを特徴とする請求
   項１又は請求項２記載のカラ−液晶表示素子。
4. 【請求項４】 赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色、
   または赤（Ｃ）、青（Ｍ）、黄（Ｙ）の３色、の色素を
   含有する上記マイクロカプセルまたは粒子を分散させた
   ３種の液晶性物質が、各々独立セルにカラ−フィルタ−
   と同様の配列で封入された請求項３記載のカラ−液晶表
   示素子。
5. 【請求項５】 上記マイクロカプセル壁、媒体及び粒子
   の材質並びに色素を含有したマイクロカプセル内部の液
   体の屈折率の値と、使用される液晶の屈折率の値の差が
   ０. １以下であることを特徴とする請求項２〜４のいず
   れか１項記載のカラ−液晶表示素子。
6. 【請求項６】 上記マイクロカプセルまたは粒子の平均
   粒径が０. ０１〜２μｍであることを特徴とする請求項
   ２〜５のいずれか１項記載のカラ−液晶表示素子。
7. 【請求項７】 液晶性物質が高分子分散型、高分子ネッ
   トワーク型あるいは高分子安定型であることを特徴とす
   る請求項１〜６のいずれか１項記載のカラ−液晶表示素
   子。