JPWO2007110909A1 - 液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、複数の液晶層が積層された液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーに関し、低コストで良好な表示品質を得られる液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーを提供することを目的とする。【解決手段】積層された複数の液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂと、側鎖３４を表面に有する第１のスペーサ３１と側鎖を表面に有しない第２のスペーサ３２とを含み、液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂの厚さを維持する粒状スペーサ３０とを有する。粒状スペーサ３０に占める第１のスペーサ３１の割合は、液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂ毎に異なる。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の液晶層が積層された液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーに関する。

近年、各企業・大学で電子ペーパーの開発が盛んに進められている。電子ペーパーは、電子書籍を筆頭として、モバイル端末のサブディスプレイやＩＣカードの表示部などへの応用が期待されている。電子ペーパーに用いられる有力な表示素子として、コレステリック液晶を用いた液晶表示素子や、電気泳動表示素子、有機ＥＬ表示素子などがある。中でもコレステリック液晶を用いた反射型の液晶表示素子は、半永久的な表示保持が可能なメモリ性を有しかつ光源が不要なため、低消費電力化を実現できる。また、コレステリック液晶を用いた液晶表示素子は、鮮やかなカラー表示の得られる高いカラー表示特性を有している。

コレステリック液晶は、ネマティック液晶にカイラル材を添加することにより得られ、液晶分子が螺旋（らせん）状に配列するコレステリック相を形成する。コレステリック液晶を用いた液晶表示素子は、パルス電圧を印加して液晶分子の配向状態を画素毎に制御することにより表示を行う。コレステリック液晶の配向状態には、プレーナ状態、フォーカルコニック状態及びホメオトロピック状態がある。このうちプレーナ状態及びフォーカルコニック状態は無電界下でも安定して存在する。配向状態の制御は、温度や超音波等の外部刺激を液晶分子に与えることにより行われることもある。

図５は、コレステリック液晶を用いた液晶表示素子の断面構成を模式的に示している。図５（ａ）はプレーナ状態の液晶表示素子の断面構成を示し、図５（ｂ）はフォーカルコニック状態の液晶表示素子の断面構成を示している。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、液晶表示素子４６は、一対の上下基板４７、４９と、上下基板４７、４９間にコレステリック液晶を封止して形成された液晶層４３とを有している。プレーナ状態は、上下基板４７、４９間に所定の高電圧を印加して液晶層４３に強電界を生じさせ、ホメオトロピック状態に遷移させた後に、急激に電界をゼロにすることにより得られる。フォーカルコニック状態は、例えば、上記の電圧より低い電圧を上下基板４７、４９間に印加して液晶層４３に電界を生じさせた後に、急激に電界をゼロにすることにより得られる。

図５（ａ）に示すように、プレーナ状態での液晶分子３３は、螺旋軸が基板面にほぼ垂直になるような螺旋構造を形成する。プレーナ状態の液晶層４３は、液晶分子３３の螺旋ピッチに応じた所定波長の光を選択的に反射する。したがって、ある画素の液晶層４３をプレーナ状態にすることにより、当該画素は明状態となる。液晶の平均屈折率をｎとし、螺旋ピッチをｐとすると、反射が最大となる波長λは、λ＝ｎ・ｐで表される。反射帯域幅Δλは、液晶の屈折率異方性Δｎに伴って大きくなる。反射される光は、液晶層４３の旋光性に基づいて左右どちらか一方の円偏光になる。

一方、図５（ｂ）に示すように、フォーカルコニック状態での液晶分子３３は、螺旋軸が基板面にほぼ平行になるような螺旋構造を形成する。フォーカルコニック状態の液晶層４３は、入射光の多くを透過させる。したがって、ある画素の液晶層４３をフォーカルコニック状態にすることにより、当該画素は暗状態となる。下基板４９の裏面側に可視光吸収層を配置すれば、フォーカルコニック状態で黒を表示させることができる。液晶表示素子４６の表示特性のうち、輝度はプレーナ状態の液晶層４３での光反射率が高いほど向上し、コントラスト比はフォーカルコニック状態の液晶層４３での光透過率が高いほど向上する。
特開２０００−１４７５１８号公報 特開２００２−３５７８３２号公報

電圧を印加してコレステリック相の状態を変化させる場合、無電圧状態に戻った後のコレステリック相が示す安定状態は、印加する電圧の大きさにより異なる。このため、液晶層４３に印加する電圧の大きさによって、電圧印加後の液晶層４３における選択反射光の反射率が異なる。

コレステリック液晶を用いたカラー表示の液晶表示素子は、液晶分子３３の螺旋ピッチが互いに異なる複数の単色液晶表示素子（単色表示部）を積層した構造を有する。コレステリック液晶を用いた表示部の電圧−反射率特性は液晶分子３３の螺旋ピッチ等に依存して異なるため、一般に各単色表示部の電圧−反射率特性にはばらつきがある。

図６は、２種類の単色表示部の電圧−反射率特性を示すグラフである。グラフの横軸は液晶層に印加するパルス電圧の大きさ（Ｖ）を表し、縦軸はパルス電圧印加後の液晶層における選択反射光の反射率（％）を表している。曲線ｄは例えば赤色（Ｒ）を表示するＲ表示部の電圧−反射率特性を示し、曲線ｅは例えば青色（Ｂ）を表示するＢ表示部の電圧−反射率特性を示している。なお、ここではいずれの表示部においても、電圧印加前の液晶配向を光反射率の高いプレーナ状態としている。図６に示すように、Ｒ表示部（曲線ｄ）の液晶層に１５Ｖのパルス電圧を印加すると、液晶配向は低反射率（約０％）のフォーカルコニック状態に遷移する。一方、同じ液晶層に３０Ｖのパルス電圧を印加すると、液晶配向は高反射率（約５０％）のプレーナ状態を維持する。

これに対し、Ｂ表示部（曲線ｅ）の液晶層に１５Ｖのパルス電圧を印加すると、液晶配向はパルス電圧印加前の状態（ここではプレーナ状態）を維持する。また、同じ液晶層に３０Ｖのパルス電圧を印加すると、液晶配向はフォーカルコニック状態に遷移する。このように、表示部の電圧−反射率特性が異なると、液晶層に同じ大きさのパルス電圧を印加しても液晶の配向状態が異なってしまう。カラー表示の液晶表示素子を駆動する際に、パルス電圧の値を単色表示部毎に変えるとすると、駆動回路が複雑になり液晶表示素子の製造コストが増加してしまう。

パルス電圧の値を共通化し、複数の表示部を単純な駆動回路を用いて駆動するためには、各表示部の電圧−反射率特性を近づける必要がある。表示部の電圧−反射率特性を変化させる手法として、セルギャップを調整することや、所定膜厚の絶縁膜を透明電極上に形成すること等が考えられる。しかしながら、セルギャップを調整したり絶縁膜を形成したりすると、表示部の作製条件の再調整が必要になるだけでなく、各表示部の光学特性にも影響が及んでしまう。したがって、表示部の電圧−反射率特性を変化させるのは極めて困難である。結果として、複数の表示部が積層された液晶表示素子において、低コストで良好な表示品質を得るのは困難であるという問題が生じている。

本発明の目的は、低コストで良好な表示品質を得られる液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーを提供することにある。

上記目的は、積層された複数の液晶層と、前記液晶層の厚さを維持する粒状スペーサとを含み、前記粒状スペーサは側鎖を表面に有する第１のスペーサと側鎖を表面に有しない第２のスペーサとからなることを特徴とする液晶表示素子によって達成される。

上記本発明の液晶表示素子において、前記粒状スペーサに占める前記第１のスペーサの割合は、前記液晶層毎に異なることを特徴とする。

また上記目的は、上記本発明の液晶表示素子を備えていることを特徴とする電子ペーパーによって達成される。

本発明によれば、低コストで良好な表示品質を得られる液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーを実現できる。

本発明の一実施の形態による液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーについて図１乃至図４を用いて説明する。まず、本実施の形態による液晶表示素子の原理について説明する。本実施の形態では、複数の液晶層が積層された液晶表示装置において、液晶層の厚さ（セル厚）を維持するための粒状スペーサとして、アルキル鎖等の側鎖を表面に有する第１のスペーサと、側鎖を表面に有しない第２のスペーサとを用いる。また本実施の形態では、第１のスペーサの割合を液晶層毎に異ならせている。

図１は、第１のスペーサの割合が異なること以外は同条件で作製した３種類の液晶表示素子の電圧−反射率特性を示すグラフである。グラフの横軸は液晶層に印加するパルス電圧の大きさ（Ｖ）を表し、縦軸はパルス電圧印加後の液晶層における選択反射光の反射率（％）を表している。曲線ａは第１のスペーサの割合が０％である液晶表示素子の電圧−反射率特性を示し、曲線ｂは第１のスペーサの割合が５０％である液晶表示素子の電圧−反射率特性を示し、曲線ｃは第１のスペーサの割合が１００％である液晶表示素子の電圧−反射率特性を示している。なお、ここではいずれの液晶表示素子においても、電圧印加前の液晶配向を光反射率の高いプレーナ状態（反射率約４０％）としている。また図２は、側鎖を有する第１のスペーサの割合と、プレーナ状態での反射率のほぼ半分の反射率（２０％）が得られるパルス電圧の大きさとの関係を示すグラフである。グラフの横軸は第１のスペーサの割合（％）を表し、縦軸はパルス電圧の大きさ（Ｖ）を表している。

図１及び図２に示すように、側鎖を有する第１のスペーサの割合を異ならせると、液晶表示素子の電圧−反射率特性が変化することが分かる。具体的には、第１のスペーサの割合が高いほど液晶表示素子の電圧−反射率特性を示す曲線が高電圧側に移動し、同一の反射率を得るのに必要なパルス電圧は、第１のスペーサの割合が高いほど高くなる。これは、第１のスペーサの有する側鎖が液晶分子を束縛する機能を有しているためと考えられる。本実施の形態では、複数の液晶層が積層された液晶表示素子において、側鎖を有する第１のスペーサの割合を液晶層毎に異ならせることによって駆動電圧を微調整する。

本実施の形態による液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーの構成について説明する。図３は、本実施の形態による液晶表示素子の概略構成を示している。図４は、本実施の形態による液晶表示素子の画素の一部の断面構成を模式的に示している。図３及び図４に示すように、液晶表示素子１は、赤色（Ｒ）を表示するＲ表示部６ｒと、緑色（Ｇ）を表示するＧ表示部６ｇと、青色（Ｂ）を表示するＢ表示部６ｂとを有している。各表示部６ｒ、６ｇ、６ｂは、光入射面（表示面）側から例えばこの順に積層されている。

Ｒ表示部６ｒは、対向配置された一対の基板（上基板７ｒ及び下基板９ｒ）と、所定の螺旋ピッチを有するコレステリック液晶が両基板７ｒ、９ｒ間に封止されて形成されたＲ用液晶層３ｒとを有している。Ｒ用液晶層３ｒは所定の螺旋ピッチを有し、プレーナ状態でＲの光を選択反射する。

Ｇ表示部６ｇは、対向配置された一対の上下基板７ｇ、９ｇと、Ｒ用液晶層３ｒの液晶より短い螺旋ピッチを有するコレステリック液晶が両基板７ｇ、９ｇ間に封止されて形成されたＧ用液晶層３ｇとを有している。上基板７ｇの裏面は、Ｒ表示部６ｒの下基板９ｒの裏面と接着層２０を介して貼り合わされている。Ｇ用液晶層３ｇは、プレーナ状態でＧの光を選択反射する。

Ｂ表示部６ｂは、対向配置された一対の上下基板７ｂ、９ｂと、Ｇ用液晶層３ｇの液晶より短い螺旋ピッチを有するコレステリック液晶が両基板７ｂ、９ｂ間に封止されて形成されたＢ用液晶層３ｂとを有している。上基板７ｂの裏面は、Ｇ表示部６ｇの下基板９ｇの裏面と接着層２０を介して貼り合わされている。Ｂ用液晶層３ｂは、プレーナ状態でＢの光を選択反射する。

本実施の形態では、各基板７ｒ、７ｇ、７ｂ、９ｒ、９ｇ、９ｂとして、いずれも透光性を有するガラス基板又はプラスチック基板が用いられている。基板７ｒ、７ｇ、７ｂ、９ｒ、９ｇは透光性を有している必要があるが、最下層に配置されるＢ表示部６ｂの下基板９ｂは必ずしも透光性を有する必要はない。

下基板９ｂの裏面側には、可視光吸収層１５が設けられている。このため、Ｒ、Ｇ、Ｂの各液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂの全てがフォーカルコニック状態の場合、液晶表示素子１の表示画面には黒色が表示される。なお、可視光吸収層１５は必要に応じて設ければよい。

Ｒ表示部６ｒの下基板９ｒのＲ用液晶層３ｒ側には、図３の上下方向に延びる複数の帯状のデータ電極１９ｒが互いに並列して形成されている。また、上基板７ｒのＲ用液晶層３ｒ側には、図３の左右方向に延びる複数の帯状の走査電極１７ｒが互いに並列して形成されている。図３に示すように、基板面に垂直に見ると、両電極１７ｒ、１９ｒは互いに交差して延びている。両電極１７ｒ、１９ｒの各交差領域がそれぞれ画素となる。複数の画素がマトリクス状に配列することにより表示画面が形成されている。本実施の形態では、例えば３２０×２４０ドットのＱＶＧＡ表示ができるようになっている。

両電極１７ｒ、１９ｒの形成材料としては、例えばインジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）が代表的であるが、その他インジウム亜鉛酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｃ Ｏｘｉｄｅ；ＩＺＯ）等の透明導電膜、アルミニウムあるいはシリコン等の金属電極、又はアモルファスシリコンや珪酸ビスマス（Ｂｉｓｍｕｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｉｄｅ；ＢＳＯ）等の光導電性膜等を用いることができる。

Ｇ表示部６ｇ及びＢ表示部６ｂも同様に、複数の走査電極１７ｇ、１７ｂ及び複数のデータ電極１９ｇ、１９ｂを有している。その電極構造はＲ表示部６ｒと同様であるため説明を省略する。

各表示部６ｒ、６ｇ、６ｂの液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂの厚さ（セル厚）は、概ね球状や円柱状の形状を有する粒状スペーサ３０によりそれぞれ均一に維持されている。粒状スペーサ３０は、いずれの表示部６ｒ、６ｇ、６ｂにもほぼ同一の配置密度（例えば１画素（２００μｍ×２００μｍ）当たり５０個程度）で配置されている。本実施の形態では、粒状スペーサ３０が、側鎖３４を表面に有する第１のスペーサ３１と、側鎖を表面に有しない第２のスペーサ３２とを含んでいる。側鎖３４は、例えば所定の炭素数のアルキル鎖である。基板貼合せ後には、例えば基板面にほぼ平行な方向に延びる側鎖３４のみが残存している。第１のスペーサ３１の粒径及び第２のスペーサ３２の粒径はほぼ同一であり、例えば５μｍ程度である。

ここで、アルキル鎖等の側鎖３４を表面に有する第１のスペーサ３１の製造方法について簡単に説明する。まず、例えば懸濁重合により得られた微粒子を分級し、粒径の均一な基材粒子を作製する。次に、作製された基材粒子の表面に例えばアルキル基を有する重合性単量体を含浸させる。その重合性単量体を重合することによって、側鎖を有する被覆層を基材粒子表面に形成する。これにより、側鎖３４を表面に有するスペーサ３１が得られる。

粒状スペーサ３０に占めるスペーサ３１の割合（個数比）は、０％〜１００％の範囲で表示部６ｒ、６ｇ、６ｂ毎に異なっている。Ｒ表示部６ｒのセル厚を維持する粒状スペーサ３０は、スペーサ３１を例えば７０％の割合で含み、Ｇ表示部６ｇのセル厚を維持する粒状スペーサ３０は、スペーサ３１を例えば４０％の割合で含み、Ｂ表示部６ｂのセル厚を維持する粒状スペーサ３０は、スペーサ３１を例えば１０％の割合で含む。

各色用の液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂの駆動電圧を比較すると、一般にＢ用液晶層３ｂの駆動電圧が最も高く、Ｒ用液晶層３ｂの駆動電圧が最も低い。したがって本実施の形態では、Ｒ表示部６ｒにおける第１のスペーサ３１の割合を最も高くし、Ｂ表示部６ｂにおける第１のスペーサ３１の割合を最も低くしている。すなわち、液晶分子の螺旋ピッチが長く駆動電圧の低い表示部ほど第１のスペーサ３１の割合を高くしている。スペーサ３１の有する側鎖３４は液晶分子を束縛する機能を有しているため、スペーサ３１の割合が高いほど液晶の駆動に必要な電圧が高くなる。したがって、側鎖を表面に有する第１のスペーサの割合を表示部６ｒ、６ｇ、６ｂ毎に異ならせて液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂの駆動電圧を調整することによって、表示部６ｒ、６ｇ、６ｂの電圧−反射率特性を近づけることができる。

上基板７ｒ、７ｇ、７ｂには、複数の走査電極１７ｒ、１７ｇ、１７ｂを駆動する走査電極用ドライバＩＣが実装された走査電極駆動回路２５が接続されている。また、下基板９ｒ、９ｇ、９ｂには、複数のデータ電極１９ｒ、１９ｇ、１９ｂを駆動するデータ電極用ドライバＩＣが実装されたデータ電極駆動回路２７が接続されている。これらの駆動回路２５、２７は、制御回路２３から出力された所定の信号に基づいて、走査信号やデータ信号を所定の走査電極１７ｒ、１７ｇ、１７ｂあるいはデータ電極１９ｒ、１９ｇ、１９ｂに出力するようになっている。

本実施の形態では、各液晶層３ｒ、３ｇ、３ｂの駆動電圧をほぼ同じにすることができるので、走査電極駆動回路２５の所定の出力端子は走査電極１７ｒ、１７ｇ、１７ｂの所定の各入力端子に共通接続されている。したがって各表示部６ｒ、６ｇ、６ｂ毎に走査電極駆動回路２５を設ける必要がなく、表示部６ｒ、６ｇ、６ｂに共通の走査電極駆動回路２５及びデータ電極駆動回路２７を用いることができるので、液晶表示素子１の駆動回路の構成を簡略化することができる。

なお図示を省略しているが、本実施の形態による電子ペーパーは、上記の液晶表示素子１に、入出力装置及び全体を統括制御する制御装置を設けた構成を有している。

以上説明したように、本実施の形態によれば、駆動回路の構成を簡略化できるため、液晶表示素子の製造コストを削減できる。また本実施の形態によれば、液晶表示素子の表示品質に対する影響を抑えつつ複数の表示部の電圧−反射率特性を近づけることができる。したがって、低コストで良好な表示品質を得られる液晶表示素子及びそれを備えた電子ペーパーを実現できる。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、側鎖を有する第１のスペーサ３１と側鎖を有しない第２のスペーサ３２とがほぼ同一の粒径を有しているが、本発明はこれに限らず、第１のスペーサ３１及び第２のスペーサ３２の粒径を互いに異ならせてもよい。また、第１のスペーサ３１として、側鎖の炭素数等が互いに異なる複数種類のスペーサを用いてもよい。さらに、その複数種類のスペーサの粒径を例えば種類毎に異ならせてもよい。

第１のスペーサの割合が異なること以外は同条件で作製した３種類の液晶表示素子の電圧−反射率特性を示すグラフである。 第１のスペーサの割合と２０％の反射率が得られるパルス電圧の大きさとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施の形態による液晶表示素子の概略構成を示す図である。 本発明の一実施の形態による液晶表示素子の画素の一部の断面構成を模式的に示す図である。 コレステリック液晶を用いた液晶表示素子の断面構成を模式的に示す図である。 ２種類の単色表示部の電圧−反射率特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 液晶表示素子
３ｒ Ｒ用液晶層
３ｇ Ｇ用液晶層
３ｂ Ｂ用液晶層
６ｒ Ｒ表示部
６ｇ Ｇ表示部
６ｂ Ｂ表示部
７ｒ、７ｇ、７ｂ 上基板
９ｒ、９ｇ、９ｂ 下基板
１５ 可視光吸収層
１７ｒ、１７ｇ、１７ｂ 走査電極
１９ｒ、１９ｇ、１９ｂ データ電極
２０ 接着層
２３ 制御回路
２５ 走査電極駆動回路
２７ データ電極駆動回路
３０ 粒状スペーサ
３１ 第１のスペーサ
３２ 第２のスペーサ
３４ 側鎖

Claims (11)

1. 積層された複数の液晶層と、
   前記液晶層の厚さを維持する粒状スペーサとを含み、
   前記粒状スペーサは側鎖を表面に有する第１のスペーサと側鎖を表面に有しない第２のスペーサとからなること
   を特徴とする液晶表示素子。
2. 請求項１記載の液晶表示素子において、
   前記粒状スペーサに占める前記第１のスペーサの割合は、前記液晶層毎に異なること
   を特徴とする液晶表示素子。
3. 請求項１又は２に記載の液晶表示素子において、
   前記複数の液晶層は、コレステリック相を形成する液晶をそれぞれ有すること
   を特徴とする液晶表示素子。
4. 請求項３記載の液晶表示素子において、
   前記複数の液晶層は、互いに異なる螺旋ピッチを有する液晶をそれぞれ有すること
   を特徴とする液晶表示素子。
5. 請求項４記載の液晶表示素子において、
   前記粒状スペーサに占める前記第１のスペーサの割合は、前記螺旋ピッチが長いほど大きいこと
   を特徴とする液晶表示素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液晶表示素子において、
   前記側鎖はアルキル鎖であること
   を特徴とする液晶表示素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶表示素子において、
   前記第１及び第２のスペーサは、ほぼ同一の粒径を有していること
   を特徴とする液晶表示素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶表示素子において、
   前記複数の液晶層を駆動する共通の駆動回路をさらに有すること
   を特徴とする液晶表示素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液晶表示素子において、
   前記液晶層は３層であり、それぞれ赤色、緑色、青色を表示すること
   を特徴とする液晶表示素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の液晶表示素子において、
    前記複数の液晶層は、それぞれ異なる一対の基板間に封止されていること
    を特徴とする液晶表示素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の液晶表示素子を備えていること
    を特徴とする電子ペーパー。

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