JP2006330024A

JP2006330024A - 液晶表示装置

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Publication number: JP2006330024A
Application number: JP2005149033A
Authority: JP
Inventors: Shinji Watanabe; 伸二渡辺; Keiichi Akamatsu; 圭一赤松; Hidehiko Takanashi; 英彦高梨
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】輝度およびコントラストが高く、画質の良好な光散乱型の液晶表示装置を提供する。
【解決手段】この光散乱型の液晶表示装置は、第１基板１０と第２基板２０との間に、光散乱性の液晶層が挟持されるとともに、第１基板１０と第２基板２０との間に上記基板間を所定の間隔に維持する柱状スペーサー４０が配置されたものである。そして、柱状スペーサー４０の少なくとも側面部４０ｃは、光を反射するように形成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関するものであって、特には、電界の印加により光散乱性が変化する液晶層を備えた液晶表示装置に関する。

近年、携帯情報端末などのモバイル機器の発達にともない、低消費電力かつ高品位画質の表示装置の需要が高まっている。このような表示装置として、現在一般的に用いられているツイストネマチック（Twisted Nematic（ＴＮ））モードの液晶表示装置は、偏光板を必要とするため、反射率または透過率が低くなり、表示が暗くなり易い。

そこで、偏光板を使わない動作モードの液晶表示装置として、電界により散乱状態と透過状態とを制御する光散乱性の液晶層を用いた液晶表示装置が開発されている。このような液晶表示装置としては、樹脂中に液晶マイクロカプセルを分散させた高分子分散型液晶（Polymer Dispersion Liquid Crystal（ＰＤＬＣ））を用いた液晶表示装置や、スポンジ状のポリマーネットワーク構造内に液晶を分散させたポリマーネットワーク（ＰＮ）型液晶を用いた液晶表示装置がある。

ところで、一般的な液晶表示装置は、一対の基板間に液晶層が挟持されて構成されており、基板間に透明な球形のビーズ状スペーサーを散布して、基板間を所望の間隔に維持している。

また、ビーズ状スペーサーに代わるものとして、柱状スペーサーを採用する技術もある。例えば、基板間に樹脂材料からなる柱状スペーサーを形成し、無電解メッキにより黒色化することで、光漏れによるコントラスト低下を低減した例が報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１７４８１７号公報

しかし、上述した光散乱型の液晶表示装置において、特に電圧印加によって黒表示を行う反射型の液晶表示装置に透明なビーズ状スペーサーを用いると、ビーズ状スペーサー界面での屈折、反射により散乱が生じ、光漏れが生じて局所的に黒浮きした表示となる。また、反対に電圧無印加の状態で白表示を行う際には、ビーズ状スペーサー内を透過する分、光の散乱が少ないため、局所的な黒表示となってしまう。

さらに、光散乱型の液晶表示装置はＴＮモードの液晶表示装置と比較して、セルギャップが大きいため、例えば画素サイズを１５０μｍ程度、セルギャップを５０μｍ程度とすると、ビーズ状スペーサーの径は、数十μｍ必要となる。このため、黒表示の際のビーズ状スペーサー部分での光漏れが、画素サイズに対して無視できない影響を及ぼし、画質の低下が問題となる。

一方、特許文献１に記載されているように、黒色化した柱状スペーサーを光散乱型の液晶表示装置に用いた場合には、セルギャップが大きいため、柱状スペーサーの高さを高くせざるを得ない。このため、柱状スペーサーの側面部の表面積も大きくなり、開口率を低下させることに加え、柱状スペーサーが黒色化されていることで、散乱光が吸収されて白表示の際の反射率が低下する。これにより、光散乱型の液晶表示装置の輝度が低くなり、コントラストも悪くなるため、画質が低下する、という問題がある。

本発明は、輝度およびコントラストが高く、画質の良好な光散乱型の液晶表示装置を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明の液晶表示装置は、一対の基板間に光散乱性の液晶層が挟持されるとともに、一対の基板間に基板間を所定の間隔に維持する柱状スペーサーが配置された液晶表示装置において、柱状スペーサーの少なくとも側面部は、光を反射するように形成されていることを特徴としている。

このような液晶表示装置によれば、光散乱性の液晶層を用いた液晶表示装置において、柱状スペーサーの少なくとも側面部が、光を反射するように形成されていることから、特に反射型の液晶表示装置において、白表示の際に、柱状スペーサーの側面部に入射した光が反射する。これにより、セルギャップに応じて柱状スペーサーの側面部の表面積が大きくなったとしても、ビーズ状スペーサーや側面部が黒色化された柱状スペーサーを用いた場合と比較して、柱状スペーサーによる反射率の低下が防止され、液晶表示装置の反射率が高くなる。また、黒表示の際にもビーズ状スペーサーと比較して、光漏れが抑制される。

以上説明したように、本発明の液晶表示装置によれば、従来構造よりも液晶表示装置の反射率を高くすることができるとともに、光漏れを抑制することができる。したがって、輝度およびコントラストが高く、画質の優れた明るい表示が可能となる。

以下、本発明の液晶表示装置に係わる実施の形態の一例を、図面を用いて詳細に説明する。ここでは、ＰＮ型液晶からなる光散乱性の液晶層を用いた反射型の液晶表示装置の例について説明する。

図１の斜視図に示すように、第１基板１０は、背面側の基板であり、例えばガラスなどの透明材料により構成されている。第１基板１０の一主面側には、複数のゲートライン１１が並設されているとともに、これらゲートライン１１に交差して複数のデータライン１２が並設されている。そして、ゲートライン１１とデータライン１２とで囲まれた領域が１つの画素Ａとなっている。ゲートライン１１には、ゲートライン１１からの走査信号によって作動されるスイッチング素子として、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor（ＴＦＴ））（図示省略）が接続されており、このＴＦＴを介してデータライン１２からの映像信号が供給される第１電極（画素電極）１３が、各画素Ａにマトリクス状に設けられている。第１電極１３は、透明性を有する例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide)膜により構成されている。

また、第１基板１０における第１電極１３の形成面側とは反対側の面には、光吸収層１４が設けられている。この光吸収層１４は例えばカーボンナノ粒子により構成されている。

一方、第１基板１０に対向配置される第２基板２０は、表示側の基板であり、例えばガラスなどの透明材料により構成されている。第２基板２０には、第１基板１０と対向する側の全域に透明性を有する例えばＩＴＯ膜からなる第２電極２１が設けられている。この第２電極２１の第１基板１０と対向する側には、第１基板１０に設けられたゲートライン１１およびデータライン１２と重なるように、例えばクロム（Ｃｒ）からなるブラックマトリクス２２が画素間に格子状に配置されている。尚、ここでは、ブラックマトリクス２２が第２電極２１の第１基板１０と対向する側に配置されることとするが、第２基板２０と第２電極２１との間に配置されていてもよい。

上記第１基板１０と第２基板２０とは、各電極形成面を対向させた状態で、周縁に設けられたシール材（図示省略）により接着されている。そして、図２に示すように、第１基板１０と第２基板２０との間には、上記第１電極１３と第２電極２１を介して液晶層３０が挟持されている。

この液晶層３０は、三次元網目状のネットワーク構造を有するポリマー３１と、ポリマー３１のネットワーク構造中に分散された液晶ドロプレット３２とを備えている。各液晶ドロプレット３２中には複数の液晶分子３３が包括されており、各液晶ドロプレット３２は連通した状態で設けられていてもよい。ここで、液晶層３０の厚みとなる第１電極１３と第２電極２１との間隔（セルギャップｇ）は、一般的なＴＮモードの液晶表示装置と比較して大きく、２０μｍ〜８０μｍの範囲で設けられている。ここでは、セルギャップｇが５０μｍであることとする。

上記第１基板１０と上記第２基板２０との間には、セルギャップｇを維持するための複数の柱状スペーサー４０が設けられている。この柱状スペーサー４０は、画素の開口率を広くとるため、第２基板２０に設けられるブラックマトリクス２２と重なる状態で設けられることが好ましい。また、この柱状スペーサー４０の断面積（平面視的な形状の面積）は、倒れ等、安定性に問題のない範囲で小さい方が画素の開口率が広くとれるため、好ましい。

さらに、この柱状スペーサー４０の配置数は、第１基板１０と第２基板２０の全域でセルギャップｇ）にムラが生じない範囲で少ない方が、画素の開口率が広くとれるため好ましく、また、上記基板の全域に均等に配置される方が、セルギャップｇの面内均一性が向上するため、好ましい。

ここでは、図３に示すように、例えば平面視的に十字型（クロス型）の複数の柱状スペーサー４０が、第２基板２０（前記図２参照）に設けられるブラックマトリクス２２の交差部２２ａに対して一つ置きに配置されることとする。この場合には、十字型の柱状スペーサー４０の略直角状の曲折部４０ａ（交差部）と、ブラックマトリクス２２の交差部２２ａが一致するように配置されるとともに、この曲折部４０ａを構成する上記柱状スペーサー４０の４つの片４０ｂがブラックマトリクス２２に沿って配置されることとする。

上述したように、柱状スペーサー４０が平面視的に十字型で設けられることで、光散乱型の液晶表示装置において、セルギャップｇ（前記図２参照）に応じて柱状スペーサー４０の高さが大きくなったとしても、柱状スペーサー４０の安定性が高いため、柱状スペーサー４０の倒れを防止することができる。

尚、ここでは、柱状スペーサー４０が平面視的に十字型である例について説明するが、柱状スペーサー４０が平面視的に曲折部を有していれば、安定性が高く、倒れ難くなる。さらに、この曲折部が略直角状であることで、ブラックマトリクス２２と重なるように配置できるため、好ましい。このような形状としては、平面視的にＬ字型、Ｔ字型、コの字型等が挙げられる。上述した形状の中でも、特に十字型が、断面積を小さくしつつ、かつ安定性も確保できるため、好ましい。

そして、図４に示すように、本発明に特徴的な構成として、柱状スペーサー４０は、少なくとも側面部４０ｃが光を反射するように形成されている。側面部４０ｃは、例えば鏡面のように光を正反射するように形成されていてもよく、例えば白色化することで、光を乱反射するように形成されていてもよい。これにより、光散乱型の液晶表示装置において、セルギャップｇ（前記図２参照）に応じて、柱状スペーサー４０の高さｈを高くすることで、側面部４０ｃの表面積が大きくなったとしても、白表示の際に、側面部４０ｃに入射した光が反射するため、反射率を高めることが可能となる。

特に、柱状スペーサー４０の側面部４０ｃが光を乱反射するように形成される場合には、側面部４０ｃが光を正反射するように形成される場合と比較して、黒表示の際の光漏れも抑制されるため、好ましい。

そして、柱状スペーサー４０の側面部４０ｃが白色化されている場合には、側面部４０ｃに入射した可視光がほぼすべて吸収されず、乱反射するため、側面部４０ｃの反射率が高くなる。これにより、白表示する際の液晶表示装置の反射率をさらに高めることが可能となる。

ここでは、例えば、親水性の感光性樹脂で柱状スペーサー４０が構成されており、この側面部４０ｃが、例えば酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の白色顔料により被覆されることで、白色化されることとする。尚、ここでは、柱状スペーサー４０の側面部４０ｃを白色化することとしたが、白色顔料を上述した樹脂材料に含有させて柱状スペーサー４０を構成してもよい。

また、この柱状スペーサー４０の上面部４０ｄは、ブラックマトリクス２２（前記図３参照）と完全に重なる場合には何色で形成されていてもよいが、ブラックマトリクス２２から上面部４０ｄがはみ出す場合には、光を吸収するように例えば黒色化して設けられることが好ましい。これは、黒表示の際の光漏れを防ぐためである。

ここで、柱状スペーサー４０を構成する親水性の感光性樹脂としては、例えば光硬化型の感光性基であるジアゾ基またはアジド基を有する化合物として、ジアゾニウム化合物、パラホルムアルデヒドの反応生成物であるジアゾ樹脂、アジド化合物等を挙げることができる。また、ポリビニルアルコールにケイ皮酸を縮合したケイ皮酸縮合樹脂、スチルバゾリウム塩を用いた樹脂、重クロム酸アンモニウム等の感光性基を有する樹脂材料を挙げることもできる。親水性の樹脂で柱状スペーサー４０を構成することにより、白色顔料は親水性であることから、側面部４０ｃを被覆し易いため、好ましい。

尚、ここでは、柱状スペーサー４０が親水性の感光性樹脂で構成されることとしたが、感光性樹脂でなくてもよい。ただし、感光性樹脂を用いた方が、プロセス上、柱状スペーサー４０の成型が容易であるため、好ましい。

次に、この液晶表示装置における液晶分子３３の配向制御について、図５の模式図を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、回転楕円体である液晶分子３３の長手方向の屈折率ｎ_eは、それと垂直方向の屈折率ｎ_oに対してｎ_e＞ｎ_oの関係が成り立っている。

ここで、図５（ｂ）に示すように、第１電極１３と第２電極２１との間に電界Ｅを印加していないとき（Ｅ＝０）には、液晶ドロプレット３２中の液晶分子３３がランダムに配向している。このため、液晶ドロプレット３２中の液晶分子３３の屈折率がポリマー３１の屈折率より高くなる。通常、このときの液晶分子３３の平均的な屈折率はｘ，ｙ，ｚの三軸方向を考えて、（ｎ_e＋２×ｎ_o）／３になる。したがって、第２基板２０側から入射した光に対してポリマー３１と液晶ドロプレット３２との間で屈折率差が生じ、光が散乱されて白表示となる（ノーマリーホワイト）。

一方、図５（ｃ）に示すように、上述した液晶表示装置において、第１電極１３と第２電極２１との間に電界Ｅを印加したとき（Ｅ≠０）には、液晶分子３３は電界に対して線形に応答するわけではなく、ある閾値電圧まではほとんど応答せず、更に電界Ｅを強めることで一方向へ配向する。

これにより、第２基板２０側から入射する光に対して液晶ドロプレット３２の屈折率がｎ_oとなり、液晶ドロプレット３２の周囲にあるポリマー３１の屈折率と等しくなるので、この光は散乱されることなく液晶層３０および第１基板１０を透過して下側に設けられた光吸収層１２で吸収されることで黒表示される。

このような構成の液晶表示装置は、次のような方法により製造される。

まず、図１に示すように、第１基板１０上にＴＦＴを配列形成し、ゲートライン１１およびデータライン１２を形成した後、これらを覆う状態で、平坦化絶縁膜（図示省略）を形成する。その後、この平坦化絶縁膜にＴＦＴに達する接続孔を形成する。次いで、平坦化膜上に、例えば蒸着法、スパッタリング法、または化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition（ＣＶＤ））法により、上記接続孔を埋め込む状態で、例えばＩＴＯ膜を形成する。次いで、通常のリソグラフィ技術により、ＩＴＯ膜をパターン加工することで、第１電極１３を形成する。また、第１基板１０における第１電極１３の形成面側とは反対側の面には、光吸収層１４を形成する。

一方、第２基板２０上に、ＩＴＯ膜からなる第２電極２１を形成する。この場合の第２電極２１はベタ膜状に設けられることとする。その後、第２電極２１上にブラックマトリクス２２を形成する。次いで、例えばブレードコートにより、ブラックマトリクス２２を覆う状態で、第２電極２１上に親水性の感光性樹脂を塗布する。その後、露光、現像を繰り返すことで、上記ブラックマトリクス２２の交差部２２ａ上に上述した平面視的に十字型の柱状スペーサー４０をパターン形成する。この際、柱状スペーサー４０は、複数の交差部２２ａに対して一つ置きに形成するようにする。尚、ここでは、柱状スペーサー４０を第２基板２０側に形成する例について説明したが、柱状スペーサー４０は第１基板１０側に形成しても構わない。

次いで、柱状スペーサー４０の側面部４０ｃを白色化する。この場合には、例えばＴｉＯ₂からなる白色顔料を側面部４０ｃに塗布することで白色化する。この際、側面部４０ｃのみを白色化する場合には、側面部４０ｃ以外の部分を疎水処理することで、親水性の白色顔料を側面部４０ｃのみに塗布することができる。

次いで、各電極形成面を対向させた状態で、第１基板１０と第２基板２０とを柱状スペーサー４０を挟んで重ね合わせ、第１基板１０と第２基板２０の周囲に設けられたシール材（図示省略）により接着する。続いて、図２に示すように、第１基板１０と第２基板２０との間に、例えば架橋性のモノマーと液晶との混合液を注入し、このモノマーを重合することで、ポリマー３１と液晶分子３３が包括された液晶ドロプレット３２とからなる液晶層３０を形成する。以上により、液晶表示装置が完成する。

このような光散乱性の液晶層を用いた反射型の液晶表示装置によれば、柱状スペーサー４０の側面部４０ｃが白色化されていることから、白表示の際に、柱状スペーサー４０の側面部４０ｃに入射した光が乱反射する。これにより、セルギャップｇに応じて柱状スペーサー４０の側面部４０ｃの表面積が大きくなったとしても、ビーズ状スペーサーや側面部が黒色化された柱状スペーサーを用いた場合と比較して、柱状スペーサー４０による反射率の低下が防止され、液晶表示装置の反射率が高くなる。また、黒表示の際にもビーズ状スペーサーと比較して、光漏れが抑制される。したがって、従来構造よりも輝度およびコントラストが高く、画質の優れた明るい表示が可能となる。

また、本実施形態の液晶表示装置によれば、柱状スペーサー４０が平面視的に十字型であり、略直角状の曲折部４０ａを有していることから、ブラックマトリクス２２と重なるように配置することができる。したがって、画素の開口率を広くとることができる。また、セルギャップｇの大きい光散乱型の液晶表示装置に対応して、柱状スペーサー４０の高さｈを高くしたとしても、安定性に優れ、柱状スペーサー４０の倒れを防止することができる。

尚、本実施形態では、ＰＮ型液晶層を備えた液晶表示装置について説明したが、本発明は光散乱型の液晶表示装置であればよく、液晶ドロプレット３２同士が完全に分離されたタイプのＰＤＬＣ型液晶層を備えた液晶表示装置であっても適用可能である。

また、上記実施形態では、反射型の液晶表示装置の例を用いて説明したが、透過型の液晶表示装置であっても、本発明は適用可能である。この場合には、図５（ｂ）の模式図で示す第１基板１０の光吸収層１２は設けられず、例えば第１基板１０側から入射した光を第２基板２０側へ透過させる。このため、電界Ｅを印加していない図５（ｂ）の状態が遮光となり、電界Ｅを印加した図５（ｃ）の状態が透過となる。

本発明の液晶表示装置に係る実施形態を説明するための斜視図である。本発明の液晶表示装置に係る実施形態を説明するための断面構成図である。本発明の液晶表示装置に係る柱状スペーサーの配置を説明するための平面図である。本発明の液晶表示装置に係る柱状スペーサーを説明するための斜視図である。本発明の液晶表示装置に係る液晶分子の配向制御を説明するための模式図である。

符号の説明

１０…第１基板、２０…第２基板、２２…ブラックマトリクス、２２ａ…交差部、３０…液晶層、４０…柱状スペーサー、４０ａ…曲折部、４０ｂ…片、４０ｃ…側面部

Claims

一対の基板間に光散乱性の液晶層が挟持されるとともに、前記一対の基板間に当該基板間を所定の間隔に維持する柱状スペーサーが配置された液晶表示装置において、
前記柱状スペーサーの少なくとも側面部は、光を反射するように形成されている
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記側面部は、光を乱反射するように形成されている
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記側面部は、白色化されている
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記柱状スペーサーは、平面視的に曲折部を有している
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記一対の基板の一方には、前記液晶層側の面の画素間にブラックマトリクスが配置されており、
前記柱状スペーサーは、前記ブラックマトリクスと重なるように配置されている
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項５記載の液晶表示装置において、
前記柱状スペーサーは、平面視的に略直角状の曲折部と当該曲折部を構成する片とを有しており、当該曲折部が前記ブラックマトリクスの交差部と一致するように配置されるとともに、前記片が前記ブラックマトリクスに沿って配置される
ことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記液晶表示装置は反射型である
ことを特徴とする液晶表示装置。