JP3096098B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

液晶表示装置

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JP3096098B2
JP3096098B2 JP20240291A JP20240291A JP3096098B2 JP 3096098 B2 JP3096098 B2 JP 3096098B2 JP 20240291 A JP20240291 A JP 20240291A JP 20240291 A JP20240291 A JP 20240291A JP 3096098 B2 JP3096098 B2 JP 3096098B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来技術】液晶を用いて表示を行うための手法の一つ
に、透明な基板に透明電極パタンを形成し、裏面に光源
を設置しその透過光を利用して表示画像を認識する方法
がある。しかし、この表示方式は照明装置を必要とし、
しかも通常偏光子を二枚設置するTNモードやSTNモ
ードで用いられるため表示が暗くなりやすいことから照
明を非常に明るくする必要があり、低消費電力化や薄型
化を図るのが非常に難かしいという欠点があった。又、
液晶駆動素子としてTFT(Thin Film Transistor)を
各画素に対応させて設けるとともにカラーフィルタを設
置し、裏面に設置した光源からの光によってカラー表示
を実現する手法においても上記と同様の欠点があった。
一方、近年、ポリマーのマトリックス中に液晶を分散さ
せたポリマー分散型液晶表示装置の提案がなされている
が、これらは、液晶層の厚さの影響を受けにくい、大面
積化が可能、偏光板を必要としない等の特徴を持つこと
から注目されている。また、特開平1−241520号
公報には、このポリマー分散型液晶を用い、カラーフィ
ルタと対応させてカラー表示を行う技術が開示されてい
る。しかし、該公報に記載の方法においても次のような
欠点がある。すなわち、液晶が光を透過する状態を“O
N”、光を散乱する状態を“OFF”とするため、“O
FF”時でも表側(表示面側)から入射した光が液晶層
で散乱されカラーフィルタを透過してしまうので、“黒
色”の表示において十分な黒さを得ることが難しく、十
分なコントラスト比を得にくい。裏面からの光源を利用
する構造の場合には、この光源の輝度を増加することに
よって、ある程度コントラスト比を向上させることがで
きるが、“黒色”の表示は白っぽくなってしまう。ま
た、裏面からの光源を使用せずに、反射光を用いる構造
とした場合には、特にコントラスト比が小さくなってし
まう。また、電子通信学会技法 EID89−103に
は、紫外線重合性化合物が形成する3次元網目構造中に
液晶を分散させたポリマーネットワーク型液晶を表示素
子の液晶層として用いることにより、低電圧駆動、優れ
た急峻性等の利点が得られることが示してある。さら
に、JAPAN Display ’89,p572−
575には、カプセル化液晶をTFTにより駆動させ、
照明手段を用いて表示を行う技術が開示されているが、
これらの方法にも以下のような問題点がある。すなわ
ち、ポリマーネットワーク型、及びカプセル化液晶型
(これらをPDLCとよぶ)においては、十分なコント
ラスト比を得るためにはネットワークあるいはカプセル
の大きさを均一に制御する必要がある。また、駆動時の
印加電圧を低減するためにもネットワークあるいはカプ
セルの大きさを均一に制御する必要があり、その大きさ
は2〜3μm程度が適当である。さらに、駆動電圧を低
減するためには液晶層の厚さを薄くすることが望まし
い。ところが、実際にはこのような制御は難しく、かな
りのバラツキを生じている。従って、ある程度のコント
ラスト比を得るために膜厚を厚くし、そのため駆動電圧
が高くなっている。また、これらの方法では液晶と高分
子の複合体を形成する際に用いられる溶剤や未反応のプ
レポリマー、及び紫外線によって液晶やプレポリマーが
分解して生じた不純物などが液晶層に取り込まれるため
に、特に信頼性の点で危惧される。しかも、上下電極間
に液晶以外にポリマーの層が何層も形成されることにな
って、液晶層に実際に印加される電圧は低下してしま
い、駆動電圧の上昇を招いていた。
【0003】
【目的】 .駆動時の印加電圧を低減するためには液晶層の厚さ
が薄い方が良い、 .駆動電圧無印加状態での入射光の散乱効率を向上さ
せるためには液晶層の厚さが厚い方が良い、 .液晶層の厚さが異なっていたり液晶層の大きさが異
なっていたりすると、液晶層の厚さや大きさの違いによ
って光透過状態となるのに必要な電圧値が異なるため、
電圧−透過率の特性を測定した場合の急峻性が悪くな
る、 という課題を一挙に解決するため、本発明は、液晶層の
厚さと大きさを制御することにより、コントラスト比が
大きく、急峻性がよく、駆動電圧が低い液晶表示装置を
提供することを目的としたものである。
【0004】
【構成】本発明の第一は、液晶駆動用電極を設けた一対
の基板間に液晶層を挾持した構造を有し、該液晶層が電
圧が印加された場合と印加されない場合とで光を散乱す
る状態と光を透過する状態とに変化することを利用した
液晶表示装置において、該液晶層が少なくとも一方の電
極付基板上に形成された微細凹凸構造の層に埋めこまれ
ており、また各画素に対応して非線形スイッチング素子
を設け、かつ前記各画素対応の非線形素子が液晶層の厚
さを制御する微細凹凸構造が形成されている基板とは反
対側の基板に設けられていることを特徴とする液晶表示
装置に関する。本発明の第二は、液晶駆動用電極を設け
た一対の基板間に液晶層を挾持した構造を有し、該液晶
層が電圧が印加された場合と印加されない場合とで光を
散乱する状態と光を透過する状態とに変化することを利
用した液晶表示装置において、該液晶層が少なくとも一
方の電極付基板上に形成された微細凹凸構造の層に埋め
こまれており、また各画素に対応して非線形スイッチン
グ素子を設け、液晶層の厚さを制御する微細凹凸構造
が、少なとくも一方の基板上に形成されている非線形素
子の平坦化層または非線形素子の保護層、あるいはカラ
ーフィルタの平坦化層またはカラーフィルタの保護層を
兼ねていることを特徴とする液晶表示装置に関する。図
1は本発明で用いられるような散乱型LCDの基本動作
をモデル的に示す図である。この液晶表示装置は、電極
が形成された一対の基板を離間、対向して配置し、その
間に液晶層を設けた構造を有している。該液晶層は、ポ
リマーマトリクス中に液晶を分散させたポリマー分散型
液晶、又はポリマーにより形成された三次元網状構造す
なわちポリマーネットワーク中に液晶を分散させたポリ
マーネットワーク型液晶からなる膜により形成される。
図1中、1,2は電極が形成された基板、3はスイッ
チ、4は液晶粒子あるいはネットワーク中の液晶、5は
液晶分子である。又、図中6は液晶表示装置に対する入
射光、6′は液晶表示装置がオン状態の時の透過光であ
る。同図(a)は電圧無印加(オフ)時、(b)は電圧
印加(オン)時の状態を示している。本発明では、光散
乱・光透過の状態を示す液晶層の厚さを電極付基板上に
形成された微細凹凸構造によって制御するとともに、液
晶分子の配向状態もこの微細凹凸構造で制御することを
1つの特徴としている。これを示したのが図2であり、
微細凹凸構造の凹部に埋めこまれた液晶分子が図1にお
けるカプセル、あるいはネットワーク中の液晶分子と同
様の挙動を示す。本発明における「配向」はSTN型の
液晶ディスプレイにおける配向のように全体を一様に配
向させるのではない。電圧を印加しない状態では液晶分
子がランダムな方向を向いて入射光を乱反射するような
状態にしておき、これに電圧を印加することによって液
晶分子の向きをそろえて入射光を透過させることで光シ
ャッターとしての動作をさせることを利用するため、本
発明における「配向状態の制御」とは以下の2点の実現
を目的とするものである。 (i)電圧無印加状態では十分に入射光を乱反射させ
る。 (ii)低い印加電圧で十分かつ一様に光透過状態とな
る。 したがって、微細凹凸構造のくぼみ部分が液晶層の厚さ
となる。図1では液晶分子が球状に表現されているが、
これはモデルにすぎず、実際には液晶層の一部がこれと
同様の挙動を示すのであり、この液晶分子は必ずしも閉
空間に閉じ込められている必要はない。図3は微細凹凸
構造層の形状・分布を示したものである。液晶分子を保
持している部分の幅を2〜5μm、望ましくは2〜3μ
mとすることによって、液晶分子の光散乱効率を向上す
ることができる。すなわち、2〜5μm程度の領域毎に
配向方向を異ならせるようにすることにより、電圧非印
加時に光散乱性の構造をとらせる。特に突起部の配置パ
タンとしては、図3の(a)よりも(b)の方が望まし
く、突起部の幅は凹部の幅よりも小さい構造が望まし
い。また、液晶層の厚さは2〜5μmとすることによっ
て駆動電圧も低減できる。液晶層の厚みを制御するため
だけであれば、微細凹凸構造は単に所々に柱状部を設け
るのみでよい(図5のA)が、液晶層の大きさも同時に
制御するためには、凸部の存在する間隔を調節すること
により、制御することができる。また、配向状態の制御
性を一層高めるためには下地部分も同じ配向材料である
ことがのぞましいので、そのためには図5のBのような
形となる。微細凹凸構造の層は、一方の基板側のみでも
よいが、両方に設けてある方がより効果上安定する。微
細凹凸構造は、島状あるいはストライプ状など任意の形
状で設けることができるが、ストライプ状より図3のよ
うな島状の方がより有効である。凸部の形状は、図6の
A、B、C等いずれの形状でも支障はない。実状は、A
の形で設計すると実際はBの形で仕上るケースが多い。
通常凹凸の深さは約2〜5μm、好ましくは2〜3μ
m、ピッチは約1〜10μm、好ましくは4〜6μmと
することが好ましいが、ピッチは、〔(凹凸の深さ)+
(凸部の大きさ)〕程度がのぞましく、また凸部の大き
さは凹凸の深さとほゞ同じであることが好ましい。一般
に、液晶表示装置においては、各画素に対応して非線形
スイッチング素子やカラーフィルターを設けることがあ
る。この非線形スイッチング素子には該素子を平坦化す
る機能をもつ平坦化層あるいは液晶から非線形スイッチ
ング素子を保護するための保護層に設けることがある。
本発明の液晶表示装置においては、これらの先行技術と
同様に各画素に対応して非線形スイッチング素子やカラ
ーフィルターを設けることがある。この場合、各画素毎
に設けた非線形スイッチング素子の平坦化層または保護
層に、あるいはカラーフィルターの平坦化層や保護層
に、微細凹凸構造の層を設けることにより、これらの層
と微細凹凸構造の層を兼用させることができる。そし
て、図4に示すように本発明においては、非線形スイッ
チング素子が設けられていない基板側に微細凹凸構造の
層を設けるものである。液晶層の光散乱を利用したディ
スプレイ方式にはPC型(Phase Change:
相転移)、DS型(Dynamic Scatteri
ng)、熱硬化型、あるいはPDLC(ポリマー分散型
液晶やポリマーネットワーク型液晶を総称して以下この
ように記述する)等が知られているが、PDLCを用い
た場合は液晶分子を配向させるラビング等の工程が必要
ないため、安定した表示品質を得やすい。しかし、PD
LCは従来のSTN型液晶などと比べると急峻性が悪い
ために、STN型液晶ディスプレイのような単純マトリ
クス駆動を行う場合では、デューティ比は1/60〜1
/100程度が限界であり、ディスプレイの大画面化は
難しいと考えられる。そこで、画素一個一個にTFT、
TFD、MIM等の非線形素子を使用すれば、上記のよ
うな急峻性は必要がないので、安定した表示品質と大画
面化、高精細画面化が可能となってくる。TFTとして
は正スタガ型、逆スタガ型のアモルファスシリコンや多
結晶シリコンを用いることができる。液晶層の厚さ・配
向状態を制御する微細凹凸構造の層を作製する具体的な
方法としては、電極付基板上に成膜した薄膜をエッチン
グすることによって所定の構造を形成する方法がある。
また、微細凹凸構造を形成する材料として紫外線(光)
硬化型樹脂を使用したフォトリソグラフィー技術を用い
ることによっても同様に微細凹凸構造を形成することが
できる。さらに、金属版などの別基板の表面にエッチン
グ等によって所定の凹凸を形成したスタンパーを用いて
微細凹凸構造を形成することができる。このような方法
で形成された微細凹凸構造によって液晶層の厚さ・配向
状態を制御することにより、いわゆるポリマー分散型ま
たはポリマーマトリクス型液晶において懸念されるよう
な液晶層へのプリポリマーや不純物の混入も無く、均一
で散乱効率が高く信頼性の点でも優れた液晶表示装置を
提供できる。基板としてはガラスをはじめ、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルサ
ルフォン、ポリアリレートなどのような透明なポリマー
などが使用できる。基板上に設けられる電極は、透過型
の場合は透明電極を用いる必要があるが、反射型の場合
は一方の電極は透明である必要は無い。例えば、本実施
例のように基板2側にTFTなどの非線形スイッチング
素子を形成する場合では、この基板2上の電極4は透明
である必要は無く、例えばCrやAl,Ta,Ta/M
o,Cuなどの金属電極を用いることができる。液晶と
してはシアノビフェニル系のネマティック液晶やエステ
ル系、ピリミジン系およびぞれらの混合物等の通常のネ
マティック液晶を用いることができる。微細凹凸構造の
層5を形成する材料としては紫外線硬化型樹脂たとえば
PMMAのほかに、エポキシ系樹脂やアクリル樹脂、ポ
リスチレン、ポリカーボネート、ポリビニルアルコー
ル、シロキサン系・エステル系などの高分子化合物、及
びポリイミド、ポリアミドなどの通常の高分子化合物を
用いることができる。
【0005】
【実施例】以下本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。 実施例1 図4は本発明による一実施例のカラー液晶表示装置を示
したものである。基板1としてはガラスを用いた。基板
1,2上の電極7,8は、スパッタリングによって成膜
した透明電極(ITO)を、フォトリソグラフィー法に
よってパターニングして形成する。基板2上には各画素
毎にTFT10が形成され、入力データに応じて画素電
極のスイッチング動作を行う。本実施例ではTFT10
としてアモルファスシリコンを用いた逆スタガ型を採用
した。液晶層の厚さ・配向状態を制御する微細凹凸構造
9は、紫外線硬化型のポリメチルメタクリレート樹脂
(PMMA)を2μmの厚さで電極付基板1の電極側に
塗布した後、金属製スタンパーを用いて形成した。凹凸
の深さは2.5μm、ピッチは5μmであり、凸部の形
状は正四角柱で底辺2×2μm、高さ2.5μmとし
た。本実施例では液晶としてシアノビフェニル系のネマ
ティック液晶を用いた。これにより、従来のものより駆
動電圧を低くすることができ、また急峻性を向上させる
ことができた。 実施例2 液晶層の厚さ・配向状態を制御する微細構造5を形成す
る材料として感光性ポリイミドを用い、これを基板1に
塗布後パターニングして微細構造を得た。そのほかは実
施例1と同様にして液晶表示装置を作製した。本例で
は、金属製のスタンパーを使用せず、フォトリソグラフ
ィーにより作製した。
【0006】
【効果】(1)液晶層の膜厚を正確に制御することが可
能であり、液晶表示素子の表示ムラの発生を低減し、表
示品質を向上させることができる。 (2)ポリマーネットワーク型液晶表示装置やポリマー
分散型液晶表示装置に比べて、液晶分子の配向状態を精
密に制御することが可能であり、コントラスト比、及び
応答速度を向上させることができ、表示品質を向上させ
るこができる。 (3)液晶層の大きさを制御することが可能であり、そ
の結果可視光の散乱効率を向上させることができ、コン
トラスト比を向上させることができる。 (4)各画素に対応した非線形素子を液晶層の膜厚・配
向を制御する微細構造が形成された基板とは反対側の基
板上に形成することにより、微細構造形成時の非線形素
子に対する汚染やダメージを防ぐことが可能であり、液
晶表示装置作製時の歩留まりを向上することができる。 (5)液晶層の膜厚・配向状態を制御する微細構造が、
各画素に対応した非線形素子、あるいはカラーフィルタ
の平坦化層、または保護層を兼ねさせた場合には、微細
構造を形成するための工程の増加を最小限に押さえるこ
とが可能であり、作製時の歩留まりの低下を防ぐことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使用する散乱型液晶表示装置の基本動
作をモデル的に示す図である。
【図2】本発明の液晶表示装置の1具体例を示す断面図
である。
【図3】本発明の微細凹凸構造の2つの具体例を(a)
と(b)に示す図である。
【図4】非線形スイッチング素子としてTFTを用いた
場合の本発明液晶表示装置の1具体例を示す断面図であ
る。
【図5】微細凹凸構造の2つの具体例A、Bを示す断面
図である。
【図6】微細凹凸構造における凸部の形状の具体例A、
B、Cを示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板 2 基板 3 スイッチ 4 液晶 5 液晶分子 6 入射光 6′ 透過光 7 電極 8 電極 9 微細凹凸構造部 10 TFT
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/1334 G02F 1/1335 505 G02F 1/1368

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液晶駆動用電極を設けた一対の基板間に
    液晶層を挾持した構造を有し、該液晶層が電圧が印加さ
    れた場合と印加されない場合とで光を散乱する状態と光
    を透過する状態とに変化することを利用した液晶表示装
    置において、該液晶層が少なくとも一方の電極付基板上
    に形成された微細凹凸構造の層に埋めこまれており、ま
    た各画素に対応して非線形スイッチング素子を設け、か
    つ前記各画素対応の非線形素子が液晶層の厚さを制御す
    る微細凹凸構造が形成されている基板とは反対側の基板
    に設けられていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 【請求項2】 液晶駆動用電極を設けた一対の基板間に
    液晶層を挾持した構造を有し、該液晶層が電圧が印加さ
    れた場合と印加されない場合とで光を散乱する状態と光
    を透過する状態とに変化することを利用した液晶表示装
    置において、該液晶層が少なくとも一方の電極付基板上
    に形成された微細凹凸構造の層に埋めこまれており、ま
    た各画素に対応して非線形スイッチング素子を設け、液
    晶層の厚さを制御する微細凹凸構造が、少なとくも一方
    の基板上に形成されている非線形素子の平坦化層または
    非線形素子の保護層、あるいはカラーフィルタの平坦化
    層またはカラーフィルタの保護層を兼ねていることを特
    徴とする液晶表示装置。
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