JPH09503601A - 高分子分散型強誘電性液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は新規の高分子分散型強誘電性液体表示装置（ＰＤＦ ＬＣＤ）を開示する。ネマティックＬＣＤの遅い応答速度を解決するＴＦＴ ＬＣＤなどのアクティブマトリックス型ＬＣＤは、製造原価が非常に高い。強誘電性液晶を用いるＦＬＣＤは、応答速度は非常に早いが、構造が不安定であり、製造が難しく、階調表示が不可能である。一方、ＰＤ ＬＣＤは構造が簡単であり、視野角が広く、強度が高いが、コントラストが低いため、画像表示には不適合である。本発明はＰＤ ＬＣＤとＦＬＣＤを結合して両者の長所と短所を補完する目的で高分子構造内に強誘電性液晶を分散させて構成した。これに従って、応答速度が非常に早く、外部衝撃および熱に強く、コントラストが高い本発明のＰＤＦＬＣＤが得られた。特に、本発明のＰＤＦ ＬＣＤは双安定特性が現われないため、階調表示が可能であるので、大型のカラー画像表示装置の具現化に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 高分子分散型強誘電性液晶表示装置 技術分野 本発明は液晶表示装置に関し、より詳細には強誘電性液晶を高分子物質内に分 散させて構成した新規の液晶表示装置に関するものである。 背景技術 テレビジョン装置などの映像機器の画像表示装置としては、一般的にブラウン 管が用いられているが、ブラウン管は嵩が大きいだけではなく、その消費電力も 非常に大きいという問題点を有している。これに従って、最近では特に携帯用画 像表示装置の分野で平板型表示装置が活発に普及されつつある。このような平板 型表示装置のうち最も広く用いられているのが液晶表示装置（Liquid Crystal D isplay; 以下ＬＣＤと略称する）であるところ、ＬＣＤは誘電異方性（dielectr ic anistropy）等、液晶が有する電気光学的（electro-optic）特性を利用する 代表的な非放射型（nonemissive）画像表示装置である。 液晶はその分子構造によってスメクティック（smectic）、ネマティック（nem atic）そしてコレステリック（cholesteric）相（phase）に区分される。このう ち、画像表示に利用可能なものはスメクティック相とネマティック相の液晶であ るが、スメクティック液晶はその配向が難しく、熱と衝撃などに弱いため、今ま で実用化されたＬＣＤは殆ど全てがネマティック相の液晶を採用していた。 このネマティックＬＣＤとしてはＴＮ（Twisted Nematic）ＬＣＤやＳＴＮ（S uper Twisted Nematic）ＬＣＤなどが用いられている。これらのＴＮ ＬＣＤや ＳＴＮ ＬＣＤは液晶層の上部と下部で液晶分子らが互いに捩れる方向にそれぞ れ配向させられるように構成したもので、液晶表示装置として既に広く実用化さ れている。しかし、これらは高解像度および大画面の構成に必要な早い応答速度 と広い視野角等の可視性（viewbility）を充足させることができないという問題 点があった。従って、これらネマティックＬＣＤによってはフルカラー画像や動 画像の具現化が極めて難しい。のみならず、単純マトリックス方式により駆動さ れるネマティックＬＣＤの光学的反応は印加された電圧の自乗にに比例するため 、選択画素と非選択画素との間に電圧差が殆どないので、その駆動が難しいとい う問題もあった。したがって、ネマティックＬＣＤは携帯用小型テレビジョン装 置やノートブックコンピュータなどのモニター程度がその応用の限界であり、そ の 画質もさほど高くなかった。 これに従って、アクティブマトリックス方式のＴＦＴ ＬＣＤが出現したが、 これは駆動素子アレーが各画素を夫々独立的にスイッチイングすることにより、 高速動作を可能ならしめている。しかし、その構造が非常に複雑であるため、製 造原価が高くなり、大型画面の構成が難しいという問題があった。 一方、上述のＬＣＤは全て、液晶の境界面で液晶分子を所定方向に配向させな ければならないのみならず、偏光板を用いなければならないため、視野角が狭く なり、明度が低下するという問題があった。これに従って、高分子分散型（Poly mer Dispersed）ＬＣＤ（以下、ＰＤ ＬＣＤと略称する）が出現したが、これは 高分子構造内にサブミクロン単位のネマティック液晶滴を分散させた構成である 。ネマティック液晶は外部電場に従って反応する正の誘電率異方性を有するため 、電場が印加されない状態では入射された光を散乱させて不透明な状態を維持す る。電場が印加されると、各液晶滴の液晶分子が一定の方向へ整列されて透明な 状態になることにより、光を透過させるようになる。このようなＰＤ ＬＣＤは 偏光板を用いないため、構造が簡単であるのみならず、明度が高く、視野角も広 い。また、重合高分子構造を有するため、低い製造コストで強度の高いフレキシ ブルな大画面のＬＣＤを可能としている。しかし、ＰＤ ＬＣＤにおいては高分 子構造を通して液晶に電圧を印加しなければならないため、動作電圧が高く、消 費電力が大きく、コントラストが低いという問題点があった。したがって、例え ば窓の採光調節などに用いられ、モニターやテレビジョン装置などの画像表示装 置としては適していなかった。 以上で説明した各ＬＣＤは全て液晶の誘電率異方性を利用するものであって、 その電気光学的特性は印加された電圧の極性とは関係なく電圧の強さにのみ依存 するようになる。ところで、強誘電性の物質は電場が印加されていない状態でも 自発分極されて、二つの安定した状態を有する所謂双安定構造を有している。最 近、このような自発分極の大きさが非常に大きい強誘電性を有するカイラル（ch iral）Ｃ相のスメクティック液晶が知られており、これを利用したのが強誘電性 ＬＣＤ（Ferroelectric ＬＣＤ；以下ＦＬＣＤと略称する）である。 このＦＬＣＤは分子構造の変化なく液晶分子の方向だけが二つの状態間を変化 するため、液晶の粘性に関係なく非常に早い応答速度を有している。例えば、ネ マティックＬＣＤが数１０乃至数１００msec程度の応答速度を有する反面、ＦＬ ＣＤは数１０μsec程度の非常に早い応答速度を有している。したがって、ＦＬ ＣＤはＳＴＮ ＬＣＤの情報表示量の限界を克服することができ、また、ＴＦＴ ＬＣＤに比べて製造原価と設備費用を節減することができる。 しかし、カイラルＣ相のスメクティック液晶は配向が非常に困難であり、外部 衝撃や熱などにより配向構造が容易に変化して、その信頼性が低いという問題点 があった。 のみならず、カイラル特性による液晶の回転運動を防止して所定方向へ配向さ せるために液晶層の厚さ、即ち、両基板間の間隔を小さくしなければならない。 これに従って、従来のＦＬＣＤにおいては、基板間の間隔を１〜２μm程度に形 成したが、このようなＦＬＣＤを表面安定化（Surface Stabilized）ＦＬＣＤと 呼称する。しかし、広い面積に亘ってこのように小さい間隔を均一に維持するこ とは技術的に極めて困難であるため、大画面のＦＬＣＤ、特に大面積の表面安定 化ＦＬＣＤの具現化は殆ど不可能であった。 一方、電圧依存的な別のＬＣＤは、電場の強さを調節することにより、階調（ gray scale）の表示が可能な反面、ＦＬＣＤは中間状態がなく外部電場の極性に 従って液晶分子の配列方向が二つの状態でのみ存在するため、階調の表示が不可 能であるという問題点もあった。 発明の開示 このような従来の様々なＬＣＤの問題点を勘案して、本発明の目的はＰＤ Ｌ ＣＤとＦＬＣＤの長所を生かして短所を相互補完する新規な構成の高分子分散型 強誘電性ＬＣＤを提供することである。 このような目的を達成するために本発明による高分子分散型強誘電性ＬＣＤ（ 以下、ＰＤＦ ＬＣＤと略称する）は、相互に所定の間隔で対向する二つの基板 と、これらの二つの基板上に互いに対向するようにそれぞれ配列された電極と、 これらの二つの基板間に充填された液晶層を具備する液晶表示装置において、 この液晶層が高分子構造内に強誘電性液晶滴を分散させて構成することを特徴 とする。 本発明の一つの望ましい特徴によると、この強誘電性液晶はカイラルＣ相のス メクティック液晶である。 本発明の別の望ましい特徴によると、基板間に充填された液晶は、その境界面 でそれぞれ所定方向へ配向され、望ましくは配向膜を具備してこれをラビング（ rubbing）するにより配向されている。 本発明の別の望ましい特徴によると、基板には偏光板などの偏光手段が具備さ れている。 このように構成された本発明のＰＤＦ ＬＣＤは、ＰＤ ＬＣＤの長所である広 い視野角および優れた強度と、ＦＬＣＤの長点である早い応答速度を同時に達成 する。また、ＰＤ ＬＣＤの短点であるコントラストの問題が解決されて、高い コントラストの画像を具現化し、ＦＬＣＤの短点である配向と階調表示の問題を 解決して安定した特性の信頼性が高い配向構造を容易に構成することができ、階 調表示も可能になる。さらに、表面安定化ＦＬＣＤのように、セルギャップを小 さい間隔で形成する必要がないため、その製造が容易であり、大画面のＬＣＤの 構成も可能になる。 図面の簡単な説明 本発明の具体的な特徴と他の利点らは添付した図面を参照した以下の望ましい 実施例の説明により一層明確になるであろう。 第１図は本発明のＰＤＦ ＬＣＤの一構成を示す概略断面図である。 第２図は本発明のＰＤＦ ＬＣＤの矩形波に対する反応を示すグラフである。 第３図は本発明のＰＤＦ ＬＣＤの電圧変化による電気光学的特性の変化を示 すグラフである。 第４図は本発明のＰＤＦ ＬＣＤの反応速度を示すグラフである。 第１図において、本発明によるＰＤＦ ＬＣＤは前面基板（Ｆ）と背面基板（ Ｒ）との間の空間、即ち、セルギャップ（cell gap）の高分子構造（polymer ma trix; Ｍ）内の空間に液晶滴（Ｄ）が分散された液晶層（Ｌ）を具備する。これ は基本的にＰＤ ＬＣＤと類似の構成である。しかし、本発明において液晶滴（ Ｄ）を形成する液晶は、自発分極を有する強誘電性液晶である。このような強誘 電性液晶は、例えばカイラルＣ相のスメクティック液晶である。更に、散乱モー ドを利用するＰＤ ＬＣＤとは異に本発明のＬＣＤは強誘電性液晶の電気光学的 特性を具現化するために配向構造を必要とする。 両基板（Ｆ，Ｒ）の内面にはそれぞれ、画素の選択のための電圧を印加する電 極（Ｇ１，Ｇ２）が格子状に配列されているが、これらの電極（Ｇ１，Ｇ２）は 、望ましくはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極で構成されている。 一方、これらの電極（Ｇ１，Ｇ２）の上部にはそれぞれ、液晶滴（Ｄ）内の液 晶分子を所定方向に配向させるための配向膜（Ａ）が形成されているが、この配 向膜（Ａ）は液晶の配向のみならず、電極（Ｇ１，Ｇ２）から電流が直接液晶へ 流れ入るのを防止する役割もしている。この配向膜（Ａ）はＴＮまたはＳＴＮ ＬＣＤの配向に一般的に用いられているポリイミド（Polyimide）などを用いる ことができ、必要によって他の高分子物質や配向膜（Ａ）以外の他の配向手段を 用いることもできる。ポリイミドからなる配向膜は、一定方向へのラビング（ru bbing）により高分子マトリクス構造を含む高分子構造（Ｍ）内の空間に分散さ れた液晶滴（Ｄ）内の液晶分子を一定方向に安定に配向させることができる。 各基板（Ｆ，Ｒ）の外表面側には偏光板（Ｐ１，Ｐ２）が付着されているが、 これらは、入射する光を一方向へ線形偏光させることにより、光を通過または遮 断させている。これに従って光学的な黒白状態が形成されて情報を表示すること ができるようになる。 一方、残りの符号Ｓは密封部材である。また、別途に図示されてはいないが、 両基板（Ｆ，Ｒ）間のセルギャップにはガラスまたは合成樹脂などからなるスペ ーサー（spacer）が均一に分散されて両基板（Ｆ，Ｒ）間の間隔を一定に維持し ている。 以上の如き構造を有する本発明のＰＤＦ ＬＣＤのサンプルを製作する過程を 考えてみることにする。 先ず、液晶層（Ｌ）が注入されるセルギャップを有する試験パネルを製作する 。この試験パネルは、電極（Ｇ１，Ｇ２）がそれぞれ形成され、さらに配向膜（ Ａ）が所定方向に配向処理された両基板（Ｆ，Ｒ）を密封部材（Ｓ）で接合して 構成したものである。この実験例において、セルギャップの厚さ、即ち、液晶層 （Ｌ）の厚さは９.６μmで構成した。 次に、液晶層（Ｌ）を形成する液晶と高分子化合物を所定の混合比で混合する 。ここで、液晶が過多な場合には相分離時に液晶滴（Ｄ）が高分子構造（Ｍ）と 完全に分離されることがなく、液晶が過少な場合には上記光学的特性が低下する ため、適切な混合比の選択が非常に重要である。この実験例においては、強誘電 性を有するカイラルＣ相のスメクティック液晶として、Chisso社の製品名ＣＳ２ ００４を用い、高分子化合物としては、Norland社のＮＯＡ61紫外線硬化性高分 子物質を用いた。 本発明者の実験によると、液晶と高分子化合物の混合比は１：１.５乃至１： １０程度の重量比の範囲が適当であると考えられ、この実験例においては液晶と 高分子化化合物を１：３で混合した。 次に、液晶と高分子化合物の混合物を試験パネルのセルギャップ内に注入する 。この際、液晶と高分子化合物の粘度差異による混合物の分離と、これに伴うし み状の班点（stain）の発生を防止するために注入時の温度は比較的高い温度で あるのが望ましい。このような注入時の温度は、液晶が液晶相から等方性の液体 相に転移する相転移温度付近であるのが望ましく、この実験例においては１２０ ℃に設定した。 一方、混合物の注入後すぐに紫外線を照射すると、混合物の流れが安定化され ていない状態で固定化されるため、上述の温度で一定時間維持してやる。この実 験例においては、上述の液晶の相転移温度、即ち、約１２０℃の温度で１０分間 維持した。本発明者の実験によると、その維持温度が低いならば液晶と高分子化 合物が均一に混合されることなく分離され、また、高いならば配向の効果が減少 するため、選択された温度は二つの物質が互いに均一に混合され得る最も低い温 度に該当する。 次に、紫外線を照射して液晶と高分子化合物を相分離する。このような相分離 時に周辺温度を高めたり、紫外線の照射強度を強くすると、高分子化合物の分子 化速度が早くなって小さい大きさの液晶滴（Ｄ）を得ることができる。このよう に外部条件を変化させて液晶滴（Ｄ）の大きさを調節することができるが、本発 明者の実験によると、液晶滴（Ｄ）の直径が０.５μm乃至１０μmの間であると きに適切な光学的特性を得ることができた。 この際、基板（Ｆ，Ｒ）間の間隔、即ち、液晶層（Ｌ）の厚さまたはセルギャ ップの厚さは、液晶滴（Ｄ）が硬化した高分子構造（Ｍ）内に充分に分布できる 間隔であることが望ましいく、例えば２μm乃至１０μm程度である。 一方、基板（Ｆ，Ｒ）の外側にはそれぞれ、偏光板（Ｐ１，Ｐ２）がそれぞれ 付着されるが、その付着角度は液晶が有する傾斜角（tiltangle）に従って最適 のコントラストを得る角度に決定される。この実験例において、一つの偏光板は （Ｐ１）は２２.５°の角度に付着され、他の偏光板（Ｐ２）は垂直に付着され ている。 このように構成された本発明ＰＤＦ ＬＣＤの実験例の電気光学的特性を第２ 図乃至第４図を通じて考察してみる。 先ず、第２図は実験例に５００Hzの矩形波パルス電圧を印加したときのこのＬ ＣＤの電気光学的反応波形である。図面において本発明のＰＤＦ ＬＣＤは、一 般的なＦＬＣＤのように外部電場の変化に非常に良く反応しているため、電気光 学的表示素子として用いることができるのが判る。 一方、第３図は短形波の電圧の大きさを変化させたとき、二つの偏光板（Ｐ１ ，Ｐ２）を通過した後の光の透過強度を示したものである。図面において、本発 明のＰＤＦ ＬＣＤは、低い電圧で線形的に反応し、電圧の大きさが大きくなる と、緩やかに飽和される。即ち、本発明ＰＤＦ ＬＣＤは表面安定化ＦＬＣＤの ような双安定特性を現わさず、外部印加電圧の変化に従って連続的な光透過特性 を現す。従って、印加電圧の変化によって階調表示が可能になる。 一方、第４図には外部電場の変化に従うこのＬＣＤの反応速度を示している。 図面において判るように、本発明のＰＤＦ ＬＣＤは０.１msec、即ち、１００μ sec内外の反応速度を示している。このような本発明のＰＤＦ ＬＣＤは数１０μ secの応答速度を示すＦＬＣＤよりは相対的に遅いが、数１０msec程度の応答速 度を有するネマティックＬＣＤに比べて非常に早い応答速度を有している。 以上の通り、本発明はＰＤ ＬＣＤとＦＬＣＤを互いに結合させることにより 、両者の長所と短所を相互補完したものである。特に、本発明のＰＤＦ ＬＣＤ はＰＤＬＣＤとＦＬＣＤの単純結合では全く予期することができなかった新しい 電気光学的特性を発揮するようになる。 即ち、本発明のＰＤＦ ＬＣＤは、既存のＦＬＣＤのように早い応答性と高い コントラストを発揮しながら、ＦＬＣＤの短所を解決して安定した配向を得るこ とができ、階調表示が可能になる。さらに、セルギャップの厚さも表面安定化Ｆ ＬＣＤのように小さく形成する必要がないため、大面積のＬＣＤも容易に構成す ることができるようになる。 さらに、本発明ＰＤＦ ＬＣＤはＰＤ ＬＣＤのように優れた強度を有するため 、外部衝撃に強いＬＣＤを構成することができ、視野角が広いため、可視性が優 れている。 特に、本発明のＰＤＦ ＬＣＤは、ＴＦＴ ＬＣＤのように、アクティブマトリ ックス駆動をしなくても早い応答速度を有するため、能動素子が不要になり、製 造原価も著しく低下する。 産業上の利用可能性 このような本発明ＰＤＦ ＬＣＤの様々な特性は、大画面のカラー画像表示に 適しているため、本発明は高画質テレビジョン装置などの大型カラー画像表示装 置の具現化に大きな効果がある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．相互に所定の間隔で対向する両基板（Ｆ，Ｒ）と、上記両基板（Ｆ，Ｒ） 上にそれぞれ相互対向するようそれぞれ配列された電極（Ｇ１，Ｇ２）と、上記 両基板（Ｆ，Ｒ）間の空間に充填された液晶層（Ｌ）とを具備する液晶表示装置 において、上記液晶層（Ｌ）は、高分子構造（Ｍ）内に強誘電性液晶の液晶滴（ Ｄ）を分散させて構成されていることを特徴とする高分子分散型強誘電性液晶表 示装置。 ２．第１項において、 上記強誘電性液晶がカイラルＣ相のスメクティック液晶であることを特徴とす る強誘電性液晶表示装置。 ３．第１項において、 上記液晶が上記液晶層（Ｌ）の両境界面でそれぞれ所定方向へ配向されている ことを特徴とする強誘電性液晶表示装置。 ４．第３項において、 上記配向は、上記電極（Ｇ１，Ｇ２）上に高分子化合物を被覆しこれをラビン グすることによりなっていることを特徴とする強誘電性液晶表示装置。 ５．第４項において、 上記ラビングされる高分子化合物はポリイミド樹脂であることを特徴とする強 誘電性液晶表示装置。 ６．第１項において、 上記基板（Ｆ，Ｒ）に偏光手段が具備されていることを特徴とする強誘電性液 晶表示装置。 ７．第６項において、 上記偏光手段は、透過光を線形偏光させる偏光板（Ｐ１，Ｐ２）であることを 特徴とする強誘電性液晶表示装置。 ８．第１項において、 上記高分子構造（Ｍ）内の液晶滴（Ｄ）の直径が０.５μm乃至１０μmの範囲 内であることを特徴とする強誘電性液晶表示装置。 ９．第１項において、 上記液晶層（Ｌ）の厚さは、２μm乃至１０μmの範囲内であることを特徴とす る強誘電性液晶表示装置。 １０．第１項において、 上記液晶層（Ｌ）が上記両基板（Ｆ，Ｒ）間に強誘電性液晶と高分子化合物の 混合物を注入して、これを相分離および硬化させることにより構成していること を特徴とする強誘電性液晶表示装置。 １１．第１０項において、 上記強誘電性液晶と高分子化合物の混合比が重量比で１：１.１５乃至１：１ ０の範囲内であることを特徴とする強誘電性液晶表示装置。 １２．第１０項において、 上記混合物の注入時の温度が上記液晶の相転移温度付近であることを特徴とす る強誘電性液晶表示装置。 １３．第１０項において、 上記混合物の注入後、所定の温度で所定時間維持させた後に上記相分離および 硬化させていることを特徴とする強誘電性液晶表示装置。 １４．第１０項において、 上記高分子化合物が紫外線硬化性樹脂であり、 紫外線の照射により上記混合物の相分離および硬化させていることを特徴とす る強誘電性液晶表示装置。