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JP2807591B2 - ポリマー分散型液晶表示素子及び反射型液晶表示装置 - Google Patents

ポリマー分散型液晶表示素子及び反射型液晶表示装置

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JP2807591B2
JP2807591B2 JP4049601A JP4960192A JP2807591B2 JP 2807591 B2 JP2807591 B2 JP 2807591B2 JP 4049601 A JP4049601 A JP 4049601A JP 4960192 A JP4960192 A JP 4960192A JP 2807591 B2 JP2807591 B2 JP 2807591B2
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JP
Japan
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liquid crystal
polymer
crystal display
light
type liquid
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JP4049601A
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信明 山田
敏幸 平井
憲明 大西
修一 神崎
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
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Publication date
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Priority to US07/999,138 priority patent/US5342545A/en
Priority to EP93301414A priority patent/EP0559378B1/en
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1334—Constructional arrangements; Manufacturing methods based on polymer dispersed liquid crystals, e.g. microencapsulated liquid crystals
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    • G02F1/13476—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells in which at least one liquid crystal cell or layer assumes a scattering state

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ポリマー分散型液晶表
示素子及び反射型液晶表示装置に関する。更に詳しく
は、液晶滴とポリマーとの屈折率の差を電気的に変化さ
せ、液晶滴とポリマーとの界面で起こる光の散乱を制御
するポリマー分散型液晶表示素子に関し、特に、液晶表
示素子の裏側に反射板を配置して、白黒または、カラー
の反射型液晶表示装置に利用して有用なるものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、電気光学効果を利用した表示素子
としてネマティック液晶を用いたＴＮモードや、ＳＴＮ
モードのものが実用化されている。また、強誘電性液晶
を用いたものも提案されている。これらは、偏光板を要
するものであり、偏光板によって必然的に光の利用効率
が半減し、表示が暗くなるという問題点があった。これ
に対して、偏光板を要さない表示モードとしては光の吸
収を利用した相転移ゲストホストモード、液晶の散乱を
利用した動的散乱（ＤＳ）モードおよび相転移（ＰＣ）
モードがある。
【０００３】最近、偏光板を要さず、しかも配向処理を
不要とするものとして、ポリマー分散型液晶表示モード
が提案されている。これは液晶の複屈折率を利用し、透
明または白濁状態を電気的にコントロールする素子で、
基本的には液晶分子の常光屈折率とポリマー等の支持媒
体の屈折率とを一致させ、電圧を印加して液晶の配向が
揃うときには、透明状態を表示し、電圧無印加時には、
液晶分子の配向の乱れによる光散乱状態を表示するもの
である。
【０００４】このモードの素子として提案されているの
は、特表昭５８−５０１６３１号公報に液晶をポリマー
カプセルに包含したもの 、特表昭６１−５０２１２８
号公報等に液晶と光又は熱硬化性樹脂とを混合し樹脂を
硬化することにより液晶を析出させ樹脂中に液晶滴を形
成させるもの、特開平３−５９５１５号公報等に高分子
多孔膜に液晶を含浸させるもの、特開平３−４６６２１
号公報に２枚の透明電極間に光の散乱源となるポリマー
ビーズを液晶中に浮遊せしめた構造のものがある。
【０００５】更に、これらのポリマー分散型液晶表示素
子の液晶部分に２色性色素を添加して着色−透明状態を
電圧で制御する素子が特公平３−５２８４３号公報に開
示されている。
【０００６】カラー表示素子として特開平３−２０９４
２５号公報に開示されているがごとく、上記ポリマー分
散型液晶表示素子の液晶材料にコレステリック液晶また
はネマティック液晶にカイラルドーパントを添加したコ
レステリック液晶を用い光の選択反射を利用するものが
示されている。これは、ＲＧＢ三原色をそれぞれ表示で
きる３枚のポリマー分散型液晶表示素子を重ねて使用す
るものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ポリマー分散型液晶表示素子は散乱能が十分ではなく、
コントラストが低いという問題点があった。特に反射型
液晶表示装置とすると背面に着色板が必要になるのだ
が、散乱部分でも幾分透光性があるためにポリマー分散
型液晶表示素子背面の着色板からの反射光が視認され、
良好な表示が得られない。
【０００８】光散乱能を向上させるために液晶滴の大き
さの最適化が行われているが、散乱能を向上させるため
に液晶滴径を可視光の波長に近い大きさにすると駆動電
圧が高くなり利用範囲が制限される。また、液晶材料の
△ｎを大きくすることにより液晶滴径と独立に散乱能を
高めることができるが、液晶材料の△ｎは０．３以上の
ものはなく散乱能を向上させるには限界がある。さら
に、セル厚を厚くすることにより散乱能を高めることが
できるが、電極間距離が長くなりやはり駆動電圧が高く
なる。
【０００９】以上のごとく、従来のポリマー分散型液晶
表示素子では、光散乱能を向上させることが困難であっ
た。
【００１０】更に、特公平３−５２８４３号公報に提案
されているようなポリマー分散型液晶表示素子の液晶部
分に２色性色素を添加して着色−透明状態を電圧で制御
する素子では２色性色素自体に電場方向に配向したとき
若干の光の吸収があり電圧ＯＮ時の透明性が悪く、素子
背面に白色反射板を使用した場合でも白色が鮮明でな
く、十分なコントラストが得られないという問題点があ
った。
【００１１】本発明の目的は、ポリマー分散型液晶表示
素子の光散乱強度を飛躍的に向上させ、反射型液晶表示
装置に用いても十分なコントラストが得られるようにす
ることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明のポリマー分散型
液晶素子は、誘電率異方性が正の液晶滴が該液晶の常光
屈折率と略一致した屈折率を有するポリマーに分散され
てなり、光の散乱と透過を電気的に制御するポリマー分
散型液晶層を少なくとも２層重ね、該ポリマー分散型液
晶層間には上層のポリマー分散型液晶層を透過してきた
光を広げて次層のポリマー分散型液晶層へ導入する光散
乱用透明支持体を挾持してなるとともに、該光散乱用透
明支持体の厚みが１０μｍ〜１０ｍｍであることを特徴
とするものである。
【００１３】また、本発明の反射型液晶表示装置は、前
記ポリマー分散型液晶表示素子の背面に着色反射板を設
けたものである。
【００１４】
【００１５】
【作用】本発明に使用されるポリマー分散型液晶層は、
誘電率異方性が正の液晶が、液晶の常光屈折率とほぼ一
致した屈折率を有するポリマーに分散されてなるもので
ある。電圧無印加時には、ポリマーの湾曲した曲面によ
って液晶のダイレクターが曲げられて光を散乱し、電圧
印加時には、液晶が電場方向に配向するので光を透過す
る。このポリマー分散型液晶層を少なくとも２層重ねる
ことにより、上層を透過した光は次の層で更に散乱する
ので光の散乱強度が飛躍的に向上する。従って１層では
なし得なかった高いコントラストが得られ、反射型液晶
表示装置に用いることができる。
【００１６】ポリマー分散型液晶層を重ねる枚数は、使
用する用途により決定されるが枚数が少ないほどセルを
駆動させる駆動回路が少なくなり、且つ、液晶層どうし
を重ねるための貼り合わせ工程数が減少し低コスト化す
るため、２枚を組み合わせるのが最も好ましい。さらに
これらの間に挿入する光散乱用透明支持体は上層のポリ
マー分散型液晶層を透過してきた光を広げて次の層のポ
リマー分散型液晶層の導入する働きをする。これによっ
て次の層のポリマー分散型液晶層の光散乱能が向上し、
ポリマー分散型液晶表示素子全体として散乱強度が増す
ことになる。
【００１７】また、この光散乱用透明支持体の厚みを１
０μｍ〜１０ｍｍと規定していることにより、光散乱用
透明支持体上への透明電極の形成や上下の基板の貼り合
わせ加工などを容易に行うことが可能となっているとと
もに、このポリマー分散型液晶表示素子の背面に着色反
射板を設けた際には、上層のポリマー分散型液晶層から
着色反射板までの距離に起因する視角特性を良好にする
ことも可能となっている。
【００１８】
【実施例】
［実施例１］以下第１の発明の一実施例を図１の基づい
て説明する。図１にこのポリマー分散型液晶表示素子の
断面図を示す。ここで１及び３は透明基板、２は光散乱
用透明支持体、４，５，６，７は透明電極、８及び９は
ポリマー分散型液晶層、１０及び１１はポリマー、１２
及び１３はポリマー１０及び１１に分散された液晶滴、
１４は視覚方向、１５は着色反射膜である。
【００１９】ここで光散乱用透明支持体２は、ポリマー
分散型液晶層８からの透過光を広げてポリマー分散型液
晶素層９に導入する働きをする。これによってポリマー
分散型液晶層９での光散乱能が向上し、結果的にポリマ
ー分散型液晶表示素子全体の散乱強度が増すことにな
る。従って、光散乱用透明支持体２の厚み及び材質は、
ポリマー分散型液晶表示素子の散乱強度を決定する要素
のひとつであり特に重要である。光散乱用透明支持体２
の厚みは、１０μｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。
１０μｍより薄くなると透明基板上に透明電極５及び６
を形成するのが難しくなり、また、基板１及び３の貼り
合わせ等の加工も難しくなり好ましくない。また、光散
乱用透明支持体２の厚みが１０ｍｍを越えるとポリマー
分散型液晶層８から着色反射膜１５までの距離が長くな
り、視角特性が著しく悪化する。さらに好ましくは、５
０μｍ〜２００μｍの範囲である。また、光散乱用透明
支持体２の材質は、特に重要でポリマー分散型液晶層８
で散乱された光を更に広げる効果のあるものが好まし
い。例えば、屈折率の異なる透明基板を屈折率の小さい
基板から大きい基板へ順番に複数枚組み合わせた透明基
板や光の拡散効果のあるマイクロレンズ等が使用でき
る。
【００２０】透明基板１及び３の一方面と光散乱用透明
支持体２の両面に透明電極４，５，６，７として５００
ÅのＩＴＯ（酸化インジュウムおよび酸化スズの混合
物）を形成する。この時、透明電極４，５間及び透明電
極６，７間での交差部分が画素となるが、この画素が視
覚方向１４から見て透明基板１，光散乱用透明支持体２
間と透明基板３，光散乱用透明支持体２間で一致するよ
うに形成する。 次に、透明基板１，光散乱用透明支持
体２間と透明基板３，光散乱用透明支持体２間が５から
１８μｍ、更に好ましくは、１０から１５μｍになるよ
うに貼り合わせる。この厚みが、５μｍ以下では、電圧
無印加時の光散乱性が不足し、逆に１８μｍ以上では、
液晶の駆動のための所定の電界強度が不足し電圧印加時
の十分な透明性が得られないか、もしくは、駆動電圧が
高くなる。駆動電圧が高いことは、消費電力が高く、ま
た、ＴＦＴなどの駆動回路の改良が必要となり好ましく
ない。
【００２１】ここではそれぞれの基板間が１２μｍとな
るように平均粒径１２μｍのガラスファイバーで制御
し、熱硬化性樹脂で貼り合わせる。
【００２２】更にポリマー分散型液晶層８及び９を形成
する。形成方法は熱または光硬化性樹脂に液晶を混合し
てこれを硬化させることによって液晶を析出させポリマ
ー１０，１１中に液晶滴１２，１３を形成する方法を用
いる。液晶材料としては着色を起こしにくく、ヒステリ
シスの出にくいネマティック液晶が好ましく、化学的に
安定なＦ，ＣＬ系液晶材料が含まれた液晶材料が特に好
ましい。更に、これらの液晶材料に２色性色素を添加使
用しても良い。また、液晶滴１２，１３を含むポリマー
１０，１１層中の液晶滴１２，１３の体積分率は、５０
％以上、９５％以下であることが好ましく、さらに好ま
しくは、７０％以上、８５％以下である。液晶滴１２，
１３の体積分率が５０％以下であるときは、入射した光
が液晶滴１２，１３で散乱される回数が少なくなるため
に十分な光の散乱強度が得られない。また、液晶滴１
２，１３の体積分率が、９５％以上では、ポリマー１
０，１１の体積分率が少なくポリマー壁の物理的強度が
低下しポリマーネットワークを形成維持することができ
ない。
【００２３】具体的にここでは樹脂として、トリメチロ
ールプロパントリメタクリレート０．３ｇとｎブチルア
クリレート１．７ｇとチバガイギー製irgacure１８４
０．０６ｇの混合物に液晶材料として、Ｅ８（メルク社
製）を８．０ｇ混合均一化し、透明基板３，光散乱用透
明支持体２間に注入した。その後、メタルハライドラン
プ下６０ｍＷ／ｃｍ2のところで３０秒間紫外線を照射
して樹脂を硬化させ、ポリマー分散型液晶層９を形成し
た。 硬化をより完璧にするために暗所１００℃で１時
間窒素中で放置した。 その後、透明基板１，光散乱用
透明支持体２間に同じ樹脂−液晶材料混合物を注入して
同様に先に作成したポリマー分散型液晶層９を通らない
ように４０ｍＷ／ｃｍ2で紫外線照射、熱処理を行い、
ポリマー分散型液晶層８を形成してポリマー分散型液晶
表示素子とした。
【００２４】作成したポリマー分散型液晶表示素子の透
明基板１，光散乱用透明支持体２間と透明基板３，光散
乱用透明支持体２間を同一駆動し、このときの電気光学
特性は、集光角６°の光学系（Potal LCD-5000：大塚
電子（株））を使い、電圧無印加時と６０Ｈｚ、５０Ｖ
印加時の光透過率（それぞれＴ0、Ｔ50）を透過法で測
定した。その結果、このポリマー分散型液晶表示素子
は、Ｔ0が測定限界以下の０．２％以下でありかつＴ50
が７８．２％であり良好なコントラストが得られた。
【００２５】このポリマー分散型液晶表示素子は、背面
に着色反射板を設置することにより反射型液晶表示装置
として使用することができる。反射型液晶表示装置は、
バックライトなしで、基板がプラスティクフィルムであ
る場合、低消費電力、軽量化、耐衝撃性などハンディタ
イプの液晶表示素子として非常に期待されているもので
ある。着色反射板としては、白黒表示を想定した場合、
黒色の散乱板、反射板、ミラー、さらに好ましくは、ハ
ーフミラーと黒色板を組み合わせた部分反射板やハイメ
ッシュミラーと黒色板を組み合わせた部分反射板などで
ある。さらに、カラー表示を想定した場合、ＲＧＢに対
応した着色反射板を使用することができ、好ましくは、
ハーフミラーとＲＧＢ対応の着色板を組み合わせた部分
反射板やハイメッシュミラーとＲＧＢ対応の着色板を組
み合わせた部分反射板などである。
【００２６】ここではポリマー分散型液晶表示素子の背
面に着色反射板として黒色塗料をスプレー塗布して黒色
反射膜１５を形成し、反射型液晶表示装置とした。これ
を透明基板１，光散乱用透明支持体２間と透明基板３，
光散乱用透明支持体２間で同一駆動させたところ光の反
射がＯＮ時に４．２％、ＯＦＦ時に６９．８％であり良
好なコントラストを示す、反射型液晶表示装置であっ
た。
【００２７】液晶材料としては、本実施例の液晶材料以
外には、ＺＬＩ−４７９２、ＺＬＩ−４７１８、ＺＬＩ
−４７４９、Ｅ−４４，ＺＬＩ−１２８９（メルク社
製）などが使用できる。 また、駆動は、透明基板１，
光散乱用透明支持体２間と透明基板３，光散乱用透明支
持体２間でそれぞれ独立に駆動させることにより単層で
はなし得ない多階調表示を可能とする。
【００２８】［比較例１］実施例１においてそれぞれに
透明電極を有する透明基板１及び３と同様の一対の基板
を厚さ１２μｍとなるように平均粒径１２μｍのガラス
ファイバーで制御し、熱硬化性樹脂で貼り合わせた。
【００２９】これに実施例１と同じ樹脂−液晶混合物を
注入し、４０ｍＷ／ｃｍ2の照射強度の紫外線で樹脂を
硬化、さらに熱処理を行いポリマー分散液晶表示素子を
作成した。
【００３０】このポリマー分散型液晶表示素子の電気光
学特性は、実施例１同様に透過法で測定したところ、Ｔ
0が１５．５％であり、かつ、Ｔ50が８０．１％であつ
た。
【００３１】［実施例２］第２の発明の実施例を図１を
用いて説明する。
【００３２】ここではポリマー分散型液晶層８を散乱−
透過モードとし、ポリマー分散型液晶層９を２色性色素
を含んだ着色−透過モードとし、さらにポリマー分散型
液晶表示素子の背面に白色反射膜を配置したところに特
徴がある。
【００３３】実施例１同様に透明基板１及び３、光散乱
用透明支持体２に透明電極４，５，６，７を形成する。
次に、透明基板１，光散乱用透明支持体２を厚さ１２μ
ｍとなるように平均粒径１２μｍのガラスファイバーで
制御し、熱硬化性樹脂で貼り合わせる。これに実施例１
と同じ樹脂−液晶混合物を注入し、４０ｍＷ／ｃｍ2の
照射強度の紫外線で樹脂を硬化、さらに熱処理を行って
ポリマー分散型液晶層８を形成する。
【００３４】一方、透明基板３の透明電極７上には、液
晶滴１３に２色性色素を含んだポリマー分散型液晶層９
を形成する。２色性色素としては、２色性比が少なくと
も５以上、このましくは６以上であるものが適してお
り、例えば、メロシアニン系、アントラキノン系、スチ
リル系、アゾベンゼン系などを使用することができる。
【００３５】ここでは具体的にＥ８（メルク社製）１．
０ｇと黒色２色性色素（Ｓ−３０１：三井東圧染料社
製）０．０５ｇを混合した液に、ポリメタクリル酸メチ
ル（デルペット：旭化成工業（株））０．２５ｇとクロ
ロホルム３０ｇに溶解させ均一化した溶液を、バーコー
ト法により風乾後１２μｍ厚になるように塗布し窒素中
で風乾することによってポリマー分散型液晶層９を形成
した。
【００３６】この透明基板３のポリマー分散型液晶層９
側を先の光散乱用透明支持体２に貼り合わせ、透明基板
３に背面に着色反射膜１５の代わりに白色反射板として
酸化チタンを含んだ白色塗料を塗布して白色反射膜を形
成し、反射型液晶表示装置を作成した。
【００３７】この装置の駆動は、ポリマー分散型液晶層
８がＯＦＦ、すなわち散乱状態のときにポリマー分散型
液晶層９がＯＮ、すなわち透明状態となり、ポリマー分
散型液晶層８がＯＮ、すなわち透明状態のときにポリマ
ー分散型液晶層９がＯＦＦ、すなわち黒色状態となるよ
うに電圧（６０Ｈｚ）を変化させる。その結果、前者で
はポリマー分散型液晶層８の散乱光とポリマー分散型液
晶層９を通過して背面の反射膜で散乱反射され、更にポ
リマー分散型液晶層８で散乱された光によりぺーパーホ
ワイト状の白表示となる。 また、後者においては、ポ
リマー分散型液晶層８を通過した光が黒色化したポリマ
ー分散型液晶層９で吸収され黒色状の表示となり、良好
な白黒表示素子となる。
【００３８】この反射型液晶表示装置の電気光学特性
は、光の反射が白状態で７５．４％、黒状態で３．６％
であり、良好なコントラストを示した。
【００３９】ここで光散乱用透明支持体２は透明基板１
及び３と同様のものを代わりに用いてもよい。
【００４０】また、液晶滴に色素を混入したポリマー分
散型液晶層９の代わりにホワイトテ−ラー型ゲストホス
トモードなどの透明−着色を電気的に制御するものを用
いても良い。
【００４１】また、白色反射膜１５を基板１側に設け、
基板３方向からみる反射型液晶表示装置としても良い。
【００４２】
【発明の効果】以上、本発明によれば、ポリマー分散型
液晶表示において、光散乱能を飛躍的に改善し、反射型
液晶表示素子とした場合でも高いコントラストを得るこ
とができ、ポリマー分散型液晶表示素子の工業製品への
応用範囲を拡大することができる。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すポリマー分散型液晶素
子の断面図である。
【符号の説明】
１，３ 透明基板 ２ 光散乱用透明支持体 ８，９ ポリマー分散型液晶層 １５ 着色反射膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神崎 修一 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−45672（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−119302（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−268534（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−216057（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−199024（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−11224（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−228020（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/1333 G02F 1/1347

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 誘電率異方性が正の液晶滴が該液晶の常
    光屈折率と略一致した屈折率を有するポリマーに分散さ
    れてなり、光の散乱と透過を電気的に制御するポリマー
    分散型液晶層を少なくとも２層重ね、該ポリマー分散型
    液晶層間には上層のポリマー分散型液晶層を透過してき
    た光を広げて次層のポリマー分散型液晶層へ導入する光
    散乱用透明支持体を挾持してなるとともに、該光散乱用
    透明支持体の厚みが１０μｍ〜１０ｍｍであることを特
    徴とするポリマー分散型液晶表示素子。
  2. 【請求項２】 前記ポリマー分散型液晶表示素子の背面
    に着色反射板を設けた反射型液晶表示装置。
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