WO1996017273A1

WO1996017273A1 - Element d'affichage a cristaux liquides et son procede de production

Info

Publication number: WO1996017273A1
Application number: PCT/JP1995/002462
Authority: WO
Inventors: Masayuki Yazaki; Hidekazu Kobayashi; Shuhei Yamada; Hidehito Iisaka; Yutaka Tsuchiya; Eiji Chino
Original assignee: Seiko Epson Corporation
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 1996-06-06
Also published as: EP0749031A4; EP0749031A1

Description

明細書液晶表示素子およびその製造方法技術分野

本発明は、液晶表示素子およびその製造方法に関し、特に、情報機器端末、テレビ、家電製品などの表示部を構成する液晶表示素子およびその製造方法に関するものである。背景技術

近年、情報機器の小型軽量化が進行し、それに搭載するディスプレイも省電力化が求められている。小表示容量機器には T Nモードによる液晶表示素子が、中表示容量機器には F T Nモードによる液晶表示素子が反射型ディスプレイとして実用化されている。さらに、反射型ディスプレイの上に、タブレツ卜などの情報入力装置を組み合わせる用途も拡大し、反射型液晶表示素子には、明るさ、視認性の良さが要求されている c しかしながら、従来の偏光板を使用した T N方式、 F T N方式による液晶表示素子は光の利用効率が低いため、反射型とすると暗くなり、さらに、タブレツトなどの情報入力装置と組み合わせると非常に暗い表示となり問題となっていた。また、 T N方式、 F T N方式で反射型とすると、裏側の基板裏面の偏光板越しに反射板が配置されるために、表示のダブルイメージがあり、細かな文字が不鮮明となり、視認性が問題となつていた。

一方、最近では、偏光板を使用しない明るい反射型ディスプレイが開発されつつある。たとえば、液晶と高分子が互いに分散した高分子分散液晶を用いて、電界印加で透明、電界無印加で光散乱となるように制御する液晶表示素子（特公昭 5 8— 5 0 1 6 3 1など）や、電界印加で散乱、電界無印加で透明、あるいは光吸収となるように制御する液晶表示素子（ヨーロッパ公開特許 E P O 4 8 8 1 1 6 A 2、特開平 4— 2 2 7 6 8 4、特開平 5 - 1 1 9 3 0 2など）が開発されている。

この高分子分散液晶を用いた高分子分散型液晶表示素子は、偏光板を使用しないため、明るい反射型ディスプレイを製造することが可能であり、さらに、偏光板を使用しないので、画素電極によって光反射面を兼用することもでき、その場合には、表示のダブルイメージがない明るい反射型ディスプレイの実現が可能である。

しかしながら、高分子分散液晶を用いた高分子分散型液晶表示素子に関して開示された従来技術では、偏光板を用いた液晶表示素子の問題点を解決できるものの、電気光学特性の急峻性が低い、駆動電圧が高いという問題点があった。

たとえば、単純マトリクス方式に高分子分散液晶を組み合わせた場合、電気光学特性の急峻性が低いために、高デューティー駆動化が困難で、小容量表示機器に限定されていた。また、大容量表示は画素毎に T F T (Thin Film Transistor) や M I M (Metal- Insulator-Metal) 素子などのァクティブ素子をそれぞれ形成して電気信号制御することにより可能となるが、高分子分散液晶の駆動電圧が高いので、アクティブ素子の耐圧の点から液晶が十分に応答するように駆動することが困難であり、コントラスト比の低下を招き、また、高耐圧の駆動ドライバーも必要とするという問題点があった。

また、液晶と互いに分散する高分子界面の影響のため、液晶の応答速度が遅いという問題点を有しており、動画表示品質を損ねていた。

さらに、従来技術では、液晶のプレチルト状態が不均一なため、中間調表示を行うと表示ムラが識別され表示品位を損ねていた。また、高分子分散液晶材料を液晶パネルに真空封入すると、高分子分散液晶材料に濃度分布ができ、封入ムラが発生していた。その結果、階調表示での表示ムラが生じ問題となっていた。

本発明は、このような課題を解決するために行われたものであり、その目的とするところは、高分子と互いに配向分散している液晶の配向状態を制御することにより、高速応答で、低電圧駆動が可能で、明るく、コントラスト比が高い液晶表示子およびその製造方法を提供し、さらに表示ムラのない階調表示に適した液晶表示素子およびその製造方法を提供するところにある。発明の開示

上記問題を解決するために、本発明によれば、電極がそれぞれ形成され前記電極上に液晶配向膜がそれぞれ形成された 2枚の基板間に、液晶および屈折率異方性を有した高分子が互いに配向分散して挟持された液晶表示素子において、前記液晶が前記電極の表面に対して所定のプレチルト角傾斜して配向していることを特徴とする液晶表示素子が提供される。

このように、 2枚の基板間に、液晶および屈折率異方性を有した高分子が互いに配向分散して挟持された液晶表示素子において、液晶が電極の表面に対して所定のプレチルト角傾斜して配向しているようにすることにより駆動電圧を下げ、液晶の応答速度を高め、さらに表示ムラをなくすることができる。

この液晶のプレチルト角は、好ましくは、 1乃至 3 5 ° である。プレチルト角が 3 5 ° を超えると、駆動電圧の低減、高速応答効果があるものの、急激に最大反射率が低下し、また、チルトの不均一度も大きくなり、電気光学応答が不均一となり、中間調で表示ムラが発生する。一方、プレチル卜が 1 ° 未満であると、飽和電圧が高く、応答速度が遅くなる ₍ また、液晶配向膜は、好ましくは、ポリイミドあるいはポリアミドをラビングすることにより形成されている。

このポリィミドあるいはポリアミドは、フッソ基を含むことが好ましい。このようにフッ素基を含んだポリイミドゃポリアミドは、低表面ェネルギ一で液晶にハイチルトを付与し、チルトの均一性も高く、クロマ卜効果も抑制されて不純物が吸着されにくい。

また、電極の一方が反射性材料により形成されていることが好ましく、本発明は反射型の液晶表示素子に好ましく適用される。

また、本発明によれば、

電極がそれぞれ形成され前記電極上に液晶配向膜がそれぞれ形成された 2枚の基板間に、高分子または高分子前駆体と液晶組成物との液晶性混合材料を前記液晶性混合材料が前記電極の表面に対して所定のプレチル卜角傾斜して配向するように配置する工程と、

前記液晶性混合材料から高分子を析出させて前記液晶と前記高分子とを相分離し、前記液晶を前記電極の表面に対して前記所定のプレチルト角傾斜して配向するようにする工程と

を有することを特徴とする液晶表示素子の製造方法が提供される。この場合に、上記所定のプレチルト角が 1乃至 3 5 ° であることが好ましい。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の実施例 1の液晶表示素子の断面図であり、第 2図は、本発明の実施例 1の液晶表示素子の電気光学特性を示す図であり、

第 3図は、本発明の実施例 1の液晶光学素子の電気光学特性を示す図であり、

第 4 A図は、本発明の実施例 2の液晶表示素子の中間調状態を示す図であり、第 4 B図は、従来の液晶表示素子の中間調状態を示す図であり. 第 5図は、本発明の実施例 3の液晶表示素子の断面図である。実施例

(実施例 1 )

本実施例の液晶表示素子の断面図を第 1図に示す。下側の基板 1 0 8 上には、クロムをスパッ夕リングにより約 2 0 0 0オングストローム形成後、パターニングされた反射画素電極 1 0 7が形成されている。上側の基板 1 0 1上には、 I T O ( Indium Tin Oxide) をスパッタリングにより約 1 5 0 0オングストローム形成後、パターニングされた透明画素電極 1 0 2が形成されている。これら両基板 1 0 8、 1 0 1上には、液晶配向膜としてポリイミドが形成され、ラビング処理を施すことにより配向膜 1 0 6、 1 0 3がそれぞれ形成されている。配向膜 1 0 6、 1 0 3は、後述するようにハイプレチルト配向膜としている。 2枚の基板は、空隙 5 ^ mにて、基板周囲が貼り合わせられ、固定されて、空パネルを構成している。尚、ラビング方向は、液晶右捻れ 2 7 0 ° で設定されている。

次に、これらの基板 1 0 8、 1 0 1間に封入する、液晶及び高分子前駆体混合物について説明する。液晶として T L一 2 0 2 (メルク社製）と M J 9 2 7 8 6 (メルク社製）を 7 ： 3で混合（以下液晶 Aとする）して用い、これにカイラル成分として R 1 0 1 1 (メルク社製）を、 0 . 5重量％、二色性色素として M 3 6 1、 S I 5 1 2、及び M 1 3 7 (いずれも三井東厚圧染料社製）を、それぞれ、 1 . 4重量％、 1 . 7重量 %、 0 . 4重量％、混合して用いた。高分子前駆体として、ビフエニルメタクリレートを、先の液晶混合物に対して 7重量％用いた。以上を加熱混合して液晶状態とした後、先に説明した空パネルに真空封入した。パネルに封入された液晶性混合材料は、上基板 1 0 1のラビング軸から下基板 1 0 8のラビング軸へ右捻れ 2 7 0 ° の配向状態をとつた。その後、パネルを 5 0 °Cに保ちながら、 5 mWZ c m ² (波長 3 5 0 n m ) の紫外線を 7分間照射して高分子を重合させることにより、液晶中から高分子を析出させて、第 1図に示す本実施例の液晶表示素子を完成させた。液晶は、紫外線照射前の配向状態、すなわち、上基板 1 0 1のラビング軸から下基板 1 0 8のラビング軸へ右捻れ 2 7 0 ° の配向状態を示し、高分子 1 0 4及び液晶 1 0 5は、基板間にて互いに配向し、かつ分散した構造をとつた。

第 2図に、本実施例で得られた液晶表示素子の電気光学特性を示した。電気光学特性は閾特性を示し、電圧印加により反射率が増加するノーマリーブラック特性が得られた。すなわち、電圧オフ時で、二色性色素の吸収による黒表示が得られ、電圧を十分に印加した場合は、液晶 1 0 5 が電界方向に配向するので高分子と液晶との配向方向が異なるようになつて媒体内で屈折率の不連続点が発生するために、光散乱状態となった。この時、二色性色素も電界方向に配向するので吸収が非常に小さくなり、白表示が得られた。

つづいて、本実施例の液晶表示素子を構成するハイプレチルト配向膜と、得られる電気光学特性について説明する。表 1に配向膜とプレチルト角、及び得られた液晶表示素子の電気光学特性の関係を示した。表 1

配向膜 Aは、住友べ一クライ卜社製の C R D— 8 4 4 1を使用したものであり、配向膜 Bは、住友べ一クライト社製の C R D - 8 4 0 9を使用したものであり、配向膜 Cは、配向膜 Bと同じ材料を使用したが配向膜 Bの場合よりラビング密度を低くして使用したものである。また、比較例としての配向膜には、日本合成ゴム社製ォプトマ一 A L 1 2 5 4を使用した。なお、プレチルト角は、上記液晶 Aについて、クリスタル口一テンション法にて測定した。また、電気光学特性は、キセノンランプリング光源を用い、液晶表示素子に 1 0 0 H zの矩形波を印加して、液晶表示素子表面の法線方向から 3 0 ° 傾いた方向（入射角 3 0 ° ) から全方位（ 3 6 0 ° ) にわたつて光を入射させて、入射光の法線方向への応答反射光を検出することにより測定した。反射率 1 0 0 %は、完全拡散板表面の輝度にて規格化した。また、閾電圧値 V 1 0は、（最大反射率 -最小反射率） = 1 0 0と規格化した際の反射率 1 0での電圧値、飽和電圧値 V 9 0は、反射率 9 0での電圧値で定義した。応答速度は、 V 1 0、 V 9 0の電圧間での液晶の立ち上がり速度、立ち下り速度を測定することによって求めた。

さらに、第 3図に、日本合成ゴム社製ォプトマ一 A L 3 0 4 6、住友ベークライト社製の C R D— 8 4 4 1、住友べ一クライ卜社製の C R D - 8 4 0 9を使用し、配向膜の材料とラビング密度により、液晶 Aのプレチルト角を変化させた際の、プレチルト角と閬電圧 V 1 0との相関を示した。

本実施例の液晶表示素子では、チルト配向構成により、ハイプレチル卜になるに従って、大幅に駆動電圧が低下し、応答速度、特に立ち上がり速度が速くなつた。また、明るさの指標となる最大反射率は良好で、明るい液晶表示素子が得られた。さらに、本実施例の液晶表示素子では、チルトの不均一に起因する中間調状態での表示ムラが識別されず、階調表示性能が向上した。

(実施例 2 )

以下、本実施例では、フッソ基を含んだポリイミドによるハイプレチルト配向膜を用いた構成について示す。フッソ系ポリイミド配向膜として、住友べ一クライト社製 C R D— 8 4 0 9用い、実施例 1と同様にして、液晶パネルを作製した。パネルサイズは、表示部で対角 5インチである。つづいて、完成した液晶パネルに、実施例 1で定義したように反射率が 5 0となる電圧 V 5 0を印加し、中間調表示を行った。表示状態を第 4 A図に示した。本実施例では、中間調表示にてムラが識別されず、均一な表示状態が得られた。一方、ツイスト配向及びチルト配向させない従来の技術では、第 4 B図に示したように液晶の注入口付近 4 0 1、パネル内部 4 02、液晶注入口対辺部 4 0 3において、中 ¾調表示で表示ムラの境界が鮮明に識別された。

なお、本実施例では、 1種類の配向膜について例示したが、フッソ基が導入され、配向膜表面のエネルギー低く、クロマト効果が抑制されて不純物が吸着されにくく、液晶のプレチルト角が 3〜 3 0° になるようなポリイミド、あるいはポリアミドが、好ましく使用できる。

(実施例 3 )

以下、本実施例では、画素電極毎に 2端子素子（M I M) が形成され、フッソ基を含んだポリィミドを用いたハイプレチルト配向膜を用いた構成を例示する。第 5図に、本実施例の液晶表示素子の断面図を示した。下側の基板 5 0 9を、 2フォトプロセスにより作製された M I M基板としている。基板工程では、 T aをスパッ夕した後、所望の形状にパターニングし（フォト 1工程目）、次に T aを陽極酸化し、 T a表面に絶縁膜 T a ₂ O B を形成する。つづいて、 C rをスパッ夕した後、所望の形状にパターニングして（フォト 2工程目）、 T a— T a ₂ 0₅ — C rより構成される M I M素子 5 07、および C rからなる反射画素電極 5 0 8が形成される。一方、上基板 5 0 1には、 I T O (Indium Tin Oxide) がスパックされ、ストライプ状にパターニングされて、 I T O電極 5 0 2が形成される。つづいて、両基板上に、住友べ一クライト社製 C R D — 840 9をスピンコートし、 2 5 0 °Cにて 1時間焼成した後、回転ラビング処理を施し、配向膜 5 0 3 , 5 0 6をそれぞれ形成した。配向膜 5 0 3、 5 0 6はフッソ基を含んだポリイミドを用いたハイプレチルト配向膜である。このようにして得られた 2枚の基板を、空隙 5 mにて、基板周囲を貼り合わせ、固定し、対角 5インチの空パネルを作製した。尚、ラビング方向は、液晶右捻れ 270° で設定されている。

つづいて、実施例 1と同じ液晶、二色性色素、カイラル剤および高分子前駆体からなる液晶性混合材料を上記の空パネルに真空注入した。パネルに封入された液晶性混合材料は、実施例 1と同様に上基板 50 1のラビング軸から下基板 509のラビング軸へ右捻れ 270° の配向状態をとつた。その後、パネルを 50°Cに保ちながら、 5mW "cm² (波長 350 nm) の紫外線を 7分間照射して、液晶中から高分子を析出させて、第 5図に示す本実施例の液晶表示素子を完成させた。

こうして得られた液晶表示素子を 1 Z480デユティーにて M I M駆動したところ、実施例 1の測定条件にて、最大反射率が 65%、コントラストが 1 2であった。また、中間調表示を行ったところ、表示ムラがない、均一性のよいパネルが得られた。さらに、この液晶表示素子の表面に、ノングレア処理と無反射コートを施すと、風景の写り込みが減少して視認性が極めて向上した。また、本実施例では、応答速度が速く、動画に適した素子が得られた。

なお、本実施例では、 2端子の非線形素子として M I M素子を使用したが、 M I M素子以外に、ラテラル型 M I M素子、バックトウバック型 M I M素子、 MS I素子、ダイオードリング素子、バリスタ素子などが使用可能である。また、 3端子非線形素子も、勿論使用でき、 3端子非線形素子として、ポリシリコン T FT素子、アモルファスシリコン TF T素子、 C d - S e TFT素子などが使用可能である。

また、本実施例では、 M I M基板上に反射電極を配置したが、対向基板側に反射電極を形成することも可能である。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例 1乃至 3では、液晶に 2色性色素を添加した構成としたが、もちろん無添加としてもよい。無添加の場合、電圧無印加時に黒レベルが若干上昇するものの、電圧印加時には色素の吸収がなくなるために最大反射率が増加し、明るさが向上する。また、反射率が低い反射電極を選択した場合、あるいは、反射電極上に光吸収層を設けた場合は、とくに 2色性色素の添加の必要はない。また、黒レベルや明るさ等はパネルの開口率によっても調整可能である。

また、上記実施例 1乃至 3では、特定の配向膜について例示したが、それらに限定されない。プレチルト角が 3 5 ° を超えると、駆動電圧の低減、高速応答効果があるものの、急激に最大反射率が低下する。また、チル卜の不均一度も大きくなり、電気光学応答が不均一となり、中間調で表示ムラが発生する。一方、プレチルトがほぼ 0 ° のような配向膜を使用した場合、飽和電圧が高く、応答速度が遅くなる。したがって、液晶プレチルト角は、好ましくは 1〜 3 5。、特に好ましくは 3〜 3 0 ° 、さらに好ましくは 4〜 1 5。である。このようなハイチルトを与える材料として、ポリイミド、ポリアミド膜が好ましく使用できる。とくに、フッソ基を含んだポリイミド、ポリアミドは、低表面エネルギーで液晶にハイチルトを付与し、チル卜の均一性も高く、クロマト効果も抑制できるため、好ましく使用される。なお、上記実施例 1乃至 3では、 2 7 0 ° ツイストとしたが、これに限定されるものでない。電気光学応答の急峻性、駆動電圧等を考慮して、最適なツイスト角を自由に設定できる。基板に使用される材料としては、ソーダガラス、石英、無アルカリガラス、シリコン単結晶、サファイア基板、熱硬化型高分子、熱可塑性高分子などが好ましく使用される。基板に使用される高分子材料は、基板間に挟持される液晶及び高分子に悪影響を及ぼさなければ特に制限されることはなく、 P E T、ポリエーテルスルホン、エポキシ硬化樹脂、フエノキン樹脂、ポリアリルエーテル等が好ましく使用される。

上記実施例 1乃至 3では、反射電極は、 C rとしたが、 A 1、 C r、 Mg、 Ag、 Au、 P tなどの金属単体、あるいはそれらの合金が好ましく使用できる。特に、安定性、反射率の点から C rあるいは、 A 1 一 Mg合金が好ましく、 A 1 _Mg合金の場合には Mgの添加量は、 0. 1〜 1 0重量％が望ましい。

液晶は、通常の液晶表示素子に使用されているものが好ましく使用できるが、散乱度を良好にするためには、液晶の複屈折率異方性 Δηカ^ 0. 1 5以上であることが望ましい。また、非線形素子で駆動するためには、液晶単体の比抵抗値が 1. 0 X 1 0⁹ Ω · c m以上、好ましくは 1. 0 X 1 0 ^Ι0Ω · cm以上であることが、保持率を高く保ち表示品質を良好にするためには望ましい。

カイラル成分は、添加しなくてもよいが、配向の安定性、電気光学応答の急峻性、さらに散乱度を良好にするためには添加されることが好ましく、所定の液晶ツイスト角が得られる最適量が添加される。また、力イラル剤は通常の TN、 S TNに使用されている材料が、そのまま好ましく使用できる。その添加量は、液晶材料に対して 1 0重量％以下であり、好ましくは 5重量％以下であり、ツイスト角が、 dZp (セル厚ノ液晶の捻れピッチ）で 2以下とすることが好ましい。 1 0重量％以上では駆動電圧が高くなり、通常の非線形素子では駆動ができない。また、電気光学応答にヒステリシスが発生する。

2色性色素としては、通常の GH (ゲスト-ホスト）表示方式に使用されているァゾ系、アントラキノン系、ナフトキノン系、ペリレン系、キノフタロン系、ァゾメチン系などが好ましく使用される。その中でも、耐光性の点からアントラキノン系単独、あるいは必要に応じて他の色素と混合したものが特に好ましい。これらの 2色性色素は、必要な色によつて、混合され使用される。

高分子前駆体としては、重合後、屈折率異方性を示し、液晶と配向分散するものであればなんでもよいが、液晶表示素子製造の簡便性から紫外線硬化型モノマーが望ましい。紫外線硬化型モノマーとしては、単官能メタクリレート、 2官能メタクリレートあるいは多官能メタクリレートなどが好ましく使用される。散乱度を向上するために、これらモノマ一は最低 1個のベンゼン環をその分子構造中に含むことが望ましい。特に、ビフヱニル、ターフヱニル、クォーターフヱニル骨格を含む材料が好ましく使用される。これらのモノマーには、カイラル性の成分を含むものでも良い。また、これらのモノマーは単独あるいは他のモノマーと混合した後、紫外線を照射し重合しても良い。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明により、偏光板を不要とする明るく、ダブルイメージのない高分子分散型の液晶表示素子において、特に、従来問題となっていた駆動電圧、応答速度、中間調での表示ムラを、ハイプレチル卜配向という簡易な構成により、解決することが可能となった。とくに、本発明の液晶表示素子の駆動電圧は、 T Nモードなみにまでの低減できたため、 M I M素子、 T F T素子にて、十分に駆動することが可能となり、明るさ、コントラストを大幅に向上することが可能となつた。また、高耐圧ドライバーの必要性がなくなり、消費電力、コストを抑えることが可能となった。従って、明るく、高コントラス卜で、低消費電力、低コス卜の高分子分散型液晶表示素子を提供することが可能と 7よった。

さらに、本発明の液晶表示素子は高速応答を達成し、動画表示性能、画面スクロール性能、マウスの応答性能などの向上が可能となった。また、中間調での表示の均一性が向上したことにより、多階調表示が可能となった。従って、高速応答で多階調表示が可能な高分子分散型液晶表示素子を提供できる。

以上のように、本発明により、アクティブマトリクス駆動により、低消費電力であり、かつ表示品質の優れた反射型大容量ディスプレイを提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . 電極がそれぞれ形成され前記電極上に液晶配向膜がそれぞれ形成された 2枚の基板間に、液晶および屈折率異方性を有した高分子が互いに配向分散して挟持された液晶表示素子において、前記液晶が前記電極の表面に対して所定のプレチルト角傾斜して配向していることを特徴とする液晶表示素子。

2 . 前記液晶のプレチルト角が 1乃至 3 5 ° であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の液晶表示素子。

3 . 前記液晶配向膜が、ポリイミドあるいはポリアミドをラビングすることにより形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の液晶表示素子。

4 . 前記ポリイミドあるいはポリアミドがフッソ基を含むことを特徴とする請求の範囲第 3項記載の液晶表示素子。

5 . 前記電極の一方が反射性材料により形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の液晶表示素子。

6 . 電極がそれぞれ形成され前記電極上に液晶配向膜がそれぞれ形成された 2枚の基板間に、高分子または高分子前駆体と液晶組成物との液晶性混合材料を前記液晶性混合材料が前記電極の表面に対して所定のプレチルト角傾斜して配向するように配置する工程と、

前記液晶性混合材料から高分子を析出させて前記液晶と前記高分子とを相分離し、前記液晶を前記電極の表面に対して前記所定のプレチル卜角傾斜して配向するようにする工程と

を有することを特徴とする液晶表示素子の製造方法。

7 . 前記所定のプレチルト角が 1乃至 3 5 ° であることを特徴とする請求の範囲第 6項記載の液晶表示素子の製造方法。