JP5115311B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子に関し、特にメモリ性の液晶表示素子に関する。

近年、電源を切っても表示内容を保持できる書換え可能な表示デバイスとして、電子ペーパーの開発が盛んに進められている。電子ペーパーは、電源を切ってもメモリ表示可能な超低消費電力と、目に優しく、疲れない反射型の表示と紙のような可撓性があるフレキシブルで薄型の表示体の実現を目指して研究が進められている。電子ペーパーの利用が期待されている応用分野として、電子書籍を筆頭に、モバイル端末機器のサブディスプレイやＩＣカードの表示部など、多様な応用形態が提案されている。

電子ペーパーは、各種の表示方式が提案されているが、表示電子ペーパーの有力な方式の１つに、コレステリック液晶がある。コレステリック液晶は、半永久的な表示保持（メモリ性）や鮮やかなカラー表示、高コントラスト、高解像度といった優れた特徴を有している。

コレステリック液晶は、カライラルネマティック液晶とも称されることがあり、ネマティック液晶にキラル性の添加剤（カイラル材）を比較的多く（数十％）添加することにより、ネマティック液晶の分子がらせん状のコレステリック相を形成する液晶である。

図１は、コレステリック液晶の状態を説明する図である。図１の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、コレステリック液晶を利用した表示素子１０は、上側基板１１と、コレステリック液晶層１２と、下側基板１３と、有する。コレステリック液晶には、図１の（Ａ）に示すように入射光を反射するプレーナ状態と、図１の（Ｂ）に示すように入射光を透過するフォーカルコニック状態と、があり、これらの状態は、無電界下でも安定してその状態が保持される。

プレーナ状態の時には、液晶分子のらせんピッチに応じた波長の光を反射する。反射が最大となる波長λは、液晶の平均屈折率ｎ、らせんピッチｐから次の式で表される。

λ＝ｎ・ｐ
一方、反射帯域Δλは、液晶の屈折率異方性Δｎにより大きく異なる。

プレーナ状態の時には、入射光が反射するので「明」状態、すなわち白を表示することができる。一方、フォーカルコニック状態の時には、下側基板１３の下に光吸収層を設けることにより、液晶層を透過した光が吸収されるので「暗」状態、すなわち黒を表示することができる。

上記のように、プレーナ状態の時には、液晶分子のらせんピッチに応じた波長の光を反射するので、液晶材料およびカイラル材を選択し、カイラル材の含有率を決定すると、青（ブルー）、緑（グリーン）および赤（レッド）の各波長を選択反射する３層のパネルが得ら、それらを積層すると、カラー表示素子が得られる。

コレステリック液晶素子およびその駆動方法については、例えば、特許文献１などに記載されているので、ここでは詳しい説明は省略する。本出願において、特許文献１の記載内容は参照される。

液晶表示素子は、ガラス基板や樹脂基板などの透明基板間を所定の間隔（セルギャップ）で保持し、その空隙に所定の特性を有する液晶材料が充填される。液晶表示素子では均一なセルギャップを実現するため、スペーサと呼ばれる直径がセルギャップに対応する粒体を一方の基板上に散布した上で、他方の基板を貼り合わせている。また、一方の透明基板上にセルギャップに対応する高さのスペーサ構造物を形成し、他方の基板を貼り合わせることも行われている。コレステリック液晶表示素子においても、スペーサ構造物により所定のセルギャップを実現することが行われており、特に、接着性のスペーサ構造物を形成して基板を接着固定することにより、所定のセルギャップを安定して維持することが可能である。

しかしながら、可撓性の電子ペーパーに使用する上記の選択反射型のコレステリック液晶表示素子の場合、表示素子を曲げたりその表面を押すなどにより生じる外力の発生や、温度分布の変化が発生すると、それにより液晶が流動する。このような液晶の流動が発生すると、画像を表示している配向状態が乱れることにより表示が変化するという問題を生じる。一般に、液晶が流動すると、指向性が高く、反射率が高い相（プレーナ状態）が現れるため、表示相の消失、表示コントラストの低下が起きる。

このような問題を解決するため、特許文献２は、十字形のスペーサ構造物を、隣接する４個の画素の間に設け、液晶の流動を制限する構成を記載している。図２は、特許文献２に記載されたスペーサ構造物を示す図であり、（Ａ）が斜視図であり、（Ｂ）が平面図であり、（Ｃ）がスペーサ構造物３１の拡大図である。図２の（Ｃ）に示すように、スペーサ構造物３１は、基板との接着の安定性を増加させるために、壁の一部が太くなっている。単純マトリクス構造を有する液晶表示素子では、対向する２枚の基板に、９０度異なる２方向に伸びる複数の帯状電極がそれぞれ形成され、帯状電極の交差部分に画素が形成される。図２の（Ａ）および（Ｂ）に示すように、スペーサ構造物３１は、一方の直線部分が下側基板の下側帯状電極１５の間に位置し、他方の直線部分が図示していない上側基板の上側帯状電極の間に位置するように配置される。従って、各画素１６は、４個のスペーサ構造物３１で囲まれ、隣接するスペーサ構造物３１の間に４個の開口が形成される。これにより液晶の流動が制限されるため、表示の変化を低減することが可能である。

しかし、特許文献２に記載された図２のスペーサ構造物を設けても、可撓性の電子ペーパーにおける液晶の流動性を十分に低減できず、液晶の流動性を一層低減することが求められた。そこで、特許文献３は、画素を囲むように１個の開口を有する閉構造を設けることにより、液晶の流動性を一層低減した液晶表示素子を記載している。図３は、特許文献３に記載されたスペーサ構造物の平面図である。スペーサ構造物３２は、画素１６を囲い、各画素１６を縦方向に伸びる液晶の注入経路３４につなげる小さな１個の開口部３３を形成する。これにより、画素１６内の液晶の流動性は、大幅に制限されることになり、外力や温度分布の変化に起因した表示の変化を低減することができる。

国際公開ＷＯ２００７／１１０９４９Ａ１ 国際公開ＷＯ２００７／００７３９４Ａ１ 国際公開ＷＯ２００８／０２３４１６Ａ１

しかし、特許文献３に記載された図３に示すスペーサ構造物でも、液晶の流動性の低減が不十分であり、表示の変化を生じるという問題が依然存在している。

さらに、図３では、画素面積に比べてスペーサ構造物３２が大きな面積を占めており、その分表示の明るさが低くなり、コントラストも低下するという問題があった。この問題を解決するには、スペーサ構造物３２の壁の厚さを小さくする必要があるが、その場合、画素が薄い壁のスペーサ構造物３２で囲まれることになり、表示面に外力が加えられるとスペーサ構造物３２が破壊されるという問題があった。

本発明は、表示の変化を生じないように液晶の流動性を一層低減すると共に、表示の明るさおよびコントラストを維持しながら強度を向上した液晶表示素子を実現することを目的とする。

本発明のドットマトリクス型表示素子は、２枚の透明基板を接着固定するスペーサ構造物を、１個の開口部を有する各画素に対応した閉構造物と、この閉構造物内に設けた内構造物と、で構成する。

内構造物は、閉構造物で囲まれる内部を、小さな副開口部を介して１個の開口部とつながる副空間に分ける形状であることが望ましい。

また、閉構造物で囲まれる空間内にさらに内構造物が設けられるので、閉構造物で囲まれる空間内での液晶の流動性が低減できる。特に、閉構造物で囲まれる内部を、小さな副開口部を介して１個の開口部とつながる副空間に分ける形状の内構造物を設ければ、閉構造物で囲まれる空間内での液晶の流動性が一層低減できる。

特許文献３に記載されたように、画素を囲むように１個の開口を有する閉構造を設けることにより画素内と画素外との間の液晶の流動性は大幅に低減される。しかし、表示の変化には、画素内での液晶の流動性による表示相の変化も影響しており、画素を囲むように１個の開口を有する閉構造を設けるだけでは画素内での液晶の流動性を十分に低減できず、これが表示の変化に影響していた。これに対して、本願発明によれば、閉構造物で囲まれる空間内での液晶の流動性が低減できるので、表示の変化を大幅に低減できる。なお、本願発明によれば、閉構造物で囲まれる空間内での液晶の流動性が低減できるだけでなく、画素内と画素外との間の液晶の流動性も一層低減できる。

閉構造物で囲まれる空間内にさらに内構造物が設けられるので、液晶表示素子の表面に加えられた外力は、閉構造物および内構造物に分散される。これにより、閉構造物および内構造物より破壊されにくくなり、その分壁の厚さを低減して表示の明るさおよびコントラストを向上できる。

以下、可撓性のコレステリック液晶表示素子を積層したフルカラーコレステリック液晶表示装置に本発明を適用した実施形態を説明するが、フルカラーコレステリック液晶表示装置については特許文献１から３などに詳細に記載されており、広く知られているので、ここではフルカラーコレステリック液晶表示装置についての説明は省略する。本実施形態のコレステリック液晶表示素子は、所定のセルギャップで２枚の基板を貼り合わせる接着性のスペーサ構造物の形状が、従来例と異なる。以下、異なる部分について説明する。

実施形態のコレステリック液晶表示素子は、１００μｍ厚のポリカーボネート製基板で作られ、各基板表面にＩＺＯ透明導電膜による帯状電極が複数形成される。上側基板の帯状電極と下側基板の帯状電極は、互いに直交する方向に対向して配置され、パッシブ駆動される。

図４は、実施形態におけるスペーサ構造物の平面形状を示す図である。図６に示すように、上側帯状電極１４と下側帯状電極１５の帯状透明電極の交差部分に画素が形成される。スペーサ構造物は、各画素に対応して設けられた３重の正方形の薄い壁面で、一番外側の壁面４１は小さな開口４２を有する。壁面４１の内部の壁面４３は小さな開口４４を有する。さらに、壁面４３の内部の壁面４５は小さな開口４６を有する。従って、壁面４５により囲まれる空間４９は、小さな開口４６を介して、壁面４５と壁面４３の間の空間４８につながる。同様に、空間４８は、小さな開口４４を介して、壁面４３と壁面４１の間の空間４７につながる。空間４７は、小さな開口４２を介して、画素の間の空間５０につながる。

一番外側の壁面４１の２辺は、隣接する上側帯状電極１４の間と隣接する下側帯状電極１５の間に位置する。隣接する一番外側の壁面４１の間、すなわち画素の間に空間５０が形成され、各画素の空間４７は、小さな開口４２を介して、画素の間の空間５０につながる。この空間５０は画素間でつながっており、表示素子（パネル）の辺に、空間５０につながる注入用の開口部が設けられる。パネル内を真空状態とした上で、開口部をコレステリック液晶に浸漬して大気開放することで液晶を注入する。

図５は、実施形態のコレステリック液晶表示素子の製造工程を示す図であり、左側がコモン電極が形成されるコモン基板を示し、右側がセグメント電極が形成されるセグメント基板を示す。基本的にコモン基板とセグメント基板のいずれを上側基板または下側基板として使用することも可能であるが、ここでは下側基板がコモン基板、上側基板がセグメント基板であるとし、下側基板にスペーサ構造物が形成されるとして説明する。

上側基板１１および下側基板１３の上に透明導電膜層１４、１５をそれぞれ形成する。

透明導電膜層１４、１５の上にそれぞれレジスト層５１、５２を塗布する。

光リソグラフィなどにより、レジスト層５１、５２をそれぞれ帯状電極の形状に対応してパターニングする。

パターニングしたレジスト層５１、５２の上からエッチングして、透明導電膜層１４、１５を帯状電極に加工する。

パターニングしたレジスト層５１、５２を剥離すると、パターニングされた透明導電膜層（帯状電極）１４、１５が現れる。

ここまでの工程は、上側基板１１および下側基板１３で同じである。

上側基板１１の上に、パターニングされた帯状電極１４を覆うように絶縁膜５３を形成する。これにより上側基板１１が完成する。

下側基板１３の上に、パターニングされた帯状電極１５を覆うように、スペーサ構造物の壁面用ネガレジスト５４を塗布する。

スペーサ構造物の壁面として残す部分を透過するフォトマスク５５を使用して露光を行う。

下側基板１３の表面を現像すると、ネガレジスト５４のスペーサ構造物の壁面に対応する部分が硬化し、それ以外の部分は除去されるので、ベークするとスペーサ構造物の壁面が形成される。さらにパネルの周囲にシール５６を形成する。シール５６は、壁面用ネガレジスト５４を利用して形成してもよい。

以上で、下側基板１３が完成する。

次に、上側基板１１を反転して、上側基板１１の帯状電極１４と下側基板１３の帯状電極１４が直交するように位置合わせし、絶縁膜５３がスペーサ構造物の壁面用ネガレジスト５４に接触するように貼り合わせ、壁面用ネガレジスト５４を硬化させて絶縁膜５３を接着する。

図５はスペーサ構造物の壁面をネガレジストで形成する場合の製造工程であるが、スペーサ構造物の壁面をポジレジストで形成することも可能である。図６は、ポジレジストを使用する場合の製造工程を示す図である。

ポジレジストを使用する場合の上側基板の製造工程および下側基板１３上にパターニングされた帯状電極１５を形成するまでの製造工程は、ネガレジストを使用する場合と同じである。

下側基板１３上に、パターニングされた帯状電極１５を覆うように、スペーサ構造物の壁面用ポジレジスト６３を塗布する。

壁面として残す部分は透過しないフォトマスク６５を使用して露光を行う。

下側基板１３の表面を現像すると、ポジレジスト６３のスペーサ構造物の壁面に対応する部分が残り、それ以外の部分は除去される。この時点では、ポジレジスト６３は硬化していない。

セルギャップに対応する直径を有する粒状のスペーサ６４を散布する。この時、スペーサ６４がポジレジスト６３の上に散布される場合も生じる。さらにパネルの周囲にシール５６を形成する。

以上で、下側基板１３が完成する。

次に、上側基板１１を反転して、上側基板１１の帯状電極１４と下側基板１３の帯状電極１５が直交するように位置合わせし、絶縁膜５３がスペーサ構造物の壁面用ポジレジスト６３に接触するように貼り合わせる。この時上側基板１１を下側基板１３に押し付けると、ポジレジスト６３上のスペーサ６４は、硬化していないポジレジスト６３に埋め込まれる。このようにスペーサ６４により基板間の間隔がセルギャップになった状態で、壁面用ポジレジスト６３を硬化させて絶縁膜５３を接着する。

以上、実施形態のコレステリック液晶表示素子の製造工程を説明したが、製造工程には各種の変形例があり得るのはいうまでもない。

図７は、実施形態のコレステリック液晶表示素子のスペーサ構造物の壁面形状の変形例を示す図である。

図７の（Ａ）の例は、図４の一番外側の壁面４１を同じ正方形の壁面７１の内部に、交差する壁面７３と７４により形成される十字の壁面を設けたもので、壁面７３の一方の端は壁面７１に接続されており、壁面７３の他方の端は壁面７１の小さな開口部７２に対して小さな開口部７５を形成し、壁面７４は壁面７１との間に小さな開口部７６を形成する。このような形状のスペーサ構造物により、画素は４つの閉領域に分けられ、４つの閉領域は小さな開口部でつながる。

また、図７の（Ｂ）の例は、図４の一番外側の壁面４１を同じ正方形の壁面８１の内部に、壁面８１の開口部８２を有する下辺部分から伸びる２本の壁面と、下辺部分に対向する上辺部分から開口部８２に向かって伸びる１本の壁面８３と、を設けたものである。壁面８３は、壁面８１の小さな開口部８２に対して小さな開口部８５を形成し、壁面８４は壁面８１との間に小さな開口部８６を形成する。このような形状のスペーサ構造物により、画素は４つの閉領域に分けられ、４つの閉領域は小さな開口部でつながる。

以上説明した図４、図７の（Ａ）および（Ｂ）のスペーサ構造物により、画素は複数の副領域に分けられるので、画素内の液晶の流動性が低下するだけでなく、画素内と画素外の間の液晶の流動性が低減される。また、液晶表示素子の表面に加えられた外力は、閉構造物および内構造物に分散される。これにより、閉構造物および内構造物より破壊されにくくなり、その分壁の厚さを低減して表示の明るさおよびコントラストを向上できる。なお、スペーサ構造物の形状は各種変形例があり得るのはいうまでもない。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種の変形例が可能であるのはいうまでもない。例えば、実施形態では、コレステリック液晶を使用する例を説明したが、ほかの液晶でも本発明のスペーサ構造物により流動性が低減できるので、メモリ性を利用して表示を長時間維持する液晶表示素子であれば効果がある。

また、スペーサ構造物の形状については、仕様に応じて最適な形状を選択することは、当業者には自明のことである。

図１は、コレステリック液晶の双安定状態（プレーナ状態とフォーカルコニック状態）を説明する図である。 図２は、スペーサ構造物の従来例を示す図である。 図３は、スペーサ構造物の別の従来例を示す図である。 図４は、実施形態のスペーサ構造物を示す図である。 図５は、実施形態の液晶表示素子の製造工程を示す図である。 図６は、実施形態の液晶表示素子の別の製造工程を示す図である。 図７は、実施形態のスペーサ構造物の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 表示素子
１１ 上側基板
１２ 液晶層
１３ 下側基板
１４ 上側帯状電極
１５ 下側帯状電極
１７ 吸光層
４１，４３，４５ スペーサ構造物の壁面
４２，４４，４６ 開口部

Claims (4)

1. ２枚の透明基板間にメモリ性を利用して表示を長時間維持する液晶を挟持し、前記２枚の透明基板を接着固定するスペーサ構造物によりセルギャップが維持される液晶表示素子であって、
   前記スペーサ構造物は、各画素に対応した１個の開口部を有する閉構造物と、前記閉構造物内に設けられた内構造物と、を備え、
   前記内構造物は、前記閉構造物で囲まれる内部を、小さな副開口部を介して前記１個の開口部とつながる副空間に分ける、ことを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記閉構造物内に複数の前記内構造物が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
3. ２枚の透明基板間にメモリ性を利用して表示を長時間維持する液晶を挟持し、前記２枚の透明基板を接着固定するスペーサ構造物によりセルギャップが維持される液晶表示素子であって、
   前記スペーサ構造物は、各画素に対応した１個の開口部を有する閉構造物と、前記閉構造物内に設けられた内構造物と、を備え、
   前記内構造物は十字形状を有し、十字形状の前記内構造物により、前記閉構造物内の空間が、４つの前記副空間に分割される、ことを特徴とする液晶表示素子。
4. ２枚の透明基板間にメモリ性を利用して表示を長時間維持する液晶を挟持し、前記２枚の透明基板を接着固定するスペーサ構造物によりセルギャップが維持される液晶表示素子であって、
   前記スペーサ構造物は、各画素に対応した１個の開口部を有する閉構造物と、前記閉構造物内に設けられた内構造物と、を備え、
   前記内構造物は、前記閉構造物から交互に櫛歯状に伸びる複数の壁を有する、ことを特徴とする液晶表示素子。

Images