JP2004258228A

JP2004258228A - 反射型液晶素子とその製造方法及び表示装置

Info

Publication number: JP2004258228A
Application number: JP2003048008A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimura; 浩藤村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】画面の明るさとその視認性を十分確保する反射型液晶素子とその製造方法及び表示装置を提供する。
【解決手段】透明基板３１の間に、電界の印加、無印加により光散乱状態、光透過状態になる液晶層を２種類備える積層構造とした。それぞれを第１液晶層３３、第２液晶層３５とする。第１液晶層３３、第２液晶層３５の両側には電界を発生させる透明電極３２と、２つの液晶層を繋ぐ透明分離層３４を備え、鏡面光沢を有する光吸収層３７を第２液晶層３５に対し第１液晶層３３と反対側に備えた。光吸収層３７により入射光の反射成分をも利用して白表示の反射率を高める。また液晶層の何れかの光透過率を制御することにより黒表示を有効にし、黒表示面からの反射光を散乱させることで視認性を良くする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶素子とその製造方法及び表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯端末のディスプレイには、長時間動作が可能で省電力な表示モードである反射型の液晶表示装置が広く使用されている。反射型においてはその画面の明るさ及び視認性の良さが重要である。液晶を用いた反射型ディスプレイにおいては、明るい表示を得るために偏光板を用いないいくつかの方式が開発されている。特にゲスト・ホスト型もしくは散乱型が有力である。
【０００３】
図１４にゲスト・ホスト型の構成例を示す。一方の透明基板１１に透明電極１２が形成されており、他方の透明基板１５にも対向して透明電極１４が形成され、この透明電極間にゲスト・ホスト型の液晶が調光層１３として挟み込まれた構造となっている。光反射層１６は透明基板１５の外側に形成されているが、もちろん、透明基板１５と透明電極１４の間に形成されている開示例もある。調光層１３としては、ネマチック液晶と２色性色素を混合したタイプやこの混合物を高分子マトリックスに分散させたタイプ等がある。特に数種類の２色性染料を混合し黒色に調整した場合には、この調光層１３の光透過−光吸収状態の制御で白黒表示が可能となる。
【０００４】
しかしながら、ゲスト・ホスト型では２色性色素の２色比がその明るさ、コントラストに影響を与える。実際、十分に大きな２色比を有する染料がないため、黒表示で十分な黒が得られるように調整された調光層では（調光層を厚くすることになるため）、その光透過状態でも光の吸収が生じてしまい、暗い白表示（グレー表示）となってしまう。
【０００５】
もう一方の散乱型は、図１５に示したように、一方の透明基板２１に透明電極２２が形成されており、他方の透明基板２５にも対向して透明電極２４が形成され、この透明電極間に散乱型の調光層２３が挟み込まれた構造となっている。さらに、光吸収層２６が透明基板２５の外側に形成されているが、もちろん、透明基板２５と透明電極２４の間に形成されている開示例もある。調光層２３としては、高分子分散型液晶カプセルや高分子マトリックス中に液晶を分散させた方式、及びネマチック液晶のＤＳＭ方式等がある。
【０００６】
この調光層２３が散乱状態であれば、調光層２３への入射光は後方散乱成分と前方散乱成分にわかれ、後方散乱性成分は透明基板２１を透過して外部に出射され、前方散乱成分は光吸収層２６に吸収されるが、外部からは白表示として認識される。
【０００７】
調光層２３が透明状態であれば、入射光は光吸収層２６に吸収されるので結果として黒表示が得られる。このようにして、調光層２３の光散乱−光透過状態の制御で白黒表示を実現している。
【０００８】
ところが、光散乱−光吸収型（図１５）においては、光散乱状態の調光層２３への入射光の散乱光（後方散乱）で白表示が得られるが、液晶により形成される光散乱−光吸収型の調光層２３の後方散乱強度は弱く、光吸収層２６の黒が透けて見えるために十分に明るい白表示を得ることができない。
【０００９】
そこで、散乱型において厳密には白黒表示ではないが、図１４の構成の素子も開示されている。散乱型の調光層１３と光反射層１６が鏡面反射板であることを特徴としている。かような構成で調光層が散乱状態であれば、入射光の前方散乱成分は光反射層により効率的に反射されて再び調光層を通過し、後方散乱成分と加わってきわめて明るい背景の表示外観（白表示）が得られる。
【００１０】
これに対して、調光層が透明状態の場合、入射光は調光層を通過し鏡面反射板（金属薄膜等）で増幅した反射光として観察者に達する。この鏡面反射板で輝度増幅された正反射光は観察者にとって眩しく見づらいものであり、視認性を損なうものであるが、このような反射型表示装置を使用する照明環境下で、その正反射光の視角範囲からずれた方向から観察する場合には、正反射光が観察者の視野に入らずに背景に対して黒表示のように見える。
【００１１】
ただし、このような鏡面反射を利用する素子では、観察者が入射光の正反射の位置にあるような場合には、表示部の一部が眩しかったり、光強度が強くて表示画像が反転して見えるなど、その視認性に問題があった。
【００１２】
かような正反射光の影響を低減するため、特許文献１、２にて表面構造をコントロールした鏡面反射板に関する技術が開示されている。しかしながら、散乱層と鏡面反射を利用した表示は、背景がきわめて明るい白であるにもかかわらず、黒表示の鏡面への周囲光の写り込み等があるためにどうしても表示品位が低下してしまう。
【００１３】
また、散乱型において光吸収層の観察側（調光層側）に波長選択的透過層（いわゆるハーフミラー）を配置する方法（特許文献３参照）により、白表示において波長選択的透過層からの反射光を利用してその白色度を高める技術が開示されている。しかしながら、この場合にも黒表示をするために調光層を光透過状態にすると、黒表示面での反射があるために視認性が充分に確保されない不具合があった。
【００１４】
特許文献４、５に記載の技術は、正反射光の影響を低減するため、入射光の特定範囲の入射角の光だけを透過するような角度選択性を有する調光層に関する技術であるが、何れも上述の視認性を克服するものとは言えない。
【００１５】
【特許文献１】
特開平７−１５９７７６号公報
【特許文献２】
特開２０００−２８４２６３号公報
【特許文献３】
実用新案登録第２５８１０７１号公報
【特許文献４】
特開平７−２７０７６８号公報
【特許文献５】
特開平９−１２７５０４号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、上記従来の反射型液晶素子において課題であった、明るい白黒表示と、良視認性が得られる表示素子とその製造方法、及びそれを用いた表示装置を提供することを目的とする。
【００１７】
具体的には、電界により光散乱状態と光透過状態が制御可能な第１の液晶層と、同様に散乱状態と光透過状態の制御可能な第２の液晶層とを積層し、さらに第２の液晶層の、第１液晶層とは反対側に鏡面光沢を有する光吸収層を設けて、その反射成分をも利用することで白表示の反射率を高め、また黒表示ではいずれか一方の液晶層の光透過率を制御して黒表示面からの反射光を散乱させることで視認性の良い反射型液晶素子を提供することを目的とする。
また上記に加えて、電界制御が容易で、素子構造を簡略にできることを目的とする。
また上記に加えて、明るく、機械強度に優れた素子を提供することを目的とする。
また上記に加えて、安定性に優れ、生産性の高い素子を提供することを目的とする。
さらに、光吸収層の形状を変えて、表示特性に優れた素子を提供することを目的とする。
さらに、薄型、軽量な携帯に適した素子を提供することを目的とする。
また生産性に優れた素子の製造方法を提供することを目的としている。
また表示特性に優れた表示装置を提供することを目的としている。
また上記に加えて、薄型、軽量な表示装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を解決するため、請求項１に記載の反射型液晶素子は、電界を印加し、層状の構造を有する透明電極と、透明電極により印加された電界により光散乱状態と光透過状態の何れかの状態が制御可能な液晶層と、鏡面光沢を有する光吸収層と、透明電極、液晶層、光吸収層を保持する透明基板とを備えて積層構造をなす反射型液晶素子であって、液晶層は、第１の液晶層と、第２の液晶層とが積層された構造をとり、各液晶層のとりうる該状態は透明電極により印加された電界により個別に制御され、光吸収層は第２の液晶層に対し、第１の液晶層の反対側に備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項２に記載の反射型液晶素子は、請求項１に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層の間に、各液晶層を分離し、導電性を備える透明導電性膜を備え、第１及び第２の液晶層の閾値電圧が互いに異なることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載の反射型液晶素子は、請求項１または２に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層は、高分子分散型液晶カプセルもしくは高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層の何れかであることを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載の反射型液晶素子は、請求項２または３に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層は、高分子分散型液晶カプセルよりなる散乱性調光層であり、第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項５に記載の反射型液晶素子は、請求項２から４の何れか１項に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層は、高分子分散型液晶カプセルよりなる散乱性調光層であり、散乱性調光層を構成する高分子及び液晶の材料は同一であり、組成比は互いに異なる構成であり、第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項６に記載の反射型液晶素子は、請求項２または３に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層が高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層であり、散乱性調光層を構成する高分子及び液晶の材料は同一であり、組成比は互いに異なる構成であり、第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項７に記載の反射型液晶素子は、請求項２または３に記載の反射型液晶素子において、第１または第２の液晶層の一方が高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層であり、他の一方の液晶層が高分子分散型液晶カプセルよりなる散乱性調光層であり、第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項８に記載の反射型液晶素子は、請求項２、３、５の何れか１項に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層がともに高分子及び液晶が同一組成材料で構成される高分子分散型液晶カプセルの散乱性調光層であり、一方の液晶層の液晶カプセルの直径が他の一方の液晶層の直径より大きく、閾値電圧が低くなるようにしたことを特徴とする。
【００２６】
請求項９に記載の反射型液晶素子は、請求項２、３、６の何れか１項に記載の反射型液晶素子において、第１及び第２の液晶層がともに高分子及び液晶が同一組成材料で構成される高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層であり、一方の液晶層の高分子マトリックスが他の一方の液晶層の高分子マトリックスより疎で、閾値電圧が低くなるようにしたことを特徴とする。
【００２７】
請求項１０に記載の反射型液晶素子は、請求項１から９の何れか１項に記載の反射型液晶素子において、鏡面光沢を有する光吸収層は、フラットもしくはなめらかな凹凸の表面を有する黒色の物質よりなる層であることを特徴とする。
【００２８】
請求項１１に記載の反射型液晶素子は、請求項１から９の何れか１項に記載の反射型液晶素子において、鏡面光沢を有する光吸収層は、黒色材料層上に誘電体を多層に積層したものであることを特徴とする。
【００２９】
請求項１２に記載の反射型液晶素子は、請求項１から１１の何れか１項に記載の反射型液晶素子において、透明基板は、厚み２５０μｍ以下のプラスチック基板であることを特徴とする。
【００３０】
請求項１３に記載の反射型液晶素子の製造方法は、第１の基板に電界により光散乱状態と光透過状態の何れかの状態をとる第１の液晶層を形成する第１形成工程と、第２の基板に鏡面光沢を有する光吸収層を形成する第２形成工程と、第２の基板に、光吸収層とは反対側に電界により光散乱状態と光透過状態の何れかの状態をとる第２の液晶層を積層して形成する第３形成工程と、第１、第２両基板の各液晶層を互いに接するように重ね合わせる第４形成工程を備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項１４に記載の表示装置は、電極を備えた一対の基板間に請求項１から１２の何れか１項に記載の反射型液晶素子が複数配置されており、反射型液晶素子を独立に駆動する薄膜トランジスタのスイッチング素子を具備することを特徴とする。
【００３２】
請求項１５に記載の表示装置は、請求項１４に記載の表示装置において、反射型液晶素子を構成する透明基板は、厚み２５０μｍ以下のプラスチック基板であることを特徴とする。
【００３３】
請求項１６に記載の表示装置は、請求項１４または１５に記載の表示装置において、薄膜トランジスタを構成する半導体層が有機物からなることを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
＜構成＞
図１に本実施形態の反射型液晶素子のモデル図を示す。第１液晶層３３および第２液晶層３５は透明電極３２を両面に有する透明分離層３４により分離されており、第１液晶層３３は透明電極を有する透明基板３１と透明分離層３４間で電界により駆動される。第２液晶層３５は透明電極３２、及び反対側に鏡面光沢を有する光吸収層３７と、透明分離層３４間で電界により駆動される。
【００３６】
第１液晶層及び第２液晶層は高分子分散型液晶カプセル（今後ＮＣＡＰと表記する）や高分子マトリックス中に液晶を分散させた方式（今後ＰＮＬＣと表記する）、及びネマチック液晶のＤＳＭ方式のいずれの表示方式でもよい。また、電界により光散乱−光透過が制御できる方式であれば同様に適用できる。
【００３７】
ただし、ＮＣＡＰ及びＰＮＬＣは電界無印加で光散乱状態を示し、電界印加で光透過状態になる方式である。ＤＳＭ方式は、この逆に動作し、電界印加で光散乱、電界無印加で光透過となる。今後の動作説明においては、断りがない限りＮＣＡＰ及びＰＮＬＣの動作を前提としている。
【００３８】
光吸収層３７は第２液晶層３５に対し、第１液晶層３３とは反対側に鏡面光沢を有する光吸収層である。ここで鏡面光沢を有する光吸収層とは、表面がフラットもしくはなめらかな凹凸の面であり、光を正反射する成分を有する黒色の物質からなる層であったり、もしくは黒色材料の上に誘電体を多層に積層することで可視域の一部の光を反射するようにした層を意味する。図１（ａ）の構成において、該層３７は透明基板３６の背面（第２液晶層３５の反対側の面）に配置されているが、透明基板３６とその上の透明電極３２の間に配置されるような図１（ｂ）の構成においても同様の効果が得られる。この（ｂ）の構成においては、該基板３６は別に透明である必要はなく、有色のものもしくは金属基板のように不透明なものであっても構わない。
【００３９】
透明分離層３４としてはガラス基板や透明な樹脂を用いることができる。該層３４が厚いと表示を観察する時に視差が生じ視認性が悪くなるので、でき得る限り膜厚が小さいことが望まれる。本素子を平面的に多数配置することで表示装置を構成する場合の解像度により、透明分離層の膜厚で視差の度合いは異なるが、約１０〜１００μｍの厚みであることが望ましい。
【００４０】
＜動作＞
では、図１により、本実施形態の動作を説明する。散乱型の液晶層を用いた表示においては、光の後方散乱が観察者に白色を認識させる。散乱性の白色であるので、明るい白表示にするためには液晶層が厚くなれば散乱度が高くなり、より白い表示となるのであるが、同時に駆動電圧も高くなるという不具合が生じる。また、膜厚が厚過ぎると充分な電圧を印加しても光の透過率が落ちてしまい（散乱状態が残ってしまい）、黒表示が灰色表示になってしまう。
【００４１】
そこで、本実施形態では散乱型の液晶層を積層することで、白表示での散乱層の膜厚をトータルとして厚くすることで白色度を高くするような構造とした。また、第２の液晶層３５の背面に鏡面光沢を有する光吸収層３７を配置することで、白色表示で入射光の前方散乱成分の一部を正反射させて観察者側に戻すことで、さらに白色度を増加させることができる。しかしながら、黒表示の場合、第１液晶層３３、第２液晶層３５をいずれも光透過状態にすると、観察者にとってその該光吸収層３７に斜めに入射した光の反射が気になるという心理面での課題が生じる。この課題は、第１液晶層３３、第２液晶層３５のいずれか一方を光透過状態にし、他の一方を完全な光透過状態ではない（光吸収層３７での反射が気にならない程度の）、散乱状態に電界制御することで解消される。全体の液晶層の層厚に対して、この制御すべき液晶層３３、３５の層厚が薄く、電界の変化に対する散乱度の変化が小さいために、電界による制御の余裕度に優れており、良好な視認性を得られるという利点がある。
【００４２】
ここで第１液晶層３３の閾値電圧を第２液晶層３５の閾値電圧よりも低くした場合には、以下の構成、動作上の利点がある。
透明分離層３４の両面の透明電極３２をまとめて１本の共通電極とし、上下の透明基板３１、３２上の透明電極もまた１本の走査電極として、この共通電極と走査電極への電圧印加で第１液晶層３３、第２液晶層３５を同時に駆動することができる。特に黒表示をする場合、第１液晶層３３が光透過状態になる電圧でも、第２液晶層３５は完全な光透過状態ではない（光吸収層３７での反射が気にならない程度の）、散乱状態であるように閾値電圧を設定することができ、電界制御が容易になる。
反対に第２液晶層３５の閾値電圧を第１液晶層３３の閾値電圧よりも低くした場合も、同様の構成、動作上の利点がある。
【００４３】
また、第１液晶層３３、第２液晶層３５の閾値電圧が異なるようにすることで、図２に示すような簡略化された素子構造も実現することができる。つまり、図１に示すような両面に透明電極３２が配置された透明分離層３４ではなく、１層の透明導電性膜４０で第１液晶層３３及び第２液晶層３５を分離できる。なお、このような透明導電性膜を形成する方法は既に開示されている。このように液晶層間を分離する層の構造も容易に作製できる。
【００４４】
ＮＣＡＰ方式の液晶層構造のモデル図を図３に示した。透明電極を有する透明な基板５３の間に、高分子樹脂５２に囲まれて液晶カプセル５１が分散した構造となっており、電界無印加では液晶カプセル５１内の液晶分子配向が均一でないために、高分子樹脂５２の屈折率と不整合とすることで入射光が散乱され、その後方散乱光により白色状態として観測される。電界を印加すると液晶分子が電界方向に配列し、（図３の基板５３間に平行に配列する）この状態で液晶カプセル５１の屈折率と高分子樹脂５２の屈折率が同等になるために光透過状態とすることができる。
【００４５】
ＰＮＬＣ方式の液晶層構造のモデル図を図４に示した。透明電極を有する透明な基板５３の間に、高分子マトリックス樹脂６２の中に液晶６１が分散した構造となっており、ＮＣＡＰの場合と同様に、電界無印加では液晶分子配向が均一でないために、高分子マトリックス樹脂６２の屈折率と不整合とすることで入射光が散乱され、その後方散乱光により白色状態として観測される。電界を印加すると液晶分子が電界方向に配列し、（図４の基板５３間に平行に配列する）この状態で液晶の屈折率と高分子マトリックス樹脂６２の屈折率が同等になるために光透過状態とすることができる。
【００４６】
ＮＣＡＰ及びＰＮＬＣ方式では、入射光の偏光状態に左右されることがない散乱を利用するためその光利用効率が高く、視角による散乱依存性が小さいために視角特性が広い。また、その特徴として高分子樹脂５２もしくは高分子マトリックス樹脂６２中に液晶が分散する構造となっているために、ネマチック液晶を用いたＤＳＭ方式等に比較して、素子表面に衝撃を加えたとしてもその構造が壊れにくく、かような機械強度特性に優れている。この特性は、本実施形態のような積層構造の素子においては、特に重要であり、素子及び表示装置の信頼性を高めるとともに、積層構造を作製する場合にも不良の発生しにくい生産性の高い製造方法を提供するものである。
【００４７】
図３に示すようにＮＣＡＰ方式の液晶層は、高分子樹脂５２中に液晶カプセル５１が分散した構造となっていて、各液晶カプセル５１は独立しているために混じり合うことがない。このことは第１液晶層３３、第２液晶層３５において、高分子樹脂５２はもちろんのこと、液晶材料が異なっていても、図１の透明分離層３４及び図２の透明導電性膜４０のような２つの液晶層を分離する層が必要ないことになる。このような場合には、上下の透明基板３１、３６に設けられた透明電極３２間での電界制御によって第１液晶層３３、第２液晶層３５を同時に駆動できる。従って、第１液晶層３３、第２液晶層３５をＮＣＡＰにすることで、一対の基板間において密接して配置され、構造が簡略で生産性の高い素子を提供することができる。図５にその構造を備えた反射型液晶素子のモデル図を示す。
【００４８】
ＮＣＡＰ方式の液晶層の閾値電圧は高分子樹脂及び液晶材料により異なる。また同一の材料であっても、その組成比及び液晶カプセルの大きさ（直径）に閾値電圧は依存する。同一材料の場合、液晶濃度が高いと閾値電圧は低くなる。第１液晶層３３、第２の液晶層３５に同一材料を用いて、その組成比のみを変えることで各閾値電圧を調整することができ、材料に無駄のない生産性の良い素子を提供できる。図６にその構造を備えた反射型液晶素子のモデル図を示す。
【００４９】
ＮＣＡＰの作製方法には、カプセル化法、重合相分離法、熱相分離法及び溶媒蒸発相分離法等、様々な技術がある。特に光重合を用いる重合相分離法（以後、光重合相分離法と記す）および溶媒蒸発相分離法が比較的簡単で大面積に対応できる方式である。
【００５０】
光重合相分離法とは、光重合性モノマーと液晶材料を混合した溶液にＵＶを照射することで、その重合反応過程において高分子樹脂と液晶の相分離をさせながら液晶カプセルを形成する方法である。ＵＶの強度が大きいほど直径が小さくなり、逆にＵＶの強度が小さいほど直径の大きな液晶カプセルが形成される。同一組成の場合、液晶カプセルの直径が小さいほど、閾値電圧は高くなる関係がある。
【００５１】
溶剤蒸発相分離法では、高分子樹脂と液晶材料を溶媒に溶解した溶液状態で塗布した後、溶媒を乾燥する過程において、溶剤に対する液晶と高分子樹脂の溶解度の差により相分離する現象が生じ、液晶カプセルが形成される。この乾燥速度が速いほど直径が小さくなり、逆に遅いと直径の大きな液晶カプセルが形成される。直径と閾値電圧の関係は光重合相分離法で作製したＮＣＡＰと同じである。
【００５２】
かように液晶カプセルの直径を、光重合相分離法ではＵＶ照射強度、溶媒蒸発相分離法では乾燥速度の条件を変えるだけ制御できるため、製造工程が簡略化により生産性が高い素子を提供できる。また、同一組成の材料で閾値電圧が異なる液晶相を簡便に作り分けることができるため、材料の利用効率が高い。図７にその構造を備えた反射型液晶素子のモデル図を示す。
【００５３】
図４に示すＰＮＬＣの液晶相の作製方法としては、光重合相分離法が用いられる。この方法はＮＣＡＰでの光重合相分離法と同様で、光重合性モノマーと液晶材料を混合した溶液にＵＶを照射することで、その重合反応過程において高分子樹脂と液晶の相分離をさせながら高分子マトリックスを形成し、そのマトリックス中に液晶を分散させる方法である。
【００５４】
同一材料であっても、液晶濃度が高い組成で形成したＰＮＬＣの液晶層の閾値電圧は低くなる。第１液晶層３３、第２の液晶層３５を同一組成のＰＮＬＣでその組成比を変えて各液晶層を形成することで、図１の透明分離層３４及び図２の透明導電性膜４０のような２つの液晶層を分離する層が必要ないことになる。従って各液晶層を構成する高分子及び液晶を同一材料で作製することで、材料の利用効率の高い製造が可能となる。また、第１液晶層３３と第２液晶層３５を一対の基板間において密接して配置することができ、素子構造を簡略にし、生産性にも優れた素子を提供できる。図８にその構造を備えた反射型液晶素子のモデル図を示す。
【００５５】
また、同一組成であっても、ＰＮＬＣ作製時の、ＵＶの強度が大きいほど高分子マトリックスが細かく密に形成され、逆にＵＶの強度が小さいほど高分子マトリックスが粗く疎に形成される。このとき、高分子マトリックスが疎であるほど閾値電圧は低くなる。ＮＣＡＰでの場合と同様に同一組成の材料をもちいて、ＵＶ強度の条件のみを変えることで閾値電圧の異なる液晶層を形成できるため、生産性が高く、材料の利用効率の高い素子を提供できる。図９にその構造を備えた反射型液晶素子のモデル図を示す。
【００５６】
第１液晶層３３、第２の液晶層３５の一方をＮＣＡＰとし、他方をＰＮＬＣで形成することでも、透明分離層３４や透明導電性膜４０が必要のない簡単な構造の素子を提供できる。図１０にその構造を備えた反射型液晶素子のモデル図を示す。
【００５７】
通常の液晶素子を製造する場合、液晶は流動体であるために基板間配置するためには、真空注入法等による工程が必要になり、そのための製造装置も設置しなければならない。本実施形態の液晶層は高分子樹脂もしくは高分子マトリックス中に液晶が分散された自己保持性の層になっているので、基板面にフレキソ印刷、スクリーン印刷、もしくはスピンコート法等の簡便な方法で液晶層を形成できる。
【００５８】
例えば光重合層分離法でＮＣＡＰあるいはＰＮＬＣの液晶層を作製する場合、基板上に、前記の方法で所定量の光重合性モノマーと液晶材料を混合した溶液を塗布した後、ＵＶを照射することで簡便に液晶層を形成できる。
【００５９】
ＵＶ硬化においては、酸素阻害により重合しない材料もあるが、そのような場合は窒素雰囲気中でＵＶ照射することで目的を達することができる。かように、第１、第２の液晶層を、上下１対の基板それぞれに形成した後に貼り合わせるという簡便で生産性の高い製造方法が可能になる。
【００６０】
図１のモデル図に示した透明基板３１として、プラスチック基板を用いることは素子及び光学装置を薄型、軽量にできるという利点がある。プラスチック基板としては、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアクリレート系、ポリエーテル系など、汎用の高分子材料を用いることができるが、ガス透過性（水分、酸素、窒素）が少なく、可視光の透過性が高く、線膨張係数が小さく、耐熱性の高い材料が好ましい。特に厚み２５０μｍ以下のものを使用することが軽量性、厚みの点で好ましく、また、フィルム状でロールｔｏロール工法により成膜できるため、生産性に優れ、コスト面でも有利である。基板の厚みが薄くなるに従い、外部圧力に対する変形もし易くなるため、液晶層の変形や、液晶層内での気泡の発生等の不具合が発生する危険性も上昇することとなる。本実施形態ではこのような薄いプラスチックフィルムを用いたときでも、ＮＣＡＰやＰＮＬＣを液晶層にしているため、その高分子樹脂あるいは高分子マトリックスにより液晶層が自己保持性を有していて機械強度に強く信頼性上も問題がない。
【００６１】
プラスチック基板にはポリカーボネイト（ＰＣ）あるいは、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）を用いることが好ましい。このような材質の２５０μｍ程度の基板は、可視光の透過性、耐熱性（〜１５０度）、基板の軽量性、厚みの点に優れ表示素子を形成した場合、表示品質が高く、軽量性、可撓性、生産性に優れる液晶素子及び表示装置を提供できる。
【００６２】
本実施形態のＮＣＡＰやＰＮＬＣの液晶層を用いた表示装置においては、多数の液晶素子毎にスイッチング素子で駆動することでコントラストの高い表示をすることが必要である。スイッチング素子としては、二つの電極間に絶縁層を設けたＭＩＭ素子に代表されるような薄膜二端子素子や三端子素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などを使用することができるが、スイッチング性能や階調制御性の点から特に薄膜トランジスタが好ましい。
【００６３】
図１１は薄膜トランジスタが各液晶素子毎に設けられた表示装置（６素子分）の一例を断面図で示している。密接して配置された第１液晶層、第２液晶層は簡略化して液晶層１０１として示してある。薄膜トランジスタ１０４は各素子に対応する透明電極１０６の下に設けられ、光吸収層１０５と層間絶縁膜１０７に設けられたコンタクトホール１０８を介して透明電極１０６に導通している。
【００６４】
図１２は薄膜トランジスタ１０４の構造を簡略化して示したものである。基板１０２としてガラス、プラスチック等の絶縁体または表面を絶縁化した金属を用いる。観察者側の基板１０９は光学的に透明なガラスやプラスチック等を用い、共通電極として透明電極１０３が形成されている。１１０はゲート電極で、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ等の金属薄膜からなる。１１１はゲート絶縁膜で、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＰＬＺＴ、シアノメチルプルラン、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリメチルメタクリレート、パリレン等の絶縁体薄膜からなる。１１２はａ−Ｓｉ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の半導体薄膜からなるチャネル、１１３はソース電極、１１４はドレイン電極で、それぞれＡｌ、Ｃｒ、Ａｕ等の金属薄膜からなる。１０７は層間絶縁膜で、ＳｉＯ_ｘ、ポリイミド、パリレン等からなる。１０８はコンタクトホールで、Ｗ等のコンタクトメタルで穴埋めされている。これらはスパッタリング法、ＣＶＤ法、塗布法等の薄膜形成技術とウェットエッチング法、ドライエッチング法等のパターンニング技術とを組み合わせた公知の方法で作製することができる。薄膜トランジスタ１０４はゲート電極１１０に印加する電圧と、ソース電極１１３とドレイン電極１１４間に印加する電圧とで、ソースからドレインに流れる電流を制御する能動素子であるが、一定時間電流を流した後にゲート電圧をオフにすると液晶素子が持つ静電容量によって電荷が蓄積され電極１０６の電位が上昇する。これによって、液晶素子に電圧が印加される。
【００６５】
薄膜トランジスタの構造としては、上記のもの（逆スタガー型）以外に、ソース・ドレイン電極と半導体薄膜の順序を入れ替えたもの（プレーナ型）やゲート電極が最上層となるもの（スタガー型）等であってもよい。
【００６６】
薄膜トランジスタ１０４を構成する材料の内、特に半導体層としてａ−Ｓｉ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の材料を用いると成膜温度が高いこと、装置が複雑で高価であること等から、軽量で壊れにくいプラスチック基板上に作製することができない、製造コストが高くなる等の問題がある。そこで、少なくとも薄膜トランジスタを構成する半導体層が有機物からなるものであることが好ましい。有機半導体材料は真空蒸着法や、スピンコート等の塗布法といった比較的簡便な方法で室温付近の温度での成膜が可能であるため、プラスチック基板が使用でき、また製造コストを低減できる。有機半導体材料として、ペンタセン、フタロシアニン等の低分子やポリアセチレン系導電性高分子、ポリパラフェニレン及びその誘導体、ポリフェニレンビニレン及びその誘導体等のポリフェニレン系導電性高分子、ポリピロール及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリフラン及びその誘導体等の複素環系導電性高分子、ポリアニリン及びその誘導体等のイオン性導電性高分子があげられる。またこれら導電性高分子は、適当なドーパントをドーピングすることにより導電率を高くして用いてもよい。ドーピングに用いられるドーパントとしては、ポリスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ナフタレンスルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸等の蒸気圧の低いものを用いるのが好ましい。
【００６７】
＜実施例１＞
図１に示す構造で透明基板３１、３６としてガラス基板を用い、透明電極３２を酸化インジウム膜（以後、ＩＴＯ膜と記す）で形成した。光吸収層３７はブラッククロムを真空成膜で透明基板３６の背面に形成した。第１液晶層３３としてＰＮＬＣを、大日本インキ化学工業（株）製のＰＮＬＣ用の液晶組成物、モノマー組成物、および重合開始剤の混合物（製品名：ＰＮＭ−１０６）に、高圧水銀ランプにより波長３６５ｎｍ中心の紫外線（強度５０ｍＷ／ｃｍ２）を２分間照射し膜厚１５μｍで形成した。第２液晶層３５としては、同じく大日本インキ化学工業（株）製のＰＮＬＣ用の液晶組成物、モノマー組成物、および重合開始剤の混合物（製品名：ＰＮＭ−１０１）に同様の装置で紫外線（強度５０ｍＷ／ｃｍ２）を２分間照射して膜厚１５μｍのＰＮＬＣを形成した。透明分離層３４としては両面にＩＴＯ膜のついた厚み５０μｍのＰＥＳフィルムを配置した。通常の構成である図１５で調光層２３をＰＮＭ−１０１あるいはＰＮＭ−１０６を用いて３０μｍ膜厚で形成し、鏡面光沢のない光吸収層２６を配置した場合、白表示の反射率は２０％以下であるが、実施例１においては２２％の反射率を示した。また、駆動電圧７Ｖで第１液晶層３３（ＰＮＭ１０６で作製した層）は、散乱のない透明状態になるが、第２液晶層はわずかに散乱しており（反射率で２％程度）鏡面光沢のある光吸収層３７の反射が視認できない程度で充分な黒状態を示した。反射率は図１３に示す測定系で測定したものである。
【００６８】
＜実施例２＞
第１液晶層３３として、ＩＴＯ膜のついたガラス基板上にＰＮＭ−１０１を塗布して、窒素雰囲気中でＵＶ照射強度３０ｍＷ／ｃｍ２で２分間照射して膜厚１５μｍのＰＮＬＣを作製した。この液晶層の高分子マトリックス中に液晶が約３μｍ程度の空間に分散した状態であることが顕微鏡観察で確認できた。第２液晶層３５として、ＵＶ照射強度５０ｍＷ／ｃｍ２で２分間の照射で膜厚１５μｍのＰＮＬＣを同様の手順で、実施例１に示した光吸収層を有するガラス基板上に形成した。高分子マトリックス中に約２μｍ程度の空間に液晶が分散していた。この２枚の基板を液晶層が密接するように貼り合わせ、液晶素子を作製した。
【００６９】
実施例２での液晶素子においても、反射率は２２％の明るい白表示が得られ、また駆動電圧２０Ｖで第１液晶層３３は、散乱のない透明状態になるが、第２液晶層３５はわずかに散乱しており（反射率で３％程度）鏡面光沢のある光吸収層３７の反射が視認できない程度で充分な黒状態を示した。
【００７０】
＜実施例３＞
実施例２においてガラス基板にかえてＰＥＳ基板（厚み１００μｍ）を用いた。一方の基板背面に、カラー表示液晶装置で用いられるブラックレジスト（黒色の吸収層）上に屈折率が１．３４と１．６を示す有機材料を交互に積層して鏡面光沢を有する光吸収層を形成した。第１液晶層３３、第２液晶層３５は実施例２と同様の材料、作製法で形成した。すると実施例３の素子でも、実施例２と同等の特性が得られた。
【００７１】
＜実施例４＞
先述した薄膜トランジスタ１０４をガラス基板上に形成し、液晶層３３、３５は実施例２と同様の材料、作製法で作製した。すると多数に配列された各液晶素子が均一に駆動され、実施例２で得られた表示特性が表示装置の表示部全面に忠実に実現することができた。
【００７２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の液晶素子によれば、電界により光散乱状態と光透過状態が制御可能な第１の液晶層と、同様に散乱状態と光透過状態の制御可能な第２の液晶層とが積層され、さらに第２の液晶層の、第１液晶層とは反対側に鏡面光沢を有する光吸収層を具備していることで、液晶層の積層による白表示での反射率を高めることができ、さらに、鏡面光沢を有する光吸収層を設けて、その反射成分をも利用することで白表示の反射率をさらに高めることができる。また黒表示ではいずれか一方の液晶層の光透過率を制御して黒表示面からの反射光を散乱させることで視認性の良い反射型液晶素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の反射型液晶素子のモデル図である。
【図２】本実施形態の反射型液晶素子の別のモデル図である。
【図３】ＮＣＡＰ方式の液晶層構造のモデル図である。
【図４】ＰＮＬＣ方式の液晶層構造のモデル図である。
【図５】液晶カプセル５１中の液晶の材料が互いに異なるＮＣＡＰ方式の液晶層を備えた反射型素子のモデル図である。
【図６】液晶カプセル５１中の液晶の組成比が互いに異なるＮＣＡＰ方式の液晶層を備えた反射型素子のモデル図である。
【図７】液晶カプセル５１の直径が互いに異なるＮＣＡＰ方式の液晶層を備えた反射型素子のモデル図である。
【図８】液晶６１の組成比が互いに異なるＰＮＬＣ方式の液晶層を備えた反射型素子のモデル図である。
【図９】高分子マトリックス樹脂６２の疎密が互いに異なるＰＮＬＣ方式の液晶層を備えた反射型素子のモデル図である。
【図１０】ＮＣＡＰ方式の液晶層とＰＮＬＣ方式の液晶層を各々備えた反射型素子のモデル図である。
【図１１】薄膜トランジスタ１０４が各液晶素子毎に設けられた表示装置（６素子分）の断面図である。
【図１２】薄膜トランジスタ１０４の構造の簡略図である。
【図１３】実施例１から４にて液晶素子の反射率を測定するときの測定系である。
【図１４】ゲスト・ホスト型の反射型ディスプレイの構成例である。
【図１５】散乱型の反射型ディスプレイの構成例である。
【符号の説明】
３１、３６透明基板
３２透明電極
３３第１液晶層
３４透明分離層
３５第２液晶層
３７光吸収層
５１液晶カプセル
５２高分子樹脂
６１液晶
６２高分子マトリックス樹脂
１０４薄膜トランジスタ

Claims

電界を印加し、層状の構造を有する透明電極と、前記透明電極により印加された電界により光散乱状態と光透過状態の何れかの状態が制御可能な液晶層と、鏡面光沢を有する光吸収層と、前記透明電極、前記液晶層、前記光吸収層を保持する透明基板とを備えて積層構造をなす反射型液晶素子であって、
前記液晶層は、第１の液晶層と、第２の液晶層とが積層された構造をとり、各液晶層のとりうる該状態は前記透明電極により印加された電界により個別に制御され、
前記光吸収層は前記第２の液晶層に対し、前記第１の液晶層の反対側に備えたことを特徴とする反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層の間に、各液晶層を分離し、導電性を備える透明導電性膜を備え、前記第１及び第２の液晶層の閾値電圧が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層は、高分子分散型液晶カプセルもしくは高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層の何れかであることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層は、高分子分散型液晶カプセルよりなる散乱性調光層であり、前記第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層は、高分子分散型液晶カプセルよりなる散乱性調光層であり、前記散乱性調光層を構成する高分子及び液晶の材料は同一であり、組成比は互いに異なる構成であり、前記第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層が高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層であり、前記散乱性調光層を構成する高分子及び液晶の材料は同一であり、組成比は互いに異なる構成であり、前記第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の反射型液晶素子。
前記第１または第２の液晶層の一方が高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層であり、他の一方の液晶層が高分子分散型液晶カプセルよりなる散乱性調光層であり、前記第１及び第２の液晶層が一対の基板間において密接して配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層がともに高分子及び液晶が同一組成材料で構成される高分子分散型液晶カプセルの散乱性調光層であり、一方の液晶層の液晶カプセルの直径が他の一方の液晶層の直径より大きく、閾値電圧が低くなるようにしたことを特徴とする請求項２、３、５の何れか１項に記載の反射型液晶素子。
前記第１及び第２の液晶層がともに高分子及び液晶が同一組成材料で構成される高分子マトリックス中に液晶を分散させた散乱性調光層であり、一方の液晶層の高分子マトリックスが他の一方の液晶層の高分子マトリックスより疎で、閾値電圧が低くなるようにしたことを特徴とする請求項２、３、６の何れか１項に記載の反射型液晶素子。
前記鏡面光沢を有する前記光吸収層は、フラットもしくはなめらかな凹凸の表面を有する黒色の物質よりなる層であることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の反射型液晶素子。
前記鏡面光沢を有する前記光吸収層は、黒色材料層上に誘電体を多層に積層したものであることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の反射型液晶素子。
前記透明基板は、厚み２５０μｍ以下のプラスチック基板であることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の反射型液晶素子。
第１の基板に電界により光散乱状態と光透過状態の何れかの状態をとる第１の液晶層を形成する第１形成工程と、第２の基板に鏡面光沢を有する光吸収層を形成する第２形成工程と、前記第２の基板に、前記光吸収層とは反対側に電界により光散乱状態と光透過状態の何れかの状態をとる第２の液晶層を積層して形成する第３形成工程と、前記第１、第２両基板の各液晶層を互いに接するように重ね合わせる第４形成工程を備えることを特徴とする反射型液晶素子の製造方法。
電極を備えた一対の基板間に請求項１から１２の何れか１項に記載の反射型液晶素子が複数配置されており、前記反射型液晶素子を独立に駆動する薄膜トランジスタのスイッチング素子を具備することを特徴とする表示装置。
前記反射型液晶素子を構成する透明基板は、厚み２５０μｍ以下のプラスチック基板であることを特徴とする請求項１４に記載の表示装置。
前記薄膜トランジスタを構成する半導体層が有機物からなることを特徴とする請求項１４または１５に記載の表示装置。