JPH06102490A - 分散型液晶電気光学装置の作製方法 - Google Patents

分散型液晶電気光学装置の作製方法

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JPH06102490A
JPH06102490A JP4275397A JP27539792A JPH06102490A JP H06102490 A JPH06102490 A JP H06102490A JP 4275397 A JP4275397 A JP 4275397A JP 27539792 A JP27539792 A JP 27539792A JP H06102490 A JPH06102490 A JP H06102490A
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resin
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type liquid
voltage
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Toshimitsu Konuma
利光 小沼
Takeshi Nishi
毅 西
Michio Shimizu
清水美知緒
Koji Moriya
幸司 森谷
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶電気光学装置の作製方法を提案する。 【構成】1対の基板間に挟持された液晶と未硬化な樹脂
の混合系に電圧を印加した状態で樹脂を硬化すること
で、高抵抗、高電圧保持率を実現した液晶電気光学装置
の作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の利用分野】本発明は、電圧を印加しながら樹脂
を硬化して作製する高抵抗、高電圧保持率の分散型液晶
装置を作製する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】液晶材料を利用した大面積かつ大表示容
量を有した液晶ディスプレイが各種提案されまたは実用
化されている。例えばシャットらはアプライド フィジ
クス レター(M. Schadt, et al.; Applied Physics L
etter, 18(14), 127(1971).)にツイステッドネマチッ
ク(TN)液晶について発表した。現在時計や液晶テレ
ビにも応用されており最も汎用的な液晶として使われて
いる。またシェーファーらはアプライド フィジクス
レター(T.J. Scheffer, et al.; Applied PhysicsLett
er, 45, 1021(1984).)にスーパーツイスティッドネマ
チック(STN)ディスプレイについて発表した。これ
はワードプロセッサー等に広く利用されている。クラー
クらがアプライド フィジクス レター(Clark, et a
l.; Applied Phisics letter, 36、 899(1980))で強誘
電性液晶を発表し、メモリー性を利用した大容量ディス
プレイが期待されている。
【0003】これらのディスプレイはいづれも偏光板を
利用しものである。偏光板の透過率は40%程度であ
り、通常それを2枚使用するためにディスプレイの最大
透過率は20〜30%となり、暗いディスプレイと成
る。その問題を解決する方法として偏光板を利用した分
散型液晶が注目されている。
【0004】分散型液晶を図1を用いて説明する。電極
101、101’が対向した2枚の基板100、10
0’間に通常ネマチック液晶と未硬化の樹脂を混合液晶
がセルに注入される。その次に未硬化な樹脂が硬化する
べく手段を外部より施す。その手段とは未硬化樹脂が紫
外線硬化樹脂ならばセルに紫外線を照射する事である。
エポキシ樹脂ならば熱をかける事を意味する。それによ
り樹脂は硬化し液晶と樹脂の混合系から樹脂が分離され
る。その時に特定の条件の元では無数の球状の液晶10
2を樹脂103が取り囲むような状態となる。このよう
な形状が分散型液晶にとって必要となる。入射した光は
球状液晶を核として散乱するからである。散乱効果を高
めるためには、液晶と樹脂の屈折率を制御する必要があ
る。電界を印加した時に液晶の屈折率を樹脂の屈折率と
一致させると、液晶と樹脂からなる空間でも光学的に一
様な空間となる為に光は直進する。一方、電界を印加し
ない時に樹脂と液晶の屈折率の差が大きくすると球状液
晶の所で屈折し、入射した光は散乱する。これを分散型
液晶(PDLCともいう)と称する。
【0005】分散型液晶はセル内部での液晶と樹脂の屈
折率の一致、不一致を電界を印加して制御して、散乱と
透過状態を作るものである。従って偏光板を用いる必要
がなく、透過状態の透過率は80〜90%に達し透明な
ガラスの様に見える。投射形テレビ等の大光量投射光を
扱うディスプレイにとっては、高透過率な分散型液晶は
きわめて有効な手段となる。電界OFF時の散乱状態は
目視すれば白色となるが投射状態にすれば所定のアパー
チャーで散乱光を遮閉すれば黒状態が得られ、分散型液
晶の投射形テレビとして十分に使える。また直視タイプ
のディスプレイとしても紙のように見える電子ディスプ
レイとして有望視されている
【0006】
【発明が解決しようとする課題】分散型液晶は上述のよ
うに非常に優れた特徴を有しながらも分散型液晶系の抵
抗を上げることが難しいという問題があった。この問題
を解決しなければ実用化に結びつかないのが現状であ
る。それに関して以下に述べる。
【0007】まずは分散型液晶に使用される液晶材料に
ついて述べる。分散型液晶での散乱効率を高くする為に
は樹脂と液晶屈折率差を大きくする必要がある。実際に
は液晶の常光屈折率と異常光屈折率の差、つまり屈折率
異方性の大きな液晶を選択する。かつ透過性を向上させ
る為には常光屈折率を樹脂の屈折率と一致させる必要が
ある。屈折率異方性の値の大きな液晶材料は通常シアノ
ビフェニル系の液晶材料である。シアノビフェニル液晶
の作製は容易ではあるが、不純物を含有しやすい事や、
液晶分子が2つに付着した2量体となったり基板界面へ
の吸着効果などもあり、高抵抗の液晶セルを作ることが
難しかった。
【0008】さらには作製方法にも問題があった。分散
型液晶の作製方法が、液晶材料とアクリル等の紫外線硬
化樹脂の前駆体樹脂との混合物を空の液晶セルに注入
し、その後に紫外線を照射して液晶セル内部の樹脂を硬
化させるといった手法をとっている。樹脂の含有量は5
0〜90%程度であり、樹脂にとっては液晶という溶媒
の中に漂いながら硬化しなければならず、紫外線の照射
によって発生した反応開始剤からのラジカルが樹脂前駆
体のみならず、溶媒となった液晶の方にも衝突する為に
どうしても樹脂の硬化効率が低く、長時間の紫外線照射
を必要としたり、高強度紫外線照射の必要があった。そ
の結果は前述の液晶材料自身へも悪影響を与える事は言
うまでもない。
【0009】このような分散型液晶を実際のディスプレ
イにした時の事を考えてみる。分散型液晶を薄膜トラン
ジスタ(TFT)と組合わせた液晶デバイスには高精細
な液晶ディスプレイが期待できる。TFTで駆動する場
合には、TFTのゲートに電圧が印加され、ソース側の
信号電位がドレイン側に伝わり、液晶に電圧が加わる事
になる。その後はゲートが閉じてソースとドレイン間は
高抵抗な状態となる。液晶に蓄えられた電荷はソース−
ドレイン間及び液晶側でのリークが無ければそのまま保
持され、液晶には一定の電圧が印加されることとなる。
しかしながら、PDLCの抵抗が低いとON状態で蓄え
られた電荷が液晶内部に消費され、液晶の電位が低下し
てしまう。
【0010】この現象を評価する尺度として電圧保持率
が使われる。電圧印加後の液晶の電位の変化を実効値
を、電位の変化の無い時の電位の実効値との割合で求め
られる。シアノビフェニル系液晶を用いた分散型液晶の
電圧保持率は50%以下となりかなり低いこととなる。
このような状態では実質電圧保持率100%である方形
波を印加した時の電圧−透過率特性とTFTで駆動した
時のそれは大きく異なることになる。PDLCの電圧保
持率が50%以下ならば同一の透過率を得るのに2倍以
上の電圧が必要となる。
【0011】またこのような電圧保持率では印加電圧値
によって電圧保持率が変化する事も多く、電圧−透過率
特性にヒステリシスが発生する。印加電圧に対して透過
状態が一義的に決まらなくなり階調制御が難しくなる。
電圧−透過特性のしきい値電圧と飽和電圧の差が例えば
4Vであるとするならばこの間で16階調を電圧階調の
みで行うとすると4/16=0.25(V)刻みの電圧
差で明確な透過率差を得なければならない。これを実現
するためには電圧保持率の高い状態を確保する必要があ
る。この状態のままでTFTで駆動し良好な表示を得る
ことは非常に難しい。
【0012】
【課題を解決するための手段】
〔第1発明〕一対の電極間に液晶材料と透光性樹脂とを
有する分散型の液晶電気光学装置において、前記電極間
に注入された未硬化の透光性樹脂を含んだ液晶材料に対
し、前記電極を介して外部電源より電界を印加する工程
と、前記未硬化樹脂を硬化させる工程とを有する分散型
液晶電気光学装置の作製方法。
【0013】〔第2発明〕請求項1に示す未硬化樹脂が
紫外線硬化樹脂の時には硬化工程にて紫外線を用い、熱
硬化樹脂の時には熱源を使用する分散型液晶電気光学装
置の作製方法。
【0014】〔第3発明〕一対の電極間に液晶材料と透
光性樹脂とを有する分散型の液晶電気光学装置におい
て、前記電極間に注入された未硬化の透光性樹脂を含ん
だ液晶材料に対し、前記電極を介して外部電源より電界
を印加する工程と、前記電界を印加しながら、前記未硬
化樹脂を硬化させる工程とを有する分散型液晶電気光学
装置の作製方法。
【0015】〔第4発明〕請求項3に記載の分散型液晶
電気光学装置の作製方法において前記液晶材料に電界を
印加した際に前記一対の電極間に流れる電流のピークの
後に前記透光性の樹脂を硬化させることを特徴とする分
散型液晶電気光学装置の作製方法。
【0016】〔第5発明〕液晶材料と透光性樹脂とを有
する分散型の液晶電気光学装置において、前記電極間に
注入された未硬化の透光性樹脂を含んだ液晶材料に対
し、前記液晶材料を挟んだ位置に設けられた電極を介し
て外部電源より電界を印加する工程と、前記未硬化樹脂
を硬化させる工程とを有する分散型液晶電気光学装置の
作製方法。
【0017】
【作用】本発明について述べる前に前述の液晶を含んだ
液晶セルの電気的な特性について詳細に記述する。透過
性基板上に電極を形成した基板を電極を内側にして対向
させたセルに樹脂を含んだ液晶材料を注入させる。これ
にリード線を接続し外部電源から方形波を印加させる。
例えば波高値5V、周波数を10Hzである。波形を印
加しながら液晶セルに流れる電流を測定する。図2に測
定結果を示す。波形の電圧方向110が変化してから数
10m秒に電流のピーク111が現れ、同じ方向の電界
がかかり続ける間は電流は減少する。これは電界印加に
伴ってセル内部を移動し電極表面に達する電荷が存在し
ている事を現している。そして一定方向の電圧を印加し
ていればセル中央部には移動電荷は減少し、高抵抗な状
態となるわけである。換言すれば液晶材料の中にはこの
ような電荷が存在し系の低抵抗化の原因となっている。
従ってこの電荷をセル内部で移動する事なく、一つの場
所に固定化してやれば液晶部が高抵抗な状態を保つこと
が出来るわけである。
【0018】本発明者らは上記のような知見に基づき、
本発明に至ったものである。即ち、TN液晶の様に電極
間を一様に液体の液晶で満たされている場合には移動電
荷の固定化は難しい。しかし分散型液晶の場合には、液
晶材料の中に透光性の樹脂を含有しているために、この
樹脂部分に前述の移動電荷を集め、固定化することで、
十分な電圧保持を実現することができる。
【0019】図3に本発明の方法の概略を示した。樹脂
を含んだ液晶材料を電極101、101’を伴うセルに
注入する。注入したセルに電源120より一定の時間の
直流電圧を印加してやる。電圧値としては1〜10Vの
直流電界を数秒から数100秒印加してやる。印加する
電流は直流でなくても周波数の遅い交流での構わない。
それにより系内部を流れる電流を電流計121で測定す
ると、電流値は初期の1/5〜1/100に低下する。
液晶樹脂混合系内部にあり系の抵抗を下げていた電荷を
電極面近傍に偏析させることが出来る。
【0020】その状態で紫外線源122より紫外線を照
射するか、図3には記していないが熱源より加熱し樹脂
を硬化してやれば電荷を透光性の樹脂内部に閉じ込める
事が出来る。特に樹脂を硬化した時の液晶が球形の状態
と成るときには電極近傍には液晶でなく樹脂が来るため
に、その中に移動電荷を埋没させることが出来る。樹脂
が硬化をすれば電荷はそれ以降移動する事がなく、液晶
部は高抵抗状態を保つことが出来るのである。また、移
動電荷を効果的に移動させ、かつ閉じ込めをするために
は温度を室温よりも上昇させた状態で電圧を印加し樹脂
を硬化するのも効果的である。以下実施例を用いて説明
する。
【0021】
【実施例】
〔実施例1〕透過性基板100、100’にITO10
1、101’(インジウム・チン・オキサイド)の透過
性電極をスパッタ法を用いて1000オングストローム
を成膜した。この時のシート抵抗は30Ω/cm2 であ
った。これを通常のフォトリソ工程で所定のパターンと
した。この基板を2枚用意し、一方の基板上に10μm
の酸化珪素球スペーサを乾式法を用いて散布した。他方
の基板にはエポキシ樹脂をスクリーン印刷機で外周のシ
ール124の印刷を行い前記スペーサー(特に記してい
ない)を散布した基板とはりあわせて加圧し加熱硬化し
た。セル厚は、9.8〜10.2μmであった。
【0022】これに液晶と紫外線硬化樹脂を混合したも
のを真空注入した。液晶はメルク製BL001で紫外線
硬化樹脂はノーランド製NOA65であった。液晶の常
光の屈折率は1.521であり、異常光の屈折率は1.
746であった。NOA65の屈折率は1.524であ
った。電圧を印加し電界方向と液晶分子軸が平行となっ
た時に高透過率なる必要がある。そのために常光の液晶
の屈折率と樹脂の屈折率を一致させ、系内を光学的に一
様にさせるなければならない。一方無電界時の散乱特性
を効率よく行うためには樹脂と液晶の屈折率差を大きく
する必要がある。つまり液晶の屈折率異方性(常光屈折
率と異常光屈折率の差)の大きな材料を選択した。本実
験では液晶材料BL001と紫外線硬化樹脂を重量比
7:3で混合した。このBL001の等方相−ネマチッ
ク相の転移点(NI点)は61℃であり、樹脂との混合
物の転移点は19℃であった。均質なPDLCを作製す
るためには等方相状態で樹脂を硬化させる必要がある。
本実験では25〜35℃範囲で行った。
【0023】液晶と樹脂の混合系を注入した液晶セルに
リード線を接続し、電源よりセルに直流電流を加えた。
本実施例では比較を同時に行なうため、同様の構成の液
晶セルに対して、2Vと5Vを印加し、その時の系に流
れる電流の変化を測定した。1分間測定を行った結果を
図4に示した。図よりわかるように、液晶材料を挟んだ
電極間に流れる電流値は電圧が印加されている間暫時低
下した。また、印加電圧が大きいほどこの電流値は大き
くなった。
【0024】このように電圧印加により系内の電荷の所
在を制御することが出来る。液晶と樹脂の混合系内に浮
遊している電荷を電界を印加して電極近傍に遍在させる
ことが出来る。電圧を印加開始の10秒後に紫外線を照
射した。紫外線源としては高圧水銀ランプを用いた。3
65nmのバンドパスフィルターを介して同波長のみの
光をセルに照射した。本樹脂に含有されている反応開始
剤の吸収波長は365nmであり、樹脂硬化のためには
吸収波長に最適な光を照射した方が良い。樹脂硬化に必
要が無い光は液晶材料を分解させ、不安定な状態にする
だけである。
【0025】この紫外光の照射強度は10mW/cm2
であり、約2分間照射し、樹脂を硬化し、移動電荷を固
定化した。その時のPDLCの電圧保持率を測定したと
ころ電圧保持率は印加電圧の増加にともなって上昇し、
2Vの電圧印加の場合で約55%、5Vで約68%の電
圧保持率を有しており、また分散型液晶としての電気光
学特性としては、散乱透過率は2%、電圧印加時の透過
状態での透過率は85%であり、非常に良好なPDLC
を形成することが出来た。
【0026】また、電圧印加を行い、移動電荷を局在化
する際の温度を上昇させても電荷の移動を容易に行うこ
とが出来る。印加電圧を2Vとして硬化させる時の温度
を25℃からさらに35℃まで上昇させてPDLCを作
製した場合、この時の電圧保持率は、電界を印加しない
で作製したPDLCのそれよりも5〜22ポイント上昇
した。しかし、この時、温度を上げすぎると、光学特
性、特に散乱透過率が10〜40%となり良好とはいえ
なくなる傾向があった、そのため、使用する液晶材料の
特性、および樹脂の種類に合わせて適度に加熱すること
が好ましかった。
【0027】〔実施例2〕実施例1と同様の手法により
透過性電極を形成した透過性基板を対抗させてセルを形
成した。この液晶セルのセル間隔は10μmであった。
PDLCの為の樹脂としては熱硬化型シェル化学製Ep
ikoteを液晶材料としてBL001を用いた。ここ
で用いた樹脂は常温で液体であり分子量380のエポキ
シ接着剤である。樹脂と液晶の比率は7:3であり、室
温における混合系のNI点は室温以下であった。
【0028】同様の液晶セルを多数作製し、移動電荷を
局在化させる工程で印加する電圧を0〜10Vまで変化
させて、PDLCを作製した。混合系に電圧を印加する
と電流ピークが測定された。電圧を印加しながら液晶セ
ルを70〜120℃で硬化し、分散型の液晶電気光学装
置を完成した。
【0029】このように作製した液晶電気光学装置の電
圧保持率を測定した結果を図5に示す。図より明らかな
ように、ある電圧以上を加えても電圧保持率には変化し
ない領域が見られた。この領域は使用する液晶材料、樹
脂材料および基板間隔等を変更しても、認められる領域
で、0.5V/μm以上の電界を印加すれば、ほぼ同じ
ような電圧保持率を実現することができた。表1に代表
的な印加電圧と光学特性の値を抜き出して示す。
【0030】
【表1】
【0031】以上のように電圧印加により作製したPD
LCの電圧保持率は、電界無印加によるPDLCのそれ
と比較して電圧保持率の向上が確認された。その時の散
乱透過率は良好であった。また、1V/μmを越える電
界を加えた場合、樹脂硬化の際に形成される球状液晶の
外形寸法が成長して大きくなるために、散乱透過率が増
加し、液晶を駆動するために電界を印加した時との差
(コントラスト)が執れなくなる傾向があった。
【0032】
【実施例3】ポリシリコンTFTを備えた基板でセルを
作製しその中に本発明によるPDLCを形成した。ポリ
シリコンTFTの形成方法を簡単に記載する。コーニン
グ社製#7059基板に下地の酸化珪素膜を形成し、そ
の上に活性層のアモルファスシリコン半導体膜をCVD
法で形成し、次に保護の酸化珪素層を成膜した。熱結晶
化後4フッ化炭素によるドライエッチング法でパターニ
ングした。次にゲート絶縁膜として酸化珪素膜を成膜し
た。
【0033】次にゲート電極として電子ビーム蒸着法で
アルミニウム被膜を成膜した。このアルミニューム膜を
パターニング後、このアルミニューム膜に陽極酸化処理
を施し1500Åの酸化アルミニウムAl2 3 層を形
成した。つぎにリンとボロンをイオン注入機で半導体層
に注入後エキシマレーザーでソースとドレイン領域の活
性化を行った。その後、アルミニューム膜上に層間の酸
化珪素の成膜、パターニング、電極形成等の処理を施し
た。
【0034】次に水素アニールを行いTFTを完成させ
た。次に液晶用基板とするために保護膜として窒化珪素
膜を形成後、画素電極としてITOをスパッタ法で成膜
し、パターニングした。これを基板として後は実施例1
に示したように10μmのセルを作製した。液晶材料と
しては樹脂として紫外線硬化樹脂であるNOA65と液
晶としてBL001を7:3で混合したものを用いた。
このような液晶材料混合系を真空法でセルに注入した。
【0035】液晶材料にはTFTと対向の電極の間で3
Vの電界を印加した状態でセルに紫外線を照射し、液晶
層のPDLCを完成した。この液晶パネルにメタルハラ
イドランプより発生した光を照射し、その形成像をアパ
ーチャーとレンズを介して壁上に投影した。投影像は電
圧ドロップしている様子もなく明瞭であった。つまり電
圧保持率の高いものが作製できたと考えられる。壁上の
投影像の最大輝度は200Cd/m2であり、コントラ
スト比は200:1であった。
【0036】また、電圧を印加する方法としてTFTと
表示電極を用いない方法も可能である。1組の対向させ
た電極上板を準備し、前記のPDLCの樹脂硬化前のT
FT液晶セルを上板間に設置する。上板の間隔は液晶セ
ルのガラス2枚の厚さよりも厚ければ十分である。本実
験では3mmの間隔で上板を設定した。上板電極間隔に
前記の実験と同様の電界強度(0.3V/μm)になる
ように3mmの間隔に対して900Vの電圧を印加し
た。
【0037】光が逃げないように絶縁物の囲いを設け、
電界方向と直角な方向より紫外線を照射し、PDLCを
形成した。上板電極上を鏡面に仕上げて於けば基板上面
より直接紫外線を照射しなくても樹脂は十分硬化する。
この手段の場合にはTFT基板に外部配線を接続する必
要がなく、通常の液晶パネル作製工程の中に入れるだけ
でPDLCの作製が可能である。これにより前記と同様
の性能の液晶プロジェクションが完成した。
【0038】
【発明の効果】樹脂と液晶材料の混合系を液晶セルに注
入し、セルに樹脂を硬化させるべく紫外線や熱を該液晶
セルに加えて樹脂を硬化し液晶と分離することにより作
製するPDLCにおいて、樹脂を硬化する時に電界を印
加した状態でまま樹脂を硬化するのが本発明の特徴であ
る。本発明によれば印加電圧に応じてPDLC系の純度
を高抵抗化を計ることができ、電圧保持率を向上させる
事ができる。その説明としては液晶と樹脂の混合系内に
存在する電荷電圧印加にともなって電極近傍に偏析させ
ることができ、樹脂硬化にともなって樹脂内部に閉じ込
めることが出来るからである。
【0039】その結果、本発明を用いて作製したPDL
Cをパッシブ駆動するときには良好な表示が得られた。
またTFTを備えたセルで駆動したときのPDLCは電
圧保持率が高く、液晶に電圧を印加しても電圧低下が見
られず良好なテレビ映像を表示することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のPDLC概略断面図。
【図2】移動電荷の変化の測定例。
【図3】本発明の作製方法の概略を示す図。
【図4】移動電荷の変化の様子を示す。
【図5】印加電圧と電圧保持率との関係を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森谷 幸司 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の電極間に液晶材料と透光性樹脂と
    を有する分散型の液晶電気光学装置において、前記電極
    間に注入された未硬化の透光性樹脂を含んだ液晶材料に
    対し、前記電極を介して外部電源より電界を印加する工
    程と、前記未硬化樹脂を硬化させる工程とを有する分散
    型液晶電気光学装置の作製方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に示す未硬化樹脂が紫外線硬化
    樹脂の時には硬化工程にて紫外線を用い、熱硬化樹脂の
    時には熱源を使用する分散型液晶電気光学装置の作製方
    法。
  3. 【請求項3】 一対の電極間に液晶材料と透光性樹脂と
    を有する分散型の液晶電気光学装置において、前記電極
    間に注入された未硬化の透光性樹脂を含んだ液晶材料に
    対し、前記電極を介して外部電源より電界を印加する工
    程と、前記電界を印加しながら、前記未硬化樹脂を硬化
    させる工程とを有する分散型液晶電気光学装置の作製方
    法。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の分散型液晶電気光学装
    置の作製方法において前記液晶材料に電界を印加した際
    に前記一対の電極間に流れる電流のピークの後に前記透
    光性の樹脂を硬化させることを特徴とする分散型液晶電
    気光学装置の作製方法。
  5. 【請求項5】 液晶材料と透光性樹脂とを有する分散型
    の液晶電気光学装置において、前記電極間に注入された
    未硬化の透光性樹脂を含んだ液晶材料に対し、前記液晶
    材料を挟んだ位置に設けられた電極を介して外部電源よ
    り電界を印加する工程と、前記未硬化樹脂を硬化させる
    工程とを有する分散型液晶電気光学装置の作製方法。
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