液晶電気光学装置
【目的】 本発明はちらつきやトーン変化のない時分割駆動の可能な電圧保持率の高い分散型液晶電気光学装置を提供する。
【構成】 液晶材料を透明支持体内に分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくとも一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【構成】 液晶材料を透明支持体内に分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくとも一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高分子樹脂の中に液晶材料を分散させた液晶樹脂複合体または液晶材料中に樹脂を散在させた液晶樹脂複合体を有する分散型の液晶電気光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の液晶電気光学装置はネマチック液晶等を使用したＴＮ型やＳＴＮ型のものが広く知られ、実用化されている。また、最近では強誘電性液晶を使用したものも知られている。これらの液晶電気光学装置は、基本的には基板上に電極及びリードを有する第１の基板と基板上に電極とリードを有する第２の基板によって、液晶組成物を挟持しており、前記基板上の電極によって、液晶組成物に電界を加え、液晶材料自身の誘電率の異方性によって、または強誘電性液晶の場合は自発分極によって、液晶分子の状態を変化させ、その結果液晶分子の状態の変化に伴う電気光学効果を利用するものである。
【０００３】ＴＮ、ＳＴＮ型の液晶電気光学装置において、液晶分子は、液晶層の両基板接触面では配向処理のために行われるラビングによって規制力に従って、ラビング方向に並ぶ。上下基板においては、このラビング方向が９０゜または２００゜〜２９０゜に位置するようにずらせてある。液晶層の中間付近では、９０゜〜２９０゜に位置する上下の分子の間をエネルギーが一番小さくなるように螺旋状に液晶分子が並ぶことになる。この時、ＳＴＮ型の場合は必要に応じて液晶材料にカイラル物質を混合している。
【０００４】これらの液晶電気光学装置はいずれも偏光板を有しかつ液晶分子を液晶電気光学装置内で一定の方向に規則正しく配向させる必要があった。この配向処理は、配向膜（通常は有機膜）を綿やベルベットの布で一定方向に擦るというもので、この処理がなければ、一定方向に液晶分子は配列せず、液晶の電気光学効果を利用することはできない。そのため、装置の構造は、一対の基板によって液晶材料を保持する容器を構成して、その容器内に液晶を注入し、液晶を配向させてその光学的な効果を利用していた。
【０００５】一方、これらの偏光板や配向処理等を必要とせず、画面の明るく、かつ表示の際のコントラストのよい分散型液晶電気光学装置が知られている。この分散型液晶とは透光性の固相ポリマーが液晶材料を粒状または海面状に保持して調光層を構成しているものである。この液晶装置の作製方法としては、カプセル化された液晶材料をポリマー中に分散させ、そのポリマーをフィルムあるいは基板上に薄膜として形成されたものが知られている。ここで、カプセル化材料としてはアラビアゴム、ポリビニルアルコール、ゼラチン等が用いられている。またはこれとは逆に液晶材料中に固相ポリマーを散在させ液晶材料を均一にランダム配向させた構成を有しているものもある。
【０００６】例えば、ポリビニルアルコールでカプセル化された液晶分子は、それらが薄膜中で正の誘電異方性を有するものであるならば電界の存在下でその液晶分子が液晶分子の長軸を電界に平行になるように配列させ液晶の屈折率と等しい場合には透明性が発現する。一方電界がない場合には、液晶は特定の方向に配列せず様々な方向を向いているので、液晶の屈折率がポリマーの屈折率との差が大きいために光は散乱され光の透過を妨げ、白濁状態になる。このような透明性と白濁状態との差を利用して、各種情報を提供するものである。 分散型液晶としてはこのようなカプセル化されたもの以外にも液晶材料がエポキシ樹脂内に分散されたものや、液晶と光硬化型の樹脂とを混合し、樹脂硬化の為の光を照射して、液晶と樹脂との相分離を利用したもの、３次元につながったポリマーの中に液晶を含侵させたものなどが知られている。本発明においてはこれらを総称して分散型液晶と呼ぶ。
【０００７】これらの分散型液晶電気光学装置は、従来のＴＮ、ＳＴＮ等の電気光学装置に比して偏光板を使用しないために液晶電気光学装置の光の透過率は格段に高い。具体的には偏光板一枚の透過率は約５０％であり、それを組み合わせて使うアクティブマトリクスの場合１％程度の光しか透過しない、ＳＴＮ系では２０％程度であり、そのためこれらの場合は後部照明の照度を高め画面を明るくする努力をしている。一方、分散型液晶電気光学装置の場合５０％以上の光が透過する。これは一重に分散型液晶装置が偏光板を必要としないことによる、優位性である。
【０００８】前述のように分散型液晶は透明状態と白濁状態との間で使用し、液晶電気光学装置を透過する光の量が多いので、通常は透過型の液晶電気光学装置として研究開発がなされている。特に、透過型の中でも、投影型の液晶電気光学装置として開発されている。この投影型の液晶電気光学装置とは液晶電気光学装置パネルを光源から発せられる光の光路上に配置させ、パネルに通過してきた光を一定の角度を有したスリットを通して壁面上に投影するものである。このパネルの液晶は印加電圧に応答しない閾値以下の低電界領域では様々な方向に向いており、白濁状態となっている。
【０００９】この時に入射してきた光はパネル通過後に散乱され、入射してきた光の光路を大きく広げることになる。そしてその次に配置されたスリットで散乱された光をカットしてしまうために壁面上にはほとんど光が達せずに黒状態が得られる。一方、電界印加時で液晶が応答し電界方向に対して液晶分子が平行に配列するときには入射してきた光は散乱することなく直進し、壁面上には高輝度の明状態が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このような分散型液晶電気光学装置の作製工程においては、調光層中の透明支持体である樹脂の硬化のためにしばしば反応開始剤と、この反応開始剤を活性化つまりラジカル化するためのエネルギー源として紫外光が用いられる。
【００１１】そこで、問題となるのが紫外光照射による調光層中の液晶分子の劣化である。液晶分子はその構造内に不飽和結合を含んでいるため、これら結合が紫外光を吸収して分解しやすい。これを液晶材料の光劣化という。液晶材料が劣化すると光学特性に寄与するはずの液晶量が減り、特に電界無印可時の散乱特性を損なってしまう。また分解した液晶材料は装置内で可動イオン等の不純物として存在するので、装置の低抵抗化の原因となる。よって、樹脂硬化時には、液晶が分解する程の高強度、または長時間の紫外光照射は望ましくない。
【００１２】一般に樹脂成分であるモノマーとオリゴマーを架橋重合（硬化ともいう）させるためには、その反応の出発物質としての活性基つまりラジカルが必要であり、このラジカルを発生させるために反応開始剤が用いられる。反応開始剤はその構造内に例えばベンゾイル基のようにラジカル化すると活性な置換基を有しており、この置換基部分は紫外光を吸収することにより開裂して上記のようなラジカルを発生させる。当然、ラジカル発生のためには開裂に必要なだけの充分なエネルギーが必要で、高強度、あるいは長時間の紫外光照射を反応開始剤に対して行う必要がある。
【００１３】しかし液晶材料とこのうよな反応開始剤を含む樹脂材料が混合された系に高強度あるいは長時間の紫外光照射を行うと、液晶が劣化して光学特性の低下が起こる。また、不純物発生のために装置内の調光層部分の抵抗が下がるという問題も生じる。よって、液晶樹脂混合系中の樹脂成分を硬化させるには、高強度、あるいは長時間の紫外光照射は望ましくない。一方、低強度、あるいは短時間の紫外光照射では樹脂の硬化は充分に行われず、未硬化樹脂成分が不純物として調光層部分に残り、同様に装置全体の抵抗低下を招く。
【００１４】このような系内の樹脂成分を低強度、または短時間の紫外光照射で硬化させるためには発生ラジカルの絶対量、つまり反応開始剤添加量を多くすればよい。しかし従来用いられている反応開始剤は樹脂成分硬化後に未反応の反応開始剤（以下、残渣と言う）が残り、これらは硬化後の光照射によって開裂するなどそれ自体が、またそれらから発生したラジカルが後に液晶分子を劣化させるなどして系内の不純物発生の原因となる。当然、系内の反応開始剤量が多くなればなる程、樹脂硬化に寄与しなかった残渣量も多くなるので、不純物も多くなり、さらに系全体の抵抗が低下する。
【００１５】一般にネマチック型液晶はその駆動の際には実効値応答であることが知られている。また、液晶電気光学装置を薄膜トランジスタで駆動するためには、各表示部において時間経過に伴う実効値電圧低下が起こらないことが望ましいとされている。時間経過による実効値電圧低下が全く起こらない状態を電圧保持率１００％と表現すると、上記のように装置内に不純物が存在場合は、抵抗が下がり、電圧印加後に液晶内に電流が流れやすくなるため、電圧保持率は低下する。この電圧保持率の低下は液晶電気光学装置としての表示のちらつき、トーンの変化等の原因となる。
【００１６】上記の理由から、分散型液晶電気光学装置を、ちらつきやトーン変化なく薄膜トランジスタで駆動するためには調光層部分に残存する不純物を減らすことが第一の手段であり、不純物の大きな原因である硬化後に反応開始剤の残渣のない高電圧保持特性の装置作製が必要となる。
【００１７】
【問題を解決するための手段】本発明は前述の如き問題を解決するものであり、ちらつきやトーン変化のない時分割駆動の可能な電圧保持率の高い分散型液晶電気光学装置を提供する。
【００１８】〔第１の発明〕液晶材料を透明支持体内に分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくとも一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【００１９】〔第２の発明〕請求項１記載の自己反応型開始剤とはその構造内に外部励起源により開裂して活性基を生じるような、置換基を少なくとも１つ以上有し、かつ透明支持体を構成するモノマーあるいはオリゴマー中の反応基と反応可能な構造の置換基を少なくとも１つ以上有していることを特徴とする液晶電気光学装置。
【００２０】以上のような構成をとることにより、電圧保持率の高い、液晶電気光学装置を実現するものである。
【００２１】
【作用】電圧保持率が高いということは、存在する不純物が極めて少ないということであり、その原因の１つである反応開始剤の残渣が残らなければ上記不純物量はかなり抑えることができる。しかし一般の反応開始剤は残渣が残りやすいものであることはよく知られている。高強度の紫外光照射では樹脂の硬化が速いので反応に寄与する開始剤量が少なく、低強度照射では反応開始剤の開裂が起こりにくく、反応開始剤添加量を多くすると反応に寄与しない開始剤量が多くなるため、未反応分の反応開始剤が残渣となる。これら残渣はいつでも開裂に必要なエネルギーを与えられればラジカルを発生させることができる。よって、従来は反応開始剤の残渣が生じないように、反応開始剤添加量と紫外光の照射強度、照射時間等の作製条件を最適化する必要があった。
【００２２】従来から使用されている反応開始剤は、一般に開裂してベンゾイルラジカルの様な非常に活性なラジカルを発生させる。このラジカルが樹脂成分分子の二重結合に作用することにより樹脂成分分子がラジカル化し、ラジカル重合反応が進んでゆき樹脂成分は高分子として成長し硬化する。しかし、硬化がある程度進んでゆくと開始剤は、外部から照射される紫外光あるいはラジカル状態となった樹脂構成高分子によって開裂させられても反応すべき相手がないので再び開始剤骨格に戻るか、または、ラジカルとして液晶材料の劣化を引き起こすことになる。
【００２３】これら残渣が硬化後の装置内で、開裂可能な形をして残らなければ、開始剤の残渣によるラジカル発生や、そこから起こりうる液晶材料の劣化も抑えられるので装置の抵抗は下がることなく、電圧保持率の低下も起こらない。よって、本発明において使用する反応開始剤（以下、自己反応型開始剤と言う）は、その骨格中に従来の反応開始剤と同様のラジカル発生基構造を有する部分を１つ以上と、モノマーあるいはオリゴマー等樹脂の反応基と同様な構造を有する部分を１つ以上持つことを特徴とする。
【００２４】また、反応機構としては従来の反応開始剤と同様に、まず紫外光により自己反応型開始剤のラジカル発生基が活性化されることにより、樹脂成分のラジカル反応が開始、進行してゆく。硬化がある程度進み樹脂成分が反応しきった後に、装置内に残るはずの残渣分の自己反応型開始剤は、その骨格中に樹脂成分と同様の不飽和結合基を持つためにそれ自身がモノマーあるいはオリゴマーのように樹脂成分として働き、自己反応型開始剤成分がなくなるまでラジカル反応が進むことによって樹脂中に硬化保持される。また、この反応は樹脂成分の硬化反応途中でも起こりうる。反応性開始剤の一例として、以下にその構造を示す。
【００２５】
【化１】
【００２６】ここで、Ｘ、Ｙは水素、炭化水素基またはその他の既知の置換基を示し、Ｒはアルキル基を示す。この反応開始剤の場合、末端基にアクリル基がついているが透明支持体を構成する樹脂の反応基と反応可能であればビニル基、アリル基等の他の既知の置換基で代用可能である。また同様に、末端基にオレフィン構造がついているが、これも既知の置換基で代用可能である。また、これはほんの一例に過ぎず、たとえ基本骨格が上記の構造と異なっていても、前述のように自己反応型開始剤構造内に、透明支持体の樹脂成分の反応基と反応可能な基、およびラジカル発生のための活性基をそれぞれ少なくとも１つ以上含むものならば使用できる。
【００２７】このような反応性を持つ、自己反応開始剤を使用することにより、装置内に残渣として残る自己反応型開始剤は極めて少なく、先に述べた不純物の発生も少なくなり、抵抗低下が防げる。よって、電圧保持率の低下が抑えられ、高電圧保持特性を示す時分割駆動の可能な液晶電気光学装置が作製できる。
【００２８】また、図１では透明導電膜２のみ基板上に設けた液晶電気光学装置の概略図を示したが、一方の基板上に透明導電膜を形成すると同時に、金属と絶縁膜と金属層を積層したＭ−Ｉ−Ｍ型の非線形素子を形成することができたり、薄膜トランジスタを形成することもできる。通常、分散型液晶の電界印加時の透過強度特性の急峻性は、良くなく、多数の電極を有したマトリクス駆動を分散型液晶に直接行うことは難しい。従って、非線形素子や薄膜トランジスタを設けて駆動を補助する方がよい。その結果液晶側の急峻性が不足するところを補うことが出来る。つまりマトリクス駆動をしながら各画素を独立に散乱状態と透過状態を作り出すことが出来る。
【００２９】本発明の液晶電気光学装置において、使用する液晶材料として、ネマチック、スメクチック、コレステリック等の一般によく使用される液晶を使用できる。
【００３０】また、前述の説明においては、液晶支持体を樹脂と表現しているが、これは全ての波長の光に対して透明である必要はなく、液晶電気光学装置が使用する波長の光に対して少なくとも５０％以上の透過率を持つ材料であれば、当然使用することができる。くわえて、本明細書中あるいは図１において、分散している液晶材料を液滴と表現したりその形状を単純に円形状に記載しているが、これは説明を簡単にするための一表現に過ぎず実際には他の形状を取っている場合もあり得る。以下に実施例を示し、本発明を説明する。
【００３１】
【実施例】
『実施例１』 本実施例においては自己反応型開始剤としては、その骨格中にアクリル基とベンゾニル基を含む以下に示す構造のものを用いた。
【００３２】
【化１】
【００３３】図１のように、第１の基板１上に公知の蒸着法やスパッタ法にて、透光性の導電膜であるインジウムと錫の酸化物２（ＩｎｄｉｕｍｅーＴｉｎーＯｘｙｄｅ：ＩＴＯ）を５００から２０００Åの厚さに形成した。この時のシート抵抗は２０から２００Ω／ｃｍ2 であった。これを通常のフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、第１の基板１とした。次に同様の構成を持つ第２の透光性の電極を有する第２の基板を使用し、第１の基板と基板間隔５〜５０μｍ、望ましくは７〜２０μｍ、でスペーサを間に挟んで貼合わせた。
【００３４】使用した液晶材料３としては、屈折率が１．５１８、Δｎが０．２２４０のシアノビフェニルネマチック液晶、光硬化性樹脂として、屈折率が１．５７３のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混合系を用い、反応開始剤として従来よく用いられているイルガキュア１８４（チバガイギー製）を光硬化性樹脂に対して１〜１０ｗｔ％ 、望ましくは１〜３ｗｔ％添加し、これら混合物を前記液晶基板間に注入した。この時の光硬化性樹脂のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混合割合は本実施例ではオリゴマー：モノマーの重量比は３５：６５の割合で混合し、液晶と光硬化性樹脂の混合比は重量比で５０：５０であった。
【００３５】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら前述の第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約３０ｍＷ／ｃｍ2 の低照度のＵＶ照射強度で約１８０秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂４を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００３６】この液晶電気光学装置の電圧保持率は２０Ｖ電圧印可時に８０から９０％程度であり、ちらつきやトーン変化がなく時分割駆動は可能である。この液晶電気光学装置は図２の実線１０に示すように通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいて充分な透過状態が得られ、電界無印加時の散乱特性も１０％以下を示すため光学特性の面でも満足しうるものであった。
【００３７】『実施例２』 本実施例においては実施例１と同様の液晶材料と同様の光硬化性樹脂、同様の自己反応型開始剤を用いた。各混合比等は同じである。また、硬化条件は実施例１よりさらに低照度の紫外光を使用し、照射時間を長くして、液晶セルを完成した。
【００３８】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら、その基盤上にＡｌゲートの薄膜トランジスタが形成された第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約１０ｍＷ／ｃｍ2 のＵＶ照射強度で約３００秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００３９】この液晶電気光学装置は通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいてちらつきやトーン変化がなく時分割駆動が充分に可能であった。
【００４０】『比較例１』 本比較例では従来の反応開始剤を使用し、低照度の紫外光を使用して、調光層の透明支持体を作製した例を示す。
【００４１】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら前述の第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約３０ｍＷ／ｃｍ2 の低照度のＵＶ照射強度で約１８０秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００４２】この液晶電気光学装置の電圧保持率は２０Ｖ電圧印可時に５０から５８％であり、ちらつきやトーン変化が起こる。また本装置の光学特性は図２の実線３０に示すように通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいて充分な透過特性が得られず、電界無印加時の散乱特性も３０％程度以上を示すため光学特性の面からも満足するものは得られなかった。
【００４３】『比較例２』 本比較例においては比較例１と同様の液晶材料と同様の光硬化性樹脂、反応開始剤を用いた。混合比等は同じである。また、硬化条件としては、紫外光の強度を強くした条件で作製をおこなった。
【００４４】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら前述の第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約７０ｍＷ／ｃｍ2 のＵＶ照射強度で約１８０秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００４５】この液晶電気光学装置の電圧保持率は２０Ｖ電圧印可時に７０％程度であり、ちらつきやトーン変化が起こる。また本装置の光学特性は図２の実線２０に示すように通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいて充分な透過特性が得られ、電界無印加時の散乱特性も１０％程度を示すため光学特性は比較例１よりもやや改善できた。
【００４６】表１に各比較例および実施例における電圧保持率値を示す。この電圧保持率を測定するためには、各例毎に１０個のサンプルを作製し、その全てのデータを示している。
【００４７】
【表１】
【００４８】また、図２において実線３０は比較例１、実線２０は比較例２、実線１０は実施例１の液晶電気光学装置の電気光学特性曲線を示している。この図では縦軸に液晶電気光学装置の透過率を横軸に駆動電圧を示し、また各々の液晶電気光学装置の厚みはほぼ均一としたので、縦軸の透過率を比較することで直接透過特性変化を比べることができる。
【００４９】表１および図２より明らかなように本発明による液晶電気光学装置は、その電圧保持率が時分割駆動に充分対応できるものであること、その光学特性も通常の駆動が充分可能なことがわかった。
【００５０】本実施例では、使用した液晶としては、Ｐ型シアノビフェニル系ネマチック液晶であるが、他にＮ型ネマチック液晶でも、強誘電液晶、非強誘電液晶でもよく、高分子液晶でも可能である。またそれらに色素を含有していてもよい。液晶支持体としては、光硬化性樹脂をはじめ、反応性開始剤により硬化のきっかけが与えられうるものならばよく、光増感剤、連鎖移動剤、架橋剤等が添加されていてもかまわない。
【００５１】また、調光層は液晶液晶が樹脂壁で区分されているドロップレット形状であっても樹脂が３次元網目状に形成しているものであっても前記の液晶光学装置を形成することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】本発明のような自己反応型開始剤を用いることにより、装置作製にあたり、従来問題となっていた不純物による装置の抵抗低下と電圧保持率の低下を改善し、ちらつきやトーン変化のない時分割駆動の可能な高電圧保持率の分散型液晶電気光学装置を実現することができる。
【００５３】本発明の液晶電気光学装置では、従来おこなわれていた反応開始剤種類の選定、量および紫外光照射時間等の作製条件の最適化をおこなわなくとも、上記のような液晶電気光学装置を作製することができるので、それら開発に要する時間の短縮もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶電気光学装置の構成を示す。
【図２】本発明の液晶電気光学装置の駆動電圧と透過率との関係を示す。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・透明導電膜
３・・・液晶材料
４・・・透明樹脂
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高分子樹脂の中に液晶材料を分散させた液晶樹脂複合体または液晶材料中に樹脂を散在させた液晶樹脂複合体を有する分散型の液晶電気光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の液晶電気光学装置はネマチック液晶等を使用したＴＮ型やＳＴＮ型のものが広く知られ、実用化されている。また、最近では強誘電性液晶を使用したものも知られている。これらの液晶電気光学装置は、基本的には基板上に電極及びリードを有する第１の基板と基板上に電極とリードを有する第２の基板によって、液晶組成物を挟持しており、前記基板上の電極によって、液晶組成物に電界を加え、液晶材料自身の誘電率の異方性によって、または強誘電性液晶の場合は自発分極によって、液晶分子の状態を変化させ、その結果液晶分子の状態の変化に伴う電気光学効果を利用するものである。
【０００３】ＴＮ、ＳＴＮ型の液晶電気光学装置において、液晶分子は、液晶層の両基板接触面では配向処理のために行われるラビングによって規制力に従って、ラビング方向に並ぶ。上下基板においては、このラビング方向が９０゜または２００゜〜２９０゜に位置するようにずらせてある。液晶層の中間付近では、９０゜〜２９０゜に位置する上下の分子の間をエネルギーが一番小さくなるように螺旋状に液晶分子が並ぶことになる。この時、ＳＴＮ型の場合は必要に応じて液晶材料にカイラル物質を混合している。
【０００４】これらの液晶電気光学装置はいずれも偏光板を有しかつ液晶分子を液晶電気光学装置内で一定の方向に規則正しく配向させる必要があった。この配向処理は、配向膜（通常は有機膜）を綿やベルベットの布で一定方向に擦るというもので、この処理がなければ、一定方向に液晶分子は配列せず、液晶の電気光学効果を利用することはできない。そのため、装置の構造は、一対の基板によって液晶材料を保持する容器を構成して、その容器内に液晶を注入し、液晶を配向させてその光学的な効果を利用していた。
【０００５】一方、これらの偏光板や配向処理等を必要とせず、画面の明るく、かつ表示の際のコントラストのよい分散型液晶電気光学装置が知られている。この分散型液晶とは透光性の固相ポリマーが液晶材料を粒状または海面状に保持して調光層を構成しているものである。この液晶装置の作製方法としては、カプセル化された液晶材料をポリマー中に分散させ、そのポリマーをフィルムあるいは基板上に薄膜として形成されたものが知られている。ここで、カプセル化材料としてはアラビアゴム、ポリビニルアルコール、ゼラチン等が用いられている。またはこれとは逆に液晶材料中に固相ポリマーを散在させ液晶材料を均一にランダム配向させた構成を有しているものもある。
【０００６】例えば、ポリビニルアルコールでカプセル化された液晶分子は、それらが薄膜中で正の誘電異方性を有するものであるならば電界の存在下でその液晶分子が液晶分子の長軸を電界に平行になるように配列させ液晶の屈折率と等しい場合には透明性が発現する。一方電界がない場合には、液晶は特定の方向に配列せず様々な方向を向いているので、液晶の屈折率がポリマーの屈折率との差が大きいために光は散乱され光の透過を妨げ、白濁状態になる。このような透明性と白濁状態との差を利用して、各種情報を提供するものである。 分散型液晶としてはこのようなカプセル化されたもの以外にも液晶材料がエポキシ樹脂内に分散されたものや、液晶と光硬化型の樹脂とを混合し、樹脂硬化の為の光を照射して、液晶と樹脂との相分離を利用したもの、３次元につながったポリマーの中に液晶を含侵させたものなどが知られている。本発明においてはこれらを総称して分散型液晶と呼ぶ。
【０００７】これらの分散型液晶電気光学装置は、従来のＴＮ、ＳＴＮ等の電気光学装置に比して偏光板を使用しないために液晶電気光学装置の光の透過率は格段に高い。具体的には偏光板一枚の透過率は約５０％であり、それを組み合わせて使うアクティブマトリクスの場合１％程度の光しか透過しない、ＳＴＮ系では２０％程度であり、そのためこれらの場合は後部照明の照度を高め画面を明るくする努力をしている。一方、分散型液晶電気光学装置の場合５０％以上の光が透過する。これは一重に分散型液晶装置が偏光板を必要としないことによる、優位性である。
【０００８】前述のように分散型液晶は透明状態と白濁状態との間で使用し、液晶電気光学装置を透過する光の量が多いので、通常は透過型の液晶電気光学装置として研究開発がなされている。特に、透過型の中でも、投影型の液晶電気光学装置として開発されている。この投影型の液晶電気光学装置とは液晶電気光学装置パネルを光源から発せられる光の光路上に配置させ、パネルに通過してきた光を一定の角度を有したスリットを通して壁面上に投影するものである。このパネルの液晶は印加電圧に応答しない閾値以下の低電界領域では様々な方向に向いており、白濁状態となっている。
【０００９】この時に入射してきた光はパネル通過後に散乱され、入射してきた光の光路を大きく広げることになる。そしてその次に配置されたスリットで散乱された光をカットしてしまうために壁面上にはほとんど光が達せずに黒状態が得られる。一方、電界印加時で液晶が応答し電界方向に対して液晶分子が平行に配列するときには入射してきた光は散乱することなく直進し、壁面上には高輝度の明状態が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このような分散型液晶電気光学装置の作製工程においては、調光層中の透明支持体である樹脂の硬化のためにしばしば反応開始剤と、この反応開始剤を活性化つまりラジカル化するためのエネルギー源として紫外光が用いられる。
【００１１】そこで、問題となるのが紫外光照射による調光層中の液晶分子の劣化である。液晶分子はその構造内に不飽和結合を含んでいるため、これら結合が紫外光を吸収して分解しやすい。これを液晶材料の光劣化という。液晶材料が劣化すると光学特性に寄与するはずの液晶量が減り、特に電界無印可時の散乱特性を損なってしまう。また分解した液晶材料は装置内で可動イオン等の不純物として存在するので、装置の低抵抗化の原因となる。よって、樹脂硬化時には、液晶が分解する程の高強度、または長時間の紫外光照射は望ましくない。
【００１２】一般に樹脂成分であるモノマーとオリゴマーを架橋重合（硬化ともいう）させるためには、その反応の出発物質としての活性基つまりラジカルが必要であり、このラジカルを発生させるために反応開始剤が用いられる。反応開始剤はその構造内に例えばベンゾイル基のようにラジカル化すると活性な置換基を有しており、この置換基部分は紫外光を吸収することにより開裂して上記のようなラジカルを発生させる。当然、ラジカル発生のためには開裂に必要なだけの充分なエネルギーが必要で、高強度、あるいは長時間の紫外光照射を反応開始剤に対して行う必要がある。
【００１３】しかし液晶材料とこのうよな反応開始剤を含む樹脂材料が混合された系に高強度あるいは長時間の紫外光照射を行うと、液晶が劣化して光学特性の低下が起こる。また、不純物発生のために装置内の調光層部分の抵抗が下がるという問題も生じる。よって、液晶樹脂混合系中の樹脂成分を硬化させるには、高強度、あるいは長時間の紫外光照射は望ましくない。一方、低強度、あるいは短時間の紫外光照射では樹脂の硬化は充分に行われず、未硬化樹脂成分が不純物として調光層部分に残り、同様に装置全体の抵抗低下を招く。
【００１４】このような系内の樹脂成分を低強度、または短時間の紫外光照射で硬化させるためには発生ラジカルの絶対量、つまり反応開始剤添加量を多くすればよい。しかし従来用いられている反応開始剤は樹脂成分硬化後に未反応の反応開始剤（以下、残渣と言う）が残り、これらは硬化後の光照射によって開裂するなどそれ自体が、またそれらから発生したラジカルが後に液晶分子を劣化させるなどして系内の不純物発生の原因となる。当然、系内の反応開始剤量が多くなればなる程、樹脂硬化に寄与しなかった残渣量も多くなるので、不純物も多くなり、さらに系全体の抵抗が低下する。
【００１５】一般にネマチック型液晶はその駆動の際には実効値応答であることが知られている。また、液晶電気光学装置を薄膜トランジスタで駆動するためには、各表示部において時間経過に伴う実効値電圧低下が起こらないことが望ましいとされている。時間経過による実効値電圧低下が全く起こらない状態を電圧保持率１００％と表現すると、上記のように装置内に不純物が存在場合は、抵抗が下がり、電圧印加後に液晶内に電流が流れやすくなるため、電圧保持率は低下する。この電圧保持率の低下は液晶電気光学装置としての表示のちらつき、トーンの変化等の原因となる。
【００１６】上記の理由から、分散型液晶電気光学装置を、ちらつきやトーン変化なく薄膜トランジスタで駆動するためには調光層部分に残存する不純物を減らすことが第一の手段であり、不純物の大きな原因である硬化後に反応開始剤の残渣のない高電圧保持特性の装置作製が必要となる。
【００１７】
【問題を解決するための手段】本発明は前述の如き問題を解決するものであり、ちらつきやトーン変化のない時分割駆動の可能な電圧保持率の高い分散型液晶電気光学装置を提供する。
【００１８】〔第１の発明〕液晶材料を透明支持体内に分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくとも一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【００１９】〔第２の発明〕請求項１記載の自己反応型開始剤とはその構造内に外部励起源により開裂して活性基を生じるような、置換基を少なくとも１つ以上有し、かつ透明支持体を構成するモノマーあるいはオリゴマー中の反応基と反応可能な構造の置換基を少なくとも１つ以上有していることを特徴とする液晶電気光学装置。
【００２０】以上のような構成をとることにより、電圧保持率の高い、液晶電気光学装置を実現するものである。
【００２１】
【作用】電圧保持率が高いということは、存在する不純物が極めて少ないということであり、その原因の１つである反応開始剤の残渣が残らなければ上記不純物量はかなり抑えることができる。しかし一般の反応開始剤は残渣が残りやすいものであることはよく知られている。高強度の紫外光照射では樹脂の硬化が速いので反応に寄与する開始剤量が少なく、低強度照射では反応開始剤の開裂が起こりにくく、反応開始剤添加量を多くすると反応に寄与しない開始剤量が多くなるため、未反応分の反応開始剤が残渣となる。これら残渣はいつでも開裂に必要なエネルギーを与えられればラジカルを発生させることができる。よって、従来は反応開始剤の残渣が生じないように、反応開始剤添加量と紫外光の照射強度、照射時間等の作製条件を最適化する必要があった。
【００２２】従来から使用されている反応開始剤は、一般に開裂してベンゾイルラジカルの様な非常に活性なラジカルを発生させる。このラジカルが樹脂成分分子の二重結合に作用することにより樹脂成分分子がラジカル化し、ラジカル重合反応が進んでゆき樹脂成分は高分子として成長し硬化する。しかし、硬化がある程度進んでゆくと開始剤は、外部から照射される紫外光あるいはラジカル状態となった樹脂構成高分子によって開裂させられても反応すべき相手がないので再び開始剤骨格に戻るか、または、ラジカルとして液晶材料の劣化を引き起こすことになる。
【００２３】これら残渣が硬化後の装置内で、開裂可能な形をして残らなければ、開始剤の残渣によるラジカル発生や、そこから起こりうる液晶材料の劣化も抑えられるので装置の抵抗は下がることなく、電圧保持率の低下も起こらない。よって、本発明において使用する反応開始剤（以下、自己反応型開始剤と言う）は、その骨格中に従来の反応開始剤と同様のラジカル発生基構造を有する部分を１つ以上と、モノマーあるいはオリゴマー等樹脂の反応基と同様な構造を有する部分を１つ以上持つことを特徴とする。
【００２４】また、反応機構としては従来の反応開始剤と同様に、まず紫外光により自己反応型開始剤のラジカル発生基が活性化されることにより、樹脂成分のラジカル反応が開始、進行してゆく。硬化がある程度進み樹脂成分が反応しきった後に、装置内に残るはずの残渣分の自己反応型開始剤は、その骨格中に樹脂成分と同様の不飽和結合基を持つためにそれ自身がモノマーあるいはオリゴマーのように樹脂成分として働き、自己反応型開始剤成分がなくなるまでラジカル反応が進むことによって樹脂中に硬化保持される。また、この反応は樹脂成分の硬化反応途中でも起こりうる。反応性開始剤の一例として、以下にその構造を示す。
【００２５】
【化１】
【００２６】ここで、Ｘ、Ｙは水素、炭化水素基またはその他の既知の置換基を示し、Ｒはアルキル基を示す。この反応開始剤の場合、末端基にアクリル基がついているが透明支持体を構成する樹脂の反応基と反応可能であればビニル基、アリル基等の他の既知の置換基で代用可能である。また同様に、末端基にオレフィン構造がついているが、これも既知の置換基で代用可能である。また、これはほんの一例に過ぎず、たとえ基本骨格が上記の構造と異なっていても、前述のように自己反応型開始剤構造内に、透明支持体の樹脂成分の反応基と反応可能な基、およびラジカル発生のための活性基をそれぞれ少なくとも１つ以上含むものならば使用できる。
【００２７】このような反応性を持つ、自己反応開始剤を使用することにより、装置内に残渣として残る自己反応型開始剤は極めて少なく、先に述べた不純物の発生も少なくなり、抵抗低下が防げる。よって、電圧保持率の低下が抑えられ、高電圧保持特性を示す時分割駆動の可能な液晶電気光学装置が作製できる。
【００２８】また、図１では透明導電膜２のみ基板上に設けた液晶電気光学装置の概略図を示したが、一方の基板上に透明導電膜を形成すると同時に、金属と絶縁膜と金属層を積層したＭ−Ｉ−Ｍ型の非線形素子を形成することができたり、薄膜トランジスタを形成することもできる。通常、分散型液晶の電界印加時の透過強度特性の急峻性は、良くなく、多数の電極を有したマトリクス駆動を分散型液晶に直接行うことは難しい。従って、非線形素子や薄膜トランジスタを設けて駆動を補助する方がよい。その結果液晶側の急峻性が不足するところを補うことが出来る。つまりマトリクス駆動をしながら各画素を独立に散乱状態と透過状態を作り出すことが出来る。
【００２９】本発明の液晶電気光学装置において、使用する液晶材料として、ネマチック、スメクチック、コレステリック等の一般によく使用される液晶を使用できる。
【００３０】また、前述の説明においては、液晶支持体を樹脂と表現しているが、これは全ての波長の光に対して透明である必要はなく、液晶電気光学装置が使用する波長の光に対して少なくとも５０％以上の透過率を持つ材料であれば、当然使用することができる。くわえて、本明細書中あるいは図１において、分散している液晶材料を液滴と表現したりその形状を単純に円形状に記載しているが、これは説明を簡単にするための一表現に過ぎず実際には他の形状を取っている場合もあり得る。以下に実施例を示し、本発明を説明する。
【００３１】
【実施例】
『実施例１』 本実施例においては自己反応型開始剤としては、その骨格中にアクリル基とベンゾニル基を含む以下に示す構造のものを用いた。
【００３２】
【化１】
【００３３】図１のように、第１の基板１上に公知の蒸着法やスパッタ法にて、透光性の導電膜であるインジウムと錫の酸化物２（ＩｎｄｉｕｍｅーＴｉｎーＯｘｙｄｅ：ＩＴＯ）を５００から２０００Åの厚さに形成した。この時のシート抵抗は２０から２００Ω／ｃｍ2 であった。これを通常のフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、第１の基板１とした。次に同様の構成を持つ第２の透光性の電極を有する第２の基板を使用し、第１の基板と基板間隔５〜５０μｍ、望ましくは７〜２０μｍ、でスペーサを間に挟んで貼合わせた。
【００３４】使用した液晶材料３としては、屈折率が１．５１８、Δｎが０．２２４０のシアノビフェニルネマチック液晶、光硬化性樹脂として、屈折率が１．５７３のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混合系を用い、反応開始剤として従来よく用いられているイルガキュア１８４（チバガイギー製）を光硬化性樹脂に対して１〜１０ｗｔ％ 、望ましくは１〜３ｗｔ％添加し、これら混合物を前記液晶基板間に注入した。この時の光硬化性樹脂のウレタン系オリゴマーとアクリル系モノマーの混合割合は本実施例ではオリゴマー：モノマーの重量比は３５：６５の割合で混合し、液晶と光硬化性樹脂の混合比は重量比で５０：５０であった。
【００３５】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら前述の第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約３０ｍＷ／ｃｍ2 の低照度のＵＶ照射強度で約１８０秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂４を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００３６】この液晶電気光学装置の電圧保持率は２０Ｖ電圧印可時に８０から９０％程度であり、ちらつきやトーン変化がなく時分割駆動は可能である。この液晶電気光学装置は図２の実線１０に示すように通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいて充分な透過状態が得られ、電界無印加時の散乱特性も１０％以下を示すため光学特性の面でも満足しうるものであった。
【００３７】『実施例２』 本実施例においては実施例１と同様の液晶材料と同様の光硬化性樹脂、同様の自己反応型開始剤を用いた。各混合比等は同じである。また、硬化条件は実施例１よりさらに低照度の紫外光を使用し、照射時間を長くして、液晶セルを完成した。
【００３８】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら、その基盤上にＡｌゲートの薄膜トランジスタが形成された第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約１０ｍＷ／ｃｍ2 のＵＶ照射強度で約３００秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００３９】この液晶電気光学装置は通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいてちらつきやトーン変化がなく時分割駆動が充分に可能であった。
【００４０】『比較例１』 本比較例では従来の反応開始剤を使用し、低照度の紫外光を使用して、調光層の透明支持体を作製した例を示す。
【００４１】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら前述の第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約３０ｍＷ／ｃｍ2 の低照度のＵＶ照射強度で約１８０秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００４２】この液晶電気光学装置の電圧保持率は２０Ｖ電圧印可時に５０から５８％であり、ちらつきやトーン変化が起こる。また本装置の光学特性は図２の実線３０に示すように通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいて充分な透過特性が得られず、電界無印加時の散乱特性も３０％程度以上を示すため光学特性の面からも満足するものは得られなかった。
【００４３】『比較例２』 本比較例においては比較例１と同様の液晶材料と同様の光硬化性樹脂、反応開始剤を用いた。混合比等は同じである。また、硬化条件としては、紫外光の強度を強くした条件で作製をおこなった。
【００４４】次に液晶樹脂混合系を４５℃に保ちながら前述の第１の基板と第２の基板により形成された液晶セルに注入し、約７０ｍＷ／ｃｍ2 のＵＶ照射強度で約１８０秒間紫外光照射し、液晶と樹脂の相分離を起こさせながら樹脂を硬化させ、液晶電気光学装置を作成した。この装置の調光層の厚さは約１０μｍであった。
【００４５】この液晶電気光学装置の電圧保持率は２０Ｖ電圧印可時に７０％程度であり、ちらつきやトーン変化が起こる。また本装置の光学特性は図２の実線２０に示すように通常の液晶駆動電圧である１５〜２５Ｖにおいて充分な透過特性が得られ、電界無印加時の散乱特性も１０％程度を示すため光学特性は比較例１よりもやや改善できた。
【００４６】表１に各比較例および実施例における電圧保持率値を示す。この電圧保持率を測定するためには、各例毎に１０個のサンプルを作製し、その全てのデータを示している。
【００４７】
【表１】
【００４８】また、図２において実線３０は比較例１、実線２０は比較例２、実線１０は実施例１の液晶電気光学装置の電気光学特性曲線を示している。この図では縦軸に液晶電気光学装置の透過率を横軸に駆動電圧を示し、また各々の液晶電気光学装置の厚みはほぼ均一としたので、縦軸の透過率を比較することで直接透過特性変化を比べることができる。
【００４９】表１および図２より明らかなように本発明による液晶電気光学装置は、その電圧保持率が時分割駆動に充分対応できるものであること、その光学特性も通常の駆動が充分可能なことがわかった。
【００５０】本実施例では、使用した液晶としては、Ｐ型シアノビフェニル系ネマチック液晶であるが、他にＮ型ネマチック液晶でも、強誘電液晶、非強誘電液晶でもよく、高分子液晶でも可能である。またそれらに色素を含有していてもよい。液晶支持体としては、光硬化性樹脂をはじめ、反応性開始剤により硬化のきっかけが与えられうるものならばよく、光増感剤、連鎖移動剤、架橋剤等が添加されていてもかまわない。
【００５１】また、調光層は液晶液晶が樹脂壁で区分されているドロップレット形状であっても樹脂が３次元網目状に形成しているものであっても前記の液晶光学装置を形成することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】本発明のような自己反応型開始剤を用いることにより、装置作製にあたり、従来問題となっていた不純物による装置の抵抗低下と電圧保持率の低下を改善し、ちらつきやトーン変化のない時分割駆動の可能な高電圧保持率の分散型液晶電気光学装置を実現することができる。
【００５３】本発明の液晶電気光学装置では、従来おこなわれていた反応開始剤種類の選定、量および紫外光照射時間等の作製条件の最適化をおこなわなくとも、上記のような液晶電気光学装置を作製することができるので、それら開発に要する時間の短縮もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶電気光学装置の構成を示す。
【図２】本発明の液晶電気光学装置の駆動電圧と透過率との関係を示す。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・透明導電膜
３・・・液晶材料
４・・・透明樹脂
【特許請求の範囲】
【請求項１】 液晶材料を透明支持体内に分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくとも一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【請求項２】 請求項１記載の自己反応型開始剤とはその構造内に外部励起源により開裂して活性基を生じるような、置換基を少なくとも１つ以上有し、かつ透明支持体を構成するモノマーあるいはオリゴマー中の反応基と反応可能な構造の置換基を少なくとも１つ以上有していることを特徴とする液晶電気光学装置。
【請求項１】 液晶材料を透明支持体内に分散保持した、または、透明支持体が液晶材料内に分散保持された調光層を持つ分散型液晶電気光学装置であって、前記透明支持体中には自己反応型開始剤の少なくとも一部がその樹脂骨格として組み込まれていることを特徴とする液晶電気光学装置。
【請求項２】 請求項１記載の自己反応型開始剤とはその構造内に外部励起源により開裂して活性基を生じるような、置換基を少なくとも１つ以上有し、かつ透明支持体を構成するモノマーあるいはオリゴマー中の反応基と反応可能な構造の置換基を少なくとも１つ以上有していることを特徴とする液晶電気光学装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開平６−１１００３９
【公開日】平成６年（１９９４）４月２２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−２８３６５２
【出願日】平成４年（１９９２）９月２９日
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【公開日】平成６年（１９９４）４月２２日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）９月２９日
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
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