液晶组成物、利用该液晶组成物的液晶显示元件以及具有该液晶显示元件的电子纸张的制作方法

专利名称：液晶组成物、利用该液晶组成物的液晶显示元件以及具有该液晶显示元件的电子纸张的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种形成胆甾相的液晶组成物(liquid crystal composition)、利用该液晶组成物的液晶显示元件以及具有该液晶显示元件的电子纸张。
背景技术：
近年来，在各个企业和大学等中积极地进行对电子纸张的开发。作为正 在期待电子纸张的应用市场，提出将电子纸张应用到以电子书籍为代表的， 移动终端设备的副屏、IC卡的显示部等多种的便携设备中的建议。作为电子 纸张的有力的显示方式之一是，具有使用形成了胆甾相的液晶组成物(胆甾 相液晶)的显示元件。胆甾相液晶具有半永久的显示保持特性(存储性)、 鲜艳的色彩显示特性、高对比度特性以及高分辨率特性等优越特征。图10示意地示出了使用了胆甾相液晶的可全彩显示的液晶显示元件51 的剖面结构。液晶显示元件51具有如下构造，从显示面起依次层叠蓝色(B) 显示部46b、绿色(G)显示部46g和红色(R)显示部46r。如图所示，上方 的基板47b侧为显示面，环境光(实线箭头)从基板47b上方向显示面入射。 而且，在基板47b上方示意地显示观测者的眼睛及其观察方向(虚线箭头)。B显示部46b具有封入在一对上下基板47b、 49b之间的蓝色(B)用液 晶层43b和向B用液晶层43b施加规定的脉冲电压的脉冲电压源41b。 G显 示部46g具有封入在一对上下基板47g、 49g之间的绿色(G)用液晶层43g 和向G用液晶层43g施加规定的脉冲电压的脉冲电压源41g。 R显示部46r 具有封入在一对上下基板47r、 49r之间的红色(R)用液晶层43r和向R用 液晶层43r施加规定的脉冲电压的脉冲电压源41r。在R显示部46的下基板 49r背面上配置光吸收层45。在各个B、 G、 R用液晶层43b、 43g、 43r中所使用的胆甾相液晶是，往 向列相液晶中以几十wt^的含有率比较大量地添加了手性添加剂(也称为手 性材料)的液晶混合物。若在向列相液晶中比较大量地含有手性材料，则能
够将向列相液晶分子层形成扭转为强螺旋状的胆甾相。胆甾相液晶也被称为 手性向列相液晶。胆甾液晶具备双稳态性(存储性)，通过调节施加在液晶上的电场强度， 能够成为平面状态或者焦锥状态中的任一种状态，若一旦变成平面状态或者 焦锥状态，则之后即使在没有电场的情况下也能稳定保持其状态。平面状态是通过在上下基板47、 49之间施加规定的高电压而给液晶层43施加了强电 场之后，迅速让电场变成零而得到的。焦锥状态比如是在向上下基板47、 49 之间施加低于上述高电压的规定电压而给液晶层43施加了电场之后，迅速让 电场变成零而得到的。以B显示部46b为例对利用了该胆甾相液晶的液晶显示元件的显示原理 进行说明。图ll (a)表示B显示部46b的B用液晶层43b为平面状态时的 胆甾相液晶的液晶分子33的取向状态。如图ll (a)所示，处于平面状态时 的液晶分子33沿基板厚度方向依次旋转，由此形成螺旋结构，螺旋结构的螺 旋轴大致垂直于基板表面。处于平面状态时，与液晶分子的螺旋间距相对应的规定波长的光选择性 地被液晶层反射。如果液晶层平均折射率为n，螺旋间距为p的话，那么反射 为最大时的波长人用X二n p来表示。因此，为了在B显示部46的B用液晶层43b中使其处于平面状态时选 择性反射蓝色的光，则可以以例如使得A^480nm的方式来决定平均折射率n 和螺旋间距p。平均折射率n可以通过选择液晶材料以及手性材料来进行调 整，螺旋间距p可以通过调整手性材料的含有率来进行调整。图ll (b)表示B显示部46b的B用液晶层43b处于焦锥状态时的胆甾 相液晶的液晶分子33的取向状态。如图ll (b)所示，处于焦锥状态时的液 晶分子33沿基板面内方向依次旋转，由此形成螺旋结构，该螺旋结构的螺旋 轴大致平行于基板表面。处于焦锥状态时，B用液晶层43b上不再具备反射 波长的选择性，而是基本不透过入射光。由于透过光被配置于R显示部46r 下基板49r背面处的光吸收层45被吸收，所以能够实现暗(黑色)显示。如此，在胆甾相液晶中，利用扭转成螺旋状的液晶分子33的取向状态可 以控制光的反射透射。与上述B用液晶层43b所采用的方式相同的，在G用 液晶层43g和R用液晶层43r中也分别封入了处于平面状态时选择性反射绿
色或者红色光的胆甾相液晶，由此制作出全彩显示液晶显示元件51。图12示出了各个液晶层43b， 43g， 43r处于平面状态时的反射波谱的一 个例子。横轴表示反射光的波长(nm)，纵轴表示反射率(白板相对值；％)。 B用液晶层43b中的反射波谱在图中用A符号连成的曲线来表示。同样的，G 用液晶层43g中的反射波谱用H符号连成的曲线来表示，R用液晶层43r中的反射波谱用命符号连成的曲线来表示。如图12所示，各个液晶层43b、 43g、 43r处于平面状态时的反射波谱的 中心波长是按照B、 G、 R的顺序变长的，所以胆甾相液晶的螺旋间距也按照 液晶层43b、 43g、 43r的顺序变长。因此，液晶层43b、 43g、 43r的胆甾相液 晶的手性材料含有率，需要按照液晶层43b、 43g、 43r的顺序降低。通常，反射波长越短，就需要更强扭转液晶分子而使得螺旋间距越短， 由此使得胆甾相液晶中的手性材料含有率变高。此外， 一般来说，手性材料 含有率越高则驱动电压也有变高的倾向。另外，反射频域宽AX也是随着胆甾 相液晶的折射率各向异性An的变大而变大。专利文献1: JP特开2003-147363号公报专利文献2: JP特开2004-2765号公报发明内容发明所要解决的技术问题不过，利用了胆甾相液晶的R、 G、 B层叠构造的彩色液晶显示元件存在 容易产生色彩再现范围平衡恶化和对比度降低的现象的技术问题。色彩再现 范围平衡和对比度的好坏很大程度由处于暗态也就是焦锥状态的层中的光散 射情况左右。比如，在任何一种颜色的液晶层处于平面状态而另外两种颜色 的液晶层处于焦锥状态的情况下，如果焦锥状态时的液晶层中的光散射情况 很严重，就会在平面状态时的液晶层的反射光中增加由焦锥状态时的液晶层 中的光散射部分作为噪声。结果是，使得显示色彩的色彩纯度降低。此外， 在黑色显示的时候，即使RGB的各个液晶层均处于焦锥状态，如果各个液晶 层中的光散射严重，那么仍会显著降低黑色浓度。也就是说，降低了显示图 像的对比度，使得显示变得模糊。这里考虑到支配处于焦锥状态时的液晶层光散射情况的物理参数是液晶
材料固有的折射率各向异性An。图13示出了折射率各向异性An和液晶层中 的光反射之间的关系。图13 (a)示出了处于平面状态时的折射率各向异性A n和反射光亮度之间的关系。横轴表示折射率各向异性An，纵轴表示亮度(白 板相对值；0/O 。图13 (b)示出了处于焦锥状态时的折射率各向异性An和 光散射之间的关系。横轴表示折射率各向异性An，纵轴表示散射(白板相对 值比；％)。如图13 (a)和图13 (b)所示，如果An值增大，则处于平面状态时的 液晶层反射率就变高，所以提高了液晶显示元件的显示画面亮度，并且同时 还使得处于焦锥状态时的液晶层光散射也上升了。另一方面，如果An值减小， 则降低了处于焦锥状态时的液晶层的光散射，但是还降低了处于平面状态时 的液晶层的反射率，因此使得显示画面的亮度降低。如此，反射光亮度和散 射之间存在交互影响(tradeoff)的关系，因此，要同时使显示画面具有良好 亮度以及低散射，仅通过An值的控制是难以实现的。在专利文献l中揭示了一种对于RGB用的各个液晶层的胆甾相液晶，在 各个液晶层中手性材料添加量相同，但是使得作为手性材料旋光性不同的两 种光学异构体R体和S体的混合比率不同。不过，即使RGB用各个液晶层的 手性材料添加量相同、An等的物理参数相等，但是各个液晶层中的光散射特 性不同，所以难于完全改善显示画面的色彩平衡和对比度。本发明目的在于提供一种能够充分降低处于暗态(焦锥状态)时的光散 射的液晶组成物。此外，本发明目的在于提供一种在色彩平衡改善和对比度提高方面表现 优秀的液晶显示元件以及利用了该液晶显示元件的电子纸张。用于解决技术问题的技术手段上述目的通过如下方式实现， 一种液晶显示元件，其特征在于，具有 第一液晶层，其具有包含在向列相液晶中而形成胆甾相的第一手性材料，使 得处于平面(planar)状态时反射第一波长的光；第二液晶层，其具有以高于 上述第一手性材料的含有率包含在向列相液晶中而形成胆甾相的第二手性材 料，使得处于平面状态时反射比上述第一波长更长的第二波长的光。上述本发明液晶显示元件的特征在于，上述第二手性材料包含旋光性不同的两种光学异构体。此外，上述目的通过如下方式实现， 一种具有用于显示规定图像的显示 部的电子纸张，其特征在于，上述显示部具有上述本发明的液晶显示元件。而且，上述目的通过如下方式实现， 一种液晶组成物，具有向列相液晶 和手性材料，该手性材料包含在上述向列相液晶中而形成胆甾相，其特征在 于，上述手性材料的含有率高于能够使第一波长的光反射的含有率，使得以 处于平面状态时反射比上述第一波长更长的第二波长的光。另外，上述目的还通过如下方式实现， 一种液晶组成物，其特征在于， 具有向列相液晶；手性材料，其具有小于上述向列相液晶的折射率各向异 性，而且为了形成胆甾相而添加在上述向列相液晶中。发明效果根据本发明，能够实现一种可充分降低暗态下的光散射的液晶组成物。 此外，根据本发明，能够实现一种色彩平衡和对比度方面表现优秀的液 晶显示元件以及应用了该液晶显示元件的电子纸张。


图1是示意地示出了现有B、 G、 R用各液晶层处于焦锥状态时的液晶分 子的状态的图。图2是示出了本发明一个实施方式的液晶组成物中所包括的材料的组成 比率的图。图3是表示本发明一个实施方式的液晶显示元件1的概略结构的图。 图4是示意地表示本发明一个实施方式的液晶显示元件1的剖面结构的图。图5是表示本发明一个实施方式的液晶显示元件1的驱动波形的一个例 子的图。图6是表示本发明一个实施方式的液晶组成物的电压一反射率特性的一 个例子的图。图7是表示现有的液晶组成物中所包括的材料的组成比率的屈。 图8是表示本发明一个实施方式的液晶显示元件1的处于焦锥状态时的R
用液晶层的反射率(散射)的图。图9是表示本发明一个实施方式的液晶显示元件1以及现有的液晶显示 元件的B、 G、 R用各液晶层的散射的比较例的图。图10是示意地表示现有的可全彩显示的液晶显示元件的剖面结构的图。图u是示意地表示现有的液晶显示元件的一个液晶层的剖面结构的图。 图12是表示现有的液晶显示元件的处于平面状态时的反射光谱的一个例子的图。图13是表示现有的液晶显示元件的折射率各向异性An和液晶层中的光 的反射之间的关系的图。附图标记的说明1 液晶显示元件3b、 43b B用液晶层3g、 43g G用液晶层3r、 43r R用液晶层6b、 46b B显示部6g、 46g G显示部6r、 46rR显示部7b、 7g、 7r 上基板9b、 9g、 9r 下基板47、 49 基板15 可见光吸收层17r、 17g、 17b 扫描电极19r、 19g、 19b 数据电极21b、 21b、 21r 密封材料23 控制回路25 扫描电极驱动回路27 数据电极驱动回路31 液晶层33、 33b、 33s 液晶分子41 脉冲电压源具体实施方式
下面，利用图1至图9对本发明一个实施方式的液晶组成物以及利用其 的液晶显示元件和具有该液晶显示元件的电子纸张进行说明。首先，利用图1 至图3对降低暗态(dark state)下的光散射的基本原理和利用该原理的液晶 组成物进行说明。本发明的发明人发现，处于焦锥状态时的光散射通常是按 照处于平面状态时反射蓝色光的蓝色(B)用液晶层、反射绿色光的绿色(G) 用液晶层、反射红色光的红色(R)用液晶层的顺序依次增强，尤其是R用 液晶层中的光散射很强，由此会使得蓝色和绿色的色彩纯度大幅度降低，所 以发明人对这方面的改良进行了积极研究。首先，利用图1对在R用液晶层中的光散射相对变强的原因进行说明。 图1 (a) 、 (b) 、 (c)分别示出了图10和图11中所示的现有彩色液晶显 示元件51的B、 G、 R的各个液晶层43b、 43g、 43r处于焦锥状态时的胆甾 相液晶的液晶分子33的取向状态。图l (a)表示B用液晶层43b，图l (b) 表示G用液晶层43g，图l (c)表示R用液晶层43r。现有的B用液晶层43b的胆甾相液晶(向列相液晶和手性材料的混合物) 的手性材料的含有率(二100X (所含有的手性材料的重量)/ (胆甾相液晶的 重量))为30重量(wt) %， G用液晶层43g的手性材料的含有率为27wt %， R用液晶层43r的含有率为23wtX。对于图1 (a) 、 (b) 、 (c)中任何一个来说，其上下基板47b、 49b基 板表面附近的液晶分子33s维持焦锥状态，即，液晶分子沿基板面内方向依 次旋转，由此形成螺旋结构，螺旋结构的螺旋轴大致平行于基板表面的状态。 形成这种状态的原因被认为是在基板和液晶之间界面处液晶分子受到来自于 基板的取向强制力的强有力影响。另一方面，液晶盒(cell)厚度方向上的中央部(体区域(bulkregion)) 的液晶分子33b虽然没有受到基板表面的取向强制力的直接作用，但是支配 由于液晶连续性而导致的取向传输。此时，如果手性材料含有率相对较高则 能将取向强制力一直传输到体区域，但是如果含有率变低就不能将充分的取 向力传输到体区域中去。
因此，在手性材料的含有率高的B用液晶层43b中，在液晶盒厚度方向 上大致均匀地出现充分的焦锥状态，而在相对手性材料的含有率较低的G用液晶层43g和R用液晶层43r中，在体区域中能够产生与焦锥状态不同的取 向状态。可以认为，在G用液晶层43g中是体区域上的液晶的螺旋轴方向有 很大程度偏移，而在R用液晶层43r中不仅是螺旋轴方向而是包括螺旋间距 在内的螺旋结构均发生了很大偏移。如此，可以知道，手性材料含有率越低， 处于焦锥状态时的体区域的取向不当情况就越增大，并由此使得光散射程度 变大。上述内容就是能够认为会使得R用液晶层中的光散射相对更强的原因。 另一方面，如果上述原因可以改变现有看法，则对向列相液晶中所含有的可形成胆甾相的手性材料具有抑制液晶分子的螺旋结构偏移的效果给予了启示。因此，本实施方式中是以如下原则作为基本原理，S卩，处于平面状态时 可使得比第一波长长的第二波长的光反射的液晶组成物的手性材料的含有率 要高于处于平面状态时可使得第一波长的光反射的液晶组成物的手性材料的 含有率，同时，手性材料包括旋光性不同的两种光学异构体。而且，虽然在 本次文本的下文中是将这些光学异构体分别称以R体和L体来说明的，但是 将它们用R/S表述方式称呼也与R体和S体是相同的意思。利用了可降低在暗态下的光散射的上述基本原理的液晶组成物(胆甾相 液晶)就是以R体或者作为其光学异构体L体的基础(基准)液晶为基本组 成来制作的。R体基础液晶就是在规定重量的向列相液晶LCn中添加规定重量的R体 手性材料CHrl和R体手性材料CHr2来制作的。手性材料CHrl的含有率(相 对于向列相液晶LCn以及两种手性材料CHrl、 CHr2的总计重量的重量比例 (wt%);此后相同)为27wt^。手性材料CHr2的含有率为3wt^。下面， 将所含有的手性材料CHrl和手性材料CHr2统称为手性材料CHr。向列相液晶LCn中，例如折射率各向异性^11=0.25，介电常数各向异性 △s=20，室温下的粘度(i二50 (mPa 's)。手性材料CHrl中，例如An二0.22， △s=22，扭转螺旋力HTP二IO。手性材料CHr2的An和Ae值与手性材料 CHrl相同但HTP=20。制作出来的R体基础液晶的选择反射主波长Xb约为 480nm， Af0.23。比如，对向列相液晶LCn的物理参数按照如下方式测定或者计算。首先， 在玻璃制测试用液晶盒中注入向列相液晶LCn。接着，使用市面销售的LCR 表测定并计算出向列相液晶LCn的电阻率、介电常数等。此外，用市面销售 的粘度计测定粘度。而且，利用市面销售的阿贝折射计等来测定向列相液晶LCn的An。此外， 对分别注入了水平取向和垂直取向的液晶的测试用液晶盒的每一个的电容量 进行测定，计算出向列相液晶LCn的As。 As是指向矢(director)(液晶分 子长轴的平均方向)方向的介电常数和与其垂直的成分的介电常数之间的差。L体基础液晶是在规定重量的向列相液晶LCn中，添加规定重量的L体 手性材料CHll和L体手性材料CH12来制作的。手性材料CHll的含有率(相 对于向列相液晶LCn和两种手性材料CH11、CH12的总计重量的重量比例(wt %);此后相同)为27wt^。手性材料CH12的含有率为3wt^。下面，将所 含有的手性材料CHll和手性材料CH12统称为手性材料CH1。L体基础液晶的向列相液晶LCn的An值、As值、粘度n与上述R体基 础液晶的各个值都相同。手性材料CHll的An值、As值、HTP值与上述R 体手性材料CHrl相同。手性材料CH12的An值、值、HTP值与上述R 体手性材料CHr2相同。此外，制作出来的L体基础液晶的Xb以及An与上 述R体基础液晶都分别相同。而且，向列相液晶LCn以及手性材料CHrl、 CHr2、 CHU、 CH12均使用普通的市面有销售的材料。图2示出了将上述R体或者L体基础液晶用于基本组成的液晶组成物的 材料组成比率。图2 (a)示出了处于平面状态时反射蓝色光(第一波长的光) 的B用液晶层(第一液晶层)中所使用的胆甾相液晶的组成比率，图2 (b) 示出了处于平面状态时反射绿色光(第二波长的光)的G用液晶层(第二液 晶层)中所使用的胆甾相液晶的组成比率，图2 (c)示出了处于平面状态时 反射红色光(第三波长的光)的R用液晶层(第三液晶层)中所使用的胆甾 相液晶的组成比率。如图2 (a)所示，B用液晶层中利用了R体基础液晶(下面，称为B用 胆甾相液晶LCb) 。 S口， B用胆甾相液晶LCb选择反射的主波长Xb大约为 480跳An=0.23。
如图2 (b)所示，G用液晶层中利用了在L体基础液晶中以3wt^的含 有率混合了R体手性材料CHrl的液晶(下面，称为G用胆甾相液晶LCg)。 G用胆甾相液晶LCg选择反射的主波长Xg约为560nm， An值与B用胆甾相 液晶大致相同。如图2 (c)所示，R用液晶层利用了在R体基础液晶中以5wt^的含有 率混合了L体手性材料CHll的液晶(下面，称为R用胆甾相液晶LCr) 。 R 用胆甾相液晶LCr选择反射的主波长Xr约为610nm， An值与B用胆甾相液 晶大致相同。这样，在本实施方式中B用以及R用胆甾相液晶LCb、LCr的旋光性(R) 相同，但是与G用胆甾相液晶LCg中的旋光性(L)不同。此外，手性材料 的含有率是G用胆甾相液晶LCg高于B用胆甾相液晶LCb，而R用胆甾相 液晶LCr高于G用胆甾相液晶LCg。而且，B、 G、 R用胆甾相液晶LCb、 LCg、 LCr在室温下形成胆甾相。接着，用图3至图6对利用上述的B、 G以及R用胆甾相液晶LCb、 LCg、 LCr的液晶显示元件以及电子纸张进行说明。图3示出了本实施方式的液晶 显示元件1的概略结构。图4示意地示出了液晶显示元件1的剖面结构。如图3和图4所示，液晶显示元件l具有B显示部6b，其包括处于平 面状态时反射蓝色光(第一波长的光)的B用液晶层(第一液晶层)3b; G 显示部6g，其包括处于平面状态时反射绿色光(第二波长的光)的G用液晶 层(第二液晶层)3g; R显示部6r，其包括处于平面状态时反射红色光(第 三波长的光)的R用液晶层(第三液晶层)3r。 B、 G、 R的各个显示部6b、 6g、 6r按照此顺序从光入射面(显示面)开始依次层叠。B显示部6b具有对置配置的一对上下基板7b、 9b，和封入在两个基板 7b、 9b之间的B用液晶层3b。 B用液晶层3b具有如图2 (a)所示的组成的 B用胆甾相液晶LCb。G显示部6g具有对置配置的一对上下基板7g、 9g，和封入在两个基板 7g、 9g之间的G用液晶层3g。 G用液晶层3g具有如图2 (b)所示的组成的 G用胆甾相液晶LCg。R显示部6r具有对置配置的一对上下基板7r、 9r，和封入在两个基板7r、 9r之间的R用液晶层3r。 R用液晶层3r具有如图2 (c)所示的组成的R用
胆甾相液晶LCr。B、 G、 R各个显示部6b、 6g、 6r的层叠结构中，由于处于平面状态时G 用液晶层3g中的旋光性与B用以及R用液晶层3b、 3r中的旋光性不同，所 以在图12中所示蓝和绿、以及绿和红的反射波谱重叠的区域中，能沟在B用 液晶层3b中使得右圆偏振光的光反射，在G用液晶层3g中使得左圆偏振光 的光反射。如此，降低了反射光的损失，能够提高液晶显示元件1显示画面 的亮度。上基板7b、 7g、 7r以及下基板9b、 9g、 9r需要具有透光性。在本实施方 式中，使用的是切成长宽方向上的长度分别为10 (cm) X8 (cm)大小的两 片聚碳酸酯(PC)薄膜基板。此外，还可以使用玻璃基板或者聚对苯二甲酸 乙二醇酯(PET: polyethylene terephthalate)等薄膜基板来替代PC基板。在 本实施方式中，虽然是上基板7b、 7g、 7r以及下基板9b、 9g、 9r中均具有透 光性，单是配置在最下层的R显示部6r的下基板9r也可以是非透光性的。在B显示部6b的下基板9b的B用液晶层3b侧，并列形成有沿图3的 图中上下方向延伸的多个带状的数据电极19b。此外，在上基板9b的B用液 晶层3b侧，并列形成有沿图3的图中左右方向延伸的多个带状的扫描电极 17b。在本实施方式中，为了能够实现320X240像点的QVGA显示，对ITO 透明电极进行图案成形，并且形成了具有0.24mm间距的条状的多个扫描电极 17以及多个数据龟极19。如图3所示，从法线方向观察上下基板7b、 9b的电极形成面，两个电极 17b、 19b是按照相互交叉的方式对置配置的。两个电极17b、 19b的各个交叉 区域成为各个像素(pixel)。将像素排列成矩阵状形成显示画面。而且，图4 中所示的附图标记17b、 19b仅表示两个电极17b、 19b的存在区域，并未对 其形状有任何启示。作为两个电极17b、 1%的形成材料，例如可以是以铟锡氧化物(Indium Tin Oxide; ITO)为代表的物质，但是也可以使用其它的铟锌氧化物(Indium Zic Oxide; IZO)等透明导电膜、铝或硅等金属电极、或者非晶硅或硅酸铋 (Bismuth Silicon Oxide; BSO)等光导电性膜等。对于两个电极17b、 19b上的功能膜，则优选是分别涂敷绝缘性薄膜或液 晶分子取向稳定膜(均未图示)等。绝缘性薄膜具有防止电极17b、 19b之间
短路，并且提高作为阻气(gas barrier)层的液晶显示元件1的可靠性的功能。 此外，取向稳定化膜可以使用聚酰亚胺(polyimide)树脂、聚酰胺酰亚胺 (polyamide imide)树脂、聚醚酰亚胺(polyether imide)树脂、聚乙烯醇縮 丁醛(polyvinyl botyral)树脂以及丙烯酸(acryl)树脂等有机膜，或者氧化 硅、氧化铝等无机材料。本实施方式中，例如在电极17b、 19b上的基板的整 个表面上涂敷(coating)取向稳定膜。取向稳定化膜也可以兼用作绝缘性薄 膜。通过在上下基板7b、 9b的外周涂敷的密封材料21b，将B用液晶层3b 封入在两个基板7b、 9b之间。此外，需要保持B用液晶层3b的厚度(液晶 盒间隙)均匀。为了维持规定的液晶盒间隙，在B用液晶层3b内分布了树脂 制造或者无机氧化物制造的球状隔离物(spacer)，同时还在B用液晶层3b 内形成多个表面涂敷有热可塑性树脂的柱状隔离物。在本实施方式的液晶显 示元件l中，还在B用液晶层3b内插入隔离物(未图示)，由此保持了液晶 盒间隙的均匀性。B用液晶层3b的液晶盒间隙d优选在3^im《d《6pm的范 围内。由于G显示部6g和R显示部6r与B显示部6b具有同样的构造，故省 略其说明。在R显示部6r下基板9r的外表面(背面)上，设置有可见光吸 收层15。由此，在B、 G、 R的各个液晶层3b、 3g、 3r均处于焦锥状态之际， 在液晶显示装置1的显示画面上显示黑色。而且，可见光吸收层15根据需要 而设置即可。上基板7b、 7g、 7r与其上安装有驱动多个扫描电极17b、 17g、 17r的扫 描电极用驱动器IC的扫描电极驱动回路25相连接。此外，下基板9b、 9g、 9r与其上安装了驱动多个数据电极19b、 19g、 19r的数据电极用驱动器IC的 数据电极驱动回路27连接。这些驱动回路25、 27基于从控制回路23输出的 规定信号而将扫描信号或者数据信号向规定的扫描电极17b、 17g、 17r或者 数据电极19b、 19g、 19r输出。在本实施方式中，由于能够让B、 G、 R用的各个液晶层3b、 3g、 3r的 驱动电压大致相同，所以扫描电极驱动回路25的规定的输出端子与扫描电极 17b、 17g、 17r的规定的各输入端子共通连接。由于无需在B、 G、 R用的各 显示部6r、 6g、 6b的每一个上都设置扫描电极驱动回路25，所以能够简化液
晶显示元件1的驱动回路结构。接着，利用图5和图6对液晶显示元件1的驱动方法进行说明。图5示出液晶显示元件1的驱动波形的一个例子。图5 (a)是用于使胆甾相液晶成 为平面状态的驱动波形，图5 (b)是用于使胆甾相液晶成为焦锥状态的驱动 波形。在图5 (a)和图5 (b)中，图中上部示出了从数据电极驱动回路27 输出的数据信号电压波形Vd，图中中部示出了从扫描电极驱动回路25输出 的扫描信号电压波形Vs，图中下部示出了B、 G、 R用各液晶层3b、 3g、 3r 的任何一个像素上所施加的施加电压波形Vlc。此外，在图5 (a)和图5 (b) 中，图中从左到右表示时间经过，图中上下方向表示电压。图6示出了胆甾相液晶的电压一反射率特性的一个例子。横轴表示施加 在胆甾相液晶上的电压值(V)，纵轴表示胆甾相液晶的反射率(％)。图6 所示的实线曲线P表示初始状态为平面状态时的胆甾相液晶的电压一反射率 特性，虚线曲线FC表示初始状态为焦锥状态时的胆甾相液晶的电压一反射率 特性。这里，以在图3所示B显示部6b的第一列的数据电极19b和第一行扫描 电极17b之间的交叉部的蓝色(B)像素(1， 1)上施加规定电压的情况为例 进行说明。如图5 (a)所示，在选择第一行的扫描电极17b的选择期间Tl 的前半部分、大约l/2的期间中，相对于数据信号电压Vd为+32V扫描信号 电压Vs为0V，在后半部分、大约1/2期间中，相对于数据信号电压Vd为 0V扫描信号电压Vs为+32V。因此，在B像素(1， 1)的B用液晶层3b上， 在选择期间T1之间施加了土32V的脉冲电压。如图6所示，若在胆甾相液晶 上施加规定高电压VP100 (比如32V)而产生了强电场，则液晶分子的螺旋 构造完全松开，变成所有液晶分子朝向电场方向的垂直状态。因此，B像素 (1， 1)的B用液晶层3b的液晶分子在选择期间Tl中，成为垂直状态。当选择期间Tl结束然后成为非选择期间T2时，向第一行的扫描电极 17b，例如以选择期间T1的1/2周期施加+28V和+4V的电压。另一方面， 向第一列的数据电极19b，施加规定的数据信号电压Vd。在图6 (a)中，以 选择期间Tl的1/2周期向第一列的数据电极17b施加例如+ 32V和0V电压。 因此，向B像素(1， 1)的B用液晶层3b，在非选择期间T2期间施加士4V 的脉冲电压。由此，在非选择期间T2期间，在B像素(1， 1)的B用液晶 层3b上所产生的电场基本为零。若在液晶分子成为垂直状态之时液晶施加电压从VP100 (士32V)变化到 VF0 (±4V)，电场迅速地变成基本为零，则液晶分子变成了其螺旋轴朝向 大致垂直于两个电极17b、 19b方向的螺旋状态，并成为根据螺旋间距选择性 反射光的平面状态。因此，B像素(1， 1)的B用液晶层3b变成平面状态反 射光，所以B像素(1， 1)显示出蓝色。另一方面，如图5 (b)所示，若在选择期间T1的前半部分、大约1/2期 间以及后半部分、大约l/2期间中，相对于数据信号电压Vd为24V/8V，扫 描信号电压Vs变为0VZ+32V，则向B像素(1， 1)的B用液晶层3b施加土 24V的脉冲电压。如图6所示，如果向胆甾相液晶施加规定的低电压VF100b (例如，24V)而产生弱电场，则成为液晶分子的螺旋构造没有完全松开的状 态。如果是非选择期间T2，则向第一行的扫描电极17b，以选择期间Tl的 1/2的周期施加例如+28V/十4V的电压；向数据电极1%，以选择期间Tl的 1/2的周期施加规定的数据信号电压Vd (例如+24V/8V)的电压。由此，在 非选择期间T2期间，向B像素(1， 1)的B用液晶层3b，施加一4V/+4V 的脉冲电压。如此，在非选择期间T2期间，在B像素(1， 1)的B用液晶 层3b上产生的电场基本为零。在液晶分子的螺旋构造未完全松开的状态下，如果胆甾相液晶的施加电 压从VF100b (士24V)向VFO (±4V)变化而使得电场迅速变成大致为零， 则液晶分子变成了其螺旋轴朝向大致平行于两个电极17b、 19b方向的螺旋状 态，并成为使得入射光透过的焦锥状态。因此，B像素(1, 1)的B用液晶 层3b变成了焦锥状态透过光。而且，如图6所示，在施加了VPIOO (V)的 电压，使得液晶层上产生了强电场之后，即使缓慢地除去电场，胆甾相液晶 也能够成为焦锥状态。上述驱动电压仅是其中一个例子，在室温下，若在有效时间20ms内在两 个电极17b、 19b之间施加30 35V的脉冲状电压，则B用液晶层3b的胆甾 相液晶成为选择反射状态(平面状态)，如果在有效时间20ms内施加15 22V的脉冲上的电压，则能成为良好的透光状态(焦锥状态)。通过与上述B像素(1， 1)的驱动方式相同的方式，驱动绿(G)像素 (1， 1)以及红(R)像素(1， 1)，从而能够在层叠了三个B、 G、 R像素
(1， 1)的像素(1， 1)上实现彩色显示。此外，通过对第一行到第n行的 扫描电极17b、 17g、 17r进行所谓的线顺序驱动而向每一行上改写数据电极 19的数据电压，从而能够向像素(1， 1)到像素(n， m)全部像素输出显示 数据，能够实现l帧(显示画面)大小的彩色显示。而且，若在胆甾相液晶上施加中等强度的电场，并迅速地除去该电场， 则其成为介于平面状态和焦锥状态之间的半色调，变得可全彩显示。接着对液晶显示元件1的制造方法的一个例子进行简单的说明。在切成长宽方向上的长度为10 (cm) X8(cm)大小的两片聚碳酸酯(PC) 薄膜基板上形成ITO透明电极，然后用蚀刻方法进行图案成形，从而分别形 成0.24mm间距的条状电极(扫描电极17或者数据电极19)。为了实现320 X240像点的QVGA显示，在2片PC薄膜基板上分别形成带状电极。接着， 在两片PC薄膜基板7、 9上各自的带状透明电极17、 19上用旋涂(spin coat) 方式涂敷大约700埃厚度的聚酰亚胺类取向膜材料。接着，将涂敷过取向膜 材料的两片PC薄膜基板7、 9在卯。C的炉中进行1小时的烘烤处理，形成取 向膜。然后，在一个PC薄膜基板7或者9上的周边部上用分配器(dispenser) 涂敷环氧(epoxy)类密封材料21，形成具有规定高度的壁。然后，在另一个PC薄膜基板9或者7上分布直径4pm的隔离物(積水 7 7 < >少3力》社制造)。接着，使得两片PC薄膜基板7、 9贴合，并在 160。C下加热l小时，使得密封材料21固化。然后，利用真空注入法注入B 用胆甾相液晶LCb之后，用环氧类密封材料密封注入口 ，制作出B显示部6b。 通过同样的方法，制作出G、 R显示部6g、 6r。接着，如图4所示，从显示面侧开始按照B、 G、 R显示部6b、 6g、 6r 的顺序实施层叠。然后，在R显示部6r的下基板9r背面上配置可见光吸收 层15。接着，在叠层构造的B、 G、 R显示部6b、 6g、 6r的扫描电极18端子 部以及数据电极19端子部上压接TCP (Tape Carrier Package:带载封装)构 造的通用STN用驱动器IC，并进一步连接电源回路和控制回路23。如此完 成了可QVGA显示的液晶显示元件1。而且虽然省略了图示，但是通过在完 成的液晶显示元件1上设置输入输出装置以及对整体进行综合控制的控制装 置(均未图示)来完成电子纸张。接着，对用上述制造方法制作、具有上述结构和动作的本实施方式的液
晶组成物以及具有其的液晶显示元件1的显示特性进行说明，该说明中还包 括与比较例的对比。首先，利用图7对作为比较例的现有液晶组成物的材料组成比率进行说明。图7 (a)表示在B用液晶层中使用的现有B用胆甾相液晶的组成比率， 图7 (b)表示在G用液晶层中使用的现有G用胆甾相液晶的组成比率，图7 (c)表示在R用液晶层中使用的现有R用胆甾相液晶的组成比率。图7 (a)中所示的现有B用胆甾相液晶是在规定重量的向列相液晶LCn' 中添加R体手性材料CHr'来制作的。手性材料CHr'的含有率为30wt%。向 列相液晶LCn'为An二0.20， As=20，室温下粘度fi=37 (mPa s)。手性 材料CHr'为An二0.29， As二22，室温下为粉末状。制作成的现有B用胆甾 相液晶选择反射的主波长Xb约为480nm， An二0.23。图7 (b)所示的现有G用胆甾相液晶是在规定重量的向列相液晶LCn' 中添加L体手性材料CH1'来制作的。手性材料CH1'的含有率为26wt%。向 列相液晶LCn'与现有的B用胆甾相液晶的特性相同。手性材料CHl'中的An、 As的值与手性材料CHr'相同，室温下为粉末状。制作成的现有G用胆甾相 液晶选择反射的主波长Xg约为560nm， An二0.22。图7 (c)所示的现有R用胆甾相液晶是在规定重量的向列相液晶LCn' 中添加R体手性材料CHr"来制作的。手性材料CHr〃的含有率为24wt^。向 列相液晶LCn'与现有的B用胆甾相液晶的特性相同。手性材料CHr,An= 0.29， Ae二25，室温下为粉末状。制作成的现有R用胆甾相液晶选择反射的 主波长Xr约为610nm, An二0.22。而且，向列相液晶LCn'以及手性材料CHr'、 CH1'等均使用通常的市面有销售的材料。如此，现有的B用以及R用胆甾相液晶的旋光性(R)相同，与现有的 G用胆甾相液晶中的旋光性(L)不同。此外，对于手性材料的含有率，现有 的G用胆甾相液晶高于现有的R用胆甾相液晶，而且现有的B用胆甾相液晶 高于现有的G用胆甾相液晶。将制作好的现有的B、 G、 R用各胆甾相液晶封入到与本实施方式的液晶 显示元件1具有同样结构的比较用液晶显示元件(未图示)的各个液晶层中。图8以及图9示出了本实施方式的液晶显示元件1的显示特性改善效果 和比较用液晶显示元件进行对比的情况。
图8示出了处于焦锥状态时的R用液晶层3r的反射率(散射)。横轴表 示反射光的波长(nm),纵轴表示散射(％)。图中的曲线A表示本实施方 式的液晶显示元件1的R用液晶层3r的散射特性，图中的曲线B表示现有液 晶显示元件的R用液晶层的散射特性。本实施方式的液晶显示元件l的R用 液晶层3r的An值为0.23，现有液晶显示装置的R用液晶层的An值为0.29, 基本上是同等的值。然而，如图8所示，本实施方式的液晶显示元件1的R 用液晶层3r处于焦锥状态时的反射率、所谓的散射，是在测定波长的全部范 围中比现有R用液晶层中的散射低30%到60%左右。图9比较示出了本实施方式的液晶显示元件1以及现有液晶显示元件的 处于焦锥状态时的B、 G、 R用各液晶层的散射特性。横方向表示本实施方式 的液晶显示元件l (新液晶)以及现有的液晶显示元件(现有液晶)，纵轴表 示散射(白板相对值)(％)。图中令符号表示R用液晶层的散射特性，图 中B符号表示G用液晶层的散射特性，图中A符号表示G用液晶层的散射特 性。如图9所示，本实施方式的液晶显示元件1在所有B、 G、 R用各液晶层 中处于焦锥状态时的散射与现有液晶显示元件相比均有降低。具体而言，在R 用液晶层3r中与现有技术相比散射降低了 60%左右。在G用以及B用液晶 层3g、 3b中与现有技术相比散射也降低了 10%左右。而且，之所以B用液 晶层中的散射降低，是因为在本实施方式的液晶显示元件1中，手性材料的 An值小于向列相液晶的An值，而且根据经验可以知道，如果具有该An值 的关系，则能够更加理想地降低散射。另外，反射率的测定是通过利用反射型光谱检测器来测定视感反射率(Y 值)的方式来进行的。消色时的Y值越小则透明方式的黑色显示更为良好， 着色时的Y值越大则色彩显示越好。对比度通过(处于平面状态时的Y值/ 处于焦锥状态时的Y值)来算出的。根据本实施方式能够得到如下作用效果。首先，手性材料含有率越高则液晶分子扭转越强相应螺旋间距越短，处 于平面状态时反射光的波长越短。因此，现有的胆甾相液晶的手性材料含有 率是G用低于B用，R用低于G用(参考图7)。不过，如图1所示，在利用了手性材料含有率相对较低的胆甾相液晶的R 用液晶层中，产生了体区域的液晶分子33的螺旋轴方向以及螺旋结构的偏移
很大的技术问题。因此，本实施方式中，G用胆甾相液晶LCg (参考图2 (a))的手性材 料含有率已能够将取向强制力传输至体区域，在此基础上让R用液晶层43r 中所使用的R用胆甾相液晶LCr (参考图2 (c))的手性材料含有率比G用 胆甾相液晶LCg的手性材料含有率更高。如此，能够将取向强制力传输至体 区域，并且还能够在液晶盒厚度方向上大致均匀地形成充分的焦锥状态。R 用液晶层43r的液晶分子33的指向矢不仅在基板界面附近就连在体区域中也 是与上下基板7r、 9r的基板面大致垂直的，同时沿基板面内方向依次旋转， 形成螺旋构造，该螺旋结构的螺旋轴与基板表面基本平行。而且，R用胆甾相液晶LCr中所含有的手性材料，以规定比例包括旋光 性不同的两种光学异构体，因此，能够得到选择反射红色所需要的螺旋间距。比较图2和图7可知，本实施方式的液晶显示元件1中，与现有技术的 组成完全相反，对于手性材料的含有率是G用液晶层比B用液晶层高，R用 液晶层比G用液晶层高，同时在反射波长最长的光的R用液晶层中包括R体 和L体手性材料。如此，通过提高了处于焦锥状态时的光散射强烈的R用液 晶层的手性材料含有率，在很宽波长范围内同样降低了 R用液晶层中的光散 射。因此，能够充分提高B、 G、 R用各液晶层的色彩平衡和对比度。而且， 通过使用以向列相液晶的折射率各向异性An值大于手性材料的An值的材料 来形成的胆甾相液晶，能够进一步提高显示色彩的色彩纯度以及对比度。另 外，由于B、 G、 R用各液晶层的驱动电压可以良好的实现一致，所以能够简 化液晶显示元件的驱动回路结构。根据上述说明，本实施方式的胆甾相液晶由于良好抑制了处于焦锥状态 时的噪声反射，所以充分提高了色彩纯度和对比度。因此，利用了该胆甾相 液晶的液晶显示元件1以及使用了该液晶显示元件1的电子纸张，清晰且对 比度良好，能够实现色彩再现范围很宽的彩色图像显示。而且，本发明的液晶组成物和液晶显示元件以及电子纸张并非仅限于上 述实施方式。比如，在液晶显示元件l中使用的胆甾相液晶的组成比率是R用胆甾相 液晶的手性材料含有率最高，R用胆甾相液晶包括旋光性不同的两种光学异 构体(R体以及L体的手性材料)即可。因此，G用胆甾相液晶中也可以仅 包括R体或者L体手性材料中的一个。上述实施方式中所示的胆甾相液晶LCb、 LCg、 LCr的组成比率不限于上 述实施方式的情况。构成B、 G、 R用的各液晶层的胆甾相液晶的向列相液晶 (0.18《An《0.24)中所含有的手性材料含有率x优选在20wt%《x《60wt% 。 虽然可以利用现有公知的各种向列相液晶，但是向列相液晶的折射率各向异 性An的值优选为0.18《An《0.24，介电常数各向异性As的值优选为20《A s《50。如果向列相液晶的介电常数各向异性As在20以上，那么能够增加可使用的手性材料的选择范围。作为胆甾相液晶的介电常数各向异性As优选为20《As《50。胆甾相液 晶的介电常数各向异性As如果低于上述范围过多则驱动电压会变高，反过来 如果高出上述范围过多则作为液晶显示元件的稳定性和可靠性会恶化。其结 果是，使得在液晶显示元件中容易产生图像缺陷或者图像噪声。此外，作为 胆甾相液晶的电阻率值R优选在10^《R《1013 (Q*cm)的范围内，介电常 数s处于平面状态时优选在5《s《15，处于焦锥状态吋优选在10《s《25的 范围内。此外，由于粘性低能够抑制低温时的电压上升以及对比度下降，所 以室温下的粘度^i优选在20《p《1200 (mPa's)的范围内。
权利要求
1.一种液晶显示元件，其特征在于，具有第一液晶层，其具有包含在向列相液晶中而形成胆甾相的第一手性材料，使得处于平面状态时反射第一波长的光；第二液晶层，其具有以高于上述第一手性材料的含有率包含在向列相液晶中而形成胆甾相的第二手性材料，使得处于平面状态时反射比上述第一波长更长的第二波长的光。
2. 如权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于，上述第二手性材料包含旋光性不同的两种光学异构体。
3. 如权利要求1或2所述的液晶显示元件，其特征在于，还具有第三液 晶层，该第三液晶层具有以高于上述第二手性材料的含有率包含在向列相液 晶中而形成胆甾相的第三手性材料，使得处于平面状态时反射比第二波长更 长的第三波长的光。
4. 如权利要求3所述的液晶显示元件，其特征在于，上述第三手性材料 包含旋光性不同的两种光学异构体。
5. 如权利要求3或4所述的液晶显示元件，其特征在于，上述第一波长 的光为蓝色，上述第二波长的光为绿色，上述第三波长的光为红色。
6. 如权利要求3至5中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，上述 第一至第三液晶层分别封入在不同的一对基板之间。
7. 如权利要求3至6中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，从显 示面一侧开始依次层叠有上述第一液晶层、上述第二液晶层以及上述第三液 晶层。
8. 如权利要求3至7中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，处于 平面状态时，上述第二液晶层的旋光性与上述第一和第三液晶层的旋光性不 同。
9. 如权利要求3至8中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，上述 第一至第三液晶层各自的液晶盒间隙d满足3pm《d《6^im的关系。
10. 如权利要求3至9中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，在 用于封入上述第三液晶层的上述一对基板的光入射侧的相反侧，配置有吸收 光的光吸收层，使得在上述第一至第三液晶层全部处于焦锥状态时显示出黑色。
11. 如权利要求3至10中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，上述第一至第三手性材料的含有率x满足20wtQ/^《x《60wt。"的关系。
12. 如权利要求l至ll中任一项所述的液晶显示元件，其特征在于，上 述向列相液晶的折射率各向异性An的值满足0.18《An《0.24的关系。
13. 如权利要求12所述的液晶显示元件，其特征在于，上述第一至第三 手性材料的折射率各向异性An的值小于上述向列相液晶的An的值。
14. 一种电子纸张，具有用于显示规定图像的显示部，其特征在于，上 述显示部具有如权利要求1至13中任一项所述的液晶显示元件。
15. —种液晶组成物，具有向列相液晶和手性材料，该手性材料包含在 上述向列相液晶中而形成胆甾相，其特征在于，上述手性材料的含有率高于 能够使第一波长的光反射的含有率，使得处于平面状态时反射比上述第一波 长更长的第二波长的光。
16. 如权利要求15所述的液晶表组成物，其特征在于，上述手性材料包 含旋光性不同的两种光学异构体。
17. —种液晶组成物，其特征在于，具有 向列相液晶；手性材料，其具有小于上述向列相液晶的折射率各向异性，而且为了 形成胆甾相而添加在上述向列相液晶中。
全文摘要
本发明目的在于提供一种能够充分降低处于焦锥状态时的光散射的液晶组成物、一种在色彩平衡改善和对比度提高方面性能优秀的液晶显示元件以及使用了上述产品的电子纸张。对于手性材料的含有率而言，G用胆甾相液晶LCg高于B用胆甾相液晶LCb，R用胆甾相液晶LCr高于G用胆甾相液晶LCg。R用胆甾相液晶LCr是在R体基础液晶中混合大约5wt％的L体手性材料CH11而成的，其中，该R体基础液晶是在向列相液晶LCn中加入27wt％的显现出液晶特性的R体手性材料CHr1，以及3wt％的不显现液晶特性的R体手性材料CHr2。
文档编号G02F1/13GK101213485SQ20058005092
公开日2008年7月2日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者富田顺二, 能势将树, 黑崎义久 申请人:富士通株式会社