JP4704554B2

JP4704554B2 - 液晶表示素子、及びその製造方法

Info

Publication number: JP4704554B2
Application number: JP2000349498A
Authority: JP
Inventors: 光義原; 耕吉伊藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: JP2001209044A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピューター端末、画像表示装置、シャッターのようなシステムに使用される、低コストの反射型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、低消費電力、低コスト、薄型、軽量のため、携帯型の情報端末のディスプレイとして用いられている。
【０００３】
一般に、反射型の液晶表示装置において、ネマチック液晶層が基板間に封入されてなる液晶セルは、通常２枚の偏光板で挟まれ、一方の偏光板の下に反射板を設置して用いられている。
【０００４】
このような２枚の偏光板を使用する反射型の液晶表示素子では、入射光は偏光板を４回透過することとなり、そのため暗くなってしまう。
【０００５】
そこで反射型の液晶表示素子を明るくするために、偏光板を液晶表示素子の前面側の１枚のみにして、液晶セルを１枚の偏光板と反射板で挟む１枚偏光板構成が提案されている。このような構成では、入射光は偏光板を２回しか透過しないで観測者に届くこととなり、透過率の向上が期待できる。さらに、反射板を液晶層と背面側の基板の間に設けることにより、従来のように光が背面側の透明基板を通らなくなるため、基板中を光が透過することにより生じる光強度の減衰がなくなり、透過率の向上が期待できる。
【０００６】
この１枚偏光板方式では、背面側基板表面に、従来アルミ等の鏡面高反射率金属膜層を形成し、観測者側透明基板と偏光板の間に拡散板を挿入し反射層の鏡面をなくし、白色表示を行う方法がとられてきた。
【０００７】
従来の反射型液晶表示装置に用いられる液晶表示素子の断面模式図を図２に示す。図２において観測者側透明基板１と背面側基板２は平滑なガラス板であり、観測者側透明基板１上の透明電極３は酸化インジウム錫膜（ＩＴＯ）で形成されている。背面側基板２の上にはアルミからなる反射層５を設けており、反射層５の上には絶縁性の透明樹脂からなるトップコート層６が形成され、さらにトップコート層６の上には対向電極７が設けられている。透明電極３と対向電極７は交差して画素を形成している。さらに、これらの電極上にはそれぞれ配向膜層８、９が設けられている。配向膜層は、ポリイミド樹脂を印刷後、焼成して成膜される。成膜後、２４０°から２６０°ねじれるように配向膜層をラビング処理する。このように形成されたそれぞれの基板の周囲にシール剤１０を塗布して貼り合わせ、誘電異方性が正でカイラル材料を添加したネマチック液晶材料１１を観測者側透明基板１と背面側基板２の間隙に注入する。そして偏光板１２、位相差板１３、前方散乱板１４を観測者側透明基板１の前面に貼りつけてある。
【０００８】
この拡散板方式では、反射層５からの反射光は前方散乱板１４に入射すると前方散乱板１４で散乱するため、反射層５の方向に散乱光が戻る現象が発生する。これは後方散乱と呼ばれ、表示される文字のにじみの原因となり、表示品質が低下してしまう。
【０００９】
そこで図３に示すような構造の液晶表示素子が考案されている。図３において観測者側透明基板１と背面側基板２は平滑なガラス板で、観測者側透明基板１上の透明電極３は酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜である。背面側基板２の上には樹脂基材からなる凹凸層１５が形成され、さらに凹凸層１５上にアルミからなる反射層５を設けており、反射層５の上には絶縁性の透明樹脂からなるトップコート層６が形成され、さらにトップコート層６の上には酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜からなる対向電極７が形成されている。透明電極３と対向電極７は交差して画素を形成している。さらに、これらの電極の上には、配向膜層８、９が設けられている。配向膜層はポリイミド樹脂を印刷後、焼成して成膜されており、成膜後、２４０°から２６０°ねじれるようにラビング処理されている。このように形成されたそれぞれの基板の周囲にシール剤１０を塗布して貼り合わせ、誘電異方性が正でカイラル材料を添加したネマチック液晶材料１１を基板間の間隙に注入する。そして偏光板１２、位相差板１３を透明基板１の前面側に貼りつける。
【００１０】
この凹凸層１５の代表的な形成方法を示す。まず金属からなる母型に多数の溝や凸凹を形成する。あるいは溝と凸凹の組み合わせにする。そして母型から転写型を形成し、凹凸層１５を形成する基板面に樹脂基材層を形成した後、この樹脂基材層表面に転写型の凸凹を押し付けて凸凹の状態を転写することにより凹凸層１５を形成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような方式の液晶表示素子は、凸凹を転写する樹脂基材層の透過率特性の影響を受けやすいという問題があった。また、近年の携帯機器に多く搭載される液晶表示素子である、素子背面にバックライトが設置された半透過タイプのディスプレイには、樹脂基材層が透明でないため使用できないという問題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため本発明の液晶表示素子は、観測者側透明基板と背面側基板の間に液晶が挟持され、その厚さ方向に２４０゜から２６０゜ねじれたネマチック層と、前記観測者側透明基板の外側に偏光板と位相差板をそなえ、前記背面側基板と前記ネマチック層の間に反射層をそなえた液晶表示素子において、前記背面側基板の前記反射層側の表面はフッ化水素溶液により腐食され凹凸層を形成した後、凹凸層上に反射層として金属膜が成膜されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による液晶表示装置は、背面側の基板をフッ化水素で侵食することにより凹凸層を形成し、その上に反射層を形成した。これにより、明るい反射型表示素子が実現できる。
【００１４】
また、凹凸層の表面粗度を０．２から１μｍ、ピッチを５から２０μｍの範囲にすることにより、反射層による反射光が均一に散乱され、白色光が得られる。
【００１５】
さらに、反射層上に透明なトップコート層を設け、このトップコート層の表面粗さを１μｍ以下とする。これにより、トップコート層の表面に設ける電極、配向膜の表面粗さも小さくなり、表示ムラは発生しない。
【００１６】
ここで凹凸層の表面粗度が５μｍ以下であれば、ディップ法を用いてにより表面粗さが１μｍ以下のトップコート層を設けることができる。
【００１７】
また、反射層を膜厚１００から４００オングストロームにすることにより反射層は透過特性も有する半透過層となり、半透過型の表示装置が容易に実現できる。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の液晶表示素子の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。
【００１９】
本発明の液晶表示素子の断面模式図を図１に示す。背面側基板２上に凹凸層４が形成され、この凹凸層上には、反射層５、及び、透明なトップコート層６が設けられ、さらにこの上に透明電極７がパターン形成されている。
【００２０】
本実施例において、観測者側透明基板１と背面側基板２には平滑なガラス板を用いた。観測者側透明基板上には酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜からなる透明電極３をホトリソグラフィーでパターン形成した。透明電極は、文字や絵を表示するためにグラフィックパターン、あるいは、ストライプ状のパターンになっている。背面側基板２であるガラス基板の表面はフッ化水素溶液により腐食され凹凸層４になっている。この凹凸層４の上にはアルミからなる反射層５が設けられている。反射層５に用いる金属膜としては、アルミ以外にクロム、ニッケルあるいは銀を用いてもよい。金属膜は蒸着法やスパッタ法により凹凸層上に形成される。凹凸層上に反射層が設けられているために、入射光は散乱された反射光になる。反射層として金属膜を用いる場合には、反射層と透明電極とを絶縁するため、ならびに、反射層の酸化を防止するために、トップコート層６が反射層上に設けられる。さらに、トップコート層６の上には酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜からなる対向電極７が形成されている。この対向電極７は、文字や絵を表示するために、グラフィックパターンやストライプ状のパターンで形成されている。透明電極３と対向電極７は交差して画素を形成している。さらに透明電極３と対向電極７の上には、配向膜層８、９が設けられている。この配向膜層はポリイミド樹脂を印刷後、焼成して成膜され、２４０°から２６０°ねじれるようにラビング処理されている。配向膜層はポリイミドの他にテフロン系物質からなる層でもよい。また、配向膜は液晶材料に接するほぼ全面に形成されている。以上のように構成された観測者側透明基板１と背面側基板２を周囲に塗布されたシール剤１０により貼り合わせ、誘電異方性が正でカイラル材料を添加したネマチック液晶材料１１を観測者側透明基板１と背面側基板２の間隙に注入する。そして偏光板１２、位相差板１３を観測者側透明基板１の前面に貼りつけた。
【００２１】
次に、反射層５、凹凸層４、トップコート層６について詳細に説明する。液晶表示素子を反射型として用いる場合には、反射層５の厚さを８００オングストローム以上で形成する。一方、反射層５の厚さが８００オングストロームより小さくなるにつれて透過特性を徐々に備えるようになり、反射層５の厚さが１００〜４００オングストロームのときに半透過型として好ましい特性になる。すなわち、厚さ１００〜４００オングストロームの金属反射層を用いると半透過型の液晶表示素子が実現できる。半透過型の液晶表示装置の場合、背面側基板２に実施例のような透明基板（ガラス基板）を用い、透明基板の背後にバックライトを設置することにより、１枚偏光板の半透過タイプのディスプレイが容易に実現できる。また、この透明基板の下側に偏光板を設置することによりコントラストを良くすることができる。
【００２２】
本実施例による凹凸層４の模式的な断面図を図４（ａ）、及び、図４（ｂ）に示す。本図では凸部が周期的に配置しているが、実際には凸部は背面側基板２の平面内でランダムに形成されることとなる。フッ化水素溶液による腐食で形成された凹凸層４の表面粗度（山と谷との高低差）が０．１μｍより小さくなると散乱効果がなくなる。一方、１μｍより大きくなると（すなわち、配向膜層の表面粗さが１μｍより大きくなると）液晶分子の配向が不均一になるため表示ムラが発生してしまう。そのため、表面粗度は０．２μｍから１μｍが好ましい。このように、凹凸層４の表面粗度を０．２μｍ〜１μｍ、ピッチ（山の頂上の間隔）を５μｍ〜２０μｍにすることにより、反射層５からの反射光は均一に散乱されることとなり、白色の表示が実現された。
【００２３】
このように凹凸層４の表面粗度が０．２μｍ〜１μｍの範囲であれば、トップコート層は蒸着やディップ等のいずれの方法でも問題はない。すなわち、透明な樹脂で形成されるトップコート層が、蒸着により形成される場合はディッピングにより形成される場合に比べて薄くなり、トップコート層の厚みは２００オングストローム程度になる。つまり、蒸着による薄いトップコート層では、凹凸層の凹部を埋めるほどトップコート層が形成されない。したがって、配向膜が形成される表面の表面粗さを１μｍより小さくするためには、凹凸層の表面粗度自体を１μｍ以下にする必要がある。
【００２４】
逆にいえば、数μｍ程度の厚いトップコート層を形成する場合には凹凸層の表面粗さがもっと大きくても良い。すなわち、凹凸層の表面粗度が１μｍ〜５μｍ程度あっても、ディッピング法によりトップコート層を設けることにより、配向膜が形成される表面の表面粗さを１μｍより小さくできる。そのため、表示ムラが発生することはない。つまり、表面粗度が１μｍ〜５μｍの凹凸層でもディッピング法によるトップコート層を設ければ表示ムラは発生しない。
【００２５】
このように、透明電極７や配向膜９が形成される表面の粗さが０．２μｍから１μｍになるように、凹凸層と反射層・トップコート層を選定することにより、１枚の偏光板で白色表示が可能で表示ムラのない表示装置が実現できる。
【００２６】
液晶表示素子の背面側基板の腐食方法としてはフッ化水素そのものを用いてもよいし、またフッ化カルシウム、フッ化アルミニウムソーダ、フッ化アンモニウム等のフッ化物と硫酸や塩酸等を混合して発生するフッ化水素を用いてもよい。
【００２７】
また、本発明の液晶表示素子の透明基板上にカラーフィルター層を設置することによりカラー表示のできる液晶表示素子を実現することもできる。
（実施例２）
実施例１で述べたように、フッ化水素溶液で腐食加工したガラス基板表面に反射層を形成すると、この反射層はランダムな凹凸反射面になる。このような反射層は反射効率がそれほど良くないため全体に反射率が低く、入射光の反射角度は広範囲にはならない。そこで、本実施例では、フッ酸溶液でガラス基板表面を溶解する加工（腐食加工）を行った後、さらに、加工面であるガラス基板表面に金属製バイトを押し付け、表面に湾曲溝や直線溝をつける加工を行った。これにより反射層５の表面に湾曲溝や直線溝が形成されることとなり、表面にランダムな凹凸が形成されていた時に比べて、溝の方向に垂直な方向から入射する光の反射角度範囲を広げることができる。
【００２８】
本実施例２は反射層５の表面に湾曲溝や直線溝をつける加工がある以外は、実施例１と同様の構成、製造方法でよい。
（実施例３）
さらに、実施例１において、反射層５を多層構造とした。これにより、反射層５の曇りをなくすことが可能になる。すなわち、実施例１のように反射層５をアルミの単層で成膜した場合、アルミは酸化しやすいためアルミ表面が曇り、金属光沢が失われることが考えられる。そこで本実施例では、アルミ成膜後、アルミ層の上に銀を成膜して、二層構造とした。
【００２９】
また、反射層５に銀を使用した場合には、第二層をアルミで成膜することにより第一層である銀の使用量を少なくすることができる。
【００３０】
このように、反射層５はアルミを蒸着後に銀を蒸着するか、あるいは銀を蒸着後にアルミを蒸着した二層構造にすることにより、アルミ単層の場合に比べて反射効率の劣化が防止できる。
【００３１】
反射層５の構造を二層構造にした以外は、実施例１と同様の構成、製造方法でよい。
（実施例４）
実施例１の構成において、アルミ、クロム、ニッケル、あるいは銀いずれかの金属を斜方蒸着して反射層５を成膜することとした。そのため、凹凸層の一方向（斜方蒸着方向）の面側に金属反射層が厚く形成されることとなる。したがって、この方向での反射率が最も高くなり、この方向（斜め）から見た時に最も明るくすることができる。このように、凹凸層の凹凸面の一方向側（斜方蒸着方向側）に金属反射層を厚く設ける構成により、この一方向側の面に対する法線方向から見た場合に最も明るくなる。
【００３２】
すなわち、凹凸がランダムに形成された表面に斜方蒸着で金属反射層５を成膜することにより、スパッタや垂直方向の蒸着により金属反射層を設けていた時に比べて、反射する光の最も明るくなる方向が法線方向から斜め方向へ移り、斜めから見た時に最も明るくすることができる。したがって、観測者にとって最適な姿勢に合わせて最も明るくすることができる。また、併せてこの方向でのコントラスト比が大きくなるように液晶層の特性や駆動等を設定することも可能である。
【００３３】
反射層５を金属の斜方蒸着により成膜する以外は、実施例１と同様の構成の液晶表示素子とした。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の液晶表示素子は、背面側ガラス基板の表面をフッ化水素溶液により腐食して凹凸層を形成した後、アルミ等の金属膜を凹凸層上に成膜することにより、明るく、視認性に優れた半透過型の液晶表示素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる液晶表示素子の構成の一例を示す断面模式図である。
【図２】従来の液晶表示素子の構成の一例を示す断面模式図である。
【図３】従来の液晶表示素子の構成の一例を示す断面模式図である。
【図４】本発明による凹凸層の断面形状を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１観測者側透明基板
２背面側基板
３透明電極
４凹凸層
５反射層
６トップコート層
７対向電極
８、９配向膜層
１０シール剤
１１液晶材料
１２偏光板
１３位相差板

Claims

観測者側透明基板と背面側基板の間に挟持された液晶層と、前記観測者側透明基板の外側に設けられた偏光板と、前記液晶層と前記背面側基板との間に設けられた反射層と、を備え、
前記背面側基板にはフッ化水素溶液により腐食された凹凸層が形成されるとともに、前記凹凸層の表面には湾曲溝や直線溝が形成され、
前記反射層は、前記湾曲溝や直線溝が形成された前記凹凸層上に設けられたことを特徴とする液晶表示素子。
ガラス基板の表面をフッ化水素溶液により腐食させ、凹凸層を形成する腐食加工工程と、
前記凹凸層の表面に湾曲溝や直線溝をつける加工を行う溝加工工程と、
前記溝が形成された前記凹凸層上に金属反射層を設ける工程と、
前記金属反射層上に透明な絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
前記溝加工工程において、前記凹凸層の表面に金属製バイトを押し付けることにより、前記凹凸層の表面に湾曲溝や直線溝をつけることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子の製造方法。
前記凹凸層の表面粗度が０．２μｍ〜１μｍの時には、前記絶縁層を蒸着法により形成し、その表面粗さを１μｍ以下とし、前記凹凸層の表面粗度が１μｍ〜５μｍの時には、前記絶縁層をディッピング法により形成し、その表面粗さを１μｍ以下としたことを特徴とする請求項２または３に記載の液晶表示素子の製造方法。