JP2000111916A

JP2000111916A - 液晶電気光学装置の作製方法

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Publication number: JP2000111916A
Application number: JP32182099A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Konuma; 利光小沼
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2000-04-21
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JP3359893B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速、かつ容易な液晶電気光学装置の作製方法
を提供する。【解決手段】一対の基板それぞれに配向膜を形成する工
程と、前記配向膜を反平行方向にラビングする工程と、
前記一対の基板間に正の誘電率異方性を有するネマティ
ック液晶を形成する工程とを有し、前記液晶の分子はプ
レチルド角４°以下であることを特徴とする液晶電気光
学装置の作製方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】本発明は、高速応答性と高コントラ
スト性を有するネマティック液晶を用いた電気光学装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、時計，電卓等の表示素子とし
てＴＮ（Twisted Nematic ）型液晶電気光学装置が用い
られてきた。このＴＮ型液晶電気光学装置の構成を図５
を用いて簡単に説明する。

【０００３】誘電率の異方性が正のネマティック液晶
を、互いに90°の角度で配向処理された基板51,52 の間
に注入することにより、液晶分子53のツイスト配向が生
じる。そしてこの液晶に電界を加えると、電界と誘電率
異方性の相互作用により液晶分子の長軸が基板と直角に
配向する。そして液晶に電圧を印加しない時の液晶分子
の状態（ツイスト）と印加した時の状態とを偏光板54を
用いて識別していた。或いは、逆に誘電率の異方性が負
のネマティック液晶を、垂直配向処理を行った一方の基
板間に介在せしめる方法もあった。

【０００４】また、最近になって強誘電性液晶の研究が
非常に進んできた。強誘電性液晶を用いた光学装置の構
成は、２μｍ程度とＴＮ型液晶装置に比較してかなり薄
い間隔を持たせて液晶配向処理を施した基板を貼りあわ
せ、その基板の間に液晶を注入する。強誘電性液晶分子
は、電界を印加しない状態で安定状態を２つ有してお
り、電界を印加することによって一方の安定状態に分子
が配向する。そして逆向きの電界を印加することによっ
て他の安定状態に分子が配向する。そしてこの２つの液
晶の状態を偏光板を用いて識別することにより、明暗を
表示していた。

【０００５】この強誘電性液晶を用いた光学装置の場
合、応答時間が概ね数十μ秒と非常に速いため、各方面
への応用が期待されていた。

【０００６】或いは、ＴＦＴ、ＭＩＭ等のスイッチング
素子を各画素に配置したアクティブタイプもある。

【０００７】さらには、ネマティック液晶のツイスト角
度を180 °〜270 °としたＳＴＮ型液晶もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｔ
Ｎ型液晶電気光学装置は、応答時間が数十ｍ秒と非常に
遅く、印加電圧に対する応答の急峻性も悪いため、時
計，電卓等の小面積の表示以外への応用範囲がせばめら
れていた。そして、応答速度をもっと速くするために
は、基板間隔を短くする方法が考えられるが、基板間隔
を短くすると、液晶のＯＮ状態→ＯＦＦ状態への時間
（立ち上がり時間と称する。）は速くなるが、ＯＦＦ状
態→ＯＮ状態への時間（立ち下がり時間と称する。）は
速くならない。そのうえ、一方の基板と他方の基板の間
で液晶を90°のツイスト配向をさせることが困難にな
る。

【０００９】さらに、駆動の際の電圧を高くすれば応答
を速くすることは可能であるが、液晶によって適当な駆
動可能な電圧の範囲は決まっているので、電圧を高くす
ることも容易にはできない。

【００１０】また、強誘電性液晶を用いた電気光学装置
においては応答時間は確かに速いが、問題点も数多く存
在する。

【００１１】まず第１の問題点として、液晶の配向制御
が非常に難しいことがあげられる。従来よりラビング処
理の他、酸化珪素の斜方蒸着，または磁場を印加する方
法，さらには温度勾配法等行われているが、どの方法を
用いても現状では均一な配向を得ることができない。そ
のため、高いコントラストを得ることができない。

【００１２】第２に、強誘電性液晶として用いることが
できるのは、スメクチック相を示す液晶である。従って
強誘電性液晶はスメクチック液晶特有の層構造を有す
る。この層構造は一度外力によってくずされると、外力
を取り去っても元に戻らない。これを元に戻すために
は、加熱して一度等方相に相転移させる必要があるた
め、外部からの微小な衝撃で崩れてしまう層構造を有す
る強誘電性液晶は、実用的ではない。

【００１３】第３に強誘電性液晶は液晶自身の持つ自発
分極のために配向膜との界面に電荷が蓄積し、液晶の分
極と逆向きの電界が形成されるため、長時間同じ画面を
表示しておくと、次に違う画面を表示しようとしても、
前の表示が残ってしまう（「やけ」と称する）という問
題点を有する。

【００１４】第４に強誘電性液晶を用いた電気光学装置
のコントラスト比は、液晶のティルト角（またはコーン
角）に大きく依存するが、最も大きいコントラスト比を
得られるティルト角（コーン角）の値は22.5°（45°）
であることが知られている。しかし、ティルト角（コー
ン角）が22.5°（45°）という条件のみを満たす液晶
は、既に合成されているが、他の重要な条件，例えば液
晶が強誘電性を示す温度範囲の問題や、交流パルスに対
する応答性の問題などをも同時に十分満足できる強誘電
性液晶はまだ開発されていない。そのため、現状ではテ
ィルト角よりも前記温度範囲の問題等が重要視されてい
る。そのため現在研究段階にある強誘電性液晶を用いた
電気光学装置のコントラスト比はあまり大きくない。以
上に示した問題点により強誘電性液晶を表示装置として
応用することは現状では非常に困難である。

【００１５】

【発明の構成】上記問題点を解決するため本発明は、一
対の基板間に誘電率の異方性が正のネマティック液晶を
介在せしめた液晶電気光学装置であって、前記一対の基
板には反平行の方向にラビング処理された液晶配向層が
形成されていて、かつ前記液晶の分子のプレチルト角が
４°以下であることを特徴とする。または、一対の基板
間に誘電率の異方性が正のネマティック液晶を介在せし
めた液晶電気光学装置であって、前記基板には反平行の
方向にラビング処理された液晶配向層が形成されてい
て、かつ前記液晶配向層の表面張力の極性項の大きさが
１０dyne/cm 以上であることを特徴とし、さらには、一
対の基板間に誘電率の異方性が正のネマティック液晶を
介在せしめた液晶電気光学装置であって、前記基板には
反平行の方向にラビング処理された液晶配向層が形成さ
れていて、かつ前記液晶配向層の表面張力の大きさが４
０dyne/cm 以上であることを特徴とする。

【００１６】なお、本発明者は、液晶配向層の表面張力
が大きくなると液晶のプレチルトが小さくなることを見
出した。

【００１７】本発明において述べる表面張力は式１のよ
うな式に書ける。

【式１】

【００１８】本発明における表面張力の求め方は以下の
ように行う。 (1) まず、表面張力が既知の液体を定め（２種）、それ
らの２種の液体についての(ｒ_L) ,(ｒ_L)^d ,(ｒ_L)^pを求
める。ここではｒ_Lは、表面張力，(ｒ_L)^dは表面張力の
分散項，(ｒ_L)^pは表面張力の極性項である。また表面張
力が既知の液体としては、表１のものが挙げられる。

【表１】

【００１９】(2) 検体基板で接触角を測定する。この時
用いる液体は(1) で定めた液体ｉ，ｊとし、接触角をＸ
_i，Ｘ_jとする。 (3) 付着仕事(Ｗ_SL)_i，(Ｗ_SL)_jを式２を用いて計算す
る。

【式２】

【００２０】(4) 以下、検体基板の極性項（ｒ_s)^p, 分
散項(ｒ_s)^dを式３，式４により求める。

【式３】

【式４】

【００２１】(5)以上より、(ｒ_s)^d，(ｒ_s)^pが求まるか
ら、ｒ_s＝(ｒ_s)^d＋(ｒ_s)^pより、ｒ_sも求めることができ
る。

【００２２】本発明に用いる液晶はコレステリック（カ
イラルネマティック）液晶でも良いが、ネマティック液
晶の方が好ましい。

【００２３】本発明においては、従来のＴＮ型液晶電気
光学装置の基板間隔が概ね８μｍ程度であるのに対し、
本発明は概ね５μｍ以下好ましくは 3.5μｍ以下という
薄い基板間隔を用いる。

【００２４】また本発明において、「反平行の方向」と
は、図１に示すように基板のラビングの方向がほぼ１８
０°の角度をなしていることを意味する。従って、従来
のように液晶を９０°のツイスト配向を生じせしめない
ため、従来のような施光性を利用した表示は行うことが
できない。そのため本発明においては液晶の屈折率異方
性を利用した表示を行う。

【００２５】

【作用】本発明においては誘電率の異方性が正のネマテ
ィック液晶を用いるため、液晶の配向制御が非常に容易
であり、スメクティック液晶のように層を形成しないの
で、外力により一度配向を乱されても外力が取り除かれ
た後は、すみやかに配向がもとにもどるので等方相やネ
マティック相まで加熱する必要がない。

【００２６】本発明においては液晶の応答時間は、従来
のＴＮ型液晶に比較して非常に速く、電界を印加した時
の立ち上がり時間は概ね数十μ秒であって、この値はほ
ぼ強誘電性液晶の応答時間に相当する。さらに立ち下が
り時間も概ね３ｍ秒以下になり、従来には得られなかっ
た液晶ディスプレイが得られる。

【００２７】図２のグラフに液晶分子のプレチルト角と
液晶の立ち下がり時間との関係を示す。図２からわかる
ように液晶分子のプレチルト角が４°以下の時、立ち下
がり時間が３ｍ秒以下となり、非常に早い応答を得るこ
とができる。

【００２８】さらに図３のグラフに配向層の表面張力の
極性項と液晶の立ち下がり時間とのグラフを示す。図３
からわかるように液晶配向層の表面張力の極性項の大き
さが１０dyne/cm 以上の時、立ち下がり時間が３ｍ秒と
なり、非常に早い応答が得られる。

【００２９】また、図４のグラフに配向層の表面張力の
大きさと液晶の立ち下がり時間との関係を示す。図４か
らわかるように表面張力が40dyn/cm以上の時、立ち下が
り時間が３ｍ秒以下となり非常に速い応答が得られる。
なお、図２から図４のグラフにて用いた液晶はＺＬＩ−
４７９２（メルク社製）である。以下に実施例を用いて
本発明を説明する。

【００３０】

【実施例】『実施例１』一対のソーダガラス（研磨品）
にＩＴＯ薄膜をスパッタ法で作製し、フォトリソにより
パターニングを行った。そして、電極作製面に表面張力
の大きいポリイミド（商品名：ＬＰ，東レ製）を１００
０Åの厚さに塗布し、ラビングを行った後、一方にはシ
ール印刷を行い、他方には２ミクロンのスペーサーを散
布した。

【００３１】そして、貼合わせを行った。この時基板の
ラビング方向が反平行(180°) になるようにした。そし
て、真空注入法にて液晶を注入した。

【００３２】液晶注入後、偏光顕微鏡を用いて観察を行
った結果、液晶分子が液晶層全体でほぼラビング方向に
配向していることが判明した。そして、偏光板をクロス
ニコルになるように液晶セルに貼付した。この時、光が
入射する側の偏光板の偏光軸がラビング方向と４５°に
なるようにした。こうして応答速度を測定した。用いた
液晶はＺＬＩ−４７９２，（メルク社製）である。その
結果、立ち上がり時間は６５マイクロ秒，立ち下がり時
間は２ｍ秒となった。これは従来のＴＮ型液晶電気光学
装置と比較して速度が、約１０倍〜約1000倍速くほぼ強
誘電性液晶の応答時間に相当した。

【００３３】なお、本液晶パネルの液晶のプレチルト角
は２°，表面張力は６０ｄｙｎｅ／ｃｍ，その極性項
の大きさは１５ｄｙｎｅ／ｃｍであった。この後、液
晶を駆動するための回路を接続し、バックライトモジュ
ールを組み立てることにより透過型の液晶パネルが完成
した。

【００３４】『実施例２』実施例１では透過型のパネル
を作製した場合について述べたが、本実施例では反射型
について述べる。この場合、透過型と同じように偏光板
を２枚用いても良いが、１枚でも表示が可能であり、通
常の反射型表示と比較して明るい画面が得られる。

【００３５】実施例１と同様に一対の基板上にＩＴＯ電
極を作製した後、２枚の基板の電極作製面に、やはり実
施例１と同様な方法でポリイミド薄膜を得た。そして一
方の基板のポリイミド作製面に綿布を用いて、ラビング
処理を行った。１．４μｍのＳｉＯ₂粒子をスペーサー
として散布した。シール印刷済の対向基板と貼りあわせ
たセルの間隔を公知の干渉法により測定した後、ネマテ
ィック液晶を真空注入法により注入した。なお、基板間
隔については、５ヶ所測定したが１．３〜１．４μｍで
あった。

【００３６】そして、液晶注入口の封止を行った後、パ
ネルの表面に偏光板を、裏面に反射板を貼付した。この
時の偏光板の偏光軸の角度はラビング軸に対し、４５°
の角度とする。こうして、液晶を駆動するための回路を
接続し、バックライトモジュールを組み立てることによ
り反射型の液晶パネルが完成した。本実施例のように１
枚の偏光板で表示を行うため、通常の反射型の液晶パネ
ルに比較して明るい画像が得られる。

【００３７】『実施例３』本実施例では本発明をカラー
プロジェクターに応用した場合について図６を使って説
明する。本実施例によるプロジェクターではカラーフィ
ルターを使用しないため、従来のものに比較して透過率
の高い、明るいプロジェクターが作製できる。

【００３８】図６において赤の光源61として波長６３３
ｎｍ付近にピークを持つＨｅ−Ｎｅレーザー，緑の光源
62として波長５１５ｎｍ付近にピークを持つＡｒレーザ
ー，さらに青の光源63としては波長４７７ｎｍ付近にピ
ークを持つＡｒレーザーを使用してこれらレーザー光を
光学系64にて外形や光の密度を必要な光の条件に加工
し、実施例１にて作製した液晶パネル65，66，67に照射
する。

【００３９】この液晶パネルを通過した光は液晶パネル
のシャッター機能により、ＯＮ，ＯＦＦあるいはグレー
スケールとして透過光量が制限された光学系68により合
成され、さらに表示画面69上に拡大表示される。

【００４０】本実施例では光源が単一波長のため液晶パ
ネルを通過する際の光学的条件を各液晶パネルにて合わ
せることが可能なため、パネル通過後の散乱光が少な
く、拡大投影した表示画面のぼけがなくなりシャープな
表示を行える。

【００４１】本実施例に用いられるレーザー光として
は、前述のガスレーザの他にカドミウムや亜鉛の金属蒸
気を使用したレーザー光やルビー等を使用した固体レー
ザーやその他の種類のレーザー光で可視光領域にピーク
波長を有するものが使用できる。また、通常の発光波長
以外の波長でも特殊な光学系を通過することにより、可
視光領域の発光が得られるもの、例えばＹＡＧレーザー
の第二高調波等でも使用可能である。

【００４２】通常は赤、青、緑の各波長に近い発光波長
を持つ３つのレーザー光を使用するが、波長の種類の異
なる４つ以上のレーザー光を使用して、色を合成し、カ
ラー表示を行うことも可能である。

【００４３】

【発明の効果】今まで述べたように本発明は従来の液晶
電気光学装置にはまったくなかった新しいモードで表示
を行うことができるものであって、本発明を用いること
により液晶の配向制御が非常に容易で、なおかつ応答速
度，特に立ち下がりの非常に高速な液晶電気光学装置が
得られる。さらに本発明は大画面の表示も容易に得られ
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造の１例を示
す。

【図２】プレチルト角と応答速度のグラフを示す。

【図３】表面張力極性項と応答速度のグラフを示す。

【図４】表面張力と応答速度のグラフを示す。

【図５】従来のＴＮ型の液晶パネルの構造を示す。

【図６】本発明によるプロジェクションの光学系の概
略図を示す。

【符号の説明】

51，52 基板 53 液晶分子 54 偏光板 61，62，63 レーザー光 64，68 光学系 65，66，67 液晶パネル 69 表示画面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の基板それぞれに配向膜を形成する工
程と、前記配向膜を反平行の方向にラビングする工程と、前記一対の基板間に正の誘電率異方性を有するネマティ
ック液晶を形成する工程とを有し、前記液晶の分子はプレチルド角４°以下であることを特
徴とする液晶電気光学装置の作製方法。
【請求項２】一対の基板それぞれに配向膜を形成する工
程と、前記配向膜を反平行の方向にラビングする工程と、前記一対の基板間に正の誘電率異方性を有するネマティ
ック液晶を形成する工程とを有し、前記配向膜の表面張力の極性項の大きさが１０ｄｙｎｅ
／ｃｍ以上であることを特徴とする液晶電気光学装置の
作製方法。
【請求項３】一対の基板それぞれに配向膜を形成する工
程と、前記配向膜を反平行の方向にラビングする工程と、前記一対の基板間に正の誘電率異方性を有するネマティ
ック液晶を形成する工程とを有し、前記配向膜の表面張力の大きさが４０ｄｙｎｅ／ｃｍ以
上であることを特徴とする液晶電気光学装置の作製方
法。
【請求項４】請求項３において、前記一対の液晶配向層の表面張力の極性項の大きさは１
０ｄｙｎｅ／ｃｍ以上であることを特徴とする液晶電気
光学装置の作製方法。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか一項において、前記一対の基板間隔は５μｍ以下であることを特徴とす
る液晶電気光学装置の作製方法。