JP2004309780A

JP2004309780A - 液晶表示素子

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Publication number: JP2004309780A
Application number: JP2003102985A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Okada; 裕之岡田; Toru Shimamura; 徹嶋村; Hiroyoshi Mekawa; 博義女川
Original assignee: Chisso Corp
Current assignee: JNC Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】露光により形成された突起物により、液晶の垂直配向と電圧印加時の液晶傾斜方向を規定させることができる液晶表示素子を提供する。
【解決手段】透過性、且つ、導電性の性質を有する第１、第２の電極４１，４２を、透明、且つ、絶縁性の性質を有するそれぞれ第１、第２の基板１，２上に有し、電極を含む両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１の薄膜１１及び第２の薄膜１２を第１の電極４１上面及び第２の電極４２上面を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成し、２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させる配向処理を行い、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性の性質を有する液晶材料を封入して素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１、第２の基板２の外側に偏光板を配置する構造を組み合わせた液晶表示素子である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新たな液晶表示素子の構造に関する。詳細には、露光により形成した突起物により、液晶の垂直配向と電圧印加時の液晶傾斜方向の規定を行わせることを特徴とした液晶表示素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶配向膜としては、ラビング法により微細溝を形成することで、液晶配向方向を規定する方式が一般的であった。しかし、ラビング法ではラビング時の静電気の発生に伴うアクティブ素子の破壊や、発塵による表示性能のムラや欠陥の発生などが問題とされていた。そして、それに変わる方式として光配向法、ダイアモンドライクカーボン＋イオンビーム照射（ＤＬＣ＋ＩＢ）法等が検討されていたが、光配向法では十分なアンカリングエネルギー、プレチルト角が得られない点と不安定性が問題視され、ＤＬＣ＋ＩＢ法では装置の高コスト化が問題とされていた。また、配向膜の表面にレーザ光の２光束縞の照射によるグレーティング状の凹凸が形成されていることを特徴とする液晶表示パネルも知られている（特許文献１、２、３参照）。これらの文献には垂直配向については記載されておらず、液晶パネルの構成について具体的な記載もない。
【０００３】
そうしたなか、側鎖系ポリイミドによる垂直配向が実用化の域へ到達し、ラビングが不要、電圧無印加時に良好な暗状態が実現できると言う特徴を有する量産方式として、現在その地位を確立している（特許文献４参照）。しかし、電圧印加時に液晶の傾斜方向を決定するために何らかのパターン形成が必要な点であり、それに伴うプロセス工程が複雑になる。例えば、突起物形成により液晶の傾斜方向を規定したり、電極のパターニングにより斜め電界を発生させる必要があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６０−６０６２４
【特許文献２】
特開昭６０−２１７３３９
【特許文献３】
特開昭６０−２４４９２９
【特許文献４】
特開平９−２７８７２４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ポリイミド薄膜形成と突起物のパターニングプロセスを簡略化することにより得られた配向膜を有し、新規な構成からなり、良好なコントラスト比が得られる垂直配向方式の液晶表示素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意検討を続けた結果以下の構成からなる本発明に到達した。
【０００７】
（１）透過性、導電性を有する第１の電極を有した、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有し、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜を第１及び第２の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板を配置する構造を組み合わせた液晶表示素子。
【０００８】
（２）透過性、導電性を有する第１の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第１の透明膜を有する、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第２の透明膜を有する、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜を第１及び第２の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板が配置された構造を組み合わせた液晶表示素子。
【０００９】
（３）透過性、導電性を有する第１の電極を有した、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有した、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１の薄膜を第１の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成しする光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、第２の基板上に通常用いられる液晶の垂直配向性を実現できる第２の薄膜を形成し、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板を配置する構造を組み合わせた液晶表示素子。
【００１０】
（４）透過性、導電性を有する第１の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第１の透明膜を有する、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第２の透明膜を有する、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１の薄膜を第１の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、第２の基板上に通常用いられる液晶の垂直配向性を実現できる第２の薄膜を形成し、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板が配置する構造を組み合わせた液晶表示素子。
【００１１】
（５）露光により形成した対称突起物上に、液晶の濡れ性改善のための透明薄膜層が形成された（１）〜（４）項の何れか１項に記載された液晶表示素子。
【００１２】
（６）感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜が、ポジないしはネガ型のフォトレジストである（１）〜（４）項の何れか１項に記載された液晶表示素子。
【００１３】
（７）感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜が、感光性ポリイミドである（１）〜（４）項の何れか１項に記載された液晶表示素子。
【００１４】
（８）垂直配向性を実現出来る第２の薄膜が、側鎖型ポリイミドである（３）若しくは（４）項に記載された液晶表示素子。
【００１５】
（９）垂直配向性を実現出来る第２の薄膜が、シラン系カップリング剤である（３）若しくは（４）項に記載された液晶表示素子。
【００１６】
（１０）透明薄膜層が二酸化ケイ素、または表面層を二酸化ケイ素とした多層薄膜である（５）項に記載された液晶表示素子。
【００１７】
（１１）透明薄膜層がインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、または表面層をＩＴＯとした多層薄膜である（５）項に記載された液晶表示素子。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶表示素子の構造を図１に概念図で示す。図番１は第１の基板、２は第２の基板、３は液晶部、１１は露光により形成された第１の薄膜、１２は露光により形成された第２の薄膜、２１は第１の偏光板、２２は第２の偏光板、３１は支持体、４１は第１の透明電極、４２は第２の透明電極である。
【００１９】
第１と第２の偏光板２１と２２は、適宜セルのコントラスト比が高くなるよう設定する。ノーマリーブラックモードでは、各々の偏光板の偏光方向がクロスニコルとなる様配置する。第１、第２の基板１、２は、透明、且つ、絶縁性の物質からなる。材料としてはガラス材料が主であるが、透明であることに加え、低吸湿性、耐熱性、低複屈折性、高寸法安定性などの性質が望まれるが、これら性質を有すれば特に材質に限定されない。第１及び第２の電極４１、４２は、透過性、且つ、導電性を有する電極である。
【００２０】
図１は概念図として、各部の配置を示したが、応用上は各々１画素に対して一つのアクティブ素子を備えたアクティブマトリクス駆動を想定する。露光により形成される第１及び第２の薄膜１１、１２は、感光性樹脂である。具体的には、感光性ポリ（メタ）アクリレート、ポリクロロメチルスチレン、ナフトキノンジアジド−ノボラック樹脂組成物、ポリブテンスルホン、ポリ桂皮酸ビニル、ポリオレフィンスルホン−ノボラック樹脂組成物、感光性ポリイミド等が挙げられるが、最も好ましくは感光性ポリイミドである。材料としては透明な材料が望ましく、また、膜厚としては、パターン形成後も含めて光学的に干渉しない条件が望ましい。また、材料によっては液晶に対して濡れ性が悪い材料系もあり、それに対する考慮が必要であった。実際上は、レーザ光を用いた干渉露光が主なパターニング法となるが、それに伴う光照射部が残膜ないしは膜減りする現象、熱硬化する現象など、光照射により生ずる種々の現象が利用可能であり、形状形成方法は干渉露光法に限定されない。
【００２１】
使用する光源に関しては、効果を最大限に得るためにはレーザ光源の使用が望ましい。例えば、Ｆ２、ＡｒＦ、ＫｒＦなどのエキシマレーザ、Ｎ２、Ｈｅ−Ｃｄ、ＹＡＧ等のレーザ等も使用は可能となる。実質的なタクトタイムを考えると、強力な光源となるエキシマレーザ等が有望視される。また、エキシマランプ、ＤｅｅｐＵＶや高圧水銀ランプ等、干渉条件を満たす種々のランプにおいても実現できる。
【００２２】
図２は、本発明により形成された配向膜形状の原子間力顕微鏡観察（ＡＦＭ）の一例を示す。本例では、間隔３．６μｍ、高さ１６７ｎｍの突起物が周期的に整列した構造となっている。
【００２３】
図３〜７に、本発明に適用可能な種々の光干渉露光方法を示す。図３がＭｉｃｈｅｌｓｏｎの干渉計、図４は平行光束を用いたＭｉｃｈｅｌｓｏｎの干渉計、図５はＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒの干渉計、図６はＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒの干渉計で、一方の光束を斜入射とした方式である。図７は簡単な二光束干渉計である。図中、５１は光源、５２はサンプル、５３はミラー、５３１はミラー１、５３２はミラー２、５４はビームスプリッタ、５４１はビームスプリッタ１、５４２はビームスプリッタ２、５５１はレンズ１、５５２はレンズ２、５６１は補償板である。種々の干渉計を例に挙げたが、いずれの方法によっても光干渉露光が可能となる。
【００２４】
【実施例】
以下、発明の実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１（干渉露光）
光源としてＮ２レーザを用い、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計を用い露光した時の、露光エネルギー量対溝の深さの特性を図８に示す。ポジ型レジストとしてＯＦＰＲ−８００（東京応化工業（株）製）を用いた。露光量がある値以上になると、露光が開始され溝は露光量に比例して深くなる。ある値を超えると、膜内及び基板面での光反射等により、溝深さが低下するため最大値を取る。第９図に入射レーザの角度差を付けた際の干渉縞の間隔を示す。このとき、ｄの理論値は式（１）、
【数１】
ｄ＝λ／２ｓｉｎ（θ／２）
である。ここで、λは光源の波長、θは入射光間の角度である。これより、間隔は理論値と良く一致した。また、傾斜入射により、ブレーズ格子形成の際と同様に非対称溝の形成が見られた。
【００２５】
実施例２（液晶セル作成）
フォトレジストにＯＦＰＲ−８００を用い、ドット間隔４μｍ、ドット高さ２８０ｎｍのパターンを両電極側に設け、厚さ９．２μｍのセルを組立てた後、メルク社製液晶ＭＬＣ−２０３８を注入した。この垂直配向液晶素子の電圧−透過率特性を図１０に示す。電圧は６Ｖ程度で特性が飽和し、コントラスト比は１２０：１であったが、セル封止後液晶のはじきがわずかに見られた。
【００２６】
実施例３（液晶セル作成）
フォトレジスト上に、二酸化ケイ素膜をマグネトロンスパッタ装置を用いて２００Å形成した以外は実施例２に準拠し、厚さ２８μｍのセルを作成した。この垂直配向液晶素子の電圧−透過率特性を図１１に示す。セル厚が厚いことにより変化するリターデーションが大きくなり、透過率は極大、極小を持つ特性となった。コントラスト比は１２４：１であった。液晶の濡れ性は良好で、はじき等は見られなかった。
また、電圧印加に伴う素子の配向変化の確認を行ったが、電圧無印加時は勿論、電圧上昇及び下降中に全く欠陥を生じない配向変形が確認された。
【００２７】
実施例４（液晶セル作成）
実施例２と同様のパターンを片側電極側に設けた以外は、実施例２に準拠して作製した垂直配向液晶素子の電圧−透過率特性を図１２に示す。電圧は５Ｖ程度で特性が飽和した。コントラスト比は３３５：１と上昇した。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の液晶表示素子は、ポリイミド薄膜形成と突起物のパターニングプロセスを簡略化することにより得られた配向膜を有し、新規な構成からなり、良好なコントラスト比が得られる垂直配向方式の液晶表示素子である。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶表示素子の構造を示した概念図である。
【図２】本発明により形成された配向膜の形状を撮影した原子間力顕微鏡観察（ＡＦＭ）図である。
【図３】Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干渉計の概念図である。
【図４】平行光束を用いたＭｉｃｈｅｌｓｏｎ干渉計の概念図である。
【図５】Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計の概念図である。
【図６】Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計で、一方の光束を斜入射とした方式の場合の概念図である。
【図７】簡単な二光束干渉計の概念図である。
【図８】露光用光源としてＮ２レーザを用い、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計を用い露光した、露光エネルギー量と溝の深さの関係を示した図面である。
【図９】入射レーザの角度差と干渉縞の間隔の関係を示す図面である。
【図１０】実施例２で作製した垂直配向液晶素子の電圧−透過率の関係を示す図面である。
【図１１】実施例３で作製した垂直配向液晶素子の電圧−透過率の関係を示す図面である。
【図１２】実施例４で作製した垂直配向液晶素子の電圧−透過率の関係を示す図面である。
【符号の説明】
１第１の基板
２第２の基板
３液晶部
１１露光により形成された第１の薄膜
１２露光により形成された第２の薄膜
２１第１の偏光板
２２第２の偏光板
３１支持体
４１第１の透明電極
４２第２の透明電極
５１光源
５２サンプル
５３ミラー
５３１ミラー１
５３２ミラー２
５４ビームスプリッタ
５４１ビームスプリッタ１
５４２ビームスプリッタ２
５５１レンズ１
５５２レンズ２
５６１補償板

Claims

透過性、導電性を有する第１の電極を有した、透明で絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有し、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜を、第１及び第２の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板を配置する構造を組み合わせた液晶表示素子。
透過性、導電性を有する第１の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第１の透明膜を有し、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第２の透明膜を有し、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜を第１及び第２の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板が配置された構造を組み合わせた液晶表示素子。
透過性、導電性を有する第１の電極を有した、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性を有する第２の電極を有し、透明、絶縁性を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１の薄膜を第１の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、第２の基板上に通常用いられる液晶の垂直配向性を実現できる第２の薄膜を形成し、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板を配置する構造を組み合わせた液晶表示素子。
透過性、導電性を有する第１の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第１の透明膜を有する、透明、絶縁性を有する第１の基板と、透過性、導電性の性質を有する第２の電極を有した、その上に後に行う光干渉露光での光反射防止膜となる第２の透明膜を有する、透明、絶縁性の性質を有する第２の基板を用い、両者の基板表面に、感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１の薄膜を第１の電極上を含む基板表面に形成し、各々光干渉法により干渉縞の定在波を形成する光で、第１回、及び第２回の露光を行い、結果として対称突起形状を形成させ、第２の基板上に通常用いられる液晶の垂直配向性を実現できる第２の薄膜を形成し、その後、両者の基板を貼り合わせることにより空隙を作製し、その空隙間にネマチック性を有する液晶材料を封入することにより素子の基本部を作製し、さらに、作製した素子の第１の基板と第２の基板の外側に偏光板が配置する構造を組み合わせた液晶表示素子。
露光により形成した対称突起物上に、液晶の濡れ性改善のための透明薄膜層が形成された、請求項１〜４の何れか１項に記載された液晶表示素子。
感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜が、ポジないしはネガ型のフォトレジストである請求項１〜４の何れか１項に記載された液晶表示素子。
感光性を有し、且つ液晶に対して濡れ性の良い第１及び第２の薄膜が、感光性ポリイミドである請求項１〜４の何れか１項に記載された液晶表示素子。
垂直配向性を実現出来る第２の薄膜が、側鎖型ポリイミドである請求項３若しくは４に記載された液晶表示素子。
垂直配向性を実現出来る第２の薄膜が、シラン系カップリング剤である請求項３若しくは４に記載された液晶表示素子。
透明薄膜層が二酸化ケイ素、または表面層を二酸化ケイ素とした多層薄膜である請求項５に記載された液晶表示素子。
透明薄膜層がインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、または表面層をＩＴＯとした多層薄膜である請求項５に記載された液晶表示素子。