JP2005182066A - 強誘電性液晶素子の配向方法、強誘電性液晶素子、及び配向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 強誘電性液晶素子の配向方法及び配向装置を提供する。
【解決手段】 一定温度に維持されたチャンバ内に液晶素子パネルを導入する段階と、前記液晶素子の下部基板を、液晶が等方相になる温度まで加熱する段階と、前記液晶素子に、１ｋＰａ〜１００ｋＰａの圧力を印加する段階と、前記液晶素子の下部基板を徐々に冷却する段階とを含む強誘電性液晶の配向方法。
【選択図】図２

Description

本発明は強誘電性液晶素子の配向方法及び配向装置に係り、さらに詳細には電圧を印加せずとも均一に液晶素子を配向させうる配向方法、強誘電性液晶素子、及び配向装置に関する。

近年、応答速度や他の特性において優秀な素子性能を示す強誘電性液晶媒体が適用されたディスプレイ、メモリに対する関心が増加しつつある。

強誘電性液晶（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ、以下、ＦＬＣという）のうちＣＤＲ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｓ Ｄｉｒｅｃｔｏｒ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）ＦＬＣは、一般的なＦＬＣとは違って、スメクチックＡ（ＳｍＡ^*）相のない相転移様相（カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ^*）−カイラルネマチック（Ｎ^*））を表す。

このようなＣＤＲ ＦＬＣは、一般的なＦＬＣとは違って、ブックシェルフ構造を有するため、光効率が高く、かつジグザグ欠陥が現れない。
また、バイステーブルではないモノステーブル構造であるため、アナログ階調が可能であるという長所を有している。

一方、一般的なＦＬＣとは違って、ＣＤＲ ＦＬＣの配向は、Ｎ^*相とＳｍＣ^*相との相転移温度の付近で液晶に適切な電圧を印加して達成される。

上部電極とピクセル電極との間に電圧が印加されると、液晶分子の自発分極（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が印加された電界と相互作用して、液晶分子が一方向に配向する（例えば、特許文献１、特許文献２、及び非特許文献１参照）。

電界配向方法の場合、外部から印加された電圧により、ピクセル電極と上部電極との間には、平行な電界が形成される一方、ピクセル電極とシーラントとの間の外側の領域に、電界が形成されないか、または非常に弱いフリンジ電場のみが形成されて液晶を配向させることが難しくなる。

図１は、従来の配向方法によって電圧を印加してＦＬＣ素子を配向する配向装置を示している。
この装置では、電源１９（ＤＣまたはＡＣ）に接続された上部電極ピンパッド１７とピクセル電極ピンパッド１８とを介して、上部電極１２とピクセル電極１５とのぞれぞれに電圧を印加することによって、ＦＬＣ素子の配向が行われる。

この場合、ピクセル電極１５とシーラントとの間（Ａ領域）に、必要な電圧が十分に印加されないと、液晶素子の中央部位において液晶が均一に配向されるとしても、ピクセル電極１５とシーラントとの間では、液晶配向が均一に形成されずに欠陥が形成されるので、駆動時に画質不良を誘発する。

これをブラックマトリックスで遮蔽するとしても、長時間駆動した時に欠陥のサイズが大きくなりつつ、結局、活性領域まで欠陥が進められるので、応用製品（ＴＦＴ−ＬＣＤパネルまたはＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｏｎｓｉｌｉｃｏｎ）パネル）の信頼性の側面で問題を発生させる。

また、従来のように電圧を印加して液晶を配向させる方法を量産工程に適用する場合、それぞれのＬＣＤパネルに上部電極用印加端子及びピクセル電極用印加端子を設けたジグ（治具：ｊｉｇ）を構成して、これを各ＬＣＤパネルに連結して配向しなければならない。
このような方法は、ＬＣＤパネルそれぞれに必要なジグを製作しなければならず、一回に一つのＬＣＤパネルしか扱えないので、高コストになる問題点がある。

一方、非特許文献２は、上下基板にそれぞれ異なる配向規制力（ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ）を有する配向膜を使用して電界印加なしに配向する方法を発表した。
この方法では、基板間の配向規制力の差が均一な配向状態を有するように誘導している。
しかし、このような異種の配向膜は、実際工程に適用した時に表面で電荷蓄積が激しくて画像粘着などの画質不良の問題を発生させるので、量産工程に適用し難い。
米国特許第５,１６４,８５２号公報 米国特許第５,７９８,８１４号公報 Ｊ.Ｓ.Ｐａｒｔｅｌ ｅｔ ａｌ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９,２３５５（１９８６） Ｙ．村上ら、ＩＤＷ１６５（２００２）

本発明が解決しようとする目的は、上下基板の温度差と圧力とを利用してピクセル電極とシーラントとの間の部分でも均一に液晶を配向する方法、この方法により製造された強誘電性液晶素子、及び装置を提供することである。

前記目的を解決するために本発明では、一定の温度を維持するチャンバ内に液晶素子パネルを入れる段階と、前記液晶素子の下部基板を液晶が等方状になる温度まで加熱する段階と、前記液晶素子に１ｋＰａないし１００ｋＰａの圧力を印加する段階と、前記液晶素子の下部基板を徐々に冷却させる段階と、を含むＦＬＣ素子の配向方法を提供する。

また、本発明では一定の温度に維持されうるチャンバと、前記チャンバ内の液晶素子の基板の上部に圧力を加える手段と、前記チャンバ内の液晶素子の基板の下部を加熱させる手段と、を含むＦＬＣ素子の配向装置を提供する。

本発明は、ＣＤＲ ＦＬＣを実際パネルに入れて電界配向させたときに発生しうる電極とシーラント境界面の画質不良を解決して、従来の技術とは違って、ＬＣＤパネルのすべての部分を均一に配向させて実際ＴＦＴ−ＬＣＤパネルやＬＣｏＳパネルを製作したときに発生しうる信頼性の問題を解決できる。

また、従来の電界配向方法を適用する場合、それぞれのパネル当り電圧を印加できるジグを製作しなければならず、内部ショーティングバーを除去する前の工程でのみ適用できるが、本発明の配向方法は、液晶注入以後のいかなる工程でも適用可能であり、ジグ製作が不要になって、工程の適用が容易で、工程コストが大きく節減される。

したがって、本発明の配向方法及び装置を量産に適用したとき、電界配向で発生しうる工程を単純化できて、工程コストを最小化でき、ＬＣＤパネルにＤＣ電圧を加えなくてもよいので、液晶自体の信頼性を大きく向上させることが可能である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る配向方法は、一定の温度に維持されたチャンバ内に液晶素子パネル（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｐａｎｅｌ）を導入する段階と、液晶素子の下部基板を液晶が等方状（等方相：ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｐｈａｓｅ）になる温度まで加熱する段階と、前記液晶素子に１ｋＰａないし１００ｋＰａの圧力を印加する段階と、前記液晶素子の下部基板を徐々に冷却させる段階と、を含む。

すなわち、液晶素子の上部基板と下部基板との間に温度差を誘導して人為的に上下方向にベンディングスプレイ変形（ｂｅｎｄｉｎｇ−ｓｐｒａｙ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を作り、これを通じてプレクソエレクトリック分極（ｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を発生させる。

プレクソエレクトリック分極は、自発分極と同じ方向へ誘導されうるが、このような分極によって発生した表面電荷が液晶素子に電界を形成して液晶分子を配向する。

このように誘導された電界は、印加電圧の有無と関係なく液晶自体によって発生するため、液晶素子のすべての領域で液晶分子が均一に配向する。
この時、液晶素子に加えられる圧力は、液晶に一定の応力を加えてプレクソエレクトリック効果を増大させる結果をもたらす。

チャンバ内の温度は一定に維持されるが、このために加熱手段、すなわち、ヒータを備えることが望ましく、常温（約２０℃）ないし約４０℃で維持されることが特に望ましい。

前記チャンバ内に液晶素子を位置させた後、前記液晶素子を加圧手段を通じて一定の圧力で加圧する。
加圧手段としては、圧力印加ジグまたは加圧ガスを使用できる。

圧力印加ジグのサイズを大きくすることによって、複数の液晶素子に同時に均一な圧力を加えることが可能なので、製造コスト面で有利になる。
加圧ガスとしては、アルゴン、窒素などを使用できる。
この時、加えられる圧力は、１ｋＰａないし１００ｋＰａであることが望ましい。１ｋＰａより小さな圧力を加えれば、プレクソエレクトリック効果を増大させる効果が微小であり、１００ｋＰａより大きい圧力を加えれば、前記例の基板が損傷される恐れがあるためである。

圧力を加えた状態において、液晶素子２４の下部基板（図２の２４ａ）を液晶２４ｂが一定の温度に至るまで加熱する。
下部基板２４ａは、他の加熱手段を用いて加熱しても良いが、ホットプレート２５を使用することが望ましい。

下部基板２４ａの温度は、使われるＦＬＣ素子が等方状になる温度まで加熱されるが、これは液晶素子の特性によって変わる。通常的には、１００℃ないし１５０℃の温度である。

次いで、液晶素子の下部基板２４ａの温度を徐々に段階的に低下させて上部基板２４ｃの温度付近まで低下させる。この時、液晶の相変化を観察すれば、カイラルスメクチックＣ相（ｃｈｉｒａｌ ｓｍｅｃｔｉｃ Ｃ ｐｈａｓｅ）になる。

これにより、下部基板２４ａと上部基板２４ｃとの温度差は、約７０℃から約０℃に変化する。

前記のような配向方法により、ピクセル電極の有無と関係なく、全位置で均一に液晶２４ｂが配向する。
また、圧力ジグのサイズを大きく調節して、数個のＬＣＤパネルに一度に圧力を印加して液晶を配向させることができ、本発明に係る方法は、工程が簡単で、工程コストを低く抑えることができるので、量産に好適である。

以下では、本発明の配向装置を図面を参考として詳細に説明する。
本発明のＦＬＣ素子の配向装置は、一定の温度に維持されうるチャンバ２１と、チャンバ２１内の液晶素子の基板の上部（上部基板）に圧力を印加する手段と、チャンバ２１内の液晶素子の基板の下部（下部部基板）を加熱させる手段とを含む。

図２は、ＬＣＤを配向するための本発明の一具現例による配向装置を示す図面である。
チャンバ２１には、一定の温度に維持されなければならないので、別途の加熱装置、例えば、ヒータが備えられている。
チャンバ２１には、チャンバ２１の内部にガスを注入するためのガス流入口２２が設置されており、これを介してアルゴン、窒素ガスが供給される。

液晶素子（ＬＣＤ）２４に一定の圧力を加えるための手段として圧力印加ジグ２３が設置されており、この圧力印加ジグ２３のサイズは、特別に制限はないが、複数のＬＣＤを一度に処理するためにはサイズを大きくする必要がある。
前記したように、圧力印加ジグ２３を通じて１ｋＰａないし１００ｋＰａの圧力が前記液晶素子２４に印加される。

液晶素子２４の下部基板２４ａ下には、下部基板２４ａを加熱するための加熱手段としてホットプレート２５が設置され、これを通じて下部基板の温度を液晶２４ｂの等方状になる温度まで加熱する。
ＬＣＤ ２４の下部基板をホットプレート２５で加熱して等方状温度に至った後、徐々に冷却させてカイラルスメクチックＣ相になる温度に至らせることによって液晶が配向する。

以下、実施例を通じて本発明をさらに詳細に説明する。
下記の実施例は、説明するためのものであり、本発明はこれに限定されない。

［実施例１］
常温に維持されたチャンバ内のホットプレートに強誘電性ＬＣＤを置いた。 ホットプレートの温度を徐々に上げて液晶の相変化を顕微鏡で観察しつつ等方状になるまで加熱した。
この場合は、約１１０℃付近であった。圧力印加ジグを通じて前記ＬＣＤサンプルに１.１４ｋＰａの圧力を加えた。
圧力を加えたままの状態で、ＬＣＤサンプルの下部基板の温度を徐々に低下させて常温に至らせた。
この時、液晶の相変化を顕微鏡で観察すれば、カイラルスメクチックＣ相であった。
加圧を中止し、ＬＣＤサンプルを顕微鏡で観察して液晶の配向状態を観察し、その結果を図４に示した。

［実施例２］から［実施例６］
圧力印加ジグの圧力をそれぞれ１.２７ｋＰａ、１.４２ｋＰａ、１.７７ｋＰａ及び１.９６ｋＰａとしたことを除いては、実施例１と同じ方法でＬＣＤを配向させた後、配向状態を顕微鏡で観察した。その結果を図４に示した。

［実施例７］
常温に維持されたチャンバ内のホットプレートにＬＣｏＳパネルを置いた。
ホットプレートの温度を徐々に上げて液晶の相変化を顕微鏡で観察しつつ等方状になるまで加熱した。圧力印加ジグを通じて前記ＬＣｏＳサンプルに５.７５ｋＰａの圧力を加えた。圧力を加えたままに、ＬＣＤサンプルの下部基板の温度を徐々に低下させて常温に至らせた。
この時、液晶の相変化を顕微鏡で観察すれば、カイラルスメクチックＣ相であった。加圧を中止し、ＬＣｏＳパネルを顕微鏡で観察して液晶の配向状態を観察した。その結果を図５に示した。

［実施例８］から［実施例１２］
圧力印加ジグの圧力をそれぞれ６.４８ｋＰａ、８.１ｋＰａ、１０.１３及び１２.６６ｋＰａとしたことを除いては、実施例７と同じ方法でＬＣｏＳパネルを配向させた後、配向状態を顕微鏡で観察してその結果を図５に示した。

［比較例１］
ＬＣｏＳパネルの温度を液晶が等方状になる１１０℃まで上げた後、徐々に温度を低下させて、カイラルＳｍ相からカイラルスメクチックＣ相に相転移した直後に、上部電極ピンパッドとピクセル電極ピンパッドとに３Ｖの電圧を印加した。
相転移温度の２〜３℃以下に温度が下がった後に印加された電圧を除去し、前記ＬＣｏＳパネルの温度を３０℃または常温（約２０℃）まで下げて液晶を配向させた。前記配向された液晶を顕微鏡で観察してその結果を図３に示した。

図３に示されたように、従来の電圧を印加して配向した液晶３６は、ピクセル電極３５とシーラント３４との間では均一な配向を示していないことが分かる。
これに比べて、実施例１ないし１２で製造した本発明の配向方法による液晶は、図４及び図５に示されたように、位置に関係なく均一な配向を示すことが分かる。

本発明の強誘電性液晶素子の配向方法及び装置は、ＬＣＤパネルの全ての部分を均一に配向でき、液晶注入後にいかなる工程でも適用可能であり、工程が単純化されてＬＣＤパネルを経済的に量産できる。

従来の配向方法によるＦＬＣ素子の配向装置を示す図面である。 本発明の一実施例によるＦＬＣ素子の配向装置の概略図である。 従来の技術によるＬＣｏＳパネルの位置による配向状態を示す顕微鏡写真である。 本発明の一実施例によるＴＦＴ−ＬＣＤパネルの配向状態を示す顕微鏡写真である。 本発明の他の実施例によるＴＦＴ−ＬＣＤパネルの配向状態を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

２１ チャンバ
２２ ガス流入口
２３ 圧力印加ジグ
２４ ＬＣＤ
２５ ホットプレート

Claims (11)

1. 一定温度に維持されたチャンバ内に液晶素子パネルを導入する段階と、
   前記液晶素子の下部基板を、液晶が等方相になる温度まで加熱する段階と、
   前記液晶素子に、１ｋＰａ〜１００ｋＰａの圧力を印加する段階と、
   前記液晶素子の下部基板を徐々に冷却する段階と
   を含む強誘電性液晶の配向方法。
2. 前記チャンバが、２０℃〜４０℃の温度に維持されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶の配向方法。
3. 圧力印加ジグを使用して、圧力を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶の配向方法。
4. 加圧ガスを使用して、圧力を印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶の配向方法。
5. ホットプレートを使用して、下部基板を加熱する
   ことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶の配向方法。
6. 液晶素子の上部基板と前記下部基板との温度差が０℃〜７０℃の範囲内となるように、前記下部基板の加熱及び冷却が行われる
   ことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶の配向方法。
7. 下部基板と、
   上部基板と、
   前記下部基板と前記上部基板との間に位置する強誘電性液晶とを有し、
   前記強誘電性液晶は、請求項１に記載の方法により配向されている
   ことを特徴とする強誘電性液晶素子。
8. 一定の温度に維持されるチャンバと、
   前記チャンバ内に載置される液晶素子の上部基板に圧力を印加する圧力印加手段と、
   前記液晶素子の下部基板を加熱する加熱手段と
   を含む強誘電性液晶素子の配向装置。
9. 前記上部基板への圧力の印加は、圧力印加ジグ又は加圧ガスを用いる
   ことを特徴とする請求項８に記載の配向装置。
10. 前記加熱手段は、ホットプレートである
    ことを特徴とする請求項８に記載の配向装置。
11. 前記チャンバは、２０℃〜４０℃の温度に維持される
    ことを特徴とする請求項８に記載の配向装置。