JP2005300721A - 液晶素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶分子のプレチルト角を制御する。
【解決手段】 液晶素子は、一対の基板１，８と、一対の基板１，８に挟まれた液晶層４と、一対の基板１，８の液晶層４側にそれぞれ形成され、液晶層４中の液晶分子１０を配向させる一対の配向膜３，５とを有する。一対の配向膜３，５のうち少なくとも一方の配向膜５は、基板８面に対して傾斜した方向に延びる孔９を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光の透過率や反射率が電気的に制御される液晶素子に関する。

液晶素子の例として、画素がマトリクス状に形成された液晶表示素子が挙げられる。液晶表示素子の製造プロセスの中で、液晶分子を配向させる工程が表示素子としての役割を担うための重要な工程である。液晶配向技術について数多くの研究がなされ、例えばＬＢ（Langmuir−Blodgett）膜配向技術、光配向技術、ラビング配向技術、斜方蒸着配向技術等が挙げられる。中でもラビング配向法が一般に利用されている。ラビング配向法とは、基板に塗布した有機膜をレーヨンやセルロース系などの布で擦り、その有機膜に異方性をもたせることで液晶分子を配向させる方法である。配向規制が何に起因しているかは未解明ではあるが、ラビング配向法は強い配向規制力と安定性の点で他の配向技術より優れているので、従来製品に利用されている。他の技術についても数多くの研究がなされてきたが、どれも配向力、その配向技術に用いられる材質の信頼性や生産性の点でラビング配向法にはかなわなかった。

しかし、現在では液晶表示素子の高精細化や微細化にともなってラビング配向法による問題点が浮き彫りになっている。具体的には、ラビングの削れかすによる異物の問題、有機膜に起因する光劣化の問題、ラビングムラによる表示ムラの問題等が挙げられる。

これらの問題を解決するために様々な開発がなされてきた。例えば、削れかすを減少させるために強い硬度をもった有機膜を用いること、光劣化を低減させるために透明性の高い有機膜を用いること、表示ムラを防ぐためにラビング密度の最適化を図ることなどである。しかし、これらの開発は低減策や防止策であり、上記の問題を完全に解決するには至っていない。

一方、フィルム状の多孔質材料に液晶化合物を含浸させることにより、孔内の液晶分子を配向させる技術が開発されている（特許文献１および特許文献２を参照）。これにより高耐光性で、高透過率な液晶配向膜を得ることができる。また特許文献３は、アルマイト膜で配向膜を形成することにより、良好な配向の再現性と安定性が得られることを開示している。
実開平６−３７８２５号公報 特開平６−１０２４９５号公報 特開平２−２０８６３３号公報

上述の通り、液晶分子の配向方向を制御すること、すなわち液晶配向特性は液晶表示素子に重要な特性である。特許文献１〜３に開示された技術では、配向制御にラビング処理が必要になるという問題、もしくは配向制御、特に垂直配向規制での配向制御が困難であるという問題が生じる。

本発明の目的の一つは、配向制御にラビング処理を不要とすることである。本発明の他の目的は、液晶分子のプレチルト角を制御することである。本発明のさらなる他の目的は、液晶分子を垂直配向ないし傾斜配向させることである。

本発明の液晶素子は、導電膜がそれぞれ形成された一対の基板と、前記一対の基板に挟まれた液晶層と、前記一対の基板の前記液晶層側にそれぞれ形成され、前記液晶層中の液晶分子を配向させるための一対の配向膜とを有する。前記一対の配向膜のうち少なくとも一方の配向膜は、前記基板面に対して傾斜した方向に延びる孔を有する。前記一方の配向膜は無機系多孔質材料を含んでいても良い。なお、配向膜の孔は配向膜を貫通していなくても良い。

本発明の液晶素子は、少なくとも一方の配向膜が基板面に対して傾斜した方向に延びる孔を有するので、液晶層中の液晶分子の一部が配向膜の孔に侵入して、液晶層中の液晶分子が基板面に対して傾斜した方向に配向する。したがって、孔の傾斜角度を適宜調整することにより、例えば垂直配向モードにおける液晶分子のプレチルト角を制御することができる。

前記一方の配向膜が形成された前記基板は凹凸状の表面を有する凹凸膜を有しており、前記一方の配向膜は前記凹凸膜上に形成されていても良い。また前記凹凸膜は面内の所定方向に繰り返される第１傾斜面および第２傾斜面を有しており、前記第１傾斜面の長さａは、前記所定方向における前記第２傾斜面の長さｂよりも長いことが好ましい。さらに、前記第１傾斜面の長さａと前記第２傾斜面の長さｂとはａ／ｂ≧１．４の関係を有することがより好ましい。これにより、配向膜の各孔が延びる方向を概ね一方向に限定することができるので、液晶層中の液晶分子を全体的に均一な方向に配向させることができる。なお、「所定方向」とは基板面内の一方向を指す。

本発明によればラビングレスで液晶分子を配向させることができる。また液晶分子のプレチルト角を制御することができる。さらに液晶分子を垂直配向ないし傾斜配向させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、液晶表示素子を例にして説明するが、本発明の液晶素子は、画素を光学的に順次シフトさせる画像シフト素子や三次元映像を表示可能とするパララックスバリア素子などに適用することもできる。また以下の実施形態では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクス型液晶素子について説明する。しかし本発明はこれに限られず、ＭＩＭ(Metal Insulator Metal）を用いたアクティブマトリクス型液晶素子や単純マトリクス型液晶素子に適用することができる。さらに以下の実施形態では、透過型液晶表示素子を例に本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限られず、透過反射両用型液晶表示素子や反射型液晶表示素子に適用することができる。

（実施形態１）
図１は、実施形態１の液晶表示素子を模式的に示す断面図である。本実施形態の液晶表示素子は、ＴＦＴ基板８と、ＴＦＴ基板８に対向配置された対向基板１と、一対の基板１，８に挟まれたネガ型の液晶層４と、一対の基板１，８の液晶層４側にそれぞれ形成され、液晶層４中の液晶分子１０を配向させる第１配向膜３および第２配向膜５を有する。対向基板１は導電膜２をさらに有しており、導電膜２上に第１配向膜３が形成されている。対向基板１には、必要により、カラーフィルタ層が形成される。ＴＦＴ基板８はトランジスタ層７と導電膜６をさらに有しており、導電膜６上に第２配向膜５が形成されている。

基板１，８の材質は、特に制限されない。例えばガラス基板、石英基板、シリコン基板、セラミック基板、表面に絶縁層を備えた導体基板等の無機基板のみならず、ＰＥＴ（テレフタル酸ポリエチレン）、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の有機基板（またはフィルム）を使用することができる。但し、石英などの高い透過率を有する透明な材質が好ましい。

導電膜２，６は、液晶層４に対してその厚み方向（基板１，８面の法線方向）に電圧を印加するための電極として機能する。対向基板１側の導電膜２はパターニングされていない共通電極として機能し、ＴＦＴ基板８側の導電膜６はマトリクス状に配置された画素電極として機能する。導電膜２，６は、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ZnＯ、SnO₂、Al₂O₃ 、TiO₂、ZrO₂、SiN 、AlN 、Nb₂O₅ 、Ta₂O₅ 、In₂O₃ などを含む透明性導電膜であっても良い。また反射型の液晶表示素子の場合には、２つの導電膜２，６のうち一方がアルミニウムや銀などを含む反射性導電膜であっても良い。

本実施形態の導電膜２，６は、凹凸状の表面を有する凹凸膜である。導電膜２，６の表面を凹凸状にする方法としては、例えばイオンミリングによる凹凸形成方法や斜めスパッタ形成方法が挙げられる。イオンミリングによる凹凸形成方法では、イオン源を基板１，８に対して斜め方向からミリングする。また斜めスパッタ形成方法では、スパッタ源を基板１，８に対して斜め方向から照射する。斜め方向の角度を変えることによって、導電膜２，６の凹凸を制御することができる。

トランジスタ層７は、液晶を駆動するためのスイッチ素子として機能するＴＦＴが形成された層である。ＴＦＴのドレイン電極（不図示）が画素電極として機能する導電膜６に接続されている。これにより、ゲート電極がオン状態となったとき、ソース信号線から画像信号がＴＦＴを介して画素電極に入力される。導電膜６（画素電極）と導電膜２（共通電極）との電位差に応じて、液晶層４中の液晶分子１０の傾斜角度が変化する。本実施形態では、負の誘電異方性を有するネガ型液晶材料が用いられているので、電位差が大きくなるに従って、液晶分子１０は基板１，８面に対して平行になろうとする。

本実施形態の第１配向膜３および第２配向膜５は、基板１，８面に対して傾斜した方向に延びる孔９を有する無機系多孔質材料を含む。無機系多孔質材料としては、SiO₂、SiＯ、Al₂O₃ などの多孔質でかつ高い透過率をもつ材料が好ましい。配向膜３，５の具体例としては、例えば特開2003-335516 号公報に開示されたメソ多孔体、アルミニウムの陽極酸化膜（アルマイト膜）が挙げられる。配向膜３，５の材料は無機系多孔質材料に限定されず、樹脂などの有機系多孔質材料でも良い。

配向膜３，５の膜厚は、孔９が延びる方向（以下、孔方向ともいう。）が基板１，８面に対して傾斜する限りにおいて特に限定されない。例えば特開2003-335516 号公報に開示されたメソ多孔体の場合、配向膜３，５の膜厚は好ましくは１μｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

配向膜３，５は既知の方法により形成することができる。特開2003-335516 号公報に開示されたメソ多孔体を例にして、配向膜３，５の形成方法を簡単に説明する。まず、同公報に開示されたポリケイ酸塩と界面活性剤を含む塩基性水溶液を導電膜２，６上にスピン塗布あるいは印刷した後、２５℃〜１００℃の範囲の温度で１．５時間〜５時間程度加熱する。溶液をｐＨ８〜ｐＨ９に調整した後、２５℃〜１００℃の範囲の温度で１時間〜５時間程度加熱する。得られた生成物を５００℃以上でさらに加熱することにより、膜面に垂直な方向に延びる孔９が形成された配向膜３，５が得られる。

なお、本実施形態では、第１配向膜３および第２配向膜５の両方が無機系多孔質材料を含むが、第１配向膜３および第２配向膜５のうちいずれか一方のみが無機系多孔質材料を含んでいても良い。言い換えれば、第１配向膜３および第２配向膜５のうちいずれか一方のみが基板１，８面に対して傾斜した方向に延びる孔９を有していても良い。

液晶層４中の液晶分子１０の傾斜角度は、凹凸状の導電膜２，６の傾斜角度と、第１配向膜３および第２配向膜５における孔方向とにより決定される。図２は液晶分子１０の傾斜角度を説明するための模式的な断面図である。図２では、水平面１６に対して傾斜面１７が角度αをなしている。傾斜面１７上に平坦な基板１５を置いて、特開2003-335516 号公報に開示された方法により、基板１５上に多孔質膜１４を成膜した場合を想定する。この場合、多孔質膜１４の孔９は、角度αがいかなる角度であっても、平坦な基板１５の表面に対して略垂直方向に形成される。言い換えれば、多孔質膜１４の孔９は、水平面１６の法線方向（鉛直方向）に対して概ね角度αをなす方向に延びる。

液晶分子１０が多孔質膜１４の孔方向に配向すること、言い換えれば液晶分子１０群の長軸方向（以下、液晶分子長軸１１ともいう。）が多孔質膜１４の孔方向と略一致することは良く知られている。したがって、水平面１６の法線に対して４５°未満で液晶分子１０を傾斜して配向させるには、水平面１６と傾斜面１７とがなす角度αを0 °＜α＜45°に設定する。このように、水平面１６と傾斜面１７とがなす角度αを適宜設定することにより、ネガ型の液晶分子１０のプレチルト角を制御することができる。但し、上記の理論は、角度αがいかなる角度であっても、多孔質膜１４が面内均一に成膜されると仮定した場合にのみ成立する。

次に、導電膜（凹凸膜）２，６の断面形状について説明する。図３はＴＦＴ基板８側の導電膜６と第２配向膜５を部分的に拡大した断面図である。図３に示すように、凹凸膜２，６は基板１，８面内の所定方向に繰り返される第１傾斜面１２および第２傾斜面１３を有する。

所定方向における第１傾斜面１２の長さを「ａ」で表し、所定方向における第２傾斜面１３の長さを「ｂ」で表すと、一方の長さａは他方の長さｂよりも長いことが好ましい。以下、所定方向に沿って基板８の面に対して垂直に切断したときの第１傾斜面１２の辺を「長辺１２」、第２傾斜面１３の辺を「短辺１３」と言うことがある。

凹凸膜２，６上に形成される第２配向膜５の孔方向は、第１傾斜面１２および第２傾斜面１３それぞれの法線方向と略一致する。したがって、長辺１２の長さａと短辺１３の長さｂが近似している場合、第１傾斜面１２に対して略法線方向に配向する液晶分子１０と、第２傾斜面１３に対して略法線方向に配向する液晶分子１０とが液晶層４中に混在することになるので、液晶分子１０が一定方向に（均一に）配向しないことがある。

本実施形態では、長辺１２の長さａと短辺１３の長さｂとの差が大きくなるように設定されている。短辺１３の長さｂに比して長辺１２の長さａを長くすることにより、第１傾斜面１２に対して略法線方向に配向する液晶分子１０の割合を相対的に大きくすることができる。言い換えれば、第２傾斜面１３に対して略法線方向に配向する液晶分子１０の影響を小さくすることができる。したがって、液晶層４中の液晶分子１０は全体的に第１傾斜面１２に対して略法線方向に配向するので、均一な配向を得ることができる。

短辺１３の長さｂに対する長辺１２の長さａの比（ａ／ｂ）は、好ましくは１．４以上、より好ましくは２．５以上、さらに好ましくは４以上である。ａ／ｂの比は、ミリング方向やスパッタ方向を調整することにより制御することができる。ミリング方向やスパッタ方向が基板１，８の面の法線方向に近ければ、ａ／ｂの比は小さくなり、基板１，８の面の平行方向に近ければ、ａ／ｂの比は大きくなる。

本実施形態の液晶表示素子によれば、導電膜（凹凸膜）６の第１傾斜面１２とＴＦＴ基板８面とがなす角度αを0 °＜α＜45°に設定することによって、ＴＦＴ基板８面の法線からおよそ４５°までの範囲内で液晶分子１０が傾斜した傾斜配向が得られる。これにより、垂直配向モードにおけるネガ型の液晶分子１０のプレチルト角を制御することができる。したがって、ディスクリネーションによる光漏れのない表示、言い換えれば高いコントラストと均一な表示を得ることができる。

（実施形態２）
実施形態１では、導電膜２，６自体が凹凸状の表面を有する凹凸膜であるが、本発明はこれに限定されない。導電膜の表面を平坦とし、導電膜上に凹凸状の表面を有する凹凸膜を形成しても良い。

図４は実施形態２の液晶表示素子を模式的に示す断面図である。図４において実施形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。本実施形態の液晶表示素子は、導電膜１８，１９の表面が平坦である点、導電膜１８と第１配向膜３との間および導電膜１９と第２配向膜５との間に、それぞれ凹凸状の表面を有する凹凸膜２０，２１が介在する点が実施形態１の液晶表示素子と異なる。

凹凸膜２０，２１の材料は無機であるか有機であるかを問わず、また導電性であるか非導電性であるかを問わない。例えば、SiO 、SiO₂、樹脂（例えばポリイミド系透明樹脂）などが挙げられる。凹凸膜２０，２１の材料は高い透過率を持っていることが好ましい。凹凸膜２０，２１は、イオンミリングによる凹凸形成方法、斜めスパッタ形成方法、フォトリソグラフィ法、印刷法などにより形成することができる。

実施形態１および２によれば、ラビングレスで液晶分子１０を配向させることができ、かつ配向方向が制御された傾斜配向型液晶表示素子を提供することができる。これにより、表示領域の光漏れ防止、透過率向上、ラビングレスによる歩留まりの向上、プロセスの簡易化、簡易化に伴うコストダウンなどの利点が得られる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲に限定されない。上記実施形態は例示であり、それらの各構成要素を種々変更した変更例が可能なこと、またそうした変更例も本発明の技術的範囲に属することは当業者に理解されるところである。例えば、上記実施形態１，２では、負の誘電異方性を有するネガ型液晶材料を用いたが、正の誘電異方性を有するポジ型液晶材料を用いても良い。

本発明の液晶素子は、光の透過率や反射率を電気的に制御するための様々な素子に利用することができる。例えば、液晶表示素子、画像シフト素子、パララックスバリア素子、調光素子などに利用することができる。具体的には、携帯電話機、ノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance ）、パーソナルコンピュータ用ディスプレイ、液晶テレビ、医療用ディスプレイ、カーナビゲーションシステムのディスプレイ、ゲームやパチンコなどのアミューズメント機器、視野遮断カーテン、採光制御カーテンなどが挙げられる。

実施形態１の液晶表示素子を模式的に示す断面図である。 液晶分子１０の傾斜角度を説明するための模式的な断面図である。 ＴＦＴ基板８側の導電膜６と第２配向膜５を部分的に拡大した断面図である。 実施形態２の液晶表示素子を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 対向基板
２，６ 導電膜（凹凸膜）
３ 第１配向膜
４ 液晶層
５ 第２配向膜
６ 導電膜
７ トランジスタ層
８ ＴＦＴ基板
９ 孔
１０ 液晶分子
１１ 液晶分子長軸
１２ 第１傾斜面
１３ 第２傾斜面
１４ 多孔質膜
１５ 平坦な基板
１６ 水平面
１７ 傾斜面
１８，１９ 導電膜
２０，２１ 凹凸膜

Claims (5)

1. 一対の基板と、前記一対の基板に挟まれた液晶層と、前記一対の基板の前記液晶層側にそれぞれ形成され、前記液晶層中の液晶分子を配向させる一対の配向膜とを有する液晶素子であって、
   前記一対の配向膜のうち少なくとも一方の配向膜は、前記基板面に対して傾斜した方向に延びる孔を有する液晶素子。
2. 前記一方の配向膜は無機系多孔質材料を含む、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記一方の配向膜が形成された前記基板は凹凸状の表面を有する凹凸膜を有しており、前記一方の配向膜は前記凹凸膜上に形成されている、請求項１または２に記載の液晶素子。
4. 前記凹凸膜は面内の所定方向に繰り返される第１傾斜面および第２傾斜面を有しており、前記所定方向における前記第１傾斜面の長さａは、前記所定方向における前記第２傾斜面の長さｂよりも長い、請求項３に記載の液晶素子。
5. 前記第１傾斜面の長さａと前記第２傾斜面の長さｂとはａ／ｂ≧１．４の関係を有する、請求項４に記載の液晶素子。
   

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