JP2005321486A

JP2005321486A - 液晶配向膜、液晶表示装置及びその製造方法

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Publication number: JP2005321486A
Application number: JP2004137966A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Tanigaki; 宣孝谷垣; Yuji Yoshida; 郵司吉田; Kiyoshi Yatsuse; 清志八瀬; Hirotaka Mochizuki; 博孝望月; Toshiko Mizokuro; 登志子溝黒
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: JP4565151B2

Abstract

【課題】簡便に配向パターンを形成した液晶配向膜を製造できる方法を提供する。
【解決手段】シグマ共役系高分子およびパイ共役系高分子からなる群から選ばれる少なくとも１種の共役系高分子の配向薄膜からなる液晶配向膜。共役系高分子がポリシラン類であって、これを加圧成型し、摩擦転写法により、基板上に共役系高分子が配向した薄膜を形成し、さらにこの配向薄膜に紫外光または可視光を照射する液晶配向膜の作成方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶配向膜、液晶表示装置及びその製造方法に関する。

液晶表示素子は固定表示、ディスプレイ等多くの表示装置に用いられている。液晶表示素子を作製するためには液晶配向層が必要であり、また固定表示には配向膜にパターン形成を施す必要がある。また、ディスプレイ用途においても視野角依存性の改善、コントラストの改善などに液晶配向膜のパターン形成技術が用いられている。

配向膜として多く用いられているラビングしたポリイミド膜の場合、マスクしての紫外光照射やレーザー描画により配向パターンを形成する方法や所望のマスクを介して一部にラビングする方法、マスクやホトレジストなどを用いてパターン化し複数回ラビングする方法、基板に凹凸を作り凸の部分にのみラビングを行う方法、印刷法や光硬化法を用いて最初からパターン形成したポリイミドにラビングする方法など多くの方法が用いられている。また、偏向光照射により配向させことが可能な特殊な高分子を用いる方法などが用いられているが、いずれも煩雑な工程を必要とする。また、ポリイミド膜の形成に溶媒を使用することが必要であるため、環境に負荷をかけることになる。

本発明者は光照射により容易にパターンを形成しうるシグマ共役系高分子、パイ共役系高分子について、摩擦転写法を用いることで簡便に配向膜を得る方法を発明している（特許文献１）。これを用い、偏光フィルター（特許文献２）、偏光発光素子（特許文献２、特許文献３、特許文献４）、偏光検出器（特許文献５）、電界効果型トランジスタ（特許文献６）に応用した。この方法ではラビング法と異なり、製膜と配向が同時に行えるため工程を減らすことができる。また、製膜に溶媒を用いないため環境に負荷をかけない。
特許２５６５７８０号特許２９７６０２６号特許３１３８７３４号特許３１７７６４０号特開２００３−０９８３４３特開２００３−３４７５６８

本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、簡便に配向パターンを形成した液晶配向膜を製造できる方法を提供することである。

本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、基板上に、例えば摩擦転写法により共役系高分子の配向薄膜を形成することにより、液晶配向膜を得ることができ、該液晶配向膜を用いることで、任意の液晶を配向させることができ、また該高分子配向薄膜に紫外線等を照射することにより高分子の一部を分解ないし修飾し、その膜によって誘起される液晶の配向を変化させることができることを見出した。

さらに、この高分子配向薄膜を利用することで任意の遮光マスクを用いて必要なパターンを配向膜上に形成でき、容易にパターン形成済みの液晶配向膜を作製できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明は下記の液晶配向膜、液晶表示装置及びその製造方法を提供するものである。
１．シグマ共役系高分子およびパイ共役系高分子からなる群から選ばれる少なくとも１種の共役系高分子の配向薄膜からなる液晶配向膜。
２．前記配向薄膜上にパターンを形成してなる項１の液晶配向膜。
３．前記共役系高分子がポリシラン類であることを特徴とする項１または２に記載の液晶配向膜
４．項１，２または３の液晶配向膜を使用した液晶表示装置。
５．シグマ共役系高分子およびパイ共役系高分子からなる群から選ばれる少なくとも１種の共役系高分子を加圧成型し、これを用いて摩擦転写法により基板上に前記共役系高分子の配向した薄膜を形成することを特徴とする液晶配向膜の作成方法。
６．さらに配向薄膜に紫外光又は可視光を照射し、配向薄膜上にパターンを形成することを特徴とする請求項５に記載の液晶配向膜の作成方法。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

図１は本発明の配向膜にパターンを形成する方法を概略的に示したものである。本発明では基板１の上に共役系高分子を摩擦転写した高分子配向膜２を用いる。摩擦転写を使用する配向薄膜の作製方法は、この場合、製膜と配向化が同時に行えるため工程が少なくなる。さらに、摩擦転写により配向薄膜を形成すると、膜圧が非常に薄くなり（例えばポリシラン類の場合２〜１００nm程度）、電圧を印加した場合の液晶表示を切り替える応答時間が短くなり、表示の切り替えに必要な駆動電圧が低減し得るため、好ましい。さらに、ポリシラン類は非常に薄く且つ透明性が高いため、視認性が高く、かつ、薄型で軽量の液晶表示装置を得ることができる。また、光の透過性が高く、光源装置（バックライト、サイドライトなど）への負担が少なく長寿命の液晶表示装置を得ることができる。

本発明の高分子液晶配向膜の厚みは、通常５０〜２００ｎｍ程度である。

摩擦転写は、特許文献１に記載されているような公知の条件下に行うことができる。例えば、基板ないし共役系高分子の温度は、２０〜３００℃程度、共役系高分子を基板に押しつけるときの圧力は０．１〜２ＭＰａ、掃引速度は３０〜１００ｃｍ／分程度である。

光（可視光、紫外線）照射によるパターン形性の条件は、３００〜５００ｎｍ程度の共役系高分子に吸収可能な波長の光を３〜９０分間、例えば１００Ｗキセノンランプを使用し、１０〜１５０℃程度で行うことができる。

共役系高分子としてポリシラン類を使用する場合、ポリシランの切断あるいはシラン間の結合（Ｓｉ−Ｓｉ）が酸化されてポリシロキサン構造（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）となることでパターンを形成することができるため、空気または酸素の共存下に行うことが好ましい。

パターンの線幅、厚み等は、マスクにより任意に調節することができる。

配向膜２は摩擦の方向に一軸に分子配向している。共役系高分子の配向薄膜２は光照射により一部分解し未照射部３と異なる配向を持つ膜４となる。遮光マスク５を用いることにより容易に配向の任意パターン形成が可能であり、液晶表示素子用の液晶配向膜として利用できる。該高分子配向薄膜は、基板上に一様な薄膜層を形成していてもよいが、薄膜の一部に欠損部あるいは極めて薄い部分が存在しても、液晶が配向する限り差し支えない。

共役系高分子として例えばポリシラン類、ポリゲルマン類等のσ共役系高分子、ポリフ
ェニレンビニレン類、ポリフェニレン類、ポリチオフェン類、ポリフルオレン類等のπ共役系高分子を用いることができ、これらの高分子のモノマー成分を単独であるいは二種以上含む共重合体も用いることができる。更に、これらの高分子の側鎖にアルキル基、アリール基、アルコキシ基等が結合した誘導体も使用できる。

例えばポリシラン類として、ポリ（ジメチルシラン）(-(Si(CH₃)₂)-）を好ましく使用
できる。

これらの共役系高分子の配向薄膜は一般的な液晶のダイレクターを分子鎖方向に配列させる能力があり、上下二枚のほぼ並行に配向させた配向膜で挟んだ場合液晶は一様に水平配向する。

共役系高分子は紫外、または可視光領域に光吸収を持っており、光照射により分子鎖が切断または修飾され、あるいは部分的に加熱される等の化学変化が起きる。この際、未照射部と異なり配向の乱れを生ずる。光照射した部分では液晶は垂直配向する。

共役系高分子（特にポリシラン類）の紫外線照射によるパターン形成は、従来のポリイミド液晶配向膜と比較して容易であり、微細で複雑なパターンを形成することができるため、精細なディスプレー等の用途にも十分に対応できる。

液晶としてはこの配向膜で配向させられるものであれば、どのようなものでも用いることができる。

液晶表示装置としては公知の素子構造を用いればよい。例えば図２を用いて説明すれば、固定表示を行うためには二枚の基板１Ａ、１Ｂに高分子配向膜を作製しスペーサーを挟んだ後、所望の遮光マスクを通して光照射する。その後にパターン形成済みの配向膜の間に液晶を挟み込み、さらに直交する向きの偏光子（図示せず）でその外側を挟んでやることで表示素子となる。光照射された部分４Ａ、４Ｂでは液晶分子は垂直配向し光を通さない。未照射部３Ａ、３Ｂでは水平配向した液晶によって光の偏向方向が変わり、光を通す。また、配向膜を付与する基板を透明電極基板とし、誘電異方性を持つ液晶を用いることで電圧印加により水平配向部のみの液晶の配向が変化し表示のオン・オフが可能になる。

基板としては、透明な基板であればよく、ガラス、プラスチック、ＩＴＯなどの基板を使用することができる。

以上説明したように従来法とくらべ簡単な行程で液晶配向膜にパターンを形成することができ、液晶表示装置等液晶を利用する素子に用いることができる。例えば、簡単な固定表示素子の製造や、液晶ディスプレイにおいては視野角の改善やコントラスト向上などに用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
（実施例１）
図１を用いて説明する。ポリシラン類の一種であるポリジメチルシラン（PDMS）粉末を加圧成型し端面が方形で平らなものとした。ガラス基板１にこれを圧着掃引し、ガラス基板上にPDMSの薄膜２を形成した。このとき、ガラス基板の温度を250℃、掃引速度を1m/分、圧力を2MPaとした。またPDMSの製膜時には雰囲気を乾燥窒素または減圧とすることが望ましい。PDMSの薄膜は掃引方向に分子鎖方向が平行になるように配向していた。

PDMS配向膜に線状のパターンを付したマスク５を通して、紫外線を５分間照射した。これにより光が照射された部分４ではPDMSは一部光酸化によりポリシロキサン構造となった。未照射部３では変化がなかった。実施した最小パターン線幅は0.03mmであった。

液晶配向のパターン形成能をみるため図２を用いて説明する。同じパターン形成済みPDMS配向膜３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂがついたガラス基板１Ａ、１Ｂ二枚を配向方向がほぼ一致するようにPDMS側が対向するようにし、その間にネマティック液晶６、例えばペンチルシアノビフェニル(5CB)を挟み込んだ。これを偏向方向が直交する二枚の偏光子で挟み込
み、観察を行った。光照射されたPDMS膜４Ａ、４Ｂに挟まれた部分では5CBが垂直配向し
光を通さなかった。一方、未照射部３Ａ、３Ｂに挟まれた部分ではPDMSの配向方向に5CB
が水平配向し、PDMS配向方向と直線偏光が45°の角度をなす場合に光が透過した。

また図３のように、二枚のPDMS配向膜の配向方向が直交するように配置し、パターン化し液晶を挟み込んだ場合は未照射部３Ａ、３Ｃに挟まれた部分では液晶６はねじれた配向をとり偏光子をクロスニコルとした場合もノーマリーホワイトとなり光を通し、未照射部４Ａ、４Ｃに挟まれた部分は光を通さなかった。

液晶配向膜にパターンを形成する方法を示す図である。パターンを形成した配向膜による液晶の配向を示す図である。パターンを形成した配向膜による液晶の配向を示す図である。

符号の説明

１, 1A, 1B 基板
２共役系高分子の配向膜
３, 3A, 3B, 3C 配向膜（未照射部）
４, 4A, 4B, 4C 配向膜（照射部）
５遮光物（マスク）
６液晶

Claims

シグマ共役系高分子およびパイ共役系高分子からなる群から選ばれる少なくとも１種の共役系高分子の配向薄膜からなる液晶配向膜。
前記配向薄膜上にパターンを形成してなる請求項１の液晶配向膜。
前記共役系高分子がポリシラン類であることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶配向膜
請求項１，２または３の液晶配向膜を使用した液晶表示装置。
シグマ共役系高分子およびパイ共役系高分子からなる群から選ばれる少なくとも１種の共役系高分子を加圧成型し、これを用いて摩擦転写法により基板上に前記共役系高分子の配向した薄膜を形成することを特徴とする液晶配向膜の作成方法。
さらに配向薄膜に紫外光又は可視光を照射し、配向薄膜上にパターンを形成することを特徴とする請求項５に記載の液晶配向膜の作成方法。