JP2006215349A - Liquid crystal optical modulator and liquid crystal display device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は液晶を用いて光を変調する液晶光変調器と、それを用いた液晶表示装置に関する。 The present invention relates to a liquid crystal light modulator that modulates light using liquid crystal, and a liquid crystal display device using the same.
液晶材料に電界を加えて、液晶分子の配向状態を変化させるという電気光学効果を応用すると、光変調器が実現できる。液晶光変調器は、他の電気光学効果を示す光学結晶に比べて低電圧で動作するため、表示装置用の電気光学素子として、近年注目されている。(例えば、非特許文献１参照)
そのような液晶光変調器の一つとして、２つの透明電極間における液晶分子の配向方向を、あらかじめ基板上に形成した合成樹脂の配向膜（摩擦処理したポリイミド薄膜など）により制御・均一化した液晶素子がある。この場合、液体である液晶の厚み（通常、数ミクロン）を一定に保つために、均一なサイズの合成樹脂のスペーサ粒子が液晶層に分散されるか、合成樹脂の柱状スペーサ構造がフォトリソグラフィー工程により形成される。このような素子では、透明電極間に印加される電圧強度により液晶配向が変化し、それに応じて複屈折効果や旋光能が制御されるため、入射光の偏光状態が変化する。そのため、この素子を２つの偏光板で挟むと、印加電圧により透過光を変調することができる。(例えば、非特許文献２〜３参照)
しかし、上記液晶光変調器とそれを用いた液晶表示装置は、以下に述べるような課題を抱える。
スペーサ粒子を用いた場合、外部から基板に加重が加わるとスペーサが移動してしまうため、基板間隔すなわち液晶層の厚みが変動して表示画像が乱れる問題が生じる。また、フォトリソグラフィー工程により合成樹脂の柱状スペーサ構造を形成した場合は、光硬化性樹脂の均一塗布、仮焼成、パターン露光、焼成など、煩雑な作製工程を要するといった課題がある。
一方、上記以外の課題として、この素子では透明基板上の配向膜が強い配向規制力を有するため、液晶分子を駆動する際には、強い配向規制力に抗する高い印加電圧が必要となり、その結果、消費電力が大きくなる。
また、液晶分子を均一に並べる配向膜を形成するために、基板上にポリイミド膜を均一に塗布した上で高温焼成し、摩擦（ラビング）処理を行わなければならない。それに伴う微細塵や静電気の発生により、薄膜トランジスタを含む表示パネルの製造歩留まりが低下して、製造コストが高くなる。
さらに現在、液晶表示装置の薄型・軽量化さらに柔軟化のため、ガラス基板に代わって薄い透明樹脂基板の導入が進められているが、ポリイミドは高温焼成（通常180℃）を必要とし、樹脂基板上に形成すると、基板が熱処理で変形して（収縮やそりなど）、表面の平坦性が著しく低下する。それにより、表示パネルの製造が困難になり、製造歩留まりが著しく低下するといった課題がある。
An optical modulator can be realized by applying an electro-optic effect that changes the alignment state of liquid crystal molecules by applying an electric field to the liquid crystal material. Liquid crystal light modulators have been attracting attention as electro-optical elements for display devices in recent years because they operate at a lower voltage than optical crystals exhibiting other electro-optical effects. (For example, see Non-Patent Document 1)
As one of such liquid crystal light modulators, the orientation direction of liquid crystal molecules between two transparent electrodes is controlled and uniformed by a synthetic resin alignment film (such as a friction-treated polyimide thin film) previously formed on a substrate. There is a liquid crystal element. In this case, in order to keep the thickness of the liquid crystal (usually several microns) constant, the synthetic resin spacer particles of uniform size are dispersed in the liquid crystal layer, or the synthetic resin column spacer structure is used in the photolithography process. It is formed by. In such an element, the liquid crystal orientation changes depending on the voltage intensity applied between the transparent electrodes, and the birefringence effect and optical rotation power are controlled accordingly, so that the polarization state of incident light changes. Therefore, when this element is sandwiched between two polarizing plates, the transmitted light can be modulated by the applied voltage. (For example, see non-patent documents 2-3)
However, the liquid crystal light modulator and the liquid crystal display device using the same have the following problems.
When spacer particles are used, since the spacer moves when a load is applied to the substrate from the outside, a problem arises in that the display image is disturbed due to fluctuations in the distance between the substrates, that is, the thickness of the liquid crystal layer. Further, when a synthetic resin columnar spacer structure is formed by a photolithography process, there is a problem that a complicated manufacturing process such as uniform application of a photocurable resin, temporary baking, pattern exposure, and baking is required.
On the other hand, as an issue other than the above, in this element, since the alignment film on the transparent substrate has a strong alignment regulating force, a high applied voltage against the strong alignment regulating force is required when driving the liquid crystal molecules. As a result, power consumption increases.
In addition, in order to form an alignment film in which liquid crystal molecules are uniformly arranged, a polyimide film must be uniformly applied on a substrate, and then fired at a high temperature and subjected to a rubbing process. Due to the generation of fine dust and static electricity associated therewith, the manufacturing yield of display panels including thin film transistors is lowered, and the manufacturing cost is increased.
Furthermore, in order to reduce the thickness, weight, and flexibility of liquid crystal display devices, thin transparent resin substrates are being used instead of glass substrates, but polyimide requires high-temperature firing (usually 180 ° C). When formed on the substrate, the substrate is deformed by heat treatment (shrinkage, warpage, etc.), and the flatness of the surface is remarkably lowered. This makes it difficult to manufacture the display panel, and there is a problem that the manufacturing yield is significantly reduced.
低電圧動作が可能で、製造工程が容易で量産性に優れた液晶光変調器および液晶表示装置を提供する。 Provided are a liquid crystal light modulator and a liquid crystal display device which can be operated at a low voltage, have a simple manufacturing process and are excellent in mass productivity.
上述の課題を克服するため、本発明の液晶光変調器および液晶表示装置では、液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造と、樹脂基板の間隔を一定に保持する柱状スペーサ構造とが、少なくとも一方の樹脂基板の表面に、微細構造を有する型を用いた形状転写により、一度に、あるいは逐次で形成される。ここで形状転写とは、例えば、熱可塑性樹脂を用いた熱プレスなどによる熱転写、あるいは光硬化樹脂を用いた転写等を意味する。
すなわち、本発明は、
（１）２つの樹脂基板の間に液晶が挟まれた液晶光変調器において、液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造が、前記筋状溝構造を有する型を用いた樹脂基板上への形状転写により、少なくとも一方の樹脂基板の表面にあらかじめ形成されていることを特徴とする液晶光変調器。
（２）２つの樹脂基板の間に液晶が挟まれた液晶光変調器において、樹脂基板の間隔を一定に保持する柱状スペーサ構造および液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造が、前記柱状スペーサ構造および前記筋状溝構造を有する型を用いた樹脂基板上への形状転写により、少なくとも一方の樹脂基板の表面にあらかじめ形成されていることを特徴とする液晶光変調器。
（３）２つの樹脂基板において、前記筋状溝構造の方向の組み合わせわせを同じにするか、または違えることにより、液晶分子が一方向に配向するか、またはねじれて配向していることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の液晶光変調器。
（４）前記筋状溝構造の間隔と深さにより、光変調効果の駆動電圧、応答速度、コントラスト比が制御されていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに１つに記載の液晶光変調器。
In order to overcome the above-described problems, in the liquid crystal light modulator and the liquid crystal display device of the present invention, there are a fine streak groove structure for controlling the alignment of liquid crystal molecules and a columnar spacer structure for keeping the distance between the resin substrates constant. Then, it is formed on the surface of at least one resin substrate at once or sequentially by shape transfer using a mold having a fine structure. Here, the shape transfer means, for example, thermal transfer using a hot press using a thermoplastic resin, transfer using a photo-curing resin, or the like.
That is, the present invention
(1) In a liquid crystal light modulator in which liquid crystal is sandwiched between two resin substrates, a fine streak structure for controlling the alignment of liquid crystal molecules is formed on a resin substrate using a mold having the streak structure. A liquid crystal light modulator, which is preliminarily formed on the surface of at least one resin substrate by shape transfer to the substrate.
(2) In a liquid crystal light modulator in which liquid crystal is sandwiched between two resin substrates, the columnar spacer structure that keeps the distance between the resin substrates constant and the fine streak groove structure that controls the orientation of liquid crystal molecules are A liquid crystal light modulator, which is formed in advance on the surface of at least one resin substrate by shape transfer onto a resin substrate using a mold having a columnar spacer structure and the streak-like groove structure.
(3) The two resin substrates are characterized in that the liquid crystal molecules are aligned in one direction or twisted by making the combination of directions of the streak groove structures the same or different. The liquid crystal light modulator according to (1) or (2) above.
(4) The driving voltage, response speed, and contrast ratio of the light modulation effect are controlled by the interval and depth of the streak-like groove structure, and any one of the above (1) to (3) Liquid crystal light modulator described in 1.
（５）前記樹脂基板上への形状転写は、熱可塑性樹脂を用いた熱転写であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の液晶光変調器。
（６）前記樹脂基板上への形状転写は、光硬化性樹脂を用いた転写であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の液晶光変調器。
（７）前記筋状溝構造の間隔は、1ミクロン以下であることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれか１つに記載の液晶光変調器。
（８）前記柱状スペーサ構造の高さは、20ミクロン以下であることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１つに記載の液晶光変調器。
（９）前記樹脂基板の厚みは、400ミクロン以下であることを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１つに記載の液晶光変調器。
（１０）前記液晶が、ネマティック液晶、コレステリック液晶及びスメクティック液晶から選ばれる少なくとも一つの液晶であることを特徴とする（１）〜（９）のいずれか１つに記載の液晶光変調器。
（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか１つに記載の液晶光変調器を含むことを特徴とする液晶表示装置。
（１２）上記（１１）に記載の液晶表示装置であって、前記液晶光変調器の前記柱状スペーサ構造が、画素のブラックマトリックス上に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
（１３）２つの樹脂基板の間に液晶が挟まれ、その少なくとも一方の樹脂基板の表面に液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造が形成された液晶光変調器の製造方法であって、該微細な筋状溝構造が前記筋状溝構造を有する型を樹脂基板上に形状転写することにより形成されたことを特徴とする液晶光変調器の製造方法。
（１４）２つの樹脂基板の間に液晶が挟まれ、その少なくとも一方の樹脂基板の表面に樹脂基板の間隔を一定に保持する柱状スペーサ構造および液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造が形成された液晶光変調器の製造方法であって、柱状スペーサ構造および前記筋状溝構造を有する型を樹脂基板上に形状転写することにより形成されたことを特徴とする、液晶光変調器の製造方法。
（１５）前記樹脂基板上に形状転写することが、熱可塑性樹脂を用いた熱転写であることを特徴とする上記（１３）又は（１４）に記載の液晶光変調器の製造方法。
（１６）前記樹脂基板上に形状転写することが、光硬化性樹脂を用いた転写であることを特徴とする上記（１３）又は（１４）に記載の液晶光変調器の製造方法。
(5) The liquid crystal light modulator according to any one of the above (1) to (4), wherein the shape transfer onto the resin substrate is thermal transfer using a thermoplastic resin.
(6) The liquid crystal light modulator according to any one of (1) to (4), wherein the shape transfer onto the resin substrate is transfer using a photocurable resin.
(7) The liquid crystal light modulator according to any one of (1) to (6), wherein an interval between the streaky groove structures is 1 micron or less.
(8) The liquid crystal light modulator according to any one of (1) to (7), wherein a height of the columnar spacer structure is 20 microns or less.
(9) The liquid crystal optical modulator according to any one of (1) to (8), wherein the resin substrate has a thickness of 400 microns or less.
(10) The liquid crystal light modulator according to any one of (1) to (9), wherein the liquid crystal is at least one liquid crystal selected from a nematic liquid crystal, a cholesteric liquid crystal, and a smectic liquid crystal.
(11) A liquid crystal display device comprising the liquid crystal light modulator according to any one of (1) to (10) above.
(12) The liquid crystal display device according to (11), wherein the columnar spacer structure of the liquid crystal light modulator is formed on a black matrix of pixels.
(13) A method of manufacturing a liquid crystal light modulator in which a liquid crystal is sandwiched between two resin substrates, and a fine streak groove structure for controlling the alignment of liquid crystal molecules is formed on the surface of at least one resin substrate. A method of manufacturing a liquid crystal light modulator, wherein the fine streak groove structure is formed by transferring a shape of the mold having the streak groove structure onto a resin substrate.
(14) A liquid crystal is sandwiched between two resin substrates, and a columnar spacer structure that maintains a constant spacing between the resin substrates on the surface of at least one of the resin substrates, and a fine streak groove structure that controls the alignment of liquid crystal molecules A method of manufacturing a liquid crystal light modulator formed with a liquid crystal light modulator, wherein the liquid crystal light modulator is formed by transferring a shape having a columnar spacer structure and the streak groove structure onto a resin substrate. Manufacturing method.
(15) The method for producing a liquid crystal light modulator according to the above (13) or (14), wherein the shape transfer onto the resin substrate is thermal transfer using a thermoplastic resin.
(16) The method for producing a liquid crystal light modulator according to the above (13) or (14), wherein the shape transfer onto the resin substrate is a transfer using a photocurable resin.
本発明によると、液晶配向を制御する微細な筋状溝構造とスペーサ構造が、基板上に一度あるいは逐次の工程で容易に作製されるため、極めて量産性に優れる。また液晶を配向させるため従来用いられていたポリイミド膜とそのラビング処理が一切不要になるため、製造歩留まりを向上させることができる。
さらに、高温焼成が不可欠なポリイミド膜が不要となるため、熱処理に弱い樹脂基板や透明電極にダメージを与えることなく、生産性を高めることが可能となる。すなわち、樹脂基板を容易に使用でき、軽量で柔軟な液晶光変調器や液晶表示装置を安価に構成できる。
また、筋状溝構造の弱い配向規制力で液晶配向が初期配向するため、液晶を低い印加電圧で駆動できる。
該樹脂基板は、それのみで液晶光変調器や液晶表示装置を構成するための基板として用いることが可能であることは勿論、ガラス基板上に適当な方法で固定した樹脂基板に対し微細な筋状溝構造を形成することで用いることも可能である。
以上説明したように、液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造と、樹脂基板の間隔を一定に保持する柱状スペーサ構造とを、熱可塑性樹脂を用いた熱転写加工あるいは光硬化性樹脂を用いた転写加工により、基板の表面にあらかじめ形成することによって、透明電極の間に、製造が容易で低電圧動作が可能な液晶光変調器および液晶表示装置を提供することができる。
According to the present invention, the fine streak-like groove structure and the spacer structure for controlling the liquid crystal alignment are easily formed on the substrate once or in a sequential process, so that it is extremely excellent in mass productivity. In addition, since the polyimide film and its rubbing treatment, which have been conventionally used for aligning the liquid crystal, are unnecessary, the manufacturing yield can be improved.
Furthermore, since a polyimide film that is indispensable for high-temperature firing is not required, productivity can be improved without damaging a resin substrate or a transparent electrode that is vulnerable to heat treatment. That is, a resin substrate can be easily used, and a lightweight and flexible liquid crystal light modulator or liquid crystal display device can be configured at low cost.
Further, since the liquid crystal alignment is initially aligned by the weak alignment regulating force of the streak groove structure, the liquid crystal can be driven with a low applied voltage.
The resin substrate alone can be used as a substrate for constituting a liquid crystal light modulator or a liquid crystal display device, and of course, fine streaks with respect to a resin substrate fixed by an appropriate method on a glass substrate. It can also be used by forming a groove structure.
As described above, the fine streak-like groove structure that controls the alignment of liquid crystal molecules and the columnar spacer structure that keeps the distance between the resin substrates constant are made by thermal transfer processing using a thermoplastic resin or photo-curing resin. By forming in advance on the surface of the substrate by the transfer process used, it is possible to provide a liquid crystal light modulator and a liquid crystal display device that can be easily manufactured and operate at a low voltage between the transparent electrodes.
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による液晶光変調器の一実施例の構成を示す断面模式図である。
本実施例の液晶光変調器では、液晶１が２つの樹脂基板３ａ、３ｂの間に挟まれている。液晶１を均一に分子配向させるため、一方の樹脂基板３ａ表面に微細な筋状溝構造４が設けられており、液晶分子は筋状溝構造４の方向に初期配向する。さらに素子内には、樹脂基板の間隔を一定に保持するため、柱状スペーサ構造５が樹脂基板表面に設けられている。透明電極２ａ、２ｂはリード線６を介して、交流電圧を供給する駆動電圧源７に接続されている。さらに本実施例の液晶光変調器は、偏光透過軸が直交した偏光板８により挟まれている。一方の偏光板に入射光９が入射される。
図１の実施例の場合、透明電極が一方の樹脂基板３ｂに２対に分割されて複数設けられているため、透明電極間に電圧を印加すると、透明電極間に加わる電圧により、樹脂基板面に平行な電界が生じる。それにより液晶分子は、筋状溝構造４が伸びる方向から、その電界方向に再配向する。それに伴って、液晶層の光学異方性（複屈折）が変化し、光の偏光方向が変化するため、電圧強度に応じて出射光１０が変調される。この実施例では、一方の基板にのみ透明電極を設けたが、所望の光変調効果に応じて、双方の基板に透明電極を設けて、液晶層の厚み方向に電圧を印加して液晶分子を駆動してもよい。
筋状溝構造と柱状スペーサ構造は、それらの凹凸が逆転した板状またはロール状の金属の型を、加熱により軟化した樹脂基板にプレスすること、もしくは光硬化性樹脂にプレスしつつ紫外線を照射することにより、容易に作製できる。また、それぞれの基板に柱状ス
ペーサ構造と筋状溝構造を作り分けてもよい。また筋状溝構造を両方の基板に設ければ、さらに面内均一な液晶配向が得られる。
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an embodiment of a liquid crystal light modulator according to the present invention.
In the liquid crystal light modulator of this embodiment, the liquid crystal 1 is sandwiched between two
In the case of the embodiment of FIG. 1, since the transparent electrode is divided into two pairs on one
The streak-like groove structure and the columnar spacer structure are used to press a plate-shaped or roll-shaped metal mold with the concavities and convexities reversed onto a resin substrate that has been softened by heating, or to irradiate ultraviolet rays while pressing a photocurable resin. By doing so, it can be easily manufactured. Further, a columnar spacer structure and a streak-like groove structure may be separately formed on each substrate. Further, if a streak-like groove structure is provided on both substrates, liquid crystal alignment that is more uniform in the plane can be obtained.
さらに両者の溝構造の方向を違えれば、容易にツイストネマティック配向の液晶素子を構成することも可能である。とりわけ溝方向を直交させると、既存の液晶ディスプレイに活用され、高コントラストな表示特性が得られる９０度ツイストネマティック液晶素子を構成できる。また両基板に配向機能を持たせる場合、一方の基板の配向機能を、既存の配向膜（摩擦処理したポリイミド膜、斜法蒸着したＳｉＯ膜もしくはＩＴＯ膜、偏光紫外線を照射した色素膜や樹脂膜など）で担わせても支障はない。
液晶配向機能を示す筋状溝構造は、平行に複数配置され、周期的な構造であることが望ましいが、必ずしも一定間隔である必要はない。その間隔は、1ミクロン以下が良好で、比較的溝構造の周期が大きな場合、液晶は溝構造の伸びる方向に配向する。なぜなら、溝表面に沿って細長い液晶分子が並ぶ場合、配向の歪みが最小化されるように液晶配向が定まるためである。一方、溝の周期を小さしていくと、液晶配向の弾性歪みを緩和する（すなわち極めて微細な配向の曲がりを避ける）ため、基板面に垂直に配向するようになる。なお、筋状溝構造が伸びる方向は、基板面に平行でもよいが、液晶分子の初期配向を基板から起こしたい場合には、柱状スペーサ構造の筋方向を基板面から傾斜させてもよい（プレチルト角の付加）。それにより、初期配向もしくは電圧印加時の面内液晶配向を安定化することも可能である。
Furthermore, a twisted nematic alignment liquid crystal element can be easily constructed by changing the direction of the groove structure between the two. In particular, when the groove directions are orthogonal to each other, a 90-degree twisted nematic liquid crystal element that can be used in an existing liquid crystal display and obtain high-contrast display characteristics can be configured. When both substrates are provided with an alignment function, the alignment function of one of the substrates can be changed using an existing alignment film (rubbing polyimide film, obliquely deposited SiO film or ITO film, dye film or resin film irradiated with polarized ultraviolet rays. Etc.) is not a problem.
A plurality of streak-like groove structures exhibiting a liquid crystal alignment function are desirably arranged in parallel and have a periodic structure, but are not necessarily at regular intervals. The interval is good at 1 micron or less, and when the period of the groove structure is relatively large, the liquid crystal is aligned in the direction in which the groove structure extends. This is because when elongated liquid crystal molecules are aligned along the groove surface, the liquid crystal alignment is determined so that the alignment distortion is minimized. On the other hand, when the period of the groove is reduced, the elastic strain of the liquid crystal alignment is relaxed (that is, an extremely fine alignment bend is avoided), so that the alignment is perpendicular to the substrate surface. The direction in which the streak-like groove structure extends may be parallel to the substrate surface. However, when the initial alignment of the liquid crystal molecules is desired to occur from the substrate, the streak direction of the columnar spacer structure may be inclined from the substrate surface (pretilt). Add corners). Thereby, it is also possible to stabilize the initial alignment or the in-plane liquid crystal alignment during voltage application.
また柱状スペーサ構造の配置間隔はもとより、筋状溝構造の間隔、溝の深さを変えることにより、液晶配向に対する拘束力が大きく変化するため、光変調効果の駆動電圧、応答速度、コントラスト比などの基本的な光変調特性を制御することも可能となる。溝の形状は、波状もしくは角状でよく、非対称な筋状の起伏構造であっても支障はない。
柱状スペーサ構造の高さは、所望の液晶層の厚みとなるよう選択、作製される。通常、液晶層の厚みは、1〜20μｍの範囲である。
柱状スペーサ構造の配置間隔は、表示装置を構成するのであれば、画素単位が望ましく、画素間の遮光部として設けられるブラックマトリックス上に設けることが望ましい。柱状スペーサ構造の横幅は100μｍ以下が望ましく、成形や取り扱いの容易さから、2〜50μｍが適当である。
樹脂基板の厚みは、通常、400μｍ以下であるが、それに限定されるものではない。100μｍ程度になると高い柔軟性が得られる。数μｍの薄い樹脂基板で液晶層を挟んで、さらに素子構造に補強するため、ガラス基板で挟んでもよい。
本発明の樹脂基板としては、透明なものが好ましく、厚みが400μｍ以下、特に50〜200μｍのポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリスチレン、シクロオレフィンポリマーなど柔軟な樹脂フィルム基板を用いることができる。柔軟な樹脂フィルム基板を用いた場合、軽量で曲げることが可能な液晶光変調器を構成することができる。また、樹脂基板として光硬化性樹脂単体もしくは光硬化性樹脂を上記樹脂フィルム上に接着したものを使うこともでき、光硬化性樹脂はラジカル硬化系、カチオン硬化系のどちらでもよく、またラジカル硬化系とカチオン硬化系を併用したものであっても構わない。
In addition to the spacing of the columnar spacer structures, the constraint force on the liquid crystal alignment changes greatly by changing the spacing and groove depth of the streak-like groove structure, so the driving voltage, response speed, contrast ratio, etc. of the light modulation effect It is also possible to control the basic light modulation characteristics. The shape of the groove may be wavy or square, and there is no problem even if it is an asymmetric streaky structure.
The height of the columnar spacer structure is selected and manufactured so as to have a desired liquid crystal layer thickness. Usually, the thickness of the liquid crystal layer is in the range of 1 to 20 μm.
The arrangement interval of the columnar spacer structure is preferably a pixel unit if it constitutes a display device, and is preferably provided on a black matrix provided as a light shielding portion between pixels. The lateral width of the columnar spacer structure is desirably 100 μm or less, and 2 to 50 μm is appropriate for ease of molding and handling.
The thickness of the resin substrate is usually 400 μm or less, but is not limited thereto. High flexibility is obtained when the thickness is about 100 μm. In order to reinforce the element structure by sandwiching the liquid crystal layer with a thin resin substrate of several μm, it may be sandwiched between glass substrates.
The resin substrate of the present invention is preferably a transparent substrate, and a flexible resin film substrate such as polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyethersulfone, polystyrene, cycloolefin polymer having a thickness of 400 μm or less, particularly 50 to 200 μm can be used. When a flexible resin film substrate is used, a liquid crystal light modulator that can be bent lightly can be configured. The resin substrate can be a single photocurable resin or a photocurable resin bonded to the resin film. The photocurable resin may be either a radical curing type or a cationic curing type. It may be a combination of a system and a cationic curing system.
液晶としては、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶を用いることができる。ただし高速応答を得るには、低粘性かつ高弾性の液晶材料が適しており、化学構造としては、液晶の屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝異常光屈折率ｎｅ−常光屈折率ｎｏ）が大きいシアノ系、ビフェニル系、ターフェニル系、ピリミジン系、トラン系、フッ素系のネマティック液晶が適している。スメクティック液晶を用いる場合、自発分極を有して高速応答を示す強誘電性液晶が有用である。例えば、シッフ塩基系強誘電性液晶、アゾ系強誘電性液晶、アゾキシ系強誘電性液晶、ビフェニル系強誘電性液晶、エステル系強誘電性液晶、もしくはフェニルピリミジン系強誘電性液晶などが好ましい。また、液晶の初
期配向と電界方向が一致するような場合、誘電率異方性が負の液晶材料を用いてもよい。
透明電極としては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）をはじめ、酸化インジウム、酸化錫などが好適である。それらの透明電極は、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどの技術で成膜することができる。また、金属酸化物以外の透明電極として、ポリチオフェン系樹脂などの透明な有機系導電性材料を、スピンコートや印刷法などにより塗布してもよい。
また、上記の液晶光変調器の実施例にバックライトを設けることにより、高コントラストの表示装置を構成することができる。さらに、液晶光変調器に光を反射する反射板や拡散板を設けることにより、バックライトを用いず低消費電力の反射型表示装置を構成することも可能である。そのような反射型表示装置の場合、一方の透明基板を不透明化したり、透明電極を金属電極に置き換えることも可能である。
As the liquid crystal, a nematic liquid crystal, a cholesteric liquid crystal, or a smectic liquid crystal can be used. However in order to obtain a fast response is a liquid crystal material having a low viscosity and high elasticity is suitable, as the chemical structure, the liquid crystal refractive index anisotropy [Delta] n ([Delta] n = extraordinary refractive index n e - ordinary refractive index n o) Cyano-, biphenyl-, terphenyl-, pyrimidine-, tolane-, and fluorine-based nematic liquid crystals having a large size are suitable. When using a smectic liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal having spontaneous polarization and showing a high-speed response is useful. For example, Schiff base ferroelectric liquid crystal, azo ferroelectric liquid crystal, azoxy ferroelectric liquid crystal, biphenyl ferroelectric liquid crystal, ester ferroelectric liquid crystal, or phenylpyrimidine ferroelectric liquid crystal is preferable. Further, when the initial alignment of the liquid crystal matches the electric field direction, a liquid crystal material having a negative dielectric anisotropy may be used.
As the transparent electrode, indium oxide doped with tin (ITO), indium oxide, tin oxide and the like are suitable. These transparent electrodes can be formed by techniques such as vacuum deposition, ion plating, and sputtering. Further, as a transparent electrode other than the metal oxide, a transparent organic conductive material such as a polythiophene resin may be applied by spin coating or printing.
In addition, a high contrast display device can be configured by providing a backlight in the embodiment of the liquid crystal light modulator. Furthermore, a reflective display device with low power consumption can be configured without using a backlight by providing a reflection plate or a diffusion plate for reflecting light on the liquid crystal light modulator. In the case of such a reflective display device, one transparent substrate can be made opaque or the transparent electrode can be replaced with a metal electrode.
以下に基板作成および作成した基板への酸化インジウム（ＩＴＯ）の成膜に関して実施例を示す。尚、基板作成方法、ＩＴＯ成膜方法に関して下記に例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、下記例示以外の基板作成方法、ＩＴＯ等の透明電極の成膜方法を用いることが可能である。
〈基板作成〉
以下の要領にて微細な筋状溝構造を有する基板を作成し、前述の液晶光変調器および液晶表示装置を作成するための基板として用いた。
300nm ピッチ筋状溝構造の転写
［実施例１］
凸部頂点間距離l （以下、ピッチともいう）が300nm の凸凹の深さが270nm の筋状溝構造を有する0.3 ｍｍ厚みのニッケル製基板を型とし、0.3 ｍｍ厚みの樹脂シートに熱プレスによって筋状溝構造を転写した。
樹脂には、ポリスチレン（ＰＳジャパン製ＰＳＪポリスチレン SGP10 、Tg：94℃）を用いた。
熱プレスはニッケル製型の上に樹脂シートを固定し、真空雰囲気下で加熱を行い、樹脂のTgよりも60℃高い温度において、5 ＭＰａの圧力を５分間保持した後、加圧状態を保持したままTgよりも20〜30℃低い温度まで約５分間で冷却して、樹脂シートを取り出した。
この熱プレスによりパターン転写した300nm ピッチの樹脂基板の凹凸の深さｈをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により測定したところ270nm であり、ニッケル製型の筋状溝構造が精密に転写されていることが確認できた。
得られた樹脂基板を２枚使用して、両者の溝構造が向かい合い、溝構造の方向が平行になるように重ね合わせ、その間に液晶の厚みが10μｍとなるようネマティック液晶材料を充填したところ、溝方向を光軸とする複屈折効果が確認された。これにより、液晶分子が溝方向に配向することが確認された。
Examples relating to the production of a substrate and the formation of indium oxide (ITO) on the produced substrate are shown below. In addition, although illustrated below about the board | substrate preparation method and the ITO film-forming method, this invention is not limited to this, Substrate preparation methods other than the following illustration and the film-forming method of transparent electrodes, such as ITO, may be used. Is possible.
<Creation of substrate>
A substrate having a fine streak-like groove structure was prepared in the following manner, and used as a substrate for forming the liquid crystal light modulator and the liquid crystal display device described above.
Transfer of 300 nm pitch streak groove structure [Example 1]
A 0.3 mm-thick nickel substrate having a streak-like groove structure with a convex-concave distance of 300 nm and a convex-concave depth of 270 nm is used as a mold, and a 0.3 mm-thick resin sheet is formed by hot pressing. The streak groove structure was transferred.
As the resin, polystyrene (PSJ polystyrene SGP10, PS Japan, Tg: 94 ° C.) was used.
A heat press fixes a resin sheet on a nickel mold, heats it in a vacuum atmosphere, maintains a pressure of 5 MPa for 5 minutes at a temperature 60 ° C higher than the Tg of the resin, and then maintains the pressurized state. The resin sheet was taken out by cooling in about 5 minutes to a temperature 20-30 ° C. lower than Tg.
The depth h of the unevenness of the 300nm pitch resin substrate to which the pattern was transferred by this hot press was measured by SEM (scanning electron microscope). Was confirmed.
Using the two obtained resin substrates, the groove structure of both faces each other, and the groove structure is overlapped so that the direction of the groove structure is parallel. A birefringence effect with the groove direction as the optical axis was confirmed. This confirmed that the liquid crystal molecules were aligned in the groove direction.
［実施例２］
実施例１において、樹脂として、シクロオレフィンポリマー（日本ゼオン製ゼオノア 1020R 、Tg：105 ℃）を用いる以外は実施例１と同様に行った。図２にはシクロオレフィンポリマー上に転写した筋状溝構造のＳＥＭ断面写真を示す。
［実施例３］
実施例１において、樹脂として、ポリカーボネート（帝人化成製パンライトK1285 、Tg：145 ℃）を用いる以外は実施例１と同様に行った。
［実施例４］
実施例１において、樹脂として、アクリル樹脂( 旭化成ケミカルズ製デルペット 80N 、ＰＭＭＡ、Tg：114 ℃）を用いる以外は実施例１と同様に行った。
250nm ピッチ筋状溝構造の転写
［実施例５］
実施例２において、型として、ピッチが250nm の凸凹の深さが220nm の筋状溝構造を有するニッケル製基板を用いる以外は実施例２と同様に行った。
［実施例６］
実施例３において、型として、ピッチが250nm の凸凹の深さが220nm の筋状溝構造を有するニッケル製基板を用いる以外は実施例３と同様に行った。
[Example 2]
In Example 1, it carried out similarly to Example 1 except using a cycloolefin polymer (Nippon Zeon ZEONOR 1020R, Tg: 105 degreeC) as resin. FIG. 2 shows a SEM cross-sectional photograph of a streak-like groove structure transferred onto a cycloolefin polymer.
[Example 3]
In Example 1, it carried out like Example 1 except using polycarbonate (Teijin Chemicals Panlite K1285, Tg: 145 degreeC) as resin.
[Example 4]
In Example 1, it carried out similarly to Example 1 except using an acrylic resin (Asahi Kasei Chemicals Delpet 80N, PMMA, Tg: 114 degreeC) as resin.
Transfer of 250 nm pitch streak-like groove structure [Example 5]
Example 2 was performed in the same manner as Example 2 except that a nickel substrate having a streak-like groove structure with a pitch of 250 nm and an unevenness depth of 220 nm was used as a mold.
[Example 6]
In Example 3, the same procedure as in Example 3 was used except that a nickel substrate having a streak-like groove structure with a pitch of 250 nm and an unevenness depth of 220 nm was used as a mold.
スパッタリング法を用いたＩＴＯの積層
［実施例７］
樹脂基板として、実施例２で作成した筋状溝構造転写樹脂基板を用い、ＩＴＯの積層を行った。層膜比較用に表面が平滑なガラス基板を、スパッタリング装置内の樹脂基板の近傍に設置し、スパッタ圧力６．７×１０-1Ｐａ，被膜速度0.1 〜0.3nm/sec の条件において、樹脂基板の表面温度が樹脂のＴｇよりも10℃以上低い温度となるようにしつつ、平滑基板へのＩＴＯ厚みｔが３０nmとなるように積層操作を行った。
筋状溝構造への積層状態をＳＥＭにより観察したところ、ＩＴＯ膜の平均厚みが３０nmであった。また、ＩＴＯ膜の製膜状態には欠陥がみられず、良好な成膜状態であることが確認された。
ＩＴＯを積層した樹脂基板を２枚使用して、両者の溝構造が向かい合い、両溝構造の方向が平行となるように重ね合わせ、その間に液晶層の厚みが10μｍとなるようネマティック液晶材料を充填したところ、いずれも溝構造を光軸とする複屈折効果が確認され、液晶分子が溝方向に配向することが確認された。
［実施例８］
実施例７において、樹脂基板として、実施例３で作成した筋状溝構造転写樹脂基板を用いる以外は実施例７と同様に行った。
［実施例９］
実施例７において、樹脂基板として、実施例５で作成した筋状溝構造転写樹脂基板を用いる以外は実施例７と同様に行った。
［実施例１０］
実施例７において、樹脂基板として、実施例６で作成した筋状溝構造転写樹脂基板を用いる以外は実施例７と同様に行った。
以上の実施例１〜１０における樹脂基板のＳＥＭ測定による筋状溝構造（ピッチ、凹凸深さｈ）、及び該基板間に充填された液晶分子の該溝方向への配向の有無は、次の表１にまとめて示されている。
Lamination of ITO using sputtering method [Example 7]
As the resin substrate, the stripe-shaped groove structure transfer resin substrate prepared in Example 2 was used, and ITO was laminated. For comparison of layer films, a glass substrate having a smooth surface is placed in the vicinity of the resin substrate in the sputtering apparatus, and the resin substrate is used under the conditions of sputtering pressure 6.7 × 10 −1 Pa and coating speed 0.1 to 0.3 nm / sec. The stacking operation was performed so that the ITO thickness t on the smooth substrate was 30 nm while the surface temperature of the substrate was 10 ° C. lower than the Tg of the resin.
When the lamination state on the streak-like groove structure was observed by SEM, the average thickness of the ITO film was 30 nm. Further, no defects were observed in the ITO film formation state, and it was confirmed that the film was in a good film formation state.
Using two resin substrates laminated with ITO, the two groove structures are facing each other, the two groove structures are stacked so that the directions of the two groove structures are parallel, and the nematic liquid crystal material is filled so that the thickness of the liquid crystal layer is 10 μm between them As a result, the birefringence effect having the groove structure as the optical axis was confirmed, and the liquid crystal molecules were confirmed to be aligned in the groove direction.
[Example 8]
In Example 7, it carried out like Example 7 except using the streaky groove structure transfer resin substrate created in Example 3 as a resin substrate.
[Example 9]
In Example 7, it carried out like Example 7 except using the streaky groove structure transfer resin substrate created in Example 5 as a resin substrate.
[Example 10]
In Example 7, it carried out like Example 7 except using the streak-like groove structure transfer resin substrate created in Example 6 as a resin substrate.
The streak-like groove structure (pitch, uneven depth h) of the resin substrates in Examples 1 to 10 described above and the presence or absence of alignment in the groove direction of liquid crystal molecules filled between the substrates are as follows. These are summarized in Table 1.
本発明は液晶を用いて光を変調する液晶光変調器と、それを用いた液晶表示装置に関する。本発明によると、樹脂基板を容易に使用でき、軽量で柔軟な液晶光変調器や液晶表示装置を安価に構成できる。 The present invention relates to a liquid crystal light modulator that modulates light using liquid crystal and a liquid crystal display device using the same. According to the present invention, a resin substrate can be easily used, and a lightweight and flexible liquid crystal light modulator or liquid crystal display device can be configured at low cost.
１ 液晶
２ａ,２ｂ 透明電極
３ａ,３ｂ 樹脂基板
４ 筋状溝構造
５ スペーサ構造
６ リード線
７ 駆動電源
８ 偏光板
９ 入射光
１０ 出射光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (16)
板の表面に樹脂基板の間隔を一定に保持する柱状スペーサ構造および液晶分子の配向を制御する微細な筋状溝構造が形成された液晶光変調器の製造方法であって、柱状スペーサ構造および前記筋状溝構造を有する型を樹脂基板上に形状転写することにより形成されたことを特徴とする、液晶光変調器の製造方法。 A liquid crystal is sandwiched between two resin substrates, and a columnar spacer structure is formed on the surface of at least one of the resin substrates, and a fine streak groove structure that controls the alignment of liquid crystal molecules is formed. A method for manufacturing a liquid crystal light modulator, comprising: forming a columnar spacer structure and a mold having the streak groove structure onto a resin substrate; .
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