JP2006234885A - 液晶光変調器の製造方法、液晶光変調器および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラビング配向膜およびラビング処理を用いることなく液晶分子を簡易に配向することができるとともに、装置の軽量化および製造の歩留りを改善し得る、液晶光変調器の製造方法、液晶光変調器および液晶表示装置を提供する。
【解決手段】各透明基板１ａ、ｂに透明電極２ａ、ｂを付設し（図１（１））、各透明電極２ａ、ｂ上に、液晶性分子を含む有機材料３ａ、ｂを塗布する（図１（２））。次に、液晶性分子を含む有機材料３ａ、ｂを互いに接触させ、ローラー等の押し当て部材をもって、一方の端部から他方の端部に向けて順次押圧していき、各透明基板１ａ、ｂを互いに貼り合わせる（図１（３））。これにより有機材料３（３ａ、ｂ）を挟持してなる液晶光変調器が作製される（図１（４））。有機材料３内の液晶分子の配向は、貼合せ時に２枚の透明基板１ａ、ｂに挟持された有機材料３内の液晶が流れる方向によって制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶を用いて光を変調する液晶光変調器の製造方法、液晶光変調器および液晶表示装置に関するものである。

近年液晶光変調器を用いた表示装置（ディスプレイ）の開発が進められ、携帯電話用の小型のものからパソコン用途の中型ディスプレイ、さらにはテレビ用の大型ディスプレイまで幅広く普及している。特にテレビ用ディスプレイパネルは一層の大型化が進められており、プラズマディスプレイと競合する大画面サイズのディスプレイも既に市販化されている。

しかし液晶ディスプレイのパネルサイズが大型化すると、ガラス基板の重量の増加や歩留まりの大幅な低下が商品化に向けての大きな障害となるため、より軽量な基板の導入や低コスト化のための簡易な作製プロセスの実現が望まれている。
さらに将来のフレキシブルディスプレイの実現に向け、ガラス基板に替えてプラスティック基板を用いた素子の研究も進められており、その作製プロセスを構築することが求められている。

また、従来のガラス基板を用いた液晶光変調器では、液晶分子の配向制御はポリイミド配向膜のラビング処理より行われている。ラビング配向膜は、ラビングロールで配向膜を擦るという比較的単純な方法で液晶分子の配向制御が可能であり、さらに液晶分子に対して強い配向規制力が得られるため一般に広く用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特開平０５−２０３９５２ 特開平０５−２６３０７７ 特開平０５−３０１９５８

しかし、上述したラビング配向膜の場合、基板が大型化するほど自重により基板やロールに歪みが生じて一様なラビング処理が困難となり、液晶分子の配向の乱れが生じ易くなり歩留まりが大幅に低下するという問題があった。

また、ラビング処理時にラビングロールの粉塵が基板表面に付着して、液晶分子の配向乱れや電圧保持率の低下を招くほか、ラビングロールの圧力やラビングに伴う静電気の発生により、ＴＦＴが破壊しやすい等の問題もあった。
特にプラスティック基板ではこうした静電気による塵埃の混入が起こりやすく、ガラス基板に比べて耐薬品性に劣るプラスティック基板を洗浄する際にも、特殊な工程が必要となる。

このように、従来の技術により作製された光変調器では、ラビング配向処理に伴う種々の問題により、低コスト化や柔軟で軽量な基板の適用が困難であった。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、ラビング処理された配向膜を用いることなく液晶分子を簡易に配向することができるとともに、装置の軽量化および製造の歩留りを改善し得る、液晶光変調器の製造方法、液晶光変調器および液晶表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の液晶光変調器の製造方法は、
液晶分子の配列を電気的に変化させることで光変調が行われるようにした光変調器の製造方法において、
液晶性分子を含む有機材料を２枚の基板のそれぞれの貼合せ側表面に塗布する第１の工程と、
該第１の工程において前記塗布する処理がなされた２枚の基板を、液晶性分子を含む有機材料が対向するようにして互いに貼り合せるとともに、その貼合せ処理を行う際には、所定形状の押当て部材を、前記２枚の基板を重ね合わせた部分に押し当てつつ、該押当て部材と該２枚の基板とを相対的に所定方向に移動せしめることにより、前記液晶性分子を含む有機材料を前記２枚の基板に挟持された状態で、前記所定方向に流動せしめる第２の工程と、
を含むことを特徴とするものである。

ここで、前記押当て部材がローラーであることが好ましい。

また、前記２枚の基板の各々の表面に、前記液晶性分子を含む有機材料を塗布する前に樹脂膜を塗布しておくことが好ましい。

また、前記基板の表面に前記液晶性分子を含む有機材料を塗布する処理が、印刷処理によりなされることが好ましい。

また、前記２枚の基板の貼合せ処理がなされた後に、前記２枚の基板に挟持された前記有機材料の一部を硬化する処理が行われることが好ましい。

また、本発明の液晶光変調器は、前記基板がプラスティックまたはガラスにより構成され、上述したいずれかの液晶光変調器の製造方法によって製造されたことを特徴とするものである。

さらに、本発明の液晶光変調器は、前記液晶光変調器を有し、該液晶光変調器により光変調された映像情報を表示するように構成されてなることを特徴とするものである。

本発明の液晶光変調器の製造方法によれば、液晶性分子を含む有機材料を挟んだ２枚の基板の貼合せ処理を行う際に、所定形状の押当て部材を、２枚の基板を重ね合わせた部分に押し当てつつ、該押当て部材と該２枚の基板とを相対的に所定方向に移動せしめることにより、前記液晶性分子を含む有機材料を前記２枚の基板に挟まれた状態で、前記所定方向に流動せしめるようにしている。すなわち、２枚の基板を確実に貼り合せるための押当て部材による操作によって、液晶性分子を含む有機材料を基板表面において所定方向に移動させるという操作をも同時に行わしめ、この移動方向に応じた液晶分子の配向がなされるようにしている。

これにより、ラビング配向膜を設けることなく、またラビング処理を行うことなく簡易な手法により液晶配向制御が可能となるため、基板のサイズが大型化した場合に液晶分子の配向の乱れが生じ易くなり歩留まりが大幅に低下するという問題を回避することができる。また、ラビング処理時にラビングロールの粉塵が基板表面に付着して、液晶分子の配向乱れや電圧保持率の低下を招くほか、ラビングロールの圧力やラビングに伴う静電気の発生により液晶表示装置が破壊されやすい、という従来技術の問題も解消し得る。

特にプラスティック基板を用いたものでは、ラビング処理に伴い、粉塵が基板表面に付着する、および静電気の発生によって液晶表示装置が破壊される、という問題が顕著であったが、このような従来技術の問題も解消し得る。
これにより、柔軟なフィルム基板を用いた液晶光変調器の実現を大幅に促進することができる。

また、このようにして製造された、本発明の液晶光変調器、およびこれを用いた液晶表示装置によれば、フラットディスプレイやフレキシブルディスプレイの大型化を図ることができ、また、プラスティック基板の採用により軽量化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態方法により製造される液晶光変調器は、図１−（４）に示すような、透過型の液晶光変調器１０であって、１対の透明基板１ａ、１ｂが対向配置され、それぞれの透明基板１ａ、１ｂの内側に透明電極２ａ、２ｂが積層され、さらに、対向する透明電極２ａ、２ｂの間にネマティック型等の液晶を含む有機材料３が挟み込まれてなる。

また、本実施形態の液晶光変調器１０では、上記透明基板１ａ、１ｂの外側に、偏光透過軸が互いに直交もしくは平行とされた２枚の偏光板が配されている。
すなわち、透明電極２ａ、２ｂ間に印加される電圧の強度に応じて、液晶分子の配向性が変化するため、一方の偏光板からの偏光は、この液晶分子により偏光方向が変化し、他方の偏光板の光吸収により強度変調された光として出射されることになる。

以下、この液晶光変調器１０の製造方法について説明する。
図１（（１）〜（４））は、本実施形態に係る液晶光変調器の作製方法を示すものである。

本実施例では、各透明基板１ａ、１ｂに透明電極２ａ、２ｂを付設し（図１−（１））、各透明電極２ａ、２ｂ上に、液晶性分子を含む有機材料３ａ、３ｂを塗布する（図１−（２）：第１の工程）。
次に、液晶性分子を含む有機材料３ａ、３ｂを互いに接触させ、一方の端部から他方の端部に向けて順次当接させていき、有機材料３ａ、３ｂの接着機能によって各透明基板１ａ、１ｂを互いに貼り合わせる（図１−（３）：第２の工程）。これにより、有機材料３（３ａ、３ｂ）を挟持してなる液晶光変調器が作製される（図１−（４））。

ここで有機材料３の液晶分子の配向は、貼合せ時に２枚の透明基板１ｂ、１ｂ上に塗布された有機材料３の液晶分子が流れる方向によって制御される。
その際、液晶が流れる方向に伴い、液晶分子が透明基板１ｂ、１ｂと平行なホモジニアス配向または、基板と垂直に立ち上がったホメオトロピック配向となるように誘発される。このため、主な表示動作モードとしては電界制御複屈折型（ＥＣＢ型）、強誘電性型（ＦＬＣ型）、相転移型（コレステリック型）、動的散乱モード等とすることが可能である。

また内部にカイラル剤を添加することにより、液晶分子の配向をねじることも可能なため、ねじれネマティック型（ＴＮモード、ＳＴＮモード）の動作モードとすることもできる。
これらの動作モードでは、透明電極２ａ、２ｂに所定の電圧を印加することにより液晶分子の配向状態を変化させ、光変調素子を透過する光の変調が行われる。

ところで、上記貼り合わせの工程において、液晶分子の流れる方向を厳密に制御するために、図２に示すような処理を行う。すなわち、所定のステージ５上に一方の透明基板（ここでは１ａ）を載設し、これに他方の透明基板（ここでは１ｂ）を対向させ、この他方の透明基板（ここでは１ｂ）に対して、ローラー４ａを押し込みつつ、ステージ５に対して相対的に矢印Ａ方向に移動させ、これにより液晶が押し出されて強制的に所定方向に流動する状態を作る。
この場合、ローラー４ａを移動させる替わりにステージ５を矢印Ａ方向とは反対方向に移動させ、これにより液晶が押し出されて強制的に所定方向に流動する状態を作ることも可能である。

さらに、図３に示すように、各々対応する透明基板１ａ、１ｂに対して、２つのローラー４ｂ、４ｃを、互いに対向するような状態で押し込みつつ、これら２つのローラー４ｂ、４ｃを矢印Ｂ方向に略同一速度で移動させ、これにより液晶が押し出されて強制的に所定方向に流動する状態を作るようにしてもよい。勿論、この場合もローラー４ｂ、４ｃは固定しておいて、透明基板１ａ、１ｂを矢印Ｂ方向とは反対方向に移動させても同様の効果が得られる。

上述したローラー４ａ、４ｂ、４ｃは貼合せ時に回転し、透明基板１ａ、１ｂの表面上を転動するように構成することが望ましいが、回転せず透明基板１ａ、１ｂ上を滑動するように構成してもよい。
なお、上記ローラー４ａ、４ｂ、４ｃに替えて、断面円形以外の棒状の器具、例えば断面が矩形の棒状の器具等を用いることもできる。

なお、図２および図３に示す例では、押込み部材を透明基板１ａ、１ｂの一端から他端に向かうように移動させて貼合せ処理を行っているが、押込み部材の移動開始点を必ずしも透明基板１ａ、１ｂの端部とする必要はなく、透明基板１ａ、１ｂの中央を移動開始点とし、周辺部に向けて押込み部材を移動させるようにすることも可能である。

また、液晶性分子を含む有機材料３を塗布する工程において、印刷技術を用いて行うことにより、膜厚の均一性を高めることが可能となり、液晶分子の配向の均一性を高めることができる。
適用し得る印刷技術としては、例えば、フレキソ印刷等の凸版印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷等の種々の印刷技術を適用することができる。

なお、液晶性分子を含む有機材料３の塗布法としては、上記の印刷技術に限られるものではなく、スピンコーティング、ロールコーティング、ディッピング、スプレー、ワイヤーバーコーティング、インクジェット、ブレード等の各種塗布技術を用いることが可能である。

また液晶分子の配向をより均一に制御するために、液晶性分子を含む有機材料３を塗布する前に透明基板１ａ、１ｂ上に樹脂を予め塗布しておいて基板表面の濡れ性を制御することも可能であり、その樹脂材料としては例えばポリビニルアルコールやポリスチレンメタクリル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル、酢酸ビニル、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、メラニン樹脂、ポリエステル、ポリビニルブチラール、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルアセテート、ポリカーボネート、ポリスチレン、シリコーン樹脂、ポリイミド、またはこれらの共重合体等の高分子材料等が挙げられるが、これらに限られるものではない。

また、貼合せ時の厚みを精度よく制御するための球状のスペーサ、あるいはフォトリソグラフィ等により透明基板１ａ、１ｂ上に固定された樹脂構造物が、上記有機材料３内に分散されていてもよい。

また、上記液晶材料としては、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、ディスコティック液晶等の液晶性を示すあらゆる材料を用いることができ、また液晶中に二色性色素等が添加されていてもよく、ゲストホスト型の動作モードも適用できる。

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、液晶の屈折率異方性△ｎ（△ｎ＝異常光屈折率ｎｅ−常光屈折率ｎｏ）が大きいシアノ系、ビフェニール系、ターフェニール系、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。

なお、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、ビフェニール系強誘電性液晶、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等が好ましい。

また上記有機材料３には重合性モノマ等の硬化性物質が含まれていてもよく、貼り合わせ後にこれらを硬化させて２枚の透明基板１ａ、１ｂを接着させることにより素子の機械強度を向上させることができる。またその際、硬化した高分子等により液晶分子の配向を規制することもでき、これにより液晶の分子配向の温度特性を大幅に向上させることも可能となる。

上記の液晶と硬化した高分子の複合構造としては、液晶が小滴状で高分子に分散された構造のほかに、液晶が連通状態で高分子に分散され、高分子の形状が海綿体状または３次元の網目構造を成すようにしてもよい。
また、液晶中に基板を接着する高分子の壁構造を形成することにより、素子の機械強度を大幅に向上させることも可能である。

上記硬化性物質としては、光照射をはじめ、熱硬化または反応硬化等により形成される、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル、酢酸ビニル、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、メラニン樹脂、ポリエステル、ポリビニルブチラール、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルアセテート、ポリカーボネート、ポリスチレン、シリコーン樹脂、またはこれらの共重合体等の高分子材料が挙げられるが、これら以外の材料を用いることも可能である。
なお、光硬化、熱硬化または反応硬化を用いる際には、重合や架橋反応を促進するために、液晶とモノマの混合液内に、重合開始剤を添加してもよい。

また、上記透明基板１ａ、１ｂとしては、従来のガラス基板だけでなく、プラスティック基板、ガラスとプラスティックの複合体等、柔軟な基板を用いることができる。
上記のプラスティックフィルムの材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、アセチルセルロース、ポリスチレン、ポリエチレン及びそれらの変性体等が挙げられるが、これらに限られるものではない。

さらに、上記液晶光変調器１０に光反射板や光拡散板を設けることにより、バックライトが不要とされる低消費電力の反射型液晶表示装置を構成することも可能である。
このような反射型液晶表示装置を構成する場合には、上述した実施形態のものにおいて、一方の透明基板１ａ、１ｂを不透明のものとしたり、一方の透明電極２ａ、２ｂを不透明な金属電極に置き換えたりすることも可能である。また、電極を兼用できる電気伝導性の反射板を用いることも可能である。

また、透明電極２ａ、２ｂの、上記透明基板１ａ、１ｂとは反対側に薄い絶縁層を設けることにより、透明電極２ａ、２ｂ間の短絡を防止することもできる。

なお、上記透明基板１ａ、１ｂと上記透明電極２ａ、２ｂの間にカラーフィルタやブラックマトリクス、さらには基板周囲から液晶の流出を防ぐためのシール樹脂等が設けられていてもよく、従来の液晶光変調器に用いられる種々の構造を適用することができる。

さらに、上記の液晶光変調器の透明電極２a、２ｂにそれぞれリード線を介して交流電圧を供給する駆動電圧源を備えた液晶表示装置を構成することで、映像情報を表示する軽量で柔軟な液晶表示装置を実現することができる。

以下、本発明の液晶光変調器が、ラビング処理が施されたポリイミド配向膜を用いた液晶光変調器の場合と同様に良好な光変調動作を奏することについて、実施例を用いてさらに具体的に説明する。

まず、透明電極２ａ、２ｂを設けた２枚のプラスティックフィルム透明基板（ポリカーボネート、厚み0.1mm）１ａ、１ｂ上にポリイミド膜を形成し、さらにその上に液晶（液晶組成物（コーン角度42.9度、カイラルピッチ14μｍ）を用いた強誘電性液晶）とモノマ（紫外線硬化性の２官能アクリルモノマ）の混合液（モノマ濃度15％）をフレキソ印刷により塗布した。この混合液が塗布された２枚の透明基板１ａ、１ｂのうち、一方の透明基板１ａをステージ５上に載設し、これと対向するように配された他方の透明基板１ｂに対し、図２に示す如くローラー４ａを押し込みつつステージ５に対して相対的に矢印Ａ方向に移動させ、２枚の透明基板１ａ、１ｂを互いに貼り合わせた。この後、40mW/cm²のパワーに設定された紫外線（波長365nm）を３分間照射して、モノマを重合させて硬化させ、液晶中に網目状の高分子を分散させ、液晶光変調素子を作製した。

以上の工程により作製した素子（10cm角）をクロスニコルの偏光板に挟んで動作させたところ、ガラス基板を用い、その基板上にポリイミド配向膜を形成し、これにラビング処理を施すことにより作製される従来の液晶光変調器による動作と同様に良好な光変調動作が確認された。

本発明の実施形態に係る液晶光変調器の製造方法を説明するための概略断面図 図１に示す製造方法の一部を説明するための概略断面図 図２に示す製造方法の変更例を示す概略断面図

符号の説明

１ａ、１ｂ 透明基板
２ａ、２ｂ 透明電極
３、３ａ、３ｂ 液晶性分子を含む有機材料
４ａ、４ｂ、４ｃ ローラー
５ ステージ
１０ 液晶光変調器

Claims (7)

1. 液晶分子の配列を電気的に変化させることで光変調が行われるようにした光変調器の製造方法において、
   液晶性分子を含む有機材料を２枚の基板のそれぞれの貼合せ側表面に塗布する第１の工程と、
   該第１の工程において前記塗布する処理がなされた２枚の基板を、液晶性分子を含む有機材料が対向するようにして互いに貼り合せるとともに、その貼合せ処理を行う際には、所定形状の押当て部材を、前記２枚の基板を重ね合わせた部分に押し当てつつ、該押当て部材と該２枚の基板とを相対的に所定方向に移動せしめることにより、前記液晶性分子を含む有機材料を前記２枚の基板に挟持された状態で、前記所定方向に流動せしめる第２の工程と、
   を含むことを特徴とする液晶光変調器の製造方法。
2. 前記押当て部材がローラーであることを特徴とする請求項１に記載の液晶光変調器の製造方法。
3. 前記２枚の基板の各々の表面に、前記液晶性分子を含む有機材料を塗布する前に樹脂膜を塗布しておくことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光変調器の製造方法。
4. 前記基板の表面に前記液晶性分子を含む有機材料を塗布する処理が、印刷処理によりなされることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の液晶光変調器の製造方法。
5. 前記２枚の基板の貼合せ処理がなされた後に、前記２枚の基板に挟持された前記有機材料の一部を硬化する処理を行うことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の液晶光変調器の製造方法。
6. 前記基板がプラスティックにより構成され、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の液晶光変調器の製造方法によって製造されたことを特徴とする液晶光変調器。
7. 請求項６に記載の液晶光変調器を有し、該液晶光変調器により光変調された映像情報を表示するように構成されてなることを特徴とする液晶表示装置。
   

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