JP2007525721A - 傾いた光学軸を有する複屈折性層 - Google Patents

Abstract

傾いた光学軸を有する複屈折層の製造方法であって、液晶分子及び揮発性サーファクタントを有する液晶分子の提供、当該液晶混合物の配向及び、当該揮発性化合物の少なくとも一部を化合物から蒸発、当該液晶混合物の光学軸の傾きを変化させる。

Description

本発明は傾いた光学軸を有する複屈折層の製造方法及びそのような複屈折層を有するディスプレイ装置に関する。

コントラストが斜め視野角で大きく減少するため、液晶ディスプレイのコントラスト値における角度依存性は液晶ディスプレイの有用性の限界要因となる。しかし角度依存性は、光学リターダーホイルを導入することで改善（減少）可能である。複屈折は暗い状態での液晶セル中の液晶分子の複屈折と相補的である。

従来の単軸又は二軸リターダーホイルは大抵ポリマー膜（たとえばポリカーボネート又はポリビニルアルコール）を伸張することで調製される。液晶モノマー又は液晶ポリマーもまた、複屈折性ホイルの調製に使用可能である。非特許文献1及び特許文献1で説明されているように、傾いた光学軸を有する円盤状リターデーションホイルに基づく負の複屈折を示すホイルは補償ホイルとして有効であると考えられる。傾いた光学軸を有する光学リターデーションホイルは液晶分子のスプレイ配向子パターン又は一定傾きの結果であって良い。

非特許文献2は傾いた光学軸を有する光学ホイルに関して開示している。光学ホイルは液晶-空気界面での液晶モノマーの配向と、配向が固定される液晶-基板界面での液晶モノマーの配向との差異を利用して調製される。光学軸の傾きは液晶混合物の組成を変化させることで調節可能である。
米国特許公開第5518783号明細書 Mori他、Japanese Journal of Applied Physics、36巻、p.143、1997年 Van de Witte他、Japanese Journal of Applied Physics、38巻、p.748、1999年

この方法の問題点の1つは、傾きを変化させるために液晶混合物を調節しなくてはならないことであり、それは再現性の悪さが証明している。しかも光学軸の傾き方向は制御が難しく、光学ホイルの望ましくないドメイン形成が起こる。

本発明の目的は、上述の液晶モノマー又はポリマーに基づく傾いた光学軸を有する光学複屈折性ホイルの製造方法の問題点を克服することである。

よって本発明は傾いた光学軸を有する複屈折性層の製造方法を提供する。当該方法は、液晶分子及び揮発性サーファクタントを有する液晶混合物を提供する工程、当該液晶混合物を配向させる工程及び、当該揮発性化合物の少なくとも一部を化合物から蒸発させる工程を有する。

本発明に従うと、液晶混合物は重合可能な化合物を有することが好ましく、その化合物は光重合可能な化合物であることが好ましく、光重合可能な液晶分子がより好ましい。当該方法はさらに当該重合可能な化合物を重合する工程を有するのが好ましい。液晶層を重合する工程は重合した複屈折層、すなわち変化によって得られた光学傾きを有するホイルを提供する。

本発明の利点の1つは、液晶混合物の組成を変化させることなく、ただ蒸発条件を変化させることによって、それぞれ異なる傾き角を有するそれぞれ異なる層が再現可能なように得ることが可能なことである。

本発明の他の利点は、製造された層の傾きが十分制御された方向を有することで、層中の望まないドメイン形成を防止することである。

本発明はまた、複屈折性の重合可能な層、ホイルを有する液晶ディスプレイ、及び液晶ディスプレイ製造用のそのような層の使用にも関する。

本発明は傾いた光学軸を有する複屈折層の製造方法に関する。当該方法は：
液晶分子及び揮発性サーファクタントを有する液晶混合物を提供する工程；
当該液晶混合物を配向させる工程；及び、
当該揮発性化合物の少なくとも一部を混合物から蒸発させ、当該液晶混合物の光学軸の傾きを変化させる工程；
を有する。

上述の方法はまた、基板を提供する工程及び、支持体上に当該混合物を配向させる工程を有する。当該基板はたとえばガラス基板又はポリマー基板で、配向層を有することが好ましく、当該支持体は当該配向層が好ましい。配向層はラビングされたポリイミド、光配向膜、イオンミリングされた膜、プラズマ処理された膜若しくは無機膜、又は当業者に既知である他の配向層であって良いが、液晶混合物を配向させることは、配向層を使用しなくてもたとえば電場又は磁場を印加することで可能である。

ここで使用されているように、“傾き”という語は一般的には、たとえば上に液晶材料が成膜されるような表面と材料中のある数の分子の配向子との間の角のことを意味する。しかし、“光学傾き”又は“光学軸の傾き”という語は表面と材料中のある数の分子との間の角のことを意味する。

局所的傾き/光学傾きは材料中の特定位置、つまり基板からのある距離における傾きを意味する。

平均傾き/平均光学傾きはある領域における材料の深さでの傾きの値の平均を意味する。

液晶混合物は、好適には適切な溶媒中、たとえばキシレン、2-ブタノン、トルエン、N-メチルピロリダン、γ-ブチルラクトン又は当業者に既知の他の適切な溶媒、に溶解する、重合可能な液晶分子、揮発性サーファクタント並びに任意で光開始剤及び抑制剤を有する。混合物は1つ以上の異なる種類の液晶分子を有する。液晶分子は反応性液晶モノマーであることが好ましい。

適切な反応性液晶分子は1つ以上の重合可能な基を含む棒状液晶分子を有する。好適な基にはアクリル酸、メタクリル酸、ビニールエステル、オキセタン、エポキシ又はチオレンが含まれる。そのような反応性液晶分子の例はRM257（商標）及びRM82（商標）を有するが、それらに限定されるわけではない。本発明での使用に適する他の液晶分子は当業者に既知である。

さらに、混合物は揮発性サーファクタントを有する。そのサーファクタントは混合物-空気界面で面配向を与えるのが好ましい。揮発性サーファクタントはペルフルオロアルキル鎖を有する極性頭部基に付着するペルフルオロサーファクタントである。ペルフルオロ鎖はバルクの液晶材料と非常に相性が良いというわけではないので、サーファクタントは液晶分子から相分離しようとし、ミセル中又は膜の混合物-空気界面に堆積する。サーファクタントは液晶材料中に少量、典型的には約1%存在する。そのようなサーファクタントの例には、これに限定されるというわけではないが、アクロス社（商標）から販売されている2-n-エチルペルフルオロ-オクタンサルフォンアミド(octanesulforonamido)-アクリル酸エチル及び、メルク社から販売されているFC151（商標）が含まれる。当業者に十分認知されている他の適切な揮発性サーファクタントもまた、本発明に使用可能である。

揮発性サーファクタントは、高温及び/又は減圧環境で液晶混合物から蒸発するようなものである。

本発明の好適実施例では、液晶混合物は重合可能、好適には光重合可能で、かつ、混合物は重合過程を誘起することが可能な開始剤を有するのが好ましく、好適な光開始剤はチバガイギーから販売されているイルガキュア184（商標）、イルガキュア651（商標）又は当業者に既知である他の適切な開始剤のような光開始剤である。

混合物はたとえばスピンコーティング、スプレイコーティング、プリンティング、ブレードコーティング又は他の適切な方法で当該配向層上に塗布されるのが好ましい。それによって、液晶分子の配向が十分に画定されている配向層が得られる。当該配向層はほとんど面配向した液晶混合物を提供する。つまり、基板での配向した液晶混合物の局所的傾きは0°から10°であることが好ましく、1°から10°であることがより好ましい。しかし、10°より大きな傾きを得ることも可能である。

上述のコーティング過程中では、基本的にすべての溶媒が液晶混合物から蒸発する。

混合物が表面上に塗布された後、サーファクタントの大部分は膜-空気界面にとどまる。サーファクタントは、そのペルフルオロ鎖が空気の方を向きながら極性頭部基は液晶層の方を向くような配向をとる。このようなサーファクタントの配向により、表面エネルギーは最小化する。

揮発性化合物の蒸発は、揮発性化合物が所望の蒸発速度で混合物から蒸発するような温度まで混合物を加熱することで実現されるのが好ましい。そのような温度は40℃から100℃であることが好ましい。たとえば2-n-エチルペルフルオロ-オクタンサルフォンアミド-アクリル酸エチルでは70℃が好適温度である。蒸発はまた、混合物周辺大気圧を減圧することでも実現可能である。

蒸発過程では、表面はもはやサーファクタントのプルフルオロ鎖によっては形成されず、液晶分子によって形成されるので、表面エネルギーは増加する。

表面エネルギーを最小化するには、液晶分子はその脂肪族鎖を空気の方へ向ける。これは、液晶分子が最終的にホメオトロピック配向になるまでは傾いているので実現する。表面エネルギーが最小化する結果、液晶層には2つの異なる境界条件が存在する。基板では、配向層は基本的に面配向又はわずかに傾いた配向の配向子を誘起し、その一方で空気との界面では分子の配向子は傾いている又は直立している。この結果、液晶層中の分子の配向子の局所的傾きは基板からの距離と共に増大し、スプレイ配向を形成する。

これは図3で概略的に図示されている。ここで揮発性サーファクタント3を有する液晶材料2もまた基板1上に堆積される。最初、サーファクタントは主として空気-表面界面にある。そこでサーファクタントは表面エネルギーを最小化するように配置することで液晶分子が基本的に面配向することを可能にする。基板を加熱することによって、サーファクタントは蒸発し、液晶分子が残り表面エネルギーを最小化する。この最小化は傾くことで実現され、それによってスプレイ配向が形成される。

ここで使用されているように、“スプレイ配向した”層は配向子の局所的傾きが基板からの距離に対して増加又は減少するような層を意味する。

しかし基板での初期の傾きが大きいような場合、表面での液晶分子の傾きは、表面エネルギー最小化のため基本的に一定だが非常に大きく傾いた液晶層を生じさせることになるだろう。

初期混合物中でサーファクタントを使用しないことで、スプレイ方向の制御は難しくなり、それぞれでスプレイ方向が異なるような複数のドメインが形成される。適切なサーファクタントを使用することで、単ドメインはそれぞれで異なるスプレイ方向を有する複数のドメインを形成するのに余計なエネルギーを必要とするため、単ドメインは形成される。従って、面配向からスプレイ配向に変化する間に単ドメインは保存され、そしてただ1つのスプレイ配向が得られる。

現在のところ初期傾き（蒸発前）が2°のとき、1°から20°までの配向子の平均傾きの増大は蒸発工程後に得られる、しかし本発明に従った方法によってさらに大きく増大させることが十分に可能である。

本発明の好適実施例では、蒸発工程は重合過程に続いて実行される。混合物は光重合可能であることが好ましく、そのような場合、開始剤を活性化させることで重合を誘起するのに適切な光が混合物に照射される。重合が起こるため、蒸発工程で得られた液晶分子の配向(configuration)は得られたポリマー中で固定される。よって、スプレイ光学軸を有する重合した複屈折層が得られる。

本発明に従った方法はまた、重合したパターニングされた複屈折層の製造にも使用可能である。ここで、当該層は少なくとも2つの隣接するドメインを有し、そのドメイン中では光学傾きの配向が異なる。そのような層は基板上に本発明に従った光重合可能な液晶混合物を配向させる工程、マスクを通して当該混合物を照射する工程によって製造可能である。それによって照射された混合物は重合し、好適には基本的に面配向である、初期配向は照射されたドメインで固定される、によって製造可能である。引き続いて、サーファクタントが蒸発することで、重合していないドメインでの配向子がスプレイ配向となる、その一方で重合したドメイン内での配向は固定されたまままである。その後、層は再度、任意でマスクを通すことで、光照射され、それにより照射されたドメインは重合し、照射ドメイン内で得られたスプレイ配向を固定する。

本方法はまた、層内の平均傾き角の横方向勾配を得るのにも使用することが可能である、サーファクタントを蒸発させる横方向の熱勾配を使用することで。温度が高くなるに従って、より多くのサーファクタントが蒸発し、平均傾きが大きくなる。

本発明はまた、そのような傾いた光学軸を有する複屈折層を有する液晶ディスプレイにも関し、好適には複屈折層はそのようなディスプレイのコントラストにおける角度依存性を改善する（減少させる）。重合した複屈折層が有利に使用可能である種類のディスプレイは当業者に既知である。

以下の例を例示として提供する。これらの例で本発明が限定されると解釈すべきではない。
[例]
反応性液晶混合物は、1,4-ジ（4-（3-アクリロイルオキシプロピルオキシ)ベンゾイルオキシ)-2-メチルベンゼン（1g、メルク社から販売されている反応性LCモノマーRM257（商標））、1,4-ジ（4-（6-アクリロイルオキシヘキシルオキシ)ベンゾイルオキシ)-2-メチルベンゼン（0.25g、メルク社から販売されている反応性LCモノマーRM82（商標））、（4-（6-アクリロイルオキシヘキシルオキシ)-4（ヘキシルオキシ）ベンゾイルオキシ)ベンゼン（0.25g、反応性LCモノマー）、イルガキュア184（商標） 1-ヒドロキシサイクロヘキシルフェニールケトン（0.02g、スイスのチバガイギーから販売されている光開始剤）及び、（2-n-エチルペルフルオロ-オクタンサルフォンアミド）-アクリル酸エチレン（0.01g、アクロスから販売されている面配向を得るためのサーファクタント）を70℃のキシレン2.0g中に溶解させることで調製された。

混合物はラビングされたポリイミドと共に供される基板上にスピンコーティングされた。スピンコーティング条件は1200rpm、40sで、約600nmのリターデーションを有する膜が得られる。ラビングされたポリイミドはLCモノマーの単ドメイン中に面配向に近い配向をラビング方向に形成する。液晶膜は引き続いて75℃、1分から10分の範囲の時間で加熱された。最終的に、得られた配向は窒素雰囲気中5分のUVマスク露光(20mW/cm²)で固定された。

図1は、リターデーションと視野角との関係を、それぞれ異なるアニーリング（加熱）時間について図示している。アニーリング時間の違いで明確なリターデーションの違いが見て取れる。

図2は、膜の巨視的（平均的）な配向子の傾きとアニーリング時間との関係を図示している。傾きはあきらかにアニーリング時間に依存している。

例1に従って作製された複屈折層のリターデーションと視野角との関係を、それぞれ異なるアニーリング（加熱）時間について図示している。 例1に従って作製された複屈折層の巨視的（平均的）な配向子の傾きとアニーリング時間との関係を図示している。 本発明に従った方法の概略図を図示している。 本発明に従った方法の概略図を図示している。

Claims (15)

1. 傾いた光学軸を有する複屈折層の製造方法であって：
   液晶分子及び揮発性サーファクタントを有する液晶混合物を提供する工程；
   前記液晶混合物を配向させる工程；及び、
   前記揮発性化合物の少なくとも一部を前記混合物から蒸発させ、前記の液晶混合物の光学軸傾きを変化させる工程；
   を有する方法。
2. 配向層を有する基板を提供する工程；及び、
   前記配向層上に前記液晶混合物を配向させる工程；
   をさらに有する、請求項1に記載の方法。
3. 前記の配向工程は前記液晶分子の傾きが0°から10°の範囲で配向させることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
4. 前記液晶混合物は重合可能な化合物を有し、
   前記方法は前記重合可能な化合物を重合する工程をさらに有する、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
5. 前記重合可能な化合物は前記液晶分子であることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
6. 前記重合可能な液晶分子は棒状液晶分子から選択され、
   前記棒状液晶分子は1つ以上の重合可能な基を有し、
   前記重合可能な基は、アクリル酸、メタクリル酸、ビニールエステル、オキセタン、エポキシ、チオレン及びそれらの組み合わせから選択される、
   ことを特徴とする、請求項5に記載の方法。
7. 前記重合可能な化合物は光重合可能であることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
8. 前記サーファクタントはペルフルオロ基を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
9. 前記サーファクタントは2-n-エチルペルフルオロ-オクタンサルフォンアミド-アクリル酸エチルであることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
10. 前記揮発性サーファクタントは前記液晶混合物の加熱によって蒸発することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
11. 前記揮発性サーファクタントは40℃から100℃の範囲の温度で蒸発することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
12. 前記揮発性サーファクタントは前記液晶混合物の周辺大気圧を減圧することによって蒸発することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
13. 前記液晶ディスプレイに上記請求項のうちのいずれかに記載の方法によって得ることの可能な複屈折層を組み込む工程を有する液晶ディスプレイの製造方法。
14. 請求項1から12までのうちのいずれか1つに記載の方法によって得ることの可能な複屈折層を有する液晶ディスプレイ。
15. 請求項1から12までのうちのいずれか1つに記載の方法によって得ることの可能な複屈折層。

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