JP2012108250A - 液晶表示素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高コントラストの高分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子の製造方法を得る。
【解決手段】互いに対向する第１基板および第２基板の各対向面に、ラビング法によって配向処理された第１配向膜および第２配向膜をそれぞれ形成する配向膜形成ステップと、
前記第１配向膜が形成された前記第１基板と前記第２配向膜が形成された前記第２基板との間に、高分子強誘電性液晶を含む液晶材料を封入して液晶層を形成する液晶層形成ステップと、 液晶層の形成後、ＩＳＯ温度より急冷により電界印加処理を行う電界印加処理ステップとを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、液晶材料として高分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子の製造方法に関する。

近年、軽量、薄型および低消費電力の映像表示素子として、液晶表示素子が実用化され、広く普及している。実用化された一般的な液晶表示素子の殆ど全ては、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と言っても過言ではない。

ネマティック液晶を用いた液晶表示素子は、互いに対向する２枚の基板と、それぞれの基板の対向する面に形成された透明電極と、それぞれの基板の透明電極上に形成され、ラビング法によって配向処理された配向膜と、基板間に注入されたネマティック液晶からなる液晶層とを有している。

ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）およびＶＡ（Ｖｉｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）等、ネマティック液晶を用いた多数のＬＣＤモードが現在実用化されているが、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子は、連続階調表示は可能であるものの、原理的に双安定性（メモリ性）を有しない。

また、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子は、配向均一性が高く、そのため高いコントラストを実現することができる。また、ネマティック液晶を配向させるのに、ラビング法によって配向処理された配向膜を用いること、すなわちラビング法を適用することができる。一方、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子は、家庭用テレビ等に適用可能（動画応答可能）な応答速度を実現することはできるものの、ネマティック液晶の原理から考えて、１ｍｓを切るような高速応答化への対応は容易なことではない。

そこで、液晶表示素子の応答速度を向上させるために、ネマティック液晶の代わりに低分子強誘電性液晶を用いた表面安定化（ＳＳ−ＦＬＣ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ−Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）モードの液晶表示素子が提案されている。低分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、液晶層のネマティック液晶が、低分子強誘電性液晶に置き換えられた構造を有している。

低分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と比べて応答速度を向上させることはできるものの、原理的に双安定性を有するので、単純に連続階調表示を行うことはできない。低分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子において連続階調表示を行うには、面積階調、ドメイン階調、フレーム階調等の技術を適用する必要があり（例えば、特許文献１参照）、構造が複雑になったり、コストが高くなったりするという問題が生じる。

また、低分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、低分子強誘電性液晶が層構造をとるので、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と比べて配向安定性が低下する。また、均一な配向を得ることが難しく、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子に比べ、コントラストが低下する。なお、低分子強誘電性液晶を配向させるのに、ラビング法によって配向処理された配向膜を用いること、すなわちラビング法を適用することができる。

また、低分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子の双安定性を犠牲にして、連続階調表示を行うＨ−Ｖ（Ｈａｌｆ−Ｖ）モード、Ｖモードの液晶表示素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この低分子強誘電性液晶を用いたＨ−Ｖモード、Ｖモードの液晶表示素子は、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子の高速応答版を目指したものである。

低分子強誘電性液晶を用いたＨ−Ｖモード、Ｖモードの液晶表示素子は、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と比べて応答速度を向上させることができる。また、低分子強誘電性液晶を用いたＨ−Ｖモード、Ｖモードの液晶表示素子は、双安定性を犠牲にして連続階調表示を行う。

また、低分子強誘電性液晶を用いたＨ−Ｖモード、Ｖモードの液晶表示素子は、低分子強誘電性液晶が層構造をとるので、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と比べて配向安定性が低下する。また、均一な配向を得ることが難しく、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子に比べ、コントラストが低下する。なお、低分子強誘電性液晶を配向させるのに、ラビング法によって配向処理された配向膜を用いること、すなわちラビング法を適用することができる。

また、低分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子において、配向安定性を向上させるために、高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子が提案されている（例えば、特許文献３〜７参照）。

高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、互いに対向する２枚の基板と、それぞれの基板の対向する面に形成された透明電極と、基板間に注入された高分子強誘電性液晶により形成された液晶層とを有している。ここで、液晶層は、基板間に電圧を印加しつつ、基板にせん断応力をかけて高分子強誘電性液晶を配向させるせん断法（ズリ法）によって配向処理されている。

高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と同等の応答速度を実現できるものの、分子量が大きく、粘度が高いので、低分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子よりも応答速度は遅くなる。また、高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、原理的に双安定性を有するので、単純に連続階調表示を行うことはできず、連続階調表示を行うには、上述した面積階調、ドメイン階調、フレーム階調等の技術を適用する必要がある。この場合には、構造が複雑になったり、コストが高くなったりするという問題がある。

また、高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子は、高分子強誘電性液晶が層構造をとるので、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子と比べて配向安定性は低いが、分子量が大きいので、低分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子よりも配向安定性は高くなる。また、高分子強誘電性液晶が層構造をとり、均一な配向を得ることが困難なので、ネマティック液晶を用いた液晶表示素子ほどのコントラストを得ることはできない。また、分子量が大きいので、ラビング法で均一配向を得ることが難しく、工程が複雑なせん断法（ズリ法）によって配向処理されている。

なお、上述した従来のネマティック液晶を用いた液晶表示素子、低分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子（ＳＳ−ＦＬＣモード、Ｈ−Ｖモード、Ｖモード）および高分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子（ＳＳ−ＦＬＣ（せん断法））の何れも、連続階調表示を行いつつ、電圧がオフになった場合に、その階調状態を保持（メモリ）する連続階調メモリ性は有していない。

連続階調表示が可能な液晶表示素子（例えば、ネマティック液晶、Ｈ-Ｖモード、Ｖモード）における配向角度（電圧印加によって配向角度が変化する）とポテンシャルとの関係（ポテンシャルカーブ）は、配向膜へのラビング法による配向処理の影響を強く受け決定される。

また、双安定性を有する低分子強誘電性液晶または高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子では、電圧の印加によって、液晶分子が双安定位置に移動する。低分子強誘電性液晶または高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードにおける配向角度とポテンシャルとの関係から、従来の液晶表示素子の原理では、中間階調で階調状態をメモリすることはできない。

そのため、従来の液晶表示素子では、連続階調表示を行いつつ、電圧がオフになった場合に、その階調状態を保持（メモリ）する連続階調メモリ性を実現することができないという問題があった。そこで、ドメイン階調を適用して連続階調メモリ性を実現することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

このような点に鑑み、この発明の出願人は、一般的に普及しているネマティック液晶を用いた液晶表示素子と同等の表示特性を有しながらも、連続階調表示が可能で、かつ連続階調メモリ性を実現することができる液晶表示素子を既に提案している。これは、互いに対向する両基板間に封入される液晶材料として、高分子強誘電性液晶を含むものである。

特開昭６２−１３１２２５号公報 特開２００４−８６１１６号公報 特開昭５６−１０７２１６号公報 特開平２−２４０１９２号公報 特開平２−２７１３２６号公報 特開平３−４２６２２号公報 特開平６−２８１９６６号公報

Ｈｉｄｅｏ Ｆｕｊｉｋａｋｅ ｅｔ ａｌ，"Ｐｏｌｙｍｅｒ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｇｒａｙｓｃａｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｖｏｌ．３６，ｐｐ．６４４９−６４５４，１９９７

しかしながら、互いに対向する両基板間に封入される液晶材料として、高分子強誘電性液晶を含んで構成される強誘電性液晶では、ＴＮ方式やＩＰＳ方式の液晶パネルに比べて液晶分子のコントラストが劣る。

また、強誘電性液晶は層構造を取るため液晶分子の向きを一方向に揃えるのが難しく、均一配向が得にくい。その為、黒表示時の漏れ光が多く、コントラストの向上が難しい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり高コントラストの高分子強誘電性液晶を用いた液晶表示素子の製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る液晶表示素子の製造方法は、互いに対向する第１基板および第２基板の各対向面に、ラビング法によって配向処理された第１配向膜および第２配向膜をそれぞれ形成する配向膜形成ステップと、前記第１配向膜が形成された前記第１基板と前記第２配向膜が形成された前記第２基板との間に、高分子強誘電性液晶を含む液晶材料を封入して液晶層を形成する液晶層形成ステップと、液晶層の形成後、ＩＳＯ温度より急冷により電界印加処理を行う電界印加処理ステップとを備えることを特徴とする。

この発明によれば、液晶層の形成後、ＩＳＯ温度より急冷により電界印加処理を行うことにより、十分高いコントラストを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の構成を示す断面図である。 周波数とコントラスト（ＣＲ）向上の関係を示す図である。 電界印加開始温度と降温勾配とコントラスト向上の関係を示す図である。

以下、この発明に係る液晶表示素子の製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の構成を示す断面図である。
図１において、この液晶表示素子は、第１基板１、第２基板２、第１透明電極３、第２透明電極４、第１配向膜５、第２配向膜６、液晶層７およびシール材8を備えている。

互いに対向する第１基板１および第２基板２は、それぞれガラス基板であり、液晶層７は、第１基板１と第２基板２との間に、高分子強誘電性液晶を含む液晶材料が封入されて形成されている。ここで、液晶材料は、高分子強誘電性液晶または高分子強誘電性液晶と低分子液晶との混合物である。第１基板１には、第１基板１の液晶層７とは反対側に設けられて光源として機能するバックライト（図示せず）からの光が入射する。

第１透明電極３は、第１基板１の第２基板２と対向する面に形成されている。第２透明電極４は、第２基板２の第１基板１と対向する面に形成されている。第１透明電極３および第２透明電極４は、それぞれ画素電極および対向電極を構成し、第１基板１および第２基板２に対して垂直方向の電界を発生させる。

第１配向膜５は、第１基板１の第１透明電極３上に形成され、ラビング法によって配向処理されている。第２配向膜６は、第２基板２の第２透明電極４上に形成され、ラビング法によって配向処理されている。液晶層７の垂線方向がラビング方向に向くように配向する。

次に、この発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の製造手順について説明する。
まず、第１基板１にスパッタリング法等を用いて第１透明電極３およびＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、図示せず）を形成する。また、第２基板２にカラーフィルタ（図示せず）を貼り付けるとともに、カラーフィルタ上に第２透明電極４を形成する。

続いて、第１基板１および第２基板２を洗浄した後、第１基板１の第１透明電極３およびＴＦＴ上、並びに第２基板２の第２透明電極４上に、配向膜としてそれぞれポリイミド（ＲＮ１１９９Ａ：日産化学工業（株）製）を塗布する。このポリイミドは、透明電極の付いた基板上にスピンコートし１０００Åの膜厚とした。

次に、ポリイミドを塗布した第１基板１および第２基板２に対しプリベーク処理およびメインキュア処理を施し、その後、窒素雰囲気または大気雰囲気中で焼成温度を２３０℃〜３５０℃の範囲で３０分間焼成し、ラビング法によって配向処理を行って、第１配向膜５および第２配向膜６を形成する。

続いて、第１基板１および第２基板２を洗浄した後、第１基板１の周辺部にシール材8を塗布し、第１基板１と第２基板２とを貼り合わせる。次に、接着された第１基板１と第２基板２との間に、次の化学式で示される高分子強誘電性液晶と、低分子液晶とを混合した液晶材料を注入して封止し、アニール処理を経て液晶層７を形成する。ここで、高分子強誘電性液晶と低分子液晶とを混合するのは、液晶材料の粘度を下げて応答速度を向上させるとともに、動作可能な温度範囲を広げるためである。このとき、液晶材料を高分子強誘電性液晶のみとしてもよい。

なお、接着された第１基板１と第２基板２との間に液晶材料を注入する代わりに、第１基板１と第２基板２とを接着する前に、シール材8が塗布された第１基板１上に液晶材料を滴下してもよい。液晶材料を滴下することにより、液晶の充填時間を短縮することができる。

続いて、液晶層７が形成された液晶表示素子に対して、電圧（ＡＣ７５Ｖ）を印加しながら周波数５０〜７５Ｈｚ、ＩＳＯ温度（１１０℃）より室温まで急冷するエージング処理（電界印加処理）を行い、強誘電性液晶を何れかの双安定位置に配向させる。このとき、降温勾配を１０℃／ｍｉｎとする。このように所定の降温勾配に基づいて電界印加処理を行うことにより、高分子強誘電性液晶の特別な配向処理は不要となる。

なお、上述したように、従来の高分子強誘電性液晶を用いたＳＳ−ＦＬＣモードの液晶表示素子では、エージングの際に、液晶表示素子に電圧を印加しながらせん断応力をかけて高分子強誘電性液晶を配向させるという複雑な工程が必要であったが、この発明の実施の形態１に係る液晶表示素子では、その必要はない。

高分子強誘電性液晶に対して従来の電界印加方法では条件が最適化されていない為、液晶分子の方向が揃わず均一配向性が得られていない。その為、大幅なコントラストの向上が見られない。

本発明では、下記条件の下で高分子強誘電性液晶においてコントラストが最大となる最適条件を求めた。

セル条件
配向膜：ＲＮ１１９９Ａ：日産化学工業（株）製（膜厚：１０００Å）、
焼成温度：２３０℃×２０ｍｉｎ、
ラビングの向き：パラレル、
セルギャップ：２μｍ
のセルを作製し、液晶封入直後のコントラストを１としてコントラスト向上率で各条件の比較し最適化を行った。コントラストは、白表示時の明るさ／黒表示時の明るさで与えられる。

［電界の影響］
電界：ＡＣ（５０Ｈｚ）／ＤＣ、
電圧：±２０／５０／７５Ｖ、
印加時間：５／１０／３０ｍｉｎとする。実験結果を表１に示す。

表１に示すように、ＤＣは電圧、印加時間が変化してコントラスト向上率も１２０％程度であり、ほぼ一定であった。ＡＣは電圧が高いほどコントラストが向上し、±７５Ｖ×１０ｍｉｎで２４０％、印加時間１０ｍｉｎ以上はコントラスト向上が見られない。

［周波数の影響］
ＡＣ±７５Ｖ／周波数：２０／５０／６２．５／７５／１００Ｈｚ
図２に示すように、周波数５０〜７５Ｈｚの間でコントラスト向上率が２４０％になり最大となる。

［開始温度／温度勾配影響］
電界印加温度：ｓｍＣ（６０℃）／ｓｍＡ（９５℃）／ＩＳＯ（１１０℃）
降温勾配：急冷（１０℃／ｍｉｎ)除冷(２℃／ｍｉｎ）
図３に示すように、ＩＳＯ温度から急冷するとコントラスト（ＣＲ）向上が１５００％になり最大となった。

[まとめ]
これらの実験結果から、高分子強誘電性液晶において、コントラスト（ＣＲ）が最大となる最適条件となるのは以下の通りである。
ＡＣ±７５Ｖ
周波数：５０〜７５Ｈｚ
印加時間：１０ｍｉｎ以上
電界印加開始温度：１１０℃（ＩＳＯ）
降温勾配：１０℃／ｍｉｎ

このように、電界印加条件を最適化することによってコントラストの大幅な向上が見られた。特に、温度降温勾配を除冷から急冷にすることでコントラストが大幅に向上する。

１ 第１基板、２ 第２基板、３ 第１透明電極、４ 第２透明電極、５ 第１配向膜、６ 第２配向膜、７ 液晶層、８ シール材。

Claims (5)

1. 互いに対向する第１基板および第２基板の各対向面に、ラビング法によって配向処理された第１配向膜および第２配向膜をそれぞれ形成する配向膜形成ステップと、
   前記第１配向膜が形成された前記第１基板と前記第２配向膜が形成された前記第２基板との間に、高分子強誘電性液晶を含む液晶材料を封入して液晶層を形成する液晶層形成ステップと、
   液晶層の形成後、ＩＳＯ温度より急冷により電界印加処理を行う電界印加処理ステップとを備えたことを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法において、
   前記電界印加処理ステップは、ＡＣ７５Ｖ、周波数５０〜７５Ｈｚ、ＩＳＯ温度より急冷により電界印加処理を行うことを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
3. 請求項２に記載の液晶表示素子の製造方法において、
   前記温度降温勾配を、１０℃／ｍｉｎとすることを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の液晶表示素子の製造方法において、
   前記液晶材料は、前記高分子強誘電性液晶のみであることを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
5. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の液晶表示素子の製造方法において、
   前記液晶材料は、前記高分子強誘電性液晶と低分子液晶との混合物であることを特徴とする液晶表示素子の製造方法。

Images