JP2012113215A

JP2012113215A - 液晶素子

Info

Publication number: JP2012113215A
Application number: JP2010263483A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Toko; 康夫都甲; Yuto Oike; 勇斗大池; Yasuki Takahashi; 泰樹高橋
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-06-14
Also published as: TW201224594A; CN102540576B; CN102540576A

Abstract

【課題】リバースツイスト配向の状態の安定性を向上し、併せて電気光学特性の向上を図ることが可能なリバースＴＮ型の液晶素子を提供する。
【解決手段】液晶素子は、各々の一面に配向処理が施されており、相互に対向配置された第１基板１及び第２基板２と、第１基板の一面と第２基板の一面との間に設けられた液晶層３と、液晶層内に層厚方向に沿って設けられた複数のポリマー壁６を含み、第１基板及び第２基板は、液晶層の液晶分子に対して第１旋回方向へ捻れた第１配向状態を生じさせやすいように配向処理の方向が相対的に設定されており、液晶層は、液晶分子を第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捻れさせる性質を有するカイラル材を含有し、かつ第１旋回方向へ捻れた配向状態を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶素子における電気光学特性の改良技術に関する。

特許第２５１０１５０号公報（特許文献１）には、対向配置された一対の基板のそれぞれに施された配向処理の方向の組み合わせで規制される旋回方向とは逆の旋回方向に液晶分子を捻れ配向させることにより、電気光学特性を向上させた液晶表示装置が開示されている（先行例１）。このような液晶表示装置（液晶素子）の動作モードは、リバースＴＮ（Reverse Twisted Nematic）型と呼ばれる。

また、特開２００７−２９３２７８号公報（特許文献２）には、対向配置された一対の基板のそれぞれに施された配向処理の方向の組み合わせで規制される旋回方向（第１旋回方向）とは逆の旋回方向（第２旋回方向）に捻れるカイラル剤を添加しながらも、液晶分子を上述の第１旋回方向にねじれ配向させることによって液晶層内の歪みを増加させ、それによりしきい値電圧を低下させて低電圧駆動を可能とする液晶素子が開示されている（先行例２）。

また、特開２０１０−１８６０４５号公報（特許文献３）には、初期状態ではスプレイツイスト配向であるが縦電界を１回印加するとリバースツイスト配向で安定するリバースＴＮ型の液晶素子に関する技術が開示されている（先行例３）。

ところで、上記した先行例１の液晶表示装置は、逆ねじれの配向状態が不安定であり、液晶層に対して比較的高い電圧を印加することにより逆ねじれの配向状態を得ることは可能であるものの、時間経過とともに順ねじれの配向状態に遷移してしまうという不都合がある。また、先行例２の液晶素子は、上記したようにしきい値電圧を低下させるメリットがあるが、電圧をオフにするとすぐに（例えば数秒程度）順ねじれの配向状態に遷移してしまい、逆にしきい値電圧を高くしてしまうという不都合がある。また、先行例３におけるリバースＴＮ型の液晶素子は電気光学特性の点でさらなる改良の余地が残されていた。例えば、先行例３におけるシャープネスは最良で１．７程度であり、さらなる改良が期待されている。

特許第２５１０１５０号公報特開２００７−２９３２７８号公報特開２０１０−１８６０４５号公報

本発明に係る具体的態様は、リバースツイスト配向の状態の安定性を向上し、併せて電気光学特性の向上を図ることが可能なリバースＴＮ型の液晶素子を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）各々の一面に配向処理が施されており、相互に対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面と前記第２基板の一面との間に設けられた液晶層と、（ｃ）前記液晶層内に層厚方向に沿って設けられた複数のポリマー壁を含み、（ｄ）前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子に対して第１旋回方向へ捻れた第１配向状態を生じさせやすいように前記配向処理の方向が相対的に設定されており、（ｅ）前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捻れさせる性質を有するカイラル材を含有し、かつ前記第１旋回方向へ捻れた配向状態を有する、ことを特徴とする液晶素子である。

上記構成によれば、液晶層にポリマー壁を導入することにより、第１旋回方向へ捻れた配向状態（リバースツイスト状態）が安定的に維持される。ポリマー壁については、例えば液晶層を形成する際の液晶材料に光硬化型樹脂を添加しておき、液晶材料を第１基板と第２基板の間に注入した後に、電圧印加等によって液晶層を初期状態であるスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態へ遷移させ、その状態で光照射を行うことによって簡単に形成することができる。このようなポリマー壁を有するリバースＴＮ型の液晶素子は、その電気光学特性（しきい値、シャープネス）に優れる。したがって、上記構成によれば、逆捻れの配向状態の安定性を向上し、併せて電気光学特性の向上を図ることが可能なリバースＴＮ型の液晶素子が提供される。

上記の液晶素子において、複数のポリマー壁は相互に結合しており平面視において格子状の形状を有することが好ましい。

それにより、リバースツイスト状態の安定性がより向上する。なお、このような格子状のポリマー壁は、例えば光硬化型樹脂への光照射時に格子状の遮光部分を有するマスクを用いることで簡単に形成することができる。

上記の液晶素子において、カイラル材は、そのカイラルピッチと前記液晶層の層厚との比が０．０４以上０．４以下となる量が添加されていることが好ましい。

また、上記の液晶素子において、複数のポリマー壁は、光硬化型液晶性モノマーを高分子化させたものであることも好ましい。

また、上記の液晶素子において、液晶層における前記液晶分子の捻れ角は例えば略９０°に設定される。なお、捻れ角は９０°前後、例えば８０°〜１１０°程度であってもよい。

リバースＴＮ型液晶素子の動作を概略的に示す模式図である。液晶層内にポリマーネットワークを形成する方法（高分子安定化法）について概略的に説明する図である。液晶層にポリマーウォールを形成する方法について説明する図である。リバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。しきい値電圧とシャープネスの定義を説明するための図である。実施例１の紫外線照射に用いたマスクの構造を示す図である。実施例１の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。実施例１の液晶素子の電気光学特性の測定結果を示す図である。実施例２の紫外線照射に用いたマスクの構造を示す図である。実施例２の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。実施例２の液晶素子の電気光学特性の測定結果を示す図である。実施例２の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。実施例２の液晶素子の電気光学特性の測定結果を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、リバースＴＮ型液晶素子の動作を概略的に示す模式図である。リバースＴＮ型液晶素子は、対向配置された上側基板１および下側基板２と、それらの間に設けられた液晶層３を基本的な構成として備える。上側基板１と下側基板２のそれぞれの表面にはラビング処理などの配向処理（図中に矢印で示す）が施される。これらの配向処理の方向が９０°前後の角度で互いに交差するようにして上側基板１と下側基板２とが相対的に配置される。液晶層３は、ネマチック液晶材料を上側基板１と下側基板２の間の注入することによって形成される。この液晶層３には、液晶分子をその方位角方向において特定の方向（図１の例では右旋回方向）にねじれさせる作用を生じるカイラル材が添加された液晶材料が用いられる。上側基板１と下側基板２の相互間隔（セル厚）をｄ、カイラル材のカイラルピッチをｐとすると、これらの比ｄ／ｐの値は、例えば０．４程度に設定される。このようなリバースＴＮ型液晶素子は、初期状態においては、液晶層３がスプレイ配向しながら捻れるスプレイツイスト状態となる。このスプレイツイスト状態の液晶層３に飽和電圧を超える電圧を印加すると、液晶分子が左旋回方向に捻れるリバースツイスト状態（ユニフォームツイスト状態）に遷移する。このようなリバースツイスト状態の液晶層３にあってはバルク中の液晶分子が傾いているため、液晶素子の駆動電圧を低減する効果が現れる。しかし、一般にこのリバースツイスト状態は不安定な場合が多く、時間経過とともに初期状態であるスプレイツイスト状態へ自然に遷移してしまう。そこで、本願発明者は、液晶層３内にポリマーネットワークを導入することにより、液晶層３の配向状態の安定化を図ることを着想した。

図２は、液晶層内にポリマーネットワークを形成する方法（高分子安定化法）について概略的に説明する図である。図２（Ａ）に示すように、上側基板１と下側基板２の間に液晶層３を形成する際に、液晶分子３ａと光硬化型（例えば紫外線硬化型）の液晶性モノマー３ｂを含んだ液晶材料を用いる。次いで、図２（Ｂ）に示すように、上側基板１と下側基板２のそれぞれに設けられた上側電極４、下側電極５を用いて液晶層３に電圧を印加することにより、液晶層３の配向状態をリバースツイスト状態に遷移させる。次いで、図２（Ｃ）に示すように、液晶層３のリバースツイスト状態が維持されている間にこの液晶層３へ光照射（例えば紫外線照射）を行う。これにより、液晶性モノマー３ｂが高分子化し、液晶層３内にポリマーネットワークが形成される。このようなポリマーネットワークが形成されることにより、リバースツイスト状態の安定性が向上し、初期状態のスプレイツイスト状態へ遷移しにくくなる。

図３は、液晶層にポリマーウォールを形成する方法について概略的に説明する図である。なお、上記図２と共通する構成については同符号を用いており、それらについては説明を省略する。上記したポリマーネットワークを形成する方法における等の光照射を行う工程（図２（Ｃ）参照）において、光を選択的に通過させるマスク１０を用いる。このマスク１０における遮光部分のパターンについては任意に設定することができ、例えば、一方向に延びる多数の線状の遮光部分を有するパターン（ライン状パターン）としてもよいし、二方向に延びる多数の線状の遮光部分を重ねてなる二次元格子状のパターン（マトリクスパターン）とすることもできる。このようなマスク１０を介して光照射を行うことにより、図３（Ｂ）に示すように、液晶層３内においてマスク１０の透光部分に対応した位置にポリマーウォール（ポリマー壁）６が形成される。なお、マスク１０を用いた光照射の後に、さらにマスク１０を用いずに液晶層３の全体に渡って光照射を行ってもよい。

図４は、リバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。図４に示す液晶素子は、第１基板（上側基板）５１と第２基板（下側基板）５５の間に液晶層５９を介在させた基本構成を有する。第１基板５１の外側には第１偏光板６１が配置され、第２基板５５の外側には第２偏光板６２が配置されている。以下、さらに詳細に液晶素子の構造を説明する。なお、液晶層５９の周囲を封止するシール材等の部材については図示および説明を省略する。

第１基板５１および第２基板５５は、それぞれ、例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。図示のように、第１基板５１と第２基板５５とは、互いの一面が対向するようにして、所定の間隙（例えば数μｍ）を設けて貼り合わされている。なお、特段の図示を省略するが、いずれかの基板上に薄膜トランジスタ等のスイッチング素子が形成されていてもよい。

液晶層５９は、第１基板５１と第２基板５５の相互間に設けられている。液晶層５９を構成する液晶材料の誘電率異方性Δεは正（Δε＞０）である。液晶層５９に図示された太線は、液晶層５９に電圧が印加されていない初期状態における液晶分子の配向方位を模式的に示したものである。この液晶層５９には、上記した方法により形成されるポリマーウォール６０が含まれる。

第１電極５２は、第１基板５１の一面側に設けられている。また、第２電極５６は、第２基板５５の一面側に設けられている。第１電極５２および第２電極５６は、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。

配向膜５３は、第１基板５１の一面側に、第１電極５２を覆うようにして設けられている。また、配向膜５７は、第２基板５５の一面側に、第２電極５６を覆うようにして設けられている。

図５は、本実施形態のリバースＴＮ型の液晶素子の評価指標として用いられるしきい値電圧とシャープネスの定義を説明するための図である。液晶素子の電圧無印加時の透過率を１００％として、印加電圧を上昇させていき透過率が変化しなくなったときの値を０％とする。このとき、透過率が９０％となる電圧値をＶ_９０とし、透過率が１０％となる電圧値をＶ_１０とすると、これらを用いて以下のようにしきい値電圧およびシャープネスを表現できる。
しきい値電圧＝Ｖ_９０
シャープネスγ＝Ｖ_１０／Ｖ_９０
一般には、しきい値電圧とシャープネスのいずれも値が小さいほどその液晶素子は電気光学特性に優れると評価される。

次に、上記したようなリバースＴＮ型の液晶素子の実施例をいくつか説明する。

（実施例１）
以下のような条件で実施例１の液晶素子を作製し、その特性を評価した。まず、ＩＴＯ膜付きのガラス基板を２枚用意し、これを洗浄し、乾燥した。次いで、各ガラス基板の表面に配向材を塗布した。配向材としては、液晶分子に１°〜２°のプレチルト角を与える水平配向材を適宜に用いた。一方のガラス基板の配向材を焼成し、これにラビング処理を施した。その後、このガラス基板上にスペーサー材を散布し、さらにシール材を印刷した。スペーサー材としては粒径４μｍのものを用いた。また、他方のガラス基板についても配向材を焼成し、これにラビング処理を施した。その後、両ガラス基板を貼り合わせてセル化し、これに液晶材料を注入した。両ガラス基板の貼り合わせについては、ガラス基板の各々に対するラビング処理の方向が互いに９０°となるようにした。また、液晶材料としてはメルク株式会社製のＺＬＩ−２２９３を用いた。この液晶材料にはカイラル材としてＣＢ１５が添加された。カイラル材の添加量はセル厚ｄとカイラルピッチｐ０の比ｄ／ｐ０が０．２となるように設定された。また、液晶材料には紫外線硬化型樹脂が添加された。紫外線硬化型樹脂の添加量は４ｗｔ％、５ｗｔ％または６ｗｔ％の３パターンとした。液晶材料を注入した後にセルを封止し、電圧印加によって液晶層の配向状態を初期状態のスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態へ遷移させた後、紫外線硬化型樹脂へ紫外線照射を行った。紫外線照射に用いたマスクの構造を図６に示す。本実施例では図示のようなライン状パターンを有するマスクを用いて２回の紫外線照射を行った。１回目の照射時と２回目の照射時とでマスクの方向を略９０°回転させた。すなわち、ライン状パターンの長手方向が１回目の照射時と２回目の照射時で略直交するようにした。マスクのライン状パターンは、図示のように線幅が約１５０μｍで線間が２０μｍである。また、紫外線の波長は３６５ｎｍ、照射強度は４０ｍＷ／ｃｍ^２であり、この照射強度による３０秒間の照射をマスクの方向を変える前後で各３回ずつ行った。このとき、各回の紫外線照射前には液晶層をリバースツイスト状態に遷移させるための電圧印加を行った。電圧印加条件は、例えば１５Ｖ程度の電圧を１０秒間印加、もしくは１５Ｖ程度の電圧を２、３回間欠的に印加した。これにより、液晶層内に二次元格子状のポリマーウォールが形成された。

図７は、実施例１の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。図示の液晶素子は紫外線硬化型樹脂を４ｗｔ％添加したものである。図中において黒色の格子状に見えるのがポリマーウォールである。なお、白く点在するのはスペーサー材である。液晶素子の偏光板（Ｐ，Ａ）の吸収軸は図示のように略４５°の角度をなす状態に配置した。ポリマーウォールが形成されたことによりリバースツイスト状態が安定することが確認できた。実施例１の液晶素子の電気光学特性（Ｖ−Ｔ特性）の測定結果を図８に示す（紫外線硬化型樹脂の添加量を４ｗｔ〜６ｗｔ％としたサンプル）。ヒステリシスが見られる４ｗｔ％のサンプルを除外して５ｗｔ％と６ｗｔ％の各サンプルで比較すると５ｗｔ％のサンプルのほうがシャープネスに優れていた。

（実施例２）
上記した実施例１と同様な条件で液晶素子を作製し、その特性を評価した。ただし、以下の条件が実施例１とは異なる。本実施例では、ｄ／ｐ０の値を０．２または０．４とし、紫外線硬化型樹脂の添加量は４ｗｔ％、５ｗｔ％、６ｗｔ％、７ｗｔ％の４パターンとした。また、本実施例では格子状（マトリクス状）のパターンを有するマスクを用いて紫外線照射を行った。本実施例において紫外線照射に用いたマスクの構造を図９に示す。
マスクの格子状パターンは、図示のように線幅が約１８０μｍで線間が２０μｍである。また、紫外線の波長は３６５ｎｍ、照射強度は８０ｍＷ／ｃｍ^２である。この照射強度により、露光時間を１分間ずつ４回繰り返してマスク露光し、最後にマスクを取り除いて１分間の露光（全面照射）を行った。このとき、紫外線照射前には液晶層をリバースツイスト状態に遷移させるための電圧印加を行った。電圧印加条件は、例えば１５Ｖ程度の電圧を１０秒間印加、もしくは１５Ｖ程度の電圧を２、３回間欠的に印加した。これにより、液晶層内に二次元格子状のポリマーウォールが形成された。

図１０は、実施例２の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。図示の液晶素子は、ｄ／ｐ０を０．２に設定し、紫外線硬化型樹脂を４ｗｔ％添加したものである。図中において白色の格子状に見えるのがポリマーウォールである。液晶素子の偏光板（Ｐ，Ａ）の吸収軸は図示のように略２０°の角度をなす状態にし、一方の偏光板（Ａ）の吸収軸がポリマーウォールの延在方向の一方と略平行となるように配置した。ポリマーウォールが形成されたことによりリバースツイスト状態が安定することが確認できた。このサンプルの液晶素子並びに紫外線硬化型樹脂の添加量だけを異ならせたサンプルのそれぞれの電気光学特性（Ｖ−Ｔ特性）の測定結果を図１１に示す。なお、図１１中において「ｐｓ前上昇」、「ｐｓ前下降」と示したのはポリマーウォールが形成される以前のサンプルのＶ−Ｔ特性である。図示のようにポリマーウォールが形成される以前のサンプルではＶ−Ｔ特性にヒステリシスが観察される。

図１２は、実施例２の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。図示の液晶素子は、ｄ／ｐ０を０．４に設定し、紫外線硬化型樹脂を４ｗｔ％添加したものである。図中において白色の格子状に見えるのがポリマーウォールである。液晶素子の偏光板（Ｐ，Ａ）の吸収軸は図示のように略１０°の角度をなす状態にし、一方の偏光板（Ａ）の吸収軸がポリマーウォールの延在方向の一方と略平行となるように配置した。ポリマーウォールが形成されたことによりリバースツイスト状態が安定することが確認できた。このサンプルの液晶素子並びに紫外線硬化型樹脂の添加量だけを異ならせたサンプルのそれぞれの電気光学特性（Ｖ−Ｔ特性）の測定結果を図１３に示す。なお、図１１中において「ｐｓ前上昇」、「ｐｓ前下降」と示したのはポリマーウォールが形成される以前のサンプルのＶ−Ｔ特性である。図示のようにポリマーウォールが形成される以前のサンプルではＶ−Ｔ特性にヒステリシスが観察される。

実施例２の液晶素子におけるしきい値は概ね従来のＴＮ型液晶素子と同等であり、具体的には１．５８Ｖ（ボルト）程度であった。また、シャープネスについては最適条件において１．３２という値が得られており、従来のＴＮ型液晶素子に比べて大きく改善されていた。ここで得られたシャープネスの１．３２という値は、概ね１／１２デューティ以上の単純マトリクス駆動が可能であることを示しており、従来１／４デューティもしくは１／８デューティが限界であったＴＮ型液晶素子の利用範囲を大きく広げることが可能であることを示している。なお、シャープネス、しきい値の定義は上記した通りである。

なお、本発明は上述した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記ではポリマーウォールを形成するために光硬化型樹脂を例示していたが、熱硬化型樹脂を用いてもよい。また、上記ではｄ／ｐ０について好適な一例として０．２、０．４という値を挙げていたがｄ／ｐ０はこれらの数値に限定されない。本願発明者らが予備実験等に基づいて検討したところ、ｄ／ｐ０の値が小さくなるほどシャープネスが悪化する傾向があり、シャープネスの改善を達成できるｄ／ｐ０の下限値は０．０４であることが確認されている。

１：上側基板
２：下側基板
３：液晶層
３ａ：液晶分子
３ｂ：液晶性モノマー
４：上側電極
５：下側電極
６：ポリマーウォール
１０：マスク
５１：第１基板
５２：第１電極
５３、５７：配向膜
５５：第２基板
５６：第２電極
５９：液晶層
６０：ポリマーウォール

Claims

各々の一面に配向処理が施されており、相互に対向配置された第１基板及び第２基板と、
前記第１基板の一面と前記第２基板の一面との間に設けられた液晶層と、
前記液晶層内に層厚方向に沿って設けられた複数のポリマー壁、
を含み、
前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子に対して第１旋回方向へ捻れた第１配向状態を生じさせやすいように前記配向処理の方向が相対的に設定されており、
前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捻れさせる性質を有するカイラル材を含有し、かつ前記第１旋回方向へ捻れた配向状態を有する、
液晶素子。
前記複数のポリマー壁は相互に結合しており平面視において格子状の形状を有する、請求項１に記載の液晶素子。
前記カイラル材は、そのカイラルピッチと前記液晶層の層厚との比が０．０４以上０．４以下となる量が添加されている、請求項１又は２に記載の液晶素子。
前記複数のポリマー壁は、光硬化型液晶性モノマーを高分子化させたものである、請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶素子。
前記液晶層における前記液晶分子の捻れ角が略９０°である、請求項１〜４の何れかに記載の液晶素子。