JP2020024236A - 液晶光配向用フォトマスク、光配向装置、光配向方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＵＶ偏光を必要としない光配向法を提案する。【解決手段】液晶光配向用フォトマスク１は、配向膜に光を照射する複数のスリット開口部１Ａを備え、複数のスリット開口部１Ａは、配向膜表面に光照射領域と遮光領域との境界線を特定方向に沿って形成する複数の線状エッジ１ｅを備えると共に、少なくとも紫外光を無偏光状態で透過させるピッチ間隔Ｐを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶光配向用フォトマスク、これを用いた光配向装置、光配向方法に関するものである。

液晶分子の配向法は、液晶パネル、光学補償フィルム、光学変換デバイスなど、液晶材料を用いた部品又は装置の製造において、製品の性能や品質を左右する極めて重要な技術である。配向法の一つには、ラビング処理がある。ラビング処理は、基板上に形成された高分子膜（配向膜）の表面を布材などで特定方向に擦ることにより、表面に異方性を付与するものであり、液晶パネルの量産工程で一般に採用されてきた。

ラビング処理は、効果的な配向法ではあるが、配向膜表面の静電破壊やダスト発生による歩留まり低下の問題がある。この問題を解消でき且つより精細な解像度が得られる配向法として、光配向法が提案されており、近年は液晶パネルなどの量産工程で採用されている。

光配向法は、偏光の紫外線を感光性高分子膜（配向膜）上に照射することにより、その照射される感光性高分子膜の感光特性に応じ、偏光軸方向に対して９０°回転方向、または、平行方向に、配向膜表面に異方性を発生させて液晶配向能を付与するものである。光配向のために配向膜に照射される光は、波長２４０ｎｍ〜３００ｎｍの紫外光であり、且つ、消光比が１５：１以上のＵＶ偏光である。このようなＵＶ偏光を得るためには、グリッドを酸化チタン（ＴｉＯｘ）により形成し、グリッドのピッチを１００〜１５０ｎｍ程度にした、ワイヤーグリッド型偏光子などが用いられている（下記特許文献１参照）。

特開２００９−２６５２９０号公報

前述した従来の光配向法は、消光比の高い偏光の紫外光を配向膜に照射することが必要条件とされており、このＵＶ偏光を得るために、高価且つ製作困難なワイヤーグリッド型偏光子などの光学部品を用いることが不可欠とされていた。特に、ワイヤーグリッド型偏光子は、透過する光の波長よりグリッドのピッチをかなり狭くする必要があるので、波長の短い紫外光を用いる場合には製作が極めて困難になる。

一方、紫外線偏光を感光性高分子膜（配向膜）に照射した場合に生じる表面の変化と液晶分子を並べるための配向規制力発生現象（ＵＶ偏光照射による液晶分子配向のメカニズム）は学術的に説明がなされいるが、ＵＶ偏光を作り出す光学素子（Wire Grid等）の特性仕様と液晶配向との相関は、その光学素子（ＵＶ偏光用Wire Grid）の従来ながらの製法による光学特性条件設計変更の困難さや、最終形である液晶パネルの特性までの一環した評価がされにくい環境にあり、その相関がはっきり語られることが少ない。このような背景により、より良い特性を持つ光学素子への特性改善要求へ偏重加速され、より偏光度の高いＵＶ偏光を得るための設備やプロセスが、液晶材料を用いた部品や装置の生産性を向上するための大きな負担になっていた。

本発明は、このような事情に対処することを課題としており、光配向に対して新たな知見を導入することで、ＵＶ偏光配向露光方式とは異なる光配向法を提案するものであり、これによって、設備コストの低減、生産性の向上、製品性能の改善等を図るものである。

このような課題を解決するために、本発明は、以下の構成を具備するものである。

配向膜に光を照射する複数のスリット開口部を備える液晶光配向用フォトマスクであって、前記複数のスリット開口部は、配向膜表面に光照射領域と遮光領域との境界線を特定方向に沿って形成する複数の線状エッジを備えると共に、少なくとも紫外光を無偏光状態で透過させるピッチ間隔を有することを特徴とする液晶光配向用フォトマスク。

配向膜に光を照射する複数のスリット開口部を備え、前記複数のスリット開口部が、配向膜表面に光照射領域と遮光領域との境界線を特定方向に沿って形成する複数の線状エッジを備えると共に、少なくとも紫外光を無偏光状態で透過させるピッチ間隔を有する液晶光配向用フォトマスクを用い、前記線状エッジが形成する配向膜上の前記境界線に平行又は垂直に、配向膜上の液晶分子を配向させることを特徴とする光配向方法。

本発明は、感光性高分子膜である配向膜上に、光照射領域と遮光領域との境界線を複数特定方向に形成した場合に、配向膜上の液晶分子が、その境界線の方向に沿って配向するという、光配向における新たに知見に基づくものである。この際に配向膜に照射する光は、ＵＶ偏光である必要は無く、境界線が所定の間隔で複数並んでいれば、それに平行又は垂直に配向膜上の液晶分子を配列することができる。

本発明の液晶光配向用フォトマスク、それを用いた光配向装置及び光配向方法によると、無偏光状態の光を配向膜に照射して光配向を行うことができるので、ワイヤーグリッド型偏光子のように高価な光学部品を用いる必要がない。これにより、液晶材料を用いた部品や装置の生産に際して、設備コストの低減、生産性の向上、製品性能の改善等を図ることができる。

本発明の実施形態に係る液晶光配向用フォトマスクを示した説明図である。 本発明の実施形態に係る液晶光配向用フォトマスクを示した説明図である。 液晶光配向用フォトマスクのピッチ間隔を変えた場合の消光比を照射する光の波長毎に示したグラフである。 本発明の実施形態に係る光配向方法を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る光配向装置を示す説明図である。 液晶光配向用フォトマスクの他の構成例を示した説明図である。 本発明の実施例と比較例を示す説明図である（（ａ）がリタデーションの比較、（ｂ）が１／黒輝度の比較、（ｃ）が表示ムラの程度（Ｔ／Ｔ’）を示している。）。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る液晶光配向用フォトマスクを示し、図中の一点破線による囲みは部分的な拡大図を示している。液晶光配向用フォトマスク１は、図示省略している配向膜に光を照射する複数のスリット開口部１Ａを備えている。また、液晶光配向用フォトマスク１は、スリット開口部１Ａを複数配列するために線状の遮光部１Ｂを複数備えている。

そして、スリット開口部１Ａは、配向膜表面に光照射領域と遮光領域との境界線を特定方向に沿って形成する複数の線状エッジ１ｅを備えると共に、少なくとも紫外光を無偏光状態で透過させるピッチ間隔Ｐを有する。図示の例では、ピッチ間隔Ｐにおいて、スリット開口部１Ａの開口幅Ｓと遮光部１Ｂの遮光幅Ｌが、Ｓ：Ｌ＝１：１（Ｌ／Ｓ＝１）に設定されている。そして、スリット開口部１Ａによって形成される線状エッジ１ｅは平行に配列されている。また、所望の液晶配向性を持たせるようにＳ：Ｌの比率を変化させることも可能である。

また、液晶光配向用フォトマスク１は、図２に示すように、配向膜の感光性高分子材料の感光波長域の光を透過する基板１０上に遮光部１Ｂを形成することで得ることができる。遮光部１Ｂは、一般的なフォトマスクの遮光材料（例えば、クロム系材料）を成膜して、フォトリソ工程などでパターン形成する。

図３は、液晶光配向用フォトマスク１のピッチ間隔Ｐを変えた場合の消光比を、照射する光の波長毎に示している。図示のグラフから、紫外光の波長域（代表的な露光感光波長である２５４ｎｍ、３６５ｎｍ）で無偏光状態（消光比１以下）を得るためには、ピッチ間隔は３５０ｎｍ以上（好ましくは、４００ｎｍ以上）に設計される。

図４は、液晶光配向用フォトマスク１を用いた光配向方法を示している。基板１１上に成膜された配向膜（感光性高分子膜）１２に液晶配向能を付与するためには、光源部２０から出射された光を液晶光配向用フォトマスク１を介して配向膜１２の表面に照射する。液晶光配向用フォトマスク１のスリット開口部１Ａを通過した光は、無偏光状態の光であり、配向膜１２の表面に照射されることで、配向膜１２の表面に光照射領域Ｔと遮光領域Ｒとの境界線Ｇを形成する。この境界線Ｇは、複数のスリット開口部１Ａにおける線状エッジ１ｅに沿って線状に形成されることになり、この境界線Ｇによって、液晶分子を配向するための異方性が配向膜１２の表面に付与される。

このような線状の境界線Ｇが複数所定間隔で特定方向に向けて形成された配向膜１２は、その表面に接する液晶分子を境界線Ｇの延設方向に沿って配向することができる。この際、先ず境界線Ｇ上の液晶分子が境界線Ｇに沿って配向することになり、境界線Ｇを所定間隔で複数形成することで、境界線Ｇ上ではない液晶分子も境界線Ｇ上の液晶分子の向きに引き摺られるように、同方向に配向する。

このような光配向の現象は、配向膜１２の表面に照射される光が無偏光状態であるから、光の偏光成分によって配向膜に異方性を生じさせる従来の光配向とは配向メカニズムが異なっている。本発明による光配向法では、液晶光配向用フォトマスク１が備える線状エッジ１ｅによって形成される光照射領域Ｔと遮光領域Ｒとの境界線Ｇ上の物理的或いは化学的異方性によって、液晶分子が配向すると考えられ、その意味では、ラビング処理と同等の現象を非接触で実現している。

ここで、配向膜１２に照射する光の波長は、配向膜１２となる感光性高分子膜の感光波長であれば、どのような波長であってもよい。配向膜１２の材料も、従来の光配向に用いられる各種の感光性高分子材料（例えば、分解型ボリイミドなど）を用いることができる。

図５は、液晶光配向用フォトマスク１を用いた光配向装置を示している。この光配向装置１００は、前述した液晶光配向用フォトマスク１と、液晶光配向用フォトマスク１を介して配向膜２１に光を照射する光源部２０と、配向膜１２を備える基板１１を液晶光配向用フォトマスク１に対向して保持する基板保持部３０とを備える。また、光源部２０に対して基板保持部３０を図示矢印方向に相対的に移動させるスキャン機構４０を備える。図示のスキャン機構４０は、静止した光源部２０に対して基板保持部３０を移動させているが、それとは逆に、静止した基板保持部３０に対して光源部２０を移動させるものであってもよい。

このような光配向装置１００によると、液晶光配向用フォトマスク１の線状エッジ１ｅの方向に沿って、基板保持部３０又は光源部２０を相対的にスキャンしながら、液晶光配向用フォトマスク１を介して配向膜１２へ光照射を行うことで、前述した境界線Ｇをスキャン方向に沿って配向膜１２上に形成することができる。

光源部２０は、一方向に長い発光部材（ランプ）２１と、発光部材２１から出射する光を液晶光配向用フォトマスク１に向けて反射する反射部材２２とを備えている。ここでの発光部材２１は、液晶光配向用フォトマスク１の線状エッジ１ｅに沿った長手方向に延設されている。また、反射部材２２は、発光部材２１の長手方向に沿って一定の凹状断面を有している（図４参照）。このような光源部２０を備えることで、図４に示すように、反射部材２２によって線状エッジ１ｅと交差する方向に拡散する光が抑制され、配向膜１２上によりエッジの効いた境界線Ｇを形成することができる。これによって、より効果的に液晶分子を配向させることができる。

図６は、液晶光配向用フォトマスク１の他の構成例を示している。この例は、液晶光配向用フォトマスク１のスリット開口部１Ａのパターンを変えているが、複数の線状エッジ１ｅを平行に配列している点では前述した例と同様である。この例では、複数の線状エッジ１ｅが設定長さ毎に分断配置されている。このように分断配置された線状エッジ１ｅを備える液晶光配向用フォトマスク１を、前述したスキャン機構４０を備える光配向装置１００に適用すると、配向膜１２上により細密な境界線Ｇを形成することができる。これによって、より効果的に液晶分子を配向させることができる。

以下、本発明の実施例（実験例）を説明する。ここでは、下記表１に示す条件で、本発明の実施形態に係るフォトマスクを用いた光配向処理（実施例１，２）とワイヤグリッドを用いた光配向処理（比較例１，２）を行い、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す項目について比較した。

図７（ａ）には、光配向処理を施した基板上の膜の異方性（リタデーション）特性を示している。ワイヤーグリッドを用いて光配向処理を施した比較例１，２は、高いリタデーションを示しているが、フォトマスクを用いて光配向処理を施した実施例１，２に光学異方性が生じていることが確認できた。

図７（ｂ）は、実施例２と比較例２の光配向処理を施した基板でテストセルを作成し、各テストセルの黒輝度レベル（液晶パネルのコントラストに寄与する値）を比較した。ワイヤーグリッドを用いて光配向処理を施した比較例２のテストセルの１／黒輝度を１００％基準として比較すると、実施例２のテストセルは、３０％程度であるが、光学異方性が生じていることは確認できた。

図７（ｃ）は、テストセルの表示パターン焼き付き（液晶パネルの信頼性に寄与する）を示す比較結果である。図の縦軸は、表示ムラの程度を数値化したものであり、１．０５以下が合格レベルと言える。白電圧印加は、ノーマリーブラック（電圧無印加で黒表示）のパネルで、電圧を印加した状態であり、緩和は、全画面黒表示状態に戻した際に、焼き付いた表示パターンによるムラが消えた状態である。この項目でも、実施例２は比較例２と遜色のない結果になっている。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る液晶光配向用フォトマスク１を用いることで、ＵＶ偏光を必要としない非接触の配向処理を実現することができる。これによって、ラビング処理における配向膜表面の静電破壊やダスト発生による歩留まり低下の問題が解消され、更に、ワイヤーグリッド型偏光子などの高価な設備が不要になって、設備コストの低減が可能になる。

また、本発明の実施形態に係る液晶光配向用フォトマスク１は、比較的広い開口幅を有しているので、ＵＶ偏光を照射する場合と比較して、同一光源での照射光量を増加することができる。これによって、生産性の向上が可能になると共に、光源負荷を低減させて、装置寿命の延長、発熱量や消費電力の低減化が可能になる。

更には、液晶光配向用フォトマスク１のスリット開口部１Ａのパターンを変更するだけで、配向パターンの設計変更を任意に行うことができるので、液晶材料を用いた部品や装置の性能向上を簡易に実現することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：液晶光配向用フォトマスク，１Ａ：スリット開口部，１Ｂ：遮光部，
１ｅ：線状エッジ，１０，１１：基板，１２：配向膜，Ｔ：光照射領域，
Ｒ：遮光領域，Ｇ：境界線，２０：光源部，２１：発光部材，２２：反射部材，
３０：基板保持部，４０：スキャン機構，１００：光配向装置。

Claims (7)

1. 配向膜に光を照射する複数のスリット開口部を備える液晶光配向用フォトマスクであって、
   前記複数のスリット開口部は、配向膜表面に光照射領域と遮光領域との境界線を特定方向に沿って形成する複数の線状エッジを備えると共に、少なくとも紫外光を無偏光状態で透過させるピッチ間隔を有することを特徴とする液晶光配向用フォトマスク。
2. 前記複数の線状エッジが平行に配列されていることを特徴とする請求項１記載の液晶光配向用フォトマスク。
3. 前記複数の線状エッジが設定長さ毎に分断配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の液晶光配向用フォトマスク。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された液晶光配向用フォトマスクと、
   前記液晶光配向用フォトマスクを介して前記配向膜に光を照射する光源部と、
   前記配向膜を備える基板を前記液晶光配向用フォトマスクに対向して保持する基板保持部とを備えることを特徴とする光配向装置。
5. 前記光源部は、前記線状エッジに沿った長手方向に延びる発光部材と、前記長手方向に沿って一定の凹状断面を有して前記発光部材から出射する光を前記液晶光配向用フォトマスクに向けて反射する反射部材とを備えることを特徴とする請求項４記載の光配向装置。
6. 前記基板保持部又は前記光源部を前記線状エッジの延設方向に沿って相対的に移動するスキャン機構を備えることを特徴とする請求項４又は５記載の光配向装置。
7. 配向膜に光を照射する複数のスリット開口部を備え、前記複数のスリット開口部が、配向膜表面に光照射領域と遮光領域との境界線を特定方向に沿って形成する複数の線状エッジを備えると共に、少なくとも紫外光を無偏光状態で透過させるピッチ間隔を有する液晶光配向用フォトマスクを用い、
   前記線状エッジが形成する配向膜上の前記境界線に平行又は垂直に、配向膜上の液晶分子を配向させることを特徴とする光配向方法。