JP3241502B2 - 液晶電気光学装置の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複屈折モードによる強
誘電性液晶電気光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、液晶電気光学装置の高速応答を図
ることが重要な課題として検討されている。このために
は、従来ＴＮ型あるいはＳＴＮ型液晶電気光学装置に用
いられているネマチック液晶ではなく、強誘電性液晶等
の高速応答可能な材料を用いる方法が検討されている。

【０００３】上記強誘電性液晶電気光学装置の構成は、
電極を有する一対の基板間に強誘電性スメクチック液晶
材料を挟持し、前記液晶分子を基板に平行かつ一軸配向
せしめ、液晶材料の有する層を基板に対して垂直あるい
は傾斜して形成させるものである。

【０００４】前記液晶材料は、液晶材料の有する自発分
極と前記電極により印加された電界との積によるトルク
により高速応答が可能なことが特徴であり、上記ネマチ
ック液晶に比べ数百〜数千倍もの応答速度でスイッチン
グする。

【０００５】上記液晶電気光学装置においては安定な配
向状態を得るため、バルク状態では分子のカイラリティ
ーの結果、層から層にわたり液晶分子の配向ベクトルが
捩じれる螺旋構造を形成する強誘電性スメクチック液晶
材料について、前記材料を挟持する一対の基板を１μｍ
程度という狭い間隔にすることで、上記螺旋構造を基板
の表面効果によって解くことにより安定な配向状態を得
ている。

【０００６】

【従来技術の問題点】上記のように強誘電性液晶材料を
用いた液晶電気光学装置においては、基板間隔を狭くす
ることで液晶材料の螺旋構造を解く。しかしながら、１
〜数μｍといった基板間隔を均一に作製することは極め
て困難であり、近年要求が高まって来ている大面積化は
一層困難となっていた。また工業的には生産性を上げる
ことができなかった。

【０００７】また基板間隔が狭いため、双方の基板表面
の電極がショートし易くなるといった問題があった。シ
ョートはセル作製工程において基板表面上に付着してし
まったゴミ等が、セルを組んだとき基板間に挟まったま
まとなり、これを介して画素電極間に電流が流れてしま
うものがほとんどである。強誘電性液晶電気光学装置の
場合は他の装置に比べ基板間隔を狭くしなければなら
ず、ショートは必然的に増加する問題であった。

【０００８】このため、ショート防止のために電極間の
絶縁性を高めることを目的として基板表面上に絶縁膜を
形成する方法が従来取られていた。

【０００９】絶縁膜を形成する場合、膜厚を少なくとも
１０００Å以上にしなければ、ピンホールの存在のため
絶縁膜がその機能を果たさない。しかし、逆に膜厚を厚
くしすぎると、今度は絶縁膜の抵抗が高くなるため駆動
電圧が絶縁膜に分圧され、液晶材料に電圧がかかりにく
くなり、駆動電圧を高くする必要があった。また絶縁膜
を形成するために作製工程数が増加してしまっていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記問題を解決するに
は、基板間隔を大きくしたままで上記螺旋構造の抑制が
可能になる構成とすればよい。

【００１１】本発明は、通常液晶材料が螺旋構造をとる
基板間隔の液晶電気光学装置において螺旋構造を解くこ
とのできる液晶電気光学装置の構成を提供することを目
的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、一対の基板間に強誘電性液晶が挟持され
た液晶電気光学装置であって、前記液晶材料は一軸配向
しており、前記基板間には前記液晶材料の一軸配向方向
に延びた複数の壁を有し、前記液晶材料がバルク状態で
有する螺旋構造が解かれていることを特徴とする液晶電
気光学装置、を要旨とするものである。

【００１３】本発明の液晶電気光学装置の構成の概要を
図１を用いて説明する。図１に示されているのは、単純
マトリクス型の液晶電気光学装置である。図１におい
て、１０１、１０２は透光性基板、１０３、１０４は画
素電極、１０５は液晶材料等を注入後一定の方向に配列
するための配向手段、１０７は液晶材料である。液晶材
料１０７は配向手段１０５に従って一軸配向している。
前記一対の基板１０１、１０２の間には壁１０６が形成
されている。壁１０６は樹脂材料よりなる。また樹脂材
料は配向手段１０５表面、または配向手段１０５が一方
の基板にしか設けられていない場合電極１０３または１
０４の表面に膜状に付着していることもある。またスペ
ーサー１０８の周りに付着することもある。

【００１４】壁１０６は基板上面から観察すると一軸配
向手段による配向方向とほぼ同じ方向に長軸を有する楕
円形の如き形状を有する。すなわち液晶材料の複数の層
に対しほぼ直角に、層を分断するように設けられてい
る。また壁同士の間隔はラビング方向にほぼ直角な方向
で１００〜２００μｍ程度が適当である。基板の間隔は
約３０μｍ以下であれば良く、電極間の短絡発生を防ぐ
ため５μｍ以上であることが望ましい。この構成により
液晶材料の螺旋構造が抑制される。

【００１５】上記の構成において基板はガラス、アクリ
ル樹脂、ポリエチレン樹脂等を用いることが出来る。前
記透光性基板には液晶を駆動させるためＩＴＯ（インジ
ウム−ティン−オキサイド）等よりなる電極を有する。

【００１６】また、上記構成において用いる配向手段
は、従来のものと同様に有機高分子等からなる配向膜を
上記基板上に形成し、前記配向膜をラビング処理する。
配向膜としてはポリイミド系等の樹脂を使用できる。ま
た、ラビング条件も従来のものと同様である。

【００１７】この液晶電気光学装置を作製するには、ス
ペーサー１０８によって基板間隔が決められた、電極１
０３、１０４を有する一組の透光性基板１０１、１０２
で液晶材料と反応開始剤を添加した未硬化の樹脂との混
合物を挟持させ、前記液晶材料を配向手段に沿って配列
させる。しかる後に、液晶材料中に混入させた未硬化樹
脂を硬化するための手段を施すことにより、前記未硬化
樹脂が壁状になって硬化する。また配向手段や電極の表
面に膜状に付着して硬化する。

【００１８】上記の構成において用いる樹脂材料は、高
温状態で液晶材料との混合状態を呈し、温度が低下した
状態では液晶材料と分離するものであることが望まし
い。また、２枚の基板間に挟持された状態で樹脂を硬化
するために未硬化の樹脂には溶媒が含まれていないこと
が極めて望ましい。さらに、液晶材料と樹脂の分離や液
晶材料の配向状態の形成は温度に依存するところが大き
いため、樹脂は温度とは別の因子で硬化する方が望まし
い。そうした事柄を考慮すると、例えば未硬化樹脂とし
て紫外線硬化型樹脂、硬化手段として紫外線を用いるこ
とが好ましい。

【００１９】図１に示す構成を採用した場合、液晶材料
１０７が配向手段１０５に従って配列した後に樹脂を硬
化させるため、硬化前の良好な配向状態を保つことが出
来、硬化後の樹脂が配向に与える影響は極めて少ない。

【００２０】形成された壁状に硬化した樹脂は、両基板
を接着して基板間隔の拡大を防ぐ機能をも有し、これ
は、表示装置を大面積化する場合等、基板間隔を一定に
保つ必要が有る時に有用となる。

【００２１】また、上記構成は単純マトリックス型の強
誘電性液晶電気光学装置においても有効であるのは勿
論、アクティブマトリクス型の装置においても有効であ
る。

【００２２】

【作用】本発明者らは、上記の如く壁状の樹脂を構成す
ることで、液晶材料が基板の表面効果を受けず、螺旋構
造を形成するようなセル厚においても、螺旋構造を抑制
することが可能となることを発見した。これはこのよう
な壁を形成することにより基板の表面効果に類似した効
果が液晶分子に対して作用するものと考えられる。ただ
し、壁の間隔は１００〜２００μｍ程度と、螺旋を抑制
する基板間隔（約１〜４μｍ）よりはるかに大きい。

【００２３】樹脂を用いて壁を形成する場合、薬品、押
圧、レーザー照射等により配向手段や電極の表面の一部
を疎水性とすることで、その部分に樹脂壁が析出しやす
くなるため、形成される壁の位置を制御でき、ムラなく
螺旋を抑制できる。

【００２４】

【実施例】本実施例では、マトリクスの規模が６４０×
４８０の液晶セルを作製し、各特性の評価を行った。作
製したセルは図１に示す構成を有するものである。液晶
セルの基板１０１及び１０２は厚さ１．１ｍｍの青板ガ
ラスであり、該基板上には電極１０３及び１０４として
ＩＴＯをスパッタ法、蒸着法などにより１２００Å程の
厚さに形成したのち、パターニングしマトリクス構成と
した。両方の基板の電極が形成されている面上には配向
膜１１５を形成した。

【００２５】配向膜材料はポリイミド系の樹脂、例えば
ＬＱ−５２００（日立化成製）、ＬＰ−６４（東レ
製）、ＲＮ−３０５（日産化学製）等であり、ここでは
ＬＰ−６４を使用した。配向膜はｎ−メチル−２−ピロ
リドン等の溶媒により希釈しスピンコート法により塗布
した。塗布した基板は２５０〜３００℃、ここでは２８
０℃で２. ５時間加熱し溶媒を乾燥させ、塗膜をイミド
化し硬化させた。硬化後の膜厚は３００Åであった。

【００２６】次に配向膜をラビングする。ラビングは通
常の方法で良く、レーヨン、綿等の布が巻いてある直径
１３０ｍｍのローラーで４５０〜９００ｒｐｍ、ここで
は４５０ｒｐｍの回転数で一方向に擦った。ロール押し
込み高さは０．１ｍｍ、ステージ速度は２０ｍｍ／ｓｅ
ｃで行った。

【００２７】次に該セルの間隔を一定にするためスペー
サー１０８として、基板１０１と１０２の間には直径２
０μｍのシリカスペーサを挟んだ。また、一方の基板上
には、該２枚の基板を固定するために、シール剤として
基板の周辺に２液製のエポキシ系接着剤をスクリーン印
刷により印刷塗布し、その後２枚の基板を接着固定し
た。

【００２８】上記セルには液晶材料１０７及び未硬化の
高分子樹脂の混合物を注入する。液晶材料としてはビフ
ェニル系の強誘電性液晶を使用した。この液晶は相系列
がIso-SmA-SmC*-Cryを取る。高分子樹脂としては市販の
紫外線硬化型の樹脂を使用した。液晶材料と未硬化高分
子樹脂は、重量比で８０：２０の割合で混合する。該混
合体は均一に混ざるようにＩｓｏ（等方）相になる温度
で攪拌した。該混合体はＩｓｏ相からＳｍＡ相への転移
点が液晶材料のみの場合より、５〜２０℃低下した。

【００２９】上記混合体の注入は、液晶セル及び混合体
を１００℃とし真空下で行った。注入後、液晶セルは２
〜２０℃／ｈｒ、ここでは３℃／ｈｒの割合で徐冷し
た。

【００３０】この液晶セルの配向状態を、偏光顕微鏡で
直交ニコル下で観察した。液晶材料は螺旋構造が原因の
層法線方向の縞模様が見られなかった。また、ある回転
角で消光位、即ち片方の偏光板に入射した光が、他方の
偏光板を透過せず、あたかも光が遮断された状態が得ら
れた。このことは液晶材料が、ユニフォーム配向となっ
ていることを示している。

【００３１】またこの時、消光位から２０°程ステージ
を回して見ると、顕微鏡の視野中に複屈折による光漏れ
を生じないで、黒状態のままの部分がラビング方向に沿
って細長く存在していた。未硬化樹脂は複屈折性を示さ
ないので、この黒部分は未硬化樹脂が液晶材料から分離
析出し壁状となっているものである。

【００３２】また、この時液晶材料中にはジグザグ欠陥
等の配向欠陥はほとんど見られなかった。

【００３３】一方、上記とセル厚、配向膜及びラビング
条件のセルについて、樹脂を混合させずに液晶材料単体
を挟持させたものについて、配向状態を観察したとこ
ろ、螺旋構造の縞模様が見られた。

【００３４】次に液晶材料中に添加した高分子樹脂を硬
化させるため紫外線を照射した。照射強度は３〜３０ｍ
Ｗ／ｃｍ² 、ここでは１０ｍＷ／ｃｍ² とし、照射時間
は０. ５〜５ｍｉｎ、ここでは１ｍｉｎとした。

【００３５】紫外線照射後、液晶セルの配向状態を上記
と同様に偏光顕微鏡下で観察したが配向状態はほとんど
変化しなかった。紫外線照射の配向状態に対する影響は
見られなかった。

【００３６】上記液晶セルの光学特性を測定した。測定
方法は、ハロゲンランプを光源とする偏光顕微鏡におい
て、直交ニコル下で±３０Ｖ、５Ｈｚの三角波を液晶セ
ルに印加し、セルの透過光強度をフォトマルチプライヤ
ーで検出するものである。その時のコントラスト比は８
０を得た。

【００３７】また、上記セルを用い、外部にＦＥＴによ
る駆動回路を接続し、アクティブ駆動を模擬的に行った
場合の電極間電圧及び光学応答を図２に示す。駆動波形
は、電圧１４Ｖ、パルス幅１μｓ、フレーム幅１６ｍｓ
である。図に示すように良好な光学応答性となってお
り、この時のコントラスト比はフレーム終了時に９０で
あった。このことから、本発明の装置はアクティブマト
リクス駆動を行なった場合においても良好な特性を有す
ることがわかる。

【００３８】次に、電流電圧特性を測定した。図３は±
３０Ｖ、５Ｈｚの三角波を液晶セルに印加しそのときの
電極間に流れる電流の値を測定したものである。図に示
すように、画素電極間の容量成分２０１及び強誘電性液
晶材料の有する自発分極が電界の極性変化に伴い、反転
する際に流れる電流２０２以外は電流成分はなかった。
したがって電極間でのショートの発生は無かったと言え
る。

【００３９】図４に上記方法により作製したセルの基板
の表面状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し
た様子を示す。基板表面に樹脂の壁が形成されているこ
とが分かる。また、形成された樹脂の断面の形状はラビ
ング方向に平行に長軸を有する楕円形であり、長軸の長
さが１００〜３００μｍ、長軸と短軸の比は５：１〜１
０：１であった。また、樹脂同士の間隔は、ラビング方
向に平行な方向で５０〜１００μｍ、垂直な方向で１０
０〜２００μｍであった。

【００４０】

【発明の効果】樹脂により螺旋構造を抑制することが出
きるので基板間隔を狭くする必要がなくなり、極めて生
産性の高い強誘電性液晶電気光学装置とすることができ
た。また従来基板間隔を薄くした場合に多く発生した電
極間のショートを低減することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶電気光学装置の概略図を示す。

【図２】本発明の実施例による液晶電気光学装置におい
て、アクティブ駆動を行った場合の画素電極間電圧及び
光学応答を示す。

【図３】本発明の実施例による液晶電気光学装置の電流
電圧特性を示す。

【図４】本発明の実施例による液晶電気光学装置の基板
表面を走査型電子顕微鏡により観察した結果を示す。

【符号の説明】

１０１ 基板 １０２ 基板 １０３ 電極 １０４ 電極 １０５ 配向膜 １０６ 壁 １０７ 液晶材料 １０８ スペーサー ２０１ 画素電極間に流れる電流の容量成分 ２０２ 液晶材料の有する自発分極による反転電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森谷 幸司 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 (72)発明者 村上 智史 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社 半導体エネルギー研究所内 審査官 河原 英雄 (56)参考文献 特開 平５−27246（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−201021（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−148555（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/141 G02F 1/1334 G02F 1/1337

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２枚の基板の表面に配向膜を設け、前記
   配向膜の表面を部分的に疎水性とし、 表面を部分的に疎水性とした 前記配向膜を内側にし、か
   つ隙間を空けて、前記２枚の基板を対向させ、強 誘電性液晶と未硬化の樹脂との混合物であって、前記
   強誘電性液晶が等方相になる温度に加熱されている前記
   混合物を前記２枚の基板の隙間に注入し、前記２枚の基板の隙間に注入された 前記混合物の温度を
   下げて、前記強誘電性液晶から前記未硬化の樹脂を分離
   し析出させ、かつ前記強誘電性液晶を一軸方向に配向さ
   せた後、前記未硬化の樹脂を硬化して、前記２枚の基板
   の間に、硬化された樹脂でなる複数の壁を形成する液晶
   電気光学装置の作製方法であって、前記 硬化された樹脂でなる複数の壁はそれぞれ、上面が
   一方の前記基板表面に密着し、下面が他方の前記基板表
   面に密着しており、前記基板の水平面での断面が、前記
   強誘電性液晶の一軸配向方向に長軸が向くように配列し
   ている楕円形状であることを特徴とする液晶電気光学装
   置の作製方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、紫外光を照射して前
   記未硬化の樹脂を硬化することを特徴とする液晶電気光
   学装置の作製方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記1対の基
   板の間隔は５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴と
   する液晶電気光学装置の作製方法。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項におい
   て、前記基板の一方に、画素電極に接続された薄膜スイ
   ッチング素子が設けられていることを特徴とする液晶電
   気光学装置の作製方法。