JP3298607B2

JP3298607B2 - 液晶素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP3298607B2
Application number: JP20302796A
Authority: JP
Inventors: 貴岩村; 信宏木原; 剛山崎; 克弥白井; 敬一仁藤; 真伸山本; 章夫安田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 2002-07-02
Anticipated expiration: 2016-07-12
Also published as: JPH09152612A; US6335775B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極及び液晶配向
制御層を設けた一対の基体間の間隙内に液晶が配されて
いる液晶素子（特に、透明電極及び配向膜をこの順に設
けた一対の基板が所定の間隙を置いて対向配置され、前
記間隙内に強誘電性液晶が配されている液晶表示素子）
及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】双安定性を示す強誘電性液晶（ＦＬＣ：
ferroelectric liquid crystal) を表示素子に応用しよ
うとする研究開発は、近時活発に進められてきている。
ＦＬＣディスプレイは、主として次の（１）〜（３）の
特徴を有する優れたものである。（１）高速応答性（従来のネマチック液晶表示に比較し
て1000倍も高速応答）。（２）視野角依存性が少ない。（３）画像にメモリ性がある。

【０００３】双安定モードの強誘電性液晶表示は、メモ
リ性をもつためにＣＲＴ（陰極線管）などで問題となっ
ているフリッカーをなくせること、そして、単純Ｘ−Ｙ
マトリックス駆動でも1000本以上の走査線で駆動できる
こと（ＴＦＴ：薄膜トランジスタでの駆動をなくせるこ
と）、また、現在主流のネマチック液晶での視野角が狭
いという問題に対しても、分子配向が一様であること、
およびパネルのギャップがネマチック液晶パネルの半分
以下であることから、広い視野角を有することなどを特
徴としている。

【０００４】このような強誘電性液晶を用いたＦＬＣデ
ィスプレイ（強誘電性液晶表示素子）は、例えば図46及
び図47に概略的に示すようなセル構造１からなってい
る。即ち、ガラスなどの透明な基板２ａの内面上に、Ｉ
ＴＯ（indium tin oxide：インジウムにスズをドープし
た導電性酸化物）などの透明電極層３ａ、及び液晶配向
膜として高コントラスト良好なドメインを実現する例え
ばＳｉＯ斜方蒸着層４ａを順次積層した積層体１Ａと；
これと同様に、基板２ｂの内面上に、透明電極層３ｂ、
例えばＳｉＯ斜方蒸着層４ｂを順次積層した積層体１Ｂ
と；を、液晶配向膜である例えばＳｉＯ斜方蒸着層４
ａ、４ｂが互いに対向するように配し、所定のセルギャ
ップｄを実現するための粒状のスペーサ５を挟むことに
より液晶セルを構成し、そのセルギャップに強誘電性液
晶６を注入し、周囲を接着剤７で封じた構造を有してい
る。

【０００５】上記した液晶配向膜４ａ、４ｂとしては、
例えばＳｉＯ等を用いた斜方蒸着膜や、ポリイミド等を
用いたラビング膜等が、従来使用されていた。特にラビ
ング膜は、今日、液晶表示素子の配向膜として実用的に
広く使用されている。ラビング膜を配向膜に用いる場
合、生産性は良く、大面積化も容易である点から、現在
は工業的には、ラビング膜を配向膜とした液晶表示素子
が多く生産されている。

【０００６】しかしながら、ラビング膜には、ラビング
時にダストが発生し、画素の欠陥が生じ易く、ゴミや静
電気の発生のため、セルギャップが極めて狭い強誘電性
液晶セルには適合しないことが多い。また、ラビング膜
では配向欠陥を減らすために必要な高プレチルト角を与
えることが困難であり、プレチルト角なしでは画素内に
ディフェクトが発生し、コントラストが低くなってしま
うという問題もある。

【０００７】一方、配向膜にＳｉＯ斜方蒸着膜を用いた
場合、液晶の配向を決定するＳｉＯのピラーを均一かつ
大面積に作製することが難しい。また、真空蒸着法を用
いるため、生産性が悪いという問題がある。

【０００８】ＳｉＯ斜方蒸着膜は、図48に模式的に示す
ような方法で作製することができる。即ち、真空蒸着装
置35において、真空チャンバ36内に蒸着源37をほぼ点状
に配し、その蒸着源37と蒸着箇所である基板２ａ又は２
ｂとを結ぶ線38が蒸着面の法線39となす角θ₁を約85度
に設定し（基板２ａ、２ｂは蒸着源27の鉛直上方±θ₂
（例えば±５°）以内に配し）、蒸着する。

【０００９】なお、真空チャンバ36には、真空弁40を介
して真空ポンプ41が接続され、このポンプによる排気で
所定の真空度を達成する。パージング時には真空弁40を
通して窒素ガスを真空チャンバ36内に導入する。また、
ＳｉＯ24を蒸着ボート43に入れた蒸着源37は、抵抗加熱
電極42間の通電による抵抗加熱法によるものであり、蒸
着速度のコントロールは、水晶振動子式膜厚測定器44か
らのフィードバックを用いる。

【００１０】しかしながら、こうした斜方蒸着法による
場合、ＳｉＯ斜方蒸着膜の構造を均一にするために（即
ち、均一な液晶の配向を得るために）、上記の角度θ₁
には数度以内の精度が要求される。また、蒸着源37と蒸
着箇所２ａ、２ｂとの距離もＳｉＯピラーの形状に影響
する。そのため、基板２ａ、２ｂが大型化すると、蒸着
方向が立体角を以て広がるために、基板の例えば端と中
心とでは、蒸着方向と基板とのなす角も蒸着源との距離
も異なることになる。この結果、斜方蒸着膜の構造が均
一でなくなり、配向特性も一様のものでなくなる。

【００１１】基板が大型化するに伴って、蒸着源と基板
との距離を離すことにより、これらのなす角度や距離の
問題を一応解決することはできる。しかしながら、蒸着
源と基板との間の距離を離すためには、蒸着装置のチャ
ンバを大きくする必要がある上に、真空度を上げる必要
もあるために生産性が著しく低下してしまう。

【００１２】そこで、液晶の配向を配向膜の表面形状で
コントロールすることが、長い間、試みられてきた。

【００１３】例えば、ラビング膜による液晶配向規制力
が、ラビング膜の表面に形成された微細な凹凸又はラビ
ング膜の分子配向によることから、前者の効果をモデル
化し、利用したものがある。このように、膜の表面に溝
状の構造を設けることにより液晶を配向させること、及
びその理論的解釈は、Physical Review A 24, 5, 2713-
2719, (1981), Molecular Crystals and Liquid Crysta
ls 23, 215-231, (1973), Liquid Crystals, 16, 6, 10
27-1036, (1994), Japanese Journal of Applied Physi
cs 23, 2, 137-141, (1984), Journal of Applied Phys
ics 73, 7, 3299-3304, (1993)などに報告されている。

【００１４】一方、液晶配向を膜の微細な形状でコント
ロールすることも試みられている。しかしながら、フォ
トレジストを用いた方法（特開平３−２９６７２１号、
特開平４−３２４４２６号公報）では、紫外線硬化型樹
脂法やインジェクションモールドといったレプリカ技術
を用いていないため、量産には向かない。

【００１５】また、特開平５−２４９４６５号公報に
は、図49に仮想線で示すように、断面が鋸歯状の構造45
を配向膜46の表面に設けて、強誘電性液晶６にプレチル
ト角を与える試みもなされている。

【００１６】しかしながら、本発明者の知見によると、
上記の如き鋸歯状構造45だけでは、水平配向性の配向膜
材料（例えばポリビニルアルコール）を用いた場合には
液晶分子６が鋸歯の段差の部分45ａに沿って（即ち、図
49の紙面垂直方向）に配向してしまい、プレチルト角を
与えることができない。これでは、コントラストの向上
はなく、また強誘電性液晶のメリットである双安定性も
得られない。

【００１７】そして、垂直配向性の材料（例えばポリテ
トラフルオロエチレンからなる材料）を配向膜に用いた
場合は、鋸歯状構造45の斜面の傾斜角が約30度以上にな
ると、液晶分子６が鋸歯がないときと同様な垂直配向し
か示さず、また、鋸歯状構造45の斜面の傾斜角が約30度
以下になると、垂直配向から液晶分子が若干傾いてくる
ために、１軸配向性はあるが、メモリ効果は全くなく、
スイッチング特性も得られないという問題があり、強誘
電性液晶に適用した場合にはデメリットがある。

【００１８】他方、配向膜の表面に溝状の構造を設け
て、ネマチック液晶を１軸配向させると同時に、溝に平
行な断面が鋸歯状構造になるようにして、プレチルト角
を与える方法が特開平５−１８８３７７号公報に示され
ている。

【００１９】この公知技術では、レーザー光の干渉（ホ
ログラフィック）を用いて溝を形成しているため、大面
積の配向膜は得られず、また露光パターンの自由度も少
ない。但し、ネマチック液晶とＴＦＴ（薄膜トランジス
タ）とを組み合わせた液晶表示素子に適用することによ
り、良好な配向特性と通常程度のスイッチング特性をも
つ素子が提供されるものと思われる。

【００２０】ところが、本発明者が検討した結果、この
公知技術の配向膜を強誘電性液晶と組み合わせた場合、
ＴＦＴを用いるとスイッチングするものの、単純マトリ
ックスを用いると液晶の配向は見られるが、現実的な電
圧の印加ではスイッチングが得られないという問題があ
ることが判明した。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した問題点を解消し、特性の良好な液晶素子（特に、液
晶配向性が高精度であり、良好なコントラストを有し、
大面積化が容易な強誘電性液晶表示素子）を提供し、か
つこの液晶素子を容易にかつ短時間で安価に量産できる
方法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した問
題に対し、特に、溝とこの溝に沿った鋸歯状構造とを表
面に有する配向膜において、溝の曲率が強誘電性液晶の
スイッチングに影響を与える主因であることを突き止
め、効果的な対策を見出し、本発明に到達した。

【００２３】即ち、本発明は、電極及び液晶配向制御層
を設けた一対の基体が所定の間隙を置いて対向配置さ
れ、液晶が前記間隙内に配されている液晶素子におい
て、前記液晶に接する内面に複数の溝が形成され、この
溝に沿う方向での前記内面の断面が非対称形状の凸部の
繰り返し形状を呈すると共に、前記溝と交差する方向で
前記溝が形成する凹部の曲率半径が 0.1μｍ以上である
ことを特徴とする液晶素子に係るものである。

【００２４】そして、この本発明の液晶素子を製造する
方法として、前記溝及び前記凸部を形成するための原型
をレーザー照射によるカッティング法で作製することが
望ましい。

【００２５】本発明者は、本発明の液晶素子及びその製
造方法に到達する過程で、次に述べるような種々の検討
を行った。

【００２６】本発明者は、上記した特開平５−１８８３
７７号公報に示された配向膜（これを配向膜Ｘとす
る。）を有する強誘電性液晶素子を作製した。但し、特
開平５−１８８３７７号公報に記載の液晶素子との違い
は、単純マトリックス方式であること、強誘電性液晶を
適用するために、ガラス基板間のギャップを 1.5μｍと
したこと、及び、ネマチック液晶の代わりに強誘電性液
晶を用いたことである。

【００２７】このように作製した液晶素子は、駆動を試
みたが、±50Ｖの電圧を印加してもスイッチングしなか
った。液晶の配向方向は基板上の溝方向に平行であっ
た。

【００２８】通常、強誘電性液晶は、スメクチックＣ相
において、図50に示すように外部印加電界Ｅに対して液
晶分子６の配向方向が状態１と状態２の二つの状態間を
スイッチングする。素子を真上から見ると、図50に仮想
的に示した円錐の中心軸が配向膜の方向（ラビング膜で
はラビング方向、ＳｉＯ斜方蒸着膜では蒸着方向）に一
致する。

【００２９】ところが、上記の液晶素子は、強誘電性液
晶の分子配向の方向そのものが図51に示すように、配向
膜の方向（溝の方向）に一致していて（これを状態０と
呼ぶことにする。）、状態１及び状態２が現れない。こ
れは、状態０におけるエネルギーが、状態１及び状態２
におけるエネルギーより低いことを意味する。

【００３０】そこで、本発明者は、上記の配向膜Ｘの溝
による液晶分子への配向規制力が強く、状態０になった
ときの配向規制力によるエネルギーの安定化が、電界印
加時の強誘電性液晶と電界との相互作用によるエネルギ
ーの安定化（状態１、２）より大きいと考えた。この認
識に基づいて、配向膜の配向規制力を弱くし、液晶分子
のスイッチングを十二分に行うための対策を試みた。

【００３１】これまで、上記のような配向膜上の溝の作
製は、レーザー光の干渉（ホログラフィック）を用いて
行われていた。この方法を用いると、ホログラフが得ら
れる領域が狭いため、配向膜のパターンを作製するに当
たって大面積なものが得られないという問題があり、し
かも配向膜の配向規制力をコントロールする観点からは
形状のコントロール性が低いといった問題があった。ホ
ログラフィックを用いた場合、コントロールできるパラ
メータは溝の幅、深さである。鋸歯状の構造は別の方法
で作製する必要がある。

【００３２】そこで、本出願人は別途、レーザーをＡＯ
Ｍ(Acousto-Optic Modulator：光変調素子）で変調しな
がらレジスト上にスキャンして、配向膜の形状を作製す
る方法を新たに考察した。この方法を用いると、ＡＯＭ
の変調のパターン、用いるレジストのγ特性、レーザー
の波長、レーザーのフォーカスなどを変化させることに
よって、溝と鋸歯状の断面を同時に作製できる他、この
鋸歯状構造のピッチ、角度、溝の幅、深さ、断面形状
（溝の凸部、凹部の曲率）をコントロールできる。

【００３３】本発明者は、このようにして配向膜の形状
を検討した結果、溝の断面形状、特に溝の長さ方向と直
交する方向での溝のなす凹部の最小曲率半径が、強誘電
性液晶のスイッチングに影響していることを突き止め
た。即ち、ホログラフィックによって作製される配向膜
の溝は、その凹部の最小曲率半径が小さすぎ、これが液
晶分子のスイッチングに悪影響を与えることが判明し
た。

【００３４】また、これと同時に、溝凹部の最小曲率半
径が強誘電性液晶のスイッチングができるように設定さ
れたとき、液晶分子が溝方向に配向せず、鋸歯状の構造
により形成される段差の部分（溝と直交する方向）に沿
って配向してしまう場合があるという問題が明らかにな
った。

【００３５】そこで、本発明者は、鋸歯状の構造の如き
非対称形状の凸部による配向力と、溝による配向力との
バランスを検討し、液晶分子がプレチルトを持ちながら
溝方向に配向するのに必要な条件を求めた。この条件と
しては、特に溝の長さ方向と交差する方向（特に直交方
向）での溝のなす凹部が、 0.1μｍ以上の最小曲率半径
を有するように作製することが必須不可欠である。

【００３６】即ち、こうした特定範囲の曲率半径によっ
て、溝による液晶分子の配向規制力をコントロールでき
るので、液晶分子のスイッチングが容易となり、かつ鋸
歯状構造の如き非対称形状の凸部の段差に沿って液晶分
子が配向しない。そして、上記の凸部によって溝に沿っ
て液晶分子を所望のプレチルト角で配向させることがで
きる。特に強誘電性液晶では、図50で示したコーンの円
錐面上を所望のコーン角でスイッチングし易くなる。

【００３７】

【発明の実施の形態】本発明の液晶素子において、溝の
なす凹部の曲率半径が大きすぎる場合は、液晶分子が上
記の凸部の段差に沿う方向に配向し易くなるため、その
曲率半径は 0.3μｍ以下とすることが望ましい。

【００３８】また、液晶分子を上記の凸部上で所望のプ
レチルト角で一方向に配向させることが必要であるが、
このためには、上記の溝と平行な方向における上記の凸
部の起点位置と頂部位置との距離をａ、この頂部位置と
終点位置との距離をｂとしたとき、ａ／ｂが１より大き
いことが望ましい。

【００３９】また、液晶に接する上記の内面は液晶配向
制御層の内面であってよいが、この内面の複数の溝及び
鋸歯状等の非対称形状の凸部が前記液晶に接する層に対
する加工によって形成されていてよい。或いは、上記内
面の複数の溝及び凸部がこれらに対応した基体の表面形
状に追随して形成されていてもよい。

【００４０】本発明の液晶素子において、上記した効果
を更に助長するには、溝と凸部のそれぞれの深さとピッ
チとを特定範囲に決めることが望ましい。即ち、溝の深
さをＤ₁、凸部の高さをＤ₂、溝のピッチをＡ₁、凸部
のピッチをＡ₂としたとき、Ｒ_E＝（Ｄ₁ ²／Ａ₁ ³）／
（Ｄ₂ ²／Ａ₂ ³）で定義されるＲ_Eを 4.4以上とする。

【００４１】更に、溝と鋸歯状構造等の凸部で液晶を配
向させるに当たって、材料に必要な条件も検討した結
果、液晶との接触角が、配向特性、スイッチング特性、
及び温度特性に影響していることを見出した。そして、
この観点から、液晶に接する内面と液晶との接触角を17
度以下とすることが望ましい。

【００４２】この場合、液晶に接する内面が短波長の紫
外線照射処理され、或いはカップリング処理され、これ
によって上記の接触角をコントロールできる。

【００４３】なお、１画素内に２種類以上の鋸歯状チル
ト角（又はプレチルト角）を有するようにすれば、階調
表示を行う上で望ましい。また、１画素を複数領域に分
け、各領域間で上記の非対称の凸部の断面形状が互いに
逆になっていると、視野角を改善できる。

【００４４】また、電界強度の損失を小さくするため
に、液晶配向制御層の表面上に電極が形成された構造と
してよい。

【００４５】本発明の液晶素子は、従来の素子では困難
若しくは不可能であった強誘電性液晶の単純マトリック
ス方式での駆動を可能にするものである。これは、上記
の溝と凸部の組み合わせによって、液晶分子のスイッチ
ングが低電圧のパルス駆動でも容易に実現できることを
意味している。

【００４６】なお、本発明の液晶素子において、一対の
基体間の間隙を保持するための柱状又は壁状保持手段が
電極間に設けられており、例えば、柱状又は壁状保持手
段が、液晶に接する一方の内面又は基体に設けられ、他
方の内面又は基体に固着していることがよい。

【００４７】また、各画素間を分離するための分離壁が
基体の内面に設けられていると、隣接する画素での液晶
の動作の影響を受け難くすることができる。

【００４８】本発明の製造方法においては、ＡＯＭ等に
よるレーザーの変調パターン、フォトレジストのγ特
性、レーザーの波長及びフォーカスを制御することによ
って、溝及び凸部の断面形状、ピッチ、幅、深さをコン
トロールすることが望ましい。

【００４９】また、所望の溝及び凸部に対応した形状に
カッティングして得られる原型の型面を転写することに
よって、液晶に接する内面（特に液晶配向制御層の表
面）に溝及び凸部を形成することができる。

【００５０】

【実施例】以下、本発明を実施例について更に詳細に説
明する。

【００５１】液晶表示素子の構成とその特性図３は、本発明に基づく強誘電性液晶表示素子（ＦＬＣ
ディスプレイ）の一例11を示すものである。

【００５２】このＦＬＣディスプレイ11によれば、ガラ
スなどの透明な一方の基板22ａの内面上には、図46に示
した透明電極層３ａと同様に、ＩＴＯ（indium tin oxi
de：インジウムにスズをドープした導電性酸化物）など
の多数本の透明電極層23ａがストライプ状に形成され、
これらの透明電極層を被覆した状態で光硬化性樹脂（２
Ｐ）からなる液晶配向膜24ａが被着されている。

【００５３】この液晶配向膜24ａには、本発明に基づく
複数の溝50及び鋸歯状の非対称凸部51が設けられてい
る。図４には、セルに組み立てる前の一方の基板側の構
成が示されている。

【００５４】そして、この液晶配向膜24ａには、既述し
たスペーサ（図46参照）と同等の機能をなす断面台形状
の柱状又は壁状の複数の突部又は突条部（凸部）20Ａが
ピラーとして、基板22ａの一端から他端に至るまで（紙
面垂直方向に）平行なストライプパターンに設けられて
いて、これらの突部20Ａ間に上記の電極22ａがほぼ平行
に設けられている。各突部20Ａは、一方の基板22ａから
他方の基板22ｂ側へ延び、ここに固着されている。但
し、突部20Ａは電極22ａの所定本数（例えば10本）毎に
１本設けられるが、図３では理解容易のために簡略に図
示している。

【００５５】他方の基板22ｂもガラスなどの透明基板で
あって、その内面上には基板22ａと同様に、透明電極層
23ｂ、上記樹脂層24ａと同様の液晶配向膜である光硬化
性樹脂（２Ｐ）層24ｂが順次積層されている。そして、
液晶配向膜24ａと24ｂとが互いに対向するように配して
いる。

【００５６】両基板22ａと22ｂとは、その間に強誘電性
液晶26を挟んだ状態で圧着され、周囲が接着剤27で封止
されてセル11の組み立てが終了する。

【００５７】ここで、注目すべき構成は、本発明に従っ
て、液晶26に接する液晶配向膜24ａ及び24ｂのそれぞれ
の内面に、図１に示すように多数の平行な溝50とこれら
の各溝に沿う鋸歯状の凸部51とが形成され、溝50の長さ
方向と直交する方向における溝50のなす凹部の最小曲率
半径ｒ（図１(III）参照）が 0.1μｍ以上（望ましくは
0.3μｍ以下）となっていることである。

【００５８】即ち、溝50のなす凹部の最小曲率半径（以
下、単に曲率半径と称する。）ｒが0.1μｍ以上である
ため、曲率半径がそれよりも小さい場合に比べて、強誘
電性液晶26のスイッチングを得るのに適した配向規制力
を生じ、このため、強誘電性液晶素子の単純マトリック
スでのパルス駆動が低電圧で可能となる。

【００５９】そして、溝50による配向規制力が鋸歯状構
造の凸部51による段差51ａ方向（溝50と直交する方向）
への配向規制力より強いので、液晶分子26は溝50の長さ
方向に配向し、従って、液晶分子が鋸歯状構造に沿って
配向して一定のプレチルト角をもつことにより、画素内
でのディフェクトが発生し難く、高コントラストの表示
特性が得られる。即ち、図２（Ｉ）に示すように、溝50
による１軸配向性と鋸歯状の凸部51によるプレチルト角
とが相加的若しくは相乗的に作用するのである。

【００６０】しかも、溝50及び凸部51は、後述するよう
に、上述したＡＯＭで変調されたレーザーによって原型
にカッティングし、これを転写して形成されるので、Ａ
ＯＭ変調によって大面積に加工が可能となり、また、素
子の製造工程を容易かつ短時間に低コストに実施するこ
とができる。

【００６１】即ち、ポリゴンミラーのスキャン方向によ
り液晶の配向溝50を形成し、スキャンしながら光強度変
調することによりプレチルトを持たせるための構造51を
形成する。配向溝の間隔はポリゴンミラーの１スキャン
時のステージ移動量で決まることになる。

【００６２】通常、液晶分子26は基板22ａ、22ｂ（実際
には配向膜24ａ、24ｂ）に対してあるプレチルト角を持
つため、配向溝に沿って並んだ時に図２（II）に示すよ
うな２状態（１）、（２）を取ることができる。基板上
でこの２つの状態が共存すると、その境界は欠陥とな
る。例えば、強誘電液晶では、ヘアピンまたはジクザグ
欠陥として現れる。ここでは、上記した非対称構造の凸
部51を作り、かつ、セルを組む際に２枚の基板の非対称
構造が向かい合うように配置することにより、一様な配
向状態（ブックシェルフ構造）を図２(III）のように形
成し易くしている（但し、凸部51の形状は図１のものと
は若干異なる）。

【００６３】このように、本発明に基づく液晶表示素子
は、優れた配向特性（特にＳｉＯ斜方蒸着膜と同等以
上）を有し、ラビング膜に比べて生産性の高い配向膜を
作製でき、かつ、液晶のプレチルト角を適切にコントロ
ールして高コントラスト化を実現できるものである。

【００６４】こうした顕著な効果について、液晶分子26
を凸部51上で所望のプレチルト角で一方向に配向させる
ためには、図１(II)において、溝50と平行な方向におけ
る凸部51の起点位置と頂部位置との距離をａ、この頂部
位置と終点位置との距離をｂとしたとき、ａ／ｂが１よ
り大きいこと（即ち、溝50の長さ方向で非対称であるこ
と）が望ましい。

【００６５】ａ／ｂを１より大きくしないと、ａによる
斜面上に液晶分子が一方向に配置され難くなり（ａ／ｂ
＝１ではａによる斜面上とｂによる斜面上のいずれにも
液晶分子が配置され、配向の欠陥が生じてしまう。）、
また、ａ／ｂは大きい分には問題はない。ａ／ｂは更に
1.6〜２とするのが一層望ましい。

【００６６】上記した効果を更に助長するには、図１(I
I)、(III）において、溝50と凸部51のそれぞれの深さと
ピッチについて、溝50の深さをＤ₁、凸部51の高さをＤ
₂、溝50のピッチをＡ₁、凸部51のピッチをＡ₂とした
とき、Ｒ_E＝（Ｄ₁ ²／Ａ₁ ³）／（Ｄ₂ ²／Ａ₂ ³）で定義さ
れるＲ_Eを 4.4以上とするのが望ましい。

【００６７】このようにＲ_Eを 4.4以上とすれば、溝50
に沿った配向が一層支配的となり、目的とするプレチル
ト角を確実に得ることができる。

【００６８】更に、溝50と鋸歯状構造の凸部51で液晶26
を配向させるに当たって、配向膜と液晶との接触角が、
配向特性、スイッチング特性、及び温度特性に影響して
いるので、液晶26に接する配向膜24ａ、24ｂの表面と液
晶26との接触角を17度以下とすることが望ましい。

【００６９】このような配向膜の材料は、液晶との接触
角が十分小さく、液晶分子が良好に配向するため、表面
形状で液晶の配向方向をコントロールできる。また、同
様の理由により、垂直配向が起きず、良好なメモリ性を
呈する。更に、液晶の基体への接触角は温度依存性があ
るが、小さい接触角の材料を基体表面に用いることによ
り、接触角の温度依存性は小さくすることができる。即
ち、鋸歯状構造によって発生したプレチルト角を温度に
依らずに一定に保つことが可能となる。

【００７０】本発明に基づく液晶素子に用いる基板22
ａ、22ｂは、通常、液晶表示素子に用いられるものであ
れば、何れでも適用可能である。基本的に必要な特性
は、複屈折が小さいことであり、ガラス、メタクリル樹
脂、ノルボルネン樹脂、ポリオレフィン樹脂等が使用可
能なものとして挙げられる。また、吸水性、耐熱性に優
れるポリカーボネート樹脂も、成形法を工夫して複屈折
を小さくできるので、使用可能である。

【００７１】また、透明電極23ａ、23ｂは、通常、液晶
表示素子に用いられるものであれば、何れでも使用可能
であり、ＩＴＯ（Indium tin oxide：インジウムにスズ
をドープした導電性酸化物）等が用いられる。

【００７２】液晶26と接する面の材料、特に配向膜材料
には、液晶との接触角が小さい特性が必要であり、
（１）小さい接触角を持つ材料を使用する、（２）表面
改質により接触角を小さくする方法が挙げられる。

【００７３】配向膜が液晶と接する場合には、液晶との
接触角が17°以下、例えば 5.5°である紫外線硬化樹
脂：ＯＶＤ−005(日本化薬株式会社製）、または低圧水
銀灯により表面改質した紫外線硬化樹脂：ダイキュアク
リアＳＤ−17（大日本インキ化学工業株式会社製）等が
使用可能である。また、絶縁膜が必要となる場合には、
ポリビニルアルコールを用いた。

【００７４】これらの液晶と接する材料は、それが硬化
型の樹脂であれば未硬化のモノマー及び反応開始剤等、
また、可塑型の樹脂であれば内部の可塑剤等が、長い間
に液晶中に溶け出してこないように充分な硬化反応また
は洗浄を行い、充分これらの低分子不純物を取り除いて
おく必要がある。これらの不純物が液晶中に溶け出して
くると、駆動特性の変化、液晶の劣化などの問題が生じ
るからである。

【００７５】また、使用可能な液晶材料は強誘電性を有
すれば、基本的に問題はない。チッソ株式会社製、メル
ク株式会社製、ＢＤＨ社製、或いは他の公知の強誘電性
液晶化合物又はこれと非カイラル液晶とからなる組成物
でも可能であるが、その制限はなく、また、その相系列
の制限も必要とせず、必要なことは使用温度範囲でカイ
ラルスメクチック液晶相をとることである。即ち、後述
の実施例に挙げるＣＳ−1014（チッソ株式会社製）、そ
の他のものも使用可能である。更に、本出願人が特願平
４−３０９２３８号等において既に提示した材料等を用
いてアナログ階調を実現することも可能である。

【００７６】また、液晶は後述する注入法でセルギャッ
プに充填するが、これ以外にも、本出願人による特願平
６−２７０２７２号において提示した液晶の塗布によっ
て液晶表示素子を製造することが可能である。この塗布
方法により、液晶表示素子の製造に係るコストを大幅に
削減することが可能となると共に、大型で均一性の高
い、しかも高性能な液晶表示素子が得られる。

【００７７】本実施例による液晶素子を作製するに際
し、配向膜24ａ、24ｂの表面形状を形成するには、上述
のＡＯＭによって変調したレーザーをスキャンする方法
が適している。

【００７８】このレーザースキャン方式によるカッティ
ング工程を経て素子を作製するには、図５〜図12に示す
工程を順次実施するが、このフローを以下にまとめる。

【００７９】（１）フォトレジスト54を塗布したガラス
原版53からなるワーク65に、レーザーリソグラフィー
（変調レーザービーム52をレンズ系55を通してフォーカ
シング）を用いて露光を行う（図５）。（２）現像を行う（図６）。（３）メッキ56を行う（図７）。（４）レジスト54とメッキ56を剥離する（剥離したメッ
キ56をスタンパと呼ぶ。）（図８）。（５）スタンパ56上にＵＶ（紫外線）硬化樹脂24（２
Ｐ）をたらし、電極23ａ又は23ｂがパターニングされた
ガラス22ａ又は22ｂを載せる（図９）。但し、スタンパ
56には、図４で示した如き突条部20Ａに対応した凹部が
設けられているが、ここでは図示省略した。（６）ＵＶ57をランプ58から照射し、硬化後にスタンパ
56を剥がす（図10、図11）。（７）上記のようにして得た基板22ａ、22ｂを用いて、
その間に液晶26を封入し、セル化する（図12）。このセ
ルは概略的に示したが、詳細は図３に示したものであっ
てよい。

【００８０】この作製方法において、上記のレーザーリ
ソグラフィーを用いることが極めて重要である。即ち、
レーザーリソグラフィー技術を用い、変調されたレーザ
ービーム52によって、上記の溝50及び凸部51に対応した
凹凸形状を基板53上のフォトレジスト54に対してカッテ
ィングする。レーザーリソグラフィーとは、レーザービ
ーム52を変調素子で強度変調した後、レンズ系55でフォ
ーカシングし、２次元に面上を走査することで露光を行
う技術のことである。レーザーリソグラフィーを行うた
めの装置（リソグラフィー装置）の主要な構成例を図13
に示す。

【００８１】レーザー61を出たレーザービーム52Ａを光
変調素子62で強度変調を行う。この時の変調信号は上記
の溝50及び凸部51に対応した露光パターンに応じたもの
を入力する。こうして変調されたレーザービーム52をポ
リゴンミラー63で偏向した後、縮小投影光学系64でフォ
トレジスト54を有するワーク65上に投影する。この結
果、図14のように、長さｄ₁の線状に露光が行われる。
同時にリニアステージを用いて66の方向にワーク65を移
動する。

【００８２】この結果、ワーク65上には、図14で示すよ
うな状態でパターンが露光される。66で示す方向の露光
が１ライン終わったら、リニアステージを67方向に距離
ｄ₁だけ動かし、次のラインの露光を行い、ワーク65の
全体を露光する。即ち、点71をスタートしたビームはポ
リゴンミラー63の回転とステージの66方向の移動に伴っ
て移動し、ポリゴンミラー63の１面の終わりまで来た時
に点72に達する。その後、ポリゴンミラー63の次の面に
かわり、点73に移動する。

【００８３】このような操作を繰り返し、点74から75に
達した後、ステージを67の方向に距離ｄ₁だけ移動させ
ると、点76にビームが移動する。その後、またステージ
を66と反対方向に移動することで、点77、78と露光点が
移動していく。これを繰り返し、ワーク全面が露光され
る。

【００８４】このレーザーリソグラフィー装置を用い
て、液晶配向に適したパターンを露光する。そのために
は、光変調素子62の入力信号に適当な入力を与えればよ
いが、本実施例では鋸歯状波形信号を入力した。この場
合、ＡＯＭの変調のパターン、用いるフォトレジストの
γ特性、レーザーの波長、レーザーのフォーカス等を変
化させることによって、溝と鋸歯状の断面に対応した形
状を同時に作製できる他、この鋸歯状構造のピッチ、角
度、溝の幅、深さ、断面形状（溝の凸部、凹部の曲率）
をコントロールできる。

【００８５】こうして得られる型部材の型面の転写によ
って、所望の表面形状を配向膜24ａ、24ｂに形成でき
る。レーザースキャンにより作製した形状をそのまま使
う方法もあるが、レーザースキャン後に現像で得られた
型（図６参照）を用いて複製を作製する方が、より生産
的である。複製を取る回数によって凹凸のパターンは元
のパターンと同じであるか（複製の複製を取れば元のパ
ターンになる）、反転されたものが得られる。

【００８６】複製の取り方に関しては、パターンを正確
に転写することが可能であれば、何れの方法でも適用で
きる。図15〜図19には、種々の型部材又は複製方法を示
す。

【００８７】図15は、図６に対応した原型の実際の一例
を示すが、これを用いて種々の型部材を作製できる。型
部材の作製方法としては、（１）レジスト54上に薄く金属膜80を形成し、これを型
部材とする（図16）。この金属膜は転写の際の剥離性を
良くするために形成し、非常に薄くてよい（例えば１μ
ｍ以下）。使用可能な金属は転写材との剥離性が良いも
のであればＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等、何でもよく、合金のほ
か、金属酸化膜、金属窒化膜等の無機材料でもよい。こ
れらはスパッタ、蒸着、メッキ等により形成する。（２）レジスト基板上に金属メッキすることで得られる
金属板56を型部材とする（図17）。金属板の剥離は、レ
ジストを有機溶剤で溶解することによって行う。（３）（２）の方法で得られた型部材上に剥離剤を塗布
後、金属メッキすることで得た金属板81を型部材とする
（このとき、金属板81は金属板56の形状が反転した型部
材となっている）（図18）。（４）更に、金属板81を基に同様に金属メッキすること
で得た金属板82を型部材とする（図19）。

【００８８】型部材56と82は同じ凹凸形状であるが、
（３）ないし（４）の工程では１枚の型部材より多数枚
の型部材の転写が可能であり、１回のレーザーリソグラ
フィーで多数枚の型部材を得ることが可能となる。

【００８９】また、（１）と（３）の方法では、液晶配
向基板に転写した際の凹凸形状がレジストパターンに対
して反転することになる。これにより、後述するピラー
（突部）およびドメイン（画素）分離用壁等、他構造と
の集積化が可能となる。

【００９０】図20には、例えば図15に示した原版を用い
て、メッキによりスタンパ56を作製し、これに接着剤83
によって基板84を固定し、スタンパ56を一体化して剥離
し、型部材とした例を示している。

【００９１】液晶のセル化に際しては、基板間隔を均一
にする必要があるため、型部材は平坦性の高いことが要
求される。一方、メッキで作製した型部材は、内部応力
により、レジストから剥離した際に凹または凸平面とな
り易い。この形状はメッキプロセスによるが、例えばス
ルファミン酸浴では、メッキ厚 300μｍ以下では凹形
状、 400μｍ以上では凸形状となることがある。平坦度
を確保するためにメッキ厚は 300〜400 μｍとしている
が、さらに平坦度を向上させるために、図20に示した方
法が有効である。

【００９２】まず、現像後のレジスト原盤54上にメッキ
により、金属型部材56を形成する。次に、この裏面を研
磨し、大きな突起やうねりを取り除く。その後、支持基
板84を接着剤83によって接着する。十分硬化したのち
に、溶剤によりレジスト54を溶かし、剥離を行い、型部
材を得る。

【００９３】支持基板84としては、平坦度が高くかつ型
部材の応力で曲げが発生しなければ、ガラスのほか、金
属、半導体等、何でもよい。接着剤83としては、ＵＶ硬
化性樹脂、エポキシ樹脂のほか、ロウ材を用いてもよ
い。

【００９４】上記レーザーリソグラフィーにより形成さ
れた凹凸のレジストパターン54を基に上記の各型部材を
形成し、その後、配向基板上への転写を行う。転写に際
しては、いずれもＩＴＯ電極パターンが形成された基板
又は型部材上に転写材としてＵＶ硬化樹脂を滴下し、型
部材と基板を押圧し、ＵＶ光を照射することで硬化さ
せ、型部材を剥離する。こうした２Ｐ法によって、ラビ
ングのような塵埃がなく、大面積化が容易となり、また
低コスト、大量生産が可能となる。

【００９５】図６（Ｉ）について、型部材から液晶基板
への転写方法について述べる。図21に示すように、型部
材81上にＵＶ硬化樹脂24を滴下し、走査用電極パターン
23ａ、23ｂが形成されたガラス基板22ａ、22ｂを押圧す
る。液晶基板側よりＵＶ光を照射することにより硬化を
行ない、型部材から剥離し、基板上の液晶配向膜24ａ、
24ｂに凹凸のパターンを得る。

【００９６】以上の型部材としては、メッキでは湿式又
は乾式でもよく、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｇ金属が挙げら
れる。この他にも、光硬化性樹脂、ポリイミド、尿素、
メラミン、フェノール、エポキシ、不飽和ポリエステ
ル、アルキド、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリ
カーボネート等の熱可塑性樹脂を金属メッキ板から転写
することで、型部材として用いることができる。転写基
板ないしは転写材との剥離性に乏しい場合には、蒸着、
スパッタ、メッキ等で金属薄膜を付けることで、表面性
の改善を行う。

【００９７】転写基板としては、ガラスの他に、ポリメ
チルメタクリレート等のアクリル、エポキシ樹脂及びポ
リカーボネート等の熱可塑性基板が挙げられる。転写材
としては、上記光硬化性、熱硬化性、熱可塑性樹脂を用
いることができる。

【００９８】また、カッティングにより得られた形状の
反転形状が得られることから、上記した突部20Ａ（ピラ
ー）等の集積化において有効である。即ち、配向膜24
ａ、24ｂを作製すると同時に、従来のスペーサの代わり
になる柱もしくは堤防のような構造20Ａを導入すること
が可能となるので、スペーサを散布するための工程を省
き、低コスト化が図れると同時に、より正確なギャップ
を得ることが可能となる。

【００９９】また、上記した方法では、射出成形法によ
り、転写基板と転写材の一体形成が可能となる。即ち、
図21（II）に示すように、ポリカーボネートに代表され
る熱可塑性樹脂で形成するには、液晶基板22ａ、22ｂ
（図示せず）を配した金型85と配向用型部材86をセット
した金型91とを接合し、あらかじめ加熱しておく。この
状態で高温に加熱し、溶融させた樹脂24を射出圧縮後、
金型ごと冷却し、液晶配向基板を得る。

【０１００】また、ポリイミド、尿素、メラミン、フェ
ノール、エポキシ、不飽和ポリエステル、アルキド、ウ
レタン樹脂等の熱硬化性樹脂では、冷却状態で射出圧縮
を行い、加熱することにより硬化を行い、液晶配向基板
を得る。型部材としては、 200℃以上の耐熱性が必要な
ことから、金属の型部材を用いることが望ましい。

【０１０１】上記の液晶配向基板において、表面と液晶
との濡れ性を改質する必要がある場合には、表面にＰＶ
Ａ（ポリビニルアルコール）やポリイミド等の熱硬化性
樹脂を薄く塗布し、加熱により硬化させてもよい。

【０１０２】上記したレーザーリソグラフィーを用い、
２Ｐ法で配向膜を形成すると、図22に示すように、基板
22ａ又は22ｂ（但し、ＩＴＯ電極等は図示省略）上の配
向膜24ａ又は24ｂに溝50及び凸部51を加工することがで
きる。なお、この２Ｐ法のように紫外線硬化樹脂を用い
る以外にも、熱硬化性樹脂を用い、加熱によって硬化さ
せて配向膜としてもよい（熱硬化法）。

【０１０３】この２Ｐ法に代えて、例えば光ディスクの
生産に用いられているインジョクションモールド法も適
用可能である。インジョクションモールドとは、熱した
型に熱可塑性高分子を流し込み、プレスした後、冷却す
ることにより、型の転写をする方法である。この方法
は、基本的に基体そのものを作製する方法で、配向能は
基体が有する。この場合の液晶表示素子の構成として
は、図３において基板22ａ、22ｂをプラスチック基板と
し、突条部20Ａを基板と一体に成形すると共に、上記し
た溝50及び凸部51を基板自体に成形する。

【０１０４】これを図23に概略的に示す（但し、ＩＴＯ
電極等は図示省略）と、基板22ａ又は22ｂの表面には上
記の溝50及び凸部51に相当する形状の溝50’及び凸部5
1’が加工されている。この基板表面形状は、例えば図1
7（Ｂ）に示したスタンパ56の型面を熱可塑性樹脂に転
写することによって形成可能である。そして、この基板
の表面上にＩＴＯ、絶縁膜を順次設けることによって、
この絶縁膜24ａ’、24ｂ’の表面には基板の表面形状に
追随した溝50及び凸部51が形成されることになる。

【０１０５】インジェクションモールド法は型の作製の
コストが比較的高いが、型の作製の後は、２Ｐ法や熱硬
化法に比べて、低コストかつ短時間で複製を作製するこ
とが可能であるから、配向膜の大量生産に適している。
逆に、２Ｐ法、熱硬化法はインジェクションモールドに
比較して、型の作製が容易であるので、配向膜の少量多
品種生産に向いている。

【０１０６】以上に説明したレーザーリソグラフィーを
用いることによる利点をまとめると、次の通りである。（１）大面積の露光が可能である。露光可能面積はステ
ージの移動量で決まるため、大面積化が容易である。斜
方蒸着及びラビングでは、大面積にわたって均一にする
ことは難しい。

【０１０７】（２）配向制御用の凹凸パターン50、51が
精度よく任意の形状に形成可能である。スポットサイズ
が 0.5μｍ以下と小さくできることから、微小な形状を
作製でき、またフォーカスサーボをかけると均一とな
る。光強度変調信号とステージの送りピッチを変えるこ
とにより、任意の形状ができる。

【０１０８】（３）他の形状との集積化が可能。１対の
基板間の距離を一定に保つためのピラーや、画素間の干
渉を避けるためのドメイン分離壁が同時に作れる。

【０１０９】（４）ラビングのような塵埃が出ない。

【０１１０】また、レプリカ（型部材）からの転写を行
うので、（５）大量生産が可能。非常に安価となり、射
出成形では更に低コストとなる。

【０１１１】（６）レジストパターンに対して正転（ポ
ジ）、反転（ネガ）の両方が得られる。集積化する際の
自由度が大きい。

【０１１２】（７）保守についても、一回のレジストパ
ターンから多数の型部材が得られる。

【０１１３】液晶表示素子の製造工程次に、上記した図３の液晶表示素子11の製造方法を図24
〜図29について具体的に例示する。

【０１１４】１．概略液晶の注入工程の終了まで、全てのプロセスはクリーン
ルーム内で行った。

【０１１５】まず、清浄なガラス基板22ａの表面にフォ
トリソグラフィ法によってＩＴＯ等の透明電極層23ａを
多数本平行に形成した。

【０１１６】次いで、表面に溝と鋸歯状構造を有する形
状の反転形状を有する型（スタンパ）56を作製した。こ
のスタンパには、従来のスペーサに相当する柱構造を基
板上に設けるための形状（柱の反転形状）をも設けた。

【０１１７】洗浄したガラス基板を充分乾燥させ、シラ
ンカップリング処理を施した。これは、膜の密着性を向
上させるためなので、チタンカップリング処理等の方法
で代用することもできる。

【０１１８】次いで、ガラス基板22ａの電極23ａ上、又
はスタンパ56上に紫外線硬化樹脂24を未硬化の状態で滴
下し、スタンパ56を型押しした後、ガラス基板側から紫
外光を照射し、樹脂を硬化させ、スタンパを剥離して、
配向膜24ａによる配向能を有する表面形状を得た。

【０１１９】次いで、配向膜24ａ付きのガラス基板22ａ
を洗浄し、硬化樹脂に含まれる不純物（重合開始剤、未
反応のモノマー、ダイマー等の低分子量物質）を取り除
いた。

【０１２０】このようにして作製した配向膜を有するガ
ラス基板を２枚22ａ、22ｂ用意して、これらの一部に接
着剤27を塗布して重ね合わせることによりセルを作製し
た。

【０１２１】更に、チッソ株式会社製の強誘電性液晶Ｃ
Ｓ−1014をセル内に注入した。

【０１２２】次に、上述の各工程を詳しく記す。

【０１２３】(1) 透明電極の形成図24に示すように、ガラス基板22ａの片面にスパッタ法
によりＩＴＯからなる透明電極材料層を形成し、フォト
リソグラフィ法により所定のパターンの透明電極23ａを
形成した。このパターニングの一般的な手順を以下に示
す。

【０１２４】（Ａ）ＩＴＯのスパッタ（Ｂ）レジストのスピンコート（Ｃ）レジスト膜のプリベーク（Ｄ）レジスト膜のポストベーク（Ｅ）レジスト膜の露光（Ｆ）レジスト膜のエッチング（Ｇ）ＩＴＯのエッチング（Ｈ）洗浄（Ｉ）レジスト膜の剥離（Ｊ）洗浄

【０１２５】(2) 基板の洗浄６cm×７cmのガラス基板22ａをクリーンルーム内で三槽
式超音波洗浄器（サン電子株式会社製）によって下記の
ように洗浄及び乾燥処理した。

【０１２６】第１槽：アルカリ洗浄（スキャット×20）
を用い、水温45℃にして基板22ａを揺動させながら、超
音波洗浄を３分間行った。

【０１２７】第２槽：純水シャワーを浴びせながら基板
22ａを揺動しつつ、３分間の超音波すすぎを３回行い、
アルカリ洗剤を流し落とした。

【０１２８】第３槽：基板22ａを水温80℃の純水に１分
間漬け、エレベータ機構により基板を純水から徐々に引
上げ、放置乾燥を行った。

【０１２９】次に、ＵＶドライストリッパークリーナー
（サムコインターナショナル研究所株式会社製）を用い
て、室温で10分間、ＵＶオゾン洗浄を行った。但し、以
下の配向膜の形成の後は、このＵＶオゾン洗浄を行わな
かった。

【０１３０】(3) 配向膜の作製図５〜図14で既に述べたプロセスに従って、レーザーリ
ソグラフィーによりフォトレジスト54のカッティング
（図５、図６）、メッキ（図７）、メッキ剥離（図８）
を経て、目的とする配向膜の表面形状（溝50及び凸部5
1、突部20Ａ）に対して反転した型形状のスタンパ56を
作製した。図25には、溝50及び凸部51の反転形状の凸部
（図示せず）及び凹部51Ａと、突部20Ａの反転形状の凹
部92とが概略的に示されている。ここで、レジスト54と
しては厚さ 1.5μｍのネガ型又はポジ型が使用可能であ
る。

【０１３１】この作製プロセスにおいて、レーザーリソ
グラフィー装置としては、レーザー61として出力 250mW
のＫｒレーザーを用い、波長は 413nmを用いた。また、
光変調素子62としては音響光学変調素子（ＡＯＭ）を用
いた。また、縮小投影光学系として40倍の対物レンズ55
を用い、ビーム径をワーク上で１μｍ以下に絞った。ま
た、ポリゴンミラー63の１スキャンラインの長さｄ₁を
0.5mmにとった。露光面積はステージの可動距離で決ま
るが、一例としてＡ４サイズまでの露光は可能である。

【０１３２】なお、上記の露光時には、レジストを感光
しない長波長のレーザービーム、例えば波長 633nmのＨ
ｅ−Ｎｅレーザーを用い、対物レンズとレジスト原盤と
の距離が一定となるようにフォーカスサーボをかける。
これにより、大面積にわたって均一なパターンを得るこ
とができる。

【０１３３】上記したプロセスによって、図１及び図５
に示したパターンが露光されることになる。本実施例で
は、露光方向のピッチを２μｍ、露光スキャン間隔ｄ₂
を 0.7μｍに選んだ。なお、配向溝50はその幅（ピッ
チ）が小さく、深さが深いほど配向力が大きくなるた
め、そのピッチは１μｍ以下にすることが望ましい。上
記の光学系では、配向溝のピッチを 0.5μｍとしたとき
に溝深さがほぼ０となるため、 0.6〜1.0 μｍの間とす
るのがよい。また、非対称構造である凸部51についても
できるだけ小さい方が、セル間隔が一定となるので５μ
ｍ以下とすることが望ましい。

【０１３４】また、図25のスタンパ56の作製に際して
は、図７及び図８の如き場合、レーザーリソグラフィー
後に、凹凸のレジストパターン54上にまず導電性を持た
せるために、例えば約70nm厚のＮｉの無電解メッキを行
い、その後、Ｎｉ電解メッキによりＮｉ膜を厚さ 0.2〜
0.6mm まで成長させ、有機溶剤にてレジストを溶解し、
剥離することで型部材を得た。無電解メッキ厚は導通が
とれればよく、50〜100nm とした。

【０１３５】図20に示した方法による場合、ガラス原盤
53上にレーザーパターン54に対し、ニッケル56を鍍金に
より、 300μｍ厚で形成した。その後、テープ研磨によ
りニッケル面を平坦化した。これに対して６mm厚のガラ
ス原盤を支持基板84とし、２液性エポキシ樹脂により、
ガラス原盤と型部材の接着を行った。十分に硬化を進め
るために10時間以上放置したのち、アセトンによりレジ
ストを端部から溶解し、剥離を行った。これにより、貼
り合わせ時の型部材の平坦度は、 100mmあたり１μｍ以
下が得られるようになった。

【０１３６】次いで、図26のように、紫外線硬化樹脂：
ＯＶＤ−005(日本化薬株式会社製）24をスタンパ56上に
塗布し、樹脂厚が10μｍ以下となるように基板22ａの電
極23ａ側に重ね合わせた（但し、基板22ａ上に樹脂を塗
布してもよい）。この状態で、図27のように、メタルハ
ライドランプにより紫外線57を基板22ａ側から20〜30秒
間照射し、樹脂24を光硬化させた。

【０１３７】なお、この転写工程は、図16又は図18に示
した型部材を用いても実施可能であった。図16の型部材
の場合、レーザーリソグラフィーの後、剥離性向上のた
めにレジスト54の凹凸形状の表面にＣｒを50nm程度スパ
ッタし、この表面にＵＶ硬化樹脂を滴下した。次に、Ｉ
ＴＯ電極パターンの付いたガラス基板22ａを押圧し、レ
ジン厚が10μｍ以下となるようにした。その後、メタル
ハライドランプによりＵＶ光を20〜30秒照射し、硬化を
行い、剥離することにより、転写基板を得た。図18の型
部材を用いる場合、図25のスタンパ56（Ｎｉ型部材）上
に剥離剤を塗布後、Ｎｉ無電解ないし電解メッキを行
い、剥離することにより反転形状となる型部材を得た。

【０１３８】次いで、図28のように、スタンパ56を分離
することによって、上記の紫外線硬化樹脂からなる配向
膜24ａを被着した基板22ａを作製した。配向膜24ａに
は、配向能を示す形状（鋸歯状の凸部51及び溝50）と共
に、スペーサの代わりになる柱構造20Ａを設けた。この
場合、図29のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像に示すよう
に、柱20Ａは長さ２μｍ×幅３μｍ×高さ 1.5μｍの直
方体で、仮想線で示したＩＴＯの配線23ａに沿って３μ
ｍの間隔を置いて、非ＩＴＯ部に設置した。このような
柱20Ａの列を基板上に多数設けるわけであるが、本実施
例ではＩＴＯの幅Ｄを 280μｍ、ＩＴＯ配線23ａ−23ａ
間の間隔を20μｍとしたので、隣接する柱の列間の間隔
は 300μｍとした。

【０１３９】(4) セルの作製（ｉ）基板の重ね合わせ配向膜24ａ、24ｂ及びＩＴＯ23ａ、23ｂ付きのガラス基
板を２枚22ａ、22ｂ用意した。その２枚は、配向面を対
向して組んだ際に、鋸歯状の凸部51の配列方向が反平行
となり、ＩＴＯのラインが互いに直交するように作製し
た。この２枚のうち１枚において、表示部の外側の配向
膜上に紫外線硬化樹脂（ＵＶ−1000：ソニーケミカル株
式会社製）をスクリーン印刷により塗布して２枚の基板
を組み合わせ、紫外線を照射して樹脂を硬化し、 1.5μ
ｍの間隙を有するセルを作製した。

【０１４０】（ii）セルの強化本実施例で用いた基板のサイズは６cm×７cmであるの
で、（ｉ）に示した基板の接着でセルの強度はほぼ充分
である。しかしながら、大面積の表示素子を得るには２
枚のガラス基板の固定が問題になってくる。ここでは、
（ｉ）の後、配向膜に作り込まれた柱構造20Ａにエキシ
マダイレーザをセル表面からレンズを通して充分小さく
集光し、柱20Ａと対向する基板22ｂと22ａとを融着し
た。エキシマダイレーザの照射箇所は、セル１cm²当た
り５箇所とした。

【０１４１】この融着によって基板間が固定され、液晶
表示素子を大型化する際に問題となる重力による基板間
（特に素子を立てて設置した際の下部）の間隙の増加を
解消することができる。また、基板をフィルム化するこ
とも可能となる。

【０１４２】本実施例ではセル１cm²当たり５箇所の照
射を行って上記のようにセルを強化したが、これは一例
であり、セルが充分な強度を有しながらその生産性を上
げるためには照射箇所を減らすことも可能である。ま
た、２枚の基板を接着する前に基板の１枚或いは２枚共
にシランカップリング処理やチタンカップリング処理を
施して、２枚の基板の密着性を上げることも可能であ
る。

【０１４３】(5) 液晶の注入図30に示すように、セル11を真空装置90内（真空中）に
放置し、一対の基板22ａ−22ｂ間の間隙内の空気を取り
除いた。液晶26は強誘電性液晶ＣＳ−1014（チッソ株式
会社製）を60℃（スメクチックＡ相）で真空装置90の真
空中に１時間放置し、溶存していた空気を充分脱泡した
ものを用いた。セル及び液晶を 100℃に加熱し、液晶を
等方相にした。その状態でセルの一部に設けた注入口27
ａをボート98内の液晶26に浸した。ここまで、真空（真
空度１mmHg以下）を保ったまま操作した。液晶26がセル
の間隙内へ入り始め、注入口27ａが塞がったのを確認し
た後、真空チャンバ90内に 100℃の空気を導入し、注入
を加速した。

【０１４４】完全に間隙が液晶26で満たされた後、セル
11をチャンバ90から取り出し、ＩＴＯ電極を駆動回路に
接続して、温度コントロール可能なホットプレートで挟
み込んだ。セルを３℃／分の速度で冷却し、液晶がスメ
クチックＡ相を示したところで、＋30Ｖ、50μsec ；−
30Ｖ、50μsec ；０Ｖ、５ｍsec ；−30Ｖ、50μsec；
＋30Ｖ、50μsec ；０Ｖ、５ｍsec の各パターンで電界
をセル全面に、セルが室温に冷えるまで加えた。

【０１４５】このような電界を与えることにより、後の
スイッチングが30Ｖ程度の電圧で得られるようになっ
た。

【０１４６】この電界を与えなかったとき、または、電
界を与えた結果ツイスト配向が得られた場合、セルが室
温まで冷却された後に±70Ｖ、100Hz の矩形波を、セル
全面の液晶がスイッチングするまで与えることにより、
30Ｖ程度の電圧でのスイッチングが可能となった。

【０１４７】次に、上述した配向溝50に沿った方向の視
野角の改善について述べる。

【０１４８】図31（Ｉ）は、配向溝に沿った方向の基板
断面を表している。強誘電性液晶26は、図１及び図２の
例と同様に、基板面に対してあるプレチルト角をもって
層構造をなして並んでいる。このとき、矢印87の方向か
らは液晶の長手側をみることになり、広い視野角が得ら
れるが、矢印88の方向からは液晶を頭側からみることに
なり、狭い視野角しか得られない。

【０１４９】そこで、図31（II）に示すように、１つの
画素ＰＸを例えば２つのＰＸ₁、ＰＸ₂に分割して、そ
れぞれの画素部分での液晶配向方向を逆にする。このよ
うに構成すれば、反転、黒つぶれ、白抜けなどの各特性
が補償され、矢印87、88のいずれの方向からも同程度に
観察可能となり、視野角が拡がることになる。この効果
はＴＮ液晶についても同様である。また、これは、プレ
チルト角の大きな液晶での改善効果が大きい。

【０１５０】図31（II）の如き構造をラビング膜で行う
場合、ラビング方向を変える必要があり、このために
は、レジストでマスクしてラビングを行わなければなら
ないので、作製工程が増えること、レジスト塗布や現
像、剥離工程での配向性能の劣化が生じるなどの問題点
があった。これに対し、本発明に基づくレーザーリソグ
ラフィーにおいては、露光時に加える変調信号を変える
ことによって、容易に画素内の非対称構造の向きを変え
ることができる。

【０１５１】実際には、１画素のサイズを 300μｍ角と
し、ポリゴンミラーのスキャン幅を300μｍ、配向溝の
幅を 0.6μｍピッチとしたときに、配向溝を 150μｍ(2
50溝分）描画したところで、鋸歯波形の向きが 180度入
れかわるように変調信号を切り換えた。この場合、送り
方向に画素が２分割されるが、スキャン方向に 150μｍ
スキャンした位置で信号を切り替えれば、スキャン方向
に沿って画素を２分割することができる。こうした画素
の分割数や分割パターンは種々変えることができ、要は
非対称構造（凸部51）が１画素内で異なる（望ましく
は、逆となる）ように、画素を複数部分に区画すればよ
い。

【０１５２】セル基板22ａと22ｂとの間隔（セルギャッ
プ）を保持するためのピラー20Ａの集積化について述べ
る。

【０１５３】上述したように、レーザー光を強度変調す
ることによって、液晶配向膜の凹凸形状を得ることがで
きるが、このように変調信号を変更するだけで、凹凸形
状に加えて、液晶セル間のギャップを一定に保つための
ピラーの集積化が可能である。この方法では、以下の利
点がある。セル化の際のスペーサ塗布の工程が不要。スペーサの配置位置ならびに密度、形状を任意に決定
できる。スペーサ位置をＩＴＯ電極間にすると、画素内にスペ
ーサが存在しないようにできる（図29参照）。従来は、スペーサとしてシリカボールを散布していた
が、均一に、かつ個々が十分離れて散布することは難し
かった。

【０１５４】ピラー20Ａの作製方法を図32に示す。ま
ず、ガラス原盤53上にレジスト54を塗布し、レーザーリ
ソグラフィーにより液晶配向構造93を形成するための露
光を行う。次に、ピラー構造94を形成するための露光を
行い、現像する。ポジ型のレジスト54を用いた場合に
は、ピラー構造が凹状となった集積化構造を得る。

【０１５５】ピラー形成はレーザーリソグラフィー以外
の露光方法、例えばマスク露光及びホログラム露光によ
ってもよいし、１回のレーザーリソグラフィーで同時に
形成してもよい。そして、前述の方法により型部材56を
形成し、さらに反転させてピラー構造用の凹部92付きの
型部材56’を得る。セル化においては、ピラーはどちら
か一方の液晶配向基板にあればよく、ピラー付きとピラ
ー無しの転写基板を組み合わせることになる（図３参
照）。

【０１５６】ピラー形状については、柱状、壁状、円柱
状のいずれでもよい。ピラーサイズについては十分な強
度を得るためには、幅、奥行きともに 0.5μｍ以上であ
って画素より小さいことが望ましい。その配置は、ピラ
ー付近の液晶配向の乱れを目立たなくするために、画素
と画素との間に置くことが望ましい。

【０１５７】具体的には、ガラス原盤53上にレジスト54
を１〜３μｍ塗布し、１回目のレーザー露光でピッチ２
μｍの鋸歯形状を、２回目でピラー形状を作成した。そ
の際のレーザーパワーは 2.5mW、ピラーサイズは３×３
μｍで、 300μｍおきに配置した。その後、ニッケル無
電解メッキ、電解メッキにより型部材56を形成し、さら
に、メッキにより反転したニッケルの型部材56’を得
た。メッキ厚さはそれぞれ 300μｍとした。パターン転
写は、反転型部材56’にＵＶレジンを滴下し、ＩＴＯ電
極の付いたガラス基板を圧着し、ＵＶ光を数十秒照射す
ることにより硬化を行った。

【０１５８】次に、ドメイン（画素）を分離するための
分離壁の集積化について述べる。

【０１５９】上記したと同様の方法を用いて、図33〜図
35に示すように、画素間を分離するドメイン分離壁95も
集積化することができる。ドメイン分離壁95は、画素と
画素との間に設け、隣接しあった画素の液晶の動作の影
響を受けにくくする。

【０１６０】分離壁95の形状は、図33に示すような壁状
体や、円筒又は台形の柱を連ねたものを画素間に、ＩＴ
Ｏ電極の非存在領域にあるピラー20Ａ間を連結する如く
に配置する。図34は、セルを組んだ際の単純マトリクス
の走査電極の配置を示したものであり、上部と下部電極
が重なったところが画素となっている。そのため、分離
壁95は電極と電極の間に配置し、また、組み合わせる液
晶基板の片側又は両側に作製する。

【０１６１】ドメイン分離壁95の高さは、セルギャップ
の１／４〜３／４（例えば１／２）が好ましい。この範
囲より、ドメイン分離壁が低いと隣の画素の液晶の動作
の影響（クロストーク）が生じ易く、またドメイン分離
壁が高いとセルギャップ間に液晶を注入する際に障害と
なり易い。また、ドメイン分離壁95の幅は、画素にはみ
出さないことが望まれるので、10μｍ以下がよい。

【０１６２】具体的には、まず、液晶の配向制御用の溝
50のパターンを露光後、セルギャップをコントロールす
るためのピラーのパターンを露光した。この間隔は画素
ピッチと同じ 300μｍとし、サイズは３×３μｍ、高さ
は 1.5μｍである。さらに、分離壁95は、ピラーを繋ぐ
ようにパターン露光し（図34）、また幅は 1.5μｍ、高
さ 0.5μｍとし、更にその配置はＩＴＯ透明電極間とし
た。

【０１６３】配向膜材料による液晶の配向特性（例１〜
６） (1) 配向膜作製に用いた材料液晶表示素子11の配向膜材料を変えたときの液晶の配向
特性を検討した。配向膜材料は、例１：ＯＶＤ−005(日本化薬株式会社製）、例２：ＳＫ−23（日本ゼオン株式会社製）、例３：ダイキュアクリアＳＤ−17（以下、単にＳＤ−17
と称する。）（大日本インキ化学工業株式会社製、以下
の２種も同社製）、例４：ダイキュアクリアＳＤ−2200（以下、単にＳＤ−
2200と称する。）、例５：ダイキュアクリアＳＤ−318(以下、単にＳＤ−31
8 と称する。）の５種類を用いた。これらは全て紫外線硬化樹脂であ
る。

【０１６４】(2) 接触角の測定液晶と配向膜材料との濡れ性を示す接触角を測定した。
測定法を模式的に図36に示す。即ち、平坦なガラス基板
91上に上記の配向膜材料24をスピンコートし、更に紫外
線照射で硬化して、配向膜材料の平坦な膜を得た。この
膜の上にＣＳ−1014を極細のニードルを通して滴下し
た。その際、温度は液晶26、基板91共に 100℃（ＣＳ−
1014は等方相となる。）とした。滴下する量は可能な限
り微少にした。これは重力により、膜上の液滴の形状が
影響を受けることを避けるためである。

【０１６５】膜24上の液滴26のエッジの部分を顕微鏡を
用いて観察し、接触角を測定した。顕微鏡の視野内には
マーカーがあり、角度θを容易に測定できる。接触角は
角度θの２倍として求められる。得られた接触角を次に
示す。

【０１６６】ＯＶＤ−005 ＳＫ−23 ＳＤ−17 ＳＤ−2200 ＳＤ−318 接触角（°） 5.5 16.8 39.8 42.1 49.9

【０１６７】(3) 液晶素子の作製接触角の測定用のサンプルとは別個に、上述した方法に
より液晶表示素子を作製した。但し、ここではテストの
ため、３cm×４cmのガラス上に１cm×１cmの電極を設け
た基板で作製したセルに液晶を注入したテストデバイス
とした。配向膜の形状は溝50のピッチ（互いに隣り合う
溝の中心間の距離）を 0.7μｍ、鋸歯状の凸部51のピッ
チを 2.0μｍとした。溝50の凹部の最小曲率半径を0.18
μｍとした。

【０１６８】この結果、配向膜にＳＤ−17、ＳＤ−220
0、ＳＤ−318 を用いた場合、強誘電性液晶ＣＳ−1014
の注入時にセル内部に注入され難かった。或いは、例え
セル内部にＣＳ−1014が注入されても、液晶分子の長軸
方向が基板平面に垂直である垂直配向を示し易く、駆動
することは不可能となることがあった。

【０１６９】これに対し、配向膜にＯＶＤ−005 又はＳ
Ｋ−23を用いた場合は、ＣＳ−1014をセル内部に注入す
ることが可能であった。また、ポーラライザとアナライ
ザをクロスニコルに配置した偏光顕微鏡によって、内部
の液晶が１軸配向性を有することが確認された。

【０１７０】これらの結果から、配向膜上の液晶の接触
角が約40°以上では駆動不可能となることがあるが、17
°以下のとき、１軸配向性を強誘電性液晶が有する液晶
表示素子を作製可能であることが分かる。

【０１７１】(4) 駆動の温度特性駆動には図37に示した波形を用い、単純マトリックス方
式で行った。白黒２階調なのでVreset＝Vgray とした。

【０１７２】まず、リセットパルスにより黒を表示した
後、セレクトパルスで白を表示した。その際、セレクト
パルスの電圧を可変として、黒→白となるセレクト電圧
（閾値電圧）の温度依存性を調べた。

【０１７３】この結果、配向膜にＯＶＤ−005 を用いた
場合の閾値電圧（図38参照）は、20〜50℃（参考；スメ
クチックＣ相→スメクチックＡ相の転移点54℃）の温度
範囲で１Ｖ以内の変動があった。これに対して、ＳＫ−
23を用いた場合は、同温度範囲で２Ｖ以上の変動があっ
た。

【０１７４】このような閾値電圧の温度依存性は、要求
される液晶表示素子が２階調表示のものであれば大きな
問題ではないが、セレクト電圧で階調をコントロールす
る多階調表示では問題となることがある。即ち、閾値電
圧の温度依存性が大きいと、中間調が一義的に決まらな
いためである。

【０１７５】上記した液晶の接触角が大きいと、液晶分
子は、溝50及び鋸歯状凸部51のある配向膜で定義された
チルト角（鋸歯状凸部51による起こし角）より大きいプ
レチルト角を有する。配向膜材料と液晶分子の化学的な
相互作用が、プレチルト角がチルト角より大きくなる主
な要因であり、この場合、プレチルト角の温度依存性は
大きい。逆に、液晶の接触角が小さい場合、液晶分子は
鋸歯状凸部51によるチルト角にほぼ等しいプレチルト角
を有する。言い換えれば、プレチルト角は鋸歯状凸部51
の形状によって一義的に決まり、温度依存性はほとんど
ないか或いはあまりない。

【０１７６】強誘電性液晶のスイッチングは、液晶分子
の持つ自発分極ＰＳと電界Ｅとの相互作用によって起こ
る。その大きさは自発分極と電界との内積であり、図39
から明らかなようにプレチルト角に依存する。即ち、配
向膜材料もしくは液晶に接する表面材料に上記の接触角
が小さくなる材料を選択することで、閾値電圧の温度依
存性が小さい液晶表示素子が得られ、スイッチングが容
易となり、このような液晶表示素子は１画素内での多階
調表示を強誘電性液晶で実現するのに適したものであ
る。

【０１７７】(5) 配向膜の表面改質（例６）ＳＤ−17を配向膜とした場合について、短波長紫外線を
照射して配向膜の表面改質を行った。試料は、配向膜の
作製後、洗浄して、低圧水銀灯（商品名ＳＵＶ−200 Ｇ
Ｓ：セン特殊光源株式会社製）を照射した。照射時間を
120秒とした。この紫外線照射による配向膜の表面形状
の変化はＳＥＭ観察では見られなかった。

【０１７８】この表面処理により、後述のように、ＳＤ
−17の濡れ性（液晶との接触角）を変えることが可能で
ある。照射した紫外線の波長は主に 189.4nm、 254nmで
ある。この紫外線のエネルギーが分子内のある種（例え
ばＣ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、Ｏ−Ｈ等）の結合エネルギーより大
きいため、表面近傍の化学結合が切断され、空気中の酸
素と反応することにより表面の極性が高くなって濡れ性
が向上する。

【０１７９】表面に紫外線照射を行ったＳＤ−17を配向
膜に有する液晶表示素子は、液晶が溝50方向を中心とし
て42度のコーン角で配向し、30Ｖで駆動可能であった。
また、電気光学特性も、黒から白への閾値電圧が20〜50
℃の温度範囲でほぼ一定していた。

【０１８０】この表面処理の手法はプラスチック表面に
限らず、ガラス表面、金属表面やＩＴＯ、ＳｉＯ等の酸
化物にも適用できる。従って、ＳＤ−17のように、成形
性に優れていて低コスト化が図れるが濡れ性に劣るため
に、そのままでは使用不可能な材料が使用可能となる。
また、絶縁膜に関しても、成膜性、絶縁性といった性能
を満たせば、本発明に基づく液晶表示素子に使用可能と
なり、濡れ性に関してはこの表面改質を行うことによっ
て制限がなくなる。

【０１８１】また、このような短波長紫外線の照射の他
に、シランカップリング処理やチタンカップリング処理
といった手法で表面の濡れ性を改善することも可能であ
る。また、別種の濡れ性の良い材料からなる薄膜を形成
して、表面の濡れ性を改善することもできる。

【０１８２】配向膜の表面形状による液晶の配向特性
（例７〜39） (1) テストデバイスの作製種々の表面形状の配向膜を上述した方法により作製し
た。但し、テストのため、３cm×４cmのガラス上に１cm
×１cmの電極を設けた基板で作製したセルに液晶を注入
した。配向膜材料にはＯＶＤ−005 を用いた。

【０１８３】鋸歯状凸部51のピッチを２μｍに固定し
た。溝50のピッチ（ＴＰ）は 0.5〜1.0 μｍの範囲内で
0.1μｍ刻みとし、６種類用意した。また、レーザーカ
ッティング時のレーザー強度を変えることにより、溝の
凹部の最小曲率半径をコントロールした。下記の表１に
は、レーザーパワーとＴＰとをそれぞれ特定したときの
各例７〜38を示す。

【０１８４】レーザーパワーを 1.0mW、 1.5mW、 2.0m
W、 2.5mW、 3.0mWの５種類として、溝50の凹部の最小
曲率半径（曲率半径）を最小0.12μｍ、最大0.47μｍと
した。下記の表２〜表４に、配向膜の断面のＳＥＭ像か
ら求めた曲率半径、溝深さ、鋸歯状構造の深さ（単位は
全てμｍ）のマトリックス（ＴＰと照射レーザーパワー
による）を示す。表２〜表４の各値は、表１の各例のも
のにそれぞれ対応する。

【０１８５】なお、図40には、溝50及び鋸歯状凸部51の
ある配向膜の表面のＳＥＭ像（ａ）とそのＳＴＭ像
（ｂ）をそれぞれ示す（ＳＥＭ：走査電子顕微鏡、ＳＴ
Ｍ：走査トンネル顕微鏡）。

【０１８６】＊例７〜例28は好ましい例、例29〜例37はあまり良くない例、例38は不良の例。

【０１８７】＊溝無し

【０１８８】

【０１８９】

【０１９０】更に、比較例（例39）として、テストデバ
イスをレーザーホログラフィーを用いて（特開平５−１
８８３７７号公報による。）作製した。形状はＴＰ＝0.
7 μｍ、鋸歯状凸部51のピッチ＝2.0 μｍ、溝50の深さ
＝0.07μｍ、鋸歯状凸部51の高さ＝0.1 μｍ、溝50の曲
率半径＝0.02μｍとして、他の条件は上記の例７〜28と
同様とした。

【０１９１】(2) 駆動特性例７〜28のテストデバイスの駆動特性を評価した。駆動
には図37の波形を用い、単純マトリックス方式で行っ
た。黒→白のセレクト電圧の閾値電圧は21Ｖ〜34Ｖであ
り、閾値電圧以上の電圧の印加により良好なメモリ性を
呈した。

【０１９２】偏光子をクロスニコルに配置した偏光顕微
鏡において、２枚の偏光子間に１軸配向性の検板を出し
入れすることにより、デバイス内の液晶の配向方向を調
べた。その結果、液晶分子は配向膜の溝50方向を中心と
する仮想的なコーン上を動くことが分かった。これは、
鋸歯状構造によるプレチルト角のコントロールが可能で
あることを示している。

【０１９３】例29〜39のテストデバイスの配向方向と駆
動特性を上記の方法で評価した。比較例（例39）のデバ
イスでは、配向方向は配向膜の溝50方向で、最大50Ｖの
セレクト電圧を加えても、黒→白のスイッチングは認め
られなかった。更に、光電子増倍管による透過光強度変
化の時間分解測定でも、（メモリではなく）電圧印加中
のスイッチングは認められなかった。即ち、溝50による
液晶分子に対する表面アンカリングが強すぎることが分
かる。

【０１９４】例29〜38のデバイスでは、液晶分子が溝50
に対して主として垂直方向を中心とする仮想的なコーン
上を動くことが分かった。これらのデバイスでは、プレ
チルト角がないか或いはほとんどないため、画素内に多
くのディフェクトが認められた。また、特に例38（これ
は特開平５−２４９４６５号公報に相当する。）では、
リセット及びセレクト電圧印加中はスイッチングしてい
るが、メモリ効果がなく、電圧が０Ｖの時はダイレクタ
が溝の直角方向で止まってしまい、単純マトリックスに
よる駆動は不可能であった。

【０１９５】(3) 配向膜の表面形状による配向方向の決
定以上のデータから、配向とスイッチングの要因を検討し
た。断面が sin波である溝50構造の表面に、棒状の分子
構造を有する材料が存在するとき、その表面エネルギー
は、分子の配向方向によって異なり、溝方向に配向する
方が溝と直角方向に配向するより、次式で示されるＥだ
け安定であることが知られている（P. G. De Gennes an
d J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, Second
Edition, P108及び液晶辞典、培風館、P189）。

【０１９６】Ｅ＝ｋＤ²／Ａ³ （Ｄ：溝の深さ、Ａ：溝のピッチ、ｋ：比例定数）

【０１９７】従って、本発明に基づく溝構造による液晶
分子の配向による表面エネルギーの安定化をＥ₁、鋸歯
状構造による段差方向（溝50と直交する方向）への配向
による表面エネルギーの安定化をＥ₂として、Ｅ₁、Ｅ
₂をＥ₁＝ｋ’Ｄ₁ ²／Ａ₁ ³ ・・・式１Ｅ₂＝ｋ”Ｄ₂ ²／Ａ₂ ³ ・・・式２（Ｄ₁：溝50の深さ、Ｄ₂：鋸歯状凸部51の段差の高
さ、Ａ₁：溝50のピッチ、Ａ₂：鋸歯状凸部51のピッ
チ、ｋ’、ｋ”：比例定数）と仮定した。

【０１９８】そして、上記の式１及び式２より、次のよ
うにＲ_Eを定義した。Ｒ_E＝Ｋ・Ｅ₁／Ｅ₂（但し、Ｋ＝ｋ”／ｋ’）＝（Ｄ₁ ²／Ａ₁ ³）／（Ｄ₂ ²／Ａ₂ ³）・・・式３

【０１９９】この式３に、上記の表２〜４で示された各
値Ｄ₁、Ｄ₂、Ａ₁（ＴＰ）、Ａ₂を代入し、得られた
Ｒ_Eをプロットすると図41の如くになった。これによれ
ば、Ｒ_E≦4.3 では、鋸歯状凸部51による配向が支配的
であるが、Ｒ_E≧4.4 では溝50による配向が支配的であ
ることが判明した。このように、Ｒ_Eに液晶の配向の閾
値が存在することは、上記の仮定が正しいことと、配向
方向を配向膜の溝50と鋸歯状凸部51の段差のピッチ及び
深さでコントロール可能であることとを示している。

【０２００】また、特に溝50のなす凹部の曲率半径ｒに
ついて、各溝ピッチ（ＴＰ）＝0.5μｍ、 0.6μｍ、 0.
7μｍ、 0.8μｍ、 0.9μｍ、 1.0μｍでの曲率半径ｒ
によるＲ_Eの変化をプロットした。結果を図42に示す
が、これによれば、ｒの上限は0.3μｍ以下、特には 0.
2μｍ以下が望ましいことが分かる。

【０２０１】更に、溝構造による配向が得られた例７〜
例28及び例37について、図37に示した駆動波形を用い
て、スイッチング特性を検討した。Ｖ_reset＝Ｖ_gray＝
30Ｖ、Ｖ_bias＝10Ｖとして、白←→黒のスイッチングが
可能となるセレクトパルスの時間Ｔ_SWを測定した。

【０２０２】その結果、図43に示すように、溝の最小曲
率半径が 0.1μｍ以上のときは、Ｔ_SWが70μsec 以下と
なり、ＮＴＳＣ信号の１フィールド16.7msの間に 240本
以上の走査線、即ち、単純マトリックスで１フレーム、
480本以上の走査線が得られる。しかしながら、曲率半
径が 0.1μｍ未満のときは、Ｔ_SWが70μsec よりずっと
大きくなり、単純マトリックスで駆動すると、解像度が
著しく落ちてしまうことが判明した。

【０２０３】配向膜のチルト角分散による階調表示（例
40） (1) 本実施例における階調表示の原理例28までの検討で、単純マトリックス駆動が可能で、か
つ、プレチルト角のコントロールが可能な配向膜の表面
形状が明らかになったので、ここでは、複数のプレチル
ト角を１画素内に有する配向膜を作製し、液晶表示素子
とした。

【０２０４】１画素内に複数のプレチルト角を持たせる
方法としては、基本的には、鋸歯状凸部の深さを一定に
して鋸歯状凸部のピッチを変える方法と、逆に、鋸歯状
凸部のピッチを一定にして鋸歯状凸部の高さを変える方
法を考えた。もちろん、両者を同時に変えて複数のプレ
チルト角を作り出すこともできる。

【０２０５】この例40では、鋸歯状凸部のピッチは一定
にして鋸歯状凸部の深さを変えることにより、複数のチ
ルト角を配向膜に作り、階調表示を行った。

【０２０６】配向膜の複数のチルト角、即ち、１画素中
の複数のプレチルト角により、液晶表示素子に階調性が
現れる原因については、以下のように考えられる。

【０２０７】上述した配向膜材料による液晶の配向特性
の項における駆動の温度特性においても説明したが、強
誘電性液晶のスメックチックＣ相のスイッチングは、液
晶の持つ自発分極と電界との相互作用により発生する。
その相互作用の大きさは、自発分極と電界との内積であ
り、プレチルト角が大きくなるにつれて、その相互作用
は小さくなる。

【０２０８】従って、プレチルト角が小さいとスイッチ
ングの閾値電圧は小さくてすみ、プレチルト角が大きい
とスイッチングの閾値電圧が大きくなる。

【０２０９】強誘電性液晶を用いた液晶表示素子は基本
的には白黒の２階調であるが、１画素内に複数のプレチ
ルト角が存在することによって、そのプレチルト角の数
だけスイッチングの閾値電圧が存在することになる。即
ち、階調表示が可能になるのである。

【０２１０】このような階調表示は単純マトリックスで
駆動可能であり、電極のライン数は２値表示と同じにし
てもプレチルト角が配向膜の形状により物理的に規制さ
れているので安定性が高いといった利点を有する。

【０２１１】(2) 液晶表示素子の作製上述した液晶表示素子の製造工程において、プレチルト
角を１画素（電極部：280μｍ× 280μｍ、電極間ピッ
チ 300μｍ）内に４種類有する配向膜を作製した。図44
は、そうした配向膜形状に対応する各スタンパーのＳＥ
Ｍ像であり、４種類のチルト角（配向膜においては凹凸
が反転している。）を示す。溝ピッチＴＰは 0.7μｍ、
鋸歯状凸部のピッチは 2.0μｍで一定とし、レーザーパ
ワーに応じて鋸歯状凸部の高さを変化させた（配向膜材
料はＯＶＤ−005 とした）。

【０２１２】単純マトリックスの駆動により、閾値電圧
は23Ｖ〜32Ｖの間で４種類あり、５階調の表示が可能で
あった。

【０２１３】透明電極が配向膜上にある液晶表示素子
（例41、42）以上の例ではすべて、配向膜がＩＴＯの上（液晶側）に
存在している。従って、配向膜内での電界強度の損失が
ある。そこで配向膜がＩＴＯの下にあり、電界強度の損
失が小さい例を挙げる。

【０２１４】これらの例では、配向のための構造を基板
上に直接設けるインジョクションモールド法も（実際に
は２Ｐ法で配向用の構造を作製したが）、そのまま適用
可能であることを示すために、基板に熱可塑性プラスチ
ック（アクリル樹脂、ノルボルネン樹脂）を用いた。素
子構造としては、図45に示すように、プラスチック基板
22ａ、22ｂ上に溝50及び凸部51を有する配向膜24ａ、24
ｂ（ＳＤ−17）、ＩＴＯ電極23ａ、23ｂ、更には図示し
ない絶縁膜（ＰＶＡ樹脂、ポリイミド樹脂）を順に設け
たものである。電極23ａ、23ｂの表面は、配向膜24ａ、
24ｂの溝50及び凸部51に追随した表面形状であるのがよ
い。基板サイズが３cm×４cmで、電極が１cm幅（１ライ
ン）のテストデバイスで評価した。

【０２１５】(1) 例41 基板にアクリル樹脂（耐熱温度 110℃）を用い、配向膜
の形成後、室温でＩＴＯをスパッタ（78.3Ω/cm²、膜厚
310nm、透明）した。配向膜の形状は例10と同様とし
た。絶縁膜にはＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を用い
た。ＰＶＡ膜は 0.2％溶液（メタノール溶液）を 1000r
pmで30秒、スピンコートすることにより成膜した。その
後、 100℃で30分アニールした。

【０２１６】(2) 例42 基板にノルボルネン樹脂（耐熱温度 160℃）、絶縁膜に
は低温焼成用ポリイミド（焼成 150℃、１時間）を用い
た。他は例41と同様とした。

【０２１７】Ｈaltmanの波形による駆動では、例41、42
共に、10Ｖ〜13Ｖにセレクト電圧の閾値があり、例10よ
り低い電圧での駆動が可能であった。

【０２１８】以上、本発明を実施例について説明した
が、上述した実施例は本発明の技術的思想に基づいて更
に変形が可能である。

【０２１９】例えば、上述した溝50及び凸部51（非対称
構造）のサイズ、形成方法やその手段は種々変更してよ
い。

【０２２０】この非対称構造としては、鋸歯波形のほ
か、非対称の３角波状、台形状等、１状態化すれば何れ
でもよい。また、隣接する非対称構造の位置は揃ってい
てもよいが、若干ずれていたり、或いはランダムにする
と、液晶の配向溝に直交する方向の配向力を弱くするこ
とができる。

【０２２１】配向制御用の溝形状は、その断面構造が矩
形、サイン波状、三角波状、台形形状がよい。これらの
形状は、レーザービームのスポット径又はピッチ、レジ
ストのガンマ特性で決まる。例えば、矩形の場合には、
スポット径に対してピッチを２倍以上とし、ガンマ特性
が切り立ったレジスト（例えば日本合成ゴム社製のＧＸ
２５０）を用いることによって得られる。サイン波状
は、スポット径に対してピッチを狭くすると得られる。
台形形状は矩形でガンマ特性が傾斜したレジストを用い
ると得られる。三角波状は、サイン波状と矩形の中間域
での組み合わせとなる。

【０２２２】また、液晶の種類をはじめ、液晶素子の各
構成部分の材質、構造、形状、組み立て方法等は種々に
変更することができる。基板22ａ、22ｂはディスプレイ
として、少なくとも一方が光学的に透明であればよい。
突部20Ａは、壁状又は突条としてよい。

【０２２３】なお、上述した実施例では、表示素子に好
適な液晶素子について説明したが、本発明は、表示素子
に限らず、液晶素子をフィルタやシャッタ、ＯＡ機器の
ディスプレイ画面、スクリーンやウォブリング用の位相
制御素子等にも適用可能である。

【０２２４】

【発明の作用効果】本発明による液晶素子は、上述した
如く、電極及び液晶配向制御層を設けた一対の基体が所
定の間隙を置いて対向配置され、液晶が前記間隙内に配
されている液晶素子において、前記液晶に接する内面に
複数の溝が形成され、この溝に沿う方向での前記内面の
断面が非対称形状の凸部の繰り返し形状を呈すると共
に、前記溝と交差する方向で前記溝が形成する凹部の曲
率半径が 0.1μｍ以上であるので、こうした特定範囲の
曲率半径によって、溝による液晶分子の配向規制力をコ
ントロールでき、液晶分子のスイッチングが容易とな
り、かつ鋸歯状構造の如き非対称形状の凸部の段差に沿
って液晶分子が配向しない。そして、上記の凸部によっ
て、溝に沿って液晶分子を所望のプレチルト角で配向さ
せることができる。特に強誘電性液晶では、コーンの円
錐面上を所望のコーン角でスイッチングし易くなる。

【０２２５】そして、この本発明の液晶素子は、前記溝
及び前記凸部を形成するための原型をレーザー照射によ
るカッティング法で作製する。

【０２２６】従って、本発明によれば、特性の良好な液
晶素子（特に、液晶配向性が高精度であり、良好なコン
トラストを有し、大面積化が容易な強誘電性液晶表示素
子）を提供し、かつこの液晶素子を容易かつ短時間で安
価に量産できる方法を提供することができる。特に、強
誘電性液晶と組み合わせることにより、単純マトリック
スによる駆動が可能な、大画面で軽量、薄型、高精細、
高コントラスト、画素内階調表示可能、低電圧駆動可
能、高信頼性であり、良好な温度特性を有するフラット
パネルディスプレイを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ｉ）は本発明に基づく液晶表示素子の配向膜
の表面の概略斜視図、（II）は（Ｉ）のＡ−Ａ線断面
図、(III）は（Ｉ）のＢ−Ｂ線断面図である。

【図２】（Ｉ）は同液晶表示素子の配向膜の表面形状の
作用を説明するための概略斜視図及び断面図、（II）は
液晶の配向状態を説明するための概略図、(III）はブッ
クシェルフ構造を示す液晶表示素子の概略断面図であ
る。

【図３】同液晶表示素子の断面図である。

【図４】同液晶表示素子の一方の基板側の断面図であ
る。

【図５】同液晶表示素子の製造工程の一段階を示す断面
図である。

【図６】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図７】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図８】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図９】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図10】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図11】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図12】同製造工程の更に他の段階を示す断面図であ
る。

【図13】同液晶表示素子の製造工程におけるレーザーリ
ソグラフィーを説明する概略図である。

【図14】同レーザーリソグラフィーによるカッティング
状況を説明する概略平面図である。

【図15】同製造工程で得られる型部材の一例の断面図で
ある。

【図16】同型部材の他の例の断面図である。

【図17】同型部材の更に他の例の作製方法を示す断面図
である。

【図18】同型部材の更に他の例の作製方法を示す断面図
である。

【図19】同型部材の更に他の例の作製方法を示す断面図
である。

【図20】同型部材の更に別の例の作製方法を示す断面図
である。

【図21】（Ｉ）は同液晶表示素子の他の製造工程におけ
る各段階を示す断面図、（II）は射出成形による配向膜
の作製を示す断面図である。

【図22】同液晶表示素子の配向膜の表面形状を含む基板
の断面図である。

【図23】本発明に基づく他の液晶表示素子の配向膜の表
面形状を含む基板の断面図である。

【図24】本発明に基づく液晶表示素子の製造工程の一段
階を示す断面図である。

【図25】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図26】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図27】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図28】同製造工程の他の段階を示す断面図である。

【図29】図28に対応する配向膜の表面形状のＳＥＭ像の
スケッチである。

【図30】同製造工程の更に他の段階を示す断面図であ
る。

【図31】（Ｉ）は同液晶表示素子の視野角を説明するた
めの断面図、（II）は同視野角を改善した構造を示す画
素の平面図及び断面図である。

【図32】同液晶表示素子のセルギャップを保持するため
の突部（ピラー）の形成方法を工程順に示す断面図であ
る。

【図33】同液晶表示素子の画素分離壁を示す要部の斜視
図及び断面図である。

【図34】同画素分離壁を有する液晶セルの要部の平面図
である。

【図35】同要部の画素部分の拡大平面図である。

【図36】配向膜に対する液晶の接触角を説明するための
概略断面図である。

【図37】液晶表示素子の駆動波形図である。

【図38】同液晶表示素子の閾値電圧特性を示す透過率−
印加電圧特性図である。

【図39】強誘電性液晶の自発分極と電界との相互作用を
説明するための概略図である。

【図40】本発明に基づく液晶表示素子の配向膜の表面形
状の（ａ）ＳＥＭ像のスケッチ、（ｂ）検出されたＳＴ
Ｍ像である。

【図41】同液晶表示素子における配向膜の表面の溝ピッ
チ（ＴＰ）と液晶配向の評価パラメータであるＲ_Eとの
関係をカッティング時のレーザーパワー毎に比較して示
すグラフである。

【図42】同液晶表示素子における配向膜の溝の曲率半径
（ｒ）とＲ_Eとの関係を示すグラフである。

【図43】同曲率半径（ｒ）と電圧印加時のスイッチング
時間（Ｔ_SW）との関係を示すグラフである。

【図44】液晶分子のプレチルト角（鋸歯状凸部の高さ）
を種々変えた場合のＳＥＭ像のスケッチである。

【図45】本発明に基づく他の液晶表示素子の断面図であ
る。

【図46】従来の液晶表示素子の概略断面図（図47のXXXX
VI−XXXXVI線断面図）である。

【図47】同液晶表示素子の概略平面図である。

【図48】同液晶表示素子の配向膜を真空蒸着で形成する
ときの概略断面図である。

【図49】配向膜上での液晶分子のプレチルト角を示すた
めの概略図である。

【図50】強誘電性液晶のモデル図である。

【図51】液晶分子の配向方向を示す概略図である。

【符号の説明】

11…液晶表示素子、20Ａ…凸部（突部）又はピラー、22
ａ、22ｂ…基板、23ａ、23ｂ…透明電極層、24ａ、24ｂ
…液晶配向膜（液晶配向制御層）、26…液晶、27…接着
剤、50、50’…溝、51、51’…鋸歯状凸部、51ａ…段
差、52…レーザービーム、54…フォトレジスト、56…ス
タンパ、57…紫外光、61…レーザー、62…光変調素子、
63…ポリゴンミラー、65…フォトレジストを有するワー
ク、95…ドメイン（画素）分離壁、ｒ…凹部の曲率半
径、Ｄ₁…溝の深さ、Ｄ₂…凸部の高さ、Ａ₁…溝のピ
ッチ、Ａ₂…凸部のピッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白井克弥東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者仁藤敬一東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者山本真伸東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者安田章夫東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (56)参考文献特開平５−188377（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−60624（ＪＰ，Ａ) 特開平５−249465（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1337 510 G02F 1/141

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極及び液晶配向制御層を設けた一対の
基体が所定の間隙を置いて対向配置され、液晶が前記間
隙内に配されている液晶素子において、前記液晶に接す
る内面に複数の溝が形成され、この溝に沿う方向での前
記内面の断面が非対称形状の凸部の繰り返し形状を呈す
ると共に、前記溝と交差する方向で前記溝が形成する凹
部の曲率半径が 0.1μｍ以上であることを特徴とする液
晶素子。
【請求項２】溝が形成する凹部の曲率半径が 0.3μｍ
以下である、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項３】溝と平行な方向における凸部の起点位置
と頂部位置との距離をａ、この頂部位置と終点位置との
距離をｂとしたとき、ａ／ｂが１より大きい、請求項１
に記載した液晶素子。
【請求項４】溝に沿う方向での内面の断面が鋸歯状で
ある、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項５】内面の複数の溝及び非対称形状の凸部が
前記液晶に接する層に対する加工によって形成されてい
る、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項６】内面の複数の溝及び非対称形状の凸部
が、これらに対応した基体の表面形状に追随して形成さ
れている、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項７】溝の深さをＤ₁、凸部の高さをＤ₂、溝
のピッチをＡ₁、凸部のピッチをＡ₂としたとき、Ｒ_E
＝（Ｄ₁ ²／Ａ₁ ³）／（Ｄ₂ ²／Ａ₂ ³）で定義されるＲ_Eが
4.4以上である、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項８】非対称形状の凸部の断面形状が１画素内
で互いに逆になっている、請求項１に記載した液晶素
子。
【請求項９】液晶に接する内面と液晶との接触角が17
度以下である、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項10】液晶に接する内面が短波長の紫外線照射
処理されている、請求項９に記載した液晶素子。
【請求項11】液晶に接する内面がカップリング処理さ
れている、請求項９に記載した液晶素子。
【請求項12】１画素内に２種類以上のプレチルト角を
有する、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項13】液晶配向制御層の表面上に電極が形成さ
れている、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項14】溝及び非対称形状の凸部が液晶配向制御
層の表面に形成されている、請求項１に記載した液晶素
子。
【請求項15】一対の基体間の間隙を保持するための柱
状又は壁状保持手段が電極間に設けられている、請求項
１に記載した液晶素子。
【請求項16】柱状又は壁状保持手段が、液晶に接する
一方の内面又は基体に設けられ、他方の内面又は基体に
固着している、請求項15に記載した液晶素子。
【請求項17】各画素間を分離するための分離壁が基体
の内面に設けられている、請求項１に記載した液晶素
子。
【請求項18】液晶が強誘電性液晶であり、単純マトリ
ックス方式で駆動されるように構成された、請求項１に
記載した液晶素子。
【請求項19】電極及び液晶配向制御層を設けた一対の
基体が所定の間隙を置いて対向配置され、液晶が前記間
隙内に配されている液晶素子において、前記液晶に接す
る内面に複数の溝が形成され、この溝に沿う方向での前
記内面の断面が非対称形状の凸部の繰り返し形状を呈す
ると共に、前記溝と交差する方向で前記溝が形成する凹
部の曲率半径が 0.1μｍ以上であることを特徴とする液
晶素子を製造するに際し、前記溝及び前記凸部を形成す
るための原型をレーザー照射によるカッティング法で作
製する、液晶素子の製造方法。
【請求項20】レーザーの変調パターン、フォトレジス
トのγ特性、レーザーの波長及びフォーカスを制御する
ことによって、溝及び凸部の断面形状、ピッチ、幅、深
さをコントロールする、請求項19に記載した製造方法。
【請求項21】原型の型面を転写することによって、液
晶に接する内面に溝及び凸部を形成する、請求項19に記
載した製造方法。
【請求項22】原型の型面を液晶配向制御層の表面に転
写する、請求項21に記載した製造方法。