JP3596722B2

JP3596722B2 - 光学装置および液晶表示装置ならびに光学装置の製造方法

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Publication number: JP3596722B2
Application number: JP5555398A
Authority: JP
Inventors: ガースウォルトンハリー; ピーターラインズエドワード
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: KR100260569B1; US6201588B1; GB9704623D0; KR19980079983A; JPH10268318A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶光学装置および液晶光学装置を備えた液晶デバイスに関し、さらに特定的には、液晶層と、液晶層内の隣接する液晶分子の配向およびチルト角を制御するための少なくとも１つの配向層とを有する液晶光学装置に関する。本発明は、限定はされないが、特に、アクティブ液晶デバイス、即ち、液晶層の光学特性を変化させるように電界切り替え可能な液晶層を有する液晶デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶層内の隣接する液晶分子の配向およびプレチルト角を制御するためのラビングを施された配向層を提供することは公知である。しかし、プレチルト角を制御するには、液晶層および配向層の特定の組合せを用いる必要があるため、この方法によって制御可能に非常に高いプレチルト角を成し遂げることは困難であり得る。
【０００３】
液晶層と接触する配向層のラビングを必要としない他の様々な方法もまたすでに提案されている。
【０００４】
ＥＰ−Ａ−０６８９０８４は、多重配向層を有する液晶デバイスを開示している。配向層の一例としては、モノマーを異方性重合させるように直線偏光を用いて硬化された、光配向ポリマーネットワーク（ＰＰＮ）層が挙げられる。他の配向層の例としては、ジアクリレート液晶モノマーの光硬化混合物で形成されたものが挙げられる。このような混合物を用いると、ＬＣ層を室温で形成することができる超冷却可能な（ｓｕｐｅｒｃｏｏｌａｂｌｅ）ネマティック混合物が提供される。このような配向層は、ジアクリレート液晶モノマーを光開始剤と共に溶媒中に溶解し、この混合物を予め形成されたラビングを施した下部配向層にスピンコーティングで塗布し、その後、光硬化させ、下部に形成された下部配向層による液晶モノマー分子の配向を固定することによって形成される。しかし、いずれの配向層によって形成されるチルト角の制御に関しても教示はない。
【０００５】
ＥＰ−Ａ−０５０６１７５は、非反応性液晶材料が分散されている配向ポリマーネットワークからなる配向層を提供する。配向層は、反応性液晶材料と非反応性液晶材料との混合物から形成される。この配向層によって製造されるチルト角の制御に関する教示はない。
【０００６】
ＵＳ−Ａ−５５２８４０１は、配向層によって形成されるチルト角の制御に関する。配向層を形成する材料は、液晶材料および重合性材料を含む。チルト角は、電界または磁界を印加しながら重合性材料を重合し、液晶分子のチルト角を制御することによって制御される。
【０００７】
Ｍ．Ｓｃｈａｄｔら、Ｎａｔｕｒｅ、３８１巻、１９９６年５月１６日、２１２から２１５頁は、ＰＰＮ技術の改変を教示している。この技術では、プレチルト角を制御できるように、クマリン部分を含む新規な光プレポリマー分子が用いられる。この光プレポリマー分子は、分子の一端の重合可能な部分で重合するだけでなく、クマリン部分のピロン環で様々な構成で共に溶融することによって架橋する。しかし、この技術は、特別なモノマーを必要とし、付随的な架橋ＵＶ照射の方向制御も必要とする。
【０００８】
ＥＰ−Ａ−０４６７４５６は、隣接する液晶層内の液晶分子のプレチルト角が、ポリイミド配向層が塗布されたガラス基板上にスピンコート法によって形成された液晶補助配向層の厚さを制御することによって制御され得ることを開示している。補助配向層は、ジアクリレート液晶モノマーと、光開始剤と、補助配向層の露出面に向けられた脂肪族鎖などの表面活性基を有する液晶材料とを含有する。これにより、比較的高いプレチルト角（即ち、配向層の面に対する比較的高い角度）が、隣接する活性液晶層内の液晶分子に対して成し遂げられる。しかし、プレチルト角を制御するには、スピン層の厚さの正確な制御が必要とされ、これは困難である。
【０００９】
場合によっては、液晶活性層の分子が基板に垂直な分子長軸と整列すること（いわゆる「垂直配向」）が所望される。一般の液晶材料の垂直配向を成し遂げる方法は、Ｌ．Ｍ．Ｂｌｉｎｏｖらによって「ＥｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃＥｆｆｅｃｔｓｉｎＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ」、ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ、ＮｅｗＹｏｒｋＩｎｃ − ３章、１９９４年に記載されている。
【００１０】
垂直（９０゜）配向からのわずかな傾き（通常１から１０゜）を成し遂げることが所望されることもある。チルトオフ垂直配向および負の誘電異方性液晶混合物を用いる染色されたゲスト−ホストディスプレイは、わずかに向上した多重性および輝度を含む多数の魅力的な特徴を有する。この「チルトオフ」垂直配向は、酸化シリコン層をガラス基板上に斜め蒸着することによって成し遂げられ得るが（Ｔ．Ｕｃｈｉｄａら、ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、１９巻、１１号、１９８０年１１月、２１２７から２１３６頁、Ｔ．Ｕｃｈｉｄａら、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓ、Ｅｄ−２６巻、９号、１９７９年９月、１３７３から１３７４頁、Ｔ．Ｊ．Ｓｃｈｅｆｆｅｒ、Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．、Ａ３０９、１８９から２０１頁（１９８３）、およびＵＳ４６３５０５１を参照のこと）、特別な装置を必要とし、一般に、このようなチルトオフ垂直配向を広いエリアに再現性よく成し遂げる信頼のおける方法がない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、配向層をラビングすることで液晶分子のプレチルト方向およびプレチルト角を与える場合、プレチルト角を制御するには、液晶層および配向層の特定の組合せを用いる必要がある。この方法では、制御可能に非常に高いプレチルト角を成し遂げることは困難である。配向層をラビングしない方法でも、チルトオフ垂直配向を広いエリアにわたって達成する、再現性または信頼性のある方法がない。しかもこの方法では、特別な製造装置または配向層の特別な材料を必要とする。
【００１２】
本発明は、上記問題点を鑑みて成し遂げられ、その目的は、簡単で広範囲にわたる応用に適切であり、現在用いられている液晶デバイス製造技術を用いて使用するのにも都合がよいように、チルトオフ垂直配向度を制御する液晶光学装置、この液晶光学装置を備えた液晶デバイス、およびこの液晶光学装置の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学装置は、液晶層と、該液晶層に接し、かつ第１の反応性メソゲンおよび第２の反応性メソゲンを含む混合物からなる少なくとも１つの第１の配向層と、を備えた光学装置であって、該第１および第２の反応性メソゲンのそれぞれは少なくとも１つの重合性官能基を有しており、該第２の反応性メソゲンの重合性官能基の数は、該第１の反応性メソゲンの重合性官能基の数よりも少なく、該混合物における該第１の反応性メソゲンに対する該第２の反応性メソゲンの割合は、該液晶層における液晶分子に８０°より大きく９０°未満であるプレチルト角を与えるように、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、４０重量％以下になっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１４】
好ましくは、前記第１の反応性メソゲンは少なくとも１つの重合性官能基を各端部に有する液晶分子である。
【００１５】
好ましくは、前記第２の反応性メソゲンは少なくとも１つの重合性官能基を一端にのみ有する液晶分子である。
【００１６】
さらに好ましくは、前記第２の反応性メソゲンは単一の重合性官能基を一端にのみ有する液晶分子である。
【００１７】
ある実施の形態では、前記第１および第２の反応性メソゲンの前記少なくとも１つの重合性官能基は、アクリレート基、メタクリレート基、ビニルエーテル基、およびエポキシ基からなる群から選択される。
【００１８】
好ましくは、前記第１および第２の反応性メソゲンの前記少なくとも１つの重合性官能基はアクリレート基である。
【００１９】
好ましくは、前記第１の反応性メソゲンがジアクリレートであり、前記第２の反応性メソゲンがモノアクリレートである。
【００２１】
好ましくは、前記第２の反応性メソゲンの前記割合は、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、ほぼ５重量％以上４０重量％以下である。
【００２２】
好ましくは、前記第２の反応性メソゲンの前記割合は、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、ほぼ１０重量％以上３０重量％以下である。
【００２３】
さらに好ましくは、前記第２の反応性メソゲンの前記割合は、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、ほぼ２０重量％以上３０重量％以下である。
【００２４】
ある実施の形態では、上記光学装置と、前記液晶層を間に挟み互いに対向している１対の電極をさらに備え、かつ該液晶層が活性層である、液晶表示装置が提供される。
【００２５】
本発明の液晶表示装置は、液晶層と、該液晶層の対向する面に設けられ、かつ少なくとも一方は第１の反応性メソゲンおよび第２の反応性メソゲンを含む混合物からなる一対の配向層と、該液晶層を間に挟み互いに対向している１対の電極と、を備えた液晶表示装置であって、該第１および第２の反応性メソゲンのそれぞれは少なくとも１つの重合性官能基を有しており、該第２の反応性メソゲンの重合性官能基の数は、該第１の反応性メソゲンの重合性官能基の数よりも少なく、該混合物における該第１の反応性メソゲンに対する該第２の反応性メソゲンの割合は、該液晶層における液晶分子に８０°より大きく９０°未満であるプレチルト角を与えるように、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、４０重量％以下になっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２６】
本発明の光学装置の製造方法は、（i)第１の反応性メソゲンと第２の反応性メソゲンとの混合物の層を形成する工程と、(ii）該第１および第２の反応性メソゲンを重合し、第１の配向層を形成する工程と、（iii）液晶層を該第１の配向層上に設ける工程と、を包含した、光学装置の製造方法であって、該第１および第２の反応性メソゲンのそれぞれは少なくとも１つの重合性官能基を有しており、該第２の反応性メソゲンの重合性官能基の数は、該第１の反応性メソゲンの重合性官能基の数よりも少なく、該工程（i）において、該液晶層における液晶分子に８０°より大きく９０°未満であるプレチルト角を与えるように、該混合物における該第１の反応性メソゲンに対する該第２の反応性メソゲンの割合が、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、４０重量％以下になっており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２７】
ある実施の形態では、前記工程（ｉ）が、（ａ）基板上に第２の配向層を形成する工程と、（ｂ）該第２の配向層上に前記第１および第２の反応性メソゲンを含む混合物を設けることによって、該混合物の前記層を形成する工程と、を含む。
【００２８】
他の実施形態では、前記工程（ｉ）が、液晶希釈剤を加えた前記混合物を用いて行われる。
【００２９】
好ましくは、前記液晶希釈剤が、前記第１および第２の反応性メソゲンを含む混合物の１重量部に対して約５から約２０重量部の量で存在する。
【００３０】
他の実施形態では、基板上に設けられ、かつ第１の領域と第２の領域とを有する第２の配向層をさらに備えている。該第１の領域の表面上の分子のプレチルト方向と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト方向とは互いに異なり、かつ前記少なくとも１つの第１の配向層は、該第２の配向層上に設けられている。
【００３１】
さらに他の実施形態では、基板上に設けられ、かつ第１の領域と第２の領域とを有する第２の配向層をさらに備えている。該第１の領域の表面上の分子のプレチルト角と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト角とは互いに異なり、かつ前記少なくとも１つの第１の配向層は、該第２の配向層上に設けられている。
【００３２】
さらに他の実施形態では、基板上に設けられ、かつ第１の領域と第２の領域とを有する第２の配向層をさらに備えている。該第１の領域の表面上の分子のプレチルト方向と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト方向とは互いに異なる。該第１の領域の表面上の分子のプレチルト角と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト角とは互いに異なる。さらに、前記少なくとも１つの第１の配向層は、該第２の配向層上に設けられている。
【００３３】
さらに他の実施形態では、前記工程（ａ）が、（ｃ）前記第２の配向層の第１の領域の表面上の分子に第１のプレチルト方向を与え、かつ該第２の配向層の第２の領域の表面上の分子に第２のプレチルト方向を与える工程と、（ｄ）該第２の配向層の第１の領域の表面上の該分子に第１のプレチルト角を与え、かつ該第２の配向層の第２の領域の表面上の該分子に第２のプレチルト角を与える工程と、のうちの少なくとも１つの工程を含む。該第１のプレチルト方向と該第２のプレチルト方向とは互いに異なり、該第１のプレチルト角と該第２のプレチルト角とは互いに異なる。
【００３４】
以下、作用について説明する。
【００３５】
本発明の１つの局面によると、液晶層と、少なくとも１つの配向層とを有し、配向層が第１の重合性液晶モノマーおよび第２の重合性液晶モノマー（以下、「第１の反応性メソゲン」および「第２の反応性メソゲン」とも呼ぶ）の混合物から形成され、第２の反応性メソゲンが、第１の反応性メソゲンよりも低い重合官能性度を有する、光学装置が提供される。
【００３６】
第１の反応性メソゲンは、好ましくは、少なくとも１つの重合性部分によって提供される重合官能性度を各端部に有する液晶分子である。
【００３７】
第２の反応性メソゲンは、好ましくは、少なくとも１つの重合性部分（より好ましくは、単一の重合性部分）によって提供される重合官能性度を一方の端部にのみ有する液晶分子である。
【００３８】
重合官能性度は、アクリレート基（メタクリレート基を含む）、ビニルエーテル基またはエポキシ基によって提供され得る。しかし、重合官能性度は、好ましくは、アクリレート基によって提供される。
【００３９】
好ましい実施態様において、第１の反応性メソゲンは、ジアクリレートであり、第２の反応性メソゲンは、モノアクリレートである。
【００４０】
配向層は、第１および第２の反応性メソゲンと、光開始剤との混合物を溶媒または担体中で、ラビングを施したポリイミド層などの予め形成された配向層上にスピンコーティングするなどのそれ自体公知の技術を用いて形成され得る。
【００４１】
第２の反応性メソゲンの割合が高くなればなるほど、プレチルト角はある限界まで高くなり得る。第２の反応性メソゲンは、第１および第２の反応性メソゲンの全重量の約４０重量％までの量、より好ましくは、約５から約４０重量％以上の量、最も好ましくは約１０から約３０重量％で存在し得る。非常に高いプレチルト角（即ち、低いチルトオフ垂直配向が必要とされる場合での使用）に対しては、第２の反応性メソゲンは、約２０から約３０重量％の量で存在し得る。
【００４２】
本発明の第２の局面によると、液晶層と、液晶層の両側に配置された配向層と、液晶層全体に電界を与える手段とを有し、配向層の少なくとも１つが、第１の反応性メソゲンと第２の反応性メソゲンとの硬化混合物で形成され、第２の反応性メソゲンが第１の反応性メソゲンよりも低い重合官能性度を有する、液晶表示デバイスが提供される。
【００４３】
本発明の第３の局面によると、第１および第２の重合性液晶モノマー（反応性メソゲン）の混合物の層を基板上に形成する工程と、反応性メソゲンを重合し、配向層を形成し、配向層上に液晶を提供する工程とを包含し、第２の反応性メソゲンが第１の反応性メソゲンよりも低い重合官能性度を有する光学装置の製造方法が提供される。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下に説明する実施例において、「反応性メソゲン」は、少なくとも１つのメソゲン基と、メソゲン基に結合した少なくとも１つの重合性官能基とを有する分子を意味する。
【００４５】
ここで、図１を参照する。図１は、それぞれが、ポリイミド配向層１２を有し、その上にポリマー液晶配向層１４を備えた、間隔を置いて配置されたＩＴＯでコーティングされた一対のガラス基板プレート１０を有する液晶セルを示す。液晶層１６は、両配向層１４と接触するようにセルを充填している。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
図１のセルの製造において、２種類の市販のジアクリレート反応性メソゲン材料（ＲＭ２５７およびＲＭ２５８−ＭｅｒｃｋＬｔｄ）および２種類のモノアクリレート反応性メソゲン材料（ＲＭ３０５およびＲＭ３０８）を用いた。４種類のジアクリレート／モノアクリレート混合物を形成し、モノアクリレートは、各混合物中３０重量％の量とした（以下の表を参照）。各アクリレート混合物を、トルエン６重量部に対してアクリレート混合物１重量部の割合となるようにトルエン中に溶解した。少量（約１重量比％）の光開始剤（Ｄａｒａｃｕｒｅ４２６５−ＣｉｂａＧｅｉｇｙ）を加え、得られた液晶を、それぞれが、ポリイミド（Ｐ１２５５５−ＤｕＰｏｎｔ）で予めコーティングされたプレート１０に数滴スピンコーティングした（５ｋｒｐｍ、１０秒）。このようなＰ１２５５５を用いたコーティングは、Ｐ１２５５５を２０重量部の専売溶媒（Ｔ３９０３９−ＤｕＰｏｎｔ）中に溶解し、この溶液をＰＴＦＥフィルタを用いて０．２μｍまで濾過することによって行った。この溶液を、水酸化ナトリウム溶液、脱イオン水およびプロパノールの組合せを用いて洗浄したガラスプレート１０に数滴スピンコーティングした（４ｋｒｐｍ、４０秒）。ガラスプレート１０は、ほとんどすべてのＬＣＤデバイスにおいて透明電極を形成するのに用いられる材料である、透明導電酸化インジウム錫（ＩＴＯ）の薄層で予めコーティングされたものを購入した。次に、プレート１０を９０℃で３０分間焼成し、過剰な溶媒を飛ばし、さらに２５０℃で１．５時間焼成し、Ｐ１２５５５をイミド化した。次に、ポリイミド膜を柔らかい布で一方向にラビングし、一方向配向をさせた。
【００４７】
アクリレート混合物層をスピンコーティングした後、プレート１０を窒素雰囲気中でＵＶ光に露光し、光重合させた。スピンコートおよび硬化によって得られたアクリレート層１４は、通常、約１００ｎｍの厚さである。２枚のプレート１０を各ジアクリレート／モノアクリレート混合物に対して用意し、プレート１０を４個の（アンチパラレルラビングされた）液晶セルに組み立てた。各セルを、層１６を提供するように毛細管現象を利用してネマティック液晶混合物「Ｅ７」（Ｍｅｒｃｋ＆Ｃｏ．Ｌｔｄ．）で充填した。セルのプレチルト角を標準的な技術（公知の「結晶回転方法」およびコノスコピー）を用いて測定した。Ｅ７は、４種類のシアノビフェニルの公知の混合物であり、その詳細は、Ｅ．Ｐ．ＲａｙｎｅｓらによってＭｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．、５６巻（文献（ｌｅｔｔｅｒｓ））、１９７９年、６３から６８頁に記載されている。
【００４８】
結果を以下の表に示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
モノアクリレートの割合を、配向層１４におけるジアクリレートとモノアクリレートとの合計重量に対して、０重量％より大きく、かつ４０重量％以下に設定することが好ましい。モノアクリレートの割合を上記範囲に設定することによって、配向層１４は、配向層１４と液晶層１６との界面付近の液晶分子に望ましいプレチルト角を与える。上述したように、垂直配向型の液晶セルにおいて、液晶分子のプレチルト角が、８０°より大きく９０°未満であることが好ましい。したがって、本願発明によれば、高い表示品位を有する液晶表示装置が得られる。さらに、モノアクリレートの割合を、ほぼ５重量％以上、４０重量％の範囲に設定することがより好ましい。さらに、モノアクリレートの割合が、２０重量％以上かつ３０重量％以下であれば、本願発明の効果はより明瞭になる。
【００５１】
配向層１４がジアクリレート（例えば、ＲＭ２５７）を含み、モノアクリレートを含まない場合には、液晶分子のプレチルト角はゼロ（水平配向）となる。すなわち、垂直配向は得られない。一方、ジアクリレートとモノアクリレートとの合計重量に対して、モノアクリレートの重量比率が、４０重量％を越える場合には、配向層１４に隣接する液晶分子のプレチルト角はほぼ９０°となる。このような場合だと、液晶層に電圧が印加された際に、液晶分子が倒れる方向を制御することが不可能になる。上述したように、このことは、液晶表示装置の表示品位に悪影響を与える。したがって、モノアクリレートの割合が、ジアクリレートとモノアクリレートとの合計重量に対して、０重量％より大きくかつ４０重量％以下の範囲にあることが好ましい。
【００５２】
反応性メソゲンに含まれる重合性官能基として、アクリレート基、メタクリレート基、ビニルエーテル基、およびエポキシ基が利用できる。なお、混合物が、互いに重合性官能基の数が異なる少なくとも２つの反応性メソゲンを含めば、重合性官能基の種類は上記に限定されない。
【００５３】
（実施例２）
ＲＭ２５７＋ＲＭ３０５およびＲＭ２５７＋ＲＭ３０８の混合物を用いて液晶セルを実施例１と同様に調製した。しかし、この場合、ジアクリレートに添加されるモノアクリレートの重量パーセントを変化させた。プレチルト角の変化を図２に示す。図２では、重量比率の変化を横軸に示し、プレチルト角の変化を縦軸に示している。
【００５４】
（実施例３）
ＲＭ２５７＋ＲＭ３０５およびＲＭ２５７＋ＲＭ３０８の混合物を用いて液晶セルを実施例１と同様に調製した。しかし、この場合、アクリレート混合物を希釈するのに用いたトルエンの重量部数を変化させた。セルの中にはＥ７で充填したものもあれば、ネマティック液晶材料ＺＬ１４７８８−０００（Ｍｅｒｃｋ＆Ｃｏ．Ｌｔｄ．から入手できる負の誘電率異方性を有する材料）で充填したものもあった。結果を図３に示す。
【００５５】
ＲＭ層をスピニングする際に溶媒として用いられるトルエンの量を変化させると、層の厚さが変化し、その結果、光学複屈折率も変化し得る。図４は、ＲＭ２５７の層の光学的な厚さの変化を、ＲＭ２５７を希釈するのに用いられるトルエンの部数の関数として示す。予めポリイミド（Ｐ１２５５５）でコーティングし、ラビングを施したガラスプレート１２に対してスピニングを５ｋｒｐｍで１０秒間行い、ＲＭ２５７分子を配向させた。
【００５６】
（実施例４）
上記の実施例と同様にセルを調製した。配向層ＲＭ２５７＋３０％（重量比）ＲＭ３０５は、トルエンからスピニングした（６重量部のトルエン：１重量部のアクリレート混合物）。ラビング方向が平行で、セルギャップが約５ミクロンとなるようにセルを組み立てた。２％（重量比）ＬＳＢ２７８（ＭｉｔｓｕｉＬｔｄ．からの青い色素）を含有する負の誘電異方性材料ＺＬ１４７８８−０００（ＭｅｒｃｋＬｔｄ）でセルを充填した。
【００５７】
図３は、反応性メソゲン（１重量部）とトルエン（２０重量部）との混合物を用いてこのように調製したセルでは、ＺＬ１４７８８−０００混合物が、８７゜付近のプレチルト角で整列することを示す。
【００５８】
図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれが、ＩＴＯ電極１８でコーティングされた一対のガラス基板１０と、ラビングを施されたポリミド層１２と、重合された反応性メソゲン配向層１４とからなるこのようなデバイスの電気光学スイッチング特性を調べるのに用いた実験装置の詳細を示す。液晶分子２０および色素分子２２を含む液晶層１６を、層１４間で層１４に接触するようにセル内に規定した。
【００５９】
光ビーム２４は、セル、偏光子２６、そして最後に照度計２８を透過する。図５（ａ）は、ＩＴＯ電極１８全体に電界が印加されず、偏光子２６が、その偏光軸が図面の面内にあるように設定されているセルを示す。図５（ｂ）は、ＩＴＯ電極１８全体に電界が印加され、偏光子２６が、その偏光軸が図面の面内にあるように設定されているセルを示す。層１４の表面にあるＬＣ分子２０は、ある程度高い角度（ほぼ９０゜）でプレチルトしているのが図示されている。電界が電極１８間に印加されているとき、セル内の負の誘電異方性ＬＣ分子２０は再び配向し、電界に対して垂直となるように横たわり、隣接する色素分子２２を協働して再び配向させる傾向がある。色素分子２２は、正の二色性分子であるため、その長軸に沿った偏光を吸収する。この結果、図５（ａ）（即ち、電圧無印加）に示す状態から図５（ｂ）（電圧印加）の状態に移行する際、照度計２８は、光の透過率の降下を記録する。なぜなら、図面の面内の偏光は、図面の面内に横たわる色素分子２２によって吸収されるためである。しかし、偏光子２６が９０゜回転される場合（図５（ｃ）を参照）、照度計２８は、電圧オン状態と電圧オフ状態との間の透過率の変化を検出しない。これは、偏光子の軸が、色素吸収軸が存在する面に対して直交するためである。
【００６０】
図６は、上記のＺＬ１４７８８−０００＋２％ＬＳＢ２７８セルに対する実際の実験結果を示す。白抜き丸印は、電圧を変化させた際の図５（ａ）および図５（ｂ）に概略的に例示する状況を示す。黒塗り丸印は、図５（ｃ）に概略的に示される状況を示す。本明細書に記載するデバイスは、一般に、「正のスイッチングヘイルマイヤ（Ｈｅｉｌｍｅｉｅｒ）ディスプレイ」（Ｔ．Ｊ．Ｓｃｈｅｆｆｅｒ（上述）を参照）と呼ばれる。以前は、このモードの実験証明は、適切なチルトオフ垂直配向面がないことにより限られていた。
【００６１】
言うまでもなく、本明細書で記載する配向層１６は、色素ゲスト−ホストディスプレイに含まれ得る色素および／または液晶の選択を制限するものではない。例えば、色素は、任意の所望の色、メソゲン特性、負の誘電異方性（電界を印加した際に、図５（ｂ）および図５（ｃ）におけるガラスプレートに平行に配向する傾向を高める）、および分子長軸に対してある角度で存在する主要吸収軸（即ち、正または負の二色性色素が用いられ得る）を有するものが選択され得る。使用する液晶は、表示の電気光学特性を変化させるために添加されるカイラルドーパントを含有し得る（Ｔ．Ｊ．Ｓｃｈｅｆｆｅｒ（上述）を参照）。カイラルドーパントを液晶に添加する一般的な実施態様には、９０゜ツイステッドヘイルマイヤディスプレイおよびスーパーツイステッドヘイルマイヤディスプレイ（即ち、ツイスト角βは、通常、１８０゜≦β≦２７０゜の範囲にある）が挙げられる。
【００６２】
（実施例５）
本発明の他の応用を図７Ａおよび図７Ｂを参照しながら説明する。図７Ａおよび図７Ｂは、公知の液晶スイッチングモード、即ち、「エンド」Ｆｒｅｅｄｅｒｉｃｋｓｚ転移を示す。図７Ａおよび図７Ｂに示すデバイスにおいて、負の誘電異方性を有する液晶の層１６は、２つのガラス基板１０間に規定されている。各基板は、透明な電気的導電電極１１および配向層１３でコーティングされている。
【００６３】
液晶層に電圧が印加されていないとき、液晶分子は、図７Ａに示すように、垂直配向される。十分に大きな電圧を電極１１間に印加すると、液晶分子は、短軸を印加電界の方向に揃えるように傾く傾向があるからである。図７Ｂはこれを示す。液晶セルが２つの偏光子（不図示）間に配置される場合、透過光の強度は、液晶層に印加される電圧に応じて変化する。
【００６４】
しかし、図７Ａおよび図７Ｂに示すデバイスにおいて、液晶分子の真の垂直配向を用いることは不利である。なぜなら、この場合、液晶層１６の異なる領域内の分子は異なる方向に傾く傾向があるからである。図７Ｂに示す紙面内ですべての分子が傾くわけではなく、例えば、いくつかの分子が紙面から傾く。図７Ａに示す配向からのチルト方向はすべて同等である。液晶ディレクタ構成の欠陥または歪みは、液晶分子が異なる方向に傾く２つの領域間の境界で発生し、これによって、光の望ましくない散乱が引き起こされ、表示の光学コントラストを減少させる。
【００６５】
この問題は、従来の配向層１３を９０゜からの小さな表面プレチルトを形成する本発明の配向層に置き換えることによって克服され得る。このプレチルトにより、電圧が液晶層１６に印加されるとき、液晶分子の傾きが単一の好ましい方向に形成される。
【００６６】
（実施例６）
本発明の他の応用を図８を参照しながら説明する。図８は、図７Ａおよび図７Ｂに示したのと同一の構造を有する液晶デバイスを示す。しかし、このデバイスにおいては、カイラルドーパントが液晶１６に添加される。
【００６７】
液晶層に電圧が印加されていないとき、液晶は、図７Ａに示したように垂直に配向する。液晶層に電圧を印加すると、液晶分子は、図７Ａおよび図７Ｂに関連して上述したように傾く。カイラルドーパントが存在することによって、液晶分子の傾きは、液晶ディレクタ配列内のねじれによって成し遂げられる。図８は、これを概略的に示す。傾きおよびねじれプロファイルの正確な特性は、カイラルドーパントの量および使用する液晶のタイプなどの要因、ならびにセル厚さに依存する。公知のデバイスの一例としては、ある印加電圧に対して誘発されたねじれが９０゜になるように配置され、それによって、公知のツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶ディスプレイの垂直配向改変体を製造するものがある。しかし他のツイストも選択できる。
【００６８】
図７Ｂを参照しながら上述したように、真の垂直配向を使用すると、液晶分子のチルト方向の選択が一義的に決まらず、異なるチルト方向の領域を生じ得、それによって光散乱欠陥を引き起こす。図７Ａおよび図７Ｂに示す装置のように、この問題は、配向層１３を、液晶分子をわずかにオフ垂直配向させる本発明の配向層と交換することによって克服され得る。
【００６９】
上記の実施例において、基板１０と反応性メソゲン層１４との間のポリマー配向層１２は、空間的に均一なラビング方向またはプリチルト角を有していた。しかし、ポリマー配向層１２が、空間的に変化するラビング方向（プレチルト方向）および空間的に変化するプレチルト角の少なくとも一方を有することも可能である。これによって、視野角が変化するにつれて不均一な視野特性を有する液晶ディスプレイの問題が解決できる。当該技術分野で公知のように、液晶ディスプレイの異なる領域が異なる方向に配向される場合、視野角に起因する視野特性の変化は、「平均化」され、それによって、ディスプレイの視野特性全体が向上する。
【００７０】
空間的に変化するラビング方向を有する配向層は、いずれの従来方法を用いても製造され得る。例えば、配向層は、Ｓｃｈａｄｔら、ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ３４巻（１９９５年）、Ｌ７６４から７６７頁において記載されている方法で調製されうる。この方法では、配向方向は、線形重合性感光性樹脂を直線偏光に露光することによって規定される。この方法では、表面をマスクし、第１の方向に直線偏光される光に露光し、第１のラビング方向を表面の露光エリアに規定する。この後、第２のマスクを用いる第２の露光工程を行い、表面の異なるエリアを第２露光工程において露光する。第２の露光工程は、第１の方向とは異なる第２の方向に直線偏光される光を用いて実行される。
【００７１】
Ｓｃｈａｄｔの方法に変わる方法として、ＳＩＤ９５ＤｉｇｅｓｔにおいてＣｈｅｎらは、従来のポリイミド配向層を機械的なマスクを用いて繰り返しラビングすることを述べている。ラビングは、ポリイミド層の異なる表面が異なる方向にラビングされるように、行われる。
【００７２】
ポリイミド膜の、プレチルト角が空間的に変化している表面を作製する方法として、ＡＳＩＡＤＩＳＰＬＡＹ９５ｐｐ５９３−５９６においてＬｉｅｎらは、２ドメインＴＮパネルを製造する方法を記載している。Ｌｉｅｎらの記載によれば、ラビングされたポリイミド膜の選択された部位にＵＶ光を照射する１つの工程が、従来の１ドメインＬＣＤプロセスに加えられるだけで、２ドメインＬＣＤの作製プロセスが得られる。
【００７３】
（理論背景）
空気界面の液晶分子が、高プレチルト角（通常、４５゜から９０゜の範囲）を形成する傾向があることは公知である。液晶分子が、低プレチルト表面（例えば、１０゜まで）である表面上に配置される場合、液晶分子は、図９に概略的に示すようなスプレイ（ｓｐｌａｙｅｄ）構成を形成する。
【００７４】
高プレチルト配向層が、光硬化型ポリマーを用いて分子を定位置に「固定」することによって、このような傾斜した液晶構成から形成され得ることは公知である。図９の実線２１は、液晶分子をそのスプレイ位置に固定するポリマー鎖のネットワークを概略的に示す。この配向層を製造する従来の方法は、ＥＰ−Ａ−０４６７４５６に開示されている。
【００７５】
本発明において、「スプレイ」および「固定」の機能は、単一タイプの分子、即ち分子の各端部において光架橋ユニット（Ｘで示す）を有する反応性メソゲンにおいて組み合わせられる。このような反応性メソゲンの例としては、上記で言及したＲＭ２５７またはＲＭ２５８などのジアクリレートが挙げられる。メソゲン層がＵＶ光に露光されると、各「Ｘ」は、他の「Ｘ」と連結し、３Ｄポリマーネットワークを形成する。図１０に示されるメソゲン層が光重合されると、架橋プロセスは、空気界面において分子のプレチルトを減少させる。図１０が示す空気界面における分子の外端は、基板の方に引っ張られ、これによってプレチルトを減少させる。従って、ジアクリレート分子の光架橋プロセスは、低プレチルトを有する配向層を形成する。実質的にＲＭ２５７またはＲＭ２５８から構成される配向層が、１０゜未満のプレチルトを有することが実験的に見いだされている。
【００７６】
本発明において、配向層は、２つの異なる反応性メソゲンから形成される。第１のメソゲンは、第２のメソゲンよりも高い重合官能性度を有する。この一例として、第１のメソゲンが二重反応性（即ち、各分子が、２つの光架橋単位Ｘを有する）であり、第２の分子が単一反応性（即ち、各分子が、１つの光架橋単位Ｘのみを有する）である場合が挙げられる。図１１は、単一反応性（ｍｏｎｏ−ｒｅａｃｔｉｖｅ）および二重反応性（ｄｉ−ｒｅａｃｔｉｖｅ）メソゲンから形成される層を概略的に示す。図１１において、「Ａ」は、二重反応性分子を示し、「Ｂ」は、単一反応性分子を示す。光重合が発生すると、二重反応性分子「Ａ」は両端をバルクポリマーに連結されるが、分子「Ｂ」は、非反応性端部が高プレチルト角で基板から離れた方向を向いたままである。
【００７７】
本発明は、いくつかの例示的な実施例を参照しながら説明したが、さらに、他のゲスト−ホストデバイス構造も記録されており、ＲＭチルトオフ垂直配向層の使用は、上述したヘイルマイヤディスプレイに限定されない。他の透過型および反射型ゲスト−ホストディスプレイも公知である。二重層ゲスト−ホストディスプレイ、および「コールおよびカッシュノー（ＣｏｌｅａｎｄＫａｓｈｕｎｏｗ）」反射型デバイスも文献上公知である（Ｓｃｈｅｆｆｅｒを参照）。本明細書に記載のチルトオフ垂直配向層を異なる色素およびＬＣ材料と共に、および異なるゲスト−ホスト表示モードで用いることは、当業者には明白である。
【００７８】
【発明の効果】
上記のように、本発明によると、簡単で広範囲にわたる応用に適切であり、現在用いられている液晶デバイス製造技術を用いて使用するのにも都合がよいようにチルトオフ垂直配向度を制御する液晶光学装置、この液晶光学装置を備えた液晶デバイス、およびこの液晶光学装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学装置を備えた液晶セルの概略図である。
【図２】モノアクリレート反応性メソゲンおよびジアクリレート反応性メソゲンを含有する反応性メソゲン組成物におけるモノアクリレート濃度に対するプレチルト角をプロットしたグラフである。
【図３】モノアクリレート反応性メソゲンおよびジアクリレート反応性メソゲンを含有する反応性メソゲン組成物におけるトルエン濃度に対するプレチルト角をプロットしたグラフである。
【図４】モノアクリレート反応性メソゲンおよびジアクリレート反応性メソゲンを含有する反応性メソゲン組成物におけるトルエン濃度に対する光学的な厚さをプロットしたグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による光学装置を備えた液晶表示装置の動作中の液晶状態を示す図である。
【図６】図５（ａ）〜（ｃ）の装置の使用中に印加される電圧に対して透過率（百分率）をプロットしたグラフである。
【図７Ａ】本発明が適用され得る液晶セルの概略図である。
【図７Ｂ】本発明が適用され得る液晶セルの概略図である。
【図８】本発明が適用され得る他の液晶セルの概略図である。
【図９】従来の配向層に接した液晶分子の配向を示す概略図である。
【図１０】二重反応性メソゲン分子の層における分子配列の概略図である。
【図１１】単一反応性および二重反応性メソゲン分子を含む層の分子配置の概略図である。
【符号の説明】
１０ＩＴＯでコーティングされたガラス基板プレート
１２ポリイミド配向層
１４ポリマー液晶配向層
１６液晶層
１８ＩＴＯ電極
２０液晶分子
２２色素分子
２４光ビーム
２６偏光子
２８照度計

Claims

液晶層と、
該液晶層に接し、かつ第１の反応性メソゲンおよび第２の反応性メソゲンを含む混合物からなる少なくとも１つの第１の配向層と、
を備えた光学装置であって、
該第１および第２の反応性メソゲンのそれぞれは少なくとも１つの重合性官能基を有しており、該第２の反応性メソゲンの重合性官能基の数は、該第１の反応性メソゲンの重合性官能基の数よりも少なく、
該混合物における該第１の反応性メソゲンに対する該第２の反応性メソゲンの割合は、該液晶層における液晶分子に８０°より大きく９０°未満であるプレチルト角を与えるように、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、４０重量％以下になっている、光学装置。
前記第１の反応性メソゲンは少なくとも１つの重合性官能基を各端部に有する液晶分子である、請求項１に記載の光学装置。
前記第２の反応性メソゲンは少なくとも１つの重合性官能基を一端にのみ有する液晶分子である、請求項１または２に記載の光学装置。
前記第２の反応性メソゲンは単一の重合性官能基を一端にのみ有する液晶分子である、請求項１または２に記載の光学装置。
前記第１および第２の反応性メソゲンの前記少なくとも１つの重合性官能基は、アクリレート基、メタクリレート基、ビニルエーテル基、およびエポキシ基からなる群から選択される、請求項１から４のいずれかに記載の光学装置。
前記第１および第２の反応性メソゲンの前記少なくとも１つの重合性官能基はアクリレート基である、請求項１から４のいずれかに記載の光学装置。
前記第１の反応性メソゲンがジアクリレートであり、前記第２の反応性メソゲンがモノアクリレートである、請求項２に記載の光学装置。
前記第２の反応性メソゲンの前記割合は、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、ほぼ５重量％以上４０重量％以下である、請求項１から７のいずれかに記載の光学装置。
前記第２の反応性メソゲンの前記割合は、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、ほぼ１０重量％以上３０重量％以下である、請求項１から７のいずれかに記載の光学装置。
前記第２の反応性メソゲンの前記割合は、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、ほぼ２０重量％以上３０重量％以下である、請求項１から７のいずれかに記載の光学装置。
請求項１から１０のいずれかに記載の光学装置と、
前記液晶層を間に挟み互いに対向している１対の電極と、をさらに備え、
かつ該液晶層が活性層である、液晶表示装置。
液晶層と、
該液晶層の対向する面に設けられ、かつ少なくとも一方は第１の反応性メソゲンおよび第２の反応性メソゲンを含む混合物からなる一対の配向層と、
該液晶層を間に挟み互いに対向している１対の電極と、
を備えた液晶表示装置であって、
該第１および第２の反応性メソゲンのそれぞれは少なくとも１つの重合性官能基を有しており、該第２の反応性メソゲンの重合性官能基の数は、該第１の反応性メソゲンの重合性官能基の数よりも少なく、
該混合物における該第１の反応性メソゲンに対する該第２の反応性メソゲンの割合は、該液晶層における液晶分子に８０°より大きく９０°未満であるプレチルト角を与えるように、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、４０重量％以下になっている、液晶表示装置。
（i)第１の反応性メソゲンと第２の反応性メソゲンとの混合物の層を形成する工程と、
(ii）該第１および第２の反応性メソゲンを重合し、第１の配向層を形成する工程と、
（iii）液晶層を該第１の配向層上に設ける工程と、
を包含した、光学装置の製造方法であって、
該第１および第２の反応性メソゲンのそれぞれは少なくとも１つの重合性官能基を有しており、該第２の反応性メソゲンの重合性官能基の数は、該第１の反応性メソゲンの重合性官能基の数よりも少なく、
該工程（i）において、該液晶層における液晶分子に８０°より大きく９０°未満であるプレチルト角を与えるように、該混合物における該第１の反応性メソゲンに対する該第２の反応性メソゲンの割合が、前記第１および第２の反応性メソゲンの合計重量に対して、４０重量％以下になっている、光学装置の製造方法。
前記工程（i）が、
（a）基板上に第２の配向層を形成する工程と、
（b）該第２の配向層上に前記第１および第２の反応性メソゲンを含む混合物を設けることによって、該混合物の前記層を形成する工程と、
を含む、請求項１３に記載の光学装置の製造方法。
前記工程（i）が、液晶希釈剤を加えた前記混合物を用いて行われる、請求項１３に記載の光学装置の製造方法。
前記液晶希釈剤が、前記第１および第２の反応性メソゲンを含む混合物の１重量部に対して約５から約２０重量部の量で存在する、請求項１５に記載の光学装置の製造方法。
基板上に設けられ、かつ第１の領域と第２の領域とを有する第２の配向層をさらに備えた、光学装置であって、
該第１の領域の表面上の分子のプレチルト方向と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト方向とは互いに異なり、かつ
前記少なくとも１つの第１の配向層は、該第２の配向層上に設けられている、請求項１に記載の光学装置。
基板上に設けられ、かつ第１の領域と第２の領域とを有する第２の配向層をさらに備えた、光学装置であって、
該第１の領域の表面上の分子のプレチルト角と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト角とは互いに異なり、かつ
前記少なくとも１つの第１の配向層は、該第２の配向層上に設けられている、請求項１に記載の光学装置。
基板上に設けられ、かつ第１の領域と第２の領域とを有する第２の配向層をさらに備えた、光学装置であって、
該第１の領域の表面上の分子のプレチルト方向と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト方向とは互いに異なり、
該第１の領域の表面上の分子のプレチルト角と、該第２の領域の表面上の分子のプレチルト角とは互いに異なり、かつ
前記少なくとも１つの第１の配向層は、該第２の配向層上に設けられている、請求項１に記載の光学装置。
前記工程（a）が、
（c）前記第２の配向層の第１の領域の表面上の分子に第１のプレチルト方向を与え、かつ該第２の配向層の第２の領域の表面上の分子に第２のプレチルト方向を与える工程と、
（d）該第２の配向層の第１の領域の表面上の該分子に第１のプレチルト角を与え、かつ該第２の配向層の第２の領域の表面上の該分子に第２のプレチルト角を与える工程と、
のうちの少なくとも１つの工程を含み、
該第１のプレチルト方向と該第２のプレチルト方向とは互いに異なり、
該第１のプレチルト角と該第２のプレチルト角とは互いに異なる、請求項１４に記載の光学装置の製造方法。