JP3939341B2 - 液晶デバイスの配向 - Google Patents

Description

本発明は、液晶デバイスの配向に関する。かかるデバイスは、通常セル壁間に含まれる液晶材料の薄い層を含む。壁上の光学的に透明な電極構造により、層を横切って電界がかかり、液晶分子が再配列してＯＮ状態になる。電界を除去すると、分子は再び弛緩（relax）してＯＦＦ状態になる。
液晶材料としては、ネマティック（nematic）、コレステリック（cholestric）、スメクティック（smectic）の三つのタイプが知られており、それぞれ分子の配列が異なる。
本発明は、ネマティックまたはピッチの長いコレステリックの材料を用いたデバイス、およびセル壁への表面配向処理に関する。この表面配向は、壁と接触している液晶分子を配向方向に配向するものである。こういった配向の方向を直交するように決めることによって、液晶はその電圧ＯＦＦ状態に置いてねじれ構造をとらざるを得なくなる。このデバイスは、ツイステッドネマティック（twisted nematic）デバイスとして知られている。ネマティックの材料にコレステリックの材料を少量加えることにより、好適なねじれ方向を与えることができ、デバイス内のねじれが確実に均一となる。また、例えばスーパーツイステッドネマティックデバイスや、米国特許ＵＳ−４，５９６，４４６号に記述される２７０°のツイステッドネマティックデバイスのように、ねじれの角度を９０°より大きくしてデバイスを作ることもできる。配向処理の別の要件は、セル壁における液晶分子に対しても表面のチルト（tilt）を与えるべきである、ということである。かかる表面のチルトは、例えば英国特許ＧＢ−１，４７２，２４７号および同１，４７８，５９２号に説明されるように、デバイスによっては、表示を確実に均一にするために必要である。
多数のアドレス可能な素子で表示を行うために、電極を、一方の壁上の一連の行電極および他方のセル壁上の一連の列電極として作ることが普通である。こういった形式、例えばアドレス可能な素子または画素のｘ−ｙマトリクスは、普通ｒｍｓアドレス法を用いてアドレスされる。材料およびデバイスのパラメータのために、多重アドレスできる画素の数には上限がある。画素数を多くする方法の一つは、それぞれの画素に隣接して薄膜トランジスタを組み込むことである。かかる表示装置は、アクティブマトリクス表示装置と呼ばれる。
配向を行う方法の一つは、ラビング（rubbing）工程と呼ばれ、ポリマー層を有するまたは有しないセル壁が柔らかい布によって一方向にラビングされる。液晶分子は、ポリマー層によって決まるが通常約２°またはそれ以上の表面チルトで、ラビング方向に沿って配向する。このラビング工程の欠点は、表示装置の歩留まりを低下させたりセル壁上に既に形成されている薄膜トランジスタに静電的および機械的損傷を与える粉塵を発生する可能性がある、ということである。
他の配向技術として、例えばＳｉＯの、斜方蒸着（oblique evaporation）がある。これは、蒸着方向の角度によって決まるが表面のチルトをゼロ、または例えば３０°といった高いチルトにすることができる。かかる技術は、大量生産では扱いにくい。しかしそれよりも重要な問題は、広い面積のセル壁にわたって配向方向および表面のチルトを均一にすることが困難である、ということである。
こういった理由により、非ラビングの配向技術を開発することが非常に望ましい。かかる配向には、ラングミュアブロジェット（Langmuir Bloggett）技術の使用（H．Ikeno他、Japan J Appl Phys、第２７巻４９５ページ、１９８８年）、基板に磁界をかけること（N．KoshhidaおよびS．Kikui、Appl Phys Lett、第４０巻５４１ページ、１９８２年）、または機械的延伸（drawing）により誘導された光学的異方性を有するポリマー膜の使用（H．Aoyama他、Mol Cryst Liq Cryst、第７２巻、１２７ページ、１９８１年）、または偏光の照射（M．Schadt他、Japan J Appl Phys、第３１巻２１５５ページ、１９９２年）、が含まれている。また、一つの表面のみがラビングされるツイステッドネマティック構造も作られている（Y．Toko他、Japan Display ９２ ４９１）。
サーモクロミックの（thermochromic）表示装置を形成するピッチの短いコレステリックの材料は、プラスチックのセル壁内にエンボス（emboss）加工されたグレーティング（grating）構造によって配向している。これは、英国特許ＧＢ−２，１４３，３２３号（McDonnell、１９８３年）に説明されている。以前の、ブレチルト（pretilt）した配向を得るためのグレーティングの使用は、正弦波（sinusoidal）グレーティングと交わるブレーズ（blazed）グレーティングを利用してきた（E．S．Lee他、SID 93 Digest、９５７）。そして液晶のディレクタ（director）は正弦波グレーティングの溝に沿って走り、それゆえブレーズグレーティングを横切って走り、プレチルトを引き起こす。
本発明によれば、ツイステッドネマティックのタイプのデバイス、例えばねじれが４５°、９０°、１８０°、２７０°、３６０°、またはそれ以上、またはこれらの中間の角度であるデバイス、の配向の方向と表面のチルトの両方が、単一のブレーズによって与えられる。
本発明によれば、ツイステッドネマティックデバイスは、
液晶材料の層を封入する二つのセル壁と、
両方の壁上の電極構造と、
液晶分子に配向の方向と表面のチルトの両方を与える、両方の壁上の表面の配向と
を含み、セル壁は、配向の方向が互いにゼロでない角度をなすように配置されており、
表面整合方向をもたらすための、非対称プロファイルを有する溝を有している、少なくとも一つのセル壁上のグレーティングと、
セル壁における表面整合方向間の角度に等しくないねじれ角をもたらし、これによって液晶材料の弾性ねじれ定数と組み合わされたグレーティング整合が、液晶材料に対して整合および非ゼロ表面チルトの両方をもたらすコレステリックピッチおよび厚さを液晶材料層が有していることを特徴とする。
非対称の配向は、ほぼのこぎり波の断面形状を有してもよい。
非対称の配向の表面は、以下の式を満たすｈの値がいかなる値のｘについても存在しないような表面として規定してもよい。
Ｙ（ｈ−ｘ）＝Ｙ（ｈ＋ｘ） ・・・（１）
ただしＹは表面の振幅（amplitude）を表す関数である。
非対称構造は、セル壁の全体または一部、またはそれぞれの画素の全体または一部を覆ってもよい。さらに、配向の方向は、一つの画素の異なる領域においてまたは隣接する画素上で異なってもよい。
セルは、両方とも液晶材料内に少量の多色性の材料（pleochroic）（例えばＤ８２、メルク）を含むまたは含まない、二つの色のついたまたは中立の偏光板の間に配置してもよい。偏光板の偏光軸、層の厚さ、および材料の複屈折は、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の間の表示コントラストを最適化するように決めてよい。例えば、偏光板の光軸（optical axis）は、隣接する配向の方向に対して平行または直角の角度から数度までずれてもよく、デバイスはグーチとタリーの最小値（Gooch and Tarry minimum）において動作されてもよい（J Phys D Appl Phys、第８巻、１９７５年、１５７５−１５８４ページ）。
セル壁の一方または両方は、ガラス等の比較的厚い柔軟性を有しない材料で形成してもよく、または、セル壁の一方または両方は、ガラスの薄い層または例えばポリプロピレン等のプラスチック材料等の、柔軟性を有する材料で形成してもよい。プラスチックのセル壁は、その内面上にエンボス加工を施してグレーティングを設けてもよい。さらに、エンボス加工によって、セル壁とセル壁の間隔（spacing apart）の補正を助け、セルが曲がったときに液晶材料流動の障壁ともなる小さなピラー（pillars）（例えば、高さが１〜３μｍ、幅が５〜５０μｍまたはそれ以上）を設けてもよい。または、ピラーを、配向層の材料によってを形成してもよい。
次に、本発明を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。添付の図面において、
第１図は、マトリクスの多重アドレスされる（matrix multiplexaddressed）液晶表示装置の平面図である。
第２図は、第１図の表示装置の断面図である。
第３図は、液晶セルを横切る配向およびねじれを示す様式図である。
第４図は、非対称の配向を作製する装置の概略図である。
第５図は、第４図の装置によって処理されているセル壁の断面図である。
第６図は、配向した層の様式断面図である。
第７図は、配向層の面（facet）の角度に対する液晶表面のチルトのグラフである。
第１図および第２図に示す表示装置は、ガラスの壁３、４の間に含まれるコレステリックの液晶材料の層２によって形成される液晶セル１を含む。スペーサリング５によって、両方の壁は通常６μｍ離れた状態で維持される。さらに、壁の間隔を正確に維持するために、多数の、６μｍという小さな直径のガラス繊維を液晶材料中に分散してもよい。例えばＳｎＯ₂やＩＴＯの、ストップ状（strip like）の行電極６が一方の壁３上に形成され、同様の列電極７が他方の壁４上に形成される。ｍ行ｎ列の電極であれば、ｍ−ｎマトリクスのアドレス可能な素子または画素を形成する。それぞれの画素は、行と列の電極の交差によって形成される。
行ドライバ８は、それぞれの行電極６に電圧を供給する。同様に、列ドライバ９は、それぞれの列電極７に電圧を供給する。印加される電圧は、電圧源１１からの電力およびクロック１２からのタイミングを受け取る制御ロジック１０から制御される。
後述するように、セル１のどちらの側にも、偏光軸が互いに関して交わり隣接する壁３、４上の配向の方向に平行になるように配置した偏光板１３、１３’がある。
部分的に反射する鏡１６を、光源１５と共にセル１の後方に配置してもよい。こういったものを配置することにより、表示装置が反射して周囲の照明が弱くても後方から照らされて見ることができる。透過型デバイスでは、鏡を省略してもよい。
第３図は、直交して配向した溝２３、２４を有する二つのグレーティング２１、２２の間のネマティックの液晶層２０よりなる構造を示す。液晶分子の局部的な方向（ディレクタ）を２５で示す。溝が非常に深いグレーティング（すなわち、高いアズマスアンカリングエネルギー（azimuthal anchoring energy））の場合は、それぞれの表面における液晶ディレクタ２５は溝の方向に沿う。しかし、それよりも浅い（またはピッチの長い）グレーティングの場合は、第３図に示す比較的大きなバルクねじれエネルギーのために、表面におけるディレクタ２５は溝の方向２３、２４から（Φ１およびΦ２だけ）それてねじれる（twisted off）。溝がブレーズしている（非対称である）場合には、このそれてねじれることに伴い、表面がプレチルトする。このプレチルトは、逆チルトディスクリネーション（disclination）を防止するために、実用の表示装置には不可欠である。この背景で、ブレーズしている表面は式（１）の表面として上に規定される。
グレーティング２１、２２は、セル壁の表面全体を覆ってもよく、それぞれの画素のすべてまたは一部を覆ってもよく、画素の境界をわずかに超えて延びていてもよい。グレーティングは、画素間の領域を表面にグレーティングを含まないポリマーでコーティングしたグレーティング材料の完全な層の画素領域にあってもよい。または、画素におけるグレーティングは、画素間にグレーティングポリマーがないグレーティングの別個の領域であってもよい。グレーティングのない画素間の領域を用いて、表示装置のＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のコントラスト比を改善してもよい。というのも、こういったグレーティングのない領域は、ノーマリーホワイト（normally white）のツイステッドネマティック表示装置においては黒に見えるからである。これにより、現在の表示装置では形成されていることもある、電極間のセル壁に黒色のパターンを、施す必要がなくなる。
それぞれの画素における溝の方向は、画素の異なる部分において、または隣接する画素、例えば溝が互いに直交する二つの半画素の間で異なっていてもよい。さらに、溝の非対称およびまたは溝の深さは、一つの画素領域内で変えて（それゆえ表面のプレチルトおよびねじれが変わる）、特にＳＴＮデバイス（ねじれ角度が１８０から３６０の間、例えば２７０°）についてさらにグレースケールの表示能力を上げてもよい。このサブ画素化（sub-pixellation）を用いて、表示装置の視角を向上させてもよい。
頂点（zenithal）のアンカリングエネルギーは、グレーティング材料またはその処理を変えることによって、およびまたはグレーティング表面上に界面活性剤（例えばレシチン(lethecin)）を用いることによって、別個に制御してもよい。
第４図は、グレーティングを作製する装置を示す。図示のように、アルゴンイオンレーザ３１（波長４５７．９ｎｍ）からの光３０が、第１のレンズ３２によって固定ディフューザ（diffuser）３３および回転ディフューザ３４上に集光される。第２のレンズ３５が今では拡大された（expan ded）レーザビーム３０を再び平行にし、レーザビーム３０はその後、半アルミニウム処理を施した（semi aluminised）ビームスプリッタ３６によって、二つの鏡３７、３８の上に振幅を分割される（ampli tude split）。二つの鏡３７、３８の間に配置されたサンプルホルダには４０内には、グレーティングに形成されるべき基板３９が搭載されている。二つの鏡３７、３８の中間の、伝播の向きが反対のビームによって、周期がレーザの波長の半分である光学的定在波（standing wave）、すなわち干渉縞が設定される。
インジウムスズ酸化物（indium tin oxide）（ＩＴＯ）でコーティングされたガラスの基板３９は、サンプルホルダ４０内に搭載される前にアセトンおよびイソプロパノールで洗浄され、その後フォトポリイミド（チバガイギー ３４３）を４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートされ、厚さ３．５μｍのコーティング４１がなされる。ソフトベーキング(Softbaking)が８０℃で１５分間行われ、その後さらに、１００℃で１５分間行われる。基板３９はその後、第４図のようにサンプルホルダ４０内に搭載され、アルゴンイオンレーザ３１からの光の定在波パターンに、斜めの角度で露光される。これは、M．C．Hutley、Diffraction Gratings（Academic Press、ロンドン、１９８２年）９５−１２５ページのインターフェログラフィック（interferographic）グレーティング製造の具体的な例である。
干渉縞は、第５図に示すように、フォトポリマー層４１内に記録される。グレーティングのピッチは、基板３９と定在波のなす角度によって決まる。通常、露光はサンプルにおけるパワー密度（power density）が１．５ｍＷ／ｃｍ²で３００秒間である。露光後ベーキング（post e xposure bake）（１０５℃、５分間）の後、サンプルはＱＺ３３０１（Ciba Geigy）で１５秒間でスピン現像が行われ、その後ＱＳ３３１２で１５秒間すすぎが行われる。
上記工程は、M.C.Hutley、Diffraction Gratings（Academic Press、ロンドン、１９８２年、９５−１２５ページ）に説明されているインターフェログラフィックグレーティング製造の具体的な例である。グレーティングは、ＣＡＮＯＮの英国特許ＧＢ−２１６６５６２−Ａ号、ＦＵＮＡＤＡの米国特許ＵＳ−４５２１０８０号、およびＦＵＮＡＤＡの米国特許ＵＳ−４２３２９４７号においても説明されている。
例１
二つのグレーティングが、第４図、第５図を参照して説明した方法で作られ、溝の方向が直交するように配置された。スペーサによって、両方のグレーティングは１０μｍ離れた状態で保持されている。結果として得られた厚さ１０μｍのセルには、市販の液晶混合物Ｅ７（メルク）が充填された。グレーティングのアズマスアンカリングが弱いために、ネマティックはΦ１＝Φ２＝４５°を満たすように配向するとわかった（第３図参照）。G．Baur他、Phys Lett、第５６ａ巻、１４２ページ（１９７６年）に説明されている結晶回転（crystal rotation）法によって、それぞれの表面において１．２°のプレチルトが測定された。続いて表面の一つを原子力顕微鏡（ＡＦＭ）で調べると、プロファイルがゆがんだ正弦曲線であり、それぞれの溝の一方の側の最大面が９．１°であり他方の側が７．５°であることが示された。それゆえ、ディレクタが溝に対してゼロでない角をなす限りにおいて、非対称単グレーティング（monograting）はネマティック内にプレチルトを誘導する、ということが示されている。
また、第６図を参照した簡単な理論的推論（argument）によって、ブレーズグレーティングがプレチルトを誘導する、ということを示すこともできる。
表面アンカリングエネルギーが最小となるように（すなわちバルクエネルギーを無視）表面に対してある角度Ｏｐをなすブレーズグレーティングの上の均一なディレクタの場を仮定しよう。
図示のように、面の角度がθａおよびθｂ、振幅ｘ、ピッチ２Ｌ、分子の表面チルトθ_pで表面を規定しよう。表面アンカリングエネルギーは、次式によって与えられる。

θｐについて最小にすると、次式が与えられる。

θｂ＝π／２、すなわち面の一つを垂直にする。すると、上の解は次式のようになる。

この方程式を第７図に曲線で示す。プレチルトはθａにだいたい一次的に従属し、常にθａよりも大きいことが示されている。従って、この簡単な理論は、プロファイルが非対称な溝によってゼロでないプレチルトが誘導される、ということを立証した。
実験例において、液晶はグレーティングの溝に対して約４５°のほぼ均一な状態を形成した。完全に９０°ねじれた構造を得るために、液晶は（逆ねじれを防止するために）カイラル（chiral）な添加剤を添加され、溝は互いに９０°よりも大きなまたは小さな角をなすように配置される。カイラル剤の添加を行って、溝の非対称（そしてそれゆえプレチルト）は増大することができ、ＳＴＮ（２７０°ねじれた）構造を作ることができる。実験例におけるグレーティングのピッチは１．６μｍであったが、広範囲のピッチを用いることができる。
第４図のように配置すると、０．２３μｍ（レーザの波長の半分）よりも大きいものであればいかなる大きさのピッチのグレーティングも作ることができるが、より小さいピッチは紫外線レーザで作ることができる。正弦波グレーティングの単位面積あたりのアズマス配向エネルギーは、Ｕ＝２π³Ｋ₁₁（ａ²／Ｌ³）と計算されている（D．W．Berreman、Phys Rev Lett、２８、１６８３（１９７２年））、ただしａはグレーティングの振幅（溝の山から谷までの深さの半分）であり、Ｌはピッチである。液晶の配向の点からは、有用なグレーティングは、Ｕが熱ランダム化エネルギー（thermal ramdomisation energy）よりも大きくいかなる他の表面凹凸または材料の不均質と関連するエネルギーよりも大きいようなプロファイルを有しなければならない。さらに、十分なエネルギーを得るためにはピッチを小さくすることが好ましい、というのも、ａが大きすぎる場合、電圧がセルに加えられるときにグレーティングを横切って起こる電圧降下が大きくなるからである。
こういった構成に適したグレーティングは、また、キャリア層移動、フォトリソグラフィー（F．Horn、Physics World ３３（１９９３年３月））、エンボス加工（M．T．Gale他、J Appl Photo Eng、第４巻２−４１ページ（１９７８年））、または刻線加工（ruling）（E．G．LoewenおよびR．S．Wiley、Proc SPIE、第８１５巻８８ページ（１９８７年））を用いても組み立てることができる。

Claims (21)

1. 液晶材料の層（２）を封入する二つのセル壁（３、４）と、
   両方の壁（３、４）上の電極構造（６、７）と、
   液晶分子に表面配向の方向と表面チルトの両方を与える、両方のセル壁上の表面配向とを含み、セル壁（３、４）は、表面配向の方向が互いにゼロでない角度をなすように配置されている、ツイステッドネマティックデバイスであって、
   非対称プロファイル（θ_a、θ_b）を有する溝（２３、２４）を有している、表面配向の方向をもたらすための少なくとも一つのセル壁（３、４）上のグレーティング（２１、２２）を含み、
   液晶材料層が、コレステリックピッチ（ｐ）および厚さ（ｄ）を有し、該コレステリックピッチ（ｐ）および厚さ（ｄ）が、セル壁（３、４）における表面配向の方向間の角度（Φ）に等しくないねじれ角（Φ≠２πｄ／ｐ）をもたらし、これによって液晶材料（２、２０）の弾性ねじれ定数と組み合わされたグレーティングの配向（２３、２４）が、液晶材料（２、２０）に対して配向および非ゼロ表面チルト（θ_p、θ_p≠０）の両方をもたらすことを特徴とするツイステッドネマティックデバイス。
2. 液晶が、配向の方向と配向の方向の間の角度より小さい角度ねじれるように、コレステリックのピッチおよび非対称溝構造の配向の方向が決められている請求項１に記載のデバイス。
3. 液晶が、配向の方向と配向の方向の間の角度より大きい角度ねじれるように、コレステリックのピッチおよび非対称溝構造の配向の方向が決められている請求項１に記載のデバイス。
4. 非対称溝構造の配向が、ほぼのこぎり波の断面形状を有している請求項１に記載のデバイス。
5. 非対称溝構造の配向が、配向を含まない間隙（gaps）を有する電極交差形成画素において形成される請求項１に記載のデバイス。
6. 非対称溝構造の配向の方向が、それぞれの画素の異なる領域においてまたは隣接する画素で異なっている請求１項に記載のデバイス。
7. 非対称溝構造の配向の非対称性が、それぞれの画素の異なる領域においてまたは隣接する画素で異なっている請求項１に記載のデバイス。
8. 非対称溝構造の配向における溝の深さが、それぞれの画素の異なる領域においてまたは隣接する画素で異なっている請求項１に記載のデバイス。
9. 非対称溝構造の配向が、界面活性剤でコーティングされている請求項１に記載のデバイス。
10. 非対称溝構造の配向が、ａ²／Ｌ³＞３００ｍ^-1を満たしており、ただしａはグレーティング振幅、Ｌはグレーティングのピッチを満たしている請求項４に記載のデバイス。
11. 非対称溝構造の配向が、ｄａ²／Ｌ³＞０．０３、ただしｄは層厚さ、ａはグレーティング振幅、Ｌはグレーティングのピッチを満たしている請求項１に記載のデバイス。
12. 非対称溝構造の配向が、フォトリソグラフィー材料の層内に形成されている請求項１に記載のデバイス。
13. 非対称溝構造の配向が、エンボス加工された材料の層内に形成されている請求項１に記載のデバイス。
14. 非対称溝構造の配向が、刻線加工された材料の層内に形成されている請求項１に記載のデバイス。
15. 非対称溝構造の配向が、キャリア層材料から転写されている請求項１に記載のデバイス。
16. 二つの偏光板の間に配置され、それらの偏光の軸が配向の方向に対してデバイスのＯＮ状態とＯＦＦ状態の間のコントラストが最適化されるような角度をなすように配置されている請求項１に記載のデバイス。
17. 液晶材料にある量の多色性の染料が加えられている請求項１に記載のデバイス。
18. セル壁がガラス材料で形成されている請求項１に記載のデバイス。
19. セル壁が柔軟性を有するプラスチック材料で形成されている請求項１に記載のデバイス。
20. 一方または両方のセル壁上にスペーサのピラーが形成されている請求項１に記載のデバイス。
21. 一方または両方のセル壁上に、グレーティングを形成する材料によって、スペーサのピラーが形成されている請求項１に記載のデバイス。

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