JP4058321B2

JP4058321B2 - 液晶表示素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP4058321B2
Application number: JP2002293941A
Authority: JP
Inventors: 清一荒川; 由美子舘森; 仁犬飼; 貴紀中村; 靖文飯村
Original assignee: Sony Corp; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Sony Corp; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP2004126463A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子およびその製造方法に関し、詳しくは垂直配向型の液晶表示素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタに用いる液晶表示素子は従来ツイステッドネマティック型（以下ＴＮ型という）のモードのものを使用してきた。ＴＮ型の液晶の場合には、有機の配向膜が用いられている。そのようなＴＮ型の液晶の液晶表示素子を搭載した液晶プロジェクタを長期に動作させた状態では、大光量の光が液晶パネルに照射され、かつ液晶パネルが最大６０℃〜７０℃の高温に曝されるため、有機配向膜が劣化し、長寿命化には限界がある。ＴＮ型液晶表示装置に無機配向膜を使用すると、無機配向膜と液晶との間の化学的相互作用が弱く、ラビング、光、イオンビームや酸化シリコン（ＳｉＯ₂）斜め蒸着などの配向処理を行っても、配向の安定性が低く、まだ実用の域には到達していないのが現状である。
【０００３】
一方、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）斜め蒸着膜を無機配向膜として使用すると、垂直配向型であれば安定して配向することが知られている（例えば、特許文献１参照。）（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２０３９５８号公報（第２−６頁、第１図）
【特許文献２】
特開平７−１５９７８８号公報（第３−４頁、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、配向膜として、ＳｉＯ₂
斜方蒸着膜だけで所定のプレチルト角２度〜４度（基板の法線方向に対して）を安定的に出すには、蒸着方法の条件出し（例えば、蒸着角度、蒸着膜厚、二段斜方蒸着など）を十分に行う必要があった。また、液晶表示素子の駆動時にはプレチルト角の安定性が不十分でむらが発生しやすく、特に動画を表示する高解像度プロジェクタ用の液晶表示素子では特に問題となる。具体的には、プレチルト角を小さく与えた場合、駆動電圧の急変時に液晶は１８０度反対の２方向に倒れる可能性があり、これが動的なむらとなって現れる。
【０００６】
動的なむらを改善するため、二段蒸着法（特公昭５５−１３３３８号公報）やＳｉＯ₂を蒸着して下地配向膜を形成した後に有機物質を被覆する方法（特開平７−１５９７８８号公報）などが考案されている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた液晶表示素子およびその製造方法である。
【０００８】
本発明の液晶表示素子は、基板上に、垂直配向性を有するとともに側鎖にアルキル基を有する無機配向膜を塗布した後にその塗布膜を焼成し、表面にアルキル基がある無機配向膜とし、その後、前記表面にアルキル基がある無機配向膜上の酸化シリコンを基板の法線方向に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成してなる液晶の配向膜を備えたものである。
【０００９】
上記液晶表示素子では、上記無機配向膜を塗布した後にその塗布膜を焼成し、その後、無機配向膜上の酸化シリコンを基板の法線方向に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成して配向膜を得ていることから、側鎖にアルキル基を有する無機配向膜では、液晶のプレチルト角（基板の法線方向に対する角度）は１度以上６度以下の安定した状態に制御される。また、無機配向膜であるため、この液晶表示素子を液晶プロジェクタに用い、その液晶プロジェクタを長期に動作させた場合であっても、配向膜の劣化がない。
【００１０】
本発明の液晶表示素子の製造方法は、基板上に、側鎖にアルキル基を有する無機配向膜を塗布した後にその塗布膜を焼成して、表面にアルキル基がある無機配向膜とする工程と、前記表面にアルキル基がある無機配向膜上の酸化シリコンを基板に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成する工程とからなる液晶の配向膜の形成工程を備えている。
【００１１】
上記液晶表示素子の製造方法では、上記無機配向膜を塗布した後にその塗布膜を焼成し、その後、無機配向膜上の酸化シリコンを基板の法線方向に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成して配向膜を形成していることから、側鎖にアルキル基を有する無機配向膜では、液晶のプレチルト角（基板の法線方向に対する角度）は１度以上６度以下の安定した状態に制御される。また、このように製造された無機配向膜を用いた液晶表示素子を液晶プロジェクタに用いた場合には、その液晶プロジェクタを長期に動作させた場合であっても、配向膜の劣化がない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の液晶表示素子およびその製造方法に係る一実施の形態を、図１の模式断面図によって説明する。
【００１３】
図１の（１）に示すように、本発明の液晶表示素子は、透明電極２１が形成された基板１１上に、側鎖にアルキル基を有する無機配向膜３１を塗布した後にその塗布膜を焼成し、その後、無機配向膜３１上の酸化シリコン４１を基板１１の法線方向に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成してなる液晶の配向膜を備えたものである。
【００１４】
上記無機配向膜３１のアルキル基３２はＣ_nＨ_{2n + 1}を基本とし、炭素数ｎは３以上３０以下とし、より好ましくは炭素数ｎは５以上２０以下である。上記アルキル基には、長鎖アルキル基中に１〜２の２重結合が入っていてもよい。なお、炭素数３未満であるとアルキル基と液晶との相互作用が不十分で本発明のプレチルト角の安定性が十分に得られない。一方、炭素数が多過ぎると材料の疎水性が高まり、ハジキやすくなるためにコーティング特性が低下するという問題が発生する。よって、アルキル基の炭素数は上記範囲に決定される。
【００１５】
上記無機配向膜３１のアルキル基３２の濃度は５％以上３０％以下とする。アルキル基の濃度が５％未満と低いと垂直配向性が低下する。一方、アルキル濃度が３０％を超えるように高いと疎水性が高まり、コーティング特性が著しく悪くなる。よって、アルキル基３２の濃度は上記範囲に決定される。なお、アルキル基の長さおよび濃度の最適化は、基本的には表面張力が０．３５ｍＮ以下の場合に垂直配向となるので、それを目安とする。
【００１６】
本発明の側鎖にアルキル基を有する無機配向膜の主鎖の骨格は、化学式１に示すように、シロキサン骨格系をベースとする。
【００１７】
【化１】

【００１８】
また焼成後の無機配向膜３１の膜厚は２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とする。膜厚が２０ｎｍ未満と薄いと基板に対するカバーリングが不足し、本発明のプレチルト角安定性という効果を十分に発揮できない。一方、膜厚が３００ｎｍを超えるような厚膜であると液晶にかかる電界ロスが大きくなるので好ましくない。よって、無機配向膜３１の膜厚は上記範囲に決定される。
【００１９】
さらに、酸化シリコンの蒸着角度は基板１１に対する法線方向から２０度以上８５度以下、より好ましくは３０度以上７０度以下とする。蒸着角度が８５度を超えるように高いとＳｉＯ_xが疎に付着するので、配向の均一性に問題を生じる。逆に、角度が２０度未満と低いと垂直配向に必要な異方性が得られにくく、プレチルト角が低くなり、電界を掛けた際に、配向が乱れやすい。よって、酸化シリコンの蒸着角度は上記範囲に決定される。
【００２０】
上記酸化シリコン膜の膜厚は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下とし、より好ましくは３nm以上１５ｎｍ以下とする。酸化シリコン膜の膜厚が１ｎｍと薄いと配向に必要なプレチルト角が得られない。逆に、酸化シリコン膜の膜厚が３０ｎｍと厚いと本配向に必要なアイランド（島）状にＳｉＯ_xが付かず連続膜となるので無機配向膜を下地とする効果が得られなくなってしまう。よって、酸化シリコン膜の膜厚は上記範囲に決定される。
【００２１】
上記説明した配向膜が形成される透明電極が形成された基板は、ＴＦＴアレイ基板と対向基板とからなり、これらの基板どうしは、通常のプロセスにより所定の間隔（例えば２μｍ以上３μｍ以下の間隔）を設けて貼り合わされ、その基板間に垂直配向用の液晶５１が注入され、封止されて液晶表示素子が形成されている。その結果、図１の（２）に示すように、垂直配向型の液晶５１のプレチルト角（基板１１の法線方向に対する角度）は１度以上６度以下の安定した状態に制御される。上記垂直配向型の液晶５１としては、屈折率異方性Δｎが０．０５以上０．３０以下であり、誘電率異方性Δεが−８以上−１以下の負の誘電異方性を有するネマティック型液晶材料を用いる。
【００２２】
次に、プレチルト角の安定化のメカニズムについて以下に述べる。ＳｉＯ₂斜方蒸着膜単独では斜方から蒸着することによる形状の異方性効果により配向するだけである。下地の無機配向膜においては、表面にアルキル基があり、それと液晶との化学相互作用によりプレチルト角が更に安定化するので、動作時のプレチルト角の安定化が図れると考えられる。
【００２３】
また、本発明の液晶表示素子は、配向膜が無機配向膜であるため、この液晶表示素子を液晶プロジェクタに用い、その液晶プロジェクタを長期に動作させた場合であっても、配向膜の劣化がない。
【００２４】
次に、本発明の液晶表示素子の製造方法の一例を、以下に説明する。
【００２５】
側鎖にアルキル基を有する無機配向膜（例えば、ＥＸＰ−ＯＡ０１８（日産化学製））の４％エタノール／ブチルセロソルブ溶液をスピンコートにより透明電極が形成された基板上に塗布した後、８０℃に加熱されたホットプレートで５分加熱することで乾燥させ、さらに１８０℃に加熱されたクリーンオーブンで６０分加熱して焼成する。その際、焼成後の膜厚が１２０ｎｍとなるように上記プロセスを行う。
【００２６】
次に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の斜方蒸着を行う。蒸着方向は、基板法線方向に対して例えば４５度とした。ＳｉＯ₂膜の膜厚は５ｎｍ〜１０ｎｍとする。次いで透明電極（例えばＩＴＯ：インジウムスズオキサイド）のパターンを有する２枚のテスト基板を貼り合わせ、この基板間に垂直配向用の液晶（ここでは一例としてＺＬＩ４８５０（メルク社製、Δｎ＝０．２１１９、Δε＝−２．１）を用いた）を注入して封止し、液晶表示素子のテストセル１を作製した。
【００２７】
比較例１として、ＳｉＯ₂斜方蒸着膜（膜厚１０ｎｍ）のみで配向膜を形成し、上記同様にして透明電極を形成した後、２枚のテスト基板を貼り合わせ、垂直配向用の液晶を注入してテストセル２を作製した。
【００２８】
比較例２として、有機配向膜（例えば、ＪＡＬＳ−２０４（日本合成ゴム製））（膜厚５０ｎｍ）のみで配向膜を形成し、上記同様にして透明電極を形成した後、２枚のテスト基板を貼り合わせ、垂直配向用の液晶を注入してテストセル３を作製した。
【００２９】
比較例３として、有機配向膜（例えば、ＪＡＬＳ−２０４（日本合成ゴム製））（膜厚５０ｎｍ）とＳｉＯ₂斜方蒸着膜（１０ｎｍ）とで配向膜を形成し、上記同様にして透明電極を形成した後、２枚のテスト基板を貼り合わせ、垂直配向用の液晶を注入してテストセル４を作製した。
【００３０】
その結果、以下のような結果を得た。有機配向膜単独でかつ配向処理を行わない比較例１のテストセルでは、垂直配向用の液晶は配向するが、電圧をかけて「白」を表示した時のムラがひどく、配向処理は必要であるという結果となった。また比較例１〜３の各テストセル２〜４では、いずれも配向が不十分であり、電圧がＯＦＦ状態の時の「黒」が出ていない。
【００３１】
上記本発明の液晶表示素子であるテストセル１は、電圧ＯＦＦ時の黒がしっかり得られ、かつ、電圧ＯＮ時の白の状態も均一であることが分った。また、図２の光配向の際の光照射量とプレチルト角の関係に示すように、および図３のＳｉＯ₂斜方蒸着膜厚とプレチルト角の関係に示すように、光配向処理では０．１度以下のプレチルト角しか得られないが、本発明の配向処理を行った液晶表示素子では３度〜４度のプレチルト角が安定して得られた。
【００３２】
上記液晶表示素子は、配向膜に側鎖にアルキル基を有するが、主鎖は無機物質（例えばシロキサン骨格）からなるので、従来のポリイミドなどの有機系配向膜を用いる場合に比較して、耐光性が２．６倍程度向上し７０００時間以上の寿命を実現ですることができる。上記寿命測定では、ＵＶカットフィルター（半値λ＝４３０ｎｍ）使用し、明るさ２６００ＡＮＳＩｌｍ、温度６０℃の条件で、累積故障率が１０％となった時間を寿命とした。なお、耐光性寿命は使用条件（温度、光量、入射光波長等）により異なる。
【００３３】
また、ＳｉＯ₂斜め蒸着膜を無機配向膜として使用することから、垂直配向型の液晶であれば安定して配向することが知られている。しかし、配向膜として、ＳｉＯ₂斜方蒸着膜だけでは所定のプレチルト角１度〜６度（基板の法線方向に対して）を安定的に出すには、蒸着方法の条件だし（蒸着角度、蒸着膜厚、二段蒸着など）を十分に行う必要があり、また、駆動時のプレチルト角の安定性が不十分でむらが発生しやすく、特に動画を表示する高解像度プロジェクタ用ＬＣＤでは特に問題となっていた。しかしながら、本発明の液晶表示素子は、側鎖にアルキル基を有するシロキサン系の無機配向膜を下地にＳｉＯ₂蒸着膜を薄く付けて配向膜とすることで、側鎖のアルキル基と液晶との相互作用により、駆動時のプレチルト角の安定性に優れた液晶表示素子が実現できるようになった。
【００３４】
次に、上記の液晶表示素子を用いた電子機器の一例として、投射型表示装置の構成について、図４の概略構成図によって説明する。
【００３５】
図４に示すように、投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）３００は、光軸Ｃにそって光源３０１と透過型の液晶表示素子３０２と投影光学系３０３とが順に配設されて構成されている。光源３０１を構成するランプ３０４から射出された光はリフレクタ３０５によって後方に放射される成分が前方に集光され、コンデンサレンズ３０６に入射される。コンデンサレンズ３０６は、光をさらに集中して、入射側偏光板３０７を介し液晶表示素子３０２へ導く。導かれた光は、シャッタもしくはライトバルブの機能を有する液晶表示素子３０２および射出がエア偏光板３０８により画像に変換される。表示された画像は、投影光学系３０３を介してスクリーン３１０上に拡大投影される。なお、光源３０１とコンデンサレンズ３０６との間にはフィルタ３１４が挿入されており、光源に含まれる不用な波長の光、例えば赤外光および紫外光を除去する。
【００３６】
本発明の液晶表示素子は、上記投射型表示装置の応用例として、本発明の液晶表示素子を３個用意し、各々ＲＧＢ用のライトバルブとして本発明の液晶表示素子を用いて投射型カラー表示装置を構成することができる。
【００３７】
図示はしないが、投射型カラー表示装置は、均一照明光学系と、この均一照明光学系から射出された光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に分離する光分離手段と、分離された各色光束Ｒ、Ｇ、Ｂを変調する変調手段である３つのライトバルブ（液晶表示素子）とを備え、さらに変調された後の色光束を再合成する色合成手段である色合成プリズムと、合成された光束を投射面の表面に拡大投射する投射手段である投射レンズユニットとを備えている。さらに、青色光束Ｂを対応するライトバルブに導く導光系を備えているものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の液晶表示素子およびその製造方法によれば、耐光性寿命を従来の有機配向膜を用いた液晶表示素子と比較して大幅（例えば２．６倍程度）に延ばすことができる。また、側鎖にアルキル基を有する無機配向膜を下地にＳｉＯ₂蒸着膜を薄く付けて配向膜としたことにより、側鎖のアルキル基と液晶との相互作用により、駆動時のプレチルト角の安定性に優れた液晶表示素子が実現できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示素子およびその製造方法に係る一実施の形態を示す図１の模式断面図である。
【図２】光配向の際の光照射量とプレチルト角との関係図である。
【図３】ＳｉＯ₂斜方蒸着膜厚とプレチルト角との関係図である。
【図４】液晶表示素子を用いた電子機器の一例である投射型表示装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１１…基板、３１…無機配向膜、３２…アルキル基、４１…酸化シリコン、５１…垂直配向型の液晶

Claims

基板上に、垂直配向性を有するとともに側鎖にアルキル基を有する無機配向膜を塗布した後にその塗布膜を焼成し、表面にアルキル基がある無機配向膜とし、その後、前記表面にアルキル基がある無機配向膜上の酸化シリコンを基板の法線方向に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成してなる液晶の配向膜を備えた
ことを特徴とする液晶表示素子。
前記無機配向膜のアルキル基はＣ_nＨ_{2n + 1}を基本とし、炭素数ｎは３以上３０以下である
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記焼成後の無機配向膜の膜厚は２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記酸化シリコン膜の膜厚は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記焼成温度は１８０℃である
ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
液晶の配向膜の形成工程は、
基板上に、側鎖にアルキル基を有する無機配向膜を塗布した後にその塗布膜を焼成して、表面にアルキル基がある無機配向膜とする工程と、
前記表面にアルキル基がある無機配向膜上の酸化シリコンを基板の法線方向に対し斜め方向から斜方蒸着して酸化シリコン膜を形成する工程と
を備えたことを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
前記無機配向膜のアルキル基はＣ_nＨ_{2n + 1}を基本とし、炭素数ｎは３以上３０以下である
ことを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子の製造方法。
前記焼成後の無機配向膜の膜厚は２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子の製造方法。
前記酸化シリコン膜の膜厚は１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子の製造方法。
前記焼成温度は１８０℃である
ことを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子の製造方法。