JP4495965B2 - 液晶素子及び組成物 - Google Patents

Description

本発明は、液晶素子、並びに液晶素子に用いるのに適する液晶組成物に関する。

液晶（「ＬＣ」）素子は、典型的に、それらの間にＬＣ材料が配置されている、一対の、相対する、隔置されたセル壁から構成される。当該セル壁は、ＬＣ分子を配向させる電界を適用するための透明な電極構造体を備えている。ＬＣ材料には、主に３種類、即ちネマチック、コレステリック（キラルネマチック）及びスメクチックがあり、それらは全て種々の種類のＬＣディスプレイにおいて用途が見出されている。当技術分野では、数多くの種々のＬＣディスプレイ方式が知られている。これらのディスプレイ方式に共通する特徴は、ＬＣディレクタの適切な配向をもたらすために、各方式ともセル壁の少なくとも一方に表面配向体を必要とすることである。従来技術のディスプレイ方式及び所望の表面配向体を得る方法は、ＷＯ９９／１８４７４及びＥＰ１ １３９ １５１において検討されている。米国特許第３，８４３，２３３号には、表面配向構造体を用いてホメオトロピック配向を達成する別の方法が記載されている。ＬＣ内に溶解している界面活性剤が「有利な配向剤」として機能し、自発的なホメオトロピック配向を促進する。

レシチンのような界面活性剤をセル壁（基材）にプレコーティングすることにより、基材上に配向層を形成することもできる。このコーティングは、米国特許第４，５７７，９３０号に記載されるように、単層配向層を形成したり、ＧＢ２ ２８６ ４６６に記載されるように、下に位置する格子配向表面の極角配向エネルギーを変更することができる。

ＷＯ９９／１８４７４から、セル壁のＬＣ材料の表面又は内部のいずれかにオリゴマーあるいは単鎖ポリマーを分布させることで、表面配向構造体位置でのアンカリングエネルギーが低減することが知られている。その利点として、作動電圧の低減が挙げられる。その例では、オリゴマーあるいは単鎖ポリマーは、ＬＣホスト内で、Ｎｏｒｌａｎｄ Ｎ６５のようなＵＶ硬化性材料を硬化させることにより、又はジチオールとジ（ビニルエーテル）の混合物を共重合させることにより形成される。

従来技術の素子にオリゴマーあるいは単鎖ポリマーを用いる場合の１つの問題は、重合プロセスがある範囲の分子量に帰着し、アンカリング特性が分子量範囲の変化に応じて変動することである。これによって、製造工程において所望の特性を再現することが困難となる。さらに、使用時に時間とともに、素子内でさらなる重合が生じる可能性がある。単量体化学種と反応し得る成分の使用を避ける必要があるため、反応性の単量体化学種を用いる場合には、ホスト混合物に利用可能なＬＣ材料成分の数も制限される。

意外にも、非重合性の低分子量界面活性剤分子を添加することにより、ＬＣディスプレイの切替え特性を改善し得ることが見出された。

本発明の一実施形態によれば、液晶材料の少なくともある範囲にわたって電界を適用するための電極構造体が設けられている２つの隔置されたセル壁の間に、液晶材料層が収容されている液晶素子が提供され、セル壁のうちの少なくとも一方には、それに隣接する液晶材料の分子の所望の局部的な配向を引き起こすための配向構造体が設けられており、また、液晶材料は非重合性の低分子量界面活性剤分子を含んでいる。

非重合性の低分子量界面活性剤材料を用いることによって、オリゴマーあるいはポリマー添加物の場合と比較して、正確に制御可能且つ再現可能な、改善された切替え特性がもたらされるとともに、より簡便な製造工程がもたらされる。添加物のうちのいくつかは、他の適切な官能化単量体と組み合わせて重合させることができるが、そのような組み合わせは本発明では用いない。

切替え特性が改善されるのは、表面配向体位置での液晶のアンカリングエネルギー及び／又は粘度が減少することに起因すると考えられる。従って、本発明の他の実施形態は、電極構造体を支持する２つの隔置されたセル壁の間に収容される液晶材料層及び少なくとも一方のセル壁上にある表面配向構造体を備える液晶素子と、一方あるいは両方のセル壁上の表面配向体位置での液晶のアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させるための手段とを提供する。このアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させるための手段は、液晶材料内の非重合性の低分子量界面活性剤分子を含む。

本明細書において、用語「配向構造体」とは、局部ＬＣディレクタの所望の配向を達成するために、表面に対して適用される任意の構造、コーティングあるいは他の処理を意味する。当該用語は、蒸着された一酸化シリコン、又はラビング処理されたポリイミドやＰＶＡのような従来の表面処理、並びに格子、ポストアレイあるいは穴アレイのような、より新しい配向構造体も包含する。

本明細書において、本発明による素子に関連して用いられる用語「界面活性剤」とは、ＬＣ内に少なくとも部分的に溶解することができ、配向構造体に優先的に誘引される部分を有する物質を意味する。

当該分子の分子量は、約２０００未満であることが好ましい。特に、分子量は、１０００未満、より好ましくは２００〜６００、であることが好ましい。

界面活性剤分子は、単一の化学種あるいは化学種の混合物から構成され得る。２種類以上の界面活性剤が存在する場合には、種々の界面活性剤が互いに化学的に反応しないことが好ましい。界面活性剤分子は、ＬＣ材料の任意の成分と化学的に反応せず、それによって、標準的な作動条件下並びに製造時あるいは保管時に、ＬＣ混合物が化学的に安定しており重合しないことが望ましい。

例えばチオール、エステル、エーテルあるいはアルコール官能基を含む任意の適切な１つあるいは複数の界面活性剤を用いることができる。チオール官能基、より好ましくは末端チオール官能基、を含む界面活性剤が特に好ましい。

各界面活性剤分子は、そのような官能基を１つのみ有することもできるが、好ましい実施形態では、界面活性剤分子は、２つ以上の官能基、好ましくは３〜４の官能基を有している。

特に有効である２つの界面活性剤は、トリメチロールプロパン トリス（３−メルカプトプロピオネート）（ＴＭＰ）、ペンタエリスリトール テトラキス（３−メルカプトプロピオネート）（ＰＴＭＰ）である。

本発明は、数多くの異なる種類のＬＣディスプレイ、例えばねじれネマチック、超ねじれネマチック、ハイブリッド配向ネマチック、垂直配向ネマチック、表面安定化強誘電スメクチック、コレステリック相変化、動的散乱、並びにＷＯ９９／１８４７４及びＥＰ１ １３９ １５１において記載される種々の双安定ネマチックモードに適用することができる。配向構造体は、従来の配向処理に、又はポストあるいは穴のような構造体に由来し得る。以下、便宜的に、本発明は、ＥＰ１ １３９ １５１に記載される種類の配向後双安定ネマチック（Post-Aligned Bistable Nematic：ＰＡＢＮ）ディスプレイを参照して、記載することとする。

本発明を何ら制限するものではないが、鎖の末端にあるチオール基が当該材料を表面特異性とすることができ、それによって、それらがセル表面、特に配向格子あるいはポスト構造体、に移動する傾向があると理論上想定することができる。界面位置においてＬＣの配列を乱す非常に薄い層が格子表面上に形成され、それによって相互作用が円滑となり、切替えが改善されるものと推測される。表面における配列性を低下させることは、表面欠陥を効果的に取り除くことにより、添加物が配向体の均一性を如何に改善するかも説明するであろう。表面配向構造体位置での配列性を低下させることにより、配向構造体に隣接するＬＣのアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させ得る。他の起こり得るメカニズムとして、添加物がＬＣの弾性定数のうちの１つあるいは複数を変更し得ることが挙げられる。

ＬＣディスプレイの性能を改善するのに有効な界面活性剤材料の量は、その表面特異性及びそれがＬＣと如何に良好に混ざるかに依存するであろう。添加物が非常に表面特異性である場合には、最大濃度は低くなる。濃度が高すぎる場合には、切替えに失敗することがわかっている。配向体は、その表面が滑らかになりすぎるかのように可動性が高くなり、状態が不安定となる。界面活性剤は、ＬＣの表面がアンカリングされるのを実効的に防ぎ、それによって切替えが妨害されるのである。

添加物の最適濃度は、添加物の化学的性質、ＬＣ混合物、セル間隔、並びに表面配向構造体の化学的性質及び表面積に依存するであろう。セル間隔が狭い場合には、そのセルはより高い表面対容積比を有するであろう。それ故、セル間隔が狭い場合には、非常に高表面積の配向となり、界面活性剤の役割がさらに重要となるであろう。界面活性剤添加物の一般的に好ましい範囲は、ＬＣの０．０１〜１０重量パーセントであり、０．５〜１０重量パーセントであることが好ましく、１．５〜６重量パーセントであることが特に好ましい。ＴＭＰの場合、最大値は、約９重量パーセントとなる。

切替えの失敗は、添加物が実効的に表面配向層からＬＣを遮るときに起こるものと考えられる。ＬＣと混合しにくい添加物は、有用なドーパントとして機能しないことがわかっている。これは、それらの添加物が、表面をあまりにも滑りやすくし、実際には切替えを阻止するためであると理論上想定されている。最も有用な界面活性剤ドーパントは、セルを満たす前にＬＣと十分に混ざり、ある程度の表面特異的な性質を示すことがわかっている。

本発明のさらなる態様によれば、
ネマチック液晶材料層を囲む第１のセル壁及び第２のセル壁と、
液晶材料の少なくともある範囲にわたって電界を適用するための電極と、
液晶分子に配向をもたらす、少なくとも第１のセル壁の内側表面上にある表面配向構造体と、
からなる双安定ネマチック液晶素子であって、
前記表面配向構造体が、特徴構造のアレイを含み、該特徴構造が、該特徴構造に隣接するディレクタが概ね同じ方位方向において２つの異なる傾斜角を選択するよう誘導する形状及び／又は向きを有しており、
電極に適切な電気信号が加えられた後に、２つの安定な液晶分子配列が存在し得るような構成であり、
上記表面配向構造体位置での液晶のアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させるための手段を備え、該手段が、液晶材料内の非重合性の低分子量界面活性剤分子を含む、双安定ネマチック液晶素子が提供される。

界面活性剤は、極角アンカリングエネルギー、あるいは方位角アンカリングエネルギー、あるいはその両方を低減させることができる。

本発明の他の態様では、チオール基を有する非重合性の低分子量界面活性剤を含む液晶組成物が提供される。当該ＬＣ組成物は、ネマチック、コレステリックあるいはスメクチックといった、従来のＬＣ組成物に界面活性剤を添加することにより製造し得る。

本発明のさらなる態様によれば、
セル壁間の領域のうちの少なくともある範囲にわたって電界を適用するための電極構造体が設けられている２つの隔置されたセル壁であって、その少なくとも一方には表面配向構造体が設けられているセル壁、を含むセルを形成すること、
非重合性の低分子量界面活性剤分子を含む液晶組成物によりセルを満たし、表面配向構造体位置での液晶のアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させること、
セルの周辺に流体密封シールを設けること、
を包含する、液晶ディスプレイ素子を製造する方法が提供される。

液晶内に界面活性剤が存在することを除いて、製造工程は従来どおりとすることができる。セルを満たした後に、周辺シールを完全に形成するか、又は本質的に周知のように、セル周辺の大部分を封止し、シールの隙間を通して毛管作用によって内部を満たした後に、その隙間を封止材で塞ぐことができる。

以下、例示のために、添付の図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。

図１に概略的に示している双安定セルは、参照することでその内容を本明細書に取り入れることとするＥＰ １ １３９ １５１に基づいて本質的に知られている種類のものである。当該セルは、負の誘電異方性を有するネマチックＬＣ材料層を囲んでいる第１のセル壁２及び第２のセル壁４を備えている。ＬＣ分子は、楕円で表されており、その長軸が局部ディレクタを示している。各セル壁の内側表面には、透明電極パターンが設けられており、例えば第１のセル壁２上には行電極１２が、第２のセル壁４上には列電極１４が既知の方法で設けられている。

第１のセル壁２の内側表面には、正方形ポストアレイ１０が設けられており、第２のセル壁４の内側表面は平坦である。ポスト１０の高さは概ね１μｍであり、セル間隔は典型的には３μｍである。平坦な表面は、ホメオトロピック配向を与えるように処理されている。ポストは、ホメオトロピックになるように処理されていない。

当該正方形ポストアレイは、方位面内に２つの好ましい配向方向を有している。これらの方向は、ポストの２つの対角線に沿っている。

その対角線のうちの一方に沿ってポストを傾けることにより、その配向方向をとりやすくすることができる。本発明者らは、この形状に関するコンピュータシミュレーションによって、方位配向方向は１つしか存在しないが、実際には、同じようなエネルギーを有するがＬＣの傾き方の度合いの異なる２つの状態が存在することを、見出した。図１は、その２つの状態を示す概略図である。一方の状態（図１の左側に示される）では、ＬＣは大きく傾けられ、他方の状態では、ポストの周囲においてＬＣは平坦である。ＬＣの向きに関する厳密な特性は、構造の細部に依存するが、ある範囲のパラメータの場合には、セルの法線から異なる大きさに傾く２つの異なる状態が存在する。この２つの状態は、偏光子８及び検光子６を通して視認することにより区別することができる。低い傾斜状態は高い複屈折を有し、高い傾斜状態は低い複屈折を有する。対角線に沿ってポストを十分に傾けることは、逆の傾斜状態を排除する役割も果たす。

セルの製造
酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のコーティングされた清浄なガラス基材２を設け、従来のリソグラフィ及びウエットエッチング法を用いて、電極パターン１２を形成した。基材は、最終的に１．３μｍの厚みとなるまで、適切なフォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ Ｓ１８１３）を用いてスピンコーティングした。

正方形アレイのための適切な寸法の正方形且つ不透明な領域のアレイを有するフォトマスク（Ｃｏｍｐｕｇｒａｐｈｉｃｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＰＬＣ）を基材に当てて、適切なＵＶ光源を用いて、〜１００ｍＷ／ｃｍ^２にて１０秒間、フォトレジストに光を照射した。当該基材を、脱イオン水により１：１に希釈されたＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒを用いて、約２０秒間現像し、その後、洗浄し、乾燥させた。その基材を、３６５ｎｍＵＶ光源を用いて、３０ｍＷ／ｃｍ^２にて３分間露光し、約１２時間、８５℃でハードベークした。その後、その基材を、２５４ｎｍのＵＶ光源を用いて、〜５０ｍＷ／ｃｍ^２にて約１時間、深ＵＶ硬化した。セル壁面の法線に対してあるオフセット角でＵＶ光源を用いてマスクを通して露光することにより、傾いたポストを形成することができた。

電極パターン１４を有する第２の清浄なＩＴＯ基材４を設け、液晶のホメオトロピック配向をもたらすように処理した。種々のホメオトロピック配向処理が当該技術分野において既知であり、本発明における使用に適している。

基材２、４の外縁に、適切なスペーサビーズ（Ｍｉｃｒｏｐｅａｒｌ）を含有しているＵＶ硬化性接着剤（Ｎｏｒｌａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ Ｎ７３）を用いて基材を結合させることにより、ＬＣテストセルを形成し、３６５ｎｍＵＶ光源を用いて硬化させた。非重合性の低分子量界面活性剤を含むネマチック液晶混合物（Ｍｅｒｃｋ ＺＬＩ ４７８８−０００）を、毛管作用によって、セル内に満たした。スペーサの挿入法、組み立て法及びＬＣセルを満たす方法は、ＬＣＤ製造分野の熟練者には周知であり、本発明にしたがってスペーサを挿入し、組み立て、素子を満たす際にも、そのような従来の方法を用いることができる。

実験結果
低分子量界面活性剤の濃度が極めて低くても、切替えが改善されることが見出され、これは、当該材料が表面特異性であるという考えに一致するものである。格子表面のＳＥＭ写真からさらなる確証が得られた。図２は、高さ約０．８μｍのポストを有する格子表面を示している。当該格子表面は、数日間、純粋なＬＣ内に浸漬させたものである。図３は、２％ｗ／ｗのＴＭＰを含むＬＣ混合物内に浸漬させた類似の格子を示している。その格子は、さらに丸みを帯びており、格子を覆う層が存在するように見える。格子を浸漬するのに用いたＬＣ混合物の体積（数ｍｌ）は、素子の場合（数μｌ）よりもはるかに多いため、この層は、実際の素子において得られると予想されるものよりもはるかに厚いものである。

本明細書において引き合いに出される界面活性剤の濃度は、互いに混合される界面活性剤及びＬＣの重量に基づく理論値である。混合が不完全である場合には、ＬＣ内の界面活性剤の有効濃度は低くなるであろう。

種々の濃度の種々の界面活性剤に関して、切替えの結果を記録した。セルは、切替え方向毎に、同じ振幅であるが、逆の極性を有する単極電圧パルスを印加することにより切り替えた。記録した切替え電圧は、セルが５０ｍｓパルスで両方向に切り替わるのに要する最小の大きさである。種々の添加物に関する３つの比較結果を表１に示す。

表１に示す結果は、室温にて記録したものである。界面活性剤添加物を含有しないＬＣを含むＰＡＢＮ素子は、室温では切り替わらないであろう。

チオール材料及びアリルアセテートに関する結果を表１に示しており、それらは個々独立して用いることができる。ここで、アリル官能基はチオールと反応するため、これらの添加物は混合されないか、又は同じＬＣ混合物内に存在しないことが好ましい。しかしながら、添加物が互いに反応することなく、ポリマーあるいはオリゴマーが形成されるのであれば、そのような混合物を用いることができる。

種々の濃度のＰＴＭＰ及びＴＭＰ（ｘ軸、ｗ／ｗ％）が添加されたＺＬＩ−４７８８−０００を含むＰＡＢＮセルに関する結果を、それぞれ図４及び図５にグラフで示している。いずれのグラフにおいても、ｙ軸は、セルの切替え特性のための電圧と、ＬＣがネマチックから等方性の液体に相変化するＴ_Ｎ−Ｉ（透明化温度）値のための温度（摂氏）とを表している。白抜きの正方形はＴ_Ｎ−Ｉのプロットであり、黒で塗り潰した正方形は最小切替え電圧のプロットである。

０．５％程度の低い濃度のＰＴＭＰ、及び１．５％程度の低い濃度のＴＭＰを用いて、室温においてセルを切り替えることができる。必要とされる切替え電圧は３０Ｖ以下であり、添加されたセルはより均一な配向を呈する。ドーパントを用いない場合には、９０Ｖまでの電圧を用いても、室温において切替えは観測されない。

以上の説明もしくは添付の図面において開示された特徴、特定の形態あるいは開示した機能を実施するための手段に関して述べた特徴、又は開示した結果を達成するための方法あるいは過程を個別に、あるいは組み合わせて用いることで、種々の形態において本発明を達成することができる。

特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明がこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内で、説明した実施形態に基づいて多数の変形及び改良をなすことができる。

本特許出願が優先権を主張する英国特許出願第０１２７７２８．４号の内容、及び本特許出願に添付の要約書の内容は、参照することで本明細書に取り入れることとする。

既知の双安定ネマチック素子の単一ポスト、及びその周囲にある、ポストの対角線の一方に沿った異なる状態にあるＬＣを示す概略断面図 従来のＬＣ組成物に曝露した後の、図１の素子に使用するためのポストアレイのＳＥＭ写真 ＴＭＰを含む本発明の一態様によるＬＣ組成物に曝露した後の、図２記載のものに類似するポストアレイのＳＥＭ写真 種々の濃度のＰＴＭＰが添加されているＰＡＢＮ素子に関する、最小切替え電圧対Ｔ_Ｎ−Ｉのグラフ 種々の濃度のＴＭＰが添加されているＰＡＢＮ素子に関する、最小切替え電圧対Ｔ_Ｎ−Ｉのグラフ

Claims (4)

1. 液晶材料の少なくともある範囲にわたって電界を適用するための電極構造体（１２、１４）が設けられている２つの隔置されたセル壁（２、４）の間に、前記液晶材料の層を収容している液晶素子であって、前記セル壁のうちの少なくとも一方（２）に、それに隣接する前記液晶材料の分子の所望の局部的な配向を引き起こすための表面配向構造体（１０）が設けられており、前記液晶材料が、トリメチロールプロパン トリス（３−メルカプトプロピオネート）（ＴＭＰ）、ペンタエリスリトール テトラキス（３−メルカプトプロピオネート）（ＰＴＭＰ）からなる群から選択される分子量２０００未満の非重合性の低分子量界面活性剤分子を含み、
   前記液晶が、ネマチック液晶材料であり、
   前記表面配向構造体が、ポストアレイ（１０）を含み、該ポストアレイが、該ポストアレイ（１０）に隣接するディレクタが概ね同じ方位方向において２つの異なる傾斜角を選択するよう誘導する形状及び／又は向きを有しており、
   前記電極（１２、１４）に適切な電気信号が加えられた後に、２つの安定な液晶分子配列が存在し得るような構成である、液晶素子。
2. 前記界面活性剤分子が、前記表面配向構造体（１０）位置での前記液晶のアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させる、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記非重合性の低分子量界面活性剤分子が、前記液晶材料の０．５〜１０重量パーセントを構成する、請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. セル壁間（２、４）の領域の少なくともある範囲にわたって電界を適用するための電極構造体（１２、１４）が設けられている２つの隔置された前記セル壁（２、４）であって、少なくとも一方に表面配向構造体（１０）が設けられている前記セル壁（２）、を含むセルを形成すること、
   トリメチロールプロパン トリス（３−メルカプトプロピオネート）（ＴＭＰ）、ペンタエリスリトール テトラキス（３−メルカプトプロピオネート）（ＰＴＭＰ）からなる群から選択される分子量２０００未満の非重合性の低分子量界面活性剤分子を含む液晶組成物により前記セルを満たし、前記表面配向構造体（１０）位置での前記液晶のアンカリングエネルギー及び／又は粘度を低減させること、
   前記セルの周辺に流体密封シールを設けること、
   を包含する、液晶ディスプレイ素子を製造する方法であって、
   前記液晶が、ネマチック液晶組成物であり、
   前記表面配向構造体が、ポストアレイ（１０）を含み、該ポストアレイが、該ポストアレイ（１０）に隣接するディレクタが概ね同じ方位方向において２つの異なる傾斜角を選択するよう誘導する形状及び／又は向きを有しており、
   前記電極（１２、１４）に適切な電気信号が加えられた後に、２つの安定な液晶分子配列が存在し得るような構成である液晶ディスプレイ素子を製造する方法。

Images