JP4503243B2 - ネマチック型液晶デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、液晶表示デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明の主目的は、表示セルにおける液晶分子をアンカリング(固定)する新規な手段を提供することにある。
【0002】
【従来技術】
液晶表示デバイスは、一般的に内面に電極を備えた2枚の密封板または基板と、これら2枚の密封板または基板の間に配置された液晶材料とを含んでなる。さらに、密封板に液晶分子を確実にアンカリングし、かつアンカリングを制御するための手段が、その密封板上に設けられている。このアンカリングは、セルにおける分子の配向が決定され、その配向によって特性が左右するので極めて重要である。
【0003】
特に、ポリマー付着等の表面処理を用いて、ネマチック液晶を基板の表面に対して垂直に配向させたり(この配向は、ホメオトロピック配向と呼ばれる)、あるいは基板の表面に対して平行に配向させる(この配向は、プラナー配向と呼ばれる)方法が従来から知られている。
【0004】
より具体的には、「ねじれネマチック」液晶ディスプレイには、強いプラナーアンカリングか、またはむしろ若干傾斜したアンカリングが必要とされる。この強いプラナーアンカリングは、通常、配向したポリマーを付着させるか、あるいは一定の角度でSiO2を蒸着させるといった従来の方法により達成できる。
【0005】
近年、別のネマチック型液晶ディスプレイ群、すなわち、表面破壊によるネマチック型ディスプレイ群が登場した(例えば、国際出願WO97/17632)。これらのディスプレイは双安定であり、エネルギーを消費することなく配向がいつまでも持続し、エネルギーの供給を必要とするのは2つの状態をスイッチングするときのみである。ライン数は、ライン書き込み時間に対する、情報の変更に必要な時間の比にのみ依存することから、双安定であることの別の利点として、鮮明度を高くできる可能性のあるということが挙げられる。10,000を超えるライン数も達成できる。この種のディスプレイを製造することの主な難点は、表面のアンカリングを破壊しなければならない点にある。すなわち、低エネルギーアンカリングを再現できることが必要である。本発明は主として、この種のディスプレイの製造に用いられるものである。
【0006】
弱いアンカリングを用いる双安定性ネマチック型ディスプレイは、以下の方法を典型例として製造される。すなわち、インジウム錫酸化物からなる導電層を塗布した二枚のガラス板の間に液晶を配置する。一方の電極は、傾斜アンカリングまたは強いプラナーアンカリングが得られる被膜を有し、他方の電極は、低天頂角でかつ中〜強の方位角アンカリングエネルギーの単安定プラナーアンカリングが得られる被膜である。さらに、2つの偏光子を適当な向きでセルの一方の側に配置する。
【0007】
この「双安定」技術の原理は、印加された電界を印加することなく、安定した2つの状態、すなわち、均一状態と180°ねじれた状態とが存在することにある。この二つの状態は、最小エネルギーレベルに相当する。正の誘電異方性を有するネマチック液晶、例えば、カイラル添加剤をドープしたペンチルシアノビフェニル(5CBとして知られている)を用いた場合、この二つの状態は平衡状態にある。この種のデバイスは、一般的にBinemデバイスと呼ばれる。
【0008】
このディスプレイ技術は、特定の形状および強度の電界を加えて一方の状態から他方の状態に移行させることにより、強いプラナーアンカリングをそのままの状態に維持しながら弱いプラナーアンカリングを破壊できることを利用するものである。セルに対して垂直に電界を印加することにより、TN技術の「ブラック」状態と同様、低アンカリングエネルギー面に近接した分子が低アンカリングエネルギー面に垂直である、ホメオトロピック組織が誘起される。この非平衡組織は遷移状態にあり、二つの安定状態のうち、いずれか一方へスイッチングできる。電界の印加を停止すると、弾性カップリング効果または流体力学的カップリング効果の何れが優勢であるかにより、安定状態の一方または他方の状態へ変化する。
【0009】
ねじれ状態と均一状態との間のセルスイッチングを容易にするために、弱いプラナーアンカリングは小チルト角(<1°)を有していてもよい。関連する強いアンカリングは、本願出願人によるフランス国特許第95/13201号、フランス国特許第96/04447号、および米国特許第6,327,017号に開示されているように、プラナーであっても斜角であってもよい。強いアンカリングが一方向に傾き、弱いアンカリングが同じ方向に傾いている場合、一次破壊と呼ばれる遷移電界誘起アンカリング破壊により、ねじれ状態から均一状態へスイッチングしうる。弾性カップリングによりスイッチングされる場合、プラナーアンカリングでのスイッチングよりもはるかに迅速である。反対方向へのスイッチングは上記の流体力学的カップリングにより達成され、傾斜角が十分小さい場合には、有効でありかつ制御が容易である。
【0010】
液晶材料をアンカリングするための種々の手段が既に提案されている。しかしながら、これらのアンカリング手段には、多くの制約がある。
【0011】
アンカリングポリマーは、特に以下の要件を満たす必要があることが従来から知られている。
【0012】
1)ポリマーを付着させた場合に、受容板または基板が適切に濡れかつ被覆されるように、ポリマーが媒体に溶解すること。
【0013】
2)受容板または基板を異方性にできること。
3)液晶材料に溶解すること。および、
4)アンカリングを生じさせることにより、必要とする配向エネルギーと所要エネルギーとが得られること。
【0014】
現在、十分に強いアンカリングを生じさせることができる手段はあるが、弱いアンカリングを確保することができる手段は極めて少数でしかない。
【0015】
【発明の概要】
したがって、本発明の目的は、低エネルギーでかつ低プレチルト角(0°<Ψ<1°、好ましくは0.1°<Ψ<0.5°)を有するアンカリングで、かつ経時的に安定な均一アンカリングとなるような新規な手段を提供することにある。
【0016】
上記目的は、本発明による液晶セルの製造方法;すなわち、
ポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアルキルエーテル)型ポリマーまたはコポリマー、もしくは、ポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアリールエーテル)型ポリマーまたはコポリマーから得られるポリマーまたはコポリマーから選択される、ポリマー、コポリマー、またはターポリマーを、基板上に付着させる工程、
前記ポリマーの被膜を安定化させる工程、および、
液晶の制御された方位角アンカリングを誘起させるために、前記被膜の方位角配向を生じさせる工程、
を含んでなる方法により達成される。
【0017】
本発明の有利な態様によれば、被膜の安定化は、熱および/または紫外線照射により行われる。
【0018】
本発明の有利な態様によれば、ネマチック液晶のプレチルト角は小さく、0°<Ψ<1°、好ましくは0.1°<Ψ<0.5°である。
【0019】
本発明の方法によれば、液晶ディスプレイセル、とりわけ双安定性ネマチック型液晶セルにおいて、低エネルギーアンカリング(配列)層を形成できる。
【0020】
また、本発明は、このようにして得られたデバイスに関する。
【0021】
【発明の具体的説明】
以下、「強い」アンカリングおよび「弱い」アンカリングの概念を説明する。
【0022】
用語「強いアンカリング」、および用語「弱いアンカリング」は、以下のように定義される。液晶の分子アンカリングの源は、配向層との相互作用の異方性である。分子アンカリングは、その有効性と、他の外部の影響のない状態での液晶分子に加えられる方向とにより特徴付けられる。「容易軸」と呼ばれるこの方向は、単位ベクトル(ベクトルn0)により表されるか、または基板表面に垂直なz軸を有するカルテシアン座標系における天頂角θ0および方位角φ0により表される。
【0023】
液晶分子の容易軸が基板に対して垂直である場合には、配列はホメオトロピックである。一方、液晶分子の容易軸が基板に対して平行である場合には、配列はプラナーである。これらの2つの配列の間には、基板面の法線について見た場合の天頂アンカリング角により表されるか、またはプレチルト角と呼ばれるその余角により表される、「傾斜配列」と呼ばれる配列がある。
【0024】
液晶と基板との間の相互作用力を特徴づけるために、表面エネルギー密度γを導入する。表面エネルギー密度γは、表面の液晶分子の配向(ベクトルns)に依存する。これも、天頂角θsおよび方位角φsにより表される:
【数1】
(式中、gはアンカリングエネルギーを表す)。
【0025】
表面エネルギー密度は、相互作用の異方性部分を特徴づけるものであり、液晶の分子配向が容易軸の方向と一致したときに通常ゼロとなる。
【0026】
多くの実験において、2つの角のうちの一つ(天頂角または方位角)の変化が支配的である。アンカリングエネルギーのこれらの2つの成分が別個に検討されることがよくあるのはこのためである。アンカリングエネルギーの最もよく知られている形態は、RapiniとPapoularにより提案されている形態(J.Phys.Coll.(1969)30,C−4−54)、
【数2】
または、一般的な形態(H.Dreyfus−Lambez et al.,Mol.Cryst.and Liq.Cryst.(2000),352,19−26)である。
【数3】
正の係数wzおよびwaは、通常、それぞれ天頂角アンカリングエネルギーおよび方位角アンカリングエネルギーと呼ばれる。これらは、表面エネルギー密度の次元を有する。
【0027】
また、アンカリングエネルギーは、外挿長によっても表すことができる。この外挿長は、検討表面と仮想表面位置との間の距離である。無限に強いアンカリングを加えることにより(この仮想表面ピボット上に分子を位置させることは不可能である)、仮想表面により実際の液晶組織が誘起される。天頂角外挿長Lzは下記式、
Lz=k11/wz
(式中、k11は、当該液晶の広がり変形弾性係数である。)
から、アンカリングエネルギーwzの逆数に比例する。同様に、方位角外挿長は下記式、
La=k22/wa
(式中、k22は、当該液晶のねじり変形弾性係数である。)
で定義される。通常、アンカリングは、セルの動作中に表面上の分子が実質的に容易軸に対して平行のままであるときに「強い」と言う。これに対して、セル動作中に明らかなずれが生じる場合はアンカリングは「弱い」と言う。
【0028】
天頂角アンカリングエネルギーは、以下で述べる簡単な方法、すなわち、アンカリングを破壊するための臨界場を測定することにより求めることができる。
【0029】
液晶セルにおいて、完全プラナー(Ψ=0)アンカリングは、正の誘電異方性εa=ε11−ε1>0を有するネマチック液晶に、プレートに対して直角な電界E>Ecを加えることにより「破壊」できることが知られている。Eを増加してEcに近づけると、表面分子の角度θsは急速に90°から0°になる。これにより、セルの複屈折が検出可能な程度に変化する。Ecより大きいと、角度θsはゼロのままであり、この場合、表面は「破壊」されていると言う。
【0030】
天頂角アンカリングを破壊するための臨界場Ecは、下記式で定義される(I.Dozov et al.,Phys.Rev.E 58(1998),6,7442−7446)。
【数4】
(式中、Kは弾性曲率定数(ほぼ10pN)であり、Lzは、
Wz=(1/2)(K/Lz)cos2θs
(式中、θsは表面分子の角度である)
で表される天頂角アンカリングエネルギー示す外挿長である。)
天頂角アンカリングについては、Lz<20nm(Ec>20V/μm)の場合には強いとされ、Lz>50nm(Ec<10V/μm)の場合には弱いとされる。方位角アンカリングの大きさは、より小さいオーダーである。方位角アンカリングは、La<100nmの場合に強いとされる。
【0031】
本発明において、低エネルギー天頂角アンカリングは、一連の特定処理がなされたポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアルキルエーテル)またはポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアリールエーテル)を主成分とする、コポリマーおよびターポリマーから選択されるものを付着させることにより得られる。これらのコポリマーおよびターポリマー、ならびにそれらの特定処理については、以下で説明する。
【0032】
ポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアルキルエーテル)またはポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアリールエーテル)を主成分とする、コポリマーおよびターポリマーを主成分とするアンカリング層は、スピンコーティングまたはフレキソ印刷等の他の方法によりポリマー溶液を付着させ、溶媒を蒸発させることにより、厚みが典型的には1nm〜100nm(これには限定されない)であるポリマー層が得られる。
【0033】
次に、好ましくは、従来技術である織物ローラーにより、ポリマー層にラビング操作を行い、ポリマー層に方位角配向を生じさせて、液晶の方位角アンカリングを誘起し、さらにブラッシングすることにより、小プレチルトを誘起する。
【0034】
アンカリング破壊双安定セルを製造するには、(いわゆる弱い)アンカリング表面が、プラナーアンカリングまたは小プレチルト角の傾斜アンカリング(ここで、小プレチルト角は、比較的低い天頂角アンカリングエネルギー(例えば、Lz≧40nm)と比較的強い方位角アンカリングエネルギー(La≪d(セルの厚さ))とを有する)を有している必要がある。ネマチックの配列のプレチルト値は、0°〜1°であり、好ましくは0.1°〜0.5°である。
【0035】
本発明の主題を構成するポリマーおよびコポリマーは、下記式I
【化3】
(式中、Rは置換、または未置換のアルキル基もしくはアリール基であり、nおよびmは0〜1で異なっていてもよく、好ましくは、0.5<n<0.8、かつ0.2<m<0.5である)により表される、ビニルクロリドおよびビニルエーテルから得られるコポリマーまたはターポリマーである。
【0036】
本発明の一態様によれば、上記コポリマーは、下記式II
【化4】
で表される、ビニルクロリドとビニルイソブチルエーテルとからなるものである。
【0037】
PVCと他の2つのコモノマーとから得られるターポリマーも、低エネルギーアンカリング層を形成するのに用いられ、本発明の別の態様を構成する。例えば、コモノマーは、ビニルアルコールから得られる、他のエーテルまたはエステル誘導体であってもよい。
【0038】
本発明の態様よれば、上記ポリマーは、ポリ(ビニルクロリド)/ポリ(ビニルイソブチルエーテル)と、ビニルアルコールから得られた別のコモノマーとを主成分とするターポリマーである。
【0039】
これらのポリマーおよびコポリマーを、溶液の形態でスピンコーティングにより基板上に付着させる。フレキソ印刷等の他の付着手段を用いてもよい。好適な溶媒として、メチルエチルケトン等のケトン類や、ジメチルホルムアミド等の他の溶媒、N−メチルピロリドン、もしくはブトキシエタノール、またはこれらの溶媒の混合物が挙げられる。
【0040】
上記ポリマーの融点(Tm)よりも低い温度、好ましくは130℃〜180℃の温度で、数分〜数時間アニーリングした後、ポリマー層に、波長180nm〜380nmの紫外線を照射し、必要に応じて130℃〜180℃の温度でアニーリングする。次に、このポリマー層をローラーを用いてラビングし、方位角配向を誘起する。
【0041】
上記ポリマー層は、一般的に通常のITO(混合インジウム錫酸化物)基板に形成するが、他の電極に形成してもよい。
【0042】
本発明の態様によれば、アンカリング層の方位角配向は、ローラーでのラビング以外の方法、例えば、
・SiO2を斜方蒸着する、
・ローラーによりブラッシングするか、または延伸したポリマーを用いる、
・基板に印刷または光誘起エッチングによりグレーティングを形成する、
ことによって前処理した基板を用て達成してもよい。
【0043】
本発明による方法においては、弱い天頂角アンカリング、強い方位角アンカリング、および制御されたプレチルト0°〜1°の配向層を得ることができる。天頂角アンカリングエネルギー、方位角アンカリングエネルギー、およびプレチルト角は、上記の熱処理、UV処理、またはブラッシング処理により制御する方法により変更できる。
【0044】
【実施例】
以下、本発明の2つの具体的実施例を説明する。
【0045】
【実施例1】
厚さ1.5ミクロンの液晶セルを2枚のITO被覆ガラス板の間に設け、2枚のガラス板の一方には、傾斜した強いアンカリングを得るために、SiO2(厚さ107nm)を蒸着する。他方の電極には、本発明によるコポリマーを厚さ20nm未満で被覆し、本発明の方法により処理する。すなわち、
工程1:N−メチル−ピロリドン/ブトキシエタノールの50/50混合物にポリマーを溶解した0.75重量%溶液を、スピンコーティングにより付着させる。
【0046】
工程2:150℃、1.5時間の条件でアニーリングする。
【0047】
工程3:100ワットの水銀灯を用いて、2時間照射(λ=254nm)する。
【0048】
工程4:150℃、30分の条件でアニーリングする。
【0049】
工程5:織物ベルベットを被覆したローラーによりブラッシング処理して、方位角アンカリングを誘起させる。
【0050】
上記2枚のガラス板をBinem型セルに組み立てる。セルに、Binem型技術に適合させた混合物(カイラルピッチ:5.6ミクロン)をドープした液晶をセル内に充填する。このセルは、室温において、10ボルトパルスで動作し、コントラストは50である。
【0051】
【実施例2】
液晶として、Binem型に適合させた別の混合物を使用する(動作温度は0℃〜50℃超の範囲であり、駆動パルスは35ボルト〜2ボルトで変化する)。
【0052】
本発明の方法により得られた弱いプラナーアンカリングは、以下の特徴を有する。
【0053】
・配向層は、使用液晶混合物と長時間接触した状態にあっても、化学的および機 械的に安定である。
【0054】
・アンカリングのプレチルト角は、小さく、通常は0.3°程度である。
【0055】
・5CBを用い、かつ温度22℃の条件で高電界法により測定した天頂角アンカリングの外挿長は、Lz=80nm程度の値である。
【0056】
数種の市販のネマチック混合物を試験した。室温での外挿長は、ネマチックに応じて40nm〜80nmの範囲で変化する。これらの値は、ねじれネマチックディスプレイに用いられている通常のポリマーを用いて得られるアンカリングエネルギーよりもはるかに低い天頂角アンカリングエネルギーに相当する。
【0057】
得られる方位角アンカリングの強度は、配向層の処理方法により異なる。例えば、ブラッシングしたものは、方位角外挿長が50nm〜200nmの範囲で変化する。これらの値は、Binem型セルの動作と適合している。
【0058】
本発明による方法は、特に以下の利点を有する。
【0059】
・本発明の方法によれば、酸化ケイ素SiO2層を用いて真空下で低エネルギーアンカリングを得る必要がない。真空蒸着法は時間がかかりかつ高価であるとともに制御が困難であることから、この必要性を回避できる点で有利である。
【0060】
・本発明によるポリマー層を使用することにより、簡易性および製造コスト低減の面で、明らかな利点を有する。
【0061】
・プレチルト角が小さく、温度および経時的に安定であることから、スイッチングを最適化でき、また、より短時間の駆動パルスのBinem型動作が可能である。
【0062】
本発明は、上記の具体的実施態様に限定されるものではなく、本発明の範囲内の全ての変形態様を含むことは言うまでもない。
Claims (19)
- 少なくとも一方の液晶密封板上に、液晶の天頂角アンカリングエネルギーを示す外挿長をL z とした場合に、L z >50nmであるような弱い天頂角アンカリングエネルギーを得たネマチック型液晶デバイスを製造する方法であって、
ポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアルキルエーテル)型ポリマーまたはコポリマー、もしくは、ポリ(ビニルクロリド−co−ビニルアリールエーテル)型ポリマーまたはコポリマーから得られるポリマーまたはコポリマーから選択される、ポリマー、コポリマー、またはターポリマーを、基板上に付着させる工程、
前記ポリマーの被膜を安定化させる工程、および、
液晶の制御された方位角アンカリングを誘起させるために、前記被膜の方位角配向を生じさせる工程、
を含んでなる、方法。 - 前記ポリマーが、ポリ(ビニルクロリド−co−ビニルイソブチルエーテル)コポリマーである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ポリマーが、ポリ(ビニルクロリド)/ポリ(ビニルイソブチルエーテル)と、ビニルアルコールから得られる別のコモノマーとを主成分とするターポリマーである、請求項1に記載の方法。
- 前記安定化工程が、紫外線照射を含むものである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 一回以上のアニーリング操作により、前記安定化工程を実施する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記紫外線の照射前および/または照射後、1回以上のアニーリング操作により、前記安定化工程を実施する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ポリマーの融点(Tm)より低い温度により、前記1回以上のアニーリングを行う、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 波長180nm〜380nmの紫外線を用いて、前記照射工程を実施する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ポリマー(PVC/ビニルアルコールエーテルまたはエステルのコポリマーおよびターポリマー)を、織物が被覆されたローラーを用いてラビングすることにより、前記液晶の制御された方位角アンカリングを確定させる工程を実施する、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記液晶の制御された方位角アンカリングを生じさせる工程が、
SiO 2 を斜方蒸着する、
ローラーによってブラッシングされたポリマーまたは延伸したポリマーを用いる、または
印刷または光誘起エッチングによりグレーティングを形成する、
ことによって前処理された基板上に、前記ポリマーを付着させることにより実施される、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。 - 前記方位角アンカリングが、液晶の方位角アンカリングエネルギーを示す外挿長をL a とした場合に、L a <100nmのような強いものである、請求項12に記載の方法。
- 前記の全処理工程が、前記ネマチックの配向の制御されかつ安定したプレチルト値0°〜1°、好ましくは0.1°〜0.5°となるように選択される、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ポリマーを、スピンコーティングにより前記基板上に付着させる、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ポリマーを、フレキソ印刷により前記基板上に付着させる、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ポリマーを、メチルエチルケトン等のケトン類、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、もしくはブトキシエタノール、またはそれらの混合物を主成分とする溶媒に溶解して調製した溶液の状態で付着させる、請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法により形成した少なくとも一層の低エネルギーの天頂角アンカリング層を用いた、双安定ネマチック型液晶デバイス。
- 前記低エネルギーの天頂角アンカリング層が、透明電極上または反射電極上に付着されたものである、請求項18に記載のデバイス。
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