JP4532080B2 - 液晶デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液晶デバイスに関し、特にディスプレイ（表示）デバイス、及びかかるデバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶（ＬＣ）材料は、棒状又は木摺状の分子であって、その長軸及び短軸に沿って異なる光学的特性を有する。この分子はある長い範囲にわたる秩序を示し、従って局部的には、近隣の分子と同様の向きをとる傾向がある。こうした分子の長軸の局部的な向きは「ダイレクタ」と呼ばれる。液晶は大まかに、サーモトロピック（熱によって形成又は変更される）又はリオトロピック（溶媒の作用によって形成又は変更される）として分類されうる。市販の液晶ディスプレイデバイスは、サーモトロピック用いている。
【０００３】
サーモトロピック液晶材料には主として、ネマチック、コレステリック（キラルネマチック）、及びスメクチックの３つの種類がある。ディスプレイデバイスに用いられる液晶の場合、通常、「オフ」状態で所定の仕方で配向され、また「オン」状態では異なる所定の仕方で配向されて、ディスプレイが各々の状態で異なる光学的特性を有するようにしなければならない。主な２つの配向として、ホメオトロピック配向（ダイレクタがセル壁の平面に対して実質的に垂直）と、プレーナ配向（ダイレクタがセル壁の平面に対して実質的に平行に傾けられる）とがある。実際には、プレーナ配向はセル壁の平面に対して傾斜している場合があり、この傾斜はスイッチングを助けるのに有用でありうる。
【０００４】
ハイブリッド配向ネマチック（ＨＡＮ）、垂直配向ネマチック（ＶＡＮ）、ツイストネマチック（ＴＮ）、及びスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）セルが、消費財その他の製品において、ディスプレイデバイスとして広く用いられている。これらのセルは一対の間隔を置いて向かい合ったセル壁を含み、ネマチック液晶材料がその間に配置される。セル壁は透明電極パターンを有し、それらの間で画素が画定される。
【０００５】
ＴＮ及びＳＴＮディスプレイでは、各セル壁の内側表面が処理されて、ネマチックダイレクタが平坦で一方向性の配向を生ずるようにされ、また配向方向が互いに９０°の角度をなすようにされる。この配列により、ネマチックダイレクタはＴＮセル内で４分の１の螺旋を描くようになり、画素が「電界オフ」状態にある場合、偏光された光は９０°にわたって案内されるようになる。ＳＴＮセルでは、ネマチック液晶はキラル剤でドープされ、より短いピッチの螺旋が生成されるが、これは「電界オフ」状態において偏光面を回転させる。「電界オフ」状態は、セルが交差した偏光子を介して視認されるか、平行な偏光子を介して視認されるかに応じて、白色又は黒色のいずれでもよい。画素に電圧を印加すると、ネマチックダイレクタはセル壁に対して垂直に、ホメオトロピック配向で整列するようになり、かくして偏光された光の面は「電界オン」状態では回転しない。
【０００６】
ＨＡＮセルでは、一方のセル壁がネマチック液晶をホメオトロピック配向で整列させるように処理され、他方のセル壁は、典型的にはスイッチングを容易にすべく幾らかの傾斜をもって、プレーナ配向を生ずるように処理される。液晶は正の誘電異方性を有し、電界を印加すると液晶ダイレクタはセル壁に対して垂直に配向するようになり、かくしてセルは複屈折の「電界オフ」状態から非複屈折の「電界オン」状態に切り替わる。
【０００７】
ＶＡＮモードでは、負の誘電異方性のネマチック液晶が、「電界オフ」状態ではホメオトロピックに配向され、「電界オン」状態では複屈折となる。二色性の染料を用いて、コントラストを高めることもできる。
【０００８】
液晶（ＬＣ）のプレーナ配向は通常、液晶セルの内側にある薄いポリイミド配向層を一方向にラビングすることによりもたらされ、それにより小さなプレチルト角を有する一方向性の配向が生ずる。T.Yamamotoらの「Pretilt angle control of liquid-crystal alignment by using projections on substrate surfaces for dual-domain TN-LCD」(J.SID,4/2,1996)では、ラビングされた配向層に小さな突起を組み込むことにより、ラビングされた表面のプレチルト角を増大させることが提案されている。
【０００９】
デバイスの光学的特性に対して望ましい効果を有しているとはいえ、ラビング処理は多くのプロセス工程を必要とするため、理想的ではない。また、一様なディスプレイ基板を与えるためには、ラビングパラメータに関して高度の公差制御を行う必要がある。さらにラビングによって、配向層の下に位置するアクティブマトリクス要素に、静電的及び機械的な損傷が生ずる恐れがある。またラビングは塵埃も生成するが、これはディスプレイの製造にとって有害である。
【００１０】
最近、光アライメント技術が紹介されているが、それによれば、ある特定のポリマーコーティングを偏光紫外線に暴露することにより、プレーナ配向を生ずることができる。これはラビングに関する問題の幾らかを回避するが、このコーティングは液晶材料の影響を受けやすく、また通常は小さなプレチルト角しか生成しない。
【００１１】
１つの代替手法は、酸化シリコン（ＳｉＯ）のパターン化された斜め蒸着を用いて、配向層を形成することである。これはまた、所望の光学応答をもたらす。しかしながら、真空蒸着及びリソグラフィ工程の追加によって、プロセスは複雑になる。さらに、ＳｉＯ蒸着のプロセスパラメータの制御は一様性を与えるために重要であるが、これは一般に、広範囲にわたって達成するのは困難である。
【００１２】
液晶の配向方法についての有用な概説が、J.Cognardの「Alignment of Nematic Liquid Crystals and Their Mixtures」（Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1-78 (1982), Supplement 1）に示されている。
【００１３】
液晶を配向するために表面の微細構造を用いることは、長年にわたって公知である。これは例えば、D.W.Berrimanの「The Alignment of Liquid Crystals by Grooved Surfaces」（Mol. Cryst. Liq. Cryst. 23, 215-231, 1973）に記載されている。
【００１４】
ＧＢ２２８６４６７には、レーザによって生成される光の干渉パターンにフォトポリマーを暴露することにより、少なくとも１つのセル壁上に正弦波状の複回折格子を設けることが提案されている。複回折格子によって、液晶分子は２つの異なるプレーナ角度方向、例えば４５°又は９０°だけ離れて存在できるようになる。非対称な複回折格子構造であれば、一方又は双方の角度方向において傾斜を生成することができる。回折格子による配向の他の例は、ＷＯ９６／２４８８０、ＷＯ９７／１４９９０、ＷＯ９９／３４２５１、及びJ.Cheng及びG.D.Boydの「The liquid crystal alignment properties of photolithographic gratings」（Appl. Phys. Lett. 35(6), 15，September 1979）に記載されている。R.N.Thurstonらによる「Mechanically Bistable Liquid-Crystal Display Structures」（IEEE trans. on Electron Devices, Vol. ED-27 No 11, November 1980）には、矩形構造の周期的なアレイによる液晶のプレーナ配向が理論付けられている。
【００１５】
典型的にはレシチンやクロム錯体のような表面の化学処理を用いる液晶のホメオトロピック配向も、制御が難しいプロセスである。こうした化学処理は経時的には安定しない場合があり、また処理される表面に対して余り一様には付着しない。ホメオトロピック配向は、特殊なポリイミド樹脂（日本合成ゴム製）を用いて達成されてきた。これらのポリイミドは高温での硬化を必要とするが、これはガラス転移温度の低いプラスチック基板には望ましくない。無機酸化物の層は、適当な角度で堆積された場合に、ホメオトロピック配向を生じさせる場合がある。これは真空処理を必要とするが、こうした処理には、プレーナ配向に関連して先に説明した問題がある。ホメオトロピック配向を生成するための別の可能性は、ＰＴＦＥのような表面エネルギーの低い材料を用いることである。しかしながら、ＰＴＦＥは配向角をほとんど制御できず、また処理が困難な場合がある。
【００１６】
ＥＰ１１３９１５３及びＥＰ１１３９１５４では、所望の配向を生ずる形状及び／又は配列を有する配向構造のアレイを含む、表面配向構造を設けることが提案されている。こうした構造の幾何形状や間隔に応じて、液晶は、プレーナ配向、傾斜配向、又はホメオトロピック配向を取るようになる。ＥＰ１１３９１５１に開示されているように、こうした配向構造は、ポスト配向双安定ネマチック（ＰＡＢＮ）モードにおいて、双安定配向をもたらすために使用されている。
【００１７】
米国特許第５１５５６１０号及び第５２６２８８２号では、基板上に、非反応性の液晶材料を含む異方性ゲル又はポリマーネットワークの表面層を設けることが提案されている。そのゲルは液晶分子の向きを傾斜させることができる。こうした表面層は液晶分子を含み、その分子の少なくとも一部の向きが、異方性ゲルで不変に固定されている。この層の分子の傾斜角度は最大で、層が十分に厚ければ、基板との界面における最小値から液晶材料との界面における最大値まで変化する。この層は、液晶材料との界面において所望の傾斜角度を生成するような厚みで適用される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
セル壁の表面で液晶分子の配向を制御することに加えて、表面の各々でアンカリングエネルギーを制御、即ち「調節」できることが望ましい。これによりセルの性能は、種々のディスプレイモード、例えばＨＡＮ又はＶＡＮモード、又はI.Dozovらの「Fast bistable nematic display using monostable surface switching」（Appl. Phys. Lett. 70(9), 3 March 1997）に記載されるような双安定モードについて最適化されうる。そこでは、種々のアンカリング強度をもたらすために、異なる厚みのＳｉＯが用いられた。上述したように、ＳｉＯの蒸着は種々の理由により、商用には望ましくない。
【００１９】
米国特許第５０７３２９４号から、整列された多数の配向されたメソゲンを有する高分子液晶を含む、液晶ポリマーフィルム又はファイバを形成することが知られている。この製品は、高解像度のイメージングフィルム、パッケージングフィルム、濾過膜、ラミネートフィルム、導波管デバイス、及び光ファイバとして有用であると言われている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によれば、液晶材料の層を取り囲み、間隔を置いて向かい合った第１及び第２のセル壁と、前記液晶材料の少なくとも幾らかに電界を印加すべく少なくとも一方のセル壁上にある電極とを含み、前記第１のセル壁の内側表面に、重合され配向されたメソゲン材料を実質的に含む表面層が設けられ、この表面層が液晶材料と接触する液晶ディスプレイデバイスが提供される。
【００２１】
好ましい実施形態では、両方のセル壁に重合されたメソゲンコーティングが設けられる。これらのコーティングは同じでも異なっていてもよい。コーティングが異なる場合には、表面コーティングの各々に隣接して異なるアンカリングエネルギー及び／又は異なる秩序パラメータを生ずることができるようになるが、これは先に説明したように、ある特定のディスプレイモードで有利である。従って本発明の別の側面によれば、液晶材料の層を取り囲み、間隔を置いて向かい合った第１及び第２のセル壁と、前記液晶材料の少なくとも幾らかに電界を印加すべく少なくとも一方のセル壁上にある電極とを含み、前記第１のセル壁の内側表面の少なくとも一部には、重合され配向されたメソゲン材料から形成される第１の表面層が設けられ、前記第２のセル壁の内側表面の少なくとも一部には、重合され配向されたメソゲン材料から形成される第２の表面層が設けられ、前記第１及び第２の表面層がそれぞれ第１及び第２の界面において前記液晶材料と接触し、前記第１の界面におけるアンカリングエネルギーが前記第２の界面におけるアンカリングエネルギーと相違する液晶デバイスが提供される。
【００２２】
本発明のさらなる側面では、本発明の第１の側面による液晶デバイスを製造する方法が提供され、その方法は、
ａ）重合可能なメソゲンを第１のセル壁に適用し、第１の条件下で前記メソゲンを重合して、第１の配向された表面層を形成するステップと、
ｂ）重合可能なメソゲンを第２のセル壁に適用し、第２の異なる条件下で前記メソゲンを重合して、第２の配向された表面層を形成するステップと、
ｃ）前記表面層がセル壁の内側表面上にあるようにして、第１及び第２のセル壁が相互に間隔を置いて向かい合ったセルを構成するステップと、及び
ｄ）前記セルに液晶材料を充填するステップとを含み、
前記液晶材料に電界を印加すべく少なくとも１つのセル壁上に電極が設けられ、
前記第１及び第２の表面層が形成される条件は、前記表面層と前記液晶材料との界面において異なるアンカリングエネルギーが生成されるようなものとされる。
【００２３】
サーモトロピックメソゲン材料の場合、変化される条件は、重合が行われる温度であることが好ましい。リオトロピックメソゲン材料の場合には、変化される条件は希釈度であることが好ましいが、温度も変化させることができる。
【００２４】
本明細書では、「重合」という用語、及びこれに関連する用語は、メソゲン系の硬化を参照している。そこではメソゲン分子がポリマーマトリクスでもって化学的に結合されるようになり、それによってメソゲン分子の局部的な秩序パラメータが固定されるようになる。メソゲン分子には、重合可能又は架橋可能な官能基、例えばアクリル基、エポキシ基、又はメタクリル基が備えられる場合があり、それによって相互の反応が行われる。さらに、又は代替的に、メソゲン分子は別の物質と反応してもよく、メソゲン部分を取り込んだポリマーマトリクスが生成される。例えばメソゲン分子は、適当な触媒の存在下に、ヒドロシリル化反応によってポリ（メチルハイドロジェンシロキサン）のような液体ポリマー又はオリゴマーと反応する、末端アルケン基のような不飽和結合を備えることができる。
【００２５】
適当な条件を用いることにより、２つの層は、実質的に同じ配向を有するが秩序パラメータの異なる、メソゲン部分を備えて形成することができる。サーモトロピック液晶の場合には、より高い温度で重合すると、秩序パラメータは減少する。
【００２６】
さらに、層内のメソゲン部分の秩序パラメータは、これらの層に隣接する液晶分子の局部的な秩序パラメータに影響を及ぼす。他の要因が等しい場合、より低い秩序パラメータを有する層の界面におけるアンカリングエネルギーは減少するものと予想される。かくして、両方の表面層が化学的には同一であるが、印加される電界に対して非対称な応答を生成する場合がある。このようにして構成されたディスプレイデバイスは、符号依存性の応答を生成するか、又はフレクソエレクトリック効果に類似の「オーダーエレクトリック」効果を示す場合がある。
【００２７】
通常、重合可能なメソゲン材料は、空気界面に対してスピンコートすることによってセル壁に適用され、約１０から１００ｎｍ厚、特に２０から４０ｎｍ厚の層が生成される。しかしながら、他のコーティング厚を用いることもできる。当業者に周知の、任意の他の適当なコーティング方法、例えばグラビアコーティング、フレクソコーティング、又はカーテンコーティングを用いることもできる。
【００２８】
重合されたメソゲン材料から実質的になる表面層では、層内の大部分のメソゲン分子はポリマーマトリクスでもって化学的に結合されている。メソゲン分子の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％が結合される。好ましくは、表面層内の実質的に全てのメソゲン分子が重合される。しかしながら、重合条件の特性によっては、メソゲン分子の１００％の重合が阻止されうる。表面層は薄い固体であり、その層に隣接する液晶分子の配向をもたらす。しかしながら、表面層の特性は、メソゲンモノマーの混合物を変化させることによって、改変することができる。例えば、非メソゲンモノマーを重合混合物に添加することができ、又は（リオトロピック液晶の場合には）稀釈溶媒が変更される場合もある。さらに、又は代替的には、重合温度を変化させることができる。
【００２９】
表面層の各々の硬化温度が、メソゲンの相転移のいずれかの側にあるように選択される場合、秩序パラメータ及びアンカリングエネルギーにおける特に大きな相違が得られると予想される。例えばメソゲンは、より低温でスメクチック配向を示し、より高温でネマチック配向を示す場合がある。２つの相が両方ともスメクチックであり、例えばスメクチックＡ及びスメクチックＢのように、一方が他方よりも秩序化されていることも可能である。別の実施形態では、ある温度での硬化によって、傾斜された配向、例えばスメクチックＣのような傾斜スメクチックが生成され、一方、別の温度での硬化によって、スメクチックＡ又はネマチックのような傾斜のない相が生成される。硬化の後、硬化の間にメソゲンによって取られた相は、そのポリマーがガラス転移温度より高い温度でアニーリングされない限り保持される。
【００３０】
こうして、表面層を用いて、プレーナ、傾斜プレーナ、ホメオトロピック、及び傾斜ホメオトロピック局部配向のような、任意の所望の液晶配向を生成することができる。局部秩序パラメータ、従ってアンカリングエネルギーは、重合条件を適当に選択することにより個別に変更することができる。
【００３１】
従来の殆どのディスプレイデバイスでは、セル壁の各々には、既知の仕方で１つの電極パターンが設けられる。しかしながら、２つの電極構造をセル壁の一方又は双方にすだれ状電極として設け、セル壁の平面と実質的に平行な電界を与えることも可能である。
【００３２】
表面層を配向させるために、セル壁と表面層との間に配向層が設けられる場合がある。既知の配向層、例えばラビング処理されたポリマー、微細構造の表面、又は偏光紫外線に暴露されている間に形成されたポリマーのような他の秩序化された材料を用いることができる。さらに、又は代替的に、例えば空気界面においてホメオトロピック配向を取ることにより、この層が自己秩序化する場合もある。硬化温度又は希釈度を注意深く制御することにより、秩序パラメータが０（等方相）まで変化するように制御を行うことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
液晶ディスプレイデバイスは、ガラスその他の適当な基材から形成される第１のセル壁１及び第２のセル壁２を含む。各々のセル壁１、２の内側表面は、酸化インジウムスズ等から形成される透明電極パターン８、９を担持している。各々のセル壁は、元来知られている種類の配向層５、６を有する。例えばラビングされたポリイミドのようなポリマー、又は回折格子微細構造などである。各々の配向層５、６の上には、メソゲンモノマーの重合により形成された表面層３、４がある。各表面層３、４内のメソゲンモノマーは、配向層によって、及び／又はセルの構成前の重合に際しての自己組織化によって、一様に配向される。
【００３４】
セル壁は既知の手段、例えば表面層３、４間のスペーサボール（図示せず）によって、間隔を置いている。表面層３、４間の空間は、液晶材料の層７で充填され、この層は両方の表面層と接触する。
【００３５】
重合温度及び／又は重合に際して存在する非メソゲンモノマーのレベルに応じて、表面層３、４は各々、液晶材料層７内にある隣接する液晶分子に影響を及ぼす。各表面層３、４と液晶層７の間の界面におけるアンカリングエネルギーは、重合条件を適当に調整することにより、「予備調節」することができる。各表面層に対する局部的な液晶の秩序パラメータも同様に予備調節でき、かくしてディスプレイは、特定のディスプレイモードに関して最適化できる。表面層は、図示の例に示されているように両方のセル壁上に設けることもでき、又は一方のセル壁上にのみ設けることもできる。所望の配向を達成するために、他方のセル壁を、技術的に周知の方法に従って構成してもよい。
【００３６】
明確化のために個々の実施形態に即して記載された本発明のある種の特徴は、単一の実施形態において組み合わせても提供されうることが理解されよう。また逆に、簡単化のために単一の実施形態に即して記載した本発明の種々の特徴が、個別に、又は任意の適当な組み合わせで提供される場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液晶ディスプレイデバイスを示す概略図である。
【符号の説明】
１、２ セル壁
３、４ 表面層
５、６ 配向層
７ 液晶材料層
８、９ 透明電極パターン
【産業上の利用分野】
本発明は液晶デバイスに関し、特にディスプレイ（表示）デバイス、及びかかるデバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶（ＬＣ）材料は、棒状又は木摺状の分子であって、その長軸及び短軸に沿って異なる光学的特性を有する。この分子はある長い範囲にわたる秩序を示し、従って局部的には、近隣の分子と同様の向きをとる傾向がある。こうした分子の長軸の局部的な向きは「ダイレクタ」と呼ばれる。液晶は大まかに、サーモトロピック（熱によって形成又は変更される）又はリオトロピック（溶媒の作用によって形成又は変更される）として分類されうる。市販の液晶ディスプレイデバイスは、サーモトロピック用いている。
【０００３】
サーモトロピック液晶材料には主として、ネマチック、コレステリック（キラルネマチック）、及びスメクチックの３つの種類がある。ディスプレイデバイスに用いられる液晶の場合、通常、「オフ」状態で所定の仕方で配向され、また「オン」状態では異なる所定の仕方で配向されて、ディスプレイが各々の状態で異なる光学的特性を有するようにしなければならない。主な２つの配向として、ホメオトロピック配向（ダイレクタがセル壁の平面に対して実質的に垂直）と、プレーナ配向（ダイレクタがセル壁の平面に対して実質的に平行に傾けられる）とがある。実際には、プレーナ配向はセル壁の平面に対して傾斜している場合があり、この傾斜はスイッチングを助けるのに有用でありうる。
【０００４】
ハイブリッド配向ネマチック（ＨＡＮ）、垂直配向ネマチック（ＶＡＮ）、ツイストネマチック（ＴＮ）、及びスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）セルが、消費財その他の製品において、ディスプレイデバイスとして広く用いられている。これらのセルは一対の間隔を置いて向かい合ったセル壁を含み、ネマチック液晶材料がその間に配置される。セル壁は透明電極パターンを有し、それらの間で画素が画定される。
【０００５】
ＴＮ及びＳＴＮディスプレイでは、各セル壁の内側表面が処理されて、ネマチックダイレクタが平坦で一方向性の配向を生ずるようにされ、また配向方向が互いに９０°の角度をなすようにされる。この配列により、ネマチックダイレクタはＴＮセル内で４分の１の螺旋を描くようになり、画素が「電界オフ」状態にある場合、偏光された光は９０°にわたって案内されるようになる。ＳＴＮセルでは、ネマチック液晶はキラル剤でドープされ、より短いピッチの螺旋が生成されるが、これは「電界オフ」状態において偏光面を回転させる。「電界オフ」状態は、セルが交差した偏光子を介して視認されるか、平行な偏光子を介して視認されるかに応じて、白色又は黒色のいずれでもよい。画素に電圧を印加すると、ネマチックダイレクタはセル壁に対して垂直に、ホメオトロピック配向で整列するようになり、かくして偏光された光の面は「電界オン」状態では回転しない。
【０００６】
ＨＡＮセルでは、一方のセル壁がネマチック液晶をホメオトロピック配向で整列させるように処理され、他方のセル壁は、典型的にはスイッチングを容易にすべく幾らかの傾斜をもって、プレーナ配向を生ずるように処理される。液晶は正の誘電異方性を有し、電界を印加すると液晶ダイレクタはセル壁に対して垂直に配向するようになり、かくしてセルは複屈折の「電界オフ」状態から非複屈折の「電界オン」状態に切り替わる。
【０００７】
ＶＡＮモードでは、負の誘電異方性のネマチック液晶が、「電界オフ」状態ではホメオトロピックに配向され、「電界オン」状態では複屈折となる。二色性の染料を用いて、コントラストを高めることもできる。
【０００８】
液晶（ＬＣ）のプレーナ配向は通常、液晶セルの内側にある薄いポリイミド配向層を一方向にラビングすることによりもたらされ、それにより小さなプレチルト角を有する一方向性の配向が生ずる。T.Yamamotoらの「Pretilt angle control of liquid-crystal alignment by using projections on substrate surfaces for dual-domain TN-LCD」(J.SID,4/2,1996)では、ラビングされた配向層に小さな突起を組み込むことにより、ラビングされた表面のプレチルト角を増大させることが提案されている。
【０００９】
デバイスの光学的特性に対して望ましい効果を有しているとはいえ、ラビング処理は多くのプロセス工程を必要とするため、理想的ではない。また、一様なディスプレイ基板を与えるためには、ラビングパラメータに関して高度の公差制御を行う必要がある。さらにラビングによって、配向層の下に位置するアクティブマトリクス要素に、静電的及び機械的な損傷が生ずる恐れがある。またラビングは塵埃も生成するが、これはディスプレイの製造にとって有害である。
【００１０】
最近、光アライメント技術が紹介されているが、それによれば、ある特定のポリマーコーティングを偏光紫外線に暴露することにより、プレーナ配向を生ずることができる。これはラビングに関する問題の幾らかを回避するが、このコーティングは液晶材料の影響を受けやすく、また通常は小さなプレチルト角しか生成しない。
【００１１】
１つの代替手法は、酸化シリコン（ＳｉＯ）のパターン化された斜め蒸着を用いて、配向層を形成することである。これはまた、所望の光学応答をもたらす。しかしながら、真空蒸着及びリソグラフィ工程の追加によって、プロセスは複雑になる。さらに、ＳｉＯ蒸着のプロセスパラメータの制御は一様性を与えるために重要であるが、これは一般に、広範囲にわたって達成するのは困難である。
【００１２】
液晶の配向方法についての有用な概説が、J.Cognardの「Alignment of Nematic Liquid Crystals and Their Mixtures」（Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1-78 (1982), Supplement 1）に示されている。
【００１３】
液晶を配向するために表面の微細構造を用いることは、長年にわたって公知である。これは例えば、D.W.Berrimanの「The Alignment of Liquid Crystals by Grooved Surfaces」（Mol. Cryst. Liq. Cryst. 23, 215-231, 1973）に記載されている。
【００１４】
ＧＢ２２８６４６７には、レーザによって生成される光の干渉パターンにフォトポリマーを暴露することにより、少なくとも１つのセル壁上に正弦波状の複回折格子を設けることが提案されている。複回折格子によって、液晶分子は２つの異なるプレーナ角度方向、例えば４５°又は９０°だけ離れて存在できるようになる。非対称な複回折格子構造であれば、一方又は双方の角度方向において傾斜を生成することができる。回折格子による配向の他の例は、ＷＯ９６／２４８８０、ＷＯ９７／１４９９０、ＷＯ９９／３４２５１、及びJ.Cheng及びG.D.Boydの「The liquid crystal alignment properties of photolithographic gratings」（Appl. Phys. Lett. 35(6), 15，September 1979）に記載されている。R.N.Thurstonらによる「Mechanically Bistable Liquid-Crystal Display Structures」（IEEE trans. on Electron Devices, Vol. ED-27 No 11, November 1980）には、矩形構造の周期的なアレイによる液晶のプレーナ配向が理論付けられている。
【００１５】
典型的にはレシチンやクロム錯体のような表面の化学処理を用いる液晶のホメオトロピック配向も、制御が難しいプロセスである。こうした化学処理は経時的には安定しない場合があり、また処理される表面に対して余り一様には付着しない。ホメオトロピック配向は、特殊なポリイミド樹脂（日本合成ゴム製）を用いて達成されてきた。これらのポリイミドは高温での硬化を必要とするが、これはガラス転移温度の低いプラスチック基板には望ましくない。無機酸化物の層は、適当な角度で堆積された場合に、ホメオトロピック配向を生じさせる場合がある。これは真空処理を必要とするが、こうした処理には、プレーナ配向に関連して先に説明した問題がある。ホメオトロピック配向を生成するための別の可能性は、ＰＴＦＥのような表面エネルギーの低い材料を用いることである。しかしながら、ＰＴＦＥは配向角をほとんど制御できず、また処理が困難な場合がある。
【００１６】
ＥＰ１１３９１５３及びＥＰ１１３９１５４では、所望の配向を生ずる形状及び／又は配列を有する配向構造のアレイを含む、表面配向構造を設けることが提案されている。こうした構造の幾何形状や間隔に応じて、液晶は、プレーナ配向、傾斜配向、又はホメオトロピック配向を取るようになる。ＥＰ１１３９１５１に開示されているように、こうした配向構造は、ポスト配向双安定ネマチック（ＰＡＢＮ）モードにおいて、双安定配向をもたらすために使用されている。
【００１７】
米国特許第５１５５６１０号及び第５２６２８８２号では、基板上に、非反応性の液晶材料を含む異方性ゲル又はポリマーネットワークの表面層を設けることが提案されている。そのゲルは液晶分子の向きを傾斜させることができる。こうした表面層は液晶分子を含み、その分子の少なくとも一部の向きが、異方性ゲルで不変に固定されている。この層の分子の傾斜角度は最大で、層が十分に厚ければ、基板との界面における最小値から液晶材料との界面における最大値まで変化する。この層は、液晶材料との界面において所望の傾斜角度を生成するような厚みで適用される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
セル壁の表面で液晶分子の配向を制御することに加えて、表面の各々でアンカリングエネルギーを制御、即ち「調節」できることが望ましい。これによりセルの性能は、種々のディスプレイモード、例えばＨＡＮ又はＶＡＮモード、又はI.Dozovらの「Fast bistable nematic display using monostable surface switching」（Appl. Phys. Lett. 70(9), 3 March 1997）に記載されるような双安定モードについて最適化されうる。そこでは、種々のアンカリング強度をもたらすために、異なる厚みのＳｉＯが用いられた。上述したように、ＳｉＯの蒸着は種々の理由により、商用には望ましくない。
【００１９】
米国特許第５０７３２９４号から、整列された多数の配向されたメソゲンを有する高分子液晶を含む、液晶ポリマーフィルム又はファイバを形成することが知られている。この製品は、高解像度のイメージングフィルム、パッケージングフィルム、濾過膜、ラミネートフィルム、導波管デバイス、及び光ファイバとして有用であると言われている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によれば、液晶材料の層を取り囲み、間隔を置いて向かい合った第１及び第２のセル壁と、前記液晶材料の少なくとも幾らかに電界を印加すべく少なくとも一方のセル壁上にある電極とを含み、前記第１のセル壁の内側表面に、重合され配向されたメソゲン材料を実質的に含む表面層が設けられ、この表面層が液晶材料と接触する液晶ディスプレイデバイスが提供される。
【００２１】
好ましい実施形態では、両方のセル壁に重合されたメソゲンコーティングが設けられる。これらのコーティングは同じでも異なっていてもよい。コーティングが異なる場合には、表面コーティングの各々に隣接して異なるアンカリングエネルギー及び／又は異なる秩序パラメータを生ずることができるようになるが、これは先に説明したように、ある特定のディスプレイモードで有利である。従って本発明の別の側面によれば、液晶材料の層を取り囲み、間隔を置いて向かい合った第１及び第２のセル壁と、前記液晶材料の少なくとも幾らかに電界を印加すべく少なくとも一方のセル壁上にある電極とを含み、前記第１のセル壁の内側表面の少なくとも一部には、重合され配向されたメソゲン材料から形成される第１の表面層が設けられ、前記第２のセル壁の内側表面の少なくとも一部には、重合され配向されたメソゲン材料から形成される第２の表面層が設けられ、前記第１及び第２の表面層がそれぞれ第１及び第２の界面において前記液晶材料と接触し、前記第１の界面におけるアンカリングエネルギーが前記第２の界面におけるアンカリングエネルギーと相違する液晶デバイスが提供される。
【００２２】
本発明のさらなる側面では、本発明の第１の側面による液晶デバイスを製造する方法が提供され、その方法は、
ａ）重合可能なメソゲンを第１のセル壁に適用し、第１の条件下で前記メソゲンを重合して、第１の配向された表面層を形成するステップと、
ｂ）重合可能なメソゲンを第２のセル壁に適用し、第２の異なる条件下で前記メソゲンを重合して、第２の配向された表面層を形成するステップと、
ｃ）前記表面層がセル壁の内側表面上にあるようにして、第１及び第２のセル壁が相互に間隔を置いて向かい合ったセルを構成するステップと、及び
ｄ）前記セルに液晶材料を充填するステップとを含み、
前記液晶材料に電界を印加すべく少なくとも１つのセル壁上に電極が設けられ、
前記第１及び第２の表面層が形成される条件は、前記表面層と前記液晶材料との界面において異なるアンカリングエネルギーが生成されるようなものとされる。
【００２３】
サーモトロピックメソゲン材料の場合、変化される条件は、重合が行われる温度であることが好ましい。リオトロピックメソゲン材料の場合には、変化される条件は希釈度であることが好ましいが、温度も変化させることができる。
【００２４】
本明細書では、「重合」という用語、及びこれに関連する用語は、メソゲン系の硬化を参照している。そこではメソゲン分子がポリマーマトリクスでもって化学的に結合されるようになり、それによってメソゲン分子の局部的な秩序パラメータが固定されるようになる。メソゲン分子には、重合可能又は架橋可能な官能基、例えばアクリル基、エポキシ基、又はメタクリル基が備えられる場合があり、それによって相互の反応が行われる。さらに、又は代替的に、メソゲン分子は別の物質と反応してもよく、メソゲン部分を取り込んだポリマーマトリクスが生成される。例えばメソゲン分子は、適当な触媒の存在下に、ヒドロシリル化反応によってポリ（メチルハイドロジェンシロキサン）のような液体ポリマー又はオリゴマーと反応する、末端アルケン基のような不飽和結合を備えることができる。
【００２５】
適当な条件を用いることにより、２つの層は、実質的に同じ配向を有するが秩序パラメータの異なる、メソゲン部分を備えて形成することができる。サーモトロピック液晶の場合には、より高い温度で重合すると、秩序パラメータは減少する。
【００２６】
さらに、層内のメソゲン部分の秩序パラメータは、これらの層に隣接する液晶分子の局部的な秩序パラメータに影響を及ぼす。他の要因が等しい場合、より低い秩序パラメータを有する層の界面におけるアンカリングエネルギーは減少するものと予想される。かくして、両方の表面層が化学的には同一であるが、印加される電界に対して非対称な応答を生成する場合がある。このようにして構成されたディスプレイデバイスは、符号依存性の応答を生成するか、又はフレクソエレクトリック効果に類似の「オーダーエレクトリック」効果を示す場合がある。
【００２７】
通常、重合可能なメソゲン材料は、空気界面に対してスピンコートすることによってセル壁に適用され、約１０から１００ｎｍ厚、特に２０から４０ｎｍ厚の層が生成される。しかしながら、他のコーティング厚を用いることもできる。当業者に周知の、任意の他の適当なコーティング方法、例えばグラビアコーティング、フレクソコーティング、又はカーテンコーティングを用いることもできる。
【００２８】
重合されたメソゲン材料から実質的になる表面層では、層内の大部分のメソゲン分子はポリマーマトリクスでもって化学的に結合されている。メソゲン分子の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％が結合される。好ましくは、表面層内の実質的に全てのメソゲン分子が重合される。しかしながら、重合条件の特性によっては、メソゲン分子の１００％の重合が阻止されうる。表面層は薄い固体であり、その層に隣接する液晶分子の配向をもたらす。しかしながら、表面層の特性は、メソゲンモノマーの混合物を変化させることによって、改変することができる。例えば、非メソゲンモノマーを重合混合物に添加することができ、又は（リオトロピック液晶の場合には）稀釈溶媒が変更される場合もある。さらに、又は代替的には、重合温度を変化させることができる。
【００２９】
表面層の各々の硬化温度が、メソゲンの相転移のいずれかの側にあるように選択される場合、秩序パラメータ及びアンカリングエネルギーにおける特に大きな相違が得られると予想される。例えばメソゲンは、より低温でスメクチック配向を示し、より高温でネマチック配向を示す場合がある。２つの相が両方ともスメクチックであり、例えばスメクチックＡ及びスメクチックＢのように、一方が他方よりも秩序化されていることも可能である。別の実施形態では、ある温度での硬化によって、傾斜された配向、例えばスメクチックＣのような傾斜スメクチックが生成され、一方、別の温度での硬化によって、スメクチックＡ又はネマチックのような傾斜のない相が生成される。硬化の後、硬化の間にメソゲンによって取られた相は、そのポリマーがガラス転移温度より高い温度でアニーリングされない限り保持される。
【００３０】
こうして、表面層を用いて、プレーナ、傾斜プレーナ、ホメオトロピック、及び傾斜ホメオトロピック局部配向のような、任意の所望の液晶配向を生成することができる。局部秩序パラメータ、従ってアンカリングエネルギーは、重合条件を適当に選択することにより個別に変更することができる。
【００３１】
従来の殆どのディスプレイデバイスでは、セル壁の各々には、既知の仕方で１つの電極パターンが設けられる。しかしながら、２つの電極構造をセル壁の一方又は双方にすだれ状電極として設け、セル壁の平面と実質的に平行な電界を与えることも可能である。
【００３２】
表面層を配向させるために、セル壁と表面層との間に配向層が設けられる場合がある。既知の配向層、例えばラビング処理されたポリマー、微細構造の表面、又は偏光紫外線に暴露されている間に形成されたポリマーのような他の秩序化された材料を用いることができる。さらに、又は代替的に、例えば空気界面においてホメオトロピック配向を取ることにより、この層が自己秩序化する場合もある。硬化温度又は希釈度を注意深く制御することにより、秩序パラメータが０（等方相）まで変化するように制御を行うことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
液晶ディスプレイデバイスは、ガラスその他の適当な基材から形成される第１のセル壁１及び第２のセル壁２を含む。各々のセル壁１、２の内側表面は、酸化インジウムスズ等から形成される透明電極パターン８、９を担持している。各々のセル壁は、元来知られている種類の配向層５、６を有する。例えばラビングされたポリイミドのようなポリマー、又は回折格子微細構造などである。各々の配向層５、６の上には、メソゲンモノマーの重合により形成された表面層３、４がある。各表面層３、４内のメソゲンモノマーは、配向層によって、及び／又はセルの構成前の重合に際しての自己組織化によって、一様に配向される。
【００３４】
セル壁は既知の手段、例えば表面層３、４間のスペーサボール（図示せず）によって、間隔を置いている。表面層３、４間の空間は、液晶材料の層７で充填され、この層は両方の表面層と接触する。
【００３５】
重合温度及び／又は重合に際して存在する非メソゲンモノマーのレベルに応じて、表面層３、４は各々、液晶材料層７内にある隣接する液晶分子に影響を及ぼす。各表面層３、４と液晶層７の間の界面におけるアンカリングエネルギーは、重合条件を適当に調整することにより、「予備調節」することができる。各表面層に対する局部的な液晶の秩序パラメータも同様に予備調節でき、かくしてディスプレイは、特定のディスプレイモードに関して最適化できる。表面層は、図示の例に示されているように両方のセル壁上に設けることもでき、又は一方のセル壁上にのみ設けることもできる。所望の配向を達成するために、他方のセル壁を、技術的に周知の方法に従って構成してもよい。
【００３６】
明確化のために個々の実施形態に即して記載された本発明のある種の特徴は、単一の実施形態において組み合わせても提供されうることが理解されよう。また逆に、簡単化のために単一の実施形態に即して記載した本発明の種々の特徴が、個別に、又は任意の適当な組み合わせで提供される場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液晶ディスプレイデバイスを示す概略図である。
【符号の説明】
１、２ セル壁
３、４ 表面層
５、６ 配向層
７ 液晶材料層
８、９ 透明電極パターン
Claims (10)
- 液晶材料の層を取り囲み、間隔を置いて向かい合った第１及び第２のセル壁と、前記液晶材料の少なくとも幾らかに電界を印加すべく少なくとも一方のセル壁上にある電極とを含み、前記第１のセル壁の内側表面の少なくとも一部には、重合され配向されたメソゲン材料から形成される第１の表面層が設けられ、前記第２のセル壁の内側表面の少なくとも一部には、重合され配向されたメソゲン材料から形成される第２の表面層が設けられ、前記第１及び第２の表面層がそれぞれ第１及び第２の界面において前記液晶材料と接触し、前記第１の界面における前記液晶材料のアンカリングエネルギー及び秩序パラメータから選択される特性が前記第２の界面における前記特性と相違し、前記アンカリングエネルギー又は秩序パラメータの相違が、前記表面層の前記メソゲン材料の異なる温度又は異なる希釈度での重合に由来する、液晶デバイス。
- 前記表面層が両方とも同じメソゲン材料を用いて形成されている、請求項１に記載のデバイス。
- 前記表面層の各々とその関連するセル壁との間に配向層が設けられ、前記配向層が前記メソゲン材料の配向を決定する、請求項１又は２に記載のデバイス。
- 前記液晶材料が前記界面の各々において、前記セル壁の平面に対して傾斜した配向を取る、請求項１から３のいずれか１に記載のデバイス。
- 前記傾斜の角度が両方の界面において実質的に同じである、請求項４に記載のデバイス。
- 前記傾斜の方向が両方の界面において実質的に同じである、請求項４又は５に記載のデバイス。
- 前記液晶材料の前記配向がホメオトロピックであり、重合に際して気体との境界における自己配向から生じている、請求項１から３のいずれか１に記載のデバイス。
- 請求項１から７のいずれか１に記載される液晶デバイスを製造する方法であって、
ａ）重合可能なメソゲン材料を第１のセル壁に適用し、第１の条件下で前記メソゲン材料を重合して、第１の配向された表面層を形成するステップと、
ｂ）重合可能なメソゲン材料を第２のセル壁に適用し、第２の異なる条件下で前記メソゲン材料を重合して、第２の配向された表面層を形成するステップと、
ｃ）前記表面層がセル壁の内側表面上にあるようにして、第１及び第２のセル壁が相互に間隔を置いて向かい合ったセルを構成するステップと、及び
ｄ）前記セルに液晶材料を充填するステップとを含み、
前記液晶材料に電界を印加すべく少なくとも１つのセル壁上に電極が設けられ、
前記第１及び第２の表面層が形成される条件が、前記第１の界面における前記液晶材料のアンカリングエネルギー及び秩序パラメータから選択される特性が前記第２の界面における前記特性とは異なり、前記アンカリングエネルギー又は秩序パラメータの相違が、前記表面層の前記メソゲン材料の異なる温度での重合に由来する、方法。 - 前記メソゲン材料がサーモトロピックであり、前記アンカリングエネルギー又は秩序パラメータの相違が、前記第１及び第２の表面層の異なる温度での重合に由来する、請求項８に記載の方法。
- 前記メソゲン材料がリオトロピックであり、前記アンカリングエネルギー又は秩序パラメータの相違が、前記第１及び第２の表面層の異なる希釈度での重合に由来する、請求項８に記載の方法。
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