JP4836141B2 - 液晶表示素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は液晶表示素子に係わり、特に低駆動電圧・低消費電力の液晶表示素子に関するものである。

液晶表示素子は、携帯電話を初めとする近年の携帯情報機器の発展に伴い、世界的規模で急速に普及が拡大しており、さらなる低消費電力化が望まれている。また、地上波デジタル放送網の整備に伴って、より高画質な携帯テレビ受像機の表示素子としても更に普及規模が拡大していくと考えられる。これらの普及拡大の著しい液晶表示素子の応用に於いて、消費電力の少ない液晶表示素子が益々必要となっている。

液晶表示素子の表示方式としては、いわゆるツイステッド・ネマチック（ＴＮ）方式が最も良く知られており携帯情報機器等に広く用いられている。また、液晶テレビ等に用いられている、より高画質な液晶表示素子の表示方式としては、インプレーン・スイッチング（ＩＰＳ）方式が良く知られている。これらのＴＮ方式、ＩＰＳ方式等を含むほとんどの液晶表示素子において、液晶層を挟む２枚の基板の液晶層に対する表面には、表面での液晶配向方向を制御するための液晶配向層が備えられており、表示コントラスト比、応答速度、駆動電圧等の液晶表示素子の様々な特性に大きな影響がある。特に液晶配向層表面における、基板面内の液晶配向方向の規制力の強さを表す面内アンカリングの強さは、上記ＴＮ方式においても駆動電圧等の特性に影響するが、ＩＰＳ方式において特に顕著にその特性を左右する。

その理由を図１の一例を用いてＩＰＳ方式の動作原理に基づき説明する。図１（ａ）、(ｂ)はＩＰＳ方式の液晶素子内での液晶の動作を示す側断面を、図１（ｃ）、(ｄ)はその正面図を表す(複数画素の一画素を部分的に示した。対応する一画素全体の図については図２に示す)。電圧無印加時のセル側断面を図１（ａ）に、その時の正面図を図１（ｃ）に示す。一方の基板の内側に線状の電極４、１が形成され、基板表面は対となる基板の双方とも液晶配向層５となっており、基板間には液晶組成物が挟持されている（この例ではその誘電異方性は正を仮定しているが、負の液晶組成物では液晶分子の長軸と短軸の方向を入れ換えるだけでＩＰＳ方式は同様に実現可能である）。棒状の液晶分子６は、液晶配向層５により両基板界面において共に電極４、１長手方向（図１（ｃ）正面図）に若干の角度をもつ方向１０の向きに配向制御されており、電界無印加時には液晶層内でほぼ一様にこの方向に向いた状態となっている。

ここで、画素電極４と共通電極１のそれぞれに異なる電位を与えそれらの間の電位差により液晶組成物層に電界９を印加すると、液晶組成物が持つ誘電異方性と電界との相互作用により図１（ｂ)、(ｄ）に示したように液晶分子は電界方向にその向きを変える。この時、液晶組成物層の屈折率異方性と偏光板８の作用により本液晶素子の光学特性が変化し、この変化により表示を行う。

ここで、ＩＰＳ方式とＴＮ方式の界面でのアンカリングの違いについて考えると、表面にほぼ水平に配向した正の誘電異方性を持つ液晶材料の場合、電界印加により生じる基板表面の液晶分子の配向変化方向は、基板界面に対して電界がほぼ垂直に印加されるＴＮ方式では表面から立ち上がる方向に、また基板界面に対して電界がほぼ平行に印加されるＩＰＳ方式では表面面内方向となる。つまり、電界による配向変化に関係する界面でのアンカリング（配向規制力）は、ＴＮ方式では極角アンカリングが主であるのに対して、ＩＰＳ方式では面内アンカリングが主となることから、面内アンカリングの強さがＩＰＳ方式において特に顕著にその特性を左右することが判る。

例えば、非特許文献１では、ＩＰＳ方式の液晶表示素子において、前記液晶配向層表面における基板面内の液晶配向方向の規制力の強さを表すアンカリングを弱めることにより、駆動電圧の低減と、電界を加えた場合の応答の高速化が図れることが報告されている。同様に特許文献１および非特許文献２では、弱いアンカリングの効果により、ＩＰＳ方式を用いた液晶表示素子の液晶層厚みの変動に起因する表示ムラが低減されることも報告されている。
特開平１０−１７０９２３公報 特開平１０−３１９４０６公報 特開２００２−２７７８４６２公報 特開２００１−１１７１１８公報 Ｌｉ ＸＴ，Ｋａｗａｋａｍｉ Ａ，Ａｋｉｙａｍａ Ｈ，Ｋｏｂａｙａｓｈｉ Ｓ，Ｉｉｍｕｒａ Ｙ，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ２ ３７（６Ｂ），Ｌ７４３，１９９８ Ｙｏｎｅｙａ Ｍ，Ｉｗａｓａｋｉ Ｋ，Ｔｏｍｉｏｋａ Ｙ，Ｋｏｎｄｏ Ｋ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７４（６），８０３，１９９９ Ａ．Ｒａｐｉｎｉ， Ｍ．Ｐａｐｏｕｌａｒ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．（Ｐａｒｉｓ），Ｃｏｌｌｏｑ．３０，Ｃ４−５４，１９６９ Ｂｅｒｒｅｎａｎ Ｄ．Ｗ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２８，１６８３，１９７２ J. S. Gwag, M. Yoneya および H. Yokoyama, International DisplayWorkshop 2006, Ohtu, Japan, LCT7-4L F．Horn，Physics World３３（１９９３年３月） E．G．LoewenおよびR．S．Wiley，Proc SPIE，第８１５巻８８ページ（１９８７年） Ｈ．Ｙｏｋｏｙａｍａ ａｎｄ Ｈ．Ａ．ｖａｎ Ｓｐｒａｎｇ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，５７，４５２０，１９８５

しかしながら、上記のような弱いアンカリング特性を有する液晶配向層を用いたＩＰＳ方式の液晶表示素子においては、その電気光学（電圧−透過率）特性に好ましくないヒステリシスが発生する場合のあることが報告されている。例えば上記非特許文献１にも上記のような表面アンカリングの低減に伴うヒステリシスの発生が報告されており、これがアンカリングを弱める上で制約になる場合があることが記述されている。液晶表示素子の電圧―透過率特性にヒステリシスが発生すると、例えばある黒表示に近い低諧調の表示から一旦白表示に近い高諧調の表示をある時間行った後に、再度最初と同じ低諧調の表示に戻した場合、ヒステリシスにより最初の低諧調に対応した透過率には戻らず、例えば少し透過率の高い浮き上がった表示となるようなことが生じる。このようなことが起きると、ある時間高諧調で表示した文字等が、その表示が切り替わって一様な表示状態となった後にも浮き上がって表示されつづける、いわゆる“残像”（あるいは“焼き付き”）状態となることから、上記のようなヒステリシスは極力低減する必要がある。

上記の非特許文献１においては、弱い表面アンカリング特性を与える液晶配向層として、ポリビニルシンナメート系の光反応性高分子材料を塗布し、これに直線偏光した紫外光を照射することにより前記光反応性高分子に照射直線偏光方向に対応した異方的な光化学反応（ポリビニルシンナメートの場合は光重合）を生じさせた配向層が用いられている。このような光反応性高分子膜をもちいたいわゆる光配向層は、液晶配向層として広く用いられているポリイミド・ラビング配向層よりアンカリング力の制御の範囲が弱い側に広く、一様な弱いアンカリング力が実現できる液晶配向層として例えば前記特許文献１にも例示されている。一方で、上記のポリビニルシンナメートは、通常配向層に用いられている非常に高いガラス転移温度（２５０℃以上）を持つことで知られているポリイミドに比べてガラス転移温度が低い。またポリイミド系の光反応性高分子も光配向用の材料として用いられているが、ほとんどの場合、光配向プロセス時の紫外光照射により選択的に高分子鎖が切断され平均的な分子量（およびガラス転移温度）が低下するタイプである。したがって、弱いアンカリングを実現可能な光配向層においては、液晶層に接する表面の表面ガラス転移温度もポリイミド・ラビング配向層より大幅に低くなっている場合が多い。

このような表面ガラス転移温度が低い高分子配向層を、例えばＩＰＳ方式の液晶表示素子に用いた場合、白表示に近い高諧調（高駆動電圧）表示時には高電界により液晶配向層表面において、電界トルクを受け続ける液晶層からのトルクが継続的に配向層表面の高分子に加わることから、液晶配向を規制している高分子配列構造にレオロジー的な変位が生じ、結果として電界を０に戻しても元の配向規制方向に戻らず、ヒステリシスが発生する場合があることが例えば特許文献２において指摘されている。

このように、従来技術において用いられている、高分子（主鎖）の異方的な配列による異方的な分子間相互作用に基づく液晶配向層においては、ヒステリシスを生じることなく、弱アンカリング特性を得ることが困難で、弱アンカリング効果により駆動電圧および消費電力低減を図ろうとすると、電気光学特性にヒステリスが発生し、残像が発生しやすくなるという問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、ヒステリシスフリーな弱いアンカリングを実現する液晶配向層を用いることにより、残像を発生することなく、より低い駆動電圧及び低消費電力の液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
［１］一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、該液晶層と前記一対の基板の少なくともいずれか一方との間に配置された液晶配向層とを備え、該液晶配向層の少なくとも一方が、表面に溝が形成された液晶配向層であり、該表面溝の間隔及び高さは、該液晶配向層による液晶配向アンカリングエネルギーが、該表面溝の方向からの方位角のｓｉｎ^４φに概比例して変化するように定められることを特徴とする。

［２］一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、該液晶層と前記一対の基板の少なくともいずれか一方との間に配置された液晶配向層とを備え、該液晶配向層の少なくとも一方が、表面に溝が形成された液晶配向層であり、該表面溝の間隔及び高さは、該液晶配向層による液晶配向アンカリングエネルギーを、該表面溝の方向からの方位角φに関して、ΣＣ_ｎｓｉｎ^２ｎφと冪展開したときに（ｎは整数）、ｎ＝１に対応する展開係数Ｃ_１よりｎ＝２に対応する展開係数Ｃ_２が大きくなるように定められることを特徴とする。

〔３〕一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、前記液晶層に電界を印加するための電極群と、該液晶層と前記一対の基板の少なくともいずれか一方との間に配置された液晶配向層とを備え、該液晶配向層の少なくとも一方が、表面に溝が形成された液晶配向層であり、該表面溝の間隔及び高さは、該液晶配向層による液晶配向アンカリングエネルギーが、該表面溝の方向からの方位角φが±４５度以下の範囲において、当該方位角φが９０度の場合の液晶配向アンカリングエネルギーの３０％以下となるように定められることを特徴とする。

〔４〕前記液晶層に電界が印加された場合の前記液晶配向層上の液晶配向方向の、前記表面溝の方向からの方位角φの最大値が５°以上であることを特徴とする。

［５］前記電極群に電圧を印加するための駆動回路をさらに備え、該駆動回路により前記電極群に印加される駆動電圧の最大値が２．５Ｖ以下であることを特徴とする。

［６］前記表面に溝を備えた液晶配向層の、前記表面溝の間隔が場所により異なり、その局所的な間隔λの３乗λ^３と、当該表面溝の局所的な振幅Ａの２乗Ａ^２の比Ａ^２／λ^３が概一定に設定されていることを特徴とする

［７］前記表面に溝が形成された液晶配向層が、無機材料の表面に溝が形成された液晶配向層であることを特徴とする。
［８］前記表面に溝が形成された液晶配向層が、ポリイミド系高分子材料の表面に溝が形成された液晶配向層であることを特徴とする。
［９］前記表面に溝が形成された液晶配向層が、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸を含む複数の成分から形成された薄膜であり、当該薄膜形成後表面層において、そのポリアミック酸がイミド化したポリイミド成分が最も比率の多い成分を占め、当該ポリイミド成分が主たる表面に溝が形成された液晶配向層であることを特徴とする。
[１０]前記１から９のいずれか一項に記載の液晶表示素子を備えたことを特徴とする。

図４は、本発明に係る液晶配向層の、表面溝の方向からの方位角φによる表面アンカリングエネルギーの変化を説明する概念図である。本発明によれば、液晶配向層のアンカリングエネルギーは、純粋に表面溝の液晶弾性エネルギー効果に基づく、表面溝の方向からの方位角φのsin⁴φ（図４、符号１６）に比例した特性となり、従来技術において用いられている、高分子（主鎖）の異方的な配列による異方的な分子間相互作用に基づく液晶配向層のアンカリングエネルギーが、sin²φ（図４、符号１７）に比例すると考えられる（例えば、非特許文献３）のに比べると、より高次の弱いアンカリングが実現でき、低駆動電圧化、低消費電力化および、液晶層厚みの変動に起因する表示ムラの低減効果がある。また、本発明の表面溝による液晶配向アンカリングの場合、高分子（主鎖）の異方的な配列による異方的な分子間相互作用に大きく依存しない液晶配向制御であるため、高分子配列のレオロジー的な変化に起因するヒステリシスが発生し難いという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、純粋に表面溝による液晶弾性エネルギーの効果に基づく液晶配向制御が、ヒステリシスフリーな弱アンカリング特性を可能とする作用について理論的に説明する。

ネマチック液晶に関するFrankの弾性エネルギーは、配向ベクトルｎを用いて、

と書くことができる。配向ベクトルｎはもともとｘ軸に平行であるとして、そこからの変化が十分小さいと仮定すると、ｎは

と書き下すことができる。ｎ_yとｎ_zの２次までの項を考えると、Frankの弾性エネルギーは

となる。

ここで、

と形状が記述できる、溝のある表面を考えよう。Aは溝の振幅、ｑは溝の波数（溝の波長をλとすると、波数ｑ＝２π／λ）、 φは溝の方向と無限遠における配向ベクトルがなす角度であり、Aq≪１を仮定する。ｚ＞ζ（ｘ，ｙ）で表される半無限領域中に、ネマチック液晶が満たされているとする。さらに、配向ベクトルは表面上で表面に平行な方向を向き、表面に平行であればどの向きを好むという訳ではないことを仮定する。φ＝π／２であれば、表面上でｎ_y＝０かつｎ_z＝Aq cosqxとなる。簡単化のためにK₁＝K₃であると仮定すると、表面に関する条件を満たし、かつFrankの弾性エネルギーを最小化するEuler-Lagrange方程式、すなわちδF／δｎ_y,z＝０の解は、ｎ_y＝０、そして

と書くことができる。式(4)を式(2)に代入すると、表面の溝によって誘起される弾性変形のエネルギー、すなわち溝によるアンカリングのエネルギーが求まる。単位面積当たりのエネルギーは、

となる。

φ≠π／２という一般的な場合を考察するにあたり、ｎ_zに比べてｎ_yは無視できる大きさであるとBerremanは仮定した（非特許文献４）。再びEuler-Lagrange方程式δF／δｎ_z＝０と表面に関する条件

を考えると、式(4)の代わりに

となり、式(6)から

が得られる。

上記のBerremanの理論の妥当性、特にｎ_yが無視できる大きさという仮定の妥当性を議論するために、変分原理δF＝０について丁寧に調べる。ｎ_zとｎ_yの無限小の変分、 δｎ_zとδｎ_yを考えると、Euler-Lagrange方程式

とともに、表面に関する条件

が得られる。

続いて、ｎ_yとｎ_zに関する境界条件について考えよう、式(3)から、配向ベクトルｎが表面に対して平行になるという条件は

と書ける。ｎ_zについて、Aqの最低次の項を考えると、式(10)から式(5)が導かれる。式(5)はｎ_zに関する境界条件となる。∂ζ／∂ｘ、 ∂ζ／∂ｙ、およびｎ_zはAqの１次のオーダーであり、ｎ_yは小さい（ここで「小さい」とは、１のオーダーではないということである）と仮定したので、式(10)は、Aqの最低次についてはｎ_yに対して何の条件も課さないことになる。事実以下の計算でｎ_yはAqの１次のオーダーである（つまり１のオーダーではない）ことが示せるので、以上の仮定は帰納的に正しいことが示される。ｎ_zは式(5)のように固定されているので、式(9)においてδｎ_zはゼロとしなければならない。それに対して、上述のようにδｎ_yに対しては何の条件も課されていない。すると、もう1つの境界条件として、表面上で

となっていなければならないことがわかる。

ここでいったんまとめると、配向ベクトルの平衡プロファイルを求めるためには、 Euler-Lagrange方程式(7)、(8)を境界条件(5)、(11)のもとで解かなければならない。ｎ_yとｎ_zはカップリングしているので、式(7)、(8)は実効的には４次の線形微分方程式であり、数学的には４組の線形独立な解が存在する。しかしそのうちの２組は、ｚ＝＋∞でｎ_y＝ｎ_z＝０であるという要請を満たさない。また、それ以外の解のうちの１組は、境界条件(11)を満たさない。それゆえ、物理的に意味がある解は1組だけである。境界条件(5)に注意すると、最終的に求める解は、

となる。

ここで、

である。式(12)と(13)が、Euler-Lagrange方程式(7)、(8)と、境界条件(5)、(11)を満たすことは、容易に確かめられる。式(2),(12),(13)を用いて、単位面積当たりのアンカリングのエネルギーを直接計算することができる。その結果は

となる。つまり上記のような純粋に表面溝の液晶弾性エネルギー効果に基づく液晶配向層のアンカリングエネルギーはsin⁴φに比例し、従来技術の液晶配向層のアンカリングエネルギーがsin²φに比例すると考えられるのに比べると、より高次の弱いアンカリングを与えることが判る。また、純粋に表面溝の液晶弾性エネルギー効果に基づく液晶配向層のアンカリングの場合、従来技術における高分子配列のレオロジー的な変化に起因するヒステリシスが原理的に生じない。

基板として、厚みが０.７mm で表面を研磨した透明なガラス基板を２枚用い、これらの基板のうち一方の基板の上に薄膜トランジスタおよび配線電極を形成し、更にその上に窒化シリコンからなる絶縁保護膜（ゲート絶縁膜２）を形成した。なお、薄膜トランジスタおよび配線電極からなるマトリクス素子は基板面に概平行な電界（横電界）が印加できるものであれば何でも良く、その製法は本発明の骨子には関係しないので記述は省略する。

図２は、本実施例の薄膜トランジスタおよび各種電極の構造を、基板面に垂直な方向から見た正面図と、正面図のＡ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′における側断面図として示したもので、基板は省略してある。薄膜トランジスタ素子１４は画素電極（ソース電極）４、信号電極（ドレイン電極）３、走査電極（ゲート電極）１２およびアモルファスシリコン１３から構成される。共通電極１と走査電極１２はそれぞれ図示していない基板状に形成した同一の金属層をパタ−ン化して構成した。同様に信号電極３と画素電極４は、それぞれゲート絶縁膜２の上に形成した同一の金属層をパタ−ン化して構成してあり、このとき正面図から明らかなように、画素電極４は、３本の共通電極１の間に配置されている。上記の電極構造は、共通電極１と画素電極４が対となって一組の櫛歯電極対を形成しているＩＰＳ方式の標準的な電極構成となっている。なお、この画素領域の共通電極と画素電極として金属電極ではなく、画素透過率を向上させるために、ＩＴＯ等の材料による透明電極を用いても良い。

画素ピッチは横方向（すなわち信号配線電極間）は１００μｍ、縦方向（すなわち走査配線電極間）は３００μｍである。走査電極１２、信号電極３、共通電極１の電極幅は、それぞれ１０μｍ、８μｍ、８μｍである。一方、画素電極４、および共通電極の信号配線電極の長手方向に延びた部分の幅は、それぞれ５μｍ、６μｍとした。信号電極３と共通電極１は絶縁膜を介して２μｍの間隔を設けた。画素数は、６４０×３（Ｒ，Ｇ，Ｂ）本の信号配線電極と、４８０本の配線電極とにより６４０×３×４８０個とした。

次に、上記基板上に表面に溝を有する液晶配向層を形成した。液晶配向層の表面に溝を形成するための表面処理方法としては、ナノスケールの凹凸を持つ金型を、膜表面に高温で押し付けて表面凹凸を形成する、いわゆるナノインプリント技術を用いた。ナノインプリント法は、簡便に表面の溝の間隔と高さをナノスケールで再現良く形成可能である（非特許文献５）。さらに、ＩＰＳ方式においては、界面チルト角が小さいほど視角特性が良いことが知られており、上記のナノインプリントによる溝を用いた液晶配向層では界面チルト角が一般に非常に小さな物となり、良好な視角特性が期待できる。
基板上に、エポキシ系高分子を主成分とし、それに溶剤可溶型のポリイミド前駆体であるポリアミック酸系高分子等を混合した溶液を塗布した後、８０℃で３分程度加熱して溶剤を除去し、１６５℃で１０分プリベーク、２２０℃で３０分ポストベークして厚さ約９００ｎｍの緻密な薄膜を形成した。上記のプロセスの過程において、少量成分であるポリアミック酸成分は表面に集まり、最終的に形成された薄膜の表面はポリアミック酸が熱イミド化されたポリイミドが占めたハイブリッド型ポリイミド薄膜となる。

次に、上記ハイブリッド型ポリイミド膜を、インプリント装置（Ｘ−２００−ＮＶ，ＳＣＩＶＡＸ株式会社製）によって、６００ｎｍ一定間隔の溝パターンを有する金型を使用して２００℃で５分間、８．５ＭＰａでプレスし、引き続いて、ガラス転移温度よりも低くなるよう冷却し金型を分離し、最表面ポリイミド層に溝が形成された液晶配向層を得た。この液晶配向層の表面をＡＦＭ画像で観察したところ、上記ナノインプリントプロセスにより形成された溝の間隔は６００ｎｍで、またそれらの高さは１６０ｎｍであった

もう一方の基板には、遮光層付きカラーフィルタを形成し、上記と同様にハイブリッド型ポリイミド薄膜を形成し、ナノインプリント処理により最表面ポリイミド層に溝を形成することにより液晶配向能を付与した。

なお、この実施例では、表面に溝を形成するための方法としてナノインプリント法を用いたが、それ以外の、例えば、フォトリソグラフィー（特許文献６）、または刻線加工（ruling）（特許文献７）などの方法なども利用できる。特に後者の刻線加工は、無機材料を用いて形成した液晶配向層の表面にも適用可能であり、高分子材料のレオロジー的な変化に起因するヒステリシスの問題が根絶可能である。

次に、これらの２枚の基板をそれぞれの液晶配向能を有する表面どうしを相対向させて、分散させた球形のポリマービーズからなるスペーサと周辺部のシール剤とを介在させて、セルを組みたてた。このとき、２枚の基板のラビング方向は互いにほぼ並行で、かつ印加横電界方向とのなす角度を７５゜とした。

次いで、この液晶セルの基板間に、誘電異方性Δεが正でその値が１０.０(１ｋＨｚ，２０℃)であり、屈折率異方性Δｎが０.０７４３(波長５９０ｎｍ，２０℃)のネマチック液晶組成物（メルク社製ＭＬＣ−２０４２）を真空で注入し、紫外線硬化型樹脂からなる封止材で封止して液晶パネルを得た。このとき液晶層の厚み（ギャップ）ｄは上記のスペーサにより４.８μｍとなる様に調整した。従って、これらのパネルのリタデーション（Δｎｄ）は、約０.３６μｍとなる。

次に、このパネルを２枚の偏光板（日東電工社製G1220DU)で挾み、一方の偏光板の偏光透過軸を上記のラビング方向とほぼ並行とし、他方をそれに直交させ、これにより低電圧で暗表示、高電圧で明表示となるノーマリクローズ特性とした。その後、駆動回路、バックライトなどを接続したモジュール化し、液晶表示装置１５を得た。

この第１実施例の液晶表示素子はノーマリクローズ型表示素子構成であり、電圧無印加時に低光透過状態（いわゆる暗表示）が得られた。次に電極間に周波数１ｋＨｚの１０Ｖppの交流電圧（最大透過率を与える電圧Ｖ_ｍａｘが５Ｖ）を加えることにより、最大光透過状態（いわゆる明表示）が得られた。

比較のために、液晶配向層のみ従来技術と同様の溶剤可溶型のポリイミド前駆体である日産化学社製、ＲＮ１０４６の溶液を塗布した後、２００℃まで加熱し、３０分放置し溶剤を除去して緻密なポリイミド配向膜を得、次いで、ラビングローラに取付けたバフ布で配向膜表面をラビング処理し、液晶配向能を付与したものを用いた場合の最大透過率を与える電圧Ｖ_ｍａｘは８Ｖであり、本実施例ではより低電圧での駆動が可能であった。

次に、本実施例の液晶表示素子の液晶配向層と液晶層の界面における、アンカリングエネルギー関数を評価した。ＴＮ方式で重要な、基板界面からの極角方向の起き上がり角θに対する極角アンカリングエネルギー関数を実験的に測定する方法としては、例えば強電場を用いた方法が、特許文献８に記述されており、測定された極角アンカリング関数をΣＣ_ｎｓｉｎ^２ｎθ（ｎ＝１，２）とフィッテングした場合の係数Ｃ_１，Ｃ_２が報告されている（この報告の例では、Ｃ_１はＣ_２の大きさの約４．４倍）。上記の測定方法は面内アンカリングに対してはそのまま適用できないが、強電場に代えて強磁場を用いることにより、面内アンカリングについても同様の測定を可能にする方法が、特許文献３に記載されている。この強磁場を用いる測定方法の原理を用いて、本実施例と同一の液晶配向層と液晶組成物の組み合わせによる面内アンカリングエネルギー関数を測定し、同様にΣＣ_ｎｓｉｎ^２ｎφ（ｎ＝１，２）とフィッテングしたところ、係数Ｃ_１は測定誤差を考えると、少なくとも係数Ｃ_２の１／１０程度の大きさであり、得られた面内アンカリングエネルギー関数は、ほぼｓｉｎ^４φに比例する関数で表され、方位角φが±４５度以下の範囲において、方位角φが９０度の場合の液晶配向アンカリングエネルギーの２７％以下であることを確認した。また、この時、実施例１の最大透過率を与える電圧Ｖ_ｍａｘ＝５Ｖに相当する電場トルクを、磁場トルクに換算して液晶配向層上の液晶配向方向の表面溝の方向からの方位角φを見積もると５°以上であることを確認した。

次に、本実施例の液晶表示素子の残像特性を評価した。残像特性の評価方法としては、特許文献２に記述されている方法に準じた。つまり、残像の評価は、まず、画面上に最大輝度（白表示）でウインドウのパターンを３０分間表示した後、残像が最も目立つ最大輝度の１０％輝度の中間調表示となるように画面全面を切り替え、白表示していたウインドウの残像部分と周辺の中間調部分の輝度Ｂとの輝度差ΔＢの比ΔＢ／Ｂで残像強度を定量化する。上記特許文献２によれば、この残像強度の許容値は３％以下である。本評価方法により、実施例１の液晶表示素子の残像強度を測定したところ、残像強度ΔＢ／Ｂは１％以下であり、ほとんど残像が認識できない良好なレベルであった。

ミノルタ社製の液晶視野角測定装置ＣＶ−１０００を用いて、本実施例の液晶表示素子のコントラストを測定したところ、正面コントラストとして５００：１以上、その視野角特性として、上下１４０度、左右１４０度の全域でコントラスト比が１０：１以上で、かつ階調反転のない広視野角特性が得られた。目視による画質検査においても、斜め方向から見ても表示色の大きな変化も見られず、均一性の高い表示が得られた。

また、表示むらを定量的に測定するため、表示むらが最も目立つ中間調表示状態において、表示面をＣＣＤカメラで撮像し（表示むらとして認識されない表示面全体の広い範囲にわたるゆるやかな輝度シェーデングを除いた後の）、最大輝度むらのコントラストを測定すると０.５％程度であった。目視による画質検査においても、液晶パネルの液晶層の厚み差による表示むらも一切見られず、均一性の高い表示が得られた。

用いる金型の溝パターンの間隔を９００ｎｍに変更してナノインプリントにより表面溝形成した液晶配向層と、共通電極と画素電極の二つの櫛歯電極からなる構成に代えて、例えば特許文献４に記述されているような、ほぼ画素全体を占めるＩＴＯ透明共通電極と、絶縁層を介してその上に積層されたＩＴＯ櫛歯電極からなる、いわゆるＦＯＰ（Ｆｉｎｇｅｒ ｏｎ ｐｌａｎｅ）電極構成とした以外は実施例１と同様にして液晶表示素子を作成し、実施例２とした。

本実施例では、表面溝の間隔を大きくしたことによるアンカリングを低減した液晶配向層と、ＦＯＰ電極構成との組み合わせにより、最大透過率を与える電圧Ｖ_ｍａｘが２．５Ｖとなり、５Ｖｐｐドライバによる低電圧駆動が可能であった。その他の特性は、実施例１とほぼ同様の良好な特性が得られた。

液晶層を挟持する２枚の基板の内、一方の表面上の液晶配向層のみを、従来技術と同様の溶剤可溶型のポリイミド前駆体である日産化学社製、ＲＮ１０４６の溶液を塗布した後、２００℃まで加熱し、３０分放置し溶剤を除去して緻密なポリイミド配向膜を得、次いで、ラビングローラに取付けたバフ布で配向膜表面をラビング処理し、液晶配向能を付与したものを用いた以外は実施例１と同様にして液晶表示素子を作成し、実施例３とした。
本実施例では、最大透過率を与える電圧Ｖ_ｍａｘは６．５Ｖであり、駆動電圧の低電圧化効果は小さくなるが、実施例２において多少見られた、非常に弱いアンカリングとした場合に発生し易くなる、長時間アニールによる除去を必要とする液晶封入時の流動配向による配向の乱れを低減することが可能であった。

用いる金型の溝パターンを、局所的な間隔λを領域により６００ｎｍを中心として±２００ｎｍの４００ｎｍ〜８００ｎｍと非一様とし、同時に溝パターンの局所的な振幅Ａを１６０ｎｍを中心として、比Ａ^２／λ^３がほぼ一定となる様に調整したパターンに変更してナノインプリント処理し、表面溝形成した以外は実施例１と同様にして液晶表示素子を作成し、実施例４とした。ここで、金型溝パターンの局所的な間隔だけを非一様に変えると、それに対応したアンカリングが変化し、閾値電圧等の電圧―透過率特性も変化し、そのままでは表示も非一様になってしまう。アンカリング係数を一定としてこれを防ぐためには、上記の比Ａ^２／λ^３がほぼ一定となる様に、金型溝パターンの局所的な振幅も同時に変える必要がある。

実施例１では表面溝の一定間隔の６００ｎｍに対応した特定の方向に僅かながら回折効果による振動した光学特性が見られたが、本実施例では、表面溝の間隔を非一様としたことにより、上記回折効果がほとんど見られなくなり、自然で良好な表示光学特性が得られた。その他の特性は、実施例１とほぼ同様の良好な特性が得られた。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨にもとづいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の液晶表示素子は、携帯電話や携帯テレビ受像機などの携帯情報機器に用いる、低駆動電圧・低消費電力の液晶表示素子に利用可能である。

ＩＰＳ方式の液晶表示素子における液晶の動作を示す図。 本発明の実施例の薄膜トランジスタ、電極、配線の構造を示す図。（ａ）正面図、（ｂ）、(ｃ)側断面図 本発明の液晶表示素子を備えた液晶表示装置 本発明に係る液晶配向層の、表面溝の方向からの方位角φによる表面アンカリングエネルギーの変化を説明する概念図。

符号の説明

１…共通電極（コモン電極）
２…ゲート絶縁膜
３…信号電極（ドレイン電極）
４…画素電極（ソース電極）
５…配向膜
６…液晶組成物層中の液晶分子
７…基板
８…偏光板
９…電界方向
１０…界面上の分子長軸配向方向（表面の溝方向）
１１…偏光板偏光透過軸方向
１２…走査電極(ゲート電極)
１３…アモルファスシリコン
１４…薄膜トランジスタ素子
１５…液晶表示装置
１６…本願のアンカリング特性
１７…従来技術のアンカリング特性。

Claims (10)

1. 一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、該液晶層と前記一対の基板の少なくともいずれか一方との間に配置された液晶配向層とを備え、該液晶配向層の少なくとも一方が、表面に溝が形成された液晶配向層であり、該表面溝の間隔及び高さは、該液晶配向層による液晶配向アンカリングエネルギーが、該表面溝の方向からの方位角φのｓｉｎ^４φにほぼ比例して変化するように定められることを特徴とするインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
2. 一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、該液晶層と前記一対の基板の少なくともいずれか一方との間に配置された液晶配向層とを備え、該液晶配向層の少なくとも一方が、表面に溝が形成された液晶配向層であり、該表面溝の間隔及び高さは、該液晶配向層による液晶配向アンカリングエネルギーを、該表面溝の方向からの方位角φに関して、ΣＣ_ｎｓｉｎ^２ｎφと冪展開したときに（ｎは整数）、ｎ＝１に対応する展開係数Ｃ_１よりｎ＝２に対応する展開係数Ｃ_２が大きくなるように定められることを特徴とするインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
3. 一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、前記液晶層に電界を印加するための電極群と、該液晶層と前記一対の基板の少なくともいずれか一方との間に配置された液晶配向層とを備え、該液晶配向層の少なくとも一方が、表面に溝が形成された液晶配向層であり、該表面溝の間隔及び高さは、該液晶配向層による液晶配向アンカリングエネルギーが、該表面溝の方向からの方位角φが±４５度以下の範囲において、当該方位角φが９０度の場合の液晶配向アンカリングエネルギーの３０％以下となるように定められることを特徴とするインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
4. 前記液晶層に電界が印加された場合の前記液晶配向層上の液晶配向方向の、前記表面溝の方向からの方位角φの最大値が５°以上である、請求項３記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
5. 前記電極群に電圧を印加するための駆動回路をさらに備え、該駆動回路により前記電極群に印加される駆動電圧の最大値が２．５Ｖ以下である、請求項３記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
6. 前記表面に溝を備えた液晶配向層の、前記表面溝の間隔が場所により異なり、その局所的な間隔λの３乗λ^３と、当該表面溝の局所的な振幅Ａの２乗Ａ^２の比Ａ^２／λ^３が概一定に設定されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
7. 前記表面に溝が形成された液晶配向層が、無機材料の表面に溝が形成された液晶配向層であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
8. 前記表面に溝が形成された液晶配向層が、ポリイミド系高分子材料の表面に溝が形成された液晶配向層であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
9. 前記表面に溝が形成された液晶配向層が、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸を含む複数の成分から形成された薄膜であり、当該薄膜形成後表面層において、そのポリアミック酸がイミド化したポリイミド成分が最も比率の多い成分を占め、当該ポリイミド成分が主たる表面に溝が形成された液晶配向層であることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子。
10. 請求項１，２，３，４，５，６、７，８又は９のいずれか一項に記載のインプレーン・スイッチング方式の液晶表示素子を備えたことを特徴とする液晶表示装置。

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