JP4996012B2 - 液晶セルに選択配列を与える方法 - Google Patents
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Description
本発明は、層に、該層上に配置されうる液晶分子が選択配列を採択するという特性を与える方法に関するものである。本発明は、選択配列を取り込んだLCDエレメントにも関する。
液晶デバイス(例えば、液晶ディスプレイや光バルブ及び光学的リターダ、偏光子、コレステリックフィルターのような液晶ポリマーエレメント)は、液晶のコントロールされた配列、かつ通常はプレチルトを必要とする。現在、機械的ラビング法を用いて、配列及びプレチルトを含むことができる表面が調製されている。
【0002】
ラビング法の欠点を克服するため、いくつかの光学的方法が開発されており、線形の偏光を使用し、一般に光−配列法と呼ばれる。これらは、Gibbonsらの米国特許第4974941号、Chigrinovらの第5784139号、Chigrinovらの第539698号、及び欧州特許第0525478B(Hoffmann-La Rocheら)に開示されている。
それら自体良好であるが、これら特許で開示されている方法は、偏光に依存している。偏光を生じる光源は比較的複雑であり、大量生産にはあまり適さず、かつ高価である。偏光子は、通常少なくとも50%の光を吸収するので、この偏光子を省くと、光源をずっとよく利用できる(より速い効果、又はより弱いランプを使用できる)。従って、既に偏光を使用しない特有の方法が示唆されている。
【0003】
ネマチック液晶セル内で、表面の法線に対して70°の入射角を有する未偏光U.V.光で照射されたポリイミド表面を用いたプレチルト角の生成については、Seoらによって、『アジアディスプレイ 98』論文P-81の795〜798ページ及び『液晶』,1997年第23巻第6号、923〜925ページに開示されている。しかし、この方法は、我々が確認した可能性のある利点から利益を得ておらず、ポリイミドを解重合するのに十分な非常に高いエネルギーの入力を必要とする。
我々は、ある予想外の環境下で、上述した光学的な光−配列が、非線形的に偏光された(例えば、円形に偏光された)光でも働くことを見出した。
【0004】
本発明により、液晶セルの壁を製造する方法が提供され、この方法は、前記壁上の材料の層に、ある特性を与える工程を含み、前記特性が、前記セルに用いられている前記壁上の前記材料上に配置された液晶分子が、選択(preferred)配列を採択することであり、
この方法は、前記材料を、斜め方向から、偏光されず又は円形に偏光された放射線にさらす工程を含み、
前記特性が、さらに選択チルト及び選択方位配列を、このような液晶分子に与えることを包含する。
好ましくは、前記放射線の前記層の法線に対する入射角φが、5°≦φ<70°の範囲内であり、さらに好ましくは45°を超える。
前記放射線は紫外線でよい。
【0005】
前記選択配列は、好ましくは液晶分子の縦軸が、該層の法線と該放射線の方向を含む平面内にあるような配列である。与えられる選択チルトは、好ましくは該層の該面に対して45°を超え、さらに好ましくは75°を超える。
さらに、該材料に及ぼす照射の効果は、それを架橋し、よって該材料の安定性及びその配列特性を向上させることである。
該材料がさらされる放射線についていえば、これは、例えば、マイクロレンズ若しくはマイクロプリズム配列のようなマイクロエレメント配列又は適切なホログラムエレメントを、放射線源と材料の間に介入させることによって、帯状様式でパターン化され、それによって前記与えられる特性において、選択配列が帯状様式でパターン化されうる。このようなマイクロエレメント配列を使用すると、さらに、単一の放射線源から、その放射線源自体が該材料層又はマイクロエレメント配列に対して垂直に照射する場合でさえ、局所的に異なる斜めの放射線を生成することができる。
【0006】
この方法は、未偏光の、好ましくは紫外の特有の照明幾何学の、かつ適切な配列層材料を有する光による照射を使用すると、照射前は等方性である層を、異方性の層に変換させる。層及び方法は、通常以下の特徴を有する:
(a)変換後、層は、層上に置かれたモノマー又はプレポリマー液晶材料に及ぼす配列効果を有する。
(b)層内に異方性が発生すると同時に架橋も起こり、すなわち、配列能力と架橋の発生が、二分子光プロセスに基づくが、本発明の方法は、通常アゾ染料を使用して、単分子プロセスにも適用できる。
【0007】
望ましくは、層の材料が2J/cm2よりよい光配列感度を有し、対応して照射エネルギーが(放射線に対して直交に測定される)、2J/cm2未満に保持されうる場合、露光時間を10分未満に低減できるので生産性が向上する。
層は、光学的−構造、すなわち方位配列及びチルト角が、層の種々の部分で異なることができる(例えば、フォトマスクを介する露光、ホログラフィックイメージング、マイクロプリズム、マイクロレンズのようなマイクロエレメントによるイメージング、及びマイクロミラーのようなピクセル化光スイッチによって)。
【0008】
他方、広い領域にわたって均一に配列されるデバイス、特にLCPリターダ及びディスプレイの視角を改良するための光補償板も本方法で製造できる。
層は、ディスプレイのような液晶デバイス用の配列層としての用途を見出すことができ;ディスプレイはモノネマチック、コレステリック又はスメクチック(キラルスメクチックCを含む)液晶を含むことができる。操作様式は、透過又は反射でよい。反射では、鏡面メタリック又は拡散反射板の両方を使用でき、かつコレステリック層又は偏光変換性光学エレメント(例えば、BEF箔)製の反射板も使用できる。
デバイス基板は、ガラス、プラスチック、シリコンチップ、又は他の適宜のいずれでもよい。
【0009】
偏光の必要性を迂回することの利点としては、既に言及されていることとは別に、方法の全体的単純化と、それを大量生産により適合させること、及び偏光によっては不可能な1回だけの照射工程のみで構造化配列を導く、マイクロレンズ−、マイクロプリズム−又は同様の照明用配列を使用する能力が挙げられる。
本発明は、液晶ディスプレイが両面で90°≧θ>75°のチルト角を有する垂直配列ネマチック(VAN)セルに関連して、又は一面のチルト角が90°≧θ1>75°で、他方の面がθ2≦30°であるハイブリッド配列(aligned)ネマチック(HAN)セルに関連して使用することができる。一面又は両面の中間チルト角も使用できる。
【0010】
このような材料は、実質的にホメオトロピックに配向しうる。すなわち、該材料は、その材料上の液晶分子に対して、ちょうど90°である必要はないが、好ましくは80°を超え、さらに好ましくは85°を超える(方位的に配向されない)大きいチルト角を有するものでよい。特に大きいチルト角が必要とされる場合は、実質的にホメオトロピックに配向する材料で始めると有利であり、誘発されたチルト角の少しの調整のみで(方位配列の他に)ちょうど必要なチルトを達成するだろう。
本発明で使用する材料は、公知の光配列法でも使用されるもののような光重合可能なポリマー、特に線形的に光重合可能なポリマーでよい。
使用する材料は、光重合可能なポリマーのみならず、本質的に不安定な単分子配列材料も、その光配列がそれらを架橋しないので含むことができる;しかし、これは、液晶ポリマー層が適用され、前記液晶ポリマーがそれ自体架橋できるように(その配列位置で安定化され)、その単分子材料が光−配列されるが、その後にその単分子材料の不安定性が何ら不利な効果を持っていないならば、重要な問題ではない。
【0011】
代わりに、該材料は、(i)架橋性基を有する液晶モノマー又はプレポリマー、及び(ii)光配向性モノマー又はオリゴマー又はポリマーを含む重合可能な混合物でよい。このような混合物は、英国特許出願9812636.0に記述されており、この開示は、参照によって本明細書に取り込まれる。この関与する分子の機能は異なるにもかかわらず、これら混合物は、配向かつ架橋されて液晶になることができる。従って、これら混合物は、一方で光学成分内の異方性層として使用可能であり、又は他方で配向層としてより薄く標準的に塗布される。
物質(i)は液晶ポリマー混合物でもよく、すなわち2種以上の異なる液晶分子を含んでよいことがわかる。同様に、物質(ii)は、光配向性分子の混合物でよい。好ましい光配向性物質(ii)は、シス−トランス−異性を示す分子、特にアゾ染料を含む。他の好ましい光配向性物質(ii)は、線形的に光重合可能なポリマーである。
【0012】
本発明は、層の材料を担持する液晶セル壁であって、該層が、その層上に配置された液晶分子が選択配列を採択するという特性を有し、当該特性が、上述した方法によって該層に与えられた、液晶セル壁に及ぶ。
さらに、本発明は、液晶材料に接する少なくとも1つの壁が、上述したようである液晶セルに及ぶ。
以下、実施例によって本発明を説明する。
【0013】
実施例1−垂直配列ネマチック(VAN)セル
シクロペンタノン中、光ポリマーAの2%溶液S1を調製し、室温で30分間撹拌した。
【化1】
【0014】
溶液S1は、2つのインジウム−スズ−オキシドガラス板基板上にスピン−コートされ、それから130℃の熱板上で30分間乾燥された。これらすべての操作は、減少された紫外線の環境で行われた。
そのコートされた基板は、引き続き200Wの高圧水銀ランプから、基板の法線に対して65°の入射角で、6分間、等方性紫外線にさらされた。露光の際、各基板の一縁が、基板の法線と入射光の方向を含む面に対して平行に位置するように配置された。
【0015】
紫外縁フィルターWG295(Schott)及びバンドパスフィルターUG11(Schott)を使用して、光のバンド幅を制限し、320nmに設定されたプローブを有する光強度計1000(Carl Suss)を用いて、基板(入射線に対して直交するが)で測定された強度が2mW/cm2であることがわかった。平行側面のあるセルは、これら2つの基板を使用し、コーティングを相互に対向させ、かつプラスチックシムで2.7μmに間隔を空けて構成された。そして、セルは、室温で、スイスのRolic Research Ltdから入手可能な、Δε=-3.5の誘電異方性、Δn=0.096の光学異方性、及び77.3℃の液晶−等方性遷移温度Tcを有する「液晶混合物8987」で充填された。
セルが交差偏光子間に見られたとき、その偏光子について、セルのすべての方位角度で暗く見え、すなわち、該液晶混合物はホメオトロピックだった。
【0016】
基板の電極間に5V 90Hzの交流をかけると、(i)その交差偏光子の偏光の方向に対して45°にセルの縁が配置されたとき、セルは光に対して最高に透過性になり、かつ(ii)交差偏光子の偏光の方向に対してセルの縁が平行又は垂直に配置されたとき、セルは最高に暗くなった。これは、該液晶混合物が、ある程度まで、最初の層−照射光の入射面(思い出されるように、基板ひいてはセルの縁に平行だった)によって配向されたことを示している
チルト補償板を用いて、その切り換えられた液晶の光軸が、基板と最初の入射紫外線の面との交差する線に平行に位置するように設置された。
【0017】
3Vのみの電位差であるが、上記交流の印加を繰返すと、視察条件下、(i)セルはその面に直交してほんの弱くしか透過して見えず、すなわち、該液晶ディレクターnは、わずかしか傾かなかった。液晶のチルト方向を確かめるため、nを含む面に垂直なセルの面内に位置する当該軸の回りに、セルが再び暗く見えるまで、セルが傾けられた。この方向で、セルは光軸、すなわちnに沿って効率的に見えた。これは、セルの法線についての液晶のチルトの方向が、最初の紫外線の入射方向の逆であることを明らかにした。
印加電圧の有無にかかわらず、液晶の方向は、混乱又はドメイン境界なく均一だった。特に、切り換え時に、配向層のチルト角が小さすぎて、ある領域で液晶分子が逆チルトされたならば起こるような、いわゆる逆チルト領域は生成されなかった。
【0018】
実施例2−プレチルト角の測定
実施例1におけるように、2つのITOコートガラス板が、溶液S1でスピン−コートされ、30分間130℃で乾燥された。
引き続き、両基板が、6分間、基板法線に対して65°の入射角を有する等方性紫外線にさらされた。光のスペクトル範囲は、uv−カットオフフィルターWG295(Schott)及びバンドパスフィルターUG11(Schott)で制限された。感光性層の位置における紫外線の強度は、320nmプローブ(Carl Suss)と共に、Carl Sussの光強度測定装置で2mW/cm2まで測定された。
【0019】
配列層によって誘導されるプレチルト角を測定するため、上記の照射された基板で平行セルが組み立てられた。セルギャップは、スペーサーとして2つの石英ファイバーを用いて20μmに設定された。-5.1の誘電異方性、0.0984の光学異方性Δn、及び75.8℃の液晶−等方性遷移温度Tcを有するネガティブ誘電液晶混合物(混合物番号9383、Rolic Research Ltd,スイスから入手可能)による充填の前に、セルは90℃に加熱され、該液晶混合物の等方性相内で充填手順が確実に行われるようにした。充填後、セルは、1℃/分の割合で室温まで冷却された。 プレチルト角測定のため、結晶回転法が採用された。その測定の結果として、液晶ディレクターが、基板法線から3°だけ傾いていることがわかった。
【0020】
実施例3−液晶ポリマー(LCP)成分
まず、光配列材料Bの2質量%の溶液S2が、溶媒としてシクロヘキサノンを用いて調製された。その溶液が、30分間室温で撹拌された。
【化2】
そして、以下の液晶ジアクリレートモノマーを含む混合物MLCPが調製された。
【化3】
【0021】
ジアクリレートモノマーに加え、Ciba SCからの光インヒビターIRGACURE 369及びインヒビターとして役立つBHT(2,6-ジ-ブチル-4-メチルフェノール/「ブチルヒドロキシトルエン」)が、混合物に添加された。このようにして、混合物MLCPの組成は、以下の通りだった。
Mon1 77質量%
Mon2 14.5質量%
Mon3 4.7質量%
Irgacure 369 1.9質量%
BHT 1.9質量%
最後に、10質量%の混合物MLCPをアニソールに溶解して溶液S(LCP)が得られた。
【0022】
層の調製は、1mm厚さの長方形のガラス基板上に、回転パラメータとして1分間3000rpmで、溶液S2をスピンコーティングすることで開始した。引き続き、層は、130℃の熱板上で30分間乾燥された。
そして、コートされた基板は、200Wの高圧水銀ランプの等方性紫外線に、基板の法線に対して65°の入射角で、6分間さらされた。基板法線と光の入射方向で定義される紫外線の入射面は、基板の長い縁に対して平行に配列された。光のスペクトル範囲は、uvカットオフフィルターWG295(Schott)及びバンドパスフィルターUG11(Schott)で制限した。感光性層の位置における紫外線の強度は、320nmプローブ(Carl Suss)と共にCarl Sussの光強度測定装置で2mW/cm2まで測定された。
【0023】
基板が、交差偏光子間に配置された場合、基板の縁と偏光子の透過軸との間の角度に関係なく、基板は暗く見えた。従って、感光性層で誘発される認識可能な複屈折はなかった。
次工程として、UV露光された感光性層のトップ上に、1000rpmで2分間溶液S(LCP)をスピンコーティングすることによって、MLCPの層が調製された。そして、基板は、混合物MLCPのクリアリング温度Tc=68℃より少し高い70℃まで加熱され、0.1℃/分の冷却割合で65℃に冷却された。引き続き、MLCP層は、窒素雰囲気下それを150Wキセノンランプの光に10分間さらすことによって、架橋された。その架橋されたMLCP層の厚さは250nmと測定された。
【0024】
基板が、基板の縁と偏光子の透過軸との間に45°の角度で交差偏光子間に配置されたとき、基板は灰色に見えた。しかし、基板の縁を偏光子の透過軸に対して平行又は垂直に配置したときは、基板は暗く見えた。従って、MLCP層は、より長い基板縁に対して平行又は垂直に配列された光軸で複屈折した。しかし、チルト補償板を用い、光配列材料JP265の照明時、UV光の入射面に対して平行に配置された長い基板縁に対して、MLCP層の光軸が平行であることがわかった。
【0025】
方位配列に加え、MLCP層の光軸が、それぞれ基板表面に対して、基板面から約30°の平均チルト角で傾斜された。光外観の視角依存から、MLCP層の光軸が、光配列層の照明用に使用されるUV光の入射方向に対して反対に傾くと結論された。
従って、斜めに入射する等方性UV光に対する露光は、光配列材料に、混合物MLCPの液晶モノマーを、UV光の入射面に対して平行に配列すると共に、層面からMLCP分子を均一に傾けるのに十分に強い配列能力を誘導した。
Claims (17)
- 液晶セル用の配向層を製造する方法であって、
基板上の材料の層に、ある特性を与える工程を含み、前記特性が、前記材料の層上に配置された液晶分子が、選択配列を採択することであり、
前記方法が、前記材料を、斜め方向から、偏光されず又は円形に偏光された放射線にさらす工程を含み、
前記特性が、さらに選択チルト及び選択方位配列を、このような液晶分子に与えることを包含し、
前記材料がさらされる前記放射線が、放射線源と前記材料の層との間に介入されている光学マイクロエレメントの配列により、局所的に異なる斜めの放射線を生成することによって帯状様式にパターン化され、
特性を与える前記工程において、前記選択配列が、単一の照射工程で帯状様式にパターン化され、
前記帯のそれぞれにおける選択配列が、前記材料の層上に配置された液晶分子の長軸が、前記層の法線と前記帯がさらされる放射線の方向とを含む平面内にあるような配列である、
ことを特徴とする方法。 - マイクロエレメント配列が、マイクロレンズ配列である、請求項1に記載の方法。
- マイクロエレメント配列が、マイクロプリズム配列である、請求項1に記載の方法。
- マイクロエレメント配列が、ホログラムエレメントである、請求項1に記載の方法。
- マイクロエレメント配列が、光スイッチの配列である、請求項1に記載の方法。
- 前記放射線に直交に測定された前記照射エネルギーが、2J/cm2未満である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記放射線が、紫外線である請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記付与される選択チルトが、前記層の平面に対して45度を超える、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記付与される選択チルトが、75度を超える、請求項8に記載の方法。
- 前記材料が、実質的にホメオトロピックに配向する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記放射線の前記層の法線に対する入射角φが、5度≦φ<70度の範囲内である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記入射角が、φ>45度である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記材料が、前記放射線で架橋される、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
- 液晶セル用の配向層であって、前記層が、該層上に配置された液晶分子が、選択配列を採択するという特性を有し、請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法で、前記層に前記特性が与えられたことを特徴とする液晶セル用配向層。
- 液晶材料と接触する少なくとも1つの配向層が、請求項14に記載の液晶セル用配向層である、液晶セル。
- 前記液晶材料が、垂直配列ネマチックである請求項15に記載の液晶セル。
- 前記液晶材料が、ハイブリッド配列ネマチックである請求項15に記載の液晶セル。
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
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