JP5071847B2 - 液晶表示素子および装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子および装置に係わり、特に、残像表示の発生しにくい広視野角の液晶表示素子および装置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、さらに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おいて、より簡便に大型液晶テレビ並の高画質特性が得られる液晶表示素子がますます必要となっている。

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７の一例を用いてＩＰＳ方式の動作原理に基づき説明する。
図７（ａ）及び図７（ｂ) はＩＰＳ方式の液晶素子における液晶の動作を示す側断面を、図７（ｃ）及び図７（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５に示す）。
これらの図において、１０１は線状の共通電極、１０２は絶縁膜、１０３は信号電極（ドレイン電極）、１０４は線状の画素電極、１０５は液晶配向層、１０６は棒状の液晶分子、１０７は基板、１０８は偏光板、１０９は電界、１１０は線状の共通電極１０１，線状の画素電極１０４の長手方向（図７（ｃ）正面図）に若干の角度をもつ方向、１１１は偏光板偏光透過軸方向を示している。

電圧無印加時のセル側断面が図７（ａ）、その時の正面図が図７（ｃ）である。一方の基板１０７の内側に線状の画素電極１０４，共通電極１０１が形成され、対となる基板１０７表面は双方とも液晶配向層１０５となっており、両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１０６は、液晶配向層１０５により両基板界面において共に電極１０４，１０１の長手方向（図７（ｃ）正面図）に若干の角度をもつ方向１１０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１０４と共通電極１０１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１０９を印加すると、液晶組成物が持つ誘電異方性と電界１０９との相互作用により、図７（ｂ) 及び図７（ｄ）に示したように液晶分子１０６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１０８の作用によりこの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。

さらにＩＰＳ方式の液晶表示素子においては、上記のアンカリング以外にも、いわゆるチルト角と呼ばれる、基板表面の液晶分子配向の基板表面からの起き上がり角が視角特性に顕著な影響があり、例えば、下記非特許文献１に報告されているように、上記のチルト角が小さいほど良好な視角特性が得られ、原理的にチルト角が０の場合が最も広い視角特性となることが知られている。しかしながら、表面液晶配向チルト角をほぼ０とすることは、一般的に用いられている表面配向処理技術であるラビング処理では困難である。

一方で、光反応性高分子に偏光光を照射する等の手段で、異方的な光化学反応を生じさせることにより液晶配向能を付与する、いわゆる光配向処理が、ラビング処理に代わる配向処理として提案されている。この光配向処理では表面液晶配向チルト角をＩＰＳ方式に最も望ましいほぼ０に容易にできることが知られている。
例えば、下記非特許文献２においては、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）を生じさせたいわゆる光配向層の、ＩＰＳ方式の配向層への適用が報告されている。

同様に、ストライプ状の微細溝パターンが形成された表面も、この溝の走る方向に液晶配向能を有する配向層となり、さらに表面配向チルト角はほぼ０となることから、ＩＰＳ方式の配向層への適用が報告されている（下記非特許文献３参照）。
特開平１０−３１９４０６号公報 特開２００１−１１７１１８号公報 Ｍ．Ｏｈ−ｅ，Ｍ．Ｙｏｎｅｙａ，Ｍ．Ｏｈｔａ，Ｋ．Ｋｏｎｄｏ，Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ， ２２ (４) ， ３９１， １９９７ ＸＴ．Ｌｉ，Ａ．Ｋａｗａｋａｍｉ，Ｈ．Ａｋｉｙａｍａ，Ｓ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｙ．Ｉｉｍｕｒａ，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐａｒｔ２ ３７ (６Ｂ) ， Ｌ７４３， １９９８ Ｊ．Ｓ．Ｇｗａｇ，Ｍ．Ｙｏｎｅｙａ，Ｈ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ２００６，Ｏｈｔｕ，Ｊａｐａｎ，ＬＣＴ７−４Ｌ Ｊ．Ｆｕｋｕｄａ，Ｍ．Ｙｏｎｅｙａ ａｎｄ Ｈ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９８，１８７８０３，２００７． Ｆ．Ｈｏｒｎ，Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｗｏｒｌｄ ３３，Ｍａｒｃｈ １９９３ Ｅ．Ｇ．Ｌｏｅｗｅｎ，Ｒ．Ｓ．Ｗｉｌｅｙ，Ｐｒｏｃ ＳＰＩＥ，８１５，８８，１９８７ Ｍ．Ｓｃｈａｄｔ，Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，１６５，４０５，１９８８

上述の背景技術で紹介した光配向技術や微細溝配向技術は、表面液晶配向チルト角をＩＰＳ方式に最も望ましいほぼ０にでき、広い視野角を有するＩＰＳ方式液晶表示素子の実現に好適な技術と考えられる。
しかしながら、上記非特許文献２に開示されたような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一般的にアンカリング力が弱いという問題点がある。同様に、上記非特許文献３に開示されているような微細溝配向層も、原理的には弱いアンカリング（表面溝の方向からの方位角φのｓｉｎ⁴ φに比例したアンカリング特性）となることが、上記非特許文献４に報告されている。

こ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２にも上記のような弱表面アンカリングに伴うヒステリシスの発生が報告されている。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一定時間行った後に、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続ける、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。

さらに、非常に弱いアンカリングとした場合に発生し易くなる別の問題として、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がある。
また、上記非特許文献２において、光配向膜材料として用いられているポリビニルシンナメートは、通常液晶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、ゼロプレチルト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液晶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上記特許文献１において指摘されている。

このように、従来技術においては，弱アンカリング等によるヒステリシスを生じることなく，表面チルト角を最も広い視野角特性が得られるほぼ０とすることが困難で、低残像と広視野角特性の両立が困難であるという問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、表面チルト角がほぼ０で、かつヒステリシスフリー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、広い視野角特性を有する液晶表示素子及びそれを用いた液晶表示装置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〕液晶表示素子において、一対の基板と、この一対の基板間に配置された液晶層と、この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、この液晶配向層は、エポキシ系高分子を主成分とし、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、この液晶配向層の薄膜の表面層は前記ポリアミック酸がイミド化したポリイミド成分が最も大きい比率を占めており、少なくとも一方の前記液晶配向層の前記ポリイミド成分が主たる表面層には、異なる二方向の溝が形成され、この二方向の溝の成す角が、５６．２５度より大きく、かつ７０．５３度より小さな角度となっていることを特徴とする。

〔２〕液晶表示装置であって、上記〔１〕記載の液晶表示素子を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、表面液晶配向チルト角をＩＰＳ方式に最も望ましいほぼ０にでき、広い視野角を有するＩＰＳ方式液晶表示素子の実現に好適な微細溝配向技術において、従来のストライプ状パターン（上記非特許文献４の結果から、表面溝の方向からの方位角φのｓｉｎ⁴ φに比例した弱アンカリング特性で、後述のＲａｐｉｎｉ−Ｐａｐｏｕｌａｒの意味でのアンカリング強度は０）より強いアンカリングを実現でき、ヒステリシス・残像が発生し難いという効果がある。

以下その効果を実現する本発明の作用について理論的に説明する。
微細な溝が形成された表面の理論的なモデルとして、平面ｚ＝０から測った高さが

を用いてζ（ｘ，ｙ）＝Σ^N _i=1 ζ_i （ｘ，ｙ）と書けるような溝を有する、平らでない表面を考える。

ｚ＞ζ（ｘ，ｙ）で表される半無限領域に、ネマチック液晶が満たされているとする。ネマチック液晶の平均的な配向方向を、配向ベクトルと呼ばれる単位ベクトルｎで表す。液晶の弾性エネルギー（Ｆｒａｎｋの弾性エネルギー）は、ｎを用いて、Ｆ＝（１／２）∫ｄｒ〔Ｋ₁ （∇・ｎ）² ＋Ｋ₂ （ｎ・∇×ｎ）² ＋Ｋ₃ （ｎ×∇×ｎ）² 〕と書くことができる。無限遠（ｚ＝＋∞）において、液晶は一様に配向していると仮定し、その方向をｘ方向とする。そのような一様配向からの液晶の弾性変形が十分小さい場合は、液晶の配向はｎ_y ≪１，ｎ_z ≪１を満たす配向ベクトルの成分ｎ_y ，ｎ_z によって特徴づけることができる。その場合、Ｆｒａｎｋの弾性エネルギーについてとｎ_y とｎ_z について２次の項まで残して議論することが可能であり、Ｆｒａｎｋの弾性エネルギーは
Ｆ＝（１／２）∫ｄｒ｛Ｋ₁ （∂_y ｎ_y ＋∂_z ｎ_z ）² ＋Ｋ₂ （∂_y ｎ_z −∂_z ｎ_y ）² ＋Ｋ₃ 〔（∂_x ｎ_y ）² ＋（∂_x ｎ_z ）² 〕｝ …（２）
のように書くことができる。

いま考えている平らでない表面上において、配向ベクトルｎは表面の法線ベクトルνに常に垂直であるが、表面に対してどちらの向きをエネルギー的に好むというわけではないという状況を考える。ν‖（∂ζ／∂ｘ，∂ζ／∂ｙ，−1 ）であるので、上記の条件、すなわちｎ・ν＝０は
（∂ζ／∂ｘ）＋ｎ_y （∂ζ／∂ｙ）−ｎ_z ＝０ …（３）
のように書き直すことができる。Ａ_i ｜ｑ_i ｜について最低次の寄与を考えると、上記式（３）は表面上におけるｎ_z の境界条件、すなわち

を与える。ｎ_y ∂ζ／∂ｙはそれより高次の項であるので，上記式 (３) はｎ_y については何の条件も与えない。
Ｆｒａｎｋの弾性エネルギー〔上記式 (２) 〕に対して変分原理を適用することにより、Ｅｕｌｅｒ−Ｌａｇｒａｎｇｅの方程式

と、表面上におけるｎ_y の境界条件
∂_y ｎ_z −∂_z ｎ_y ＝０ …（７）
が得られる。上記式 (７) の導出においては、表面上でｎ_z の値が上記式 (４) で表されるように固定されていること、すなわち、表面上でｎ_z の微小変分がδｎ_z ＝０となることと、上で述べたように表面上でｎ_y には何の条件も課されていないこと、すなわちδｎ_y ≠０であることを用いている。

配向ベクトルのプロファイルを求めるためには，境界条件の上記式 (４) ， (７) のもとで上記Ｅｕｌｅｒ−Ｌａｇｒａｎｇｅ方程式 (５) ， (６) を解かなければならない。Ｎ＝１の場合の解は

のように書ける。上記式 (１０) ， (１１) のプロファイルを上記式 (２) に代入すると、平らでない表面によって引き起こされる液晶の弾性変形のエネルギーが求められ、これがすなわちそのような表面のアンカリングのエネルギーである。実際に計算すると、単位面積当たりのアンカリングのエネルギーは

のように求められる。
ここで、平行でない溝が２組切られている、菱形状の凹凸がある平面を考える。２組の溝のピッチ、高さは等しく、｜ｑ₁ ｜＝｜ｑ₂ ｜＝ｑ，かつＡ₁ ＝Ａ₂ ＝Ａであるとする。２組の溝がなす角度をα（０≦α≦π／２）とする。

上記式（１２）で表されるアンカリングエネルギーは、この系では

が得られる。また対称性から明らかに

が成り立つ。

となる。

アンカリング強度が最大になるαを求めるため、上記式 (１６) をαで微分すると

ほぼすべての実用的なネマチック液晶材料において、弾性定数の比Ｋ₃ ／Ｋ₁ ＞１であることから、図４から明らかなように表面溝の形状として直交・正方形の場合よりも、非直交・菱形状（図１）の場合の方がより強いアンカリングが得られると考えられる。このような最大のアンカリング強度を得るためには、少なくとも上記の５６．２５度より大きな角度αの菱形パターンとする必要がある。さらに望ましくは、用いる液晶材料の弾性定数の比Ｋ₃ ／Ｋ₁ に応じ、図４に示された最大のアンカリング強度を与える角度α_m1に近い菱形状の表面溝とすればなお良い。

また、用途と必要性に応じて、上記菱形状の角度αを、図３に基づいて設定することにより、菱形状を有する溝表面配向層に配向双安定性を与えることも可能であるし、配向双安定性が配向ドメイン形成等で逆に好ましくない場合は、通常の配向層と同様に単安定性の配向層とすることが可能である。上述の解析から、このような単安定性を得るためには、少なくとも菱形状の角度αが７０．５３度未満である必要がある。逆に、図３からわかるように、直交・正方形状の場合（横軸α＝π／２）には、用いる液晶材料の弾性定数比（縦軸）に関わらず、必ず双安定特性となり、双安定特性に起因する配向ドメイン形成が好ましくない用途の場合には、それを根本的に回避することができない。

以上説明したように、本発明のような非直交・菱形状の表面溝形状を用いることにより、従来技術にあるような、平行ストライプ状の表面溝形状（アンカリングエネルギーがｓｉｎ⁴ φに比例する弱アンカリング）より大幅に強く（アンカリングエネルギーがｓｉｎ² φに比例する、いわゆるＲａｐｉｎｉ−Ｐａｐｏｕｌａｒの意味でのアンカリング強度と同等の）、さらに直交・正方形状の表面溝を上回る強アンカリングが実現でき、弱アンカリングに起因するヒステリシス・残像の低減効果が得られる。

本発明の液晶表示素子は、一対の基板と、この一対の基板間に配置された液晶層と、この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、この液晶配向層は、エポキシ系高分子を主成分とし、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、この液晶配向層の薄膜の表面層は前記ポリアミック酸がイミド化したポリイミド成分が最も大きい比率を占めており、少なくとも一方の前記液晶配向層の前記ポリイミド成分が主たる表面層には、異なる二方向の溝が形成され、この二方向の溝の成す角が、５６．２５度より大きく、かつ７０．５３度より小さな角度となっている。

（実施例１）
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
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（絶縁膜）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ね平行な電界（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５は、本発明の実施例を示す薄膜トランジスタ、電極、配線を示す図であり、図５（ａ）は基板面に垂直な方向から見た正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ′線断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ′線断面図である。
これらの図において、１は共通電極（コモン電極）、２は絶縁膜、３は信号電極（ドレイン電極）、４は画素電極（ソース電極）、５は液晶配向層、６は液晶配向層の表面に形成される溝、７は基板、８は走査電極（ゲート電極）、９はアモルファスシリコン、１０は薄膜トランジスタ素子である。

ここで、薄膜トランジスタ素子１０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）８およびアモルファスシリコン９から構成される。共通電極１と走査電極８はそれぞれ基板７上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、図５（ａ）の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８，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１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２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７上に、表面に溝６を有する液晶配向層５を形成した。
液晶配向層５の表面に溝６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、液晶配向層５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（上記非特許文献３参照）。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ものとなり、良好な視角特性が期待できる。

基板７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最も大きい比率を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薄膜に、６００ｎｍ一定間隔の溝６が図１のように互いに成す角α＝６５度で菱形状に形成されたパターンを有する金型を使用して、２００℃で５分間、８．５ＭＰａでインプリント装置（Ｘ−２００−ＮＶ，ＳＣＩＶＡＸ株式会社製）を用いてプレスした。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６が形成された液晶配向層５を得た。この液晶配向層５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６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６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、液晶配向層５の表面に溝６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（上記非特許文献５参照）、または刻線加工（ｒｕｌｉｎｇ）（上記非特許文献６参照）などの方法なども利用できる。特に無機材料の表面を刻線加工したものを用いた場合には、高分子表面の表面ガラス転移に関連した、残像の原因となりうる粘弾性挙動の問題を回避できる。

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同士を相対向させて、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、セルを組み立てた。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１２．４であり、屈折率異方性Δｎが０. １２７の、上記非特許文献７に記載のネマチック液晶組成物を真空で注入し、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３. １μｍとなるように調整した。従って、これらのパネルのリタデーション（Δｎｄ）は、約０. ３９μｍとなる。

用いた液晶組成物の弾性定数比Ｋ３／Ｋ１は２．５６であり、図４から、用いた菱形溝パターンの角度α＝６５度は、最も強いアンカリング強度を与える表面溝形状に対応していることが判る。また、図３から、用いた表面溝形状は表面配向が単安定であり、双安定性に起因するドメインも見られなかった。
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平行とし、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、図６に示すような液晶表示装置１１を得た。
この実施例１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１４Ｖｐｐの交流電圧（最大透過率を与える電圧Ｖ_max が７．５Ｖ）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。

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、上記特許文献１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１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。
また、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は見られず、均一性の高い表示が得られた。

さらに、本実施例では、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の発生も見られなかった。
（実施例２）
用いる金型の溝パターンの間隔のみを９００ｎｍに変更してナノインプリントにより表面溝６を形成した液晶配向層５とし、共通電極１と画素電極４の二つの櫛歯電極からなる構成に代えて、例えば上記特許文献２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、絶縁膜２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６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５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５．５Ｖとなり、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。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき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として利用可能である。

菱形状の溝のある液晶配向層表面の模式図である。 Ｋ₁ ＝Ｋ₃ の時の、φ（波形ハット）に対するアンカリングエネルギーのプロットである。 （α, Ｋ₃ ／Ｋ₁ ）空間における、菱形溝形状表面での液晶配向における双安定性領域と単安定性領域の境界曲線のプロットである。 Ｋ₃ ／Ｋ₁ に対する最大のアンカリング強度を与える角度α_m1とα_m2のプロットである。 本発明の実施例を示す薄膜トランジスタ、電極、配線の構造を示す図である。 本発明の液晶表示素子を備えた液晶表示装置を示す図である。 ＩＰＳ方式の液晶表示素子における液晶の動作を示す図である。

１ 共通電極（コモン電極）
２ 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 液晶配向層
６ 液晶配向層の表面に形成される溝
７ 基板
８ 走査電極（ゲート電極）
９ アモルファスシリコン
１０ 薄膜トランジスタ素子
１１ 液晶表示装置

Claims (2)

1. 一対の基板と、該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、該液晶配向層は、エポキシ系高分子を主成分とし、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、該液晶配向層の薄膜の表面層は前記ポリアミック酸がイミド化したポリイミド成分が最も大きい比率を占めており、少なくとも一方の前記液晶配向層の前記ポリイミド成分が主たる表面層には、異なる二方向の溝が形成され、該二方向の溝の成す角が、５６．２５度より大きく、かつ７０．５３度より小さな角度となっていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
2. 請求項１記載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。