JP5126948B2 - 液晶表示素子 - Google Patents
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Description
先ず、ポリイミド樹脂などの高分子材料の薄膜(配向膜)を2枚の基板に形成し、該配向膜に液晶分子を一方向に並べるための処理(ラビング)を施こした後、両配向膜表面の間に液晶材料を充填して形成する。液晶材料としては、棒状の有機化合物の混合物で液体と結晶状態の中間状態である液晶状態を示す有機材料を用いる。
ここで、ネマティック液晶とは、液晶分子が概ね同じ方向を向く性質を持っている液晶である。また、TN構造とは、2枚の基板間に挟まれたネマティック液晶分子の配向方向が上下基板で約90度捩じれている(ツイスト)構造をいう。
バックライト等から来る光は、入射側の偏光板を通過して、電場の振動方向が入射側の偏光板の透過軸と平行な直線偏光となる。この時、光の強さは偏光板通過時50%以下(実際は高いものでも45%以下)となる。直線偏光になった光が図9の構造をもつ液晶層に入射した場合、液晶物質のΔn (= ne − no )および液晶層のピッチp(液晶層の厚み4倍)の積が入射光の波長に比べて十分大きいと(λ<<Δn ×p:これをモーガン条件と呼ぶ)、入射光は直線偏光のまま、液晶のねじれに沿って回転していく。なお、この時直線偏光は液晶分子の長軸方向に平行にも、垂直にも入射させることが可能である。液晶層で90度回転した偏光は、振動方向が出射側の偏光板の透過軸と平行となるため、その偏光板を透過できる。この結果、液晶は明るく(白く)見える。
また、特許文献6の技術も、後に詳述するが、液晶分子が配向膜の近傍で急に立ち上がらないことによるコントラストの低下と言う技術的課題を解決できるものではない。
〔1〕略平行に配置され少なくとも一方が透明な1組の基板と、それぞれの基板の内側に配設された1組のポリイミド樹脂からなる配向膜と、上記1組の配向膜の間に充填された液晶材料を備え、上記配向膜の表面に上記液晶材料中の液晶分子が同一方向に向くように配向処理が施された液晶表示素子において、上記配向膜中に強誘電性を有するナノ粒子としてチタン酸バリウムを含有することと、上記ポリイミド樹脂に対する上記ナノ粒子の重量比が2.3%から10%であることと、上記ナノ粒子が上記配向膜にフィルタリングをして添加されたものであることを特徴とする、液晶表示素子。
〔2〕上記フィルタリングが0.45μmの径のフィルタを使って行ったものであることを特徴とする、〔1〕に記載の液晶表示素子。
〔3〕上記チタン酸バリウムのナノ粒子の粒径が50nmであることを特徴とする、〔1〕に記載の液晶表示素子。
なお、本明細書において言う上記ナノ粒子とは、粒径が1000nm以下(好ましくは数百nm以下)の超微粒子である。
上記液晶表示素子の配向膜に含有させた強誘電性を有するナノ粒子の正確なメカニズムは未だ完全には解明されていないが、強誘電性を有するナノ粒子の自発分極による局所的電場により、配向膜の近傍に位置する液晶材料の電子分布が影響され、液晶分子相互間の水素結合等に起因する引力、すなわち、実効弾性力が弱くなり、電圧を印加したときの配向膜近傍の液晶分子の立ち上がりが急になり、この結果、光漏れが少なくなるものと考えられる。このことについては、後に更に詳細に記述する。
−液晶表示素子−
図1は、本発明に係る液晶表示素子の概念的な断面図である。
この液晶表示素子にあっては、2枚の基板1,2の内側にそれぞれ配向膜3,4が形成されている。配向膜3,4の間には球状シリカ8が配置され、配向膜3,4間の距離はこの球状シリカ8の直径により決められる。本実施例および比較例では、このスペーサーとなる球状シリカ8の直径を5μmとした。2枚の基板1,2の周辺部はエポキシ系接着剤5,6によりシールした。エポキシ系接着剤5,6でシールされた空間に液晶材料7を注入した。液晶材料には、メルク社製液晶材料ZLI−4792を用いた。
なお、通常TN液晶における液晶材料には、カイラル剤と呼ばれる光学活性物質を使用するが、本明細書における実施例および比較例では、カイラル剤は使用していない。しかし、本発明を実施するとき、カイラル剤を使用することを排除するものではない。
上記配向膜の作成は、次の方法で行った。
堺化学株式会社製の粒径50nmのチタン酸バリウム(以下、『BTO』と言う)を有機溶媒であるγ―ブチロラクトン中に5wt%溶解し、5wt%チタン酸バリウムγ―ブチロラクトン溶液を調整した。この5wt%チタン酸バリウムγ―ブチロラクトン溶液を日産化学株式会社製の液晶配向用ポリイミドであるSE−130(5wt%溶液)にチタン酸バリウムがポリイミド樹脂成分に対して2.3wt%になるように、該5wt%チタン酸バリウムγ―ブチロラクトン溶液とSE−130溶液(重量比 2.3:97.7)とを混合した。このようにして混合したBTOのナノ粒子が添加されたポリイミドSE−130溶液をフィルタを介してITO透明導電膜を施したガラス基板上に滴下し、回転速度2000RPMでスピンコートした。この基板を80℃のホットプレート上で加熱して溶媒を蒸発させた後、200℃のオーブンで1時間加熱し、その後8時間かけて室温まで徐冷することにより基板上に配向膜3,4を作成した。なお、上記フィルタは0.45μmの径のものを使用した。
基板上に上記のようにして形成した配向膜に対し、木綿で作製された糸長1.5mmのベルベット布の裏面を直径50mmのステンレス製のローラーに貼付したラビング装置を用い、液晶の業界で一般に言うところの毛当り量0.5mmに設定し、回転速度2000RPMでラビング処理を施した。
上記のようにして得られた一対の配向膜付きガラス基板をラビング処理の方向が90度ねじれるように組み合わせ、その間にスペーサーとなる直径5μmの球状シリカを配置し、周囲をエポキシ系接着剤で固定した。このようにして得られた液晶表示素子にメルク社製ネマティック液晶材料ZLI−4792を注入した。
上記のようにして形成した液晶表示素子について、印加電圧(最大電圧6V)−透過率特性を大塚電子株式会社製の液晶光学特性測定器LCD5200により求め、そのグラフから、0〜6Vの範囲での最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に実施例1として示す。
配向膜の形成時に、配向膜の溶液をフィルタを通さずにITO透明導電膜を施したガラス基板上に滴下したこと以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に参考例として示す。
BTOのナノ粒子の配向膜中の濃度を2.3wt%から5wt%としたこと以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に実施例3として示す。
BTOのナノ粒子を堺化学株式会社製のものに代えて、山口東京理科大学で最終的に450℃で処理したBTOを使用した以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に実施例4として示す。
BTOのナノ粒子を堺化学株式会社製のものに代えて、山口東京理科大学で最終的に900℃で処理したBTOを使用した以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に実施例5として示す。
BTOのナノ粒子の配向膜中の濃度を2.3wt%から10wt%としたこと以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に実施例6として示す。
配向膜にBTOのナノ粒子を添加しなかったこと以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に比較例1として示す。
配向膜中のナノ粒子の種類と濃度を表1記載のものとしたこと以外は、上記実施例1と同様の方法で液晶表示素子を作製し、その液晶表示素子について、実施例1と同様に印加電圧―透過率特性を測定し、最大コントラストを求めた。
その結果を、図2〜図5に比較例2〜9として示す。
図2および図4は、上記分析により得られたデータを箱ひげ図で示したものであり、図3および図5は、平均値の95%信頼性区間の範囲を菱形で示したものである。この平均値の95%信頼性区間は、今回の測定値から推測してこの範囲以外の値と異なることは極めて考えにくい範囲(5%)を示している。例えばナノ粒子を入れないSE−130を配向膜とする液晶表示素子はコントラスト40から1160の範囲外のコントラストを示す確率は5%であることを示している。言い方をかえれば、本発明者等が作る場合高くても1160が最大のコントラストであると言うことである。このようにコントラストの値のバラツキは大きいが、このようなデータ処理により客観的に扱うことが可能になる。
図2〜図5から、BTO以外のCaCO3,CaZrO3,MgO,SiO2のナノ粒子では、配向膜に添加してもコントラストはナノ粒子未添加のものと変わらないが、BTOのナノ粒子を配向膜に添加した場合には、コントラストが増加していることがわかる。 次に、例えばBTO2.3wt%(実施例1)では、平均値の95%信頼性区間は1473から2255となる。この結果は、堺化学(株)製のBTOナノ粒子を添加した配向膜を使用した液晶表示素子を本発明者等の条件で作製する場合、コントラストは1500より低くなることはまずないという事を示している。このためBTOナノ粒子の添加によりコントラストが増加することが確認される。
また、図4および図5で、四角で囲った参考例、実施例4,5,6および比較例1〜9は、Tukey-KramerのHS検定により分析した95%の信頼性で、比較例1(ナノ粒子未添加)と有意差のない配向膜である。これによれば、BTO2.3wt%、BTO5wt%を添加した配向膜以外のすべての配向膜が、比較例1の配向膜と有意差のない特性を示すことになる。
以上の結果から、配向膜にBTOナノ粒子を入れることにより、ノーマリーホワイトで電圧印加時の黒表示の輝度がより低くなりコントラストが増加することがわかる。
図6に、実施例3と比較例1の液晶表示素子についての印加電圧―透過率特性を示す。BTOナノ粒子を5wt%いれた液晶表示素子は、しきい値電圧の低下が見られる。比較例2〜8の場合、比較例1の場合に比較してしきい値電圧は略同等かより高くなる傾向がみられた。このためしきい値電圧の減少が認められたのは、BTOを添加した液晶表示素子のみであった。
図7は、通常のTN液晶表示素子に電場をかけた時の分子配列を示す。TN液晶に限らず、液晶表示素子に飽和電圧以上の電場を印加した場合3つの領域が形成される。すなわち、上下の配向膜の近傍の領域A1,A2と、それ以外の領域Bである。
図中領域Bでは、液晶分子は基板平面に対して垂直になる。一方、配向膜近傍の領域A1,A2については、配向膜のごく近傍では液晶分子は基板に平行になり、中央部に近づくにしたがって基板に垂直に近くなる。TN液晶表示素子の上下には、偏光板が配置されている。この偏光板の透過軸は、配向膜のラビングなどの配向処理の方向に対して水平もしくは垂直になるように配置されている。
以下、飽和電圧以上の電場が液晶層にかかっている状態について考察する。
TN液晶表示素子では、透明電極(ITO)の上にポリイミド膜でできた配向膜が50〜100nmの厚みで形成されている。液晶分子は、アンカリングエネルギーにより配向膜表面に略平行に配列している。液晶表示素子の厚み方向で中央部の液晶分子は基板に垂直になる。液晶材料の(恐らくは水素結合あるいはファンデルワールス力に起因する)弾性力にもとづいてA1,A2の幅がきまる。
3,4 配向膜
5,6 シール材
7 液晶材料
8 球状シリカ(スペーサー)
Claims (3)
- 略平行に配置され少なくとも一方が透明な1組の基板と、それぞれの基板の内側に配設された1組のポリイミド樹脂からなる配向膜と、上記1組の配向膜の間に充填された液晶材料を備え、上記配向膜の表面に上記液晶材料中の液晶分子が同一方向に向くように配向処理が施された液晶表示素子において、上記配向膜中に強誘電性を有するナノ粒子としてチタン酸バリウムを含有することと、上記ポリイミド樹脂に対する上記ナノ粒子の重量比が2.3%から10%であることと、上記ナノ粒子が上記配向膜にフィルタリングをして添加されたものであることを特徴とする、液晶表示素子。
- 上記フィルタリングが0.45μmの径のフィルタを使って行ったものであることを特徴とする、請求項1に記載の液晶表示素子。
- 上記チタン酸バリウムのナノ粒子の粒径が50nmであることを特徴とする、請求項1に記載の液晶表示素子。
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