JP5177634B2

JP5177634B2 - 液晶配向表面とこの表面を具備した液晶表示セル

Info

Publication number: JP5177634B2
Application number: JP2007309782A
Authority: JP
Inventors: 拓哉大園; 浩達物部; 洋清水
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: JP2009134046A

Description

本発明は、液晶配向表面とこの表面を具備した液晶表示セルに関し、詳しくは微細凹凸構造が座屈により形成されたものである液晶配向表面とこの表面を具備した液晶表示セルに関する。

一般的に液晶は、流動性と結晶的配向による光学特性を兼備した特徴を示し、電界、磁界、熱などによりその光学異方性が変化する物質である。このような性質を利用し液晶表示装置が構成されている。一般的な液晶表示装置は、スペーサーにより間隔が制御された一対の透明基体電極間に液晶物質が注入された構造を有している。この液晶セルの外側には入射光および透過光の変更のための偏光板が備わっている。液晶が直接接触する表面は液晶分子を配向させるための処理が施された液晶配向表面であり、表示素子の性能向上のためには適切な配向処理が必須である。
配向膜を形成する方法として、基体上に高分子樹脂などを形成した後、布などで一方向に擦るラビング法が一般的であった(特許文献１〜５)。しかしこの方法では、ラビング布と配向膜の機械的接触による汚染粒子や静電気の発生が問題となっている。ラビング法による配向効果は一方向に擦ることで発生する微細な溝に一因があることが分かっている。そのため、従来のリソグラフィー技術による微細な溝構造も液晶配向能を有するが、大面積での配向表面形成技術としては、ラビング法と比較して高価な方法であり現実的には利用されていない。このため非接触の方法として、光配向法が挙げられるが、これは偏光を光重合性の配向膜に照射するものである。またイオンビームを照射する方法も挙げられる。しかしながら、これらの方法では配向表面材料の化学的な設計において、液晶分子との相互作用と共に光化学的な特徴を考慮しなければならず、使用出来る材料が限られてしまう。また、その光やイオンビームの照射装置にはラビングに比べ大きな設備コストもかかる。その他、SiO2斜め蒸着（特許文献６）、反応性イオン（特許文献７）、光ラビング（特許文献８）、イオンビームラビング（特許文献９）等が知られている。
特開昭50-10152 特開昭50-83051 特開昭51-65960 特開昭51-75543 特開昭61-15129 特開昭51-3659 特開昭53-12346 特開平10-232400 特開平2-259725

前記のような問題を解決するために、本発明では、非接触かつ大面積化が容易な方法で作成した微細凹凸構造にその配向駆動力を有する液晶配向表面を提供すること、およびその配向表面を利用した液晶表示装置（セル）を提供することを目的としている。

本発明者は、上記課題に鑑み検討を重ねた結果、液晶配向表面を座屈により形成させることで、容易にかつ広範囲(大面積)に微細凹凸構造を有する液晶配向表面が得られることを見出した。
本発明は、以下の液晶配向表面、液晶配向膜及び液晶表示セルを提供することを目的とす
る。
項１．微細凹凸構造を有する液晶配向表面であって、前記表面が座屈表面である、液晶配向表面。
項２．前記表面が周期的な凹凸構造を有する項１に記載の表面。
項３．前記構造が、50nm以上500μm以下の周期を有する、項１または２に記載の表面。項４．項１〜３のいずれかの表面を有する液晶配向膜。
項５．項４に記載の液晶配向膜表面の近傍に導電性材料を有する液晶表示セル。

本発明によれば、液晶配向表面の材料は凹凸構造形成のための力学的な性質のみが重要であるため、従来の配向膜材料以外の幅広い材料を用いることができ、適用範囲が広い。

また、座屈を利用することで容易に低コストで液晶表示表面を形成することができる。

前記本発明の構造は、ポリアミック酸、シリコンレジン、ポリスチレンなどの薄膜を弾性体表面に形成することで得られる。その薄膜形成時に一軸に延伸し、その後に開放するか、薄膜形成後に一軸延伸しその後解放することで、表面の座屈に起因する異方的な凹凸構造が形成され、これが液晶配向能を有する。本発明の他の目的は、ポリチオフェン誘導体などのＰＥＤＯＴ/ＰＳＳの薄膜を弾性体表面に形成し、同様に微細凹凸構造を形成
した構造を用いて液晶セルを構成することで得られる。

凹凸構造の形状は周期0.2-200ミクロン、アスペクト比0.02以上で配向を確認。均一性
が必要な場合、リターデーションの分布や光散乱を抑えるため、望ましくは低周期、低アスペクトが望まれる。

本発明の液晶表示表面は、基体の上に表層を重ねて構成され、表層は基体よりも弾性率の大きな材料を使用する。該液晶表示表面は基体を延伸した状態で表層を積層し、次に基体の延伸状態を解除することで、表層に座屈変形を起こさせ、波形の凹凸を有する表面を形成させる。基体は、一軸延伸、二軸延伸、曲率を利用した延伸、温度差を利用した延伸(周期的に加熱することや、加熱と冷却を一定の間隔で行うことで局所的に延伸すること
ができる)などの１種又は２種以上の延伸方法を組み合わせて延伸状態にすることができ
る。このような方法により延伸して基体を延伸状態とし、その表面上に表層を形成し、基体の延伸状態を解除して周期的凹凸構造を形成するので、延伸率は重要な因子である。好ましい基体の延伸率は１．０１〜３程度、より好ましくは1.03〜1.8程度、さらに好まし
くは1.05〜1.4程度、最も好ましくは1.1〜1.2程度である。延伸率が大きくなりすぎると
基体と表層（Ｅ）が剥離することがある。また、アスペクト比が小さすぎると、液晶材料が十分に配向せず、液晶表示表面として機能しなくなる。延伸は、１軸方向に行っても良く、２軸方向に行ってもよい。基体を１軸延伸すると、表層を積層後延伸を解除した場合に延伸方向に異方的で周期的な凹凸が形成され、２軸延伸した場合には、その方向の異方性が低下した凹凸構造が形成される。高い配向度のためには座屈により凹凸構造を形成するための延伸は、１軸延伸が好ましい。配向度を調節する場合には、１軸延伸率を変化させてアスペクト比を調節するか、２軸延伸を用い凹凸の異方性を変化させることで調節することができる。

本発明において、基体の材料としては、延伸率（延伸時の延伸方向の長さ／非延伸時の延伸方向の長さ）が１．０１〜３程度の延伸状態が可能な材料である。このような材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ジフェニルシロキサンなどのポリシロキサン系ポリマー、シリコーン樹脂／シリコーンゴム、天然ゴムないし合成ゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネ
ート樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステルカーボネート樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素化ポリマー（ＰＴＦＥ、ＰＶｄＦなど）、ポリ塩化ビニル、ポリメチルハイドロゲンシロキサン、ジメチルシロキサンとメチルハイドロジェンシロキサン単位のコポリマーなどのホモポリマー或いはコポリマー、さらにはこれらのブレンド、導電性ポリマーとのブレンド、ガラス、ITO(インジウムスズオキシド)などが挙げられる。

基体と表層の透過率は特に限定されないが、光学部材に使用する場合は、
基体と表層を合わせた部材は透明又は半透明の材料であるのが好ましく、可視・赤外光の透過率は３０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上、特に好ましくは９５％以上、最も好ましくは９８％以上である。

基体の材料の弾性率は、0.5〜10ＭＰａ程度である。

表層の材料の弾性率は、0.5〜100ＧＰａ程度である。

基体の材料の弾性率（Ｅａ）と表層の弾性率（Ｅｂ）の比（Ｅａ／Ｅｂ）は、10^-5〜10^-1程度、好ましくは10^-4〜10^-2程度である。

弾性率は、JIS K7171、ASTM D790に準拠した方法により測定できる。

表層の材料としては、基体よりも大きな弾性率を有し、基体の収縮とともに周期的な凹凸構造を形成できる材料であれば特に限定されず、例えば金属、セラミック、カーボン、或いは、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、アクリル樹脂などのポリマーが挙げられる。

表層は、単層であるのが好ましいが、2層以上の表層を積層させてもよい。このように
することで、表層の特性や基体との密着性を向上させることができる。

表層の厚みとしては、１〜50000nm程度が挙げられる。

基体の厚みとしては、0.3〜20mm程度が挙げられる。

表層の凹凸構造のアスペクト比は、0.01〜0.3程度、例えば0.03〜0.2程度、好ましくは0.05〜0.15程度である。

図１に示されるように、本発明の材料は、一軸延伸により形成することができ、一方向に周期性を有する凹凸を備えている。凹凸の周期としては、50nm〜500μm程度、凸部の高さとしては、1nm〜20μm程度である。

基体（Ｄ）上への表層（Ｅ）の形成は、上記のような十分に薄い表層（Ｅ）を形成できるものであれば特に限定されないが、金属であればスパッタ、樹脂であれば塗布(スピン
コート、キャストなど)、セラミックであれば有機セラミック原料のプラズマ酸化処理(表面部分のみが酸化されてセラミックになる)が例示される。また電子線や紫外線、イオン
線照射によっても表面の変性を促し表層（Ｅ）を形成可能である。

本発明の液晶配向表面を有する液晶配向膜は光学異方性を有し、電極を備えた液晶配向膜で液晶層を挟むことで、液晶表示装置を形成する。

液晶表示装置としては公知の素子構造を用いればよい。例えば、固定表示を行うためには二枚の液晶配向膜を、その液晶配向表面が内側に向くように作製しスペーサーを挟んだ後、パターン形成済みの配向膜の間に液晶を挟み込み、さらに直交する向きの偏光子でその外側を挟むことで表示素子となる。また、液晶配向膜を有する基体を透明電極基体とし、誘電異方性を持つ液晶を用いることで電圧印加により水平配向部のみの液晶の配向が変化し表示のオン・オフが可能になる。

以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明する。
実施例１
（１）ポリアミック酸のＮＭＰ溶液（2.6wt%）をポリジメチルシロキサン弾性体表面に3000回転でスピンコート後、その基体を一軸方向に１１０％延伸した状態で、１００℃１時間加熱し、空冷後延伸を解除することで微細凹凸構造を得る。凹凸周期は約２ミクロン、高低差は約0.3ミクロンであった。その基体２枚をスペーサーを用いて溝の方向平行に対
向させることで液晶セルを作成し、そのセルに室温ネマチック液晶である4-cyano-4’-n-pentyl biphenyl (5CB)を注入することでホモジニアス配向した液晶セルを完成した。こ
のホモジニアス配向液晶セルを、図２のように偏光方向が直行する２枚の偏光板間に配置し、可視光の透過顕微鏡で観察すると、直行する偏光軸のどちらかと配向方向が一致する場合（θ=0°）に暗くなり、一方その角度が４５度（θ=45°）の場合は明るくなること
が分かり、液晶配向を確認できた(図２)。また、５CBのCN伸縮振動に対する赤外吸収（波数2227cm^-1）の偏光特性も液晶の厚みは約２ミクロンの場合について調べた。５CBのCN伸縮方向は５CBの長軸方向と一致するため、５CBの配向方向と一致する偏光成分を最も吸収し、逆に直行する偏光成分の吸収は小さくなる。この吸収の最大の方向は図３のように、凹凸構造の溝の方向に一致するため、この配向が微細凹凸構造の由来であることが確認できた。また、この吸収の比、すなわち二色比から液晶の配向秩序度（オーダーパラメーター）を算出すると、0.6程度となり、５CBをSiO₂配向膜で配向させた状態と同程度の配向
が達成されていることが確認された。（偏光赤外吸収からの配向秩序度の算出は以下を参考にした：Khoo, I. -C. & Wu, S. -T. Optics and nonlinear optics of liquid crystals (World Scientific, Singapore, 1993)）
（２）上記（１）で凹凸構造の方向を直行させることで９０度捩れ配向した（ＴＮ）液晶セルを完成した。
（３）上記（１）、（２）でポリアミック酸の代わりにシリコンレジン（トルエン溶液、約10wt%）を用いて液晶セルを完成した。
（４）上記（１）（２）でポリアミック酸の代わりに導電性のポリチオフェン誘導体ＰＥＤＯＴ/ＰＳＳ（水溶液、約1.3wt%）を用いて液晶セルを完成した。
（５）上記（４）における、ＴＮ液晶セルの上下の配向基体間に矩形波の交流電場（100Hz）をかけることで電気光学応答を観察した。図４に、それぞれの透過光（波長436nm）の強度の電圧依存性を示す。その結果、配向の電場による可逆的なスイッチングを確認した。偏光板をクロスニコル（直交）の状態で、ノーマリーホワイト（NW：電圧印加時、暗状態）を、また平行ニコル（平行）の状態で、ノーマリーブラック（NB：電圧印加時、明状態）のモードでの上記スイッチングを確認した。

本発明における微小周期構造体の製造方法（左）と構造体の光学顕微鏡像（右）を示す模式図である。本発明における平行配向液晶セルの偏光顕微鏡観察についての模式図（上）と、偏光顕微鏡像（下）である。本発明による平行配向液晶セル（液晶：5CB）の波数2227cm^-1での赤外吸収強度の偏光角度依存性を示す模式図である。本発明による導電性の微小凹凸表面から構成された５CBのTN液晶セルの交流電場印加による電気光学特性を示す図である。

Claims

基体を延伸した状態で表層を積層し、次に基体の延伸状態を解除することで、表層に座屈変形を起こさせて得られる、微細凹凸構造を有する液晶配向表面であって、基体の材料の弾性率は0.5〜10ＭＰａであり、表層の材料の弾性率は0.5〜100ＧＰａであり、基体の材
料の弾性率（Ｅａ）と表層の材料の弾性率（Ｅｂ）の比（Ｅａ／Ｅｂ）は、10^-5〜10^-1 であり、微細凹凸構造が50nm以上500μm以下の凹凸の周期を有する、液晶配向表面。
表層の材料は金属、セラミック、カーボン、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）またはアクリル樹脂であり、表層の厚みは１〜50000nmである、請求項１に記載の液晶配向表面。
基体の材料は、ポリシロキサン系ポリマー、シリコーン樹脂／シリコーンゴム、天然ゴム、合成ゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステルカーボネート樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素化ポリマー、ポリ塩化ビニル、ポリメチルハイドロゲンシロキサン、ジメチルシロキサンとメチルハイドロジェンシロキサン単位のコポリマーあるいはこれらのブレンド、導電性ポリマーとのブレンド、ガラスまたはITOであり、基体の厚みは0.3〜20mmである、請求項１又は２に記載の液晶配向表面。
請求項１〜３のいずれかの表面を有する液晶配向膜。
請求項４に記載の液晶配向膜表面の近傍に導電性材料を有する液晶表示セル。