JPH03279922A - 液晶セル基板の配向処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液晶表示装置を構成する液晶セル基板の配向処
理方法に関する。

液晶表示装置は現在腕時計、電卓などの小型の英数字表
示は勿論、ワードプロセッサ、マイクロコンピュータ、
液晶カラーテレビ、投射型デイスプレィなどの比較的大
型の漢字や画像の表示装置としても広く実用されている
。　これらに用いられる液晶セルは、セル内壁に設けら
れた電極間に電圧を印加することにより駆動される。セ
ルに封入された液晶分子は、電圧を印加しないときは一
定の秩序で配列しており、電圧を印加すると初期配向状
態すなわちもとの液晶分子配列状態に変化を生じ、これ
にともなって光学的性質も変化する。

それゆえ電圧印加の部分と、電圧が印加されない部分と
でその光学的性質が異なり、表示が可能となる。したが
って液晶セルで良質の表示を得るためには、電圧を印加
しない状態において液晶分子が一定の秩序で配列してい
ることが必要となる。

液晶材料には特定の濃度範囲でのみ液晶性を示すサーモ
トロピック液晶、溶媒に溶かしたときに特定の濃度範囲
で液晶性を発現するリオトロピック液晶、あるいは高分
子の主鎖またはｆｉＩＩ鎖に液晶性の基を導入した高分
子液晶がある。これまで応用の多くはサーモトロピック
液晶であるが、いずれのタイプの液晶も電界のみならず
磁界に対しても応答し、その分子長軸または基の方向を
磁場の方向に向けて揃えて配向する性質が知られている
。

また高分子液晶はガラス転移温度Ｔｇと呼ばれる濃度以
下では息に粘性が大きくなる。　　７ｇ以下の温度では
高温の液晶相でとっていた分子配列状態がそのまま保持
固定される性質をもつ。

液晶表示装置にはいくつかの動作モードがあるが、それ
ぞれのモードに対応した初期配向を得るために、液晶を
封入するセルの基板面に、種々の方法により配向処理層
が形成される。配向処理を施した基板の表面近傍での液
晶配向は、基板面と液晶分子の軸がなす角度、すなわち
プレチルト角の値から、通常３種に分類される。第１図
は基板面に対する液晶分子配向の様子を示したものであ
って、プレチルト角３は基板１と液晶分子２の軸とがな
す角度で定義され、　（ａ）はホモジニアス配向と呼ば
れθｐ＝ｏ＠、　　（ｂ）はチルト配向と呼ばれｏ”＜
θｐ〈９０°、　（Ｃ）はホメオトロピック配向と呼ば
れθｐ＝　９０　”である、ところで＜　ａ）および（
Ｃ）のようにθｐが完全に０１のホモジニアス、または
完全に９０＠のホメオトロピック配向は実際上の表示装
置には好ましくない、すなわち正の誘電異方性の液晶の
場合は印加電界に平行に、またこれが負の場合には墨直
になるような力を受ける。しかしこの再配列の過程で優
先方向が無いために液晶分子の傾く方位は不確定であり
。

表示部全面で−様な方位に傾くとは限らず、表示むらを
生ずる場合がある。この現象はリバースチルトと呼ばれ
ている。この表示むらを避けるには、液晶の初期配向が
基板法線方向から一定の方向に若干傾斜した、プレチル
ト角をもつチルト配向であることが必要である。液晶表
示装置にとって要求される液晶分子配向形態は、その表
示モードによって異なる。

以下に主な表示モードの簡単な説明と、配向膜に要求さ
れる性質を述べる。まずＴＮ（ツィステッドネマチック
）モードは、対向する２枚の基板上における液晶分子の
長軸方位を互いに直交させることにより、液晶分子が基
板間で９０６ツイストした配向形態をとっている。　θ
ｐの大きさは〜２０である。また５ＴＮ（スーパーツィ
ステッドネマチック）モードはＴＮモードの走査ｌｓ数
を改善するために考え出されたモードで、　２枚の対向
基板間で典を的には２７０＠ツイストした構造である。

この場合安定な動作のために必要とされるθｐのｆｌは
２０″程度とされている。つぎに負の誘電異方性の液晶
材料を用いる５）Ｉ（スーパーホメオトロピック）モー
ドでは、　θｐが８７°程度の高いチルト配向が要求さ
れる。ＳＴＮおよびＳＨモードにおける透過光量および
色合いは複屈折の大きさに非常に敏感なために、セルの
厚さおよびプレチルト角の均一性が特に要求される。つ
ぎに強誘電性液晶材料を用いた５ＳＦＬＣ（表面安定化
強誘電性液晶）モードは、高速性と表示のメモリー性と
によって期待されている。しがしこのモードは分子配列
構造が複雑なスメクチックＣ宰相を用いるので、均一な
配向を得るのがかなり難しく。

液晶分子の基板面内におけるアンカリングが適度に弱い
か、長軸方向の安定方位を２つもっことが望まれる１以
上の諸表示モードは単純マトリクス用であるが、つぎに
基板上の対応する各画素に薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）
やダイオードなどの半導体スイッチを起重して各画素を
オンオフするアクティブマトリクス方式について述べる
。この方式の表示特性は非常に優れているが、その反面
膨大な数のＴＦＴ群を欠陥なく作り込むことはかなり難
しい技術を必要とする。したがって、これらのスイッチ
集子を歩留まりよく形成することがコスト的なキーポイ
ントになっている。この方式における配向処理はＴＦＴ
を基板状に形成したのちに施される必要があるために、
配向処理工程でトランジスタ群に不良を生じさせないよ
うに十分な留意が必要である。

次に従来の液晶配向処理法の特徴と問題点を簡単に述べ
る。代表的なものとして斜方蒸着法とラビング法が知ら
れている。斜方蒸着法は、　Ｓｉ○などの無機物を基板
面に斜方蒸着する方法である。

この方法で実現できる液晶配向のプレチルト角θｐは、
蒸着角や蒸着膜厚などの蒸着条件、蒸着物質の種類など
により異なるが、典型的にはθｐはＯ″および３５°で
ある。　またこの方法によって得られる液晶配向性は良
好であるが、真空系を必要とすることからつぎに述べる
ラビング法に較べて量産性に劣るとされる。　しかし実
験室的には現在も広く用いられている。ラビング法は、
ポリイミド（ＰＩ）などの樹脂を塗布した基板をパフや
植毛した回転ロールなどで一方向に擦る（ラビング）方
法である。得られるθｐは通常２°程度で、下地となる
ポリマーやラビングの仕方に工夫を凝らすことによって
、　１０°程度のθｐも可能である。ポリイミドは有機
材料でありながら耐熱性はかなり良い、この方法は簡便
で量産性に富むために、ＴＮモード用を主体とした配向
処理の大部分を占めてきた。　しかしこの方法で再現性
よく実現できるプレチルト角θρの債の範囲は極めて狭
く、前述のＳＴＮ、ＳＨ，あるいは５ＳＦＬＣモード用
には必ずしも十分な適用はできない、　また表面を擦る
という工程から容易に予測できるように、摩擦熱や埃や
高電圧の静電気が発生する。このために。

とくにアクティブマトリクス方式の場合に基板上に設け
たＴＰＴに欠陥を誘発する恐れが高く１歩留まり向上の
面からも決して好ましい配向法とは言えない、またホメ
オトロピック配向の処理方法としては、　レシチンや有
機シランなどの有機表面活性剤を基板面に塗布する方法
がある。しかし。

得られる液晶配向のプレチルト角θｐは９０’に限られ
９０＠よりも若干小さな均一なθｐのチルト配向を得る
ことは難しい、ところで液晶分子は一軸延伸した有機膜
上でも配向することが知られており、その配向機構とし
て延伸によって高分子鎖が配向するためとされている。

このような配向性の有機膜を得る方法には、この他に溶
液中から基板を引き上げる際の流動配向性を利用するデ
ィッピング法や、水面上に展開した有機単分子層を基板
上に移しとるラングミュアプロジェット法（ＬＢ法）に
よる累積膜がある。ディッピング膜やＬＢ層膜上の液晶
分子配向はθｐが０６または９０″で。

前述したリバースチルトのために実用にはなりにくい。

本発明は以上の問題点を除くために発明されたものであ
る０本発明の磁場印加による有５ｌｌｌ［の配向処理方
法により得られた配向層による液晶の初期配向は、ラビ
ング工程を経ることなく配向性有機膜を得て、プレチル
ト角はＯｏから９０°の範囲で均一で安定に制御可能で
ある。本発明によって、基板上に形成したＴＰＴに欠陥
を誘発する恐れがあるラビング処理の工程を軽ることな
く　またＴＮ、　　ＳＴＮ、ＳＨおよび５ＳＦＬＣモー
ドに適用可能な任意の大きさのプレチルト角をもつ均一
でかつ安定な配向処理膜の形成が可能となる。

以下本発明の詳細を図面にしたがって説明する。

第２図は本発明における、基板と磁場との空間的配置の
関係を示す断面図である。磁極Ｎ４から磁極Ｓ５へ向か
う磁界６は、液晶セルを構成する基板１対してθの角度
７をなして入射するが、磁界６の入射角度θ７は０＠か
ら９０°の範囲にある。セルに液晶材料８を注入する際
には、必要に応じて加熱ヒータ９で加熱できる構造にな
っている。

以下本発明につき実施例をあげ具体的に記述するが、本
発明はこれに限定されるものではなく、たとえば以下に
あげるほとんどの実施例では有機膜材料としてポリイミ
ドを例に説明されているが。

これに限られずほとんどの有機材料で本質的に可能であ
る。同様に、有機膜を形成する方法として回転塗布法（
スピンナ法）を例に説明されるが。

これに限定されることなく他のデツピング法やＬＢ累積
法などでも本質的に可能である。また、従来の配向処理
法法を用いる際にラビング法で説明されているが、これ
に限定されるものではなく。

他の方法たとえば斜方蒸着法などでも同様な結果を与え
る。

実施例Ｉ　　ＩＴＯ透明電極ガラス基板上にスピンナで
平行配向性のポリイミド膜を塗布し、乾燥ベーキングの
のちにサンドイッチ形セルを構成した。このセルを約２
０キロガウスの時速発生能力のある磁極間に磁界の方向
が基板面に平行となるように保持した状態で、正の誘電
異方性のネマチック液晶材料を等吉相状態で注入した。

その後。

セルを室温まで徐冷して偏光顕微鏡で観察したところ、
液晶分子は−様にホモジニアス配向していた。このセル
に電圧を印加したところ、電極部分の液晶分子はホメオ
トロピック配向へ再配向した。

長時間の電圧のオンオフや加熱試験に対しても十分安定
であった。ただしリバースチルトによる表示むらがみら
れた。これによって、この方法で配向した配向層の配向
強度は十分実用となることが明らかになった。　またポ
リイミドを塗布しないで同様な実験を行なったところ、
配向の一様性が若干見劣りすることを除けばほぼ同じ結
果が得られた。一般的には、有機膜を箆布した方が配向
特性が優れていることがわかった。同様に液晶を等吉相
ではなく液晶相で注入したところ、得られたホモジニア
ス配向の一様性は若干劣化した。このことから１等方相
で注入することは、−様配向を得る上で有効であること
も明らかになった。　また。

一連の実験から、均一配向がなされるに必要な磁界の強
度は用いる材料によって異なるが１強い磁場の方がより
均一性が良くなる傾向がある。

実施例２　　ＩＴＯ透明電極ガラス基板上にスピンナで
垂直配向性のポリイミド膜を塗布し、乾燥ベーキングの
のちにサンドイッチ形セルを構成した。このセルを約２
０キロガウスの磁極間に磁界の方向が基板面に垂直とな
るように保持した状態で、負の誘電異方性のネマチック
液晶材料を等吉相状態で注入した。その後、セルを室温
まで徐冷して偏光顕微鏡で観察したところ、液晶分子は
−様なホモジニアス配向していた。　このセルに電圧を
印加したところ、電極部分の液晶分子はホモジニアス配
向へ再配向した。長時間の電圧のオンオフや加熱試験に
対しても十分安定であった。

実施例３　実施例１にちいて、平行配向性と垂直配向性
の２種類のポリイミド材料奄混合（重量比・で５：１）
シてポリイミド膜を被布し、　また磁界の方向をセル基
板に対して２０″程度傾けて同様の実験を行なった。そ
の結果、液晶分子は磁界の方向とほぼ等しい方向にプレ
チルトを有する−様なチルト配向していた。このセルに
電圧を印加したところ、電極部分の液晶分子はリバース
チルトを生ぜずにホメオトロとツク配向へ再配向した。

これによってＳＴＮモードに適用可能なプレチルト角が
２０°程度の均一な配向処理が可能であることがわかっ
た。

実施例４　実施例２において、垂直配向性と平行配向性
の２種類のポリイミド材料を混合（重量比で５：１）し
てポリイミド膜を塗布し、　また磁界の方向をセル基板
に対して８０＠程度傾けて同様の実験を行なった。その
結果、液晶分子は磁界の方向とほぼ等しい方向にプレチ
ルトを有する−様なチルト配向していた。このセルに電
圧を印加したところ、電極部分の液晶分子はリバースチ
ルトを生ぜずにホモジニアス配向へ再配向した。これに
よってＳＨモードに適用できる配向処理が可能であるこ
とがわかった。さらに同様のセルに２色性の色素を混入
したゲストホスト形液晶セルでは、無色の背景に有色の
表示の良好なポジ形カラー表示が得られた。

実施例５２枚のＩＴＯ透明電極ガラス基板上にスピンナ
で平行配向性のポリイミド膜を塗布し。

乾燥ベーキングをした。　１枚の基板はそのままの状態
で、　また他の１枚は従来の方法でラビング処理を施し
、これらの２枚の基板でサンドイッチ形セルを構成した
。このセルを約２０キロガウスの磁極間で磁界の方向が
基板面に平行になるように。

かつ１枚の基板におけるラビング処理方向と直交するよ
うに保持した状態で、正の誘電異方性のネマチック液晶
材料を等吉相状態で注入を行なった。

その徨、セルを室温まで徐冷して偏光顕微鏡で観察した
ところ、液晶分子はその長軸方向が上下基板間で９０°
ツイストし、−様なＴＮ配向をしていた。このセルを平
行偏光板間に挟んで電圧を印加したところ、電極部分の
液晶分子は電界方向に立ち上がり、良好なＴＮモードの
表示が実現された。この結果、磁場中で注入することに
よって得られる配向は、有機ラビング膜上では効果を発
生しにくいことがわかった１本実施例で得られたように
セルの片側基板のみをラビングすることによって９０＠
ツイスト構造の液晶配向が得られたことは、　　ＴＰＴ
を用いたアクティブマトリクス方式において特に有効に
機能することとなる。すなわち、ＴＦＴ群を配置した基
板にはラビング処理は施さずに、これに対向する側の透
明電極基板のみにあらかじめラビング処理をしておくこ
とによってＴＮモードが可能となる。　したがって、ラ
ビング工程で生じる摩擦熱や埃や高電圧の静電気の発生
に起因するＴＦＴ群の欠陥の発生はさけられることとな
って、アクティブマトリクス方式の歩留まり向上に大き
く寄与できる。

実施例６　実施例５と同じく片側基板にのみにラビング
を施したサンドイッチ形セルを構成した。

このセルを約２０キロガウスの磁極間で磁界の方向が基
板面に平行になるように、かつ１枚の基板におけるラビ
ング処理方向と直交するように保持した状態で、正の誘
電異方性のカイラルネマチック液晶材料を等吉相状態で
注入した。ただしこの液晶は正の誘電異方性のネマチッ
ク液晶にカイラル剤Ｃ，Ｂ−１５（メルク社製）を混合
して、セルの基板間で２７０°のねじれ構造をとるよう
に自然ピッチを調整したものである。液晶注入後、この
セルを偏光顕微鏡で観察したところ、液晶分子はその長
軸方向が上下基板間で２７００ツイストして一様に配向
をしていた。このセルを平行偏光板間に挟んで電圧を印
加したところ、電極部分の液晶分子は電界方向に立ち上
がり、良好なＳＴＮ表示表示−ドが実現され、特有の干
渉による着色も見られた。

実施例７　実施例１と同様にして９強誘電性液晶を等吉
相で注入したセルを、室温まで徐冷したのちにその配向
状態を調べた。スメクチック層が基板にほぼ垂直な配向
が得られ、　これに電圧を印加することによってがなり
安定なメモリー性がみられた 実施例８　実施例１に記載のように、　　ＩＴＯ透明電
極ガラス基板上にスピンナで平行配向性のポリイミド膜
を塗布し、乾燥ベーキングを行なった。

この基板を約２０キロガウスの磁極間に磁界の方向が基
板面に平行となるように保持した状態で。

ネマチック液晶材料を等吉相状態で接触させた。

その徨、室温まで徐冷して偏光顕微鏡でＩＩＩ！したと
ころ、液晶分子は基板上で一様にホモジニアス配向して
いた。この配向性有機膜が付着した２枚の基板を有機溶
剤で軽くリンスしたのち、　２枚の基板の磁界方向が互
いに反平行となるようにしてサンドイッチセルを構成し
た。セルにネマチック液晶を注入したところ１−様なホ
モジニアス配向が得られた。これと相似的な結果は、実
施例２実ＩＮ例３および実施例４に記載のポリマ材料と
磁界の印加方向とで製作した配向性有機膜で構成したサ
ンドイッチ液晶セルにおいても認められ　それぞれホメ
オトロピック配向、低プレチルト角のチルト配向および
高プレチルト角のチルト配向の３種類の配向状態が得ら
れた。　また本実施例で示された配向性の良否にはポリ
マー材料依存性がみられ、高分子液晶およびポリマーに
低分子液晶を混合した材料においてより好ましい結果が
得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は液晶の初期配向の説ａ図、第２図は本発明の実
施例を示す液晶注入装置の説明図である。 １は基板、　２は液晶分子、３はプレチルト角。 ４は磁極Ｎ、　　５は磁極Ｓ、　　６は磁界の方向。 ７は磁界の入射角、　８は液晶材料、９はヒータ。 １０は液晶配向層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液晶セルを構成する基板の液晶配向処理層を磁場に
   より形成する方法において、セルを構成する少なくとも
   １枚の基板に対して、磁界をその傾斜角度が基板面から
   測って０°から９０°の範囲で印加しながら、液晶材料
   を等方相もしくは液晶相の状態で該基板表面に接触させ
   ることにより、プレチルト角が０°から９０°の範囲の
   液晶配向を与える配向処理層を形成する液晶セル基板の
   配向処理方法。 ２、被処理基板上にポリイミドなどの有機膜の被覆を設
   けたのちに、配向処理層を形成することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の配向処理方法。 ３、被処理基板上にポリイミドなどの有機膜の被覆を設
   けてこれにラビング処理を施したのちに、配向処理層を
   形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   配向処理方法。 ４、被処理基板上にポリイミドなどの有機膜の被覆を設
   けてこれにラビング処理を施した上面に、さらに第二の
   ポリイミドなどの有機膜の被覆を設けたのちに、配向処
   理層を形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の配向処理方法。 ５、特許請求の範囲第２項、第３項または第４項の記載
   において、基板被覆用有機膜材料がポリイミド系、ポリ
   アミド系、ポリペプチド系、ポリシロキサン系、ポリビ
   ニルアルコール系、ポリビニルクロライド系などのモノ
   マーおよびポリマー材料、および通常の低分子液晶材料
   や高分子液晶材料、およびこれらのポリマーおよび液晶
   材料間相互の混合物であることを特徴とする配向処理方
   法。 ６、特許請求の範囲第２項、第３項、第４項または第５
   項記載の方法によって配向性有機膜を得ることを特徴と
   する配向処理方法。