JPH05333341A - 強誘電性液晶素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶素子駆動により生じるセル端部でのセル
厚の増加を低減し、安定な配向状態を維持する強誘電性
液晶素子の製造方法を提供する。 【構成】 ポリイミド系の樹脂分と、該樹脂分の真溶媒
となるＮＭＰと、印刷性を付与する為の希釈剤となるｎ
−ブチルカルビトール，ｎ−ブチルセロソルブと水と
を、混合溶液中の水の含有率が２〜２０重量％となるよ
うに調整した配向制御膜形成溶液を絶縁膜上に印刷塗布
焼成して形成した配向制御膜は、その表面に安定した凹
凸形状を有する。 【効果】 上記凹凸形状により液晶分子の移動を抑制
し、ひいてはセル厚の増大を防ぐことができ、素子の耐
久性が向上される。また、従来の方法に比べ、容易に凹
凸形状を再現性良く形成でき、さらには、設備及び工数
の増加が無く、製造コストが削減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は強誘電性液晶に適した素
子構造を有する液晶素子の製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】強誘電性液晶分子の屈折率異方性を利用
して偏光素子との組み合わせにより透過光線を制御する
型の表示素子がクラーク（Ｃｌａｒｋ）及びラガーウォ
ル（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提案されている（特開
昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３６７９２
４号明細書等）。この強誘電性液晶は、一般に特定の温
度域において、カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ^* ）
又はＨ相（ＳｍＨ^* ）を有し、この状態において、加え
られる電界に応答して第１の光学的安定状態と第２の光
学的安定状態のいずれかを取り、且つ電界の印加のない
ときはその状態を維持する性質、すなわち双安定性を有
し、また電界の変化に対する応答も速やかであり、高速
ならびに記憶型の表示素子としての広い利用が期待され
ている。

【０００３】ところが、上記の強誘電性液晶セルを長時
間駆動し続けると、セル端部のセル厚がしだいに増加し
ていき、黄色に色付いて見えてくるという問題が認めら
れた。

【０００４】谷口等の研究（特願平４−３２８６０号）
によれば、上述したセル端部でのセル厚の増加は駆動に
より液晶自身が液晶セル間の特定の方向へ移動すること
によって、セル端部での圧力が増し、その結果セル厚が
増加していることが認められた。液晶分子が液晶セルの
中を移動する力の発生原因は不明だが、おそらく駆動パ
ルスによる交流的な電界で、液晶分子の双極子モーメン
トが揺らぐことによって発生する電気力学的効果であろ
うと予想される。また、図２（Ａ）に示すように、液晶
分子の移動方向２２は、ラビング方向２０と液晶分子の
平均分子軸方向２１，２１’により決まっている。液晶
分子の移動方向がこのようにラビング方向に依存するこ
とから、その現象は基板界面でのプレチルトの状態に依
存していることが推測される。平均分子軸方向２１，２
１’は強誘電性液晶分子の双安定状態における平均的な
分子長軸方向を示している。ここで、例えば平均分子軸
方向が２１で示した状態で、液晶がスイッチングしない
程度の適当な交流電界を印加すると、矢印２２方向に液
晶分子が移動する。但し、ここでは自発分極の向きが負
である液晶材料を用いた場合について述べている。さら
に、この液晶移動現象はセルの配向状態に依存してい
る。図３はスメクチック相のシェブロン層構造を示した
ものであり、３１はスメクチック層、３２はＣ１配向の
領域、３３はＣ２配向の領域を表す。スメクチック液晶
は一般に層構造を持つが、ＳＡ相からＳＣ相またはＳＣ
^* 相に転移すると層間隔が縮むので図３のように層が上
下基板１１ａ，１１ｂの中央で折れ曲がった構造（シェ
ブロン層構造）をとる。折れ曲がる方向は、図に示すよ
うにＣ１とＣ２の２つ有り得るが、よく知られているよ
うにラビングによって基板界面の液晶分子は基板に対し
て角度をなし（プレチルト）、その方向はラビング方向
に向かって液晶分子が頭をもたげる（先端の浮いた格好
になる）向きである。このプレチルトのためにＣ１配向
とＣ２配向は弾性エネルギー的に等価でなく、ある温度
でＣ１とＣ２間の転移が起こることがある。また、機械
的な歪で転移が起きることもある。図３の層構造を平面
的にみると、ラビング方向に向かってＣ１配向からＣ２
配向に移るときの境界３４はジグザグの稲妻状でライト
ニング欠陥と呼ばれ、Ｃ２からＣ１に移るときの境界３
５は幅の広い、緩やかな曲線状でヘアピン欠陥と呼ばれ
る。

【０００５】強誘電性液晶を配向するための相互にほぼ
平行で同一方向の一軸性配向処理が施された一対の基板
を備え、強誘電性液晶のプレチルト角をα、チルト角
（コーン角の１／２）をΘ、ＳｍＣ^* 層の傾斜角をδと
し、強誘電性液晶は、数１式で表される配向状態を有す
るようにすると、Ｃ１配向状態においてさらにシェブロ
ン構造を有する４つの状態が存在する。

【０００６】Θ＜α＋δ 数１ この４つのＣ１配向状態は、従来のＣ１配向状態とは異
なっており、なかでも４つのＣ１配向状態のうち２つの
状態は、双安定状態（ユニフォーム状態）を形成してい
る。ここで、無電界時の見かけのチルト角をθａとすれ
ば、Ｃ１配向状態における４つの状態のうち、数２式の
関係を示す状態をユニフォーム状態という。

【０００７】Θ＞θａ＞Θ／２ 数２ ユニフォーム状態においては、その光学的性質からみて
ダイレクターが上下基板間でねじれていないと考えられ
る。図４はＣ１配向の各状態における基板間の各位置で
のダイレクターの配置を示す模式図である。図中の４１
〜４４は各状態においてダイレクターをコーンの底面に
投影し、これを底面方向からみた図を示しており、４１
および４２がスプレイ状態、４３および４４がユニフォ
ーム状態と考えられるダイレクターの配置である。同図
から分かるとおり、ユニフォームの２状態４３と４４に
おいては、上下いずれかの液晶分子の位置がスプレイ状
態の位置と入れ替わっている。図５はＣ２配向を示して
おり、界面のスイッチングはなく内部のスイッチングで
２状態５１と５２がある。このＣ１配向のユニフォーム
状態は、従来用いていたＣ２配向における双安定状態よ
りも大きなチルト角θａを生じ、輝度が大きく、しか
も、コントラストが高い。

【０００８】前述した液晶分子の移動は、実際の液晶セ
ルでは、図２（Ａ）に示すように、例えばセル全体で液
晶分子位置が矢印２１で示した状態にあったとすると、
セル内部で図の紙面の右から左への移動が生じる。その
結果、図２（Ｂ）に示すように領域２３のセル厚が経時
的に厚くなり、色付きを生じてくる。液晶分子が矢印２
１’で示した状態にあるときは、交流電界下での移動方
向は逆になるが、いずれにせよ、ラビング方向２０に対
して垂直な方向、すなわちスメクチック層内において液
晶の移動が生じる。上記のごとき液晶分子の移動は、液
晶素子の長期間連続駆動における耐久性に悪影響を与え
ることが明白である。

【０００９】先の谷口等の研究（特願平４−３２８６０
号）によれば、この液晶分子の移動の状態は、基板界
面、即ち配向制御膜表面の物理的状態に強く依存し、配
向制御膜表面に適当なサイズの凹凸を設けることによ
り、液晶分子の移動が著しく低減されることが認められ
ている。

【００１０】そこで従来、配向膜表面に氷の粒をぶつけ
る方法、微粒子を混入する方法（特願平４−３１３５８
号）等の試みがなされて来た。

【００１１】一方、上記のように配向制御膜表面を直接
処理することによって凹凸を形成することは液晶配向性
への悪影響が大きいとして、絶縁層に凹凸を形成するこ
とが谷口（特願平４−３２８６０号），中村（特願平３
−３５１２８０号）によって提案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては以下の問題が有った。

【００１３】（イ）氷の粒をぶつける方法（アイスブラ
スト）やスタンパーによる場合 装置や材料費が高くつき、生産性が悪い。

【００１４】（ロ）微粒子混入による場合 高度な微粒子分散技術を必要とし、また、配向安定性に
乏しい。

【００１５】（ハ）絶縁層に凹凸を形成する場合 再現性に乏しく、安定して提供することができない。

【００１６】従って、本発明の目的は、付加設備・工数
を必要とせず、安定性，再現性の高い簡易な方法によ
り、前記液晶分子の移動を低減した強誘電性液晶素子の
製造方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、水を添加した配向制御膜形成溶液を用いることによ
り、凹凸形状を有する配向制御膜を安定形成し液晶分子
の移動を低減したものである。

【００１８】即ち本発明は、電極の形成された一対の基
板のうち、少なくとも一方の基板上には、少なくとも一
層以上の絶縁膜、及び一軸性配向処理の施された配向制
御膜が配置されており、上記基板間に強誘電性液晶を挟
持してなる強誘電性液晶素子の製造方法において、樹脂
分と該樹脂分の真溶媒と印刷性を付与する為の希釈剤と
水との混合溶液（配向制御膜形成溶液）を印刷塗布焼成
することにより上記配向制御膜を形成することを特徴と
する強誘電性液晶素子の製造方法である。

【００１９】本発明において、上記配向制御膜形成溶液
の樹脂分としてはポリイミド系，ポリアミド系等の樹脂
が適用でき、また、この樹脂分の真溶媒としてはＮＭ
Ｐ，ＤＭＡｃ等、さらには上記印刷性を付与する為の希
釈剤としてはカルビトール，セロソルブ等の多価アルコ
ール及びその誘導体等を用いることができる。

【００２０】さらに本発明において、上記配向制御膜形
成溶液中の水の含有率は２〜２０重量％が好ましく、こ
れ以下では液晶分子の移動を抑制するための好ましい凹
凸形状は得られず、これ以上では上記樹脂分の凝固が起
こり、配向制御膜形成溶液としては好適ではない。

【００２１】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。

【００２２】図１は本発明による液晶素子の一例を模式
的に示した断面図である。図１に示されるように、この
液晶素子は一対の平行に配置した上基板１１ａ及び下基
板１１ｂと、それぞれの基板に配線した例えば厚さが約
４００〜２０００Åの透明電極１２ａと１２ｂを備えて
いる。

【００２３】透明電極１２ａ，１２ｂ上には、例えば厚
さが６００〜２５００Åの絶縁膜１３ａ，１３ｂが形成
されている。本発明では塗布・焼成タイプの絶縁膜材料
を用いるのが好ましく、その溶液をオングストローマー
等により印刷・塗布した後、２００〜３００℃で１時間
焼成した。

【００２４】また、上下基板間の絶縁性をさらに高める
ため、絶縁膜１３ａ，１３ｂと透明電極１２ａ，１２ｂ
の間に、例えばスパッタリング法で形成した、厚さが２
００〜１５００Åの無機酸化物絶縁膜層を形成してもよ
い。

【００２５】次に、上記絶縁膜上に、例えばポリイミド
等の高分子有機膜からなる厚さが１００〜４００Åの配
向制御膜１４ａ，１４ｂを形成する。本実施例ではこの
配向制御膜形成溶液として、ポリイミド系の日立化成社
製ＬＱ１８００（商品名）を、以下の溶剤組成に調整し
て用いた。

【００２６】 この溶液をオングストローマー等により上記絶縁膜上
に、印刷・塗布し２０〜２３℃，３８〜４２％ＲＨで３
０〜１２０分放置した後、２５０〜３００℃で約１時間
焼成することにより約２００〜２５０Åの配向制御膜１
４ａ，１４ｂを形成した。

【００２７】次に、配向制御膜１４ａ，１４ｂを配向方
向が平行かつ同一向きになるようにラビング処理した。

【００２８】基板間隔は、液晶層１５内に散布された平
均粒径約１．５μｍのシリカビーズ等のスペーサ１７に
より保持される。

【００２９】このようにして作製された液晶セルに強誘
電性液晶を注入する。

【００３０】本発明では強誘電性液晶としてカイラルス
メクチック相状態のものを用いることができ、具体的に
は、カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ^* ）、Ｈ相（Ｓ
ｍＨ^* ）、Ｉ相（ＳｍＩ^* ）、Ｋ相（ＳｍＫ^* ）やＧ相
（ＳｍＧ^* ）の液晶を用いることができる。

【００３１】特に、好ましい強誘電性液晶としては、こ
れより高温側でコレステリック相を示すものを用いるこ
とができ、例えば下述の相転移温度および物性値を示す
ピリミジン系混合液晶を用いることができる。

【００３２】

【数１】 チルト角 θ ＝１４° 層の傾斜角 δ ＝１１° 見かけのチルト角 θａ＝１１° 本実施例で液晶セルに形成した配向制御膜のプレチルト
角αは１７°であり、上記ピリミジン系混合液晶を注入
したところ前記数１式及び数２式を満たし、前述したＣ
１ユニフォーム配向が得られた。

【００３３】次にセル全体の配向を、図２（Ａ）におけ
る、平均分子軸方向２１に揃え、パルス巾Δｔ＝２５μ
Ｓ、電圧振幅Ｖｐｐ＝４０Ｖ、１／２デューティーの矩
形波を約７時間印加した後に、図２（Ｂ）領域２３にお
けるセル厚を測定したところ、初期に比較して約１０％
しか増加しなかった。

【００３４】ここで本実施例により得られた配向制御膜
表面を観察すると、「ディンプル」が観察された。その
径は０．５〜０．６μｍ、深さは５０〜１００Åで約１
個／μｍ² の密度で存在していた。

【００３５】このように、ポリイミド系配向制御膜形成
溶液に水を添加することによって、配向制御膜表面に安
定したサイズ・深さ・密度の「ディンプル」を形成で
き、その結果、液晶分子の移動を低減することができ
た。

【００３６】さらに本実施例によれば、配向制御膜表面
に凹凸を形成する際に直接表面処理する工程が存在しな
いため、配向制御膜にダメージを与えることがなく、安
定な配向を保持することを可能とし、さらに付加的な装
置や材料を必要としない為、製造コストが削減される。

【００３７】

【比較例】次に、比較例を説明する。

【００３８】比較例として、配向制御膜形成溶液中に水
を添加しない以外は実施例と全く同様に液晶セルを形成
し、前記ピリミジン系液晶を注入した。

【００３９】一般にポリイミド又はポリアミド系配向制
御膜形成溶液に用いられる、ＮＭＰ，ＤＭＡｃ等や、カ
ルビトール，セロソルブ等の多価アルコール及びその誘
導体は吸水性が高く、高グレード試薬として販売されて
いるこれらの溶剤中の含水率は最大０．１〜０．２重量
％にコントロールされているが、容器の開閉・保存中の
吸水により、通常の使用状態では１〜２重量％の含水率
となっている場合もある。

【００４０】次に、実施例と同じ手法で図２（Ｂ）領域
２３におけるセル厚変化を測定したところ、初期と比較
して約３０％増加していた。

【００４１】また、実施例と同様に配向制御膜表面を観
察した結果、実施例と同様の形状の「ディンプル」が観
察されたが、その径は比較的小さく０．１〜０．２μ
ｍ、深さはおよそ５０Åであり、その密度にもバラツキ
があった。

【００４２】また、本発明者の実験によると、配向制御
膜形成溶液中の水の含有率を２０重量％以上とすると樹
脂分の凝固が起こり、配向制御膜形成溶液としては適さ
ないことが分った。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、配向制御膜形成用
塗布液に水を添加することにより、配向制御膜表面に凹
凸を安定して形成することができ、その結果、液晶分子
の移動ひいてはセル厚の増大を抑制し強誘電性液晶素子
の耐久性が向上される。また、従来の方法に比べ容易に
凹凸形状を再現性良く形成でき、設備及び工数の増加が
無く、製造コストが削減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における強誘電性液晶素子の一例を模式
的に示す断面図である。

【図２】ラビング方向と液晶分子の移動方向の関係を説
明するための説明図である。

【図３】スメクチック相のシェブロン層構造を示す模式
図である。

【図４】Ｃ１配向の各状態における基板間の各位置での
ダイレクターの配置を示す模式図である。

【図５】Ｃ２配向の各状態における基板間の各位置での
ダイレクターの配置を示す模式図である。

【符号の説明】

１１ａ，１１ｂ 基板 １２ａ，１２ｂ 透明電極 １３ａ，１３ｂ 絶縁膜 １４ａ，１４ｂ 配向制御膜 １５ 強誘電性スメクチック液晶 １６ シール剤 １７ スペーサ １８ 接着微粒子 ２０ ラビング方向 ２１，２１’ 平均分子軸方向 ２２ 液晶移動方向 ２３ セル厚が厚くなる領域 ３１ スメクチック相 ３２ Ｃ１配向領域 ３３ Ｃ２配向領域 ３４ ライトニング欠陥 ３５ ヘアピン欠陥 ４１，４２ スプレイ状態 ４３，４４ ユニフォーム状態 ５１，５２ Ｃ２配向

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極の形成された一対の基板のうち、少
   なくとも一方の基板上には、少なくとも一層以上の絶縁
   膜、及び一軸性配向処理の施された配向制御膜が配置さ
   れており、上記基板間に強誘電性液晶を挟持してなる強
   誘電性液晶素子の製造方法において、樹脂分と該樹脂分
   の真溶媒と印刷性を付与する為の希釈剤と水との混合溶
   液を印刷塗布焼成することにより上記配向制御膜を形成
   することを特徴とする強誘電性液晶素子の製造方法。
2. 【請求項２】 混合溶液中の水の含有率が２〜２０重量
   ％であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液
   晶素子の製造方法。