JPH06289396A - 液晶表示素子およびその配向膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＬＢ法によりポリイミドからなる水平配向膜を
形成した液晶表示素子として、液晶分子を所望のプレチ
ルト角をもたせて配向させた、液晶の初期配向不良や駆
動電圧印加時のリバースチルトディスクリネーション配
向不良等がない良好な表示品質の液晶表示素子を提供す
る。 【構成】ＬＢ法によりポリアミック酸と長鎖アルキルア
ミンとを反応させてなる化合物の単分子膜を積層しこの
積層膜をイミド化処理して形成するポリイミド膜からな
る水平配向膜８，９を、前記ポリアミック酸と長鎖アル
キルアミンとの混合比を制御して単位面積当たりに長鎖
アルキル基が所定の割合で残留するように形成し、液晶
分子Ａを、前記水平配向膜８，９の単位面積当たりの長
鎖アルキル基残留割合に応じたプレチルト角φで配向さ
せた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶分子を水平方向に
配向させた液晶表示素子およびその水平配向膜の形成方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶分子を水平方向に配向させた液晶表
示素子には、ＴＮ（ツイステッド・ネマティック）モー
ドのもの、ＳＴＮ（スーパー・ツイステッド・ネマティ
ック）モードのもの、ＥＣＢ（電界制御型複屈折）モー
ドのうちの水平配向型のもの、強誘電性液晶または反強
誘電性液晶を用いたもの等がある。

【０００３】これらの液晶表示素子は、液晶層をはさん
で対向する一対の透明基板の互いに対向する面に、透明
電極と、液晶分子を水平方向に配向させるための水平配
向膜とを形成した構成となっている。

【０００４】これらの液晶素子の基板上に設けられる水
平配向膜は、従来、基板上にポリイミド等を塗布してそ
の膜面をラビング処理する方法、または基板上に酸化硅
素（Ｓi Ｏ₂ ）等を斜方蒸着する方法によって形成され
ていたが、最近では、ラングミュア・ブロジェット（La
ngumuir-Blodgett）法によってポリイミド膜からなる水
平配向膜を形成する方法が採用されるようになってきて
いる。

【０００５】上記ラングミュア・ブロジェット法（以
下、ＬＢ法と記す）は、静水面上に単分子膜を作り、あ
らかじめ水中に垂直に浸漬させておいた基板を一定速度
で引上げながら、水面上の単分子膜を基板上に被着させ
てゆく方法であり、このＬＢ法によるポリイミド膜の形
成は、ポリアミック酸と長鎖アルキル基を有するアミン
（以下、長鎖アルキルアミンという）とをイオン結合反
応させてなるポリアミック酸誘導体化合物（ポリアミッ
ク酸塩）の単分子膜をＬＢ法により基板上に被着させる
工程を複数回繰返して前記単分子膜を基板上に積層し、
この積層膜をイミド化処理してポリイミド膜とする方法
で行なわれている。

【０００６】上記ＬＢ法によって基板上に被着されたポ
リアミック酸誘導体化合物の単分子膜は、分子長の長い
分子が基板の引上げ方向に沿って並んでいるため、この
単分子膜の積層膜をイミド化したポリイミド膜は、液晶
分子を一方向に均一に配向させる配向性をもっており、
したがって、その膜面をラビング処理することなく、こ
のポリイミド膜をそのまま水平配向膜とすることができ
る。

【０００７】ところで、液晶表示素子においては、液晶
分子の配向状態が液晶表示素子の電気光学特性に大きく
影響するため、良好な表示を得るには、液晶分子の配向
の安定性を良くしてやる必要がある。

【０００８】この液晶分子の配向の安定性を左右する重
要な要素は、配向膜によって与えられる液晶分子のプレ
チルト角（液晶分子の長軸が基板面に対してなす角度）
であり、このプレチルト角が大きいほど、液晶分子の配
向の安定性が良くなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｌ
Ｂ法により形成された水平配向膜は、液晶分子をプレチ
ルトしない（プレチルト角０°）状態で配向させる。

【００１０】このため、従来の液晶表示素子は、液晶の
初期配向不良を生じたり、駆動電圧印加時にリバースチ
ルトディスクリネーション配向不良を発生したりすると
いう問題をもっていた。

【００１１】本発明は、ＬＢ法によりポリイミドからな
る水平配向膜を形成した液晶表示素子として、液晶分子
を所望のプレチルト角をもたせて配向させた、液晶の初
期配向不良や駆動電圧印加時のリバースチルトディスク
リネーション配向不良等がない良好な表示品質の液晶表
示素子を提供するとともに、あわせて、その水平配向膜
の形成方法を提供することを目的としたものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、液晶層をはさんで対向する一対の透明基板の互いに
対向する面に、透明電極と、ＬＢ法によりポリアミック
酸と長鎖アルキル基を有するアミンとを反応させてなる
化合物の単分子膜を積層してこの積層膜をイミド化処理
したポリイミド膜からなる水平配向膜とを形成してな
り、かつ、前記水平配向膜は、前記ポリアミック酸と長
鎖アルキル基を有するアミンとの混合比を制御して単位
面積当たりに前記長鎖アルキル基が所定の割合で残留す
るように形成されており、液晶分子が、前記水平配向膜
の単位面積当たりの長鎖アルキル基残留割合に応じたプ
レチルト角をもって配向していることを特徴とするもの
である。

【００１３】また、本発明の水平配向膜の形成方法は、
透明電極を形成した透明基板上に、ＬＢ法によりポリア
ミック酸と長鎖アルキル基を有するアミンとを反応させ
てなる化合物の単分子膜を所定数積層し、この積層膜を
所定に条件でイミド化処理してポリイミド膜からなる水
平配向膜を形成する方法であって、前記ポリアミック酸
と長鎖アルキル基を有するアミンとの混合比を制御し、
単位面積当たりに前記長鎖アルキル基を所定の割合で残
留させたポリイミド膜からなる水平配向膜を得ることを
特徴とするものである。

【００１４】

【作用】すなわち、本発明の液晶表示素子は、ＬＢ法に
より形成するポリイミド膜からなる水平配向膜を、ポリ
アミック酸と長鎖アルキル基を有するアミンとの混合比
を制御して単位面積当たりに長鎖アルキル基が所定の割
合で残留するように形成したものであり、前記長鎖アル
キル基は疎水性をもっているため、水平配向膜の単位面
積当たりの長鎖アルキル基の残留割合を多くするほど、
配向膜の表面張力が小さくなり、液晶分子が、前記表面
張力に応じたプレチルト角をもって水平配向する。

【００１５】このため、前記ポリアミック酸と長鎖アル
キル基を有するアミンとの混合比を制御して、上記水平
配向膜の単位面積当たりの長鎖アルキル基の残留割合を
制御すれば、液晶分子を所望のプレチルト角をもたせて
配向させて、液晶の初期配向不良や駆動電圧印加時のリ
バースチルトディスクリネーション配向不良等がない良
好な表示品質を得ることができる。

【００１６】また、本発明の水平配向膜の形成方法は、
ＬＢ法によりポリアミック酸と長鎖アルキル基を有する
アミンとを反応させてなる化合物の単分子膜を積層し、
この単分子膜の積層膜をイミド化処理して長鎖アルキル
アミンが残留するポリイミド膜を形成するものであり、
前記ポリアミック酸と長鎖アルキル基を有するアミンと
の混合比を、あらかじめ設定した単分子膜の積層数とそ
のイミド化条件とに応じて制御することにより、それに
応じて前記ポリイミド膜の長鎖アルキル基残留割合が決
まるため、液晶分子を所望のプレチルト角をもたせて配
向させる水平配向膜を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１８】図１は液晶表示素子の断面図である。この
液晶表示素子は、ガラス等からなる一対の透明基板１，
２を枠状のシール材３を介して接合し、この両基板１，
２間のシール材３で囲まれた領域に液晶を封入したもの
で、両基板１，２の互いに対向する面にはそれぞれ、透
明電極４，５が形成されている。また、この両基板１，
２の電極形成面は、酸化硅素（Ｓi Ｏ₂ ）等からなる透
明な絶縁膜６，７で覆われており、この絶縁膜６，７の
上に水平配向膜８，９が形成されている。

【００１９】なお、この液晶表示素子は、ＴＮモードま
たはＳＴＮモードのものであり、両基板１，２間に封入
された液晶の分子Ａは、両基板１，２側の配向膜８，９
の近傍の液晶分子Ａの各配向方向を前記配向膜８，９で
規制され、両基板１，２間において所定のツイスト角で
ツイスト配向している。ただし、図１では、便宜上、液
晶分子Ａをツイスト配向していない状態で示している。

【００２０】上記水平配向膜８，９は、いずれも、ポリ
アミック酸と長鎖アルキル基を有するアミン（以下、長
鎖アルキルアミンという）とを反応させてなる化合物の
単分子膜を数層〜数十層に重ねて被着させた膜をイミド
化したポリイミド膜からなっている。

【００２１】この水平配向膜８，９は、次のような方法
で形成する。なお、ここでは、一方の基板１に設ける水
平配向膜８の形成について説明するが、他方の基板２に
設ける水平配向膜９も同様にして形成する。

【００２２】上記ポリアミック酸は、下記の［化３］の
構造式で表わされ、このポリアミック酸は、［化１］の
構造式で表わされるテトラカルボン酸二無水物と、［化
２］の構造式で表わされるジアミンとを合成して得られ
る。

【００２３】

【化１】

【００２４】

【化２】

【００２５】

【化３】

【００２６】また、上記長鎖アルキルアミンは、親水性
をもつポリアミック酸に疎水性を付与するためのもので
あり、この長鎖アルキルアミンは次の［化４］の構造式
で表わされる。

【００２７】

【化４】

【００２８】上記ポリアミック酸を溶媒に溶かした溶液
と、上記長鎖アルキルアミンを同じ溶媒に溶かした溶液
とを所定の割合で混合し、ポリアミック酸と長鎖アルキ
ルアミンとをイオン結合反応させて、下記の［化５］の
構造式で表わされるポリアミック酸誘導体化合物（ポリ
アミック酸塩）の溶液を作成する。なお、上記ポリアミ
ック酸および長鎖アルキルアミンの溶媒としては、ＮＭ
Ｐ（Ｎ−メチル−２−ピロリジノン）とベンゼンを１：
１の割合で混合した混合溶媒を用いる。

【００２９】

【化５】

【００３０】そして、上記水平配向膜８は、透明電極４
を形成しその上に絶縁膜６を形成した基板１上に、ＬＢ
法によって上記ポリアミック酸誘導体化合物の単分子膜
を所定層に積層し、この単分子膜の積層膜を熱処理する
ことにより形成される。図２は、基板１上にポリアミッ
ク酸誘導体化合物の単分子膜をＬＢ法によって被着させ
る方法を示している。この単分子膜の被着は次のように
して行なう。まず、上記基板１の単分子膜被着面（絶縁
膜６面）に親水性処理を施し、この基板１を水槽１０内
の水中に垂直に浸漬させる。

【００３１】次に、水面高さに設けたバー状の移動バリ
ア１１と基板１との間の水面上に上記ポリアミック酸誘
導体化合物の溶液を滴下して、その単分子膜ａを水面上
に展開させる。

【００３２】次に、移動バリア１１を基板方向に移動さ
せて水面上の単分子を密集させ、単分子膜ａの表面圧を
一定圧（２５dyn/cm）に調整した後、移動バリア１１を
基板方向に一定速度（２mm/min）で移動させて単分子膜
ａを基板方向に押しながら、これに同調させて基板１を
引上げて、水面上の単分子膜ａを基板１上に被着させ
る。

【００３３】このとき、水面上の単分子は、親水性をも
つ部分が親水性処理を施してある基板１に付着して引上
げられるため、単分子膜ａは、分子がほぼ一方向に並ん
だ状態で基板１上に被着する。以下は、上記単分子膜ａ
の被着工程を繰返して、基板１上に上記単分子膜ａを所
定層に積層する。

【００３４】このようにして基板１上にポリアミック酸
誘導体化合物の単分子膜ａを積層した後は、２００℃以
上で約１時間加熱する熱処理を行なう。この熱処理によ
り、基板１上の積層膜のイミド化が進み、アルキルアミ
ンが残留する水平配向膜８が形成される。

【００３５】この場合、ポリアミック酸と長鎖アルキル
アミンとがイオン結合した化合物であるポリアミック酸
誘導体化合物の単分子積層膜は、そのアルキルアミンが
除去されるとともに脱水閉環され、次の［化６］のよう
な構造をもったポリイミドとなるようにイミド化される
が、そのイミド化が完結されずに、アルキルアミンが所
定の割合で残留する。このアルキルアミンの残留量は、
熱処理条件等を一定にした場合、ポリアミック酸と長鎖
アルキルアミンとの混合比によって変化する。したがっ
て、ポリアミック酸と長鎖アルキルアミンとの混合比を
適宜設定することによって長鎖アルキル基の残留割合を
制御することができる。

【００３６】

【化６】

【００３７】そして、上記液晶表示素子においては、そ
の両基板１，２のポリイミド膜からなる水平配向膜８，
９が、ポリアミック酸と長鎖アルキルアミンとの混合比
を適宜設定することにより、その単位面積当たりの上記
［化４］に示した長鎖アルキルアミンにおける長鎖アル
キル基Ｒ₃ の残留割合を制御して形成され、この水平配
向膜８，９により液晶分子Ａを所望のプレチルト角φを
もって配向させている。

【００３８】図３および図４は、ポリアミック酸と長鎖
アルキルアミンとの混合比を制御してＬＢ法により形成
したポリイミド膜からなる水平配向膜８，９の長鎖アル
キル基Ｒ₃ の残留状態を模式的に示す図であり、図３は
ポリアミック酸と長鎖アルキルアミンの量（モル量）を
ほぼ同じにしたときの長鎖アルキル基残留状態、図４は
ポリアミック酸の量よりも長鎖アルキルアミンの量を多
くしたときの長鎖アルキル基残留状態を示している。

【００３９】この図３および図４のように、上記ＬＢ法
により形成したポリイミド膜からなる水平配向膜８，９
の長鎖アルキル基Ｒ₃ の残留割合は、ポリアミック酸と
長鎖アルキルアミンとの混合比によって変化し、また長
鎖アルキルアミンの量を多くするほど、長鎖アルキル基
Ｒ₃ の残留割合が増加するとともに、その分布も均一に
なる。

【００４０】そして、上記液晶表示素子においては、Ｌ
Ｂ法により形成するポリイミド膜からなる水平配向膜
８，９を、その単位面積当たりに長鎖アルキル基Ｒ₃ が
所定の割合で残留するようにポリアミック酸と長鎖アル
キルアミンとの混合比を制御して形成しているため、液
晶分子を所望のプレチルト角φをもたせて配向させるこ
とができる。

【００４１】これは、上記長鎖アルキル基が疎水性をも
っているためであり、水平配向膜８，９の単位面積当た
りの長鎖アルキル基Ｒ₃ の残留割合を多くするほど、配
向膜８，９の表面張力が小さくなり、液晶分子Ａがプレ
チルト角φをもって配向する。

【００４２】このため、上記ポリアミック酸と長鎖アル
キルアミンとの混合比を制御して、水平配向膜８，９の
単位面積当たりの長鎖アルキル基Ｒ₃ の残留割合を制御
すれば、液晶分子Ａを所望のプレチルト角をもたせて配
向させて、液晶の初期配向不良や駆動電圧印加時のリバ
ースチルトディスクリネーション配向不良等がない良好
な表示品質を得ることができる。

【００４３】上記のような長鎖アルキル基残留割合の水
平配向膜８，９は、ポリアミック酸と長鎖アルキルアミ
ンとの混合比を、上述したＬＢ法により積層する単分子
膜ａの積層数とそのイミド化条件とに応じて制御して形
成する。

【００４４】すなわち、この水平配向膜８，９の形成方
法は、ＬＢ法によりポリアミック酸と長鎖アルキルアミ
ンとを反応させてなる化合物の単分子膜ａを積層する際
に、前記ポリアミック酸と長鎖アルキルアミンとの混合
比を制御することにより、前記単分子膜ａの積層膜をイ
ミド化処理して形成するポリイミド膜における長鎖アル
キル基Ｒ₃ の残留割合を制御するものであり、前記ポリ
アミック酸と長鎖アルキルアミンとの混合比を単分子膜
ａの積層数とそのイミド化条件とに応じて制御すると、
それに応じて単位面積当たりの長鎖アルキル基残留割合
が決まるため、液晶分子Ａを所望のプレチルト角φをも
たせて配向させる水平配向膜８，９を得ることができ
る。

【００４５】図５は、上記ポリアミック酸と長鎖アルキ
ルアミンとの混合比と、上記単分子膜ａの積層数と、イ
ミド化温度と、形成された配向膜の表面張力との関係を
示しており、ここでは、ポリアミック酸と長鎖アルキル
アミンとの混合比（モル比）を、ポリアミック酸：長鎖
アルキルアミン＝１：３と、ポリアミック酸：長鎖アル
キルアミン＝１：５との二通りに選び、それぞれをイミ
ド化温度２００℃でイミド化処理した例を示している。

【００４６】この図５のように、ポリアミック酸と長鎖
アルキルアミンとの混合比を１：３にして形成したポリ
イミド膜からなる配向膜は、単分子膜ａの積層数が１８
層程度以下の場合は表面張力が大きすぎて液晶分子Ａを
ほとんどプレチルトさせず（プレチルト角φ＝０）、そ
れよりも単分子膜ａの積層数を多くした場合に、液晶分
子Ａをある程度のプレチルト角φ（例えば積層数が２３
層の場合でφ＝３．２°）をもって配向させる表面張力
になる。なお、この表面張力は、単分子膜ａの積層数を
多くするほど小さくなり、それにともなって液晶分子Ａ
のプレチルト角φが大きくなる。

【００４７】また、ポリアミック酸と長鎖アルキルアミ
ンとの混合比を１：５にして形成したポリイミド膜から
なる配向膜は、単分子膜ａの積層数が１０層程度以下の
場合は表面張力が大きすぎて液晶分子Ａがほとんどプレ
チルトしないが、それよりも単分子膜ａの積層数を多く
すると、液晶分子Ａがプレチルト角φをもって配向する
表面張力になる。この場合のプレチルト角φは、例えば
積層数が約１１層の場合でφ＝０．４°、積層数が約１
７層以上の場合でφ＝１３°以上である。なお、この場
合も、配向膜の表面張力は単分子膜ａの積層数を多くす
るほど小さくなり、それにともなって液晶分子Ａのプレ
チルト角φが大きくなるが、積層数が約２２層を越える
と、プレチルト角φが９０°に近くなって、液晶分子Ａ
が垂直配向してしまう。

【００４８】なお、ポリアミック酸に対する長鎖アルキ
ルアミンの量が３倍（混合比１：３）以下であっても、
単分子膜ａの積層数をさらに多くすることによって液晶
分子Ａのプレチルト配向させることができるが、単分子
膜ａの積層数を多くすると、配向膜８，９が厚くなっ
て、印加電圧が配向膜において大きく降下する。

【００４９】したがって、上記ポリアミック酸と長鎖ア
ルキルアミンとの混合比は、ポリアミック酸：長鎖アル
キルアミン＝１：３〜１：５の範囲とするのが望まし
く、この範囲であれば、単分子膜ａの積層数をあまり多
くすることなく、液晶分子Ａを所望のプレチルト角φを
もたせて配向させる水平配向膜８，９を得ることができ
る。

【００５０】なお、上記実施例では、単分子膜ａの積層
膜のイミド化処理を熱処理によって行なっているが、こ
のイミド化処理は、酸無水物等の溶液による化学処理に
よっても、また前記化学処理と上記熱処理との両方を併
用して行なってもよく、その場合も、ポリアミック酸と
長鎖アルキルアミンとの混合比を単分子膜ａの積層数と
そのイミド化条件とに応じて制御すれば、液晶分子を所
望のプレチルト角をもたせて配向させる水平配向膜を得
ることができる。

【００５１】また、上記実施例の液晶表示素子は、ＴＮ
モードまたはＳＴＮモードのものであるが、本発明は、
ＥＣＢ（電界制御型複屈折）モードのうちの水平配向型
の液晶表示素子や、強誘電性液晶または反強誘電性液晶
を用いた液晶表示素子等にも適用することができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明の液晶表示素子は、ＬＢ法により
形成するポリイミド膜からなる水平配向膜を、ポリアミ
ック酸と長鎖アルキルアミンとの混合比を制御して単位
面積当たりに長鎖アルキル基が所定の割合で残留するよ
うに形成したものであるから、液晶分子を所望のプレチ
ルト角をもたせて配向させて、液晶の初期配向不良や駆
動電圧印加時のリバースチルトディスクリネーション配
向不良等がない良好な表示品質を得ることができる。

【００５３】また、本発明の水平配向膜の形成方法は、
ＬＢ法によりポリアミック酸と長鎖アルキルアミンとを
反応させてなる化合物の単分子膜を積層し、この積層膜
をイミド化して長鎖アルキル基が残留するポリイミド膜
を形成する方法で、前記ポリアミック酸と長鎖アルキル
アミンとの混合比をあらかじめ設定した単分子膜の積層
数とそのイミド化条件とに応じて制御することにより、
前記ポリイミド膜の長鎖アルキル基の残留割合を制御す
るものであるため、液晶分子を所望のプレチルト角をも
たせて配向させる水平配向膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す液晶表示素子の断面
図。

【図２】ＬＢ法による基板上への単分子膜の積層法を示
す図。

【図３】ポリアミック酸と長鎖アルキルアミンの量をほ
ぼ同じにして形成した水平配向膜の長鎖アルキル基Ｒ₃
の残留状態を模式的に示す図。

【図４】ポリアミック酸の量よりも長鎖アルキルアミン
の量を多くして形成した水平配向膜の長鎖アルキル基Ｒ
₃ の残留状態を模式的に示す図。

【図５】ポリアミック酸と長鎖アルキルアミンとの混合
比と、単分子膜の積層数と、イミド化温度と、形成され
た配向膜の表面張力との関係を示す図。

【符号の説明】

１，２…基板 ４，５…電極 ６，７…絶縁膜 ８，９…ＬＢ法により形成したポリイミド膜からなる水
平配向膜 Ａ…液晶分子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液晶層をはさんで対向する一対の透明基板
   の互いに対向する面に、透明電極と、ラングミュア・ブ
   ロジェット法によりポリアミック酸と長鎖アルキル基を
   有するアミンとを反応させてなる化合物の単分子膜を積
   層してこの積層膜をイミド化処理したポリイミド膜から
   なる水平配向膜とを形成した液晶表示素子であって、前
   記水平配向膜は、前記ポリアミック酸と長鎖アルキル基
   を有するアミンとの混合比を制御して単位面積当たりに
   前記長鎖アルキル基が所定の割合で残留するように形成
   されており、液晶分子が、前記水平配向膜の単位面積当
   たりの長鎖アルキル基残留割合に応じたプレチルト角を
   もって配向していることを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】透明電極を形成した透明基板上に、ラング
   ミュア・ブロジェット法によりポリアミック酸と長鎖ア
   ルキル基を有するアミンとを反応させてなる化合物の単
   分子膜を所定数積層し、この積層膜を所定の条件でイミ
   ド化処理してポリイミド膜からなる水平配向膜を形成す
   る方法であって、 前記ポリアミック酸と長鎖アルキル基を有するアミンと
   の混合比を制御し、単位面積当たりに前記長鎖アルキル
   基を所定の割合で残留させたポリイミド膜からなる水平
   配向膜を得ることを特徴とする配向膜の形成方法。