JPH07261178A - 液晶表示素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は液晶表示素子とその製造方法に関
し、たとえば先願の特願平４−２３６６５２号に開示の
液晶表示素子のような積極的な配向構造を必要としない
液晶表示素子において、ドメインによる表示品質の低下
をなくすことのできる、新規な液晶表示素子とその製造
方法を提供することを目的とする。 【構成】 本発明による液晶表示素子は、液晶分子に対
する積極的配向構造を有さない一対の基板と、前記一対
の基板間に挟まれてマルチドメインを形成する液晶層と
を有し、該液晶層が母材の通常のネマティック相を有す
る液晶と該母材とは異なるスメクティック相状態を有す
る別の液晶とが混合された液晶材料を含む。さらに、本
発明の液晶表示素子の製造方法は、積極的配向処理をし
ない一対の基板を所定間隔で対向配置してセルを形成す
る工程と、通常のネマティック相を有する母材の液晶と
該母材とは異なるスメクティック相状態を有する別の液
晶とが混合された液晶材料を前記セルに注入する工程と
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子とその製造
方法に関し、特に配向膜や配向処理が不要な液晶表示素
子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示ディスプレイ等に使用される液
晶表示素子いわゆる液晶セルは、液晶の特定な分子配列
を電界等の外部からの作用によって別の異なる分子配列
に状態変化させて、その間の光学的特性の変化を視覚的
な変化として表示に利用している。液晶分子をある特定
の配列状態にするために液晶を挟むガラス基板の表面に
は配向処理を行うのが普通である。

【０００３】従来のツイストネマチック（ＴＮ）形液晶
セルなどでは、配向処理として、液晶を挟むガラス基板
を綿布のようなもので一方向に擦るいわゆるラビング法
が採用されている。

【０００４】ラビングの方向は上下の基板間でラビング
方向が互いに直交するように行い、液晶セルがネガ表示
の場合にはセルを挟む平行ニコルの偏光板をその偏光軸
がどちらか一方のラビング方向と平行になるように配置
し、またポジ表示の場合には、直交ニコルの偏光板をそ
の偏光軸が隣接基板のラビング方向と平行になるように
配置する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなラビングで
配向処理をすると、液晶分子の配向方向が一様なため
に、コントラスト特性が画面を見る方向（視角）によっ
て変わる。その場合、観測者から画面を見たときの表示
が見やすい角度が特定の角度範囲に制限される視角特性
が生じる。

【０００６】したがって、このような液晶セルはある方
向からは見えやすく、別の方向からは見えにくいといっ
た視角依存性を持つことになる。このような視角依存性
をもつ液晶セルを表示装置として利用した場合には、表
示画面に対してある角度ではコントラストが極端に低下
し、甚だしい場合には表示の明暗が反転してしまう。

【０００７】そのような視角特性を持つのは、ラビング
によって液晶分子にプレチルトが生じるからである。液
晶分子がプレチルトを持つ方向は、ラビングするベクト
ル方向に一致する。液晶セルに電圧が印加されると、液
晶分子はプレチルトしている方向に立ち上がってくるた
めに、その方向から観測した場合に、旋光性が解消され
やすくなる。したがってベクトルの終端方向が一番見や
すくなる。

【０００８】さらに、ラビングする際には、摩擦による
静電気が発生して配向膜に絶縁破壊が起きたり、その部
分の配向不良によって表示不良の原因となる場合があ
る。また、アクティブ駆動方式を採用する液晶セルで、
ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）などの駆動素子や配線が表
面に形成された基板をラビングする場合には、ラビング
による静電気によって素子や配線が破壊されるという場
合がある。

【０００９】さらに、配向膜形成時やラビング時に微小
なゴミが大量に発生し、そのゴミが静電気によって基板
に付着し、それが液晶セルのギャップ不良や黒点や白点
といった表示不良の原因となる場合がある。

【００１０】この問題を解決するために、本願出願人に
よる特許出願である特願平４−２３６６５２号では、ラ
ビング処理のような積極的な配向構造を持たない液晶セ
ルの構造を提案している。この先出願に開示の方法で
は、セルの基板間のギャップと液晶のカイラルピッチと
を特定の関係となるように配置し、液晶の熱光学効果を
利用して配向をさせている。

【００１１】つまり、液晶を加熱してネマティック液晶
相（Ｎ）からアイソトロピック相（Ｉ）への相転移温度
であるＮ−Ｉ転移点以上の高温の等方相とし、等方性の
液体にした状態でセルに注入し、注入後に常温まで徐冷
して液晶状態つまり液晶相に相転移させて配向させるも
のである。それにより、微小な配向領域すなわちドメイ
ンを多数ランダムに形成していわゆるマルチドメイン構
造を作る。

【００１２】この先の出願の方法では、基本的に配向膜
は不要であり、たとえ配向膜は形成されても配向形成の
ためのラビング処理が不要となるか、あるいはラビング
処理を静電気やゴミの影響の比較的少ない基板側のみに
行うことができる。

【００１３】この先出願の発明の実施例において、例え
ば液晶分子の配向方向が上下基板間で９０°ツイスト
（捩じれ）している、いわゆるツイスト角が９０°のツ
イストネマチック液晶表示素子（ＴＮ−ＬＣＤ）を製造
する場合、液晶セルの厚さｄと、液晶のカイラルピッチ
ｐの関係がｄ／ｐ＝Φ／３６０°＝０．２５となるよう
に調整している。なお、ΦはＴＮ−液晶セルのツイスト
角（９０°）である。

【００１４】つまり、液晶セルのツイスト角Φとセル厚
ｄとによって規定されるカイラルピッチｐを持った液晶
を使用することによりツイスト角９０°のＴＮ−ＬＣＤ
を得ている。具体的にはネマチック液晶に調整された量
のカイラル剤を添加して上記の関係を満たす所望のカイ
ラルピッチｐを得ることが開示されている。

【００１５】ところで、上記先願のマルチドメイン構造
では各ドメインにおける液晶分子の配列方向がランダム
であるために、画面全体としては視角依存性は実質的に
均一ではあっても、部分的には見る方向によって表示品
質が異なる。つまり、画面を斜め方向から見た場合に、
個々のドメイン毎の表示品質の違いが現れる。ドメイン
の大きさが大きいと、ドメイン間の表示品質の違いに基
づくボツボツとした点のような像が画像とは関係のない
模様として肉眼で認識されるようになる。

【００１６】特に、ノーマリホワイトの画面で黒表示の
場合にそのボツボツの見え方が顕著に現れる。図３にそ
のようなボツボツの認識できる表示素子の基板上に形成
された微細なパターンを表す偏光顕微鏡写真を示す。こ
のドメインによるボツボツは液晶表示素子の表示品質を
低下させる原因となる。

【００１７】本発明の目的は、たとえば先願の特願平４
−２３６６５２号に開示の液晶表示素子のような積極的
な配向構造を必要としない液晶表示素子において、ドメ
インによる表示品質の低下を低減することのできる、新
規な液晶表示素子とその製造方法を提供することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による液晶表示素
子は、液晶分子に対する積極的配向構造を有さない一対
の基板と、前記一対の基板間に挟まれてマルチドメイン
を形成する液晶層とを有し、該液晶層が液晶相として単
一相を有する母材の液晶と複数の液晶相の１つとしてス
メクティック相を有する別の液晶とが混合された液晶材
料を含むことを特徴とする。

【００１９】さらに、本発明の液晶表示素子の製造方法
は、積極的配向処理をしない一対の基板を所定間隔で対
向配置してセルを形成する工程と、単一の液晶相を有す
る母材の液晶と、複数の液晶相の１つとしてスメクティ
ック相を有する別の液晶とが混合された液晶材料を前記
セルに注入する工程とを有する。

【００２０】

【作用】液晶材料は通常の母材の液晶とスメクティック
相を有する母材とは異なる別の液晶とを混合してあるた
めに、配向工程において、最初にドメインの核となるも
のが形成される。その核を中心としてドメインが徐々に
成長する。この核の数がドメインの大きさを制御するの
で、ボツボツが認識できない程度までにドメインを小さ
くすることができる。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例の液晶表示素子の構造と製造
方法を以下に説明する。本実施例においては特願平４−
２３６６５２号に開示の方法を使用してツイストネマテ
ィック（ＴＮ）型液晶セルを製作する場合を示す。

【００２２】液晶セルの基板の製造方法には従来の技術
が利用できる。まず、２枚のガラス基板に電極ラインや
駆動素子などを形成する。配向膜を基板に形成すること
は基本的に不要であるが、配向膜を基板の一方あるいは
両方に形成してもよい。ただし、配向膜は形成しても積
極的な配向処理、たとえばラビング処理は行わない。

【００２３】次に、２枚のガラス基板を対向配置し、ギ
ャップ制御材を基板間に配置して基板同士を所定間隔で
固定し、基板の周囲をシールしてセルを製作する。そし
てセルの基板間に液晶材料を注入する。

【００２４】液晶分子は基板との界面でランダムに配向
し、界面から離れるに従って、ｄ／ｐ（ｄ：液晶層の厚
み、ｐ：液晶のカイラルピッチ）で規定されるカイラリ
ティを持ってツイスト構造をとる。これらはマルチドメ
インの各ミクロドメイン毎に同じようなツイストを示す
ので、反対側の界面ではあるツイスト角だけ配向方向が
ずれた同様なマルチドメイン状の配向をする。

【００２５】９０°ツイストのＴＮ型液晶セルに場合に
はカイラルピッチｐと液晶層の厚みｄとの関係は、ｄ／
ｐ＝０．２５となるように設定される。もちろん、この
条件以外のツイスト角の場合でも本願発明は実施でき
る。

【００２６】たとえば、ｄ／ｐ＝０．２５とした場合、
各ミクロドメイン内では２枚の基板間で液晶分子が９０
°ツイストした配列をとる。しかし多数のミクロドメイ
ンを含むマルチドメイン内の界面での配向は、ランダム
にあらゆる方向を向く。

【００２７】本発明の実施例においては、セルに注入す
る液晶材料は母材の液晶と母材とは等方相−液晶相間相
転移温度が異なる液晶とを混合したものを使用する。実
際に製作したセルの場合には、フッソ系のネマティック
液晶（チッソ社製：Ｎ−Ｉ相転移温度＝９８℃、Δｎ＝
０．０９３、液晶相はネマテッイク相のみ）を母材と
し、この母材に別の液晶として室温（２５℃）近傍でス
メクティックＣ^* 相状態を示す液晶（メルク社製ＺＬＩ
−３４８８：等方相−コレステリック相間相転移温度＝
８５℃、コレステリック相−スメクティックＡ相間相転
移温度＝６６℃、スメクティックＡ相−スメクティック
Ｃ^* 相間相転移温度＝６１℃、融点−３０℃以下）を約
５４ｗｔ％混合したものを使用した。

【００２８】なお、これ以外の液晶としてたとえばメル
ク社製ＺＬＩ−３６５４（等方相−コレステリック相間
相転移温度＝８６℃、コレステリック相−スメクティッ
クＡ相間相転移温度＝７６℃、スメクティックＡ相−ス
メクティックＣ^* 相間相転移温度＝６２℃、融点−３０
℃以下）を母材に混合してもよい。母材の液晶と母材に
混合する液晶との混合割合は、ボツボツが目視できなく
なるようなドメインの大きさが得られるように適切な値
が選択されるとよい。原理的には０．１％から９９．９
％の混合比で効果を示す可能性がある。ＺＬＩ−３４８
８とＺＬＩ−３６５４はそれ自体カイラル材の働きをす
るが、ｄ／ｐを調整するためカイラル材を添加してもよ
い。

【００２９】母材液晶と添加液晶の等方相からの相転移
温度は、原理的には同一でもよいが僅かでも異なる方が
好ましいであろうと考えられる。たとえば、少なくとも
１℃、好ましくは３℃、より好ましくは５℃以上異なる
ようにする。但し、相転移の形態自身が大きく異なるた
め、相転移温度より液晶の性質の差の影響が大きいであ
ろう。このような混合液相材料を等方相から徐冷してい
くと、まず最も高い相転移温度を有する液晶材料が液晶
相に相転移するであろう。上述の液晶材料の場合、まず
９８℃で母材液晶材料がネマティック相に相転移するで
あろう。この段階で通常の混合液晶は性質が似通ってい
るため、何らかの平均的性質を示すが、本実施例のよう
に性質が基本的に異なる液晶では平均的性質を創出せ
ず、分離して独自の挙動を示すのであろう。

【００３０】ＩＮ転移の様子を偏光顕微鏡により観察す
ると、確かに核のようなものが発生し、その核が成長し
て転移が進行していくことが判る。上述の混合液晶を用
いれば、その核の数が非常に多く、そのためマルチドメ
インの大きさが小さくなる。

【００３１】液晶材料を注入する際に、液晶材料の温度
を両液晶の最高相転移温度以上の温度に保ちながらアイ
ソトロピック相で注入して、最高の等方相−液晶相間相
転移温度以下に徐々に温度を下げて液晶分子を配向させ
て液晶セルを製作する。

【００３２】さらに、液晶注入口を密封した後、２枚の
偏向板を液晶セル基板の両側から挟む。２枚の偏向板
は、ポジ表示のときは直交ニコル配置、ネガ表示のとき
は平行ニコル配置の関係となるようにそれらの偏向軸が
設定される。

【００３３】図１は本発明による液晶表示素子の製造方
法の実施例のマルチドメインを形成して配向させる工程
中の液晶分子の配向の過程を模式的に示す。但し画素を
駆動するためのＴＦＴや電極は図示を省略してある。

【００３４】図１（ａ）はセルの基板１、２間に上に説
明した等方相−液晶相間相転移温度の異なる液晶を混合
した液晶材料３を注入した状態を示す。注入はアイソト
ロピック相（等方相）で行われるので、液晶分子４はあ
らゆる方向に向いている。

【００３５】セルを徐冷し、高温側（本実施例では母
材）の等方相−液晶相間相転移温度以下にして相転移さ
せる過程で図１（ｂ）に見られるようなネマティック状
態の微小な核５があちこちの部分で発生する。これは、
等方相である添加液晶材料によって母材液晶材料が微細
な領域に分割されているためと考えられる。

【００３６】図１（ｂ）の状態では、ドメインの元とな
る核５個々では内部の液晶分子の配列方向が揃っている
が、核同志の液晶分子の配列方向はバラバラである。こ
の核５の数によって最終的なドメインの大きさが制御で
きると考えられる。

【００３７】さらに徐冷を続けると、図１（ｃ）で示し
たように、その核５を中心として次第に球状のカイラル
ネマティック相があるていど揃った方向に成長してゆき
ドメイン６が形成されると考えられる。

【００３８】さらに徐冷が進行すると、最後に図１
（ｄ）で示すようにすべてのドメインの液晶分子の配列
が平行に揃ってカイラルネマティック状態となり、多数
のドメインの配向方向が互いにランダムなマルチドメイ
ン構造をとる。

【００３９】以上のようにして実際に作製した表示素子
の基板上に形成された微細なパターンを表す偏光顕微鏡
写真を図２に示す。図３の写真と比較して図２の写真の
方が粒状のボツボツ模様は小さく、肉眼では認識できな
い程度となった。

【００４０】なお、母材液晶材料が添加液晶材料よりも
高い等方相−液晶相間相転移温度を有する場合を説明し
たが、添加液晶材料の方が高い等方相−液晶相間転移温
度を有してもよい。この場合は、まず添加液晶材料が液
晶相となって配向する。

【００４１】ただし、先に配向を開始する液晶材料は等
方相から直ちに目的とする液晶相（たとえばネマチック
相）へ相転移することが好ましい。複数回の相転移を経
て目的とする液晶相となるものであっても原理的には問
題ないが、制御が複雑化することになろう。

【００４２】複数種類の液相材料の混合比は、混合液晶
材料を徐冷して一部成分を液晶相とした時、十分小さな
ミクロドメインが均一に得られるように選ぶことが好ま
しい。

【００４３】以上、先出願の特願平４−２３６６５２号
に記載の技術に関連して説明したが、本発明は積極的配
向処理を行わない液晶セル作製の全ての方法に対して有
効である。

【００４４】本発明は以上説明した実施例に限るもので
はなく、上記の開示に基づいて当業者であれば様々な改
良や変更が可能であることは言うまでもない。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、ドメインの大きさを制
御して小さくできるので、マルチドメイン構造でのドメ
イン間の表示品質の差による表示ボツボツを肉眼では見
えなくするようにでき表示品質を向上できる。

【００４６】さらにもちろん、先願の特願平４−２３６
６５２号に記載の発明と同様に、ラビングが不要である
ことにより、以下のような効果が得られる。静電気によ
る素子や配線の破壊が起きず、ゴミの発生や付着による
表示不良を低減することができる。

【００４７】さらに、ラビング処理あるいは積極的配向
処理の工程が不要で、製造コストの低減が可能となる。
さらに、視角特性が全方位にわたってほぼ均一であり観
測者の特定の位置によってコントラストが低下するとい
った不便はなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による液晶表示素子で液晶分子
が配向する過程を示す図である。

【図２】本発明の実施例により製造した液晶表示セルの
基板上に形成された微細なパターンを表す偏光顕微鏡写
真である。

【図３】本発明の実施例と比較するための比較例の液晶
表示素子の基板上に形成された微細なパターンを表す偏
光顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１，２ ガラス基板 ３ 液晶材料 ４ 液晶分子 ５ 核 ６ ドメイン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液晶分子に対する積極的配向構造を有さ
   ない一対の基板と、前記一対の基板間に挟まれてマルチ
   ドメインを形成する液晶層とを有し、該液晶層が液晶相
   として単一相を有する母材の液晶と複数の液晶相の１つ
   としてスメクティック相を有する別の液晶とが混合され
   た液晶材料を含むことを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】 前記別の液晶がスメクティックＣ^* 相状
   態を有する液晶である請求項１記載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】 前記母材の液晶が使用温度範囲でネマテ
   ィック液晶である請求項２記載の液晶表示素子。
4. 【請求項４】 積極的配向処理をしない一対の基板を所
   定間隔で対向配置してセルを形成する工程と、 単一の液晶相を有する母材の液晶と、複数の液晶相の１
   つとしてスメクティック相を有する別の液晶とが混合さ
   れた液晶材料を前記セルに注入する工程とを有する液晶
   表示素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記母材の液晶が使用温度範囲でネマテ
   ィック液晶であり、前記別の液晶がスメクティックＣ^*
   相状態を有する液晶である請求項４記載の液晶表示素子
   の製造方法。
6. 【請求項６】 前記注入工程において、前記液晶材料を
   加熱して等方性状態で前記セルに注入した後、前記液晶
   材料を徐冷して液晶相に相転移させて配向することを特
   徴とする請求項５記載の液晶表示素子の製造方法。
7. 【請求項７】 前記液晶材料を配向させる過程におい
   て、前記液晶材料中にカイラルネマティック状態の液晶
   分子が整列している微小な核を発生させ、該微小な核を
   徐々に成長させてカイラルネマティック状態の液晶分子
   が整列している微小領域を多数形成する請求項６記載の
   液晶表示素子の製造方法。