JPH0862609A - 液晶表示素子の製造方法と液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積極的な配向構造を必要としない液晶表示素
子であって、しかも液晶相で液晶を注入しても表示品質
の低下のない優れた液晶表示素子の製造方法と液晶表示
素子を提供する。 【構成】 製造後は積極的配向構造を有さない基板を少
なくとも一方に含む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、基板間に液晶材料を注入する
工程とを有し、液晶分子の長軸が基板の表面に対して垂
直になる状態で注入を完了する。液晶分子を垂直に配向
するために、側鎖付きのポリイミド膜あるいはシランカ
ップリング剤を用いることができる。

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の製造方法
と液晶表示素子に関し、特に基板面内の一方向への積極
的配向処理を用いず、しかも表示品質が優れた液晶表示
素子を提供できる製造方法と液晶表示素子に関する。

【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。ラビングの効果を明らかにするた
め、基板表面にポリイミド等の配向膜を形成する場合が
多い。

【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配置の一対の偏光板をその偏
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、直交配置の一対の偏
光板をその偏光軸が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
配向処理をした場合、液晶分子の配向方向が一様なため
に、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】液晶セルが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、その方向が電気ベクトルとなる方向から観測した
場合、旋光性が解消されやすくなる。

【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、平成４年９月
４日付で出願された特許出願である特願平４−２３６６
５２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。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液晶分子
を配向させている。

【００１１】つまり、液晶の相転移温度以上に液晶材料
を加熱して等方性の液体にした状態つまり等方相でセル
に注入し、その後冷却して液晶状態つまり液晶相に相転
移させて自然配向させる。基板上に配向構造がないの
で、微小な配向領域すなわちドメインを多数ランダムに
形成する。液晶層の厚さ方向は寸法が小さいので、カイ
ラルピッチに従って配向する。

【００１２】一対の偏光板の配置は、ポジ表示の場合に
は直交配置、ネガ表示の場合には平行配置とする。基板
面内にはラビング方向のような基準方向がないことから
視角特性が均一となる。この方法では、たとえ配向膜は
形成されても配向機能を与えるためのラビング処理が不
要となる。

【００１３】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い、他方の基板にはラビングを
施さず、相転移温度以上の温度で液晶を注入し、その
後、冷却することもできる。この場合は、ラビングした
基板によって液晶の配向方向が定まる。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】特願平４−２３６６５２号に開示の液晶表
示素子の方法によると、液晶セルへの液晶材料の注入
は、ネマチック液晶相（Ｎ）から等方相（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で行い、
注入後に常温まで冷却して液晶相としている。

【００１７】ところで、液晶セルへの液晶材料の注入を
等方相ではなく、従来の技術のように常温の液晶相のま
まで行った場合には、注入時の液晶の流れにそった流動
パターンが基板面に残る。

【００１８】流動パターンは液晶の流れ模様が縞状に残
ったものであり、目に見える大きな表示欠陥となる。こ
の流動パターンは、一旦形成されてしまうと消えにくい
性質を持ち、熱処理などによっても容易に消し去ること
はできない。この流動パターンはメモリ効果とも呼ば
れ、表示品質を低下させる。

【００１９】また、等方相で液晶材料をセルに注入する
場合には、セルを高温に加熱する必要がある。なぜな
ら、常温下で使用する液晶表示装置では、使用動作温度
範囲では液晶はネマティック相もしくはスメクティック
相の液晶相でなければならない。従って、等方相となる
Ｎ−Ｉ点以上の温度は常温よりもかなり高温（例えば、
９０℃以上）になる。そのような高温で液晶をセルに注
入する場合には高温に起因する様々な問題がある。

【００２０】さらに、通常の液晶注入方法としては真空
注入が広く行われている。これは真空槽内において、所
定真空度に排気した状態でその中に配置された液晶中に
液晶セルにの注入口を浸し、次に真空を破ることによっ
て液晶材料を注入口からセル内に充填する方法である。

【００２１】真空注入法では、真空中に液晶成分が飛び
易く、特に高温になっている場合にその傾向が強くな
る。従って、真空注入法で等方相の液晶を注入をすると
液晶中の成分が蒸発して組成が変化し、所望の液晶を注
入することが困難になる。

【００２２】一方、毛細管現象を利用した液晶注入を行
えば、所望の液晶を注入することができるが、この方法
では液晶セル内に気泡が残り易い。特に、ＴＦＴを形成
したような表面に凹凸のある基板のセルの場合や、表示
画面の大きなセルに注入を行う場合に気泡が残り易い。
この気泡が残った部分はやはり表示欠陥となる。

【００２３】配向構造を設けず、等方相での注入や真空
注入法を利用して製造した液晶セルは、セル全面にわた
って微小なマルチドメインが発生する。このマルチドメ
インは個々のドメインのダイレクタの向きによって表示
の視角依存性が異なっている。

【００２４】従って、ドメインサイズが大きい場合（＞
１０μｍ）、液晶セルに電圧を印加して駆動させ画面正
面に対して斜め方向から表示画面を見ると、ドメインに
よる視角特性の違いがボツボツとした点のように肉眼で
も認識できるようになる。特にノーマリホワイトの黒表
示の場合にそのボツボツがはっきり認識されるようにな
り、表示品位を著しく低下させる。

【００２５】本発明の目的は、例えば特願平４−２３６
６５２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、低温で液晶を
注入でき、しかもボツボツ表示のような表示品質の低下
のない優れた液晶表示素子を得ることのできる製造方法
を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明による液晶表示素
子の製造方法は、製造後は積極的構造を有さない基板を
少なくとも一方に含む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、前記セルの前記基板間に液
晶材料を注入する工程とを有し、該注入する工程におい
て、前記液晶材料の液晶分子の長軸が前記基板の表面に
対して垂直になる状態で前記注入を完了させることを特
徴とする。

【００２７】さらに、本発明による液晶表示素子は、所
定間隔で対向配置された一対の基板と、該一対の基板間
に挟まれた液晶層からなる液晶表示素子において、前記
一対の基板の少なくとも一方の表面に形成された側鎖付
きのポリイミドまたはシランカップリング剤の配向膜を
有し、液晶層が基板面内で特定の配向方向を有さず、ラ
ンダムな方向に配向した微小領域の集合を形成してい
る。

【００２８】

【作用】一般に、液晶分子は分子の長軸が基板面に対し
て水平に並び易い性質（水平配向）がある。このような
性質のもとで液晶材料を液晶相で液晶セルに注入する
と、流動配向が生じる。

【００２９】しかし、液晶分子の長軸が基板面に対して
垂直に立った状態（垂直配向）で液晶の注入を完了する
と、液晶の状態によらず流動配向は生じない。この性質
を利用して、垂直配向状態で液晶材料をセルに注入し、
注入完了後に液晶分子を水平配向に戻せばよい。こうし
て得られる配向は、特願平４−２３６６５２号の方法で
液晶を等方相で注入した場合に比べより微細なマルチド
メイン配向を得ることができる。ドメインサイズが微小
化するためにドメインによる視角特性の違いによるボツ
ボツした表示が見えなくなる。

【００３０】垂直配向で流動配向が生じない理由は、方
位角方向のアンカリングエネルギが非常に小さいためと
考えられる。そのため、注入方向に異方性があっても、
液晶分子の向きはランダムになる。

【００３１】マルチドメインが微細になる理由は良く判
っていないが、特願平４−２３６６５２号に記載の方法
で得られる配向には、マルチドメイン同士の境界線が集
中するポイント（ディスクリネーションポイント）が存
在し、そのポイントでは顕微鏡観察などから液晶分子は
ほぼ垂直配向しているものと考えられる。

【００３２】このディスクリネーションポイントは一種
の歪点と考えられ、液晶分子がランダムに配向してゆく
過程でうまく並びきれなかった部分が最後に垂直に並ん
でしまう点と考えられる。垂直配向する配向膜を使用し
た場合には、液晶層中にこのような歪点が生じ易いもの
と考えられる。但し、詳細はまだ不明である。

【００３３】

【実施例】本発明の実施例による液晶表示素子の製造方
法の具体例を、図１を参照して以下に説明する。液晶表
示素子の製造方法において、空セルへの液晶注入と配向
処理工程を段階を追って示す。なお図においてはＩＴＯ
（インジウム錫酸化物）電極やＴＦＴ（薄膜トランジス
タ）素子等は図示を省略してある。

【００３４】垂直配向を得る方法としては、側鎖付きの
ポリイミド膜などを用いる場合と、シランカップリング
剤などを用いる場合があり、これらを配向膜として形成
するといずれもアルキル鎖などの側鎖が基板面に対して
垂直に延びているような表面状態を有する。この側鎖に
沿って液晶分子が垂直配向する。この垂直配向状態を安
定して得られる条件は限られており、熱処理などによっ
て容易に水平配向状態にすることができる。

【００３５】本実施例においては、配向膜の材料として
アルキル側鎖を有するポリイミドを用いた。このポリイ
ミド材料を膜厚約５０ｎｍでＩＴＯ電極等が形成された
ガラス基板１の上に形成し、配向膜２とした。

【００３６】もう一つの基板３にも同様な配向膜２を形
成し、２枚の基板１，３を５μｍのセル厚となるように
調節して対向配置し、両者を張り合わせて空セル４を形
成する（図１（Ａ））。

【００３７】なお、この液晶セルの電極や駆動素子の形
成については、従来の技術によるプロセスがそのまま利
用できる。この空セル４に従来の真空注入法により注入
口５からカイラルネマチック液晶材料６を室温（２５
℃）でネマチック相状態で注入する。この場合、９０°
ツイストの配向を得るために液晶材料６はセル４のギャ
ップをｄとし、液晶のカイラルピッチをｐとした場合
に、ｄ／ｐ＝１／４となるようにカイラル剤（フッソ混
合系、Ｎ−Ｉ転移点９８℃）を含ませて調整されてい
る。

【００３８】注入時の液晶分子の向きは決まってはいな
いが（流れ易さの点から、少なくともバルクの液晶分子
は水平方向に注入されると思われる）、注入終了と共に
すべての液晶分子７は完全に基板面に対し垂直配向し、
流動配向は観測されない。なお、図においては液晶分子
７の大きさは理解を分かり易くするために誇張して描い
てある（図１（Ｂ））。

【００３９】基板１あるいは３の表面に塗布されたアル
キル側鎖を有するポリイミド膜は、図２（Ａ）に示すよ
うに、基板１１に平行なポリイミド主鎖９と基板面に垂
直なアルキル主鎖１０の構造を持つ。液晶分子１２は、
ほぼ同じ分子長を持つこのアルキル主鎖に沿って基板に
垂直に配向すると考えられる。

【００４０】液晶材料６がセル４内に完全に充填された
後、セル４の液晶注入口６を封止する。その後、セル４
をヒータのような加熱装置８で加熱する。加熱は、１８
０°Ｃで２時間行った。ここで加熱温度が液晶のＮ−Ｉ
転移点以上であるため、液晶材料６は等方性の状態とな
る。また、この加熱によりポリイミド膜のアルキル鎖
は、切断されるか変形してしまう。通常、アルキル鎖の
少なくとも一部は、残るが、垂直配向の機能は失ってし
まうものと考えられる。なお、これらのアルキル鎖の破
片は、液晶分子に特に悪影響を与えるものではない（図
１（Ｃ））。

【００４１】その後、セル４を冷却して液晶材料６を等
方相から液晶相に相転移させて配向しマルチドメインを
形成する。配向膜２の液晶分子７を垂直に配向させる効
果が失われている為、液晶分子７は水平に再配向される
（図１（Ｄ））。

【００４２】以上説明した実施例の方法により実際に液
晶表示素子を製造した結果、液晶セルを顕微鏡下でみる
と特願平４−２３６６５２号の方法で作製した液晶セル
と同様のランダムな水平配向のマルチドメイン構造が形
成されており、しかもそのドメインの大きさはさらに小
さく、極めて微細であった。

【００４３】さらに、製作したセルに電圧を加えノーマ
リホワイトの時の黒表示を観察した所、ドメインによる
視角特性の違いによるボツボツとした表示欠陥は全く認
識できなかった。

【００４４】本実施例で作製した液晶セルの電気光学的
効果は、しきい値Ｖｔｈ＝１．１Ｖと通常よりやや低
く、レスポンスはτｒｉｓｅ＝１３ｍｓｅｃとやや速
く、τｄｅｃａｙ＝３５ｍｓｅｃとやや遅い特性であっ
た。これらの特性は実用上問題のないものである。

【００４５】なお、配向膜２の材料としてシランカップ
リング剤を用いても、同様な効果を得ることができる。
図２（Ｂ）に示すように、基板面に形成したシランカッ
プリング剤は、基板１１に平行なシリコン鎖１３と基板
面に垂直なアルキル主鎖１４の構造を持つ。セルに注入
された液晶分子１２は、ほぼ同じ分子長を持つこのアル
キル主鎖に沿って基板に垂直に配向すると考えられる。

【００４６】さらに、本実施例では一対の基板の両方に
配向膜を形成したが、一方の基板のみに配向膜を形成し
た場合でも同様な効果が得られる。以上、特願平４−２
３６６５２号に記載の技術に関連して説明したが、本発
明は特願平４−４７３２２号に記載のような少なくとも
一方の基板に積極的配向処理を行わないような液晶セル
に利用することもできる。

【００４７】例えば、一方の基板はラビング、他方の基
板はラビングフリーの場合、配向膜をラビングフリーの
基板面に形成することで上記実施例と同様な効果を得る
ことができる。この場合の液晶表示素子の製造工程を図
３に示した。製造工程の詳細な条件はほぼ前記実施例に
準ずる。

【００４８】まず、ＩＴＯ電極が形成された一対のガラ
ス基板の一方の基板１の面をラビングする。ラビングを
行っていないもう一方の基板３の面に配向膜２としてア
ルキル側鎖を有するポリイミド膜を形成する（図３
（Ａ））。

【００４９】液晶を注入口５よりセルに注入すると配向
膜２に接する面にある液晶分子７は、基板面に垂直に配
向し、ラビングを行った基板面上液晶分子は、ラビング
方向に配向される（図３（Ｂ））。

【００５０】液晶材料６をセル内に充填した後、液晶注
入口を封止する。加熱装置８で液晶のＮ−Ｉ転移点以上
に加熱すると液晶材料６は、ラビングを行った基板面に
接する液晶分子を除いて等方性の状態となる（図３
（Ｃ））。

【００５１】セルを冷却し、液晶材料６を等方相から液
晶相に相転移させると、配向膜は、液晶分子を垂直に配
向させる効果を失っており、ラビングを行った基板側か
ら液晶分子は、水平に再配向される（図３（Ｄ））。図
は、液晶がカイラル剤を添加したネマチック液晶であ
り、基板内で９０度のツイストを示す場合を表してい
る。カイラル剤を調整することにより他のツイスト角を
示すようにすることもできる。

【００５２】以上の説明における材料や数値はあくまで
も例示であって、本発明は説明した実施例のものに限る
ものではなく、以上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。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、等方相で液晶材料を注
入する必要はなく、低温の液晶相で液晶を注入できるの
で高温にまつわる問題がなくなる。

【００５４】ドメインサイズが微小化するために、ドメ
インによる視角特性の違いによるボツボツとした表示欠
陥は全く認識できなくすることができて高品質な表示素
子が得られる。

【００５５】高温真空注入や毛細管現象を利用した液晶
注入法を用いる必要がなく、一般的な真空注入法で注入
できるため、通常用いられている装置での製作が可能で
ある。

【００５６】本発明の効果は、特に基板表面に凹凸があ
るものや、大画面ディスプレイを作製する場合に有効で
ある。さらにもちろん、特願平４−２３６６５２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。

【００５７】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。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。

【００５８】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】実施例による液晶表示素子の製造工程を説明す
る断面図である。

【図２】実施例に用いた配向膜の構造を示す図である。

【図３】別の実施例による液晶表示素子の製造工程を説
明する断面図である。

【符号の説明】

１、３ ガラス基板 ２ 配向膜 ４ 空セル ５ 注入口 ６ 液晶材料 ７ 液晶分子 ８ 加熱装置 ９ ポリイミド １０、１４ アルキル基 １１ ガラス基板 １２ 液晶分子 １３ シリコン鎖

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 製造後は積極的構造を有さない基板を少
   なくとも一方に含む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、 前記セルの前記基板間に液晶材料を注入する工程とを有
   し、該注入する工程において、前記液晶材料の液晶分子
   の長軸が前記基板の表面に対して垂直になる状態で前記
   注入を完了させることを特徴とする液晶表示素子の製造
   方法。
2. 【請求項２】 前記基板の少なくとも一方の表面に側鎖
   付きのポリイミド膜を配向膜として用いて前記基板の表
   面に対して該側鎖が垂直に延びるように形成し、前記液
   晶材料の注入工程において前記液晶分子が該側鎖にそっ
   て配向させることを特徴とする請求項１に記載の液晶表
   示素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記基板の少なくとも一方の表面に側鎖
   付きのシランカップリング剤を配向膜として用いて前記
   基板の表面に対して該側鎖が垂直に延びるように形成
   し、前記液晶材料の注入工程において前記液晶分子が該
   側鎖にそって配向させることを特徴とする請求項１に記
   載の液晶表示素子の製造方法。
4. 【請求項４】 前記液晶材料の注入が完了した後、前記
   配向膜と前記液晶材料とを加熱して液晶分子の配向方向
   を前記基板表面に対して垂直の状態から水平の状態に変
   える工程を有する請求項２あるいは３に記載の液晶表示
   素子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記液晶材料を注入する工程において、
   前記液晶材料は液晶相の状態で注入され、前記液晶材料
   の加熱により前記液晶材料を等方性にし、前記加熱の
   後、前記セルを冷却して前記液晶分子を再配向させるこ
   とを特徴とする請求項４に記載の液晶表示素子の製造方
   法。
6. 【請求項６】 前記液晶材料がカイラルネマチック液晶
   を含み、前記加熱温度が前記カイラルネマチック液晶の
   相転移温度（Ｎ−Ｉ点）以上である請求項５に記載の液
   晶表示素子の製造方法。
7. 【請求項７】 所定間隔で対向配置された一対の基板
   と、該一対の基板間に挟まれた液晶層からなる液晶表示
   素子において、前記一対の基板の少なくとも一方の表面
   に形成された側鎖付きのポリイミド膜の配向膜を有し、
   液晶層が基板面内で特定の配向方向を有さず、ランダム
   な方向に配向した微小領域の集合を形成している液晶表
   示素子。
8. 【請求項８】 所定間隔で対向配置された一対の基板
   と、該一対の基板間に挟まれた液晶層からなる液晶表示
   素子において、前記一対の基板の少なくとも一方の表面
   に形成された側鎖付きのシランカップリング剤の配向膜
   を有し、液晶層が基板面内で特定の配向方向を有さず、
   ランダムな方向に配向した微小領域の集合を形成してい
   る液晶表示素子。