JPH11149081A

JPH11149081A - 液晶素子

Info

Publication number: JPH11149081A
Application number: JP33081397A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Aoyama; 和弘青山; Maki Sunaga; 眞樹須永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-06-02

Abstract

(57)【要約】【課題】基板間に選択的に設けられる構造体周辺の配
向不良、反転不良の欠陥を防ぐことが可能となり、表示
特性に優れた液晶素子を提供する。【解決手段】相対向する一対の基板１ａ、１ｂ間に液
晶９を挟持してなる液晶素子であつて、該一対の基板１
ａ、１ｂが接着粒子６等の構造体を介して対向し、該接
着粒子６のゼータ電位が負である液晶素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フラットパネルデ
ィスプレイ、プロジェクションディスプレイ、プリンタ
ーなどに使用される液晶素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、最も広範囲に用いられてきて
いるディスプレイとしてＣＲＴが知られており、ＴＶや
ＶＴＲ等の動画出力、あるいはパソコンのモニターとし
て広く用いられている。しかしながら、ＣＲＴはその特
性上、静止画像に対してはフリッカや解像度不足による
走査縞などが視認性を低下させたり、焼き付きによる劣
化が起こつたりする。また、最近ではＣＲＴが発生する
電磁波が人体に悪影響を及ぼすことが分かり、ＶＴＤ作
業者の健康を害する恐れがある。さらに構造上画面後方
に広い体積を有するためオフイスや家庭の省スペース化
を阻害している。

【０００３】この様なＣＲＴの欠点を解決するものとし
て液晶表示素子がある。例えば、ＴＮ液晶を用いた液晶
表示素子の一つとしてコスト面で優位性を持つ単純マト
リクスタイプのものがある。この液晶表示素子は画素密
度を高くしたマトリクス電極構造での時分割駆動時に、
クロストークを発生するという問題点を有しているた
め、画素数が制限されていた。また、近年、広範に用い
られてきている液晶表示素子としては、各画素毎にＴＦ
Ｔを備えたパネルが代表的である。このＴＦＴタイプに
おいて不十分な点として、視野角特性が狭いこと、大面
積プロセスが困難なこと、駆動電力が高いことなどがあ
げられる。

【０００４】これらの欠点を解決する手段として、クラ
ーク（Ｃｌａｒｋ）およびラガーウオル（Ｌａｇｅｒｗ
ａｌｌ）らにより提案された双安定性を示すカイラルス
メクチック液晶を用いた表示素子（特開昭５６−１０７
２１６号公報、米国特許第４３６７９２４号明細書）の
応用開発が進められている。

【０００５】この双安定性からなる液晶としては、一般
にカイラルスメクチックＣ層またはカイラルスメクチッ
クＨ層からなる強誘電性液晶が用いられている。この強
誘電性液晶は自発分極により反転スイッチングを行うた
め、メモリー性のある双安定性を実現できる。このため
単純マトリクス構成においてデューテイー比の小さいパ
ルス駆動が可能で、ＴＦＴタイプよりも低電力駆動が可
能である。また、マトリクス構成が容易に採用できるた
め、大面積化が容易に実現できる。さらに強誘電性液晶
の大きな特徴である視野角の広さがあるため、ＴＦＴタ
イプの弱点を補うことが可能となる。

【０００６】この様なカイラルスメクチック液晶を用い
た表示素子においては、例えば「強誘電性液晶の構造と
物性」（コロナ社、福田敦夫、竹添秀雄著、編、１９９
０年）に記載されているようにジグザグ状の配向欠陥が
発生してコントラストを著しく低下させるという問題が
あつた。この欠陥は上下基板間に担持されたカイラルス
メクチック液晶の層構造が２種類のシェブロン構造を形
成していることに起因している。最近、この様な欠点を
持つシエブロン構造を改良し、ブックシェルフといわれ
る層状構造あるいはそれに近い構造を現出させ、高コン
トラストで良好な液晶素子を実現しようという動きがあ
る。（例えば、「次世代液晶ディスプレイと液晶材料」
（株）シーエムシー、福田敦夫編、１９９２年）

【０００７】ブックシェルフあるいはそれに近い構造を
現出させる液晶材料としては、パーフルオロエーテル側
鎖を持つ液晶化合物（米国特許第５２６２０８２号、国
際出願特許ＷＯ９３／２２３９２号、１９９３年第４回
強誘電性液晶国際会議Ｐ−４６、Ｍａｌｋ．Ｄ．Ｒａｄ
ｃｌｉｆｆｅら）が開示されている。この液晶は、電場
などの外部場を用いずともブックシエルフあるいはそれ
に近い層傾き角の小さな構造を現出することができ、高
速、高精細、大面積の液晶素子、表示装置に適してい
る。

【０００８】カイラルスメクチック液晶を用いたパネル
においては、一対の基板がその周縁部でシール材により
接着され、また基板内にスペーサーが選択的に配置され
基板内のギャップが維持されている。しかし、かかるカ
イラルスメクチック液晶を用いたパネルは、外部からの
衝撃により上下基板間にずり応力が働き層構造が破壊さ
れるために、配向状態が損なわれるという本質的な欠点
を有している。そのため上下基板を何らかの方法で接着
し、外部からの衝撃に対しての変形を最小限にする手法
を取っている。例えば、パネル全体に上下基板のズレを
抑制するために、微小接着粒子を散在させることで全体
的な強度を確保するようにしている。

【０００９】前述の接着粒子やセルギャップを維持する
ために用いるスベーサーは、一般に湿式（ウェット）あ
るいは乾式（ドライ）散布が行われている。湿式散布で
は材料をエタノールやイソプロピルアルコール等の揮発
性の溶剤に分散させ、これを窒素ガス等によりノズルか
ら噴霧している。乾式では空気や窒素ガス等の気体に分
散した材料を基板に散布している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような液晶パネル
では、一対の基板間のセルギャップの維持のためスペー
サーあるいは一対の基板間の接着のために、接着粒子や
シール材といった構造体が選択的にが存在すること自
体、または液晶の自発分極の存在がこれら構造体周辺で
の液晶中の電荷の偏在を誘引し、構造体周辺での液晶の
スイッチング不良（反転不良）の領域が発生する。そこ
で本発明では、一対の基板間に選択的に設けられた構造
体表面の電位を調整することで、構造体周辺の反転不良
等のスイッチング特性を抑制することを目的としたもの
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、相対向
する一対の基板間に液晶を挟持してなる液晶素子であつ
て、該一対の基板が選択的に設けられた構造体を介して
対向し、該構造体のゼータ電位が負であることを特徴と
する液晶素子である。

【００１２】本発明においては、前記構造体は所定の母
材の表面を処理し、該表面のゼータ電位を調整したもの
であることが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、相対向する一対の基板
上に少なくとも一方に電圧を印加するための電極、配向
制御膜を有した一対の基板、および前記基板間に液晶を
配置して構成される液晶素子において、一対の基板（上
下基板）間に選択的に設けられた構造体の表面電位を規
定したものであり、該構造体の表面のゼータ電位を負に
することにより該構造体周辺の配向不良、反転不良の欠
陥を防ぐことが可能となる。

【００１４】以下、本発明を詳細に説明する。図１は、
本発明の液晶素子の構成の一実施形態を示す概略図であ
る。同図に示すように、液晶素子１０は、一対のガラ
ス、プラスチック等からなる基板ｌａ及びｌｂ間に液晶
９を挟持した構造となっている。

【００１５】基板ｌａ、ｌｂには、夫々液晶９に電圧を
印加するための、ＩＴＯ等の材料からなる電極４ａ，４
ｂがストライプ状に形成されており、例えばこれらが互
いに交差してマトリックス電極構造を形成している。ま
た、電極４ａ，４ｂ上には、液晶９に接し、この配向状
態を制御するように機能する配向制御膜５ａ、５ｂが形
成されている。該配向制御膜５ａ、５ｂとしては、少な
くとも一方に一軸配向処理が施された膜が適用される。

【００１６】一軸配向制御膜の形成方法としては、例え
ば、基板上に溶液塗工または蒸着あるいはスパッタリン
グ等により、一酸化珪素、二酸化珪素、酸化アルミニウ
ム、ジルコニア、フッ化マグネシウム、酸化セリウム、
フッ化セリウム、シリコン窒化物、シリコン炭化物、ホ
ウ素窒化物などの無機物や、ポリビニルアルコール、ポ
リイミド、ポリイミドアミド、ポリエステル、ポリアミ
ド、ポリエステルイミド、ポリパラキシレン、ポリカー
ボネート、ポリビニルアセタール、ポリビニルクロライ
ド、ポリスチレン、ポリシロキサン、セルロース樹脂、
メラミン樹脂、ウレア樹脂、アクリル樹脂などを用いて
被膜形成した後、表面をビロード、布等で摺擦（ラビン
グ）することにより得られる。またＳｉＯなどの酸化物
あるいは窒化物などを基板の斜方から蒸着する斜方蒸着
なども用い得る。

【００１７】一対の基板ｌａ、ｌｂは、その周縁部にお
いてエポキシ樹脂等の材料からなるシール材３、及び該
シール材３により決定された領域内（特に表示領域内）
で、基板間の距離（セルギャップ）を決定する、シリカ
等の硬質材からなるスペーサー８、及び基板間を接着し
セルギャップの一定化を図るべく接着性の樹脂材料から
なる接着粒子６等の選択的に設けられた構造体を介し
て、液晶９を挟持している。

【００１８】かかる構造体の少なくとも一部材は、その
周辺に生じ得る配向不良、液晶のスイッチング特性、特
に前述したカイラルスメクチック液晶での反転不良を改
善すべく、表面のゼータ電位が負となるものが用いられ
る。かかる構造体のうち接着粒子の具体例としては、例
えば、エポキシ樹脂等の接着粒子の表面を水酸化アルミ
ニウムや酸化亜鉛で処理したもの、ＰＶＤＦ樹脂（２−
フッ化ビニリデン）によりコーティングしたもの、テフ
ロン粒子を付着させたものが用いられる。ゼータ電位が
負のスペーサーの具体例としては、シリカ等の硬質材の
表面をＰＶＤＦ樹脂によりコーティングしたものが挙げ
られる。シール材の具体例としては、シール材の中に上
述の水酸化アルミニウムや酸化亜鉛を混合したものが挙
げられる。

【００１９】構造体のゼータ電位は−１３ｍＶ以下の範
囲となるよう調整することが望ましい。下限としては液
晶の駆動特性を考慮し、好ましくは−５００ｍＶ程度で
ある。

【００２０】溶液中に分散しているコロイド粒子のよう
な微小粒子の多くは、表面極性基の解離やイオンの吸着
によって電気的に、正または負に帯電している。そのた
め、コロイド粒子のまわりに拡散電気二重層と呼ばれる
イオン雲が存在し、このイオン雲の中には粒子の表面電
荷と反対符号の電荷を持つ電解質イオン（対イオンと呼
ぶ）が、同符号のイオン（副イオンと呼ぶ）に比べ圧倒
的に多く存在する。この系に外部から電場をかけるとコ
ロイド粒子はその電荷の符号と反対方向に電気泳動す
る。この泳動速度、印加電圧（電場）の強さと流体力学
的な効果（溶媒の粘度、誘電率等）を考慮に入れて計算
される電位がゼータ電位である。（「ゼータ電位微粒
子界面の物理化学」サイエンティスト社、北原文雄ら、
１９９５年）ゼータ電位は、分散、凝集、安定性および
粒子の機能性の制御の指標として、重要な情報源となっ
ている。

【００２１】上記構造体のゼータ電位については、例え
ば電気泳動法により求められた値を示す。電気泳動法は
粒子のゼータ電位を求めるために広く用いられており、
帯電したコロイド粒子に電場を作用させると運動するこ
とを利用している。この時、単位電場当りの粒子の電気
泳動度、即ち粒子の泳動度（移動度）をＵｅ（ｍ²Ｖ^-1
Ｓ^-1）とすると、Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉの式を適用
できれば、ゼータ電位ζは

【００２２】

【数１】ζ＝ηＵｅ／ε_rε₀ となる。ηは媒質の粘性率、ε_rは媒質の比誘電率、ε₀
は真空の誘電率である。水系で２５℃の時、ＳＩ単位系
では、ζ＝１２．８Ｕｅ×１０⁸ｍＶで求められる。従
って、粒子の電気泳動度を測定すればゼータ電位が求ま
る。

【００２３】また、構造体が板状もしくはシート状であ
る場合、サンプルのゼータ電位について、サンプルの表
面電位によって、接する液体（モニター粒子）に生じる
電気浸透流を利用して、固体表面のゼータ電位を求める
ことができる。

【００２４】尚、かかるゼータ電位が負である構造体
は、特公平２−３６９３０号公報、特開昭６１−７８２
２号公報に示すような一対の基板間に融壁構造を有する
液晶セルにおける融壁に適用することができ、かかる融
壁周辺の周辺配向を改善するといった効果をもたらす。

【００２５】上記構造体のうち、スペーサー８の粒径は
好ましくは１〜１０μｍ程度、そして素子内において好
ましくは２００〜４００個／ｍｍ²の密度で分散配置さ
れ、接着粒子６の粒径は好ましくは５〜２０μｍ程度、
そして７０〜２６０個／ｍｍ ²の密度で分散配置され
る。

【００２６】上記構造体のうち接着粒子は特に基板間を
接着固定し、スペーサーにより決定されるセルギャップ
を均一に保つ機能を奏し、１個あたりの基板に接する平
面積がより大きいため少なくともそのゼータ電位を負と
し、周辺での配向不良、反転不良の発生を防止すること
で表示品位の向上に顕著な効果がもたらされる。

【００２７】液晶９としては、例えば、カイラルスメク
チック液晶等が用いられる。該液晶の具体例としては、
より高いコントラストを得るべく、フルオロカーボン部
分及び炭化水素末端部分を有し、該両末端部分が中心核
によつて結合され、スメクチック中間相又は潜在的スメ
クチック中間相を持つフッ素含有液晶化合物を含有する
液晶組成物が用いられる。また、液晶９として、反強誘
電性液晶を用いることもできる。

【００２８】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明
する。

【００２９】実施例１図１に示す構成の液晶素子を作成した。本実施例におい
て、ガラスからなる基板ｌａ、ｌｂの表面にはそれぞれ
１００ｎｍ厚のＩＴＯ膜をスパッタ法によって形成し、
フォトリソ法によってストライプ状にパターニングして
電極（透明電極）４ａ、４ｂを形成した。

【００３０】この上に、基板ｌａには下記の構造を有す
るポリイミド膜を、スピンナー塗布・加熱焼成処理によ
り約５ｎｍの厚さで形成した。

【００３１】

【化１】

【００３２】上記ポリイミド膜表面にナイロンパイルを
有するラビング布で、ラビングローラーの回転数を１０
００ｒｐｍ、ラビング布の押し込み量を０．３ｍｍ、基
板の送りを５０ｍｍ／ｓｅｃとし、片方向２回のラビン
グ処理を行い、配向制御膜５ａとした。。

【００３３】一方、基板ｌｂには、アンチモンドープの
ＳｎＯ₂ 超微粒子（粒径約１０ｎｍ）を分散したシリカ
溶液をスピンナーで塗布し、加熱乾燥処理を施し、約１
５０ｎｍの厚さの配向制御膜５ｂを形成した。

【００３４】基板ｌａにスペーサとして、触媒化成工業
株式会社製：眞絲球（平均粒径２．４μｍ）を３００個
／ｍｍ²密度で湿式散布し、基板ｌｂには接着粒子を分
散媒としてイソプロピルアルコールを用い、１３０個／
ｍｍ²の密度で湿式散布した。接着粒子として、東レ株
式会社製：接着粒子（トレパール、平均粒径５．５μ
ｍ）の表面に日本軽金属株式会社製：水酸化アミニウム
Ｂ−１４０３を付着したものを用いた。

【００３５】さらに、基板ｌｂにシール材として三井東
圧化学株式会社製：ストラクトボンドＸＮ−２１Ｆを塗
布し、透明電極４ａ，４ｂが互いに直交するように貼り
合わせて空セルを作成した。この空セルの液晶注入口よ
り下記に示すフッ素含有液晶組成物を注入し素子（セ
ル）を作製した。

【００３６】尚、基板サイズとシール材の塗布形状は図
２のように設定した。シール材の塗布後、一対対の基板
をはりあわせ、基板の両短辺に注入口２１、流出口２２
を設け空セル（パネル）の状態で真空引きした後、注入
口側２１を２気圧、流出口２２側を１気圧としてセルを
１０５℃に保って差圧によりセル内に液晶を注入した。
注入後、注入口２１、流出口２２を三井東圧化学株式会
社製：ストラクトボンドＥＷ−４６０ＮＦにより封止し
た。

【００３７】本発明で用いた液晶組成物を構成する液晶
化合物を以下に示す。

【００３８】

【化２】

【００３９】本組成物（重量比：化合物Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ
／Ｅ＝４６／１５／３０／５／２）の物性パラメーター
を以下に示す。

【００４０】

【数２】

【００４１】ここで用いたスペーサー、接着粒子のゼー
タ電位はイソプロピルアルコール中で、大塚電子株式会
社製、ＬＥＺＡ−６００により測定した。この測定系で
は、電気泳動光散乱法（レーザードップラー方式）を用
いて、粒子のゼータ電位を求めるものである。その結
果、スペーサのゼータ電位は１０．５ｍＶ、接着粒子の
ゼータ電位は−１３．３ｍＶであった。

【００４２】この液晶セルを偏光顕微鏡下で観察し、配
向欠陥および反転不良の評価を下記の基準により行なっ
たところ、本例では接着粒子周辺から配向欠陥や反転不
良の欠陥は全く認められなかった。但し、スペーサーに
ついては配向不良の状態であったが反転不良の欠陥は生
じていなかった。さらに、シール材際から約５００μｍ
の領域はランダム配向が生じ配向不良であった。

【００４３】スペーサー、接着粒子周辺についての配向
欠陥、反転不良の評価は次の通り行った。

【００４４】（配向欠陥の評価）素子を一対の偏光板
（クロスニコル）下で黒状態とし、これを観察し接着粒
子、スペーサーを起点にして層（スメクチック層）法線
の不連続欠陥の発生本数で評価した。欠陥の発生本数が
０〜４本の接着粒子又はスペーサーが測定領域内で８０
％以上であり、５本以上の接着粒子又はスペーサーが測
定領域内で２０％未満である場合その素子の該当構造体
について配向良好とし、欠陥の発生本数が０〜４本の接
着粒子又はスペーサーが測定領域内で８０％未満であ
り、５本以上の接着粒子又はスペーサーが測定領域で２
０％以上である場合その素子の該当構造体について配向
不良（欠陥）とした。

【００４５】（反転不良の評価）素子を一対の偏光板
（クロスニコル）下で白黒反転表示を行い、駆動中これ
を観察して約８μｍ未満の反転ドメインが生じる接着粒
子又はスペーサーが約８０％以上であり、約８μｍ以上
の反転ドメインが生じる接着粒子又はスペーサーが測定
領域内で約２０％未満である場合その素子の該当構造体
について反転良好とし、約８μｍ未満の反転ドメインが
生じる接着粒子又はスペーサーが測定領域内で約８０％
未満であり、約８μｍ以上の反転ドメインが生じる接着
粒子又はスペーサーが測定領域内で約２０％以上である
場合その素子の該当構造体について反転不良の欠陥とし
た。

【００４６】尚、上記スペーサー、接着粒子の評価は素
子のほぼ中央部で８００μｍ×８００μｍの領域を顕微
鏡観察し、この領域内でのスペーサー又は接着粒子の周
辺の状態が上記の基準になっているか否かで判断した。
シール材際の配向不良の評価については、シール際を起
点とし、表示エリア内へ４００μｍ以上の領域のランダ
ム配向部が生じている場合配向不良とした。

【００４７】比較例１実施例１と同様の方法で液晶セルを作成し、同様の液晶
を注入した。但し、接着粒子として東レ株式会社製：接
着粒子（トレパール）を用いた。ここで用いた接着粒子
のゼータ電位は＋５３ｍＶであつた。この液晶セルを偏
光顕微鏡下で観察したところ、接着粒子の周辺について
は、配向不良が生じ、また層方向ヘメモリー性の破綻し
た反転不良の欠陥（８μｍ以上）が認められた。さら
に、スペーサー周辺やシール際も実施例１と同様の配向
不良の状態であった。

【００４８】実施例２実施例１と同様の方法で液晶セルを作成し、同様の液晶
を注入した。但し、接着粒子として東レ株式会社製：接
着粒子（トレパール）の表面に白水株式会社製：酸化亜
鉛（亜鉛華１号）を付着したものを用いた。ここで用い
た接着粒子のゼータ電位は−３３．５ｍＶであつた。

【００４９】この液晶セルを実施例１と同様に偏光顕微
鏡下で観察したところ、接着粒子周辺からの配向不良や
反転不良の欠陥は認められなかった。但し、スペーサー
周辺やシール際については配向不良の状態であった。

【００５０】実施例３実施例１と同様の方法で液晶セルを作成し、同様の液晶
を注入した。但し、スペーサーとして触媒化成工業株式
会社製：真絲球（粒径２．４μｍ）の表面に三菱化学株
式会社製：ＫＹＮＡＲ（ＰＶＤＦ樹脂）をコーティング
したものを用いた。ここで用いたスペーサーのゼータ電
位は−４０．５ｍＶであつた。

【００５１】この液晶セルを実施例１と同様に偏光顕微
鏡下で観察したところ、スペーサー及び接着粒子周辺に
ついての配向状態は良好であり、反転不良の欠陥は認め
られなかった（反転良好であった）。但し、シール際は
配向不良の状態であった。

【００５２】参考例１実施例１と同様の方法で液晶セルを作成し、同様の液晶
を注入した。但し、シール材として三井東圧化学株式会
社製：ストラクトボンドＸＮ−２１Ｆにゼータ電位が−
３５．０ｍＶである白水株式会社製：酸化亜鉛（亜鉛華
１号）を混合したものを用いた。この液晶セルを実施例
１と同様に偏光顕微鏡下で観察したところ、シール際か
らの配向欠陥の領域は２００μｍ以下であった。

【００５３】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明において基板
間に選択的に設けられる構造体のゼータ電位を規定する
ことにより、かかる構造体周辺の配向不良、反転不良の
欠陥を防ぐことが可能となり、表示特性に優れた液晶素
子が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶素子の構成の一実施形態を示す概
略図である。

【図２】本発明の実施例の素子における基板とシール材
形成の寸法の関係を示す図である。

【符号の説明】

ｌａ、ｌｂ基板３シール材４ａ，４ｂ電極５ａ，５ｂ配向制御膜６接着粒子８スペーサー９液晶１０液晶素子２１注入口２２流出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向する一対の基板間に液晶を挟持し
てなる液晶素子であつて、該一対の基板が選択的に設け
られた構造体を介して対向し、該構造体のゼータ電位が
負であることを特徴とする液晶素子。
【請求項２】前記構造体のゼータ電位が−１３ｍＶ以
下である請求項１記載の液晶素子。
【請求項３】前記構造体は母材の表面を処理したもの
である請求項１記載の液晶素子。
【請求項４】前記構造体が一対の基板の内面に接着す
る接着粒子である請求項１記載の液晶素子。
【請求項５】前記接着粒子がエポキシ樹脂の表面を処
理したものである請求項４記載の液晶素子。
【請求項６】前記構造体が一対の基板間のギャップを
規定するスペーサーである請求項１記載の液晶素子。
【請求項７】前記構造体が接着性を有する請求項１記
載の液晶素子。
【請求項８】前記液晶がカイラルスメクチック液晶で
ある請求項１記載の液晶素子。
【請求項９】前記液晶がフルオロカーボン部分及び炭
化水素末端部分を有し、該両末端部分が中心核によつて
結合され、スメクチック中間相又は潜在的スメクチック
中間相を持つフッ素含有液晶化合物を含有する液晶組成
物である請求項１記載の液晶素子。