JPH1184333A - 液晶素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 注入時に配向ムラを生じることなしに、強誘
電性液晶を用いた表示素子を製造する方法を提供するこ
と。 【解決手段】 パネルに強誘電性液晶を注入する際、減
圧容器内で、液晶材料の等方性状態の液体またはコレス
テリック相の液晶を充填した後、減圧容器内を徐々に大
気圧に戻し、パネルを取り出してコレステリック相また
はスメクティックＡ相まで急冷する。その後、カイラル
スメクティック相まで徐冷する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板状ディスプレ
イや投写型ディスプレイ等の表示素子や空間光変調素子
等に用いられる液晶素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子は、平板状ディスプレイや
投写型ディスプレイ等のキーデバイスとして活発な研究
開発が行われている。現在、液晶表示素子において最も
多く使用されている方式は、ＴＮ（ツイスティッドネマ
ティック）方式である。ＴＮ液晶は、応答が遅く、メモ
リー性を持たないため、良好な画像を得るためには、薄
膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を用いたアクティブマトリ
クス方式を採用する必要がある。しかしながら、これら
のアクティブマトリクス基板は、複雑な構造を有し、製
造が困難でコストがかかるという問題があった。

【０００３】このような問題を解決する手段として、強
誘電性液晶を用いた表示素子がクラーク及びラガウォー
ルによって提案されている（特開昭５６−１０７２１６
号公報、米国特許第４３６７９２４号明細書）。

【０００４】前記強誘電性液晶を用いた表示素子は、２
枚の基板間に、分子の長軸が基板に平行になるように強
誘電性液晶が配列されたものである。ここで、前記強誘
電性液晶に、分子長軸方向と垂直な方向にあるしきい値
以上の電界を印加した場合、電界の向きによって強誘電
性液晶は２つの光学的安定状態を取る。すなわち、メモ
リー性を有するため、ある方向の電界によって液晶が配
向された場合、電界を切った後もその配向は維持され
る。

【０００５】また、強誘電性液晶は、自発分極を持つた
め、従来の誘導分極を示すＴＮ液晶と比べて電界との相
互作用が強く、応答速度が数十〜数百マイクロ秒と、従
来液晶と比べて約１０００倍速いという特徴を有する。

【０００６】このようなことから、強誘電性液晶を用い
た場合、ＴＮ液晶のようにＴＦＴ基板を用いる必要はな
く、単純マトリクス方式でも良好な画像が得られる。

【０００７】さらに、強誘電性液晶を用いた表示素子
は、従来の表示素子に比べて視野角が広いという特徴を
有する。

【０００８】また、強誘電性液晶を用いた素子は、従来
のような単純マトリクス方式の直視型ディスプレイの
他、光書き込み型の空間光変調素子として、大画面投写
型ディスプレイへの応用が提案されている（例えば特開
平７−１３１８８号公報、特開平８−１２２８１１号公
報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、強誘電
性液晶は、均一な配向が困難であるという問題がある。
通常、強誘電性液晶として、カイラルスメクティックＣ
相を示す液晶が用いられる。カイラルスメクティックＣ
相は、層構造を有し、分子は層の法線に対して傾いてい
る。また、層間で、分子長軸は、法線を軸として螺旋構
造を取っている。

【００１０】強誘電性液晶を表示素子として用いるため
には、前記螺旋構造を解く必要があり、そのために、通
常、液晶層の厚みを十分薄くする。また、良好な表示特
性を得るため、ムラのない均一な配向が要求されるが、
一般にスメクティック相はネマティック相に比べて配向
制御性が悪く、配向ムラや配向欠陥が発生しやすい。

【００１１】通常、強誘電性液晶の配向制御は、ポリイ
ミド等の配向膜を塗布した後、ラビング処理を行うか、
または斜方蒸着処理等により行われる。又、液晶の注入
は、パネルの注入口に液晶を付着させ、これを減圧容器
内で加熱後、容器内を徐々に大気圧に戻すことにより、
パネル内に液晶を充填する。強誘電性液晶の場合、注入
条件によって、配向性が大きく変わることが知られてい
る。すなわち、注入時の圧力・温度等の条件によって
は、液晶に部分的な歪みが加わり、その部分の配向方向
が他の部分と違ったり、配向方向がランダムになってし
まう。

【００１２】これに対し、ムラや欠陥の少ない良好な配
向を得るため、種々の注入方法が提案されている（例え
ば、特開昭６３−１９４２３０号公報、特開平１−１４
２６１５号公報、特開平５−３１３１１０号公報、特開
平６−５１２５８号公報、特開平６−５１２５９号公
報、特開平６−１９４６７５号公報、特開平６−２６５
９１４号公報、特開平６−２８９４０６号公報、特開平
６−３３７４３１号公報等）。

【００１３】しかしながら、いずれの方法を用いても全
く配向ムラが発生することなく強誘電性液晶を注入する
ことは困難であった。

【００１４】通常、液晶を注入する際、減圧容器内でパ
ネルをヒーター上で加熱しながら液晶を充填していき、
ある程度充填されたら容器内を大気圧に戻し、パネルを
冷却する。この際、パネルを急冷すると、液晶に歪みが
加わり、配向ムラが発生してしまう。特にこの場合、ス
メクティックＡ相またはコレステリック相からカイラル
スメクティック相への相転移時に、配向ムラが発生しや
すい。

【００１５】一方、これを避けるため、大気圧に戻した
後パネルを徐冷した場合も、パネル周辺部に同じく配向
ムラが発生してしまう。これは、徐冷初期の比較的高温
の段階では、液晶の粘度が低く、パネル内に液晶が充填
された後も、さらに注入口から液晶が入っていこうとす
るため、液晶に力学的な歪みが加わり、配向ムラが発生
するものである。

【００１６】本発明は、上記課題を解決するもので、注
入時に配向ムラを生じることなしに、強誘電性液晶を用
いた表示素子を製造する方法を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る液晶素子の製造方法は、対向する２枚
の基板を備えたパネル内に、強誘電性液晶材料の等方性
状態の液体を注入する工程と、前記液体を等方性状態か
らコレステリック相の液晶状態まで急冷する工程と、コ
レステリック相からカイラルスメクティック相まで徐冷
する工程とを有することを特徴とする。

【００１８】また、本発明に係る第２の液晶素子の製造
方法は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘
電性液晶材料の等方性状態の液体を注入する工程と、前
記液体を等方性状態からスメクティックＡ相の液晶状態
まで急冷する工程と、スメクティックＡ相からカイラル
スメクティック相まで徐冷する工程とを有することを特
徴とする。

【００１９】また、本発明に係る第３の液晶素子の製造
方法は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘
電性液晶材料をコレステリック相の液晶状態で注入する
工程と、前記液晶をコレステリック相を示す温度範囲で
急冷する工程と、コレステリック相からカイラルスメク
ティック相まで徐冷する工程とを有することを特徴とす
る。

【００２０】また、本発明に係る第４の液晶素子の製造
方法は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘
電性液晶材料をコレステリック相の液晶状態で注入する
工程と、前記液晶をコレステリック相からスメクティッ
クＡ相まで急冷する工程と、スメクティックＡ相からカ
イラルスメクティック相まで徐冷する工程とを有するこ
とを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】第１の発明に係る液晶素子の製造
方法は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘
電性液晶材料の等方性状態の液体を注入する工程と、前
記液体を等方性状態からコレステリック相の液晶状態ま
で急冷する工程と、コレステリック相からカイラルスメ
クティック相まで徐冷する工程とを有することを特徴と
する。

【００２２】また、第２の発明に係る液晶素子の製造方
法は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘電
性液晶材料の等方性状態の液体を注入する工程と、前記
液体を等方性状態からスメクティックＡ相の液晶状態ま
で急冷する工程と、スメクティックＡ相からカイラルス
メクティック相まで徐冷する工程とを有することを特徴
とする。

【００２３】又、第３の発明に係る液晶素子の製造方法
は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘電性
液晶材料をコレステリック相の液晶状態で注入する工程
と、前記液晶をコレステリック相を示す温度範囲で急冷
する工程と、コレステリック相からカイラルスメクティ
ック相まで徐冷する工程を有することを特徴とする。

【００２４】又、第４の発明に係る液晶素子の製造方法
は、対向する２枚の基板を備えたパネル内に、強誘電性
液晶材料をコレステリック相の液晶状態で注入する工程
と、前記液晶をコレステリック相からスメクティックＡ
相まで急冷する工程と、スメクティックＡ相からカイラ
ルスメクティック相まで徐冷する工程とを有することを
特徴とする。

【００２５】以上の方法によると、強誘電性液晶をコレ
ステリック相またはスメクティックＡ相まで急冷するこ
とにより、パネル内に液晶が充填された後にさらに液晶
が浸入してくることもなく、さらにその後、コレステリ
ック相またはスメクティックＡ相からカイラルスメクテ
ィック相まで徐冷することにより、カイラルスメクティ
ック相への相転移時に発生しやすい歪みによる配向ムラ
を回避することができる。

【００２６】尚、上記方法において、急冷する速度が１
０度Ｃ/min以上であることが望ましく、また、徐冷する
速度が３度Ｃ/min以下であることが望ましい。

【００２７】（実施例）以下、実施例を用いて本発明を
さらに具体的に説明する。図１〜図４は本発明の実施例
１〜４における液晶素子の製造方法の工程の要部を示す
工程図である。

【００２８】（実施例１）一般的な強誘電性液晶を用い
た表示素子の構造について、図５を用いて説明する。

【００２９】図５において、１１、１２は透明基板（例
えばガラス）、１３はシール材（例えばエポキシ系の接
着剤）、１４、１５は透明電極（例えばＩＴＯ（インジ
ウム・チン・オキサイド））、１６、１７は配向膜（例
えばポリイミド等の高分子薄膜）、１８はスペーサ（例
えばガラスビーズ）、１９は強誘電性液晶、２０は注入
口である。なお、透明電極１４、１５は、従来の単純マ
トリクス方式の液晶パネルと同様に、直交する帯状パタ
ーンで形成されている。

【００３０】パネルの作製法の一例を以下に示す。ガラ
ス基板１１及び１２上に、ＩＴＯ１４、１５をスパッタ
法または電子ビーム蒸着法等の方法により約１０００Å
（オングストローム）成膜し、フォトリソグラフィー及
びエッチング工程により、所望のパターンを形成する。
さらにこれらの上に、配向膜として、ポリイミド膜１
６、１７をスピンコート法等により約５００Å塗布し、
焼成する。この表面を、例えばナイロン布を用いて一定
方向に擦り、配向処理を施す。

【００３１】次に、例えばイソプロピルアルコール中に
分散させたガラスビーズ１８をスプレーまたはスピンコ
ート法等により、一方の基板上に撒く。また、一方の基
板の周辺部に、液晶注入口２０の部分を除いてエポキシ
系の接着剤１３をシール材として印刷法等により塗布
し、両基板１１、１２を貼り合わせる。

【００３２】こうして作製したパネルに、以下の方法で
強誘電性液晶を注入した。用いた液晶の相転移温度を
（化１）に示す。

【００３３】

【化１】

【００３４】ここで、Ｃｒｙｓｔは結晶相、ＳｍＣ＊は
カイラルスメクティックＣ相、ＳｍＡはスメクティック
Ａ相、Ｃｈはコレステリック相、Ｉｓｏは等方相を表
す。

【００３５】液晶注入口２０付近に、強誘電性液晶１９
を付着させ、減圧容器内に設置されたヒーター上にパネ
ルを置く。次に、減圧容器内を真空ポンプで約０．３Ｔ
ｏｒｒまで引くと同時に、ヒーターを加熱すると、液晶
１９が徐々にパネル内に充填され始める。そして、パネ
ル温度を１００度Ｃに保持し、ほぼパネル全面に液晶が
充填されたら、減圧容器内を徐々に大気圧に戻す。

【００３６】この時、前もって別のヒーターを準備し、
温度を８５度Ｃに保持しておく。減圧容器内が大気圧に
戻ったら、パネルを取り出し、準備しておいた別のヒー
ター上に置く。その後、温度制御装置によってヒーター
温度を調節し、パネルを０．２〜０．３度Ｃ/min程度の
速度で室温まで徐冷する。

【００３７】すなわち、上記した方法では、図１に示す
ように、液晶は等方相で注入された後、コレステリック
相まで急冷され、さらにカイラルスメクティック相まで
徐冷される。

【００３８】以上の方法で液晶を注入することにより、
配向ムラが発生することなく、均一な配向が得られ、高
品質な表示素子を作製することができた。

【００３９】（実施例２）実施例１において、パネルを
８５度Ｃまで急冷する代わりに、７５度Ｃまで急冷し
た。他は全て同じ条件とした。

【００４０】すなわち、図２に示すように、液晶は等方
相で注入された後、スメクティックＡ相まで急冷され、
さらにカイラルスメクティック相まで徐冷される。この
場合も、実施例１と同様に、配向ムラのない高品質な表
示素子が得られた。

【００４１】（実施例３）実施例１において、注入時の
温度、すなわち減圧容器中のヒーターの温度を９０度Ｃ
とした。他は全て同じ条件とした。

【００４２】すなわち、図３に示すように、液晶はコレ
ステリックで注入された後、コレステリック相の温度範
囲内で急冷され、さらにカイラルスメクティック相まで
徐冷される。この場合も、実施例１と同様に、配向ムラ
のない高品質な表示素子が得られた。

【００４３】（実施例４）実施例１において、注入時の
温度、すなわち減圧容器中のヒーターの温度を９０度Ｃ
とし、パネルを８５度Ｃまで急冷する代わりに、７５度
Ｃまで急冷した。他は全て同じ条件とした。

【００４４】すなわち、図４に示すように液晶はコレス
テリック相で注入された後、スメクティックＡ相まで急
冷され、さらにカイラルスメクティック相まで徐冷され
る。この場合も、実施例１と同様に、配向ムラのない高
品質な表示素子が得られた。

【００４５】（実施例５）実施例１，２では、単純マト
リクス構造の表示素子としたが、例えば特開平７−１３
１８８号公報、特開平８−１２２８１１号公報等で提案
されているような光書き込み型の空間光変調素子にも応
用することができる。

【００４６】図６に前記空間光変調素子の断面構造を示
す。図６において、２０１、２０２は透明基板（例えば
ガラス）、２０３、２０４は透明電極（例えばＩＴ
Ｏ）、２０５は光導電層（例えばダイオード構造を有す
るアモルファスシリコン半導体：ｐ層２０６、ｉ層２０
７，ｎ層２０８）、２０９は画素電極（例えばアルミニ
ウム、クロム、チタン等の金属薄膜、またはこれらを積
層した金属薄膜）、２１０は強誘電性液晶、２１１、２
１２は配向膜（例えばポリイミド等の高分子薄膜）、２
１３は絶縁層（例えばポリイミド等の高分子薄膜）、２
１４は遮光層（例えば色素または炭素含有の高分子）、
２１５はスペーサ（例えばガラスビーズ）である。

【００４７】前記空間光変調素子のうち、光導電層側基
板の作製方法については、特開平８−１２２８１１号公
報に詳しく述べられている。前記光導電層側基板と、ガ
ラス基板２０１上にＩＴＯからなる透明電極２０４が形
成された対向基板の上に、ポリイミド配向膜２１１、２
１２をスピンコート法等により成膜し、焼成する。この
表面を、例えばナイロン布を用いて一定方向に擦り、配
向処理を施す。

【００４８】次に、例えばイソプロピルアルコール中に
分散させたガラスビーズ２１５をスプレーまたはスピン
コート法等により、対向基板上に撒く。さらに、光導電
層側基板または対向基板の周辺部に、液晶注入口の部分
を除いてエポキシ系の接着剤をシール材として印刷法等
により塗布し、両基板を貼り合わせる。

【００４９】強誘電性液晶の注入は、実施例１及び２に
記された方法と同様に行う。空間光変調素子の駆動は、
両透明導電性電極２０３、２０４間にパルス電圧２１６
を印加することによってなされる。入力情報は、透明基
板２０２側からの書き込み光２１７によって光導電層２
０５に書き込まれる。

【００５０】すなわち、書き込み光２１７の強度に応じ
て光導電層２０５の電気抵抗が減少し、各画素に相当す
る微小形状の画素電極２０９と対向する透明導電性電極
２０３とに挟まれた強誘電性液晶層２１０に印加される
電圧が増大し、これに応じて強誘電性液晶層２１０の配
向が変化する。この強誘電性液晶層２１０を通過する直
線偏光の読み出し光２２０は、各画素電極２０９で反射
し、再び強誘電性液晶層２１０を通過した後、検光子２
１９を通り、出力光２２１としてその光強度変化が読み
出される。

【００５１】この空間光変調素子を投写型ディスプレイ
に使用する場合、書き込み光２１７として、ＣＲＴ等か
らの画像を用い、読み出し光２２０として、メタルハラ
イドランプまたはキセノンランプ等からの光を用い、出
力光２２１をスクリーンに投写する。

【００５２】上記方法で作製した空間光変調素子を用い
て表示装置の一種である投写型ディスプレイを作製し、
画像を評価したところ、ムラのない良好な画像が得られ
た。

【００５３】なお、本実施例１〜３においては、カイラ
ルスメクティックＣ相、スメクティックＡ相、コレステ
リック相を有する強誘電性液晶を用いたが、必ずしもこ
れらの相を有する液晶を用いなくてもよい。例えば、低
温側から、結晶相−カイラルスメクティックＣ相−スメ
クティックＡ相−等方相、または結晶相−カイラルスメ
クティックＣ相−コレステリック相−等方相の順に相転
移を示す液晶材料を用いてもよい。

【００５４】（比較例１）実施例１と同様のパネルを作
製し、同じ液晶を用いて注入を行った。注入は、実施例
１と同じ方法で行い、冷却工程のみを以下の方法で行っ
た。

【００５５】減圧容器内のヒーター上でパネル温度を１
００度Ｃに保持しながら液晶を注入し、ほぼ全面に液晶
が充填されたら、減圧容器内を徐々に大気圧に戻した
後、パネルを取り出して自然冷却する。すなわち、液晶
を等方相で注入した後、カイラルスメクティック相まで
急冷する。

【００５６】この方法で作製した表示素子は、図７に示
すような配向ムラ３０１ａ、ｂ、ｃが発生した。すなわ
ち、急冷されたことにより、液晶に歪みが加わり、直線
上の配向不良部３０１ｂ、ｃまたはコーナー部に液晶層
のギャップ不良部３０１ａが発生してしまう。

【００５７】（比較例２）実施例１と同様のパネルを作
製し、同じ液晶を用いて注入を行った。注入は、実施例
１と同じ方法で行い、冷却工程のみを以下の方法で行っ
た。

【００５８】減圧容器内のヒーター上でパネル温度を１
００度Ｃに保持しながら液晶を注入し、ほぼ全面に液晶
が充填されたら、減圧容器内を徐々に大気圧に戻した
後、温度制御装置を用いてヒーター温度を調節し、パネ
ルを０．２〜０．３度Ｃ/min程度の速度で室温まで徐冷
する。すなわち、液晶を等方相で注入した後、カイラル
スメクティック相まで徐冷する。

【００５９】この方法で作製した表示素子は、図８に示
すような配向ムラ４０１が発生した。すなわち、徐冷初
期の、比較的高温の段階では、液晶の粘度が低いため、
パネル内に液晶が充填された後も、さらに注入口から液
晶が入っていこうとする。このため、４０１の部分の液
晶層のギャップが増加し、配向ムラが発生してしまう。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る液晶
表示素子の製造方法によれば、強誘電性液晶材料の等方
性状態の液体をパネル内に注入する工程と、前記液体を
等方性状態からコレステリック相の液晶状態まで急冷す
る工程と、コレステリック相からカイラルスメクティッ
ク相まで徐冷する工程とを有する、または、強誘電性液
晶材料の等方性状態の液体をパネル内に注入する工程
と、前記液体を等方性状態からスメクティックＡ相の液
晶状態まで急冷する工程と、スメクティックＡ相からカ
イラルスメクティック相まで徐冷する工程とを有するこ
とにより、注入時に配向ムラを生じることなしに、強誘
電性液晶を用いた表示素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における液晶素子の製造方法
の工程の要部を示す工程図

【図２】本発明の実施例２における液晶素子の製造方法
の工程の要部を示す工程図

【図３】本発明の実施例３における液晶素子の製造方法
の工程の要部を示す工程図

【図４】本発明の実施例４における液晶素子の製造方法
の工程の要部を示す工程図

【図５】（ａ）液晶表示素子の全体構造を示す平面図 （ｂ）（ａ）のＡ−Ａ’断面図

【図６】本発明に係る空間光変調素子の断面構造を示す
断面図

【図７】従来の方法で注入した液晶表示素子の平面図

【図８】従来の方法で注入した液晶表示素子の平面図

【符号の説明】

１１，１２ 透明基板 １３ シール材 １４，１５ 透明電極 １６，１７ 配向膜 １８ スペーサ １９ 強誘電性液晶 ２０ 注入口 ２０１，２０２ 透明基板 ２０３，２０４ 透明電極 ２０５ 光導電層 ２０９ 画素電極 ２１０ 強誘電性液晶 ２１１，２１２ 配向膜 ２１３ 絶縁層 ２１４ 遮光層 ２１５ スペーサ ２１６ パルス電圧 ２１７ 書き込み光 ２１８ 偏光子 ２１９ 検光子 ２２０ 読み出し光 ２２１ 出力光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 朝山 純子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 藏富 靖規 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する２枚の基板を備えたパネル内に、
   強誘電性液晶材料の等方性状態の液体を注入する工程
   と、前記液体を等方性状態からコレステリック相の液晶
   状態まで急冷する工程と、コレステリック相からカイラ
   ルスメクティック相まで徐冷する工程とを有する液晶素
   子の製造方法。
2. 【請求項２】対向する２枚の基板を備えたパネル内に、
   強誘電性液晶材料の等方性状態の液体を注入する工程
   と、前記液体を等方性状態からスメクティックＡ相の液
   晶状態まで急冷する工程と、スメクティックＡ相からカ
   イラルスメクティック相まで徐冷する工程とを有する液
   晶素子の製造方法。
3. 【請求項３】対向する２枚の基板を備えたパネル内に、
   強誘電性液晶材料をコレステリック相の液晶状態で注入
   する工程と、前記液晶をコレステリック相を示す温度範
   囲で急冷する工程と、コレステリック相からカイラルス
   メクティック相まで徐冷する工程とを有する液晶素子の
   製造方法。
4. 【請求項４】対向する２枚の基板を備えたパネル内に、
   強誘電性液晶材料をコレステリック相の液晶状態で注入
   する工程と、前記液晶をコレステリック相からスメクテ
   ィックＡ相まで急冷する工程と、スメクティックＡ相か
   らカイラルスメクティック相まで徐冷する工程とを有す
   る液晶素子の製造方法。
5. 【請求項５】急冷する速度が１０度Ｃ/min以上であるこ
   とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液晶素
   子の製造方法。
6. 【請求項６】徐冷する速度が３度Ｃ/min以下であること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液晶素子
   の製造方法。
7. 【請求項７】急冷する速度が１０度Ｃ/min以上で、かつ
   徐冷する速度が３度Ｃ/min以下であることを特徴とする
   請求項１〜４のいずれかに記載の液晶素子の製造方法。
8. 【請求項８】請求項１〜４のいずれかに記載の液晶素子
   の製造方法で製造された液晶素子を用いた表示装置。