JPS6338920A - Ｍｉｍアクテイブマトリツクス液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技擢光更 本発明は、ＭＩＭ素子を用いたアクティブマトリックス
駆動型の液晶表示素子に関する。

従】ｕ【１ 従来のアクティブマトリックス駆動方式では、液晶表示
素子の各画素に、スイッチング素子や信号蓄積素子とし
てＴＰＴ（薄膜トランジスタ）やＭ　Ｉ　Ｍ　（Ｍｅｔ
ａｌ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ　Ｍｅｔａｌ）素子を適用し
、多画素化、それに伴う表示面積の拡大、コントラスト
の改良、高信頼化を計っている。しかし、ＴＰＴやＭＩ
Ｍ素子は製造工程が複雑で歩留りが悪く、生産コストが
高くなるなどの欠点があった。

この中にあってもＭＩＭ素子は、一対の対向する金属電
極間に非常に薄い絶縁膜を形成して非線形素子とするも
のであることから、ＴＰＴ素子に比べて簡単な構造をも
つため、近年注目を浴びている。

従来、ＭＩＭ素子中の絶縁体層の形成は、熱酸化法や陽
極酸化法でＴａ、ＡＱ等の金属の第一層上にＴａ、Ｏ，
、ＡＱ、○１等の酸化物を形成して薄膜化することによ
り行っていた。しかし。

熱酸化法では４００℃以上に基板温度が上昇するため液
晶表示の基板材料が限定されてしまい、高分子フィルム
基板を使用するような液晶表示素子には不適当な方法で
ある。また、陽極酸化法では、酸化膜の成膜条件が被酸
化金属の表面性に左右され、ＭＩＭ素子に使用される程
度の膜厚ではピンホールの発生や膜厚の不均一化が生じ
る。さらに、陽極酸化時に、多数の素子側電極と酸化側
電極との接触抵抗の不均一さにより、酸化度の不均一さ
が生じるなどの欠点が目立ち、ＭＩＭ素子本来のダイオ
ード特性の妨げとなる。

また、スパッタリング、イオンブレーティング、ＭＢＥ
法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｎ　Ｅｐｉｔａｘｙ）
などにより、金属電極上に酸化物を製膜する方法もある
が、いずれもバッチ処理であり、また、ＭＩＭ素子に使
用可能な絶縁層を均一に製膜する方法としては生産性、
コストの点で問題がある。

見匪立且血 本発明は、ＭＩＭ素子の絶縁体層を簡易に、かつ、精密
に形成することができるアクティブマクトリックス型の
液晶表示素子を提供することを目的とする。

発明の構成 本発明のＭＩＭアクティブマトリックス液晶表示素子は
、対向する基板間に液晶が封入され。

少なくとも一方の基板がＭＩＭ素子をもつアクティブマ
トリックス構造を有する液晶表示素子において、液晶分
子を配向させるための配向層およびＭＩＭ素子の絶縁体
層として機能する配向・絶縁体層が前記一方の基板上に
設けられ、該配向・絶縁体層がラングミュア・プロジェ
ット法により形成された有機絶縁体の単分子膜または単
分子膜累積層からなることを特徴とする。

以下、図面に沿って本発明をさらに詳細に説明する。

第１図は本発明の液晶表示素子の構成例を示す断面図で
あり、上基板１１と下基板２１との間に液晶１９が封入
されている。１７はシール材を示す。

上基板１１上にはコモン電極１３および配向層１５が形
成されている。

下基板２１の上には画素側電極２３と、これに信号を供
給するデータ側電極２５が形成されている。

データ側電極２５は、ＩＴＯなどの透明電極部２７に金
属薄膜３５が積層されて形成されており、この金属薄膜
３５はＭＩＭ素子の下部金属電極としても機能する。

画素側電極２３およびデータ側電極２５上には、配向・
絶縁体層４１が形成されている。配向・絶縁体層４１は
、液晶分子を一定方向に配列するための配向層として、
また、ＭＩＭ素子における絶縁体層として機能する。配
向・絶縁体層４１には、ＭＩＭ素子上部金属電極４３が
設けられている。

第２図は１つの画素側電極２３およびデータ側電極２５
の近傍を示す断面図である。下の基板２１上に形成され
たデータ側電極２５の上部および画素側電極２３上には
金属薄膜３５．３３が形成されている。さらにこの上に
配向・絶縁体層４１が設けられている。画素側電極２３
上の金属薄膜３３で配向・絶縁体ｆｉ４１が一部欠落し
ており、この部分からデータ側電極２５の金属薄膜３５
の上部にわたってＭＩＭ上部金属薄膜３５が形成されて
いる。

金属薄膜３５およびこの上部の配向・絶縁体Ｍ４１とＭ
ＩＭ上部金属電極４３とでＭＩＭ素子が形成されており
、データ側電極２５に供給された駆動信号は、このＭＩ
Ｍ素子を介して画素側電極２３に印加される。

本発明の液晶表示素子は、このように液晶分子の配向層
およびＭＩＭ素子の絶縁体層として機能する配向・絶縁
体層４１が、ラングミュア・プロジェット法により形成
された有機絶縁体の単分子膜または単分子膜累積層によ
りなることを骨子とするものである。ラングミュア・プ
ロジェット法では１分子内に親水性部分と親油性部分と
を有する分子を水面上に展開し、水面上に設けられた仕
切板により展開面積を縮小し、水面上に展開した分子を
２次元固体として固体膜を形成させる。この状態を保ち
つつ前記の展開水槽に電極を形成した基板を浸漬し上下
させて単分子膜を基板上に移し取る。また、必要に応じ
て基板に移し取った単分子膜または累積膜を重合させる
こともできる。なお、上記方法はラングミュア・プロジ
ェット法の代表例を示すものであるが、種々の変法も適
用でき、たとえば、基板を垂直に上下する代りに、円筒
状として回転することにより単分子膜を移し取ったり。

水平に移し取ることもできる。

ラングミュア・プロジェット法によれば、単分子膜の厚
さを基準としてその累積回数により配向・絶縁体層の厚
さを制御できるので、広い範囲にわたり、容易に、正確
かつ精密に膜厚を調整できる。単分子膜の厚さは分子に
よって異なるが、例えば、後記のようなポリマミック酸
の場合は２．５〜６人程度である。液晶の配向膜として
好適な単分子膜の累積回数は１〜３００であるので２．
５〜１８００人の範囲で単分子膜が形成できる。これに
、ＭＩＭ素子のＶ−１特性を考え合わせると、５〜５０
回程度の累積回数とすることが好ましい。ポテンシャル
障壁としての絶縁体層の厚さは２０〜１００人程度が好
適であり、厚みが増すほどトンネル効果に依存する電流
値は減少し、温度依存性を示すようになるため、有機絶
縁体の分子のサイズに従い適宜の厚さを設定することが
必要である。ラングミュア・プロジェット法によれば、
累積回数を制御することにより分子サイズ（例えば２．
５〜６人）という小さな膜厚の範囲で補正が行なえるの
で、ＭＩＭ素子の絶縁体層として働く本発明の配向・絶
縁体層の厚さを正確かつ精密に調整することができ、Ｍ
ＩＭ素子のポテンシャル障壁の大きさを容易に、しかも
有効にコントロールすることが可能となる。

配向・絶縁体層４１は、その形成後に配向処理を施すこ
とも可能であるが、層内体に配向性能を有するものが望
ましい。このような配向・絶縁体層としては、例えば、
ポリインドの単分子層または単分子層累積膜がある。

このようなポリイミドの単分子層または単分子層累積膜
は、例えば次のような各工程により形成される。

（、）ポリアミック酸と疎水性基を有する長鎖アルキル
アミン化合物とを反応させてポリアミック誘導体とする
工程。

（ｂ）このポリアミック酸誘導体を水面に展開して単分
子層を形成する工程。

（ｃ）基板にこのポリアミック酸誘導体単分子層を移し
とる工程。

（ｄ）この基板に付着した単分子層または単分子累積膜
を基板上で脱水閉環させてポリイミドの配向・絶縁体層
とする工程。

この各工程についてさらに詳細に説明すると、まず、テ
トラカルボン酸二無水物（１）とジアミン（２）とから
合成されるポリアミック酸（３）の溶液に長鎖アルキル
アミン（４）を加え、ポリアミック酸アルキルアミン塩
（５）を合成する。このポリアミック酸アルキルアミン
塩は、熱または酸無水物によりポリイミド（６）に変換
される。

（以下余白） ここで、Ａｒ１．Ａｒ２は、それぞれテトラカルボン酸
二無水物、ジアミンの骨格となる連結基であり、ｎは１
以上の整数であり、Ｒ１，Ｒ”は低級アルキル基または
水素原子、Ｒ３は長鎖アルキル基を表わす。

ポリアミック酸アルキルアミン塩の合成に用いることの
できるテトラカルボン酸としては、ピロメリット酸二無
水物、２，３，６．７−ナフタレンテトラカルボン酸二
無水物、３，４゜３’、　４’−ビフェニルテトラカル
ボン酸二無水物、２．３．２’、　３’−ビフェニルテ
トラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシ
フェニル）メタンニ無水物、ビス（３，４−ジカルボキ
シフェニル）エーテルニ無水物、ビス（３，４−ジカル
ボキシフェニル）スルホンニ無水物、２．２−ビス（３
，４−カルボキシフェニル）プロパンニ無水物、３，４
．３’、４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水
物、ブタンテトラカルボン酸二無水物、１，２，５゜６
−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、チオフェン−２
，３，４，５−テトラカルボン酸無水物、ペリレン−３
，４，９，１０−テトラカルボン酸無水物、エチレンテ
トラカルボン酸無水物などを例示することができる。

ジアミンとしては、メタフェニレンジアミン。

パラフェニレンジアミン、３，３′−ジアミノビフェニ
ル、４，４′−シアノアミノビフェニル、４，４′−ジ
アミノビフェニル、　３．３’−メチレンジアニリン、
４．４′−メチレンジアニリン、４．４’−エチレンジ
アニリン、４゜４′−イソプロピリデンジアニリン、　
３．３’−オキシジアニリン、４，４′−オキシジアニ
リン、３，４′−オキシジアニリン、３，３′−チオジ
アニリン、４Ｊ４′−チオジアニリン、３゜３′−カル
ボニルジアニリン、４，４′−カルボニルジアニリン、
　３．３’−スルホニルジアニリン、４，４′−スルホ
ンジアニリン、１，４−ナフタレンジアミン、１，５−
ナフタレンジアミン、２．２−ビス（４−アミノフェニ
ル）プロパン、ベンジジン、３．３’−ジメチルベンジ
ジン、３，３′−ジメトキシベンジジン、２．４−ビス
（β−アミノ−ｔａｒｔ−ブチル）トルエン、ビス（４
−β−アミノ−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）エーテル、
１，４−ビス（２−メチル−４−アミンペンチル）ベン
ゼン、１−イソプロピル−２，４−フェニレンジアミン
、ｍ−キシリレンジアミン、ｐ−キシリレンジアミン、
ジ（４−アミノシクロヘキシル）メタン、ヘキサメチレ
ンジアミン、２，２−ジメチルプロピレンジアミン、１
，４−ジアミノシクロヘキサンなどを例示することがで
きる。

テトラカルボン酸およびアミンはそれぞれ単独もしくは
２種以上混合して使用することもできる、 重合度ｎは好ましくは１０〜５００の整数であり。

１０より小さいと、膜の機械的特性や基板に対する密着
力が低下したり、液晶中への溶出などにより液晶分子の
配向を阻害する。ｎが５００を超えるとポリアミック酸
の溶解度が低下する。

長鎖アルキルアミンとしては、Ｎ、Ｎ−ジメチル−ｎ−
オクチルアミン、Ｎ−メチル−ｎ　−オクチルアミン、
Ｎ、Ｎ−ジメチル−ｎ−デシルアミン、Ｎ−メチル−ｎ
−デシルアミン、ｎ−デシルアミン、ｎ−オクチルアミ
ン、Ｎ、Ｎ−ジメチル−ｎ−ドデシルアミン、Ｎ−メチ
ル−ｎ−ドデシルアミン、ｎ−ドデシルアミン。

Ｎ、Ｎ−ジメチル−ｎ−テトラデシルアミン、Ｎ−テト
ラデシルアミン、Ｎ−メチルテトラデシルアミン、Ｎ、
Ｎ−ジメチル−ｎ−ヘキサデシルアミン、Ｎ−メチル−
ｎ−ヘキサデシルアミン、ｎ−ヘキサデシルアミン、Ｎ
、Ｎ−ジメチル−ｎ−オクタデシルアミン、Ｎ−メチル
−ｎ−オクタデシルアミン、ｎ−オクタデシルアミン、
Ｎ、Ｎ−ジメチルベへニルアミン、７うキシルアミン、
ベヘニルアミン、Ｎ、Ｎ−ジメチルベへニルアミン等が
例示できる。良好なラングミュア・プロジェット膜を得
、優れた配向性を実現するためには、長鎖アルキル基の
炭素数が８〜２５であることが好ましく、さらに１２〜
２５であることがより好ましい。

水面上への成膜性、液晶に対する配向性から、長鎖アル
キルアミンの使用量は、ポリアミック酸の繰り返し単位
に対して０．５当量〜４当量であることが好ましい。

上記、ポリアミック酸アルキルアミン酸の生成に使用で
きる溶媒としては、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ
、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリ
ドン、ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン
、クレゾール、フェノール等を例示することができる。

また、溶解性を改善するために、ベンゼン等を添加する
こともできる。

このようにして作製されたポリアミック酸アルキルアミ
ン塩は疎水性のアルキル基と親水性のカルボン酸アミン
塩を分子内にもつ両親媒性の分子であるので、ラングミ
ュア・プロジェット法による単分子膜を形成することが
できる。

上記ポリアミック酸溶液を水面上に展開すると、ポリイ
ミド主鎖を水面に向けて配向する。

このようにして得られたポリアミック酸アルキルアミン
塩の単分子膜またはその累積膜は、基板の引き上げ方向
に主鎖が配向した一軸性配向を示す。

次に、基板を無水酢酸、プロピオン酸無水物、酪酸無水
物などの酸無水物中に浸漬するか、加熱により脱水閉環
させるとともに長鎖アルキル基をもつアミンを脱離させ
てポリイミド（６）とする。この際、加熱閉環は２００
℃程度の高温を必要とする上、配向性能が低下するため
、好ましくは酸無水物を用いる方法が適している。この
際、トリエチルアミン、ピリジン等の３級アミンを添加
すると、反応が促進される。また、必要に応じて溶媒を
添加することもできる。なお、溶媒はポリアミック酸を
溶解させるものは使用することができない。酸無水物に
よる閉環では、　２０℃〜６０℃程度の温度で十分であ
り１例えば、無水酢酸−ピリジン−ベンゼン（１：　１
　：３）の系では、室温で数時間、４０℃では１時間程
度で反応は完結し、極めて低温で処理することが可能で
ある。

このようにして得られたポリイミドの単分子膜またはそ
の累積膜は電子顕微鏡ａｍからも、極めて均一な膜であ
ることが判る。

このようなポリイミドにより形成された配向・絶縁体層
は、液晶分子を基板に対して略水平（ホモジアス）配向
させる能力を有する。例えば、液晶表示素子として現在
広く用いられているツィステッドネマティックモードの
場合には、上下基板の引き上げ方向が直交するように液
晶表示素子を作製すれば良い。

ＭＩＭ素子の下部金屑電極として働く金属薄膜３５およ
びＭＩＭ上部金属電極４３は、配向・絶縁体層４１の厚
みをコントロールすることによりトンネル効果を引き起
こすポテンシャル障壁の大きさを調整できるため、ＡＱ
、Ａｇ、Ａｕ。

Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒなど多岐にわたる金属を利用できる。

これらＭＩＭ金屓金種電極空蒸着法、イオンブレーティ
ング法、スパッタリング法等により形成でき、膜厚とし
ては２５０〜５００人程度が好適である。

ところで、ＭＩＭ上部金属電極４３を垂直方向に蒸着す
るなど通常に成膜した場合には、この金属電極４３部は
液晶分子の配向能力を有していないため、液晶素子中の
配向ムラを招くことになる。そこでＭＩＭ上部金属電極
４３を斜方蒸着法により形成して、配向・絶縁体層と同
程度の配向性をもたせることが望ましい。このようにす
ることにより、基板全面が配向性を有することができ、
これ以上の配向膜の形成を必要としないため、従来の製
法を大幅に簡素化することができる。

本発明は、ラングミュア・プロジェット法により配向・
絶縁体層を形成することを骨子とするものであり、その
他の構成や使用される素材は特に限定されない。たとえ
ば、基板１１．２１としては、ガラスや一軸延伸フィル
ムなどの高分子フィルムを■いることができる。また、
ＭＩＭ素子を有しない上基板１１の配向層１５は、ラン
グミュア・プロジェット法から形成してもよいし、他の
方法でもよい。

次に、本発明で用いられるＭＩＭ素子を有する基板の製
造方法について説明する。まず、基板２１上にパターニ
ングして透明電極を形成し、第３Ａ図に示すようにデー
タ側電極２５の透明電極２７および画素電極２３を形成
する。ついで、同様にパターニングして金属薄膜３３．
３５を形成する（第３Ｂ図）。

次に前記したようにラングミュア・プロジェット法によ
り配向・絶縁体Ｍ４１を形成（第３Ｃ図）したのち、画
素側電極２３の一部をエツチング等で除く（第３Ｄ図）
。また、配向・絶縁体層形成前に画素側電極２３の一部
を疎水性物質でマスクしておき、後にエツチング処理し
て除くこともできる。　　　　′ 再びフォトレジストを塗布し、必要部分以外にレジスト
マスクを施したのち、基板垂直面に対して傾いた方向か
ら斜方蒸着により金属膜を形成し、Ｍ　Ｉ　Ｍ素子を作
成する。（第３Ｅ図）五匪立羞米 本発明によれば、ラングミュア・プロジェット法により
形成された単分子層または単分子層累積膜よりなる有機
絶縁体層を形成し、液晶分子の配向膜およびＭＩＭ素子
の絶縁体層として用いることにより、ＭＩＭ素子の絶縁
体層を簡易かつ精密に形成することができる。また、絶
縁体層の形成に際して高温処理が不要なため、製造プロ
セス上有利なばかりか、高分子フィルムのように耐熱性
の乏しい基板に対しても簡易にＭＩＭ素子を形成できる
。

さらに従来、全く個別の工程であったＭＩＭ素子形成と
配向膜形成とを統一的に行うことができ、工程の簡素化
が可能となる。特にＭＩＭ素子上部金属電極を斜方蒸着
により形成する場合にこの効果が顕著であり、ＭＩＭ素
子の形成、配向膜塗布、ラビング工程が統一される。

実施例 一軸延伸ポリエステルフィルム上に透明電極を第３Ａ図
のように形成し、その後にフォトレジスト（シブレイ、
５１４００−３１）を塗布し、フォトマスクをのせて露
光、現像しＡＱ電極を形成した（第３Ｂ図）。

テトラカルボン酸二無水物とジアミンとから合成したポ
リアミック酸に長鎖アルキルアミンを加え、ポリアミッ
ク酸アルキルアミンを合成した。このポリアミック酸ア
ルキルアミンを水面に展開してラングミュア・プロジェ
ット法により３０層累積して配向・絶縁体層を形成した
（第３Ｃ図）。

次にエツチングにより画素側電極２３上を一部除去した
のち、ＡＱを基板垂直面に対して８０〜８５度傾いた方
向から斜方蒸着してＭＩＭ素子を有する下基板を作成し
た。

一方、同様のラングミュア・プロジェット、法により、
コモン電極を形成した一軸延伸ポリエステルフィルム上
に配向膜を形成して上基板とした。

一方の基板に粒径５〜８．５μｍのギャップ材を塗布し
、同程度の粒径のスペーサ粒子を配合したエポキシ系接
着剤をシール剤として印刷し、上下基板の配向方向が逆
方向になるように組合で液晶表示素子とし、偏光子と検
光子を組合せて、液晶表示装置を作成した。

この液晶表示装置をアクティブマトリックス駆動したと
ころ、良好な表示特性を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶表示素子の構成例を示す断面図で
ある。 第２図はＭ　Ｉ　Ｍ素子の近傍を示す断面図である。 第３Ａ図〜第３Ｅ図は、ＭＩＭ素子をもつ基板の製造方
法を示す説明図である。 １１・・・上基板　　　　　１９・・・液晶２１・・・
下基板　　　　　２３・・・画素側電極２５・・・デー
タ側電極　　３３．３５・・・金ａ薄膜４１・・・配向
・絶縁体層　４３・・・ＭＩＭ上部金、＠電極第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、対向する基板間に液晶が封入され、少なくとも一方
   にＭＩＭ素子をもつアクティブマトリックス構造を有す
   る液晶表示素子において、液晶分子を配向させるための
   配向層およびＭＩＭ素子の絶縁体層として機能する配向
   ・絶縁体層が前記一方の基板上に設けられ、該配向・絶
   縁体層がラングミュアー・ブロジェット法により形成さ
   れた有機絶縁体の単分子層または単分子層累積膜からな
   ることを特徴とするＭＩＭアクティブマトリックス液晶
   表示素子。