JPWO2011001612A1

JPWO2011001612A1 - ネマチック液晶を用いた液晶表示素子

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Publication number: JPWO2011001612A1
Application number: JP2011520761A
Authority: JP
Inventors: 潤一新妻; 慎米谷; 横山　浩; 浩横山
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: WO2011001612A1; TW201100931A; JP5127006B2

Abstract

簡便に作製できる、メモリー特性と広視野角表示特性を両立した高精細、広視野角かつ低消費電力のネマチック液晶を用いた液晶表示素子を提供する。少なくとも一方が透明な一対の基板ＳＵＢ１，ＳＵＢ２と、この一対の基板ＳＵＢ１、ＳＵＢ２間に配置された液晶層ＬＣＬと、前記一対の基板ＳＵＢ１，ＳＵＢ２の少なくとも一方の基板に形成された、基板面に略平行な成分を持つ電界を前記液晶層ＬＣＬに印加するための電極群と、前記液晶層ＬＣＬと前記一対の基板ＳＵＢ１，ＳＵＢ２の少なくともどちらか一方の基板の間に配置され、二つの方向に液晶配向規制処理された配向層とを有するネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記配向層の液晶配向規制処理が、前記基板の表面上の前記配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光の光として照射する処理であり、前記配向層が、前記直線偏光の光照射により発生する二つの液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なるポリマーユニットからなるブロック共重合体材料からなる。

Description

本発明は、ネマチック液晶を用いた液晶表示素子に係り、特に低消費電力、高精細のネマチック液晶を用いた液晶表示素子に関するものである。

従来、携帯電話などの携帯情報端末の表示素子としては、主にネマチック液晶を用いた液晶表示素子が、その低駆動電圧、低消費電力特性を生かして用いられており、近年の携帯情報端末の急速な普及に伴い、その生産量が拡大している。同時に表示画素（文字）数の増加など、より高度な表示性能が要求されてきている。一方で、携帯機器として、バッテリーを電源とした連続使用時間を維持あるいは拡大しなければならないことから、上記の高精細化をはじめとする表示性能の高度化のみならず、低消費電力化も同時に達成する技術が必要とされている。

このような技術の一つとして、液晶表示素子に加える電圧を切った場合にも表示が保持される、いわゆる表示メモリー特性をもつ液晶表示素子を用いる技術が種々提案されている。このような表示メモリー特性を用いることにより、表示内容が変わらない場合は原理的には消費電力を０とすることができ、また、表示内容を変える場合はその対象となる画素のみに電圧を印加して表示内容を変更することができるので、消費電力を低減することができる。さらに、従来のツイステッドネマチック（ＴＮ）方式あるいはスーパーツイステッドネマチック（ＳＴＮ）方式を単純マトリックス駆動する場合には、よく知られているように、デューティー比の制限から表示可能な画素数に上限があるが、メモリー特性を利用することによりこの画素数の制限をなくすことができる。

このような表示メモリー特性を持つネマチック液晶を用いた従来技術の具体例としては、例えば、（１）ネマチック液晶と微細なグレーティング処理を施した液晶配向層を組み合わせたもの（下記特許文献１参照）、（２）二つのそれぞれ異なる方向に液晶配向規制方向を持つ副領域（複数領域）からなる配向パターンを有した配向層を基板表面に用いることにより、その表面多重配向安定性を用いたもの（下記特許文献２参照）、（３）上記（２）の技術に、書き換え可能な光配向膜材料を組み合わせたもの、などが提案されている。

特表平１１−５１３８０９号公報国際公開第０２／００６８８７号特開２００７−１９３０８５号公報特開２００２−２８７３７７号公報

Ｊ．Ｎｉｉｔｓｕｍａｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，９２，２４１１２０（２００８）Ｍ．Ｏ′Ｎｅｉｌｌｅｔａｌ．，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＤ：ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，３３（２０００），Ｒ６７−Ｒ８４宇佐美清章他，２００８年日本液晶学会討論会講演予稿集，３ｃ１２，ｐｐ．１１２（２００８）Ｓ．Ｓｏｎｇｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，３７（１９９８），ｐｐ．２６２０−２６２４

しかしながら、従来技術において、上記した（１）のネマチック液晶と微細なグレーティング処理を施した液晶配向層を用いるものは、フレクソエレクトリック効果を用いてホメオトロピック（垂直）配向とハイブリッド配向の二状態間をスイッチングするものであり、このハイブリッド配向に起因して表示視野角特性が特定の方向で悪化するという問題点がある。さらに、この液晶表示素子において、駆動電圧を低くするためには、フレクソエレクトリック係数が十分に大きな液晶材料が必要となるが、そのような液晶材料は一般的に知られていないため、実際に使用されている液晶材料のフレクソエレクトリック係数は十分ではなく、結果として駆動電圧および消費電力を低減することができないという問題点もあり、広範な実用化は行われていない。

また、特許文献２には、上記した（２）の二つのそれぞれ異なる方向に液晶配向規制方向を持つ副領域（複数領域）からなる配向パターンを有した配向層を基板表面に用いたものとして、この副領域（複数領域）からなる配向パターンの作製方法が開示されている。ここでは、それぞれの正方形の小領域の大きさを略１μｍ角とした市松（チェッカーボード）パターンのフォトマスクを介し、水銀ランプ等の紫外光源をブリュスター角を利用した偏光素子により直線偏光紫外光とした２回の直線偏光紫外光照射を、その直線偏光方向を互いに９０度回転させ、同時にフォトマスクの市松パターンの黒に当たる部分が１回目、白に当たる部分が２回目の偏光紫外照射領域となるように行なうこと等が記載されている。しかしながら、この方法では、１回目と２回目の光照射の間に、フォトマスクの開口部の位置関係を、上記のように１回目は市松パターンの黒、２回目は白と変更する必要があり、そのために開口部が黒・白で異なる２枚のマスクの交換を行うか、あるいは同一マスクを水平・垂直方向にそれぞれ正方形の大きさ略１μｍ動かすか、いずれかを行う必要があるが、いずれの場合にも、この正方形のサイズである略１μｍ未満の位置決め・合わせ精度が要求されることから、作製が困難あるいは装置が大掛かりとなるという実用上の問題がある。

上記した（３）の技術では、上記（２）の技術と同様に、二つのそれぞれ異なる方向に液晶配向規制方向を持つ副領域（複数領域）からなる配向パターンを有した配向層を基板表面に用い、同時に、上記従来技術の作製上の問題点を解決するため、配向パターンを有した配向層の作製方法として、直線偏光した紫外光により、この光に感度を有する感光性材料をあらかじめコートした表面を照射するいわゆる光配向法を用いている。この時、感光性材料として、照射偏光光の偏光方向によって決定される液晶配向規制方向が複数回の偏光光照射によりリセット（書き換え）可能な材料を用いる。この書き換え可能な光配向膜材料を用いることにより、フォトマスクを介した偏光紫外光照射を１回のみにすることが可能となり、結果として、上記した（２）における１回目と２回目の間のフォトマスクパターンのμｍ単位の精密なマスク位置合わせを不要とすることができる。

しかしながら、偏光紫外光照射自体は、その直線偏光方向を変えた２回の照射が必要である点に変わりはない。さらに、上記非特許文献１に示されているように、μｍ程度のピッチのフォトマスクを用いたパターニングを十分な精度で行うには、基板全体にわたって、マスクと基板の間の間隙（ギャップ）を数百ｎｍ以下に密着させて露光する必要がある。表示領域全体にわたって均一に、このような高精度ギャップ制御を行うことは困難が伴う。

以上のように、従来技術においては、ネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、メモリー特性による低消費電力化と広視野角表示を両立した液晶表示素子を、簡便に作製し提供することが困難であった。
本発明は、上記状況に鑑みて、簡便に作製できる、メモリー特性と広視野角表示特性を両立した高精細、広視野角かつ低消費電力のネマチック液晶を用いた液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕少なくとも一方が透明な一対の基板と、この一対の基板間に配置された液晶層と、前記一対の基板の少なくとも一方の基板に形成された、基板面に略平行な成分を持つ電界を前記液晶層に印加するための電極群と、前記液晶層と前記一対の基板の少なくともどちらか一方の基板の間に配置され、二つの方向に液晶配向規制処理された配向層とを有するネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記配向層の液晶配向規制処理が、前記基板の表面上の前記配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光光として照射する処理であり、前記配向層が、前記直線偏光光の照射により発生する二つの液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なるポリマーユニットからなるブロック共重合体材料から形成されることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記配向層の液晶配向規制処理が、前記基板の表面上の前記配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光光として照射する代わりに、無偏光光を基板法線に対して斜め方向から入射する光として照射する処理であり、前記配向層が、前記直線偏光光の照射により発生する二つの液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なる光反応性材料からなるブロック共重合体材料から形成されることを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記配向層の前記二つ以上の異なる光反応性材料が、互いに非相溶で、そのブロック共重合体が、ミクロ相分離パターンを発現する二つ以上の異なる光反応性材料であることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕〜〔３〕のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記二つの液晶配向規制方向が前記基板面内で概ね直交し、かつ、少なくとも一方の液晶配向規制方向における前記基板面からのプレチルト角が略０度であることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕〜〔４〕のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記液晶層として、不斉分子を組成成分として含有する液晶材料からなることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕〜〔５〕のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記液晶層として、その誘電異方性の符号が印加される交流電界の周波数に依存して正・負両方とり得る液晶材料からなることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕〜〔６〕のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記電極群を構成する電極の少なくとも一部が櫛歯電極であることを特徴とする。
〔８〕上記〔７〕記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記少なくとも一部が櫛歯電極である電極群とは別に、前記一対の基板それぞれの基板上に配置された、対となる電極を有することを特徴とする。

〔９〕上記〔１〕〜〔８〕のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記一対の基板のどちらかの基板上に、光反射板が配置されたことを特徴とする。
〔１０〕上記〔１〕〜〔３〕のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記ブロック共重合体材料が、ポリスチレン−ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン−ポリブタジエン、又はポリスチレン−ポリエチレンオキシドであることを特徴とする。

本発明によれば、ネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、メモリー特性による低消費電力と広視野角表示を両立させた液晶表示素子を、より簡便に大きな面積で作製することができる。

ミクロ相分離パターンの例を示す模式図である。確認実験に用いた配向膜パターンとフォトマスク、及びラメラパターン作製に用いたフォトマスクのパターンデータＲ１とＲ３をそれぞれ示す模式図である。ストライプパターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。ヘリンボーンパターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。ランダム水玉パターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。ラメラパターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。本発明における光配向ブロック共重合体の示すミクロ相分離パターンと、それに直線偏光紫外光を照射した後の、相分離ドメインにおける液晶配向容易軸を示した模式図である。本発明の第１実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の構成を示す図である。本発明の第１実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の電気光学特性を示す図である。本発明の第１実施例を示す暗状態および明状態に対応する液晶内の配向状態の模式図である。本発明の第２実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の電気光学特性を示す図である。本発明の第３実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の構成を示す図である。本発明の第３実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の電気光学特性を示す図である。本発明の第４実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の構成を示す図である。本発明の第５実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の構成を示す図である。

本発明のネマチック液晶を用いた液晶表示素子は、少なくとも一方が透明な一対の基板と、この一対の基板間に配置された液晶層と、前記一対の基板の少なくとも一方の基板に形成された、基板面に略平行な成分を持つ電界を前記液晶層に印加するための電極群と、前記液晶層と前記一対の基板の少なくともどちらか一方の基板の間に配置され、二つの方向に液晶配向規制処理された配向層とを有するネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記配向層の液晶配向規制処理が、前記基板の表面上の前記配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光光として照射する処理であり、前記配向層が、前記直線偏光光照射により発生する二つの液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なるポリマーユニットからなるブロック共重合体材料から形成されることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明では、従来技術である上記特許文献３に開示されているものと同様に、二つのそれぞれ異なる方向に液晶配向規制方向を持つ副領域（複数領域）からなる配向パターンを有した配向層を基板表面に用い、上記配向パターンを有した配向層の作製方法として、直線偏光した紫外光照射による光配向法を用いるが、上記従来技術の作製上の問題点を解決するため、光配向膜材料として、照射偏光光の偏光方向によって決定される液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なる光反応性材料からなるブロック共重合体材料を用いる。

ブロック共重合体は、２種類以上のポリマーを混合したポリマーアロイ材料の一種で、混合された異種のポリマーが互いに共有結合で結合されているものを言う。ポリマーの混合方法としては、異種のモノマーがランダムに重合されたランダム共重合体や異種のモノマーが交互に重合された交互共重合体があり、これらランダム共重合体や交互共重合体は、液晶配向膜ポリマー材料として用いられることがあるが、本発明で用いるブロック共重合体はこれらとは異なる。

本発明のブロック共重合体は、互いに非相溶性の異種ポリマーを結合することにより相分離を起こさせることができる。非相溶性とは、異種ポリマーが均一に混和せず、不均一な状態（ミクロ相分離状態）で混ざり合う性質をいい、異種ポリマーの組み合わせと配合の割合によって、様々なミクロ相分離構造を自発的に発現する。この様なミクロ相分離構造を自発的に発現するブロック共重合体として良く知られたものとしては、例えば上記特許文献４に記載されている、ポリスチレン−ポリメチルメタクリレートや、ポリスチレン−ポリブタジエン、ポリスチレン−ポリエチレンオキシドなどがある。相分離構造中の各ドメインの恒等周期サイズは、ポリマー鎖の長さ、すなわち分子量を変えることにより、数十〜数百ｎｍ間で任意に制御することができる。また、相分離構造パターンにおいても、ブロック共重合体のブロック組成比により、図１に示すような、（ａ）水玉パターン、（ｂ）ランダムラメラパターン、（ｃ）ストライプ状ラメラパターン等と変化させることができる。

本発明者らは、これらのブロック共重合体が自発的に形成する相分離パターンを、上記特許文献３でフォトマスクを用いて作製された市松パターンの代わりに用いることによって、フォトマスクを用いること無しにマイクロパターンを形成する可能性に着目した。そこで、まずパターン形状のみを上記特許文献３の市松パターンから、相分離パターンに変えた以下の確認実験を行った。

図２は確認実験に用いた配向膜パターンとフォトマスク、及びラメラパターン作製に用いたフォトマスクのパターンデータＲ１とＲ３をそれぞれ示す模式図である。
配向膜パターン（上段）およびパターニングに使用したフォトマスク（下段）の模式図を図２（ａ）−（ｄ）に示した。図２（ｅ）と（ｆ）は、ラメラパターン作製に用いたパターンデータＲ１とＲ３の基になった白黒パターンである。作製したパターンは、図２（ａ）ストライプ（ドメインサイズ２μｍ，１μｍ）、図２（ｂ）ヘリンボーン（同２μｍ，１μｍ）、図２（ｃ）ランダム水玉（穴径５２０ｎｍ）、それに図２（ｄ）ブロック共重合体がなすラメラパターン（Ｒ１とＲ３の２種、平均ドメインサイズ各２μｍ，１μｍ）である。それぞれ、上記特許文献３に示されている市松パターンと同じ方法で、直交した２種類の配向をもつマイクロドメインパターンを作製した。各フォトマスクの透明／不透明の面積比は１：１になるようにした。これは、２種のマイクロドメインのアンカリングエネルギーがほぼ同じになったときに対角線方向に双安定配向が出るようにするためである。

この実験には，上記非特許文献１に示されているアゾ基を含んだポリアミック酸配向膜材料を用い、それに対し、紫外線照射装置〔ミカサ（株），Ｍ−２Ｌ〕を使用した。紫外光源は超高圧水銀ランプ〔ウシオ電機（株），ＵＳＨ−２５０Ｄ〕である。水銀ランプから出た紫外光は、フィルター（λ＝３５０〜４２５ｎｍ）と５ｃｍ角の偏光素子（ＣＯＤＩＸＸ，ｃｏｌｏｒＰｏｌＵＶ３７５）を通る。偏光度は＞１５：１、照度光均一度はφ１６０ｍｍ内において±５％、フォトマスク面における強度は６．２ｍＷ／ｃｍ²である。照射時間は１回目、２回目ともに１０分であった。

図３はストライプパターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。線幅（ドメインサイズ）は、（ａ）２μｍ，（ｂ）１μｍ，（ｃ）０．５μｍであり、いずれの場合も双安定が確認できた。スイッチング電場は、同じ条件で作製した市松パターンの双安定セルと比べて、（ａ）および（ｂ）ではやや小さくなった。
図４はヘリンボーンパターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。線幅：ドメインサイズ）は（ａ）２μｍ，（ｂ）１μｍであり、それぞれ双安定を示した。また、ストライプパターンと同様、スイッチング電場は比較的小さかった。

図５はランダム水玉パターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。ここで、（ａ）Ｈ状態、（ｂ）Ｈ→Ｔ遷移状態、（ｃ）Ｔ状態、（ｄ）Ｔ→Ｈ遷移状態が示されており、穴の直径は５２０ｎｍであり、双安定となった。ただし、明暗状態それぞれにおいて焼き付きのような現象が見られた。なお、各画像左右の灰色部は電極（ＩＴＯ）の位置を示している。

図６はラメラパターン双安定セルの偏光顕微鏡像である。ここで、（ａ）パターンＲ１，ドメインサイズ２μｍ，（ｂ）パターンＲ１，ドメインサイズ１μｍ，（ｃ）パターンＲ３，ドメインサイズ２μｍ，（ｄ）パターンＲ３，ドメインサイズ１μｍである。このように、ラメラパターンの結果は、すべて双安定となった。
以上の実験結果より、マスクパターンとしてのミクロ相分離パターンは、上記特許文献３に例示された市松パターンと同様に、液晶双安定性を発現させるパターンとして用いることができることが確認できた。

さらに、次のステップとして、ブロック共重合体の示すミクロ相分離パターン表面自体が液晶配向パターンとして機能するには、ブロック共重合体を構成する複数種のポリマーそれぞれを、上記特許文献３で例示されたような、光反応性基を有する、いわゆる光配向ポリマー材料とすればよい。
ここで、この光配向ポリマー材料における、照射直線偏光方向と、それによって形成される液晶配向容易軸方向の関係について説明する。この二つの方向は、上記非特許文献２等に記載されているように、光配向ポリマー材料の種類によって、直交するもの、あるいは平行となるもの、さらに照射時間あるいは総照射光量によって直交から平行あるいはその逆へと変化するものがある。例えば、光配向ポリマー材料の中から、照射直線偏光方向に対して配向容易軸が直交方向となるものと平行方向となるものを２つの異なるポリマーとして選択して、適切な分子量でブロック共重合体として結合させ、それがミクロ相分離パターンを形成すれようにすればよい。このミクロ相分離パターンを発現させるには、当該ブロック共重合体を構成する、上述の照射直線偏光方向に対して配向容易軸が直交方向となるものと平行方向となるものの２つの異なるポリマーとして、非相溶な材料を組み合わせればよい。

このようにして、照射直線偏光方向に対して、配向容易軸が直交方向となるものと平行方向となるものの、互いに非相溶な２つの異なるポリマーを、ブロック共重合体として結合した光配向共重合体を用い、ミクロ相分離パターン表面を形成させ、この表面全体に一様に直線偏光紫外光を一回だけ照射することにより、図７に模式的に示す様に、二相相分離したブロック共重合体表面それぞれの領域で液晶配向容易軸が直交するミクロ配向パターンが形成できる。

つまり、この実験によって見出された、ランダムなミクロ相分離パターンを含むパターンでも液晶双安定性が可能な知見と、光配向ポリマーの直線偏光紫外光照射による容易軸形成の特徴とを、ブロック共重合体の相分離パターン自発形成と組み合わせることによって、フォトマスクレスで、かつ一回の直線偏光紫外光照射のみで、液晶双安定性を有する配向パターンが容易に大きな面積で形成可能となる。

また、以下の点にも留意すべきである。
（１）本発明のネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、配向層の液晶配向規制処理が、基板表面上の配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光光として照射する代わりに、無偏光光を基板法線に対して斜め方向から入射する光として照射する処理であり、配向層が、直線偏光光照射により発生する液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なる光反応性材料からなるブロック共重合体材料から形成されるようにしてもよい。

（２）二つの液晶配向規制方向が基板面内で略直交し、かつ、少なくとも一方の液晶配向規制方向における基板面からのプレチルト角が略０度である。
（３）液晶層として、不斉分子を組成成分として含有する液晶材料からなる。
（４）また、液晶層として、その誘電異方性の符号が印加される交流電界の周波数に依存して正・負両方をとり得る液晶材料からなる。

図８は本発明の第１実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の構成を示す図である。
この図に示す基板ＳＵＢ１，ＳＵＢ２として、厚みが１．１ｍｍで表面を研磨した透明なガラス基板を２枚用いた。第１の基板ＳＵＢ１上に、対となる第２の櫛歯電極ＥＬ２ＡおよびＥＬ２Ｂを、基板上に形成した同一のＩＴＯ（インジウムチンオキサイド）からなる透明導電層をパターン化することによって形成し、更にその上に窒化シリコンからなる膜厚６００ｎｍの第１の絶縁保護膜ＩＬ１を形成した。同様に、もう一組の第１の櫛歯電極ＥＬ１ＡおよびＥＬ１Ｂを、第２の櫛歯電極ＥＬ２と略直交する方向で、第１の絶縁保護膜ＩＬ１の上に形成した同一のＩＴＯからなる透明導電層をパターン化することによって構成し、更にその上に窒化シリコンからなる膜厚２００ｎｍの第２の絶縁保護膜ＩＬ２を形成した。また、ＬＣＬは液晶層である。上記の櫛歯電極ＥＬ１，ＥＬ２の電極長手方向は、図中の座標系で表すと、それぞれｙ軸，ｘ軸方向である。また、これらの櫛歯電極ＥＬ１，ＥＬ２の電極幅は６μｍ、電極間隔は４μｍで、図中の櫛歯間隙部の数は簡単に説明するため模式的に３分割で図示してあるが、実際の素子では８分割とした。

次に、第２の絶縁保護膜ＩＬ２上に、感光性材料として、パーフルオロエーテル基を含有する化合物〔化１〕と、フェニレンジアクリロイル基を含有する化合物〔化２〕を共重合体化したブロック共重合体〔化３〕をテトラヒドロフランに溶解して１％溶液とし、基板表面に塗布後、１００℃，３０分の溶媒除去を行い緻密な感光性膜を得た。

上記のブロック共重合体〔化３〕の内、中央部のパーフルオロエーテル基およびその両端のウレタン結合基部位は、上記非特許文献３に報告されているように、直線偏光紫外光照射により、偏光方向と平行方向に液晶配向容易軸が発現する。一方、上記部位のさらに外側のＲで表わされたフェニレンジアクリロイル基を有する部位は、上記非特許文献４に報告されているように、直線偏光紫外光照射により、偏光方向と直交方向に液晶配向容易軸が発現する。したがって、ブロック共重合体〔化３〕は、照射直線偏光方向に対し、互いに直行する液晶配向容易軸を与える２つの異なる部位から成っている。さらに、ブロック共重合体〔化３〕のパーフルオロエーテル基部位は、他の炭化水素部位に対して非相溶であるため、このブロック共重合体〔化３〕は、図７に類似したミクロ相分離パターンを自発的に示す。なお、このブロック共重合体〔化３〕のそれぞれの部位の分子量は、図７に示すようなミクロ相分離パターンの二相相分離領域の面積がほぼ等しく、またその平均の線幅が約７００ｎｍとなるように調製した。また、これら二つの部位の液晶配向アンカリング力は、〔化１〕のｐとｑの比率や、〔化２〕のアルキル鎖長ｍなどを調節することにより、ほぼ同程度となるようにした。

なお、本発明に用いるブロック共重合体およびそれを構成する個々のポリマーブロックは、上記の〔化３〕におけるのと同様に、直線偏光方向に対して液晶配向容易軸が互いに直交し、かつ互いに非相溶性で、ミクロ相分離構造が発現するものであれば、上記の例以外のどんなものでも用いることができる。
その後、高圧水銀ランプを紫外光源として用い、ブリュスター角を利用した偏光素子により直線偏光紫外光としたものを、基板全面に一様に照射した。この時の膜面での照射光強度は約７９ｍＷ／ｃｍ²・ｓである。

この偏光紫外光照射は、それにより付与される液晶配向のプレチルト角が略０度となるように基板面に対して垂直入射とした。
なお、これらのパターン形状や照射光強度はあくまで一つの例であり、用いる感光性材料や、液晶材料の特性などに合わせて調整する。上記のミクロ相分離パターンの二相相分離領域それぞれにおける局所的な配向規制方向ＬＡＬ１Ａ，ＬＡＬ１Ｂは、図８中の座標系で表すとそれぞれｘ軸，ｙ軸と略４５度の角をなす方向に設定されている。

このようにして形成された、二つの液晶配向容易軸方向をもつ領域を基板面内に複数配置した配向層ＡＬ１は、結果として図中座標系ｘ軸，ｙ軸方向であるＡＬＤ１Ａ，ＡＬＤ１Ｂ方向の二つの方向の配向容易軸を有する配向層となる。
もう一方の基板ＳＵＢ２には、溶剤可溶型のポリイミド前駆体であるＳＥ７２１０〔日産化学工業（株）製〕の溶液を塗布して、２００℃まで加熱し、３０分放置し溶剤を除去して緻密なポリイミド膜を得た後、ラビングローラに取付けたバフ布で配向膜表面をラビング処理し、図８中の座標軸のｘ軸方向のＡＬＤ２で表す単一の配向容易軸をもつ液晶配向能を付与した。

次に、これらの２枚の基板を、それぞれの液晶配向能を有する表面同士を相対向させて、分散させた球形のポリマービーズからなるスペーサと周辺部のシール剤とを介在させて、セルを組みたてた。
次いで、この液晶セルの基板間に、ネマチック液晶組成物ＺＬＩ−４５３５〔メルク（株）製〕（誘電異方性Δεが正でその値が１４．８であり、屈折率異方性Δｎが０．０８６５）を真空で注入し、紫外線硬化型樹脂からなる封止材で封止して液晶パネルを得た。このとき液晶層の厚みは上記のスペ−サにより、液晶封入状態で６．４μｍとなるように調整した。従って、本実施例の液晶表示素子のリタデーション（Δｎｄ）は、０．５μｍとなる。

次に、このパネルを２枚の偏光板ＰＯＬ１，ＰＯＬ２〔日東電工（株）製Ｇ１２２０ＤＵ〕で挾み、一方の偏光板ＰＯＬの偏光透過軸を上記のラビング方向ＡＬＤ２とほぼ平行とし、他方の偏光板ＰＯＬの偏光透過軸をそれに直交させて配置した。その後、駆動回路、バックライトなどを接続し液晶表示素子を得た。次に、このようにして得た液晶表示素子の第１の基板ＳＵＢ１側に用いた物と同一の配向膜材料を用い、同一プロセスで配向層を形成した同一の一対の基板間に、上記と同じ液晶組成物ＺＬＩ−４５３５を封入して液晶セルを作製し、クリスタルローテーション法により、この液晶セルの二つの方向の配向容易軸を有する配向層と液晶界面でのそれぞれの方向におけるプレチルト角を測定したところ２度以下で、測定精度の範囲内でプレチルト角が略０度であることを確認した。

因みに、本実施例の第２の基板ＳＵＢ２側に用いた物と同一の配向膜材料、プロセスを用い、同じラビング条件で配向層を形成した同一の一対の基板間に、上記と同じ液晶組成物ＺＬＩ−４５３５を封入して液晶セルを作製し、クリスタルローテーション法により、この液晶セルのプレチルト角を測定したところ５度であった。
この第１実施例の液晶表示素子の電気光学特性を図９を用いて説明する。図９中において、Ｖ１，Ｖ２は、第１の櫛歯電極ＥＬ１Ａ，ＥＬ１Ｂおよび第２の櫛歯電極ＥＬ２Ａ，ＥＬ２Ｂ間に加えられる電圧波形、Ｔｒはそれに伴う液晶素子の透過率の変化を表す。

この図９に示されるように、この実施例に示す液晶表示素子は、交流電圧をＶ１あるいはＶ２として選択的に加えることにより、明・暗の２メモリー状態間のスイッチングが可能であることが分かる。この実施例の場合のスイッチング交流電圧（周波数１ｋＨｚ）はＶ１として８Ｖ_pp、Ｖ２として６Ｖ_ppであり、若干の駆動電圧非対称性がみられた。
図１０にそれぞれ暗状態〔図１０（ａ）参照〕、明状態〔図１０（ｂ）参照〕に対応する液晶層内の液晶配向状態の模式図を示す。

この図に示されるように、これらの二状態間のスイッチングは略基板面内の液晶分子配向スイッチングにより行われる。
次に、液晶視野角測定装置ＣＶ−１０００〔ミノルタ（株）製〕を用いて、本実施例の液晶表示素子の視野角特性を測定したところ、上下１４０度、左右１４０度の全域でコントラスト比が１０：１以上で、かつ階調反転のない広視野角特性が得られた。目視による画質検査においても、斜め方向から見ても表示色の大きな変化は見られず、均一性の高い表示が得られた。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
液晶材料にカイラルドーパントとしてＣＢ−１５〔メルク（株）製〕を、組成物の螺旋ピッチ長が約１５μｍとなるように組成したものを用いた以外は第１実施例と同様にして液晶表示素子を作製し、第２実施例とした。
図１１は本発明の第２実施例を示すネマチック液晶を用いた液晶表示素子の電気光学特性を示す図である。

この実施例の場合のスイッチング交流電圧は、Ｖ１として５Ｖ_pp、Ｖ２として４．８Ｖ_ppであり、カイラルドーパント添加によるツイステッドプラーナー状態のエネルギー安定化効果により、Ｖ１，Ｖ２の駆動電圧非対称性をほぼ解消することができた。
視野角測定においても、第１実施例とほぼ同じ広視野角特性を持った均一性の高い表示が得られた。

次に、本発明の第３実施例について説明する。
液晶材料としてＴＸ２Ａ〔メルク（株）製〕を用い、図１２に示すように、櫛歯電極を１組のみ持つ構成として、２周波駆動回路を用いた以外は第１実施例と同様にして液晶表示素子を作製し、第３実施例とした。
上記の液晶組成物ＴＸ２Ａは、その誘電異方性（Δε）が、低周波では正で高周波では負となる２周波駆動用のネマチック組成物であり、そのクロスオーバー周波数は６ｋＨｚである。

第３実施例の液晶表示素子の電気光学特性を図１３に示す。この図に示すように、第３実施例においては、暗（ホモジニアス）状態から、明（ツイステッドプラーナー）状態へのスイッチングには、ＴＸ２ＡのΔεが正となる４ｋＨｚ，８Ｖ_ppの交流電圧、逆のスイッチング時にはΔεが負となる８ｋＨｚ，１０Ｖ_ppの交流電圧をＶ１として用いることにより、一組の櫛歯電極で両状態間のスイッチングが可能であった。

この第３実施例においても、視野角測定により、第１実施例と略同じ広視野角特性を持った均一性の高い表示が得られた。
また、第１実施例と同様にして、クリスタルローテーション法により、同一配向層と同一液晶材料ＴＸ２Ａを用いた液晶セルの二つの方向の配向容易軸を有する配向層と液晶界面でのプレチルト角を測定したところ２度以下であり、測定精度の範囲内でプレチルト角が略０度であることを確認した。

次に、本発明の第４実施例について説明する。
上記の第３実施例において、図１４に示すように、基板ＳＵＢ１，ＳＵＢ２それぞれに対となる平行平板電極を加えた構成とした以外は第３実施例と同様にして液晶表示素子を作製し、第４実施例とした。
上記の対となる平行平板電極はＩＴＯ透明電極からなり、交流電圧Ｖ２が加えられる駆動回路に接続されている。

第４実施例の電気光学特性および視野角特性は第３実施例とほぼ同じであるが、追加された平行平板電極間に４ｋＨｚ，２０Ｖ_ppの交流電圧を加えることにより、二つの画素を一度に明状態から暗状態にリフレッシュ表示することが可能であった。
次に、本発明の第５実施例について説明する。
上記の第３実施例において、図１５に示すように、第１の基板ＳＵＢ１上に光反射板ＲＥＦとその上にλ／４板ＱＰを加えた構成とし、セルギャップを半分の３．２μｍとし、配向層ＡＬ１の各市松パターン内の局所的な二つの配向規制方向ＬＡＬ１Ａ，ＬＡＬ１Ｂ形成時の紫外偏光光強度を調整して、ＡＬ１にお互いに４５度の角度をなす二つの液晶配向容易軸ＡＬＤ１Ａ，ＡＬＤ１Ｂを付与した配向層を用いた以外は第３実施例と同様にして反射型の液晶表示素子を作製し、第５実施例とした。

第５実施例におけるλ／４板ＱＰの遅延軸の方向は偏光板ＰＯＬ２の透過軸と略４５度をなす角度に設定し、配向層ＡＬ１の配向容易軸ＡＬＤ１ＡはＡＬＤ２と同方向、ＡＬＤ１ＢはＡＬＤ２に対して４５度回転した方向となっている。
上記の配向層ＡＬ１の構成により、第５実施例における二つの安定な液晶層の配向状態は、図１０（ｂ）に示すものを４５度捩れの構造としたものとなり、図１０の透過型の構成と同じく一様配向状態で暗、（４５度）ツイステッドプラーナー状態で明状態となる。

第５実施例の電気光学特性および視野角特性は第３実施例とほぼ同じであるが、透過率ではなく反射率として光学特性が得られる点が異なる。
第５実施例についても、第１実施例と同様にしてクリスタルローテーション法により、同一配向層と同一液晶材料を用いた液晶セルの二つの方向の配向容易軸を有する配向層と液晶界面でのプレチルト角を測定したところ、２度以下となり、測定精度の範囲内でプレチルト角が略０度であることを確認した。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のネマチック液晶を用いた液晶表示装置は、携帯電話などの携帯情報端末に用いる、低消費電力、高精細の液晶表示素子に利用可能である。

Claims

少なくとも一方が透明な一対の基板と、該一対の基板間に配置された液晶層と、前記一対の基板の少なくとも一方の基板に形成された、基板面に略平行な成分を持つ電界を前記液晶層に印加するための電極群と、前記液晶層と前記一対の基板の少なくともどちらか一方の基板の間に配置され、二つの方向に液晶配向規制処理された配向層とを有するネマチック液晶を用いた液晶表示素子において、前記配向層の液晶配向規制処理が、前記基板の表面上の前記配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光光として照射する処理であり、前記配向層が、前記直線偏光光の照射により発生する二つの液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なるポリマーユニットからなるブロック共重合体材料から形成されることを特徴とするネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記配向層の液晶配向規制処理が、前記基板の表面上の前記配向層に化学反応を与え得る光を直線偏光光として照射する代わりに、無偏光光を基板法線に対して斜め方向から入射する光として照射する処理であり、前記配向層が、前記直線偏光光の照射により発生する液晶配向規制方向が互いに概ね直交する二つ以上の異なる光反応性材料からなるブロック共重合体材料から形成されることを特徴とする請求項１記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記配向層の前記二つ以上の異なる光反応性材料が、互いに非相溶で、そのブロック共重合体が、ミクロ相分離パターンを発現する二つ以上の異なる光反応性材料であることを特徴とする請求項２記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記二つの液晶配向規制方向が前記基板面内で略直交し、かつ、少なくとも一方の液晶配向規制方向における前記基板面からのプレチルト角が略０度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記液晶層として、不斉分子を組成成分として含有する液晶材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記液晶層として、その誘電異方性の符号が印加される交流電界の周波数に依存して正・負両方とり得る液晶材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記電極群を構成する電極の少なくとも一部が櫛歯電極であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記少なくとも一部が櫛歯電極である電極群とは別に、前記一対の基板のそれぞれの基板上に配置された、対となる電極を有することを特徴とする請求項７記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記一対の基板のどちらかの基板上に、光反射板が配置されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。
前記ブロック共重合体材料が、ポリスチレン−ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン−ポリブタジエン、又はポリスチレン−ポリエチレンオキシドであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のネマチック液晶を用いた液晶表示素子。