JPWO2011078126A1 - Tn型液晶素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この液晶素子は、上下基板の配向処理方向が90度ねじれた構造をもつ、いわゆるTN(Twisted Nematic)型液晶素子を中心に発展してきたが、大型テレビジョン等の視野角が特に要求される分野では、MVA(Multi domain Vertical Aligned)、IPS(In Plane Switching)等の方式が主流になりつつある。しかしながら、TN方式には他方式に比べてセル厚の変化に対して透過率の変化(ギャップムラ)が少ない等の利点があり、パーソナルコンピュータ用途など、特に視野角の要求が厳しくない用途に用いられている。
さらに近年、TN型液晶の視野角を拡大することのできるワイドビューフィルムと呼ばれる光学フィルムと組み合わせることにより、TN型液晶素子も26インチ程度までのテレビジョン用途に用いられるようになっており、26インチまでの大きさの液晶テレビジョンでは既に80%がTN型液晶になっている。
また、γ1は液晶材料の回転粘性、ε0は真空の誘電率、Δεは誘電率異方性、dは液晶層の厚さ、Vは印加電圧、Vthは閾値電圧、Kは液晶材料の弾性率をそれぞれ示す。TN型液晶では、K=K11−0.5K22+0.25K33であり、K11,K22,K33はスプレイ変形、ツイスト変形、ベンド変形に関する弾性率をそれぞれ示す。
特許文献3には、0.25<d/p<1(すなわち1<p/d<4)の範囲でTN型液晶を高速化する技術が開示されている。この特許文献3には、d/p=0.04(p/d=25)からd/p=1(p/d=1)までの立ち下がりの応答速度のシミュレーションの値が記載されている。また、実際の実験データとしては、d/p=0.51(p/d=2.0)のデータが記載されている。
特許文献4には、液晶材料のカイラルピッチを短くした場合、立ち下がりの応答速度が高速化することが記載されている。また、配向膜のプレチルト角を大きくすることにより、短ピッチの液晶材料を用いても90度のねじれ状態を安定化できることが記載されている。具体的には、プレチルト角を13.6度とすることにより、本来であれば液晶素子内で210度のねじれ状態となる液晶材料であっても、90度のねじれ状態を保つことができるとされている。なお、210度のねじれ状態とはp/d=1.7に相当する。
ここで、上記特許文献4に記載されているように、配向膜のプレチルト角を大きくすることにより、短ピッチの液晶材料を用いても90度のねじれ状態を安定化することが可能である。しかし、たとえプレチルト角を大きくしても実現可能なp/dの値には限界があり、特許文献4においてもp/d=1.7が示されているだけである。また、このような状態のTN型液晶は不安定であることが予想され、一度形成されても、温度変化、応力の印加、振動等によりSTN型液晶に転移することが考えられる。
上記1組の基板の対向面に設けられ、液晶材料中の液晶分子が同一方向を向くように表面に配向処理が施された1組の配向膜と、
上記1組の配向膜の間に配置された、液晶材料及びカイラル剤を含む液晶層と、を備え、
上記1組の配向膜の配向処理方向のなす角αは70〜110度であり、かつ、その配向処理方向は、上記液晶層が上記なす角αだけねじれていた場合にユニフォームツイスト構造を形成する方向であり、
無電界状態で安定なねじれ角α+180(度)のSTN型液晶が、ねじれ角α(度)のTN型液晶として高分子安定化されていることを特徴とするTN型液晶表示素子。
上記液晶層はねじれ角α(度)で高分子安定化されていることを特徴とする上記(1)記載のTN型液晶表示素子。
液晶材料中の液晶分子が同一方向を向くように、1組の上記配向膜の表面に配向処理を施す工程と、
1組の上記配向膜が対向するように、上記1組の基板を配置する工程と、
1組の上記配向膜の間に、カイラル剤及び光硬化性モノマーを含む液晶材料を充填して液晶層を形成する工程と、
上記1組の基板の間に電圧を印加する工程と、
電圧の印加を停止し又は減少させた後、上記光硬化性モノマーを光硬化する工程と、を有し、
1組の上記配向膜の配向処理方向のなす角αは70〜110度であり、かつ、その配向処理方向は、上記液晶層が上記なす角αだけねじれていた場合にユニフォームツイスト構造を形成する方向であり、
上記電圧を印加する工程では、電圧の印加により上記液晶層を垂直配向状態にした後、電圧の印加を停止し又は減少させることにより、上記液晶層を一時的にねじれ角α+180(度)のSTN型液晶からねじれ角α(度)のTN型液晶へと転移させ、
上記光硬化する工程では、上記光硬化性モノマーを光硬化することにより、上記液晶層をねじれ角α(度)で高分子安定化することを特徴とするTN型液晶素子の製造方法。
以下ではまず、液晶層を構成する液晶材料について説明し、次いで、本発明に係るTN型液晶素子の製造方法について説明し、最後に本発明に係るTN型液晶素子について説明する。
本発明において液晶層を構成する液晶材料は、カイラル剤及び光硬化性モノマーを含むものである。
液晶材料としてはネマティック液晶が用いられる。その種類は特に限定されないが、前述した立ち下がりの応答速度に関する式(2)を考慮すると、回転粘性がより低く、弾性率がより大きな液晶材料が好ましい。
また、光硬化性モノマーとしては液晶性を示すものが好ましい。液晶性を示す光硬化性モノマーについては、例えば、特開平8−3111号公報、特開2000−178233号公報、特開2000−119222号公報、特開2000−327632号公報、特開2002−220421号公報、特開2003−55661号公報、特開2003−12762号公報等に記載されている。
光硬化性モノマーの含有量は、光硬化性モノマーの種類や配向膜のプレチルト角によっても異なるが、液晶材料に対して0.1〜15質量%が好ましく、0.5〜10質量%がより好ましい。含有量を0.1質量%以上とすることで、後述する高分子安定化の効果を十分に得ることができる。また、含有量を15質量%以下とすることで、液晶素子の駆動電圧が高くなったり、コントラストが低下したりすることを抑えることができる。
本発明に係るTN型液晶素子の製造方法は、少なくとも一方が透明な1組の基板のそれぞれ一方の面に配向膜を形成する工程と、液晶材料中の液晶分子が同一方向を向くように、1組の上記配向膜の表面に配向処理を施す工程と、1組の上記配向膜が対向するように、上記1組の基板を配置する工程と、1組の上記配向膜の間に、カイラル剤及び光硬化性モノマーを含む液晶材料を充填して液晶層を形成する工程と、上記1組の基板の間に電圧を印加する工程と、電圧の印加を停止し又は減少させた後、上記光硬化性モノマーを光硬化する工程と、を有し、1組の上記配向膜の配向処理方向のなす角αは70〜110度であり、かつ、その配向処理方向は、上記液晶層が上記なす角αだけねじれていた場合にユニフォームツイスト構造を形成する方向であり、上記電圧を印加する工程では、電圧の印加により上記液晶層を垂直配向状態にした後、電圧の印加を停止し又は減少させることにより、上記液晶層を一時的にねじれ角α+180(度)のSTN型液晶からねじれ角α(度)のTN型液晶へと変化させ、上記光硬化する工程では、上記光硬化性モノマーを光硬化することにより、上記液晶層をねじれ角α(度)で高分子安定化することを特徴とするものである。
ここで、配向処理方向のなす角αが90度である1組の配向膜間に液晶材料を充填した状況を考える。図3において液晶分子112は、上の配向膜110及び下の配向膜111からプレチルト角θだけ傾いて立ち上がっている。そして、上下の配向膜間では、このプレチルト角θを保ったまま、上の配向膜110から下の配向膜111へと右回り(時計回り)に90度ねじれて配列している。
一方、図4において液晶分子122は、上の配向膜120及び下の配向膜121からプレチルト角θだけ傾いて立ち上がっている。そして、上下の配向膜間では、液晶分子の極角(液晶分子と配向膜とのなす角)がプレチルト角から連続的に変化しながら、上の配向膜でθ、中央部で0度(基板と平行)となり、下の配向膜でθとなっている。基板と垂直方向にはこのようなねじれを伴いつつ、上の配向膜110から下の配向膜111へと左回り(反時計回り)に90度ねじれて配列している。この図4のような構造をスプレイ構造と呼ぶ。
図4のようなスプレイ構造は、液晶分子が上下方向にもねじれているため自由エネルギーが高い。したがって、液晶材料がカイラル剤を含有せず固有のねじれを持たない場合には、液晶材料は自発的に右回りに90度ねじれる。なお、液晶材料に右回りのねじれを誘起するカイラル剤を添加した場合にも、図3のように右回りに90度ねじれる。
つまり、図3のような配向処理方向であれば、上記液晶材料が上記なす角αだけねじれていた場合にスプレイ構造を形成せず、ユニフォームツイスト構造を形成する。これに対して、上下の配向膜の一方の配向処理方向が逆になった状況で上記と同じ液晶材料を用いた場合には、スプレイ構造を形成する。なお、図3の配向処理方向でも、左回りのねじれを誘起するカイラル剤を液晶材料に添加した場合にはスプレイ構造を形成する。
なお、図3のような配向処理方向では、右回りのねじれを誘起するカイラル剤の添加等により液晶材料のねじれ角が270度になるとスプレイ構造を形成する。
「同一の液晶表示素子」とは、液晶材料及びそのカイラルピッチ、液晶層の厚さ、あるいは配向膜の材料、ラビング方向、ラビング強度等の、液晶素子の性能に影響を及ぼす全ての要素が同一であるものを指す。
また、「ねじれ角α+180(度)のSTN型液晶の自由エネルギーがねじれ角α(度)のTN型液晶の自由エネルギーよりも低い」とは、ねじれ角α(度)のTN型液晶になる場合もねじれ角α+180(度)のSTN型液晶になる場合もあるが、ねじれ角α+180(度)のSTN型液晶の自由エネルギーの方が低いことを指す。ただし、厳密な意味での自由エネルギーを求めることは困難であるため、「STN型液晶の自由エネルギーの方が低い」とは、具体的には室温で放置することで、経時(数秒〜数時間)によりTN型液晶からSTN型液晶へと転移するものを指すこととする。
上述したように、本発明においては、同一の液晶表示素子においてねじれ角α+180(度)のSTN型液晶の自由エネルギーがねじれ角α(度)のTN型液晶の自由エネルギーよりも低い状態とされているため、経時によりTN型液晶からSTN型液晶へと転移する。しかし、飽和電圧よりも十分に高い電圧を印加することで、一時的にSTN型液晶からTN型液晶へと転移させることができる。これは、STN型液晶の状態では液晶層はスプレイ構造を形成しているが、飽和電圧よりも十分に高い電圧を印加することでスプレイ構造が解消され、均一なねじれ構造になるためと考えられる。
印加する電圧は液晶材料の種類等によっても異なるが、飽和電圧の1.5〜5倍が好ましい。また、印加時間は数十秒間〜数分間が好ましい。
なお、液晶層がねじれ角α(度)のねじれ状態に保たれる時間は、液晶材料の種類や配向膜のプレチルト角によっても異なる。プレチルト角が大きくなるとねじれ角α(度)のTN型液晶がより安定となるため、ねじれ角α(度)のねじれ状態に保たれる時間が長くなる。
本発明に係るTN型液晶素子は、略平行に配置され、少なくとも一方が透明な1組の基板と、上記1組の基板の対向面に設けられ、液晶材料中の液晶分子が同一方向を向くように表面に配向処理が施された1組の配向膜と、上記1組の配向膜の間に配置された、液晶材料及びカイラル剤を含む液晶層と、を備え、上記1組の配向膜の配向処理方向のなす角αは70〜110度であり、かつ、その配向処理方向は、上記液晶層が上記なす角αだけねじれていた場合にユニフォームツイスト構造を形成する方向であり、無電界状態で安定なねじれ角α+180(度)のSTN型液晶が、ねじれ角α(度)のTN型液晶として高分子安定化されていることを特徴とするものである。
ここで、液晶分子配列シミュレーターLCDマスター(シンテック社製)を用いたシミュレーション結果を図5に示す。図5は、液晶材料ZL1−4792(メルク社製)のパラメータを用い、配向膜のプレチルト角を20度、配向膜間の距離(すなわち液晶層の厚さ)を5μmとして、液晶材料のカイラルピッチを変化させたときの立ち下がりの応答時間τoffの変化を示したものである。このτoffは、電圧無印加時の透過率に対して50%の透過率となる電圧を印加した状態から電圧を0Vとし、電圧無印加時の透過率を100、透過率50%を0としたとき、透過率が10から90へと変化するのに要する時間である。図5から分かるように、液晶材料のカイラルピッチが小さくなるほど立ち下がりの応答時間τoffが短くなっている。このことから、p/dの値を従来困難であった0.5≦p/d≦1.6の範囲とすることにより、液晶素子の立ち下がりの応答速度が従来よりも高速化され、動画特性が向上することが理解される。
2cm×2cm×1.1cmの大きさのガラス基板上に、1cm×1cmの透明電極及び電極を外部に取り出すための電極部分を形成した。このように準備したガラス基板に、チッソ石油化学社製の液晶配向膜用ポリイミドであるPIA−x768−01xとPIA−x359−01xとを45:55の割合で混合したものを約0.1μmの厚さで塗布し、配向膜を形成した。この配向膜に対して、木綿製のベルベット布を用いてラビング処理を施した。ラビング処理の方向(配向処理方向)は図6に示すとおりである。なお、配向膜のプレチルト角は21度であった。
次いで、一方の配向膜上に直径5μmのシリカ製スペーサー(ハイプシカUF 5ミクロン、宇部日東化成社製)を散布した後、エポキシ系シール剤を周縁に塗布し、150℃で1時間加熱して硬化させた。シールには液晶材料注入のための注入口及び排気口の2つの穴を作った。
液晶材料の注入後、徐冷して液晶の配向状態を偏光顕微鏡で観察したところ、液晶の配向は全面均一であった。2枚の偏光板を吸収軸が直交する、いわゆるクロスニコルに組み、偏光板の透過軸とラビング方向とが平行になるように液晶素子を2枚の偏光板の間に配置して観察したところ、全面が青色に着色していた。液晶層が基板間で90度ねじれている場合、このような観察において着色は発生せず白色の状態となるはずである。このため、この状態は液晶層が基板間で270度ねじれた状態と考えることができる。
このことを確認するため、2枚の偏光板をクロスニコルに組み、偏光板の透過軸とラビング方向とが平行になるように液晶素子を2枚の偏光板の間に配置して観察したところ、電圧印加前には全面が青色に着色していたのに対して、電圧印加により生じた液晶配列では着色は観察されなかった。このことから、電圧印加前の液晶配列がねじれ角270度のSTN型液晶に対応し、電圧印加により生じた液晶配列がねじれ角90度のTN型液晶に対応することが確認された。
上記の方法により、実施例1の5つのTN型液晶素子を作製した。
図9,10から分かるように、立ち上がり、立ち下がりの応答特性には再現性があった。また、応答速度が高速であることからTN型液晶状態が固定されていることが分かる。
配向膜のプレチルト角を3度とし、光硬化性モノマーUCL−003(DIC社製)の添加量を52.8mgとしたほかは、実施例1と同様にして実施例2の5つのTN型液晶素子を作製した。
この5つのTN型液晶素子について、液晶素子電気光学特性測定装置LCD5200(大塚電子社製)を用いて、25℃における立ち下がりの応答時間を求めた。具体的には、V50、V10の電圧印加状態から電圧を切ったときの応答時間(τoff)を測定した。5つのTN型液晶素子の測定値の平均値及び2σの値を下記の表3に示す。なお、表3には参考のため、実施例1の5つのTN型液晶素子の測定値についても併せて示す。
カイラル剤の添加によってカイラルピッチを左巻き、5.0μmに調整したZLI−4792US184(メルク社製)475mgに対して、光硬化性モノマーUCL−003(DIC社製)57mgを加えた液晶材料を用いたほかは、実施例1と同様にして実施例3の4つのTN型液晶素子を作製した(p/d=1.0)。
この4つのTN型液晶素子について、液晶素子電気光学特性測定装置LCD5200(大塚電子社製)を用いて、25℃における立ち下がりの応答時間を求めた。具体的には、V50の電圧印加状態から電圧を切ったときの応答時間(τoff)を測定した。4つのTN型液晶素子の測定値の平均値及び2σの値を下記の表4に示す。なお、表4には参考のため、実施例1の5つのTN型液晶素子の測定値についても併せて示す。
液晶材料に光硬化性モノマーを添加しないほかは、実施例1と同様にして参考例1の5つのTN型液晶素子を作製した(p/d=1.5)。また、液晶材料に光硬化性モノマーを添加せず、かつ、カイラル剤の量を変更して液晶材料のピッチ長を10μmとしたほかは、実施例1と同様にして参考例2の5つのTN型液晶素子を作製した(p/d=2.0)。そして、ねじれ角90度のTN型液晶からねじれ角270度のSTN型液晶へと転移するまでの間に、実施例1と同様にして25℃における立ち下がりの応答時間を求めた。各5つのTN型液晶素子の測定値の平均値及び2σの値を下記の表5に示す。
Claims (6)
- 略平行に配置され、少なくとも一方が透明な1組の基板と、
前記1組の基板の対向面に設けられ、液晶材料中の液晶分子が同一方向を向くように表面に配向処理が施された1組の配向膜と、
前記1組の配向膜の間に配置された、液晶材料及びカイラル剤を含む液晶層と、を備え、
前記1組の配向膜の配向処理方向のなす角αは70〜110度であり、かつ、その配向処理方向は、前記液晶層が前記なす角αだけねじれていた場合にユニフォームツイスト構造を形成する方向であり、
無電界状態で安定なねじれ角α+180(度)のSTN型液晶が、ねじれ角α(度)のTN型液晶として高分子安定化されていることを特徴とするTN型液晶表示素子。 - 同一の液晶表示素子においてねじれ角α+180(度)のSTN型液晶の自由エネルギーはねじれ角α(度)のTN型液晶の自由エネルギーよりも低く、
前記液晶層はねじれ角α(度)で高分子安定化されていることを特徴とする請求項1記載のTN型液晶表示素子。 - 前記液晶層の厚さをd、前記液晶材料のカイラルピッチをpとしたとき、0.5≦p/d≦1.6であることを特徴とする請求項1又は2記載のTN型液晶素子。
- 前記配向膜のプレチルト角が5度以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のTN型液晶素子。
- 少なくとも一方が透明な1組の基板のそれぞれ一方の面に配向膜を形成する工程と、
液晶材料中の液晶分子が同一方向を向くように、1組の前記配向膜の表面に配向処理を施す工程と、
1組の前記配向膜が対向するように、前記1組の基板を配置する工程と、
1組の前記配向膜の間に、カイラル剤及び光硬化性モノマーを含む液晶材料を充填して液晶層を形成する工程と、
前記1組の基板の間に電圧を印加する工程と、
電圧の印加を停止し又は減少させた後、前記光硬化性モノマーを光硬化する工程と、を有し、
1組の前記配向膜の配向処理方向のなす角αは70〜110度であり、かつ、その配向処理方向は、前記液晶層が前記なす角αだけねじれていた場合にユニフォームツイスト構造を形成する方向であり、
前記電圧を印加する工程では、電圧の印加により前記液晶層を垂直配向状態にした後、電圧の印加を停止し又は減少させることにより、前記液晶層を一時的にねじれ角α+180(度)のSTN型液晶からねじれ角α(度)のTN型液晶へと転移させ、
前記光硬化する工程では、前記光硬化性モノマーを光硬化することにより、前記液晶層をねじれ角α(度)で高分子安定化することを特徴とするTN型液晶素子の製造方法。 - 前記液晶層の厚さをd、前記液晶材料のカイラルピッチをpとしたとき、0.5≦p/d≦1.6であることを特徴とする請求項5記載のTN型液晶素子の製造方法。
Priority Applications (1)
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