WO2012049894A1 - 双安定液晶装置 - Google Patents

Abstract

　従来の双安定液晶装置はスイッチング特性がパネルごとにバラツキ量産性に課題があった。　低アンカリング層とＩＴＯ間に中間層として、原子間力顕微鏡で計測した平均表面粗さが２ｎｍ以下の凹凸膜を挿入することにより、パネルごとに異なるＩＴＯ膜の表面形状に低アンカリング層が影響を受けるとなく、スイッチング特性が安定した。

Description

双安定液晶装置

　本発明は電気光学効果として液晶の双安定性を利用した双安定性液晶装置に関する。

　近年、別のネマチック型液晶ディスプレイ群、すなわち、表面破壊によるネマチック型ディスプレイ群が登場した（例えば、国際出願ＷＯ９７／１７６３２）。これらのディスプレイは双安定であり、エネルギーを消費することなく配向がいつまでも持続し、エネルギーの供給を必要とするのは２つの状態をスイッチングするときのみである。この特徴を活かし、電源ケーブル無しで長時間の利用が可能な用途（電子ブックや電子棚札など）への応用が拡大してきている。

　この種のディスプレイを製造することの主な難点は、表面のアンカリングを破壊しなければならない点にある。すなわち、低エネルギーアンカリングを再現できることが必要である。弱いアンカリングを用いる双安定性ネマチック型ディスプレイは、以下の方法を典型例として製造される。すなわち、インジウム錫酸化物からなる導電層を塗布した二枚のガラス板の間に液晶を配置する。一方の電極は、高いプレチルト角または強い方位角アンカリングが得られる被膜を有し、他方の電極は、低プレチルト角でかつ弱い方位角アンカリングエネルギーが得られる被膜である。さらに、２つの偏光子を適当な向きでセルの一方の側に配置する。

　この「双安定」技術の原理は、電界を印加することなく、安定した２つの状態、すなわち、均一状態と１８０ °ねじれた状態とが存在することにある。ここで、以下説明文は均一状態をＵ状態（Ｕｎｉｆｏｒｍ）、１８０°ねじれ状態をＴ状態（Ｔｗｉｓｔ）と称することにする。このＵとＴ二つの状態は、最小エネルギーレベルに相当する。正の誘電異方性を有するネマチック液晶、例えば、カイラル添加剤をドープしたペンチルシアノビフェニル（５ＣＢとして知られている）を用いた場合、このＵとＴの二つの状態は平衡状態にある。この種のデバイスは、一般的にＢｉｎｅｍ デバイスと呼ばれる。

　このディスプレイ技術は、特定の形状および強度の電界を加えて一方の状態から他方の状態に移行させることにより、強いアンカリングをそのままの状態に維持しながら弱いアンカリングを破壊できることを利用するものである。セルに対して垂直に電界を印加することにより、ＴＮ技術の「ブラック」状態と同様、低アンカリングエネルギー面に近接した分子が低アンカリングエネルギー面に垂直であるホメオトロピック組織が誘起される。この非平衡組織は遷移状態にあり、二つの安定状態のうち、いずれか一方へスイッチングできる。電界の印加を停止すると、弾性カップリング効果または流体力学的カップリング効果の何れが優勢であるかにより、安定状態の一方または他方の状態へ変化する。

　Ｔ状態とＵ状態との間のセルスイッチングを容易にするために、弱いアンカリングは小チルト角（＜ １ °） を有していてもよい。一方、強いアンカリングは一定のプレチルト角を有するＴＮ液晶またはＳＴＮ液晶で一般的に用いられる配向膜でよい。強いアンカリングが一方向に傾き、弱いアンカリングが同じ方向に傾いている場合、一次破壊と呼ばれる遷移電界誘起アンカリング破壊により、Ｔ状態からＵ状態へスイッチングしうる。Ｕ状態からＴ状態へのスイッチングは上記の流体力学的カップリングにより達成される。

　液晶材料をアンカリングするための種々の手段が既に提案されている。しかしながら、十分に強いアンカリングを生じさせることができる手段はあるが、弱いアンカリングを確保することができる手段は極めて少数でしかない。

　弱いアンカリングを確保することができる手段として、以下の液晶セルの製造方法が特許文献１で提案されている。

　ポリ（ビニルクロリド－ ｃ ｏ － ビニルアルキルエーテル）型ポリマーまたはコポリマー、もしくは、ポリ（ビニルクロリド－ ｃ ｏ － ビニルアリールエーテル）型ポリマーまたはコポリマーから得られるポリマーまたはコポリマーから選択される、ポリマー、コポリマー、またはターポリマーを、基板上に付着させる工程、前記ポリマーの被膜を安定化させる工程、および、液晶の制御された方位角アンカリングを誘起させるために、前記被膜の方位角配向を生じさせる工程、を含んでなる方法により達成される。

　特許文献１によれば、被膜の安定化は、熱および／ または紫外線照射により行われ、ネマチック液晶のプレチルト角は小さく、（０°＜Ψ＜１°、好ましくは０．１°＜Ψ＜０．５ °）であり、双安定性ネマチック型液晶セルにおいて、低エネルギーアンカリング層を形成できるとしている。

特開２００４－１６３８７８号公報（第８頁、化３）

　ここで、単純な矩形波（例えばパルス幅２ｍｓｅｃ）で０°から低アンカリング層のアンカリング破壊状態を経て、Ｔ状態へ変化する電圧をＶＴとし、液晶パネル内全画素（１００％の画素）がＵ状態からＴ状態とスイッチングするＶＴをＶＴ１００と定義する。

　特許文献１のＢｉｎｅｍデバイス（以下液晶パネルと称する）は量産でＶＴ１００特性が安定しない課題があった。すなわち、ＶＴ１００特性が液晶パネルごとにバラツク課題があった。

　量産のＶＴ１００の規格は液晶パネル駆動用のドライバーＩＣの出力電圧の上限により上限値が決まる。このためＶＴ１００がある範囲を超える液晶パネルは全面Ｔ状態にスイッチングできないため不良となる。液晶パネルのＶＴ１００のバラツキを抑えるために様々な実験解析を重ねた結果、ＶＴ１００バラツキの最大の要因は低アンカリング層のアンカリングエネルギーのバラツキであり、低アンカリング層のアンカリングエネルギーがＩＴＯ膜の表面形状の影響で大きくシフトすることがわかった。

　通常電極としては膜厚が１００ｎｍ～３００ｎｍのＩＴＯ（インジウムスズオキサイド）を用いる。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）でＩＴＯ表面を観察すると、ＩＴＯの成膜方法、ＩＴＯの膜厚にもよるが、例えばスパッタリングにて１５０ｎｍの膜厚のＩＴＯをＡＦＭにて表面形状を観察すると１μｍ^２のエリアで平均表面粗さ（以下：Ｒａ）≒２．３～２．８ｎｍ、最大高低差（Ｐ－Ｖ）＝２０～４０ｎｍであり、ＩＴＯ基板ごとにＲａとＰ－Ｖのバラツキがあった（ＡＦＭの測定枚数＝５枚）。ＩＴＯの成膜条件（スパッタリング条件）を一定にしてもＩＴＯ表面の微妙な凹凸を常に一定制御することは不可能であり、ＩＴＯの微妙な表面形状の違いは、ＩＴＯ上部に直接形成する低アンカリング層のアンカリングエネルギーに影響を与えていた。

　要するに、ＩＴＯの上部に形成する低アンカリング層は１０ｎｍ以下で薄いため、ＩＴＯ基板ごとの表面形状の微妙な違いが無視できなかった。ＩＴＯの表面形状が低アンカリング層の表面形状に反映され、液晶のプレチルト角や弱いアンカリングエネルギーに影響を与えていた。液晶のプレチルト角や弱いアンカリングエネルギーのバラツキは液晶パネルのＶＴ１００のバラツキに直結するため、量産安定性に大きな課題があった。

　本発明では上述の課題を解決するために、低アンカリング層とＩＴＯ間に中間層を入れることを検討した結果、中間層として凹凸膜を挿入することが有効なことがわかった。種々の凹凸膜を検証した結果、原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭ）の計測で、平均表面粗さＲａが２ｎｍ以下で安定した液晶パネルのＶＴ１００が得られることがわかった。膜厚を変えて表面形状を変えた種々のＩＴＯに凹凸膜を形成しＡＦＭで観察すると、凹凸膜のＲａはほぼ一定で、尚かつ表面形状もほぼ一定となった。また、凹凸膜の膜厚を２０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲で変えても、Ｒａがほぼ一定の表面形状が観察できた。

　要するに、ＩＴＯ膜の表面形状を変えても、凹凸膜の膜厚を変えてもＡＦＭによる計測では、凹凸膜の平均表面粗さＲａはほぼ一定となった。この結果、低アンカリング層とＩＴＯ間に凹凸膜を入れることにより、低アンカリングエネルギーが安定し、結果的に液晶パネルのＶＴ１００のバラツキを大幅に低減することができた。

　凹凸膜は印刷可能な絶縁膜に微粒子を混入することにより容易に形成できる。特に凹凸膜のＲａを２ｎｍ以下にするために、微粒子の形状は１５ｎｍ以下が好ましい。

　本発明の双安定性液晶装置、すなわち低アンカリング層とＩＴＯ間に、ＡＦＭの計測で平均表面粗さＲａが２ｎｍ以下の凹凸膜を入れることにより、量産で安定したＢｉｎｅｍ液晶パネルの製造が可能となる。

本発明の双安定性液晶装置の概略説明図である。 ＡＦＭによるＩＴＯ面及び凹凸膜形成後の表面形状解析である。 本発明の双安定性液晶装置のスイッチング特性の説明図である

　本発明の双安定性液晶装置の最良の形態を図１を用いて説明する。図１は本発明の双安定性液晶装置の概略断面図である。基板１にはＩＴＯ膜２、強アンカリング膜３が形成され、強アンカリング膜３は回転布ロールによるラビング工程により配向処理されている。一方、基板８上にはＩＴＯ膜７、凹凸膜６、弱アンカリング膜５が形成され、弱アンカリング膜５は回転布ロールによるラビング工程により配向処理されている。凹凸膜６にはポリチタノシロキサンを主成分とする塗布型の絶縁膜にシリカ微粒子を混合した材料をフレキソ印刷で塗布、硬化して形成した。基板１と基板７の間には約１．５μｍのセルギャップにて液晶４が狭持されている。

　ＩＴＯ７上の凹凸膜６により、低アンカリング膜が安定して形成できるようになり、ＩＴＯ７の微妙な表面形状に関係なく、一定のアンカリングエネルギーが得られるようにった。すなわち、一定のアンカリングエネルギーが常に安定的に得られるようになり、液晶パネルのＶＴ１００バラツキが低減した。

　以下、本発明の双安定性液晶装置及び製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。

　本実施例１の双安定性液晶装置を図１を用いて説明する。図１は本発明の双安定性液晶装置の概略断面図である。ガラス基板１にはＩＴＯ膜２、強アンカリング膜３を形成した。ＩＴＯ膜２はスパッタリングで２５０ｎｍ形成し、強アンカリング膜はプレチルト角度が５°程度になるポリイミド配向膜をフレキソ印刷にて５０ｎｍ形成した。強アンカリング膜３は回転布ロールによるラビング工程により配向処理した。一方、ガラス基板８上にはＩＴＯ膜７、凹凸膜６、弱アンカリング膜５を形成した。ＩＴＯ膜７はスパッタリングで３種類（膜厚：１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ）形成し、凹凸膜６はフレキソ印刷で５０ｎｍ形成した。ＩＴＯ膜三種類は意図的にＩＴＯ表面形状のバラツキを評価するために用意した。

　ここで、凹凸膜６には、ポリチタノシロキサンを主成分とする固形分をプロピレングリコールとブチルセロソルブを主成分とする溶媒に固形分濃度比６％で溶解させて、さらに１０～１５ｎｍのシリカ粒子を固形分濃度比１％で混合した塗布型材料を用いた。ここではシリカ粒子を用いたが、酸化チタン等の透明な絶縁性金属酸化物粒子を用いても良いし、透明な絶縁物であれば無機物に限定されるものではなく、有機物粒子や有機無機ハイブリッド粒子でも構わない。

　凹凸膜６はフレキソ印刷～乾燥後、ＶＵ照射してから本焼成を行った。また、弱アンカリング膜５はＰＶＣ（ポリビニルクロライド）を主成分とするポリマーをフレキソ印刷にて１０ｎｍ以下の膜厚（段差計での測定限界以下）で形成した。弱アンカリング膜５は回転布ロールによるラビング工程により配向処理した。ガラス基板１とガラス基板７の間には約１．５μｍのセルギャップにて液晶４が狭持されている。液晶４には特開２００８－２８５５９４に記載されているＤＩＣ社製ネマチック液晶を用いた。

　図２に三種類のＩＴＯ膜７（膜厚：１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ）上に、凹凸膜６を形成し、ＡＦＭにて表面形状観察した結果を示す。図２の測定結果から凹凸膜６を形成することにより、ＩＴＯ膜７の膜厚が異なっても（ＩＴＯ膜７の表面形状が大幅に異なっても）凹凸膜６の表面形状はほぼ同じになった。

　本実施例１の双安定性液晶装置においては、図３に示すように凹凸膜６を形成した場合、ＩＴＯ膜厚（１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ）いずれの場合も０°～１８０°へのスイッチング（以下：Ｔスイッチング）及び１８０°～０°へのスイッチング（以下：Ｕスイッチング）が確認できた。ＩＴＯ膜厚１００ｎｍの液晶パネルは電圧１７ｖパルス幅２ｍｓｅｃの矩形波にてＴスイッチングした（ＶＴ１００＝１７．０ｖ）。ＩＴＯ膜厚１５０ｎｍの液晶パネルはＶＴ１００＝１７．８ｖ、ＩＴＯ膜厚２５０ｎｍの液晶パネルはＶＴ１００＝１６．７ｖ、となりＩＴＯ膜厚（表面形状）によるＶＴバラツキは大幅に改善された。さらに０°と１８０°それぞれの双安定性（ＵとＴの安定性）を１週間確認したが、全てのＩＴＯ膜厚の液晶パネルにて問題無いことが確認できた。

　一方、凹凸膜６を形成せずに、ＩＴＯ膜７上に凹凸膜６無しで、直接弱アンカリング膜５を形成して、Ｔスイッチング及びＵスイッチング、及びＴスイッチングとＵスイッチングの安定性を確認したところ、図３に示すようにＩＴＯ膜厚１００ｎｍの液晶パネルは電圧１７ｖパルス幅２ｍｓｅｃの矩形波にてＴスイッチングした（ＶＴ１００＝１６ｖ）。ＩＴＯ膜厚１５０ｎｍの液晶パネルと、ＩＴＯ膜厚２００ｎｍの液晶パネルはＵスイッチングしなかった。

　図２、図３で明らかなように、凹凸膜６によりＩＴＯ膜の表面形状に起因する液晶パネルのＶＴ１００への影響が無視でき、ＩＴＯ膜の表面形状のバラツキに起因するＶＴ１００のバラツキが低減できることを示している。

　本発明の双安定性液晶装置により、量産性を大幅に改善（液晶パネルのＶＴ１００のバラツキを低減）できたことにより、安価な双安定性液晶装置を安定的に供給できるようになる。

　１、８　基板
　２、７　ＩＴＯ膜
　３　強アンカリング膜
　４　液晶
　５　弱アンカリング膜
　６　凹凸膜

Claims (3)

1. 　電極、配向膜が形成された一対の基板間に液晶を封入し、少なくとも一方の基板上は低アンカリングエネルギー配向膜を有する双安定性液晶装置であって、前記低アンカリングエネルギー配向膜と電極間に、平均表面粗さが２ｎｍ以下の凹凸膜を有することを特徴とする双安定性液晶装置。
2. 　前記凹凸膜が微粒子を混入した材料からなることを特徴とする請求項１記載の双安定性液晶装置。
3. 　前記微粒子の粒径が１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の双安定性液晶装置。

Images