JP2009036861A - 液晶表示素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、単安定性を示し、ハーフＶ字型スイッチング特性を示す強誘電性液晶を用いて、極性反転駆動が可能な液晶表示素子を提供することを主目的とする。
【解決手段】本発明は、第１基材と第１電極層とラビング膜からなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と第２電極層と第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、上記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、上記第１配向パターンが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、上記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターン、あるいは、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであることを特徴とする液晶表示素子を提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、自発分極を有する単安定型の強誘電性液晶を用いた液晶表示素子に関するものである。
液晶表示素子は薄型で低消費電力などといった特徴から、大型ディスプレイから携帯情報端末までその用途を広げており、その開発が活発に行われている。これまで液晶表示素子は、ＴＮ方式、ＳＴＮのマルチプレックス駆動、ＴＮに薄層トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリックス駆動等が開発され実用化されているが、これらはネマチック液晶を用いているために、液晶材料の応答速度が数ｍｓ〜数十ｍｓと遅く動画表示に十分対応しているとはいえない。
強誘電性液晶（ＦＬＣ）は、応答速度がμｓオーダーと極めて短く、高速デバイスに適した液晶である。強誘電性液晶はクラークおよびラガーウォルにより提唱された電圧非印加時に安定状態を二つ有する双安定性のものが広く知られているが（図２５上段）、明、暗の２状態でのスイッチングに限られ、メモリー性を有するものの、階調表示ができないという問題を抱えている。
近年、電圧非印加時の液晶層の状態がひとつの状態で安定化している（以下、これを「単安定」と称する。）強誘電性液晶が、電圧変化により液晶のダイレクタ(分子軸の傾き)を連続的に変化させ透過光度をアナログ変調することで階調表示を可能とするものとして注目されている（非特許文献１、図２５下段）。単安定性を示す液晶としては、通常、コレステリック（Ｃｈ）相−カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相と相変化し、スメクチックＡ（ＳｍＡ）相を経由しない強誘電性液晶が用いられる（図１９上段）。
しかしながら、強誘電性液晶は、ネマチック液晶に比べて分子の秩序性が高いために配向が難しい。特に、ＳｍＡ相を経由しない強誘電性液晶は、層法線方向の異なる二つの領域（以下、これを「ダブルドメイン」と称する。）を発生する。このようなダブルドメインは、駆動時に白黒反転した表示になり、大きな問題となる。
ダブルドメインを改善する方法としては、液晶セルをＣｈ相以上の温度に加熱し、直流電圧を印加したまま徐々に冷却する電界印加徐冷法が知られている（非特許文献２）。また、強誘電性液晶を単安定化する方法としては、強誘電性液晶に紫外線硬化型液晶性モノマーを混合し、電圧を印加した状態で、紫外線照射を行い、高分子化させることにより安定化させる高分子安定化法がある。
また、モノドメイン化の方法として、上下の配向膜の一方にラビング処理を施し、他方に光配向処理を施すことにより、強誘電性液晶を配向させる方法が開示されている（特許文献１参照）。さらに、強誘電性液晶を単安定化する方法として、上下の配向膜として光配向膜を用い、これらの光配向膜にそれぞれ異なる組成の材料を用いる方法が開示されている（特許文献２、特許文献３および特許文献４参照）。またさらに、強誘電性液晶を単安定化する方法として、上下の配向膜のいずれか一方に、反応性液晶を塗布して配向させ固定化することにより反応性液晶層を形成し、この反応性液晶層を配向膜として作用させる方法が開示されている（特許文献５参照）。
さらに、単安定性を示すものではないが、強誘電性液晶の配向欠陥を改善する方法として、上下の配向膜に光配向処理を施した後、それぞれの配向膜上にネマチック液晶を塗布して配向させ固定化することによりネマチック液晶層を形成し、このネマチック液晶層を配向膜として作用させることにより、強誘電性液晶を配向させる方法が開示されている（特許文献６参照）。
一般に、液晶表示素子では、直流電流を長時間印加すると焼き付きが生じるので、この焼き付きを防ぐために、一定周期で電圧の極性を反転させる極性反転駆動が採用されている。極性反転駆動には、縦または横方向１ライン毎に極性を反転するライン反転駆動や、１ドット（１画素）毎に極性を反転するドット反転駆動がある。
単安定性を示す強誘電性液晶には、図２５下段に示すように、正負いずれかの電圧を印加したときにのみ液晶分子が動作する、half-V shaped switching（以下、「ハーフＶ字型スイッチング」と称する。）特性を示すものと、正負いずれの電圧を印加したときにも液晶分子が動作する、V shaped switching（以下、「Ｖ字型スイッチング」と称する。）特性を示すものとがある。特に、ハーフＶ字型スイッチング特性を示す強誘電性液晶は、白黒シャッターとしての開口時間を十分に長くとることができるという利点を有する。
このハーフＶ字型スイッチング特性を示す強誘電性液晶には、図２に示すように、負の電圧を印加したときに液晶分子が動作するもの（図２（ａ））と、正の電圧を印加したときに液晶分子が動作するもの（図２（ｂ））とがある。
特開２００３−５２２３号公報 特開２００５−２０８３５３号公報 特開２００５−２３４５４９号公報 特開２００５−２３４５５０号公報 特開２００５−２５８４２８号公報 特表２００２−５３２７５５号公報 NONAKA, T., LI, J., OGAWA, A., HORNUNG, B., SCHMIDT, W., WINGEN, R., and DUBAL, H., 1999, Liq. Cryst., 26, 1599. PATEL, J., and GOODBY, J. W., 1986, J. Appl. Phys., 59, 2355.
上記のハーフＶ字型スイッチング特性を示す強誘電性液晶を用いた液晶表示素子を、上記の極性反転駆動により駆動するためには、ライン毎、ドット毎等に、負の電圧を印加したときに液晶分子が動作する強誘電性液晶と、正の電圧を印加したときに液晶分子が動作する強誘電性液晶とを交互に配置する必要がある。
しかしながら、強誘電性液晶は、上述したように配向が難しいため、強誘電性液晶を用いた液晶表示素子を、上記の極性反転駆動により駆動する試みはなされていなかった。
本発明は、斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、単安定性を示し、ハーフＶ字型スイッチング特性を示す強誘電性液晶を用いて、極性反転駆動が可能な液晶表示素子を提供することを主目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、第１基材と、上記第１基材上に形成された第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、ラビング膜からなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と、上記第２基材上に形成された第２電極層と、上記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板を、上記第１配向層および上記第２配向層が対向するように配置し、上記第１配向層および上記第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、上記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、上記第１配向パターンが、光異性化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、上記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と、上記反応性液晶用配向膜上に形成され、反応性液晶を固定化してなる反応性液晶層とからなるパターン、あるいは、光二量化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかであることを特徴とする液晶表示素子を提供する。
本発明によれば、第１配向層と、第２配向層の第１配向パターンと、第２配向層の第２配向パターンとを所定の組合せとすることにより、極性表面相互作用によって、強誘電性液晶の自発分極の向きを制御することができる。これにより、第２配向層の第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている領域毎に強誘電性液晶の自発分極の向きを反転させることができ、極性反転駆動が可能となる。また、強誘電性液晶の自発分極の向きを制御することができるので、第２配向層の第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている各領域では、強誘電性液晶のモノドメイン配向を得ることが可能である。
また本発明によれば、第１配向層にラビング膜を用いることにより、ジグザグ欠陥やヘアピン欠陥の発生を効果的に抑制することが可能である。
上記発明においては、上記第２電極層と上記第２配向層との間に、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する濡れ性変化層が形成され、上記濡れ性変化層表面に、撥液性領域および親液性領域からなる濡れ性変化パターンが形成され、上記親液性領域上にのみ上記第２配向層が形成されていてもよい。濡れ性変化層表面に形成された濡れ性変化パターンを利用して、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
上記の場合、上記第２基材と上記濡れ性変化層との間にパターン状の遮光部が形成され、上記撥液性領域が上記遮光部が設けられている領域に配置されていることが好ましい。これにより、撥液性領域での強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
また本発明においては、上記第１配向パターンおよび上記第２配向パターンの間に絶縁部が形成され、上記絶縁部表面が撥液性領域、上記絶縁部の開口部内の層表面が親液性領域であり、上記親液性領域上にのみ上記第２配向層が形成されていてもよい。上記の場合と同様に、絶縁部表面の撥液性領域と絶縁部の開口部内の層表面の親液性領域との濡れ性の違いを利用して、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
上記の場合、上記絶縁部が遮光部であることが好ましい。これにより、撥液性領域での強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
また本発明においては、上記第１配向パターンおよび上記第２配向パターンの間に隔壁が形成されていてもよい。この場合も同様に、隔壁が形成されていることにより、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
また本発明は、第１基材と、上記第１基材上に形成された第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と、上記第２基材上に形成された第２電極層と、上記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板を、上記第１配向層の第１配向パターンおよび上記第２配向層の第２配向パターンが対向し、上記第１配向層の第２配向パターンおよび上記第２配向層の第１配向パターンが対向するように配置し、上記第１配向層および上記第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、上記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、上記第１配向パターンがラビング膜からなるパターンであり、上記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と、上記反応性液晶用配向膜上に形成され、反応性液晶を固定化してなる反応性液晶層とからなるパターン、光二量化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光異性化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかであることを特徴とする液晶表示素子を提供する。
本発明によれば、第１配向パターンおよび第２配向パターンを所定の組合せとすることにより、極性表面相互作用によって、強誘電性液晶の自発分極の向きを制御することができる。これにより、第１配向層の第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている領域毎に強誘電性液晶の自発分極の向きを反転させることができ、極性反転駆動が可能となる。また、強誘電性液晶の自発分極の向きを制御することができるので、第１配向層の第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている各領域では、強誘電性液晶のモノドメイン配向を得ることが可能である。
また本発明によれば、第１配向パターンにラビング膜を用いることにより、ジグザグ欠陥やヘアピン欠陥の発生を効果的に抑制することが可能である。
上記発明においては、上記第１電極層と上記第１配向層との間、および、上記第２電極層と上記第２配向層と間に、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する濡れ性変化層がそれぞれ形成され、上記濡れ性変化層表面に、撥液性領域および親液性領域からなる濡れ性変化パターンが形成され、上記親液性領域上にのみ上記第１配向層および上記第２配向層が形成されていてもよい。濡れ性変化層表面に形成された濡れ性変化パターンを利用して、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
上記の場合、上記第１配向処理基板の第１基材と濡れ性変化層との間、および、上記第２配向処理基板の第２基材と濡れ性変化層との間の少なくともいずれか一方にパターン状の遮光部が形成され、上記撥液性領域が上記遮光部が設けられている領域に配置されていることが好ましい。これにより、撥液性領域での強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
また本発明においては、上記第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間、ならびに、上記第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間に絶縁部がそれぞれ形成され、上記絶縁部表面が撥液性領域、上記絶縁部の開口部内の層表面が親液性領域であり、上記親液性領域上にのみ上記第１配向層および上記第２配向層が形成されていてもよい。上記の場合と同様に、絶縁部表面の撥液性領域と絶縁部の開口部内の層表面の親液性領域との濡れ性の違いを利用して、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
上記の場合、上記第１配向処理基板に形成された絶縁部および上記第２配向処理基板に形成された絶縁部の少なくともいずれか一方が遮光部であることが好ましい。これにより、撥液性領域での強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
また本発明においては、上記第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間、あるいは、上記第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間のいずれかに隔壁が形成されていてもよい。この場合も同様に、隔壁が形成されていることにより、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
さらに本発明においては、上記ラビング膜がポリイミドを含有することが好ましい。
本発明においては、強誘電性液晶を挟んで所定の配向膜の組合せとすることにより、極性表面相互作用によって、強誘電性液晶の自発分極の向きを制御することができるという効果を奏する。これにより、第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている領域毎に強誘電性液晶の自発分極の向きを反転させることができ、極性反転駆動が可能となる。また、片側の配向膜にラビング膜を用いることにより、ジグザグ欠陥やヘアピン欠陥の発生を効果的に抑制することができるという効果を奏する。
本発明者らは、強誘電性液晶の自発分極の向きについて調べるため、以下に示す実験を行った。
まず、ラビング膜と光二量化型材料を含有する光配向膜との間に強誘電性液晶が挟持された液晶表示素子を作製した。
ＩＴＯ電極が形成されたガラス基板上に、ポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。また、ＩＴＯ電極が形成されたガラス基板上に、光二量化型材料（Rolic technologies 社製、商品名：ROP103）の２質量％シクロペンタノン溶液をスピンコートし、１３０℃で１５分間乾燥させた後、直線偏光紫外線を約１００ｍＪ／ｃｍ2照射し、配向処理を行った。
一方の基板に１．５μｍのビーズスペーサを散布し、他方の基板にシール剤をシールディスペンサーで塗布した。次いで、両基板をそれぞれの配向処理方向が平行になるように対向させ、熱圧着を行い、空の液晶セルを作製した。
次に、強誘電性液晶(商品名：R2301、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、注入口上部に強誘電性液晶を付着させ、オーブンを用いて、Ｎ相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行い、ゆっくりと常温に戻した。
光二量化型材料を含有する光配向膜側の電極が負極になるように電圧を印加すると、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化した。強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化したものは全体の約８５％であった。
また、ポリイミドおよび光二量化型材料の種類や組み合わせを変えて、上記と同様に、ラビング膜と光二量化型材料を含有する光配向膜との間に強誘電性液晶が挟持された液晶表示素子を作製したところ、上記と同様の結果が得られた。
次に、ラビング膜と反応性液晶層との間に強誘電性液晶が挟持された液晶表示素子を作製した。
ＩＴＯ電極が形成されたガラス基板上に、ポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。また、ＩＴＯ電極が形成されたガラス基板上に、光異性化型材料(DIC社製、商品名：LIA01)の溶液をスピンコートし、１００℃で１分乾燥させた後、直線偏光紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2照射し、配向処理を行った。そして、光配向膜上に、アクリレートモノマーを含有する反応性液晶（Rolic technologies 社製、商品名：ROF-5101）の２質量％シクロペンタノン溶液をスピンコートし、５５℃で３分間乾燥させた後、無偏光紫外線を５５℃で１０００ｍＪ／ｃｍ2露光した。
その後、上記と同様にして液晶表示素子を作製した。
反応性液晶層側の電極が負極になるように電圧を印加すると、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化した。強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化したものは全体の約８８％であった。
また、ポリイミドおよび反応性液晶の種類や組み合わせを変えて、上記と同様に、ラビング膜と反応性液晶層との間に強誘電性液晶が挟持された液晶表示素子を作製したところ、上記と同様の結果が得られた。
次に、ラビング膜と光異性化型材料を含有する光配向膜との間に強誘電性液晶が挟持された液晶表示素子を作製した。
ＩＴＯ電極が形成されたガラス基板上に、ポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。また、ＩＴＯ電極が形成されたガラス基板上に、光異性化型材料（大日本インキ社製、商品名：LIA01）をスピンコートし、１００℃で３分間乾燥した後、直線偏光紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2照射し、配向処理を行った。
その後、上記と同様にして液晶表示素子を作製した。
ラビング膜側の電極が負極になるように電圧を印加すると、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化した。強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化したものは全体の約７０％であった。
また、ポリイミドおよび光異性化型材料の種類や組み合わせを変えて、上記と同様に、ラビング膜と光異性化型材料を含有する光配向膜との間に強誘電性液晶が挟持された液晶表示素子を作製したところ、上記と同様の結果が得られた。
上述の実験の結果から、電圧無印加状態において、ラビング膜と、光二量化型材料を含有する光配向膜または反応性液晶層とでは、ラビング膜側に強誘電性液晶の自発分極の正極が向く傾向があり、またラビング膜と光異性化型材料を含有する光配向膜とでは、光異性化型材料を含有する光配向膜側に強誘電性液晶の自発分極の正極が向く傾向があるとの知見を得た。これは、強誘電性液晶と各層表面との相互作用である、極性表面相互作用が影響しているものと考えられる。
以下、本発明の液晶表示素子について詳細に説明する。
本発明の液晶表示素子は、第１配向処理基板の第１配向層の構成により２つの実施態様に分けることができる。第１実施態様においては、第１配向処理基板の第１配向層は第１基材全面に形成されており、第２実施態様においては、第１配向処理基板の第１配向層は第１基材上にパターン状に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンから構成されている。以下、各実施態様の液晶表示素子について、詳細に説明する。
Ｉ．第１実施態様
まず、本発明の液晶表示素子の第１実施態様について説明する。
本実施態様の液晶表示素子は、第１基材と、上記第１基材上に形成された第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、ラビング膜からなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と、上記第２基材上に形成された第２電極層と、上記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板を、上記第１配向層および上記第２配向層が対向するように配置し、上記第１配向層および上記第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、上記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、上記第１配向パターンが、光異性化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、上記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と、上記反応性液晶用配向膜上に形成され、反応性液晶を固定化してなる反応性液晶層とからなるパターン、あるいは、光二量化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかであることを特徴とするものである。
なお、「単安定性を示す」とは、電圧無印加時の強誘電性液晶の状態がひとつの状態で安定化している状態をいう。強誘電性液晶は、図１に例示するように、液晶分子ＬＣが層法線ｚから傾いており、層法線ｚに垂直な底面を有する円錐（コーン）の稜線に沿って回転する。このような円錐（コーン）において、液晶分子ＬＣの層法線ｚに対する傾き角をチルト角θという。このように、液晶分子ＬＣは層法線ｚに対しチルト角±θだけ傾く二つの状態間をコーン上に動作することができる。具体的に説明すると、単安定性を示すとは、電圧無印加時に液晶分子ＬＣがコーン上のいずれかひとつの状態で安定化している状態をいう。
また、「ハーフＶ字型スイッチング特性」とは、印加電圧に対する光透過率が非対称な電気光学特性をいう。具体的には、図２に示すような正負いずれかの電圧を印加したときにのみ液晶分子が動作する特性をいう。
本実施態様の液晶表示素子について図面を参照しながら説明する。
図３および図４は、本実施態様の液晶表示素子の一例を示す断面図である。
図３に例示する液晶表示素子１においては、第１基材２上に第１電極層３およびラビング膜からなる第１配向層４が形成された第１配向処理基板５と、第２基材１２上に第２電極層１３および第２配向層１４が形成された第２配向処理基板１５とが対向しており、第１配向処理基板５の第１配向層４と第２配向処理基板１５の第２配向層１４との間には強誘電性液晶が挟持され、液晶層１０が構成されている。第２配向層１４は、第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂからなり、この第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂ間には隔壁１６が形成されている。また、第１配向パターン１４ａは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、第２配向パターン１４ｂは、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである。
また、図４に例示する液晶表示素子１においては、第１配向パターン１４ａは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、第２配向パターン１４ｂは、反応性液晶用配向膜１７と、この反応性液晶用配向膜１７上に形成された反応性液晶層１８とからなるパターンである。なお、他の構成は、図３に示す液晶表示素子と同様である。
強誘電性液晶は自発分極を有するので、強誘電性液晶と第１配向層表面および第２配向層表面との相互作用としての極性効果によって自発分極の向きが決まる。
本実施態様においては、第１配向層と、第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンとの間に、強誘電性液晶が挟持されている。
図３に示す例においては、第１配向層４がラビング膜からなり、第２配向層の第１配向パターン１４ａが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、第２配向層の第２配向パターン１４ｂが光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであるので、それぞれの構成材料に応じて、第１配向層と第２配向層の第１配向パターンと第２配向層の第２配向パターンとを互いに異なる極性を有するものとすることができる。これにより、強誘電性液晶と第１配向層との極性表面相互作用、強誘電性液晶と第２配向層の第１配向パターンとの極性表面相互作用、および、強誘電性液晶と第２配向層の第２配向パターンとの極性表面相互作用が互いに異なるものとなる。
上述したように、光二量化型材料を含有する光配向膜は、ラビング膜に比べて相対的に正極性が強い傾向にあり、ラビング膜は、光異性化型材料を含有する光配向膜に比べて相対的に正極性が強い傾向にあると考えられる。そのため、電圧無印加状態において、第１配向層（ラビング膜）と第２配向層の第１配向パターン（光異性化型材料を含有する光配向膜）とでは、ラビング膜側が正極性、光異性化型材料を含有する光配向膜側が負極性となると想定される。したがって、自発分極の正極を第２配向層の第１配向パターン（光異性化型材料を含有する光配向膜）側に向かせることができる。一方、電圧無印加状態において、第１配向層（ラビング膜）と第２配向層の第２配向パターン（光二量化型材料を含有する光配向膜）とでは、光二量化型材料を含有する光配向膜側が正極性、ラビング膜側が負極性となると想定される。したがって、自発分極の正極を第１配向層（ラビング膜）側に向かせることができる。
また、図４に示す例においては、第１配向層４がラビング膜からなり、第２配向層の第１配向パターン１４ａが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、第２配向層の第２配向パターン１４ｂが反応性液晶用配向膜１７と反応性液晶層１８とからなるパターンであるので、それぞれの構成材料に応じて、第１配向層と第２配向層の第１配向パターンと第２配向層の第２配向パターンとを互いに異なる極性を有するものとすることができる。これにより、強誘電性液晶と第１配向層との極性表面相互作用、強誘電性液晶と第２配向層の第１配向パターンとの極性表面相互作用、および、強誘電性液晶と第２配向層の第２配向パターンとの極性表面相互作用が互いに異なるものとなる。
上述したように、反応性液晶層は、ラビング膜に比べて相対的に正極性が強い傾向にあり、ラビング膜は、光異性化型材料を含有する光配向膜に比べて相対的に正極性が強い傾向にあると考えられる。そのため、電圧無印加状態において、第１配向層（ラビング膜）と第２配向層の第１配向パターン（光異性化型材料を含有する光配向膜）とでは、ラビング膜側が正極性、光異性化型材料を含有する光配向膜側が負極性となると想定される。したがって、自発分極の正極を第２配向層の第１配向パターン（光異性化型材料を含有する光配向膜）側に向かせることができる。一方、電圧無印加状態において、第１配向層（ラビング膜）と第２配向層の第２配向パターン（反応性液晶用配向膜および反応性液晶層）とでは、反応性液晶層側が正極性、ラビング膜側が負極性となると想定される。したがって、自発分極の正極を第１配向層（ラビング膜）側に向かせることができる。
すなわち、図５に例示するように、第２配向層の第１配向パターン１４ａが設けられている領域２１では、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）を第２配向層の第１配向パターン１４ａ側に向かせることができる。一方、第２配向層の第２配向パターン１４ｂが設けられている領域２２では、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）を第１配向層４側に向かせることができる。
このように第１配向層、第２配向層の第１配向パターン、および第２配向層の第２配向パターンの表面極性を考慮して、第１配向層、第２配向層の第１配向パターン、および第２配向層の第２配向パターンを所定の組み合わせとすることにより、自発分極の向きを制御することができる。これにより、第２配向層の第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている領域毎に自発分極の向きを反転させることができ、極性反転駆動が可能となる。
また、強誘電性液晶においては、液晶分子の方向と、自発分極の向きと、層法線の方向とは、所定の関係にあるので、液晶分子の方向および自発分極の向きにより、層法線の方向が決まる。例えば図６（ａ）および（ｂ）に示すように、自発分極Ｐｓの向きによって、層法線ｚの方向が異なるものとなる。なお、図６（ａ）においては液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓが紙面手前から奥方向に向いており（図６（ａ）中の×印）、図６（ｂ）においては液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓが紙面奥空手前方向に向いている（図６（ｂ）中の●印）。
本実施態様においては、上述したように、第１配向層、第２配向層の第１配向パターン、および第２配向層の第２配向パターンを所定の組み合わせとすることにより、自発分極の向きを制御することができる。図５に示す例においては、各領域２１および２２では、図７に例示するように、自発分極Ｐｓの向きを一定の方向に揃えることにより、モノドメイン配向を得ることができる。
図７は、強誘電性液晶の配向状態の一例を示す図であり、図５を上面から見た強誘電性液晶の配向状態を示している。なお、図７における×印および●印については、図６と同様である。
一般に、強誘電性液晶を用いた液晶表示素子では、対向する２つの配向層は、それぞれの配向処理方向が平行になるように配置される。電圧無印加状態では、強誘電性液晶は、第１配向層および第２配向層の配向処理方向に沿って配向する。
図７に例示するように、無電圧印加状態では、液晶分子ＬＣは第１配向層および第２配向層の配向処理方向ｄに沿って配向し、一様な配向状態となる。第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域２１と、第２配向層の第２配向パターンが設けられている領域２２とでは、それぞれ自発分極Ｐｓの向きが反転しており、層法線ｚの方向が異なるが、各領域２１および２２内では、自発分極Ｐｓの向きが一定の方向に揃っているので、モノドメイン配向を得ることができる。領域毎に自発分極の向きを一定の方向に揃えることにより、各領域内にて、配向欠陥の発生を抑制し、強誘電性液晶の配向をモノドメイン化することができるのである。
また、一般にＳｍＡ相を経由する相系列を有する強誘電性液晶は、相変化の過程において、スメクチック層の層間隔が縮まり、その体積変化を補償するためにスメクチック層が曲がったシェブロン構造を有し、この曲げの方向によって液晶分子の長軸方向が異なるドメインが形成され、その境界面にジグザグ欠陥やヘアピン欠陥と呼ばれる配向欠陥が発生しやすい。このジグザグ欠陥やヘアピン欠陥の発生を防ぐためには、プレチルト角を大きくすることが有効である。
ラビング膜では比較的高いプレチルト角を実現することができる。したがって、第１配向層にラビング膜を用いることにより、ジグザグ欠陥やヘアピン欠陥の発生を効果的に抑制することが可能である。
以下、本実施態様の液晶表示素子における各構成について説明する。
１．第１配向処理基板
本実施態様における第１配向処理基板は、第１基材と、上記第１基材上に形成された第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、ラビング膜からなる第１配向層とを有するものである。
以下、第１配向処理基板における各構成について説明する。
（１）第１配向層
本実施態様における第１配向層は、第１電極層上に形成されるものであり、ラビング膜からなるものである。
ラビング膜に用いられる材料としては、ラビング処理により配向膜に異方性を付与することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリビニルアルコール、ポリウレタン等を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよく２種以上を組み合わせて用いてもよい。
中でも、ラビング膜が、ポリイミドを含有することが好ましく、特にポリアミック酸を脱水閉環（イミド化）させたポリイミドを含有することが好ましい。
ポリアミック酸は、ジアミン化合物と酸二無水物とを反応させることにより合成することができる。
ポリアミック酸を合成する際に用いられるジアミン化合物としては、脂環式ジアミン、炭素環式芳香族ジアミン類、複素環式ジアミン類、脂肪族ジアミン、芳香族ジアミンが例示される。
脂環式ジアミンとしては、例えば、１，４−ジアミノシクロヘキサン、１，３−ジアミノシクロヘキサン、４，４´−ジアミノジシクロヘキシルメタン、４，４´−ジアミノ−３，３´−ジメチルジシクロヘキサン、イソホロンジアミン等が挙げられる。
炭素環式芳香族ジアミン類としては、例えば、ｏ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ジアミノトルエン類（具体的には、２，４−ジアミノトルエン）、１，４−ジアミノ−２−メトキシベンゼン、ジアミノキシレン類（具体的には、１，３−ジアミノ−２，４−ジメチルベンゼン）、１，３−ジアミノ−４−クロロベンゼン、１，４−ジアミノ−２，５−ジクロロベンゼン、１，４−ジアミノ−４−イソプロピルベンゼン、２，２´−ビス（４−アミノフェニル）プロパン、４，４´−ジアミノジフェニルメタン、２，２´−ジアミノスチルベン、４，４´−ジアミノスチルベン、４，４´−ジアミノジフェニルエーテル、４，４´−ジフェニルチオエーテル、４，４´−ジアミノジフェニルスルホン、３，３´−ジアミノジフェニルスルホン、４，４´−ジアミノ安息香酸フェニルエステル、４，４´−ジアミノベンゾフェノン、４，４´−ジアミノベンジル、ビス（４−アミノフェニル）ホスフィンオキシド、ビス（３−アミノフェニル）スルホン、ビス（４−アミノフェニル）フェニルホスフィンオキシド、ビス（４−アミノフェニル）シクロヘキシルホスフィンオキシド、Ｎ，Ｎ−ビス（４−アミノフェニル）−Ｎ−フェニルアミン、Ｎ，Ｎ−ビス（４−アミンフェニル）−Ｎ−メチルアミン、４，４´−ジアミノジフェニル尿素、１，８−ジアミノナフタレン、１，５−ジアミノナフタレン、１，５−ジアミノアントラキノン、ジアミノフルオレン類（具体的には、２，６−ジアミノフルオレン）、ビス（４−アミノフェニル）ジエチルシラン、ビス（４−アミノフェニル）ジメチルシラン、３，４´−ジアミノジフェニルエーテル、ベンジジン、２，２´−ジメチルベンジジン、２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン、４，４´−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル、２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］ヘキサフルオロプロパン、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン等が挙げられる。
複素環式ジアミン類としては、例えば、２，６−ジアミノピリジン、２，４−ジアミノピリジン、２，４−ジアミノ−ｓ−トリアジン、２，５−ジアミノジベンゾフラン、２，７−ジアミノカルバゾール、３，６−ジアミノカルバゾール、３，７−ジアミノフェノチアジン、２，５−ジアミノ−１，３，４−チアジアゾール、２，４−ジアミノ−６−フェニル−ｓ−トリアジン等が挙げられる。
脂肪族ジアミンとしては、例えば、１，２−ジアミノエタン、１，３−ジアミノプロパン、１，４−ジアミノブタン、１，５−ジアミノペンタン、１，６−ジアミノヘキサン、１，８−ジアミノオクタン、１，１０−ジアミノデカン、１，３−ジアミノ−２，２−ジメチルプロパン、１，６−ジアミノ−２，５−ジメチルヘキサン、１，５−ジアミノ−２，４−ジメチルヘプタン、１，７−ジアミノ−３−メチルヘプタン、１，９−ジアミノ−５−メチルノナン、２，１１−ジアミノドデカン、１，１２−ジアミノオクタデカン、１，２−ビス（３−アミノプロポキシ）エタン等が挙げられる。
芳香族ジアミンとしては、例えば、下記式の構造で表される長鎖アルキルもしくはパーフルオロ基を有するものなどが挙げられる。
Figure 2009036861
ここで、上記式において、Ｒ２１は、炭素数５以上、好ましくは炭素数５〜２０の長鎖アルキル基もしくは長鎖アルキル基もしくはパーフルオロアルキル基を含む１価有機基を示す。
また、ポリアミック酸を合成する際に原料として用いられる酸二無水物としては、芳香族酸二無水物、脂環式酸二無水物が例示される。
芳香族酸二無水物としては、例えば、ピロメリット酸二無水物、３，３´，４，４´−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２´，３，３´−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３´，４´−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３´，４，４´−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，３，３´，４´−ベンゾフェノン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）エーテル二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。
脂環式酸二無水物としては、例えば、１，２，３，４−シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、１，２，３，４−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、２，３，４，５−テトラヒドロフランテトラカルボン酸二無水物、１，２，４，５−シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、３，４−ジカルボキシ−１−シクロヘキシルコハク酸二無水物、３，４−ジカルボキシ−１，２，３，４−テトラヒドロ−１−ナフタレンコハク酸二無水物、ビシクロ［３，３，０］オクタン−２，４，６，８−テトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。
これらの酸二無水物は、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。ポリマーの透明性の観点から、脂環式酸二無水物を用いることが好ましい。
また、ポリアミック酸は、上述のジアミン化合物と酸二無水物とを有機溶剤の存在下で、−２０℃〜１５０℃、好ましくは０℃〜８０℃において、３０分〜２４時間、好ましくは１時間〜１０時間反応させることによって合成することができる。
ポリアミック酸を用いてポリイミドの膜を得る方法としては、ポリアミック酸を成膜した後に、加熱もしくは触媒によって全部または部分的に脱水閉環（イミド化）させる方法、あるいは、ポリアミック酸を加熱もしくは触媒によって全部または部分的に脱水閉環（イミド化）させ、可溶性ポリイミドとした後に、この可溶性ポリイミドを成膜する方法が挙げられる。中でも、ポリアミック酸をイミド化して得られる可溶性ポリイミドは保存安定性に優れるため、可溶性ポリイミドを成膜する方法が好ましい。
ポリアミック酸を可溶性ポリイミドとするためのイミド化反応を行う方法としては、ポリアミック酸溶液をそのまま加熱する熱イミド化、ポリアミック酸溶液に触媒を添加してイミド化を行う化学的イミド化などが挙げられる。中でも、比較的低温でイミド化反応が進行する化学的イミド化の方が、得られる可溶性ポリイミドの分子量低下が起こりにくく好ましい。
化学的イミド化反応は、ポリアミック酸を有機溶媒中において、アミック酸基の０．５〜３０モル倍、好ましくは１〜２０モル倍の塩基触媒と、アミック酸基の０．５〜５０モル倍、好ましくは１〜３０モル倍の酸無水物の存在下で、−２０℃〜２５０℃、好ましくは０℃〜２００℃の温度において、１時間〜１００時間反応させると好ましい。塩基触媒や酸無水物の量が少ないと反応が十分に進行せず、また多すぎると反応終了後に完全に除去することが困難となるからである。
化学的イミド化反応の際に用いる塩基触媒としては、ピリジン、トリエチルアミン、トリメチルアミン、トリブチルアミン、トリオクチルアミン等が例示できる。中でも、ピリジンは反応を進行させるのに適度な塩基性を持つために好ましい。
また、酸無水物としては、無水酢酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸などが例示できる。中でも、無水酢酸を用いると反応終了後の精製が容易となるために好ましい。
イミド化反応を行う際の有機溶媒としては、ポリアミック酸合成時に用いる溶媒を使用することができる。
化学的イミド化によるイミド化率は、触媒量と反応温度を調節することにより制御することができる。中でも、上記イミド化率は、全ポリアミック酸のモル数の０．１％〜９９％が好ましく、５％〜９０％がより好ましく、３０％〜７０％がさらに好ましい。イミド化率が低すぎると保存安定性が悪くなり、高すぎると溶解性が悪く析出してしまう場合があるからである。
また、ラビング膜の材料としては、日産化学工業（株）製の「SE-5291」、「SE-7992」、「SE-7492」が好ましく用いられる。
ラビング処理方法としては、第１電極層上に上記の材料を塗布して硬化させ、得られた膜をラビング布で一定方向に擦ることにより配向膜に異方性を付与する方法を用いることができる。
上記材料の塗布方法としては、例えば、ロールコート法、ロッドバーコート法、スロットダイコート法、ワイヤーバーコート法、インクジェット法、フレキソ印刷法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
また、ラビング膜の厚みは、１ｎｍ〜１０００ｎｍ程度で設定され、好ましくは５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内である。
ラビング布としては、例えば、ナイロン樹脂、ビニル樹脂、レーヨン、綿等の繊維で構成されるものを用いることができる。例えば、このようなラビング布を巻き付けたドラムを回転させながら上記の材料を用いた膜の表面に接触させることにより、膜表面に微細な溝が一方向に形成され、配向膜に異方性が付与される。
（２）第１電極層
本実施態様における第１電極層は、一般に液晶表示素子の電極として用いられているものであれば特に限定されるものではない。第１電極層は、透明であっても不透明であってもよく、画像表示面に応じて適宜選択される。第１配向処理基板側が画像表示面となる場合は、第１電極層は透明であることが好ましく、透明導電体で構成されることが好ましい。透明導電体材料としては、酸化インジウム、酸化錫、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等が好ましく挙げられる。
本発明の液晶表示素子を例えばＴＦＴを用いたアクティブマトリックス方式で駆動する場合に、第１配向処理基板がＴＦＴ基板である場合には、第１電極層は画素電極とされる。一方、第１配向処理基板が共通電極基板である場合には、第１電極層は共通電極とされる。
第１電極層の形成方法としては、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）法や、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法などを挙げることができる。
（３）第１基材
本実施態様における第１基材は、一般に液晶表示素子の基材として用いられるものであれば特に限定されるものではなく、透明であっても不透明であってもよい。第１基材としては、例えば、ガラス板、プラスチック板などが好ましく挙げられる。
２．第２配向処理基板
本実施態様における第２配向処理基板は、第２基材と、上記第２基材上に形成された第２電極層と、上記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有するものである。
なお、第２基材および第２電極層については、上記の第１配向処理基板の第１基材および第１電極層とそれぞれ同様であるので、ここでの説明は省略する。以下、第２配向処理基板における他の構成について説明する。
（１）第２配向層
本実施態様における第２配向層は、第２電極層上に形成されるものであり、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなるものである。この第１配向パターンは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである。また、第２配向パターンは、反応性液晶用配向膜と、上記反応性液晶用配向膜上に形成された反応性液晶層とからなるパターン、あるいは、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかである。
以下、第１配向パターン、第２配向パターン、および第２配向層のその他の構成について説明する。
（ｉ）第１配向パターン
第２配向層を構成する第１配向パターンは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである。光異性化型材料を含有する光配向膜は、光異性化型材料を塗布した基板に偏光を制御した光を照射し、光異性化反応を生じさせて得られた膜に異方性を付与することによりその膜上の液晶分子を配向させるものである。光配向処理は、非接触配向処理であることから静電気や塵の発生がなく、定量的な配向処理の制御ができる点で有用である。
光異性化型材料とは、上述したように光異性化反応を生じることにより光配向膜に異方性を付与する材料であり、このような特性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、光異性化反応を生じることにより光配向膜に異方性を付与する光異性化反応性化合物を含むものであることが好ましい。このような光異性化反応性化合物を含むことにより、光照射により、複数の異性体のうち安定な異性体が増加し、それにより光配向膜に容易に異方性を付与することができるからである。
光異性化反応性化合物としては、上記のような特性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、偏光方向により吸収を異にする二色性を有し、かつ、光照射により光異性化反応を生じるものであることが好ましい。このような特性を有する光異性化反応性化合物の偏光方向に配向した反応部位の異性化を生じさせることにより、光配向膜に容易に異方性を付与することができるからである。
また、光異性化反応性化合物が生じる光異性化反応としては、シス−トランス異性化反応であることが好ましい。光照射によりシス体またはトランス体のいずれかの異性体が増加し、それにより配向膜に異方性を付与することができるからである。
光異性化反応性化合物としては、単分子化合物、または、光もしくは熱により重合する重合性モノマーを挙げることができる。これらは用いられる強誘電性液晶の種類に応じて適宜選択すればよいが、光照射により光配向膜に異方性を付与した後、ポリマー化することにより、その異方性を安定化することができることから、重合性モノマーを用いることが好ましい。このような重合性モノマーの中でも、光配向膜に異方性を付与した後、その異方性を良好な状態に維持したまま容易にポリマー化できることから、アクリレートモノマー、メタクリレートモノマーであることが好ましい。
上記重合性モノマーは、単官能のモノマーであっても、多官能のモノマーであってもよいが、ポリマー化による光配向膜の異方性がより安定なものとなることから、２官能のモノマーであることが好ましい。
このような光異性化反応性化合物としては、具体的には、アゾベンゼン骨格やスチルベン骨格などのシス−トランス異性化反応性骨格を有する化合物を挙げることができる。
この場合に、分子内に含まれるシス−トランス異性化反応性骨格の数は、１つであっても２つ以上であってもよいが、強誘電性液晶の配向制御が容易となることから、２つであることが好ましい。
上記シス−トランス異性化反応性骨格は、液晶分子との相互作用をより高めるために置換基を有していてもよい。置換基は、液晶分子との相互作用を高めることができ、かつ、シス−トランス異性化反応性骨格の配向を妨げないものであれば特に限定されるものではなく、例えば、カルボキシル基、スルホン酸ナトリウム基、水酸基などが挙げられる。これらの構造は、用いられる強誘電性液晶の種類に応じて、適宜選択することができる。
また、光異性化反応性化合物としては、分子内にシス−トランス異性化反応性骨格以外にも、液晶分子との相互作用をより高められるように、芳香族炭化水素基などのπ電子が多く含まれる基を有していてもよく、シス−トランス異性化反応性骨格と芳香族炭化水素基は、結合基を介して結合していてもよい。結合基は、液晶分子との相互作用を高められるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−Ｏ−、−Ｃ≡Ｃ−、−ＣＨ２−ＣＨ２−、−ＣＨ２Ｏ−、−ＯＣＨ２−などが挙げられる。
なお、光異性化反応性化合物として、重合性モノマーを用いる場合には、上記シス−トランス異性化反応性骨格を、側鎖として有していることが好ましい。上記シス−トランス異性化反応性骨格を側鎖として有していることにより、光配向膜に付与される異方性の効果がより大きなものとなり、強誘電性液晶の配向制御に特に適したものとなるからである。この場合に、前述した分子内に含まれる芳香族炭化水素基や結合基は、液晶分子との相互作用が高められるように、シス−トランス異性化反応性骨格と共に、側鎖に含まれていることが好ましい。
また、上記重合性モノマーの側鎖には、シス−トランス異性化反応性骨格が配向しやすくなるように、アルキレン基などの脂肪族炭化水素基をスペーサーとして有していてもよい。
上述したような単分子化合物または重合性モノマーの光異性化反応性化合物の中でも、本発明に用いられる光異性化反応性化合物としては、分子内にアゾベンゼン骨格を有する化合物であることが好ましい。アゾベンゼン骨格は、π電子を多く含むため、液晶分子との相互作用が高く、強誘電性液晶の配向制御に特に適しているからである。
以下、アゾベンゼン骨格が光異性化反応を生じることにより光配向膜に異方性を付与できる理由について説明する。まず、アゾベンゼン骨格に、直線偏光紫外光を照射すると、下記式に示されるように、分子長軸が偏光方向に配向しているトランス体のアゾベンゼン骨格が、シス体に変化する。
Figure 2009036861
アゾベンゼン骨格のシス体は、トランス体に比べて化学的に不安定であるため、熱的にまたは可視光を吸収してトランス体に戻るが、このとき、上記式の左のトランス体になるか右のトランス体になるかは同じ確率で起こる。そのため、紫外光を吸収し続けると、右側のトランス体の割合が増加し、アゾベンゼン骨格の平均配向方向は紫外光の偏光方向に対して垂直になる。本発明においては、この現象を利用することにより、アゾベンゼン骨格の配向方向を揃え、光配向膜に異方性を付与し、その膜上の液晶分子の配向を制御することができるのである。
このような分子内にアゾベンゼン骨格を有する化合物のうち、単分子化合物としては、例えば、下記式(1)で表される化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
上記式中、Ｒ４１は各々独立して、ヒドロキシ基を表す。Ｒ４２は−（Ａ４１−Ｂ４１−Ａ４１）ｍ−（Ｄ４１）ｎ−で表される連結基を表し、Ｒ４３は（Ｄ４１）ｎ−（Ａ４１−Ｂ４１−Ａ４１）ｍ−で表される連結基を表す。ここで、Ａ４１は二価の炭化水素基を表し、Ｂ４１は−Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−ＮＨＣＯ−、−ＮＨＣＯＯ−または−ＯＣＯＮＨ−を表し、ｍは０〜３の整数を表す。Ｄ４１は、ｍが０のとき二価の炭化水素基を表し、ｍが１〜３の整数のとき−Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−ＮＨＣＯ−、−ＮＨＣＯＯ−または−ＯＣＯＮＨ−を表し、ｎは０または１を表す。Ｒ４４は各々独立して、ハロゲン原子、カルボキシ基、ハロゲン化メチル基、ハロゲン化メトキシ基、シアノ基、ニトロ基、メトキシ基またはメトキシカルボニル基を表す。ただし、カルボキシ基はアルカリ金属と塩を形成していてもよい。Ｒ４５は各々独立して、カルボキシ基、スルホ基、ニトロ基、アミノ基またはヒドロキシ基を表す。ただし、カルボキシ基またはスルホ基はアルカリ金属と塩を形成していてもよい。
上記式で表される化合物の具体例としては、下記式(2)〜(5)に示す化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
また、上記アゾベンゼン骨格を側鎖として有する重合性モノマーとしては、例えば、下記式(6)で表される化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
上記式中、Ｒ５１は各々独立して、（メタ）アクリロイルオキシ基、（メタ）アクリルアミド基、ビニルオキシ基、ビニルオキシカルボニル基、ビニルイミノカルボニル基、ビニルイミノカルボニルオキシ基、ビニル基、イソプロペニルオキシ基、イソプロペニルオキシカルボニル基、イソプロペニルイミノカルボニル基、イソプロペニルイミノカルボニルオキシ基、イソプロペニル基またはエポキシ基を表す。Ｒ５２は−（Ａ５１−Ｂ５１−Ａ５１）ｍ−（Ｄ５１）ｎ−で表される連結基を表し、Ｒ５３は（Ｄ５１）ｎ−（Ａ５１−Ｂ５１−Ａ５１）ｍ−で表される連結基を表す。ここで、Ａ５１は二価の炭化水素基を表し、Ｂ５１は−Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−ＮＨＣＯ−、−ＮＨＣＯＯ−または−ＯＣＯＮＨ−を表し、ｍは０〜３の整数を表す。Ｄ５１は、ｍが０のとき二価の炭化水素基を表し、ｍが１〜３の整数のとき−Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、−ＮＨＣＯ−、−ＮＨＣＯＯ−または−ＯＣＯＮＨ−を表し、ｎは０または１を表す。Ｒ５４は各々独立して、ハロゲン原子、カルボキシ基、ハロゲン化メチル基、ハロゲン化メトキシ基、シアノ基、ニトロ基、メトキシ基またはメトキシカルボニル基を表す。ただし、カルボキシ基はアルカリ金属と塩を形成していてもよい。Ｒ５５は各々独立して、カルボキシ基、スルホ基、ニトロ基、アミノ基またはヒドロキシ基を表す。ただし、カルボキシ基またはスルホ基はアルカリ金属と塩を形成していてもよい。
上記式で表される化合物の具体例としては、下記式(7)〜(10)に示す化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
本発明においては、このような光異性化反応性化合物の中から、要求特性に応じて、シス−トランス異性化反応性骨格や置換基を種々選択することができる。なお、これらの光異性化反応性化合物は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いることもできる。
本発明に用いられる光異性化型材料としては、上記光異性化反応性化合物のほか、光配向膜の光配列性を妨げない範囲内で添加剤を含んでいてもよい。上記光異性化反応性化合物として重合性モノマーを用いる場合には、添加剤としては、重合開始剤、重合禁止剤などが挙げられる。
重合開始剤または重合禁止剤は、一般に公知の化合物の中から、光異性化反応性化合物の種類によって適宜選択して用いればよい。重合開始剤または重合禁止剤の添加量は、光異性化反応性化合物に対し、０．００１質量％〜２０質量％の範囲内であることが好ましく、０．１質量％〜５質量％の範囲内であることがより好ましい。重合開始剤または重合禁止剤の添加量が小さすぎると重合が開始（禁止）されない場合があり、逆に大きすぎると、反応が阻害される場合があるからである。
光異性化型材料が光異性化反応を生じる光の波長領域は、紫外光域の範囲内、すなわち１０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であることが好ましく、２５０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
光異性化型材料を含有する光配向膜を形成するには、まず光異性化型材料を有機溶剤で希釈した光配向膜形成用塗工液を塗布し、乾燥させる。この場合に、光配向膜形成用塗工液中の光二量化反応性化合物の含有量は、０．０５質量％〜１０質量％の範囲内であることが好ましく、０．２質量％〜２質量％の範囲内であることがより好ましい。含有量が上記範囲より少ないと、配向膜に適度な異方性を付与することが困難となり、逆に含有量が上記範囲より多いと、光配向膜形成用塗工液の粘度が高くなるので均一な塗膜を形成しにくくなるからである。
光配向膜形成用塗工液の塗布方法としては、例えばスピンコート法、ロールコート法、ロッドバーコート法、スプレーコート法、エアナイフコート法、スロットダイコート法、ワイヤーバーコート法、インクジェット法、フレキソ印刷法、スクリーン印刷法などを用いることができる。
上記光配向膜形成用塗工液を塗布することにより得られる膜の厚みは、１ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくは３ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内である。膜の厚みが上記範囲より薄いと十分な光配列性を得ることができない可能性があり、逆に厚みが上記範囲より厚いとコスト的に不利になる場合があるからである。
得られた膜には光配向処理を施すことによって異方性を付与する。具体的には、偏光を制御した光を照射することにより、光励起反応を生じさせて異方性を付与することができる。照射する光の波長領域は、用いられる光異性化型材料に応じて適宜選択すればよいが、紫外光域の範囲内、すなわち１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくは２５０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内である。また、偏光方向は、上記光異性化反応を生じさせることができるものであれば特に限定されるものではない。
さらに、光異性化型材料として、光異性化反応性化合物の中でも重合性モノマーを用いた場合には、光配向処理を行った後、加熱することにより、ポリマー化し、光配向膜に付与された異方性を安定化することができる。
（ii）第２配向パターン
第２配向層を構成する第２配向パターンは、反応性液晶用配向膜と、上記反応性液晶用配向膜上に形成された反応性液晶層とからなるパターン、あるいは、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかである。以下、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、および、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターンについて説明する。
（光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン）
光二量化型材料を含有する光配向膜は、光二量化型材料を塗布した基板に偏光を制御した光を照射し、光二量化反応を生じさせて得られた膜に異方性を付与することによりその膜上の液晶分子を配向させるものである。光配向処理は、非接触配向処理であることから静電気や塵の発生がなく、定量的な配向処理の制御ができる点で有用である。また、光二量化型材料は、露光感度が高く、材料選択の幅が広いという利点を有する。
光二量化型材料とは、光二量化反応を生じることにより光配向膜に異方性を付与する材料である。また、光二量化反応とは、光照射により偏光方向に配向した反応部位がラジカル重合して分子２個が重合する反応をいい、この反応により偏光方向の配向を安定化し、光配向膜に異方性を付与することができるものである。
光二量化型材料としては、光二量化反応により光配向膜に異方性を付与することができる材料であれば特に限定されるものではないが、ラジカル重合性の官能基を有し、かつ、偏光方向により吸収を異にする二色性を有する光二量化反応性化合物を含むことが好ましい。偏光方向に配向した反応部位をラジカル重合することにより、光二量化反応性化合物の配向が安定化し、光配向膜に容易に異方性を付与することができるからである。
このような特性を有する光二量化反応性化合物としては、側鎖としてケイ皮酸エステル、クマリン、キノリン、カルコン基およびシンナモイル基から選ばれる少なくとも１種の反応部位を有する二量化反応性ポリマーを挙げることができる。
これらの中でも光二量化反応性化合物としては、側鎖としてケイ皮酸エステル、クマリンまたはキノリンのいずれかを含む二量化反応性ポリマーであることが好ましい。偏光方向に配向したα、β不飽和ケトンの二重結合が反応部位となってラジカル重合することにより、光配向膜に容易に異方性を付与することができるからである。
上記二量化反応性ポリマーの主鎖としては、ポリマー主鎖として一般に知られているものであれば特に限定されるものではないが、芳香族炭化水素基などの、上記側鎖の反応部位同士の相互作用を妨げるようなπ電子を多く含む置換基を有していないものであることが好ましい。
上記二量化反応性ポリマーの重量平均分子量は、特に限定されるものではないが、５，０００〜４０，０００の範囲内であることが好ましく、１０，０００〜２０，０００の範囲内であることがより好ましい。なお、重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ（ＧＰＣ）法により測定することができる。上記二量化反応性ポリマーの重量平均分子量が小さすぎると、光配向膜に適度な異方性を付与することができない場合がある。逆に、大きすぎると、光配向膜形成時の塗工液の粘度が高くなり、均一な塗膜を形成しにくい場合がある。
二量化反応性ポリマーとしては、下記式(11)で表される化合物を例示することができる。
Figure 2009036861
上記式において、Ｍ１１およびＭ１２は、それぞれ独立して、単重合体または共重合体の単量体単位を表す。例えば、エチレン、アクリレート、メタクリレート、２−クロロアクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、２−クロロアクリルアミド、スチレン誘導体、マレイン酸誘導体、シロキサンなどが挙げられる。Ｍ１２としては、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、メタクリレート、メチルメタクリレート、ヒドロキシアルキルアクリレートまたはヒドロキシアルキルメタクリレートであってもよい。ｘおよびｙは、共重合体とした場合の各単量体単位のモル比を表すものであり、それぞれ、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１であり、かつ、ｘ＋ｙ＝１を満たす数である。ｎは４〜３０，０００の整数を表す。Ｄ１およびＤ２は、スペーサー単位を表す。
Ｒ１は−Ａ１−（Ｚ１−Ｂ１）ｚ−Ｚ２−で表される基であり、Ｒ２は−Ａ１−（Ｚ１−Ｂ１）ｚ−Ｚ３−で表される基である。ここで、Ａ１およびＢ１は、それぞれ独立して、共有単結合、ピリジン−２，５−ジイル、ピリミジン−２，５−ジイル、１，４−シクロヘキシレン、１，３−ジオキサン−２，５−ジイル、または置換基を有していてもよい１，４−フェニレンを表す。また、Ｚ１およびＺ２は、それぞれ独立して、共有単結合、−ＣＨ２−ＣＨ２−、−ＣＨ２Ｏ−、−ＯＣＨ２−、−ＣＯＮＲ−、−ＲＮＣＯ−、−ＣＯＯ−または−ＯＯＣ−を表す。Ｒは、水素原子または低級アルキル基であり、Ｚ３は、水素原子、置換基を有していてもよい、炭素数１〜１２のアルキルまたはアルコキシ、シアノ、ニトロ、ハロゲンである。ｚは、０〜４の整数である。Ｅ１は、光二量化反応部位を表し、例えば、ケイ皮酸エステル、クマリン、キノリン、カルコン基、シンナモイル基などが挙げられる。ｊおよびｋは、それぞれ独立して、０または１である。
このような二量化反応性ポリマーとしては、具体的に下記式(12)〜(15)で表される化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
また、上記二量化反応性ポリマーとして、より具体的には下記式で表される化合物(16)〜(19)を挙げることができる。
Figure 2009036861
本発明においては、光二量化反応性化合物として、上述した化合物の中から、要求特性に応じて光二量化反応部位や置換基を種々選択することができる。また、光二量化反応性化合物は、１種単独でも２種以上を組み合わせて用いることもできる。
また、光二量化型材料としては、上記光二量化反応性化合物のほか、光配向膜の光配列性を妨げない範囲内で添加剤を含んでいてもよい。上記添加剤としては、重合開始剤、重合禁止剤などが挙げられる。
重合開始剤または重合禁止剤は、一般に公知の化合物の中から、光二量化反応性化合物の種類によって適宜選択して用いればよい。重合開始剤または重合禁止剤の添加量は、光二量化反応性化合物に対し、０．００１質量％〜２０質量％の範囲内であることが好ましく、０．１質量％〜５質量％の範囲内であることがより好ましい。重合開始剤または重合禁止剤の添加量が小さすぎると重合が開始（禁止）されない場合があり、逆に大きすぎると、反応が阻害される場合があるからである。
光二量化型材料としては、例えばRolic technologies社製の「ＲＯＰ１０２」、「ＲＯＰ１０３」などを挙げることができる。
光二量化型材料が光二量化反応を生じる光の波長領域は、紫外光域の範囲内、すなわち１０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であることが好ましく、２５０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
なお、光二量化型材料を含有する光配向膜の形成方法としては、上記の光異性化型材料を含有する光配向膜の形成方法と同様であるので、ここでの説明は省略する。
（反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターン）
第２配向パターンは、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とにより構成されるものであってもよい。反応性液晶は反応性液晶用配向膜により配向しており、例えば紫外線を照射して反応性液晶を重合させ、その配向状態を固定化することにより反応性液晶層を形成することができる。反応性液晶層は、このように反応性液晶の配向状態を固定化してなるものであるので、強誘電性液晶を配向させる配向膜として機能する。また、反応性液晶は固定化されているため、温度等の影響を受けないという利点を有する。さらに、反応性液晶は強誘電性液晶と構造が比較的類似しており、強誘電性液晶との相互作用が強いので、配向膜のみを用いた場合よりも効果的に強誘電性液晶の配向を制御することができる。
反応性液晶としては、ネマチック相を発現するものであることが好ましい。ネマチック相は、液晶相の中でも配向制御が比較的容易であるからである。
また、反応性液晶は、重合性液晶材料を含有することが好ましい。これにより、反応性液晶の配向状態を固定化することが可能になるからである。重合性液晶材料としては、重合性液晶モノマー、重合性液晶オリゴマー、および重合性液晶ポリマーのいずれかを用いることができるが、中でも、重合性液晶モノマーが好適に用いられる。重合性液晶モノマーは、他の重合性液晶材料、すなわち重合性液晶オリゴマーや重合性液晶ポリマーと比較して、より低温で配向が可能であり、かつ配向に際しての感度も高く、容易に配向させることができるからである。
上記重合性液晶モノマーとしては、重合性官能基を有する液晶モノマーであれば特に限定されるものではなく、例えばモノアクリレートモノマー、ジアクリレートモノマー等が挙げられる。また、これらの重合性液晶モノマーは単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
モノアクリレートモノマーとしては、例えば下記式(20)および(21)で表される化合物を例示することができる。
Figure 2009036861
上記式において、Ａ、Ｂ、Ｄ、ＥおよびＦはベンゼン、シクロヘキサンまたはピリミジンを表し、これらはハロゲン等の置換基を有していてもよい。また、ＡおよびＢ、あるいはＤおよびＥは、アセチレン基、メチレン基、エステル基等の結合基を介して結合していてもよい。Ｍ１およびＭ２は、水素原子、炭素数３〜９のアルキル基、炭素数３〜９のアルコキシカルボニル基、またはシアノ基のいずれであってもよい。さらに、分子鎖末端のアクリロイルオキシ基とＡまたはＤとは、炭素数３〜６のアルキレン基等のスペーサーを介して結合していてもよい。
ジアクリレートモノマーとしては、例えば下記式(22)および(23)に示す化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
上記式において、ＸおよびＹは、水素、炭素数１〜２０のアルキル、炭素数１〜２０のアルケニル、炭素数１〜２０のアルキルオキシ、炭素数１〜２０のアルキルオキシカルボニル、ホルミル、炭素数１〜２０のアルキルカルボニル、炭素数１〜２０のアルキルカルボニルオキシ、ハロゲン、シアノまたはニトロを表す。また、ｍは２〜２０の範囲内の整数を表す。上記式(22)において、Ｘとしては、炭素数１〜２０のアルキルオキシカルボニル、メチルまたは塩素であることが好ましく、中でも炭素数１〜２０のアルキルオキシカルボニル、特にＣＨ３（ＣＨ２）４ＯＣＯであることが好ましい。
また、ジアクリレートモノマーとしては、例えば下記式(24)に示す化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
上記式において、Ｚ３１およびＺ３２は、各々独立して直接結合している−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−Ｏ−、−ＣＨ２ＣＨ２−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−、−ＯＣＨ２−、−ＣＨ２Ｏ−、−ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯ−、−ＯＣＯＣＨ２ＣＨ２−を表し、Ｒ３１、Ｒ３２およびＲ３３は、各々独立して水素または炭素数１〜５のアルキルを表す。また、ｋおよびｍは０または１を表し、ｎは２〜８の範囲内の整数を表す。Ｒ３１、Ｒ３２およびＲ３３は、ｋ＝１の場合、各々独立して炭素数１〜５のアルキルであり、ｋ＝０の場合、各々独立して水素または炭素数１〜５のアルキルであることが好ましい。このＲ３１、Ｒ３２およびＲ３３は、互いに同じであってもよい。
上記式(24)で表される化合物の具体例としては、下記式(25)に示す化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
上記式において、Ｚ２１およびＺ２２は、各々独立して直接結合している−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−Ｏ−、−ＣＨ２ＣＨ２−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−Ｃ≡Ｃ−、−ＯＣＨ２−、−ＣＨ２Ｏ−、−ＣＨ２ＣＨ２ＣＯＯ−、−ＯＣＯＣＨ２ＣＨ２−を表す。また、ｍは０または１を表し、ｎは２〜８の範囲内の整数を表す。
上記の中でも、上記式(22)および(24)で表される化合物が好適に用いられる。上記式(24)で表される化合物として、具体的には旭電化工業株式会社製の「アデカキラコール PLC-7183」、「アデカキラコール PLC-7209」などを挙げることができる。また、アクリレートモノマーとしては、例えばRolic technologies 社製の「ROF-5101」、「ROF-5102」なども挙げられる。
また、重合性液晶モノマーの中でも、ジアクリレートモノマーが好適である。ジアクリレートモノマーは、配向状態を良好に維持したまま容易に重合させることができるからである。
上述した重合性液晶モノマーは、それ自体がネマチック相を発現するものでなくてもよい。これらの重合性液晶モノマーは、上述したように２種以上を混合して用いてもよいものであり、これらを混合した組成物すなわち反応性液晶が、ネマチック相を発現するものであればよいからである。
さらに、必要に応じて、上記反応性液晶に光重合開始剤や重合禁止剤等を添加してもよい。例えば、電子線照射により重合性液晶材料を重合させる際には、光重合開始剤が不要な場合はあるが、一般的に用いられている例えば紫外線照射による重合の場合においては、通常光重合開始剤が重合促進のために用いられるからである。光重合開始剤としては、例えば、特開２００５−２５８４２８号広報に記載されているような光重合開始剤を用いることができる。また、光重合開始剤の他に増感剤を、本発明の目的が損なわれない範囲で添加することも可能である。
このような光重合開始剤の添加量としては、一般的には０．０１〜２０質量％、好ましくは０．１〜１０質量％、より好ましくは０．５〜５質量％の範囲で上記反応性液晶に添加することができる。
反応性液晶層の厚みは、目的とする異方性に応じて適宜調整されるものであり、例えば１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内で設定することができ、好ましくは３ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内である。反応性液晶層の厚みが厚すぎると必要以上の異方性が生じてしまい、また反応性液晶層の厚みが薄すぎると所定の異方性が得られない場合があるからである。
反応性液晶層は、反応性液晶用配向膜上に反応性液晶を含む反応性液晶層形成用塗工液を塗布し、配向処理を行い、上記反応性液晶の配向状態を固定化することにより形成することができる。また、反応性液晶層形成用塗工液を塗布するのではなく、ドライフィルム等を予め形成し、これを反応性液晶用配向膜上に積層することにより、反応性液晶層を形成してもよい。製造工程の簡便さの観点からは、反応性液晶を溶媒に溶解させて反応性液晶層形成用塗工液を調製し、これを反応性液晶用配向膜上に塗布し、溶媒を除去する方法を用いることが好ましい。
上記反応性液晶層形成用塗工液に用いる溶媒としては、上記反応性液晶等を溶解することができ、かつ反応性液晶用配向膜の配向能を阻害しないものであれば特に限定されるものではない。このような溶媒としては、例えば、特開２００５−２５８４２８号広報に記載されているような溶媒を用いることができる。溶媒は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
また、単一種の溶媒を使用しただけでは、上記反応性液晶等の溶解性が不十分であったり、反応性液晶用配向膜が侵食されたりする場合がある。この場合には、２種以上の溶媒を混合使用することにより、この不都合を回避することができる。上記の溶媒のなかにあって、単独溶媒として好ましいものは、炭化水素類およびグリコールモノエーテルアセテート系溶媒であり、混合溶媒として好ましいのは、エーテル類またはケトン類と、グリコール系溶媒との混合系である。
反応性液晶層形成用塗工液の濃度は、反応性液晶の溶解性や、反応性液晶層の厚みに依存するため一概には規定できないが、通常は０．１〜４０質量％、好ましくは１〜２０質量％の範囲で調整される。反応性液晶層形成用塗工液の濃度が上記範囲より低いと、反応性液晶が配向しにくくなる場合があり、逆に反応性液晶層形成用塗工液の濃度が上記範囲より高いと、反応性液晶層形成用塗工液の粘度が高くなるので均一な塗膜を形成しにくくなる場合があるからである。
さらに、上記反応性液晶層形成用塗工液には、本発明の目的を損なわない範囲内で、例えば、特開２００５−２５８４２８号広報に記載されているような化合物を添加することができる。上記反応性液晶に対するこれら化合物の添加量は、本発明の目的が損なわれない範囲で選択される。これらの化合物の添加により、反応性液晶の硬化性が向上し、得られる反応性液晶層の機械強度が増大し、またその安定性が改善される。
このような反応性液晶層形成用塗工液の塗布方法としては、例えばスピンコート法、ロールコート法、プリント法、ディップコート法、ダイコート法、キャスティング法、バーコート法、ブレードコート法、スプレーコート法、グラビアコート法、リバースコート法、押し出しコート法、インクジェット法、フレキソ印刷法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
また、上記反応性液晶層形成用塗工液を塗布した後は、溶媒を除去するのであるが、この溶媒の除去は、例えば、減圧除去もしくは加熱除去、さらにはこれらを組み合わせる方法等により行われる。
本発明においては、上述したように塗布された反応性液晶を、反応性液晶用配向膜により配向させて液晶規則性を有する状態とする。すなわち、反応性液晶にネマチック相を発現させる。これは、通常はＮ−Ｉ転移点以下で熱処理する方法等の方法により行われる。ここで、Ｎ−Ｉ転移点とは、液晶相から等方相へ転移する温度を示すものである。
反応性液晶は重合性液晶材料を有するものであり、このような重合性液晶材料の配向状態を固定化するには、重合を活性化する活性放射線を照射する方法が用いられる。ここでいう活性放射線とは、重合性液晶材料に対して重合を起こさせる能力がある放射線をいう。
このような活性放射線としては、重合性液晶材料を重合させることが可能な放射線であれば特に限定されるものではないが、通常は装置の容易性等の観点から紫外光または可視光線が使用され、波長が１５０〜５００ｎｍ、好ましくは２５０〜４５０ｎｍ、さらに好ましくは３００〜４００ｎｍの照射光が用いられる。
本発明においては、光重合開始剤が紫外線でラジカルを発生し、重合性液晶材料がラジカル重合するような重合性液晶材料に対して、紫外線を活性放射線として照射する方法が好ましい方法であるといえる。活性放射線として紫外線を用いる方法は、既に確立された技術であることから、用いる光重合開始剤を含めて、本発明への応用が容易であるからである。
この照射光の光源としては、低圧水銀ランプ（殺菌ランプ、蛍光ケミカルランプ、ブラックライト）、高圧放電ランプ（高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ）、ショートアーク放電ランプ（超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ）などが例示できる。なかでもメタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプ等の使用が推奨される。また、照射強度は、反応性液晶の組成や光重合開始剤の多寡によって適宜調整されて照射される。
このような活性放射線の照射は、上記重合性液晶材料が液晶相となる温度条件で行ってもよく、また液晶相となる温度より低い温度で行ってもよい。一旦液晶相となった重合性液晶材料は、その後温度を低下させても、配向状態が急に乱れることはないからである。
また、重合性液晶材料の配向状態を固定化する方法としては、上記の活性放射線を照射する方法以外にも、加熱して重合性液晶材料を重合させる方法も用いることができる。この場合に用いられる反応性液晶としては、反応性液晶のＮ−Ｉ転移点以下で、反応性液晶に含有される重合性液晶モノマーが熱重合するものであることが好ましい。
反応性液晶用配向膜としては、特に限定されるものではなく、例えば、ラビング膜、光異性化型材料を含有する光配向膜、光二量化型材料を含有する光配向膜などを用いることができる。
また、反応性液晶用配向膜は、第１配向パターンを構成する光異性化型材料を含有する光配向膜と同じであってもよく異なっていてもよい。反応性液晶用配向膜が、第１配向パターンを構成する光異性化型材料を含有する光配向膜と同じである場合、図８に例示するように、反応性液晶用配向膜１７と第１配向パターン１４ａとが連続して形成されていてもよく、図４に例示するように、反応性液晶用配向膜１７と第１配向パターン１４ａとが離れて形成されていてもよい。一方、反応性液晶用配向膜が、第１配向パターンを構成する光異性化型材料を含有する光配向膜と異なる場合、通常、反応性液晶用配向膜と第１配向パターンとは離れて形成される。
（iii）第１配向パターンおよび第２配向パターン
本発明における第１配向パターンおよび第２配向パターンの形状としては、一般的に極性反転駆動に適用されるパターン形状であればよく、例えば、ライン状、ドット状等が挙げられる。
第１配向パターンおよび第２配向パターンの形成方法としては、所望のパターンが得られる方法であれば特に限定されるものではない。中でも、後述するような、撥液性領域および親液性領域からなる濡れ性変化パターン、あるいは、絶縁部表面の撥液性領域と、絶縁部の開口部内の層表面の親液性領域との濡れ性の違い、あるいは、隔壁を利用することにより、第１配向パターンおよび第２配向パターンを形成する方法が好ましく用いられる。
第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とにより構成される場合であって、反応性液晶用配向膜が、第１配向パターンを構成する光異性化型材料を含有する光配向膜と同じである場合には、第２基材全面に光異性化型材料を含有する光配向膜を形成し、その光配向膜全面に反応性液晶層形成用塗工液を塗布し、得られた膜にパターン露光して反応性液晶を部分的に硬化させ、その後、有機溶剤で現像することによって、第１配向パターンおよび第２配向パターンを形成することができる。この場合、図８に例示するように、第１配向パターン１４ａが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、第２配向パターン１４ｂが光異性化型材料を含有する光配向膜（反応性液晶用配向膜１７）と反応性液晶層１８とからなるパターンであり、第１配向パターンと反応性液晶用配向膜とが連続して形成されている第２配向処理基板１５を得ることができる。
パターン露光により反応性液晶を部分的に硬化させるには、上記反応性液晶層の項に記載した活性放射線を照射する方法を用いればよい。重合性液晶材料の配向状態の固定化と、パターン露光とを同時に行うことができる。また、現像方法としては、例えば、パターン露光後の膜をＭＥＫ等に浸漬する方法などを用いることができる。現像後は、ＩＰＡ、水等を用いて洗浄することが好ましい。
（２）濡れ性変化層
本実施態様の第２配向処理基板においては、図９に例示するように、第２電極層１３と第２配向層１４との間に、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する濡れ性変化層２５が形成され、この濡れ性変化層２５表面に、親液性領域２６ａおよび撥液性領域２６ｂからなる濡れ性変化パターンが形成されていてもよい。この場合、親液性領域２６ａ上にのみ第２配向層１４（第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂ）が形成される。濡れ性変化層が形成されていることにより、濡れ性変化層表面に形成された濡れ性変化パターンを利用して、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができる。
濡れ性変化層は、光触媒を含有しないものであってもよく、光触媒を含有するものであってもよい。以下、濡れ性変化層が光触媒を含有しない場合（第１の態様）、および、濡れ性変化層が光触媒を含有する場合（第２の態様）に分けて説明する。
（ｉ）第１の態様
本態様における濡れ性変化層は、基体上に少なくとも光触媒を含有する光触媒処理層が形成されている光触媒処理層基板を、濡れ性変化層に対して、エネルギー照射に伴う光触媒の作用が及び得る間隙をおいて配置した後、パターン状にエネルギー照射することにより、液体との接触角が低下するように濡れ性が変化する層である。濡れ性変化層自体は、光触媒を含有していない。本態様においては、濡れ性変化層が光触媒を含有しないため、第２配向処理基板が経時的に光触媒の影響を受けることがないという利点を有する。
本態様においては、図１０に例示するように、第２電極層１３上に形成された濡れ性変化層２５と、基体５２と光触媒処理層５３とを有する光触媒含有層基板５１とを所定の間隙をおいて配置し、フォトマスク５５を介してエネルギー５６を照射し（図１０（ａ））、濡れ性変化層２５表面のエネルギー照射部分の濡れ性を変化させて親液性領域２６ａを形成することにより、親液性領域２６ａおよび撥液性領域２６ｂからなる濡れ性変化パターンを形成することができる（図１０（ｂ））。そして、親液性領域２６ａの所定の部分に第１配向パターン形成用塗工液をインクジェット法等により塗布して第１配向パターン１４ａを形成し、次いで、親液性領域２６ａの他の部分に第２配向パターン形成用塗工液をインクジェット法等により塗布して第２配向パターン１４ｂを形成する（図１０（ｃ））。
以下、濡れ性変化層、光触媒処理層基板、濡れ性変化パターンの形成方法、および濡れ性変化パターンについて説明する。
（濡れ性変化層）
本態様における濡れ性変化層に用いられる材料としては、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する材料であれば特に限定されるものではないが、光触媒の作用により劣化、分解されにくい主鎖を有し、光触媒の作用により分解される有機置換基を有するバインダが好ましい。このバインダとしては、例えば、オルガノポリシロキサン等を挙げることができる。中でも、オルガノポリシロキサンが、フルオロアルキル基を含有するオルガノポリシロキサンであることが好ましい。
このようなオルガノポリシロキサンとしては、例えば、（１）ゾルゲル反応等によりクロロまたはアルコキシシラン等を加水分解、重縮合して大きな強度を発揮するオルガノポリシロキサン、（２）撥水牲や撥油性に優れた反応性シリコーンを架橋したオルガノポリシロキサン等のオルガノポリシロキサンを挙げることができ、特開２０００−２４９８２１号公報や特開２００３−１９５０２９号公報に記載されているもの等を用いることができる。
また、濡れ性変化層は、エネルギー照射部分の濡れ性の変化を起こさせる、あるいは、濡れ性の変化を補助する、界面活性剤、分解物質、その他添加剤を含有していてもよい。これらの添加剤としては、例えば特開２０００−２４９８２１号公報や特開２００３−１９５０２９号公報に記載されているもの等を用いることができる。
濡れ性変化層の厚みは、光触媒による濡れ性の変化速度等の関係より、０．００１μｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲内である。
（光触媒処理層基板）
本態様における光触媒処理層基板は、基体と、この基体上に形成され、少なくとも光触媒を含有する光触媒処理層とを有するものである。
光触媒処理層は、光触媒を含有するものである。光触媒処理層としては、光触媒処理層中の光触媒が濡れ性変化層表面の濡れ性を変化させるような構成であれば特に限定されるものではない。光触媒処理層は、例えば、光触媒とバインダとから構成されるものであってもよく、光触媒単体で構成されるものであってもよい。光触媒のみからなる光触媒処理層の場合は、濡れ性変化層表面の濡れ性の変化に対する効率が向上し、処理時間の短縮化等のコスト面で有利である。また、光触媒とバインダとからなる光触媒処理層の場合は、光触媒処理層の形成が容易であるという利点を有する。
本発明に用いられる光触媒としては、光半導体として知られる、例えば二酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ2）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、酸化タングステン（ＷＯ3）、酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）、および酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）を挙げることができる。これらの光触媒は、１種単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
本発明においては、二酸化チタンが、バンドギャップエネルギーが高く、化学的に安定で毒性もなく、入手も容易であることから好適に使用される。二酸化チタンには、アナターゼ型とルチル型があり、いずれも使用することができる。中でも、アナターゼ型の二酸化チタンが好ましい。アナターゼ型二酸化チタンは励起波長が３８０ｎｍ以下にある。
アナターゼ型二酸化チタンとしては、例えば、塩酸解膠型のアナターゼ型チタニアゾル（石原産業（株）製 ＳＴＳ−０２（平均粒径：７ｎｍ）、石原産業（株）製 ＳＴ−Ｋ０１）、硝酸解膠型のアナターゼ型チタニアゾル（日産化学（株）製 ＴＡ−１５（平均粒径：１２ｎｍ））等を挙げることができる。
粒径が小さいほど光触媒反応が効果的に起こるので、光触媒の粒径は小さい方が好ましい。具体的には、光触媒の平均粒径は５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下が特に好ましい。
光触媒処理層における、上記二酸化チタンに代表される光触媒の作用機構は、必ずしも明確なものではないが、エネルギーの照射によって光触媒が酸化還元反応を引き起こし、スーパーオキサイドラジカル（・Ｏ２ −）やヒドロキシラジカル（・ＯＨ）などの活性酸素種を発生し、この発生した活性酸素種が有機物の化学構造に変化を及ぼすものと考えられている。本発明においては、この活性酸素種が、光触媒処理層近傍に配置される濡れ性変化層中の有機物に作用を及ぼしていると思料される。
また、光触媒処理層が光触媒とバインダとからなるものである場合、用いられるバインダとしては、主骨格が光触媒の光励起により分解されないような高い結合エネルギーを有するものが好ましい。このようなバインダとしては、例えば、オルガノポリシロキサン、無定形シリカ前駆体を用いることができ、特開２０００−２４９８２１号公報や特開２００３−１９５０２９号公報に記載されているもの等を用いることができる。
光触媒処理層が光触媒とバインダとからなるものである場合、光触媒処理層中の光触媒の含有量は、５〜６０質量％の範囲内で設定することができ、好ましくは２０〜５０質量％の範囲内である。
また、光触媒処理層は、界面活性剤、その他添加剤を含有していてもよい。これらの添加剤としては、例えば特開２０００−２４９８２１号公報や特開２００３−１９５０２９号公報に記載されているもの等を用いることができる。
光触媒処理層の厚みは、０．０５〜１０μｍの範囲内であることが好ましい。
また、光触媒処理層表面の濡れ性は、親液性であっても撥液性であってもよい。
光触媒処理層の形成位置としては、例えば、基体上の全面に光触媒処理層が形成されていてもよく、基体上に光触媒処理層がパターン状に形成されていてもよい。光触媒処理層がパターン状に形成されている場合には、光触媒処理層を濡れ性変化層に対して所定の間隙をおいて配置し、エネルギーを照射する際に、フォトマスク等を用いてパターン照射する必要がなく、全面に照射することにより、濡れ性変化層表面の濡れ性を変化させることができる。また、実際に光触媒処理層に面する濡れ性変化層表面のみ、濡れ性が変化するので、エネルギーの照射方向としては、光触媒処理層と濡れ性変化層とが面する部分にエネルギーが照射されれば、いかなる方向であってもよい。さらには、照射されるエネルギーも、平行光等の平行なものに限定されない。
光触媒処理層基板に用いられる基体は、後述するエネルギーの照射方向により透明性が適宜選択される。例えば、電極層が不透明である場合は、エネルギー照射方向は必然的に光触媒処理層基板側からとなる。また例えば、光触媒処理層基板に遮光部がパターン状に形成されており、この遮光部を用いてパターン状にエネルギー照射する場合も、光触媒処理層基板側からエネルギーを照射する必要がある。そのため、これらの場合には、基体は透明性を有する必要がある。
また、基体は、可撓性を有するもの、例えば樹脂製フィルム等であってもよいし、可撓性を有さないもの、例えばガラス基板等であってもよい。
基体としては、特に限定されるものではないが、光触媒処理層基板は繰り返し用いられるものであることから、所定の強度を有し、かつその表面が光触媒処理層との密着性が良好であるものが好適に用いられる。具体的には、基体を構成する材料としては、ガラス、セラミック、金属、プラスチック等を挙げることができる。
光触媒処理層基板には、遮光部がパターン状に形成されていてもよい。パターン状の遮光部を有する光触媒処理層基板を用いた場合には、エネルギー照射に際して、フォトマスクを用いたり、レーザ光による描画照射を行ったりする必要がない。したがって、この場合には、光触媒処理層基板とフォトマスクとの位置合わせが不要であることから、簡便な工程とすることができ、また描画照射に必要な高価な装置も不要であることから、コスト的に有利となる。
遮光部の形成位置としては、例えば、基体上に遮光部がパターン状に形成され、この遮光部を覆うように光触媒処理層が形成されていてもよく、基体上に光触媒処理層が形成され、この光触媒処理層上に遮光部がパターン状に形成されていてもよく、基体の光触媒処理層が形成されていない側の表面に遮光部がパターン状に形成されていてもよい。
上記の基体上に遮光部が形成されている場合、および、光触媒処理層上に遮光部が形成されている場合は、フォトマスクを用いる場合と比較すると、光触媒処理層と濡れ性変化層とが間隙をおいて配置される部分の近傍に、遮光部が配置されることになるので、基体内等におけるエネルギーの散乱の影響を少なくすることができる。このため、エネルギーのパターン照射を極めて正確に行うことが可能となる。
さらに、光触媒処理層上に遮光部が形成されている場合は、光触媒処理層と濡れ性変化層とを所定の間隙をおいて配置する際に、この遮光部の膜厚をこの間隙の距離と一致させておくことにより、間隙を一定のものとするためのスペーサとして、遮光部を用いることができる。すなわち、光触媒処理層と濡れ性変化層とを所定の間隙をおいて配置する際に、遮光部と濡れ性変化層とを密着させた状態で配置することにより、所定の間隙を保つことができる。そして、この状態で光触媒処理層基板からエネルギーを照射することにより、濡れ性変化層表面に濡れ性変化パターンを精度良く形成することができる。
また、基体の光触媒処理層が形成されていない側の表面に遮光部が形成されている場合は、例えばフォトマスクを遮光部の表面に着脱可能な程度に密着させることができるので、液晶表示素子の製造を小ロットで変更するような場合に好適である。
（濡れ性変化パターンの形成方法）
本態様においては、光触媒処理層基板を、濡れ性変化層に対して、エネルギー照射に伴う光触媒の作用が及び得る間隙をおいて配置する。通常は、光触媒処理層基板の光触媒処理層と、濡れ性変化層とを、濡れ性変化層にエネルギー照射に伴う光触媒の作用が及び得る間隙をおいて配置する。なお、間隙とは、光触媒処理層および濡れ性変化層が接触している状態も含むものとする。
光触媒処理層と濡れ性変化層との間隔は、具体的には、２００μｍ以下であることが好ましい。光触媒処理層と濡れ性変化層とを所定の間隔をおいて配置することにより、酸素、水および光触媒作用により生じた活性酸素種が脱着しやすくなる。光触媒処理層と濡れ性変化層との間隔が上記範囲より広い場合には、光触媒作用により生じた活性酸素種が濡れ性変化層に届き難くなり、濡れ性の変化速度を遅くしてしまう可能性がある。逆に、光触媒処理層と濡れ性変化層との間隔を狭くしすぎると、酸素、水および光触媒作用により生じた活性酸素種が脱着しにくくなり、結果的に濡れ性の変化速度を遅くしてしまう可能性がある。
上記間隔は、パターン精度が極めて良好であり、光触媒の感度も高く、濡れ性変化の効率が良好である点を考慮すると、０．２μｍ〜２０μｍの範囲内であることがより好ましく、さらに好ましくは１μｍ〜１０μｍの範囲内である。
一方、例えば３００ｍｍ×３００ｍｍといった大面積の液晶表示素子を製造する場合には、上述したような微細な間隙を光触媒処理層基板と濡れ性変化層との間に設けることは極めて困難である。したがって、比較的大面積の液晶表示素子を製造する場合は、上記間隙は、５μｍ〜１００μｍの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは１０μｍ〜７５μｍの範囲内である。上記間隙を上記範囲とすることにより、パターンがぼやける等のパターン精度の低下を抑制することができ、また光触媒の感度が悪化して濡れ性変化の効率が悪化するのを抑制することができるからである。
また、上記のような比較的大面積に対してエネルギー照射する際には、エネルギー照射装置内の光触媒処理層基板と濡れ性変化層との位置決め装置における間隙の設定を、１０μｍ〜２００μｍの範囲内、特に２５μｍ〜７５μｍの範囲内に設定することが好ましい。上記間隙の設定値を上記範囲とすることにより、パターン精度の大幅な低下や光触媒の感度の大幅な悪化を招くことなく、かつ光触媒処理層基板と濡れ性変化層とを接触させずに配置することができるからである。
本発明においては、このような間隙をおいた配置状態は、少なくともエネルギー照射の間だけ維持されればよい。
このような極めて狭い間隙を均一に設けて光触媒処理層と濡れ性変化層とを配置する方法としては、例えばスペーサを用いる方法を挙げることができる。スペーサを用いる方法では、均一な間隙を設けることができると共に、このスペーサが接触する部分は、光触媒の作用が濡れ性変化層表面に及ばないことから、このスペーサを上述した濡れ性変化パターンと同様のパターンを有するものとすることにより、濡れ性変化層表面に所定の濡れ性変化パターンを形成することが可能となる。
本発明においては、スペーサを一つの部材として形成してもよいが、工程の簡略化等のため、光触媒処理層基板の光触媒処理層上にスペーサが形成されていることが好ましい。この場合、上記遮光部の項に記載したような利点を有する。
スペーサは、濡れ性変化層表面に光触媒の作用が及ばないように、濡れ性変化層表面を保護する作用を有していればよい。このため、スペーサは、照射されるエネルギーに対して遮蔽性を有していなくてもよい。
また、光触媒処理層と濡れ性変化層とを所定の間隙をおいて配置した後は、所定の方向からエネルギーをパターン照射することにより、濡れ性変化層表面に濡れ性変化パターンを形成する。
エネルギー照射に用いる光の波長は、通常、４５０ｎｍ以下の範囲で設定され、好ましくは３８０ｎｍ以下の範囲で設定される。これは、上述したように、光触媒処理層に用いられる好ましい光触媒が二酸化チタンであり、この二酸化チタンにより光触媒作用を活性化させるエネルギーとして、上記の波長の光が好ましいからである。
エネルギー照射に用いることができる光源としては、水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、エキシマランプ、その他種々の光源を挙げることができる。
また、パターン状にエネルギーを照射する方法としては、これらの光源を用い、フォトマスクを介してパターン照射する方法の他、エキシマ、ＹＡＧ等のレーザを用いてパターン状に描画照射する方法を用いることもできる。
エネルギー照射に際してのエネルギーの照射量は、光触媒処理層中の光触媒の作用により濡れ性変化層表面の濡れ性が変化するのに必要な照射量とする。
この際、光触媒処理層を加熱しながらエネルギー照射することが好ましい。感度を上昇させことができ、効率的に濡れ性を変化させることができるからである。具体的には、３０℃〜８０℃の範囲内で加熱することが好ましい。
エネルギー照射方向は、光触媒処理層基板に遮光部が形成されているか否か等により決定される。例えば、光触媒処理層基板に遮光部が形成されており、光触媒処理層基板の基体が透明である場合は、光触媒処理層基板側からエネルギー照射が行なわれる。また、この場合、光触媒処理層上に遮光部が形成されており、この遮光部がスペーサとして機能する場合には、エネルギー照射方向は光触媒処理層基板側からであってもよく基板側からであってもよい。また例えば、光触媒処理層がパターン状に形成されている場合には、エネルギー照射方向は、上述したように、光触媒処理層と濡れ性変化層とが面する部分にエネルギーが照射されれば、いかなる方向であってもよい。同様に、上述したスペーサを用いる場合も、光触媒処理層と濡れ性変化層とが面する部分にエネルギーが照射されれば、エネルギー照射方向はいかなる方向であっってもよい。さらに例えば、フォトマスクを用いる場合は、フォトマスクが配置された側からエネルギーが照射される。この場合、フォトマスクが配置された側が透明である必要がある。
エネルギー照射後は、光触媒処理層基板は、濡れ性変化層から取り外される。
（濡れ性変化パターン）
本態様における濡れ性変化パターンは、濡れ性変化層表面に形成されるものであり、エネルギー照射部分である親液性領域と、エネルギー未照射部分である撥液性領域とからなるものである。
本態様において、親液性領域とは、エネルギー照射部分であり、エネルギー照射により液体との接触角が低下する方向に変化した領域である。また、撥液性領域とは、エネルギー未照射部分であり、親液性領域よりも、液体に対する接触角が大きい領域をいう。
撥液性領域においては、配向層形成用塗工液が有する表面張力と同等の表面張力の液体に対する接触角が６０°以上であることが好ましく、より好ましくは８０°以上である。撥液性領域における液体との接触角が低すぎると、撥液性領域にも配向層形成用塗工液が付着する可能性があるからである。
また、親液性領域においては、配向層形成用塗工液が有する表面張力と同等の表面張力の液体に対する接触角が３０°以下であることが好ましく、より好ましくは１０°以下、さらに好ましくは５°以下である。親液性領域における液体との接触角が高すぎると、配向層形成用塗工液が濡れ広がりにくくなり、第２配向層（第１配向パターンおよび第２配向パターン）が欠ける等の可能性があるからである。
なお、液体との接触角は、種々の表面張力を有する液体との接触角を接触角測定器（協和界面科学（株）製 ＣＡ−Ｚ型）を用いて測定（マイクロシリンジから液滴を滴下して３０秒後）し、その結果から、もしくはその結果をグラフにして求めることができる。この測定に際しては、種々の表面張力を有する液体として、純正化学株式会社製のぬれ指数標準液を用いることとする。
（ii）第２の態様
本態様における濡れ性変化層は、光触媒を含有し、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により、液体との接触角が低下するように濡れ性が変化する層である。本態様においては、濡れ性変化層が光触媒を含有するので、効率的に濡れ性を変化させることができるという利点を有する。
本態様においては、図１１に例示するように、第２電極層１３上に形成された濡れ性変化層２５に、フォトマスク５５を介してエネルギー５６を照射し（図１１（ａ））、濡れ性変化層２５表面のエネルギー照射部分の濡れ性を変化させて親液性領域２６ａを形成することにより、親液性領域２６ａおよび撥液性領域２６ｂからなる濡れ性変化パターンを形成することができる（図１１（ｂ））。そして、親液性領域２６ａの所定の部分に第１配向パターン形成用塗工液をインクジェット法等により塗布して第１配向パターン１４ａを形成し、次いで、親液性領域２６ａの他の部分に第２配向パターン形成用塗工液をインクジェット法等により塗布して第２配向パターン１４ｂを形成する（図１１（ｃ））。
濡れ性変化層としては、光触媒を含有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、光触媒と光触媒の作用により濡れ性が変化する材料とを含有する単一の層であってもよく、光触媒により濡れ性が変化する材料を含有する層と光触媒を含有する層とが積層されたものであってもよい。濡れ性変化層が、光触媒と光触媒の作用により濡れ性が変化する材料とを含有する単一の層である場合は、層自体に含有される光触媒の作用により濡れ性が変化することから、より効率的に濡れ性を変化させることができる。また、濡れ性変化層が、光触媒により濡れ性が変化する材料を含有する層と光触媒を含有する層とが積層されたものである場合は、光触媒を含有する層と第２配向層とを直接接触させないようにすることができるため、第２配向層が経時的に光触媒の影響を受けるのを抑制することができる。
濡れ性変化層が、光触媒と光触媒の作用により濡れ性が変化する材料とを含有する単一の層である場合、この濡れ性変化層に用いられる濡れ性が変化する材料としては、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する材料であれば特に限定されるものではないが、光触媒の作用により劣化、分解されにくい主鎖を有し、光触媒の作用により分解される有機置換基を有するバインダが好ましい。このバインダとしては、上記第１の態様の濡れ性変化層の項に記載したバインダを用いることができる。
なお、光触媒については、上記第１の態様に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
上記濡れ性変化層中の光触媒の含有量は、５〜６０質量％の範囲内で設定することができ、好ましくは２０〜４０質量％の範囲内である。
また、上記濡れ性変化層の厚みは、光触媒による濡れ性の変化速度等の関係より、０．００１μｍ〜１μｍであることが好ましく、より好ましくは０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲内である。
一方、濡れ性変化層が、光触媒により濡れ性が変化する材料を含有する層と光触媒を含有する層とが積層されたものである場合、光触媒により濡れ性が変化する材料を含有する層に用いられる材料としては、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する材料であれば特に限定されるものではないが、光触媒の作用により劣化、分解されにくい主鎖を有し、光触媒の作用により分解される有機置換基を有するバインダが好ましい。なお、光触媒により濡れ性が変化する材料を含有する層については、上記第１の態様の濡れ性変化層と同様であるため、ここでの説明は省略する。
また、光触媒を含有する層は、光触媒を含有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、光触媒とバインダとから構成されるものであってもよく、光触媒単体で構成されるものであってもよい。なお、光触媒を含有する層については、上記第１の態様の光触媒処理層と同様であるため、ここでの説明は省略する。
本態様においては、濡れ性変化層に、所定の方向からエネルギーをパターン照射することにより、濡れ性変化層表面に濡れ性変化パターンを形成する。なお、エネルギー照射等については、上記第１の態様に記載したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
また、濡れ性変化パターンについても、上記第１の態様に記載したものと同様であるため、ここでの説明は省略する。
（iii）遮光部
本実施態様において、濡れ性変化層が形成されている場合には、図１２に例示するように、第２基材１２上に遮光部２７がパターン状に形成され、濡れ性変化層２５の撥液性領域２６ｂが遮光部２７上に配置されていることが好ましい。撥液性領域には第２配向層が形成されないために強誘電性液晶が配向しにくいので、光漏れが生じるおそれがあるが、遮光部上に撥液性領域を配置することにより、この光漏れを防ぐことができるからである。
また、図示しないが、上記第１配向処理基板において、第１基材上に遮光部がパターン状に形成され、濡れ性変化層の撥液性領域がその遮光部上に配置されていてもよい。
上記遮光部は、通常、濡れ性変化パターンに対応したパターン状に形成される。
また、上記遮光部の形成材料としては、例えばカーボンブラック等の黒色着色剤を含有する樹脂組成物、あるいは、クロム等の金属または金属酸化物などが挙げられる。
遮光部の形成方法としては、樹脂組成物を用いる場合は例えばフォトリソグラフィー法、印刷法等が挙げられ、金属または金属酸化物を用いる場合は例えば蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、無電界メッキ法等が挙げられる。
（３）絶縁部
本実施態様の第２配向処理基板においては、図１３に例示するように、第１配向パターン１４ａと第２配向パターン１４ｂとの間に絶縁部２８が形成されており、絶縁部２８表面が撥液性領域２６ｂ、絶縁部２８の開口部内の層表面（第２電極層１３表面）が親液性領域２６ａとなっていてもよい。この場合、親液性領域２６ａ上にのみ第２配向層１４（第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂ）が形成される。絶縁部が形成され、絶縁部表面が撥液性領域になっていることにより、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができる。
絶縁部表面に撥液処理を施すことにより、絶縁部表面を撥液性領域、絶縁部の開口部内の層表面を親液性領域とすることができる。
撥液処理方法としては、絶縁部表面における液体との接触角を、絶縁部の開口部内の層表面における液体との接触角よりも相対的に高くすることができる方法であれば特に限定されるものではない。一般的に、基材にはガラス等が用いられ、電極層には金属や金属酸化物等が用いられることから、絶縁部に有機材料を用いて、絶縁部にフッ素化合物を導入ガスとしたプラズマを照射する方法が好ましく用いられる。フッ素化合物を導入ガスとしたプラズマ照射では、有機物にのみフッ素化合物を導入することができるため、有機材料を含有する絶縁部に選択的にフッ素を導入することができ、絶縁部表面を撥液性とすることができるからである。
例えば図１４に示すように、第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂの間に形成された絶縁部２８に、フッ素化合物を導入ガスとしたプラズマ５７を照射し（図１４（ａ））、絶縁部２８表面のプラズマ照射部分を撥液性とすることにより、絶縁部２８表面を撥液性領域２６ｂ、絶縁部２８の開口部内の層表面（第２電極層１３表面）を親液性領域２６ａとすることができる（図１４（ｂ））。そして、親液性領域２６ａの所定の部分に第１配向パターン形成用塗工液をインクジェット法等により塗布して第１配向パターン１４ａを形成し、次いで、親液性領域２６ａの他の部分に第２配向パターン形成用塗工液をインクジェット法等により塗布して第２配向パターン１４ｂを形成する（図１４（ｃ））。
導入ガスとして用いられるフッ素化合物としては、例えば、フッ化炭素（ＣＦ4）、窒化フッ素（ＮＦ3）、フッ化硫黄（ＳＦ6）、ＣＨＦ3、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、Ｃ5Ｆ8等が挙げられる。
また、導入ガスとして、フッ素化合物と他のガスとを混合して用いてもよい。他のガスとしては、例えば、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム等を挙げることができる。中でも、窒素を用いることが好ましい。窒素を用いる場合、窒素の混合比率は６０％以上であることが好ましい。
プラズマの照射方法としては、フッ素化合物を導入ガスとして用いてプラズマを照射し、絶縁部表面を撥液性とすることができる方法であれば、特に限定されるものではなく、例えば、減圧下でプラズマ照射してもよく、大気圧下でプラズマ照射してもよい。中でも、大気圧下でプラズマ照射を行うことが好ましい。この場合、減圧用の装置等を要することなく、コストや製造効率等の面で有利だからである。
また、プラズマの照射条件としては、照射装置等により適宜選択される。大気圧プラズマの照射条件としては、下記のものが例示される。例えば、電源出力としては、一般的なプラズマの照射装置を用いることができる。この際、照射されるプラズマの電極と、絶縁部との距離は、０．２ｍｍ〜２０ｍｍ程度、中でも１ｍｍ〜５ｍｍ程度であることが好ましい。また、導入ガスとして用いられるフッ素化合物の流量は、１Ｌ／ｍｉｎ〜２０Ｌ／ｍｉｎ程度であることが好ましく、フッ素化合物と同時に流す窒素の流量は、１Ｌ／ｍｉｎ〜５０Ｌ／ｍｉｎ程度であることが好ましい。この際の基板搬送速度としては、０．５ｍ／ｍｉｎ〜２ｍ／ｍｉｎ程度とすることが好ましい。
絶縁部に導入されたフッ素の存在は、Ｘ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy, ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)とも称される。）に用いられるＸ線光電子分光分析装置（XPS：ESCALAB 220i-XL）による分析において、絶縁部の表面より検出される全元素中のフッ素元素の割合を測定することにより確認することができる。この際、絶縁部に導入されるフッ素の割合としては、絶縁部の表面より検出される全元素のうち１０％以上であることが好ましい。
また、絶縁部は、配向層形成用塗工液が有する表面張力と同等の表面張力の液体に対する接触角が、撥液処理前の絶縁部の上記液体との接触角より１°以上高くなるようにプラズマ照射されることが好ましい。特に、絶縁部は、上記液体との接触角が５°以上、中でも１０°以上、さらには３０°以上となるようにプラズマ照射されることが好ましい。撥液処理後の絶縁部の上記液体との接触角が小さい場合は、配向層形成用塗工液が撥液性領域にも付着する可能性があるからである。
なお、液体との接触角の測定方法については、上記濡れ性変化層の項に記載したものと同様である。
絶縁部のパターン形状としては、第１配向パターンおよび第２配向パターンの形状に応じて適宜選択され、例えばライン状、マトリクス状等が挙げられる。また、絶縁部のピッチや幅等は、第１配向パターンおよび第２配向パターンのピッチや幅等に応じて適宜調整される。
絶縁部の形成材料は、絶縁性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、上記フッ素化合物を導入ガスとしたプラズマを照射する場合には、絶縁性を有する有機材料であることが好ましい。この絶縁性を有する有機材料としては、例えば、樹脂を挙げることができ、中でも感光性樹脂が好ましく用いられる。感光性樹脂はパターニングが容易だからである。感光性樹脂としては、一般に液晶表示素子の部材に用いられるものであれば特に限定されるものではない。
また、絶縁部は遮光部であることが好ましい。撥液性領域には第２配向層が形成されないため、強誘電性液晶の配向が乱れてしまうおそれがあるが、遮光部である絶縁部表面が撥液性領域であることにより、強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
絶縁部が遮光部である場合、絶縁部の形成材料としては、例えば、カーボンブラック、チタンブラック等の黒色着色剤を含有する感光性樹脂組成物を用いることができる。
絶縁部の厚みは、特に限定されるものではないが、絶縁部が遮光部である場合には、遮光機能の観点から、１．５μｍ〜２．０μｍ程度であることが好ましい。
また、絶縁部の形成方法としては、所定の位置に絶縁部を形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的なパターニング方法を適用することができる。例えば、フォトリソグラフィー法、インクジェット法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
（４）隔壁
本実施態様の第２配向処理基板においては、図１５に例示するように、第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂを区画するように隔壁１６が形成されていてもよい。隔壁が形成されていることにより、第１配向パターンおよび第２配向パターンを精度良く容易に形成することができるからである。
隔壁のパターン形状としては、第１配向パターンおよび第２配向パターンの形状に応じて適宜選択され、例えばライン状、マトリクス状等が挙げられる。また、隔壁のピッチや幅等は、第１配向パターンおよび第２配向パターンのピッチや幅等に応じて適宜調整される。さらに、隔壁の高さは、通常、液晶層の厚みと同程度とされる。
隔壁の形成材料は、一般に液晶表示素子の隔壁として用いられている材料であれば特に限定されるものではない。具体的には樹脂を挙げることができ、中でも感光性樹脂が好ましく用いられる。感光性樹脂はパターニングが容易だからである。感光性樹脂としては、一般に液晶表示素子の隔壁に用いられるものであれば特に限定されるものではない。
また、隔壁の形成方法としては、所定の位置に隔壁を形成することができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的なパターニング方法を適用することができる。例えば、フォトリソグラフィー法、インクジェット法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
（５）着色層
本実施態様においては、第２基材と第２電極層との間に着色層が形成されていてもよい。また、上記第１配向処理基板において、第１基材と第１電極層との間に着色層が形成されてもよい。すなわち、第１配向処理基板および第２配向処理基板のいずれか一方に着色層が形成されていてもよい。着色層が形成されている場合、着色層によりカラー表示を実現することができる。
着色層としては、一般にカラーフィルタの着色層として用いられるものであれば特に限定されるものではない。着色層には、例えば、通常の顔料分散法等に用いられる赤、青、または緑の顔料を含有する感光性樹脂組成物を用いることができる。
３．液晶層
本実施態様における液晶層は、第１配向処理基板の第１配向層および第２配向処理基板の第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持させることにより構成されている。本発明に用いられる強誘電性液晶としては、単安定性を示すものであり、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであれば、特に限定されるものでない。ハーフＶ字型スイッチング特性を示す強誘電性液晶を用いると、白黒シャッターとしての開口時間を十分に長くとることができ、これにより時間的に切り替えられる各色をより明るく表示することができ、明るいカラー表示の液晶表示素子を実現することができる。
本実施態様においては、強誘電性液晶は、第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域では、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して平行に強誘電性液晶のチルト角の約２倍変化し、第２配向層の第２配向パターンが設けられている領域では、第１電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して平行に強誘電性液晶のチルト角の約２倍変化するものであることが好ましい。
図１６に、第１配向層と、第２配向層の第１配向パターンとの間に挟持された強誘電性液晶の配向状態の一例を示す。
上述したように、電圧無印加状態では、図１６（ａ）に例示するように、極性表面相互作用によって、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）が第２配向層の第１配向パターン１４ａ側（光異性化型材料を含有する光配向膜側）を向く傾向にある。そして、図１６（ｂ）に例示するように、第１電極層３が正極（＋）、第２電極層１３が負極（−）となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響により、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓは第１配向層４側を向くようになる。次いで、第１電極層３が負極（−）、第２電極層１３が正極（＋）となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響によって、図１６（ａ）に例示するように、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓは第２配向層の第１配向パターン１４ａ側を向くようになる。この場合、自発分極の向きは、電圧無印加状態と同様になる。
一方、第１配向層と、第２配向層の第２配向パターンとの間に挟持された強誘電性液晶の配向状態については図示しないが、上述したように、電圧無印加状態では、極性表面相互作用によって、液晶分子の自発分極の正極が第１配向層側（ラビング膜側）を向く傾向にある。そして、第１電極層が正極、第２電極層が負極となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響により、液晶分子の自発分極は第２配向層の第２配向パターン側を向くようになる。次いで、第１電極層が負極、第２電極層が正極となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響によって、液晶分子の自発分極は第１配向層側を向くようになる。この場合、自発分極の向きは、電圧無印加状態と同様になる。
自発分極の向きがこのような方向になるのは、自発分極の向きが、強誘電性液晶の分極と配向膜の分極または電圧の極性とが電気的につり合う方向になるため、液晶分子が電気的に安定な状態になるからである。
第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域では、電圧無印加状態あるいは第２電極層への正極性の電圧印加状態（図１６（ａ））から、第２電極層への負極性の電圧印加状態（図１６（ｂ））としたとき、この印加電圧の負極性と、液晶分子の自発分極の負極性との反発によって、図１７に例示するように、液晶分子ＬＣが角度約２θ回転する。すなわち、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が、第１配向処理基板面に対して平行に、強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する。
一方、第２配向層の第２配向パターンが設けられている領域では、図示しないが、電圧無印加状態あるいは第１電極層への正極性の電圧印加状態から、第１電極層への負極性の電圧印加状態としたとき、この印加電圧の負極性と、液晶分子の自発分極の負極性との反発によって、図１７に例示するように、液晶分子ＬＣが角度約２θ回転する。すなわち、第１電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が、第１配向処理基板面に対して平行に、強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する。
第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域では、第２電極層が負極となるように電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化するものは７０％以上存在することが好ましく、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、最も好ましくは９５％以上である。また、第２配向層の第２配向パターンが設けられている領域では、第１電極層が負極となるように電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化するものは７０％以上存在することが好ましく、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、最も好ましくは９５％以上である。上述の範囲であれば、良好なコントラスト比を得ることができるからである。
なお、上記の比率は、次のようにして測定することができる。
まず、第１配向処理基板および第２配向処理基板の外側に、それぞれ偏光板をクロスニコルに、かつ、一方の偏光板の偏光軸と液晶層の液晶分子の配向方向とが平行になるように配置する。電圧無印加状態では、一方の偏光板を透過した直線偏光と液晶分子の配向方向とが一致するため、液晶分子の屈折率異方性が発現されず、他方の偏光板を透過した直線偏光はそのまま液晶分子を通過し、他方の偏光板により遮断され、暗状態となる。一方、電圧印加状態では、液晶分子がコーン上を移動し、一方の偏光板を透過した直線偏光と液晶分子の配向方向とが所定の角度を持つようになるため、一方の偏光板を透過した直線偏光は液晶分子の複屈折により楕円偏光となる。この楕円偏光のうち、他方の偏光板の偏光軸と一致する直線偏光のみが他方の偏光板を透過し、明状態となる。
このため、第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域では、第２電極層が負極となるように電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化すると明状態が得られる。一方、第２電極層が負極となるように電圧を印加したとき、例えば強誘電性液晶の分子方向が変化しないものが部分的に存在する場合には、部分的に暗状態が得られる。したがって、電圧印加時に得られる白黒（明暗）表示の白・黒の面積比から、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化するものの比率を算出することができる。
同様に、第２配向層の第２配向パターンが設けられている領域では、第１電極層が負極となるように電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化すると明状態が得られる。一方、第１電極層が負極となるように電圧を印加したとき、例えば強誘電性液晶の分子方向が変化しないものが部分的に存在する場合には、部分的に暗状態が得られる。したがって、電圧印加時に得られる白黒（明暗）表示の白・黒の面積比から、第１電極層が負極となるように電圧を印加したときに強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化するものの比率を算出することができる。
なお、第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域において、「第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」とは、電圧無印加時に液晶分子がコーン上のひとつの状態で安定化しており、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、液晶分子が単安定化状態からコーン上の一方の側に傾き、第２電極層が正極となるように電圧を印加したときに、液晶分子が、単安定化状態を維持するか、または単安定化状態から第２電極層が負極となるように電圧を印加したときとは逆側に傾き、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときの、液晶分子の単安定化状態からの傾斜角が、第２電極層が正極となるように電圧を印加したときの、液晶分子の単安定化状態からの傾斜角よりも大きいことをいう。
図１８は、単安定性を示す強誘電性液晶の配向状態の一例を示す模式図である。図１８（ａ）は電圧無印加の場合、図１８（ｂ）は第２電極層が負極となるように電圧を印加した場合、図１８（ｃ）は第２電極層が正極となるように電圧を印加した場合をそれぞれ示す。電圧無印加の場合、液晶分子ＬＣは、コーン上のひとつの状態で安定化している（図１８（ａ））。第２電極層が負極となるように電圧を印加した場合、液晶分子ＬＣは、安定化している状態（破線）から一方の側に傾く（図１８（ｂ））。また、第２電極層が正極となるように電圧を印加したときに、液晶分子ＬＣは、安定化している状態（破線）から第２電極層が負極となるように電圧を印加したときとは逆側に傾く（図１８（ｃ））。このとき、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときの傾斜角δは、第２電極層が正極となるように電圧を印加したときの傾斜角ωよりも大きい。なお、図１８において、ｄは配向処理方向、ｚは層法線を示す。
第２電極層が負極となるように電圧を印加したとき、液晶分子は、印加電圧の大きさに応じた角度で、単安定化状態からコーン上の一方の側に傾く。また、強誘電性液晶では、図１８（ａ）に例示するように、位置Ａ（液晶分子ＬＣの方向）と、位置Ｂ（配向処理方向ｄ）と、位置Ｃとが、必ずしも一致するわけではない。そのため、図１８（ｂ）に例示するように、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときの最大の傾斜角δは、チルト角θの約２倍（角度２θ）となる。
例えば図１７に示すように、液晶分子ＬＣの方向は、第１配向処理基板面に対して平行に、チルト角θの約２倍（角度２θ）変化するのであるが、ここでチルト角θの約２倍変化するとは、２θ〜２θ−５°変化する場合をいう。
なお、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して平行に変化した角度は、次のようにして測定することができる。まず、偏光板をクロスニコルに配置した偏光顕微鏡および液晶表示素子を、一方の偏光板の偏光軸と液晶層の液晶分子の配向方向とが平行になるように配置し、この位置を基準とする。電圧を印加すると液晶分子が偏光軸と所定の角度を持つようになるため、一方の偏光板を透過した偏光が他方の偏光板を透過して明状態となる。この電圧を印加した状態で液晶表示素子を回転させ暗状態にする。そして、このときの液晶表示素子を回転させた角度を測定する。液晶表示素子を回転させた角度が、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して平行に変化した角度である。
上述したように、第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域において、第２電極層が負極となるように電圧を印加したとき、液晶分子は、印加電圧の大きさに応じた角度で、単安定化状態からコーン上の一方の側に傾くので、実際に液晶表示素子を駆動している際、第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、液晶分子の方向がチルト角の約２倍変化するわけではない。
なお、第２配向層の第２配向パターンが設けられている領域において、「第１電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」については、上記の第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域において、「第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」ことと同様に考えればよいので、ここでの説明は省略する。
強誘電性液晶の相系列は、カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相を発現するものであれば特に限定されるものではない。例えば、相系列が、ネマチック（Ｎ）相−コレステリック（Ｃｈ）相−カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相と相変化するもの、ネマチック（Ｎ）相−カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相と相変化するもの、ネマチック（Ｎ）相−スメクチックＡ（ＳｍＡ）相−カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相と相変化するもの、ネマチック（Ｎ）相−コレステリック（Ｃｈ）相−スメクチックＡ（ＳｍＡ）相−カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相と相変化するもの、などを挙げることができる。特に、Ｃｈ相からＳｍＡ相を経由しないでＳｍＣ＊相に相変化するものは、ハーフＶ字型スイッチング特性を示すものとして好適である。
一般に、図１９下段に例示するようなＳｍＡ相を経由する相系列を有する強誘電性液晶は、相変化の過程において、スメクチック層の層間隔が縮まり、その体積変化を補償するためにスメクチック層が曲がったシェブロン構造を有し、この曲げの方向によって液晶分子の長軸方向が異なるドメインが形成され、その境界面にジグザグ欠陥やヘアピン欠陥と呼ばれる配向欠陥が発生しやすい。また一般に、図１９上段に例示するようなＳｍＡ相を経由しない相系列を有する強誘電性液晶は、層法線方向の異なる二つの領域（ダブルドメイン）が発生しやすい。本実施態様においては、第１配向層と、第２配向層の第１配向パターンと、第２配向層の第２配向パターンとを所定の組み合わせとすることにより、このような配向欠陥を生じさせることなく、強誘電性液晶の配向を単安定化することができるのである。
このような強誘電性液晶としては、一般に知られる液晶材料の中から要求特性に応じて種々選択することができる。上述したように、Ｃｈ相からＳｍＡ相を経由しないでＳｍＣ＊相を発現する液晶材料は、ハーフＶ字型スイッチング特性を示すものとして特に好適である。具体的には、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製「Ｒ２３０１」が挙げられる。
また、ＳｍＡ相を経由する液晶材料としては、材料選択の幅が広いことから、Ｃｈ相からＳｍＡ相を経由してＳｍＣ＊相を発現するものが好ましい。この場合、ＳｍＣ＊相を示す単一の液晶材料を用いることもできるが、低粘度でＳｍＣ相を示しやすいノンカイラルな液晶（以下、ホスト液晶とする場合がある。）に、それ自身ではＳｍＣ相を示さないが大きな自発分極と適当な螺旋ピッチを誘起する光学活性物質を少量添加することにより、上記のような相系列を示す液晶材料が、低粘度であり、より速い応答性を実現できることから好ましい。
上記ホスト液晶としては、広い温度範囲でＳｍＣ相を示す材料であることが好ましく、一般に強誘電性液晶のホスト液晶として知られているものであれば特に限定されることなく使用することができる。例えば、下記一般式：
Ｒａ−Ｑ１−Ｘ１−（Ｑ２−Ｙ１）ｍ−Ｑ３−Ｒｂ
（式中、ＲａおよびＲｂはそれぞれ、直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルカノイルオキシ基またはアルコキシカルボニルオキシ基であり、Ｑ１、Ｑ２およびＱ３はそれぞれ、１，４−フェニレン基、１，４−シクロヘキシレン基、ピリジン−２，５−ジイル基、ピラジン−２，５−ジイル基、ピリダジン−３，６−ジイル基、１，３−ジオキサン−２，５−ジイル基であり、これらの基はハロゲン原子、水酸基、シアノ基等の置換基を有していてもよく、Ｘ１およびＹ１はそれぞれ、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＨ２Ｏ−、−ＯＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ２−、−Ｃ≡Ｃ−または単結合であり、ｍは０または１である。）で表される化合物を使用することができる。ホスト液晶としては、上記化合物を１種単独でも２種以上を組み合わせて用いることもできる。
上記ホスト液晶に添加する光学活性物質としては、自発分極が大きく、適当な螺旋ピッチを誘起する能力を持った材料であれば特に限定されるものではなく、一般にＳｍＣ相を示す液晶組成物に添加する材料として知られるものを使用することができる。特に少量の添加量で大きな自発分極を誘起できる材料であることが好ましい。このような光学活性物質としては、例えば、下記一般式：
Ｒｃ−Ｑ１−Ｚａ−Ｑ２−Ｚｂ−Ｑ３−Ｚｃ−Ｒｄ
（式中、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は上記一般式と同じ意味を表し、ＺａおよびＺｂは−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−ＣＨ２Ｏ−、−ＯＣＨ２−、−ＣＨ２ＣＨ２−、−Ｃ≡Ｃ−、−ＣＨ＝Ｎ−、−Ｎ＝Ｎ−、−Ｎ（→Ｏ）＝Ｎ−、−Ｃ（＝Ｏ）Ｓ−または単結合であり、Ｒｃは不斉炭素原子を有していてもよい直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルカノイルオキシ基またはアルコキシカルボニルオキシ基であり、Ｒｄは不斉炭素原子を有する直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルカノイルオキシ基またはアルコキシカルボニルオキシ基であり、ＲｃおよびＲｄはハロゲン原子、シアノ基、水酸基で置換されていてもよい。）で表される化合物を使用することができる。光学活性物質としては、上記化合物を１種単独でも２種以上を組み合わせて用いることもできる。
ＳｍＡ相を経由する強誘電性液晶として、具体的には、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製「ＦＥＬＩＸＭ４８５１−１００」などが挙げられる。
液晶層には、上記の強誘電性液晶の他に、液晶表示素子に求められる機能に応じて任意の機能を備える化合物が含有されていてもよい。このような化合物としては、重合性モノマーの重合物を挙げることができる。液晶層中にこのような重合性モノマーの重合物が含有されることにより、上記液晶材料の配列がいわゆる「高分子安定化」され、配向安定性に優れた液晶表示素子を得ることができる。
重合性モノマーの重合物に用いられる重合性モノマーとしては、重合反応により重合物を生じる化合物であれば特に限定されるものではなく、加熱処理により重合反応を生じる熱硬化性樹脂モノマー、および活性放射線の照射により重合反応を生じる活性放射線硬化性樹脂モノマーを挙げることができる。中でも、活性放射線硬化性樹脂モノマーを用いることが好ましい。熱硬化性樹脂モノマーを用いる場合は、重合反応を生じさせるために加温処理をすることが必要であるので、このような加温処理により強誘電性液晶の規則的な配列が損なわれたり、相転移が誘起されてしまったりするおそれがある。一方、活性放射線硬化性樹脂モノマーを用いる場合は、このようなおそれがなく、重合反応が生じることによって強誘電性液晶の配列が害されることが少ないからである。
活性放射線硬化性樹脂モノマーとしては、電子線の照射により重合反応を生じる電子線硬化性樹脂モノマー、および光照射により重合反応を生じる光硬化性樹脂モノマーを挙げることができる。中でも、光硬化性樹脂モノマーを用いることが好ましい。光硬化性樹脂モノマーを用いることにより、製造工程を簡略化できるからである。
光硬化性樹脂モノマーとしては、波長が１５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の光を照射することにより、重合反応を生じるものであれば特に限定されるものではない。中でも波長が２５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲内、特に３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内の光を照射することにより重合反応を生じる紫外線硬化性樹脂モノマーを用いることが好ましい。照射装置の容易性等の面において利点を有するからである。
紫外線硬化性樹脂モノマーが有する重合性官能基は、上記波長領域の紫外線照射により、重合反応を生じるものであれば特に限定されるものではない。特に、アクリレート基を有する紫外線硬化型樹脂モノマーを用いることが好ましい。
また、紫外線硬化性樹脂モノマーは、一分子中に一つの重合性官能基を有する単官能性モノマーであってもよく、また、一分子中に二つ以上の重合性官能基を有する多官能性モノマーであってもよい。中でも、多官能性モノマーを用いることが好ましい。多官能性モノマーを用いることにより、より強いポリマーネットワークを形成することができるため、分子間力および配向膜界面におけるポリマーネットワークを強化することができる。これにより、温度変化による強誘電性液晶の配列の乱れを抑制することができる。
多官能性モノマーの中でも、分子の両末端に重合性官能基を有する２官能性モノマーが好ましく用いられる。分子の両端に重合性官能基を有することにより、ポリマー同士の間隔が広いポリマーネットワークを形成することができ、重合性モノマーの重合物を含むことによる強誘電性液晶の駆動電圧の低下を防止できるからである。
また、紫外線硬化性樹脂モノマーの中でも、液晶性を発現する紫外線硬化性液晶モノマーを用いることが好ましい。このような紫外線硬化性液晶モノマーが好ましい理由は次の通りである。すなわち、紫外線硬化性液晶モノマーは液晶性を示すことから、配向膜の配向規制力により規則的に配列することができる。このため、紫外線硬化性液晶モノマーを、規則的に配列した後に重合反応を生じさせることにより、規則的な配列状態を維持したまま固定化することができる。このような規則的な配列状態を有する重合物が存在することにより、強誘電性液晶の配向安定性を向上させることができ、優れた耐熱性および耐衝撃性を得ることができる。
紫外線硬化性液晶モノマーが示す液晶相としては、特に限定されるものではなく、例えば、Ｎ相、ＳｍＡ相、ＳｍＣ相を挙げることができる。
本発明に用いられる紫外線硬化性液晶モノマーとしては、例えば、下記式(20)、(21)、(23)に示す化合物を挙げることができる。
Figure 2009036861
上記式(20)、(21)において、Ａ、Ｂ、Ｄ、ＥおよびＦはベンゼン、シクロヘキサンまたはピリミジンを表し、これらはハロゲン等の置換基を有していてもよい。また、ＡおよびＢ、あるいはＤおよびＥは、アセチレン基、メチレン基、エステル基等の結合基を介して結合していてもよい。Ｍ１およびＭ２は、水素原子、炭素数３〜９のアルキル基、炭素数３〜９のアルコキシカルボニル基、またはシアノ基のいずれであってもよい。さらに、分子鎖末端のアクリロイルオキシ基とＡまたはＤとは、炭素数３〜６のアルキレン基等の結合基を介して結合していてもよい。
また、上記式(23)おいて、Ｙは、水素、炭素数１〜２０のアルキル、炭素数１〜２０のアルケニル、炭素数１〜２０のアルキルオキシ、炭素数１〜２０のアルキルオキシカルボニル、ホルミル、炭素数１〜２０のアルキルカルボニル、炭素数１〜２０のアルキルカルボニルオキシ、ハロゲン、シアノまたはニトロを表す。
上記の中でも、好適に用いられるものとして、下記式の化合物を例示することができる。
Figure 2009036861
Figure 2009036861
Figure 2009036861
また、上記重合性モノマーは、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。２種以上の異なる重合性モノマーを用いる場合には、例えば、上記式で示される紫外線硬化性液晶モノマーと他の紫外線硬化性樹脂モノマーとを用いることができる。
重合性モノマーとして紫外線硬化性液晶モノマーを用いた場合、重合性モノマーの重合物としては、主鎖に液晶性を示す原子団を有することにより主鎖が液晶性を示す主鎖液晶型重合物であってもよく、側鎖に液晶性を示す原子団を有することにより側鎖が液晶性を示す側鎖液晶型重合物であってもよい。中でも、重合性モノマーの重合物が側鎖液晶型重合物であることが好ましい。液晶性を示す原子団が側鎖に存在することにより、この原子団の自由度が高くなるため、液晶性を示す原子団が配向しやすくなるからである。また、その結果として強誘電性液晶の配向安定性を向上させることができるからである。
液晶層中における重合性モノマーの重合物の存在量は、強誘電性液晶の配列安定性を所望の程度にできる範囲内であれば特に限定されないが、通常、液晶層中に０．５質量％〜３０質量％の範囲内が好ましく、より好ましくは１質量％〜２０質量％、さらに好ましくは１質量％〜１０質量％の範囲内である。上記範囲よりも多いと、駆動電圧の増加や、応答速度の低下を生じる場合があるからである。また、上記範囲よりも少ないと強誘電性液晶の配列安定性が不十分となり、液晶表示素子の耐熱性や耐衝撃性を損なってしまう可能性があるからである。
ここで、液晶層中における重合性モノマーの重合物の存在量は、液晶層中の単分子液晶を溶剤で洗い流した後、残存する重合性モノマーの重合物の重量を電子天秤で測量することによって求めた残存量と、上記液晶層の総質量とから算出することができる。
強誘電性液晶で構成される液晶層の厚みは、１．２μｍ〜３．０μｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくは１．３μｍ〜２．５μｍ、さらに好ましくは１．４μｍ〜２．０μｍの範囲内である。液晶層の厚みが薄すぎるとコントラストが低下するおそれがあり、逆に液晶層の厚みが厚すぎると強誘電性液晶が配向しにくくなる可能性があるからである。
液晶層の形成方法としては、一般に液晶セルの作製方法として用いられる方法を使用することができる。例えば、真空注入方式、液晶滴下方式等を用いることができる。
真空注入方式では、あらかじめ第１配向処理基板および第２配向処理基板を用いて作製した液晶セルに、強誘電性液晶を加温することにより等方性液体とし、キャピラリー効果を利用して注入し、接着剤で封鎖することにより液晶層を形成することができる。この際、液晶層の厚みは、ビーズなどのスペーサにより調整することができる。
また液晶滴下方式では、第２配向処理基板の第２配向層上に、インクジェット法により強誘電性液晶を等方性液体の状態で吐出する。また、第１配向処理基板の周囲にシール剤を塗布する。次いで、第１配向処理基板および第２配向処理基板を、強誘電性液晶がネマチック相または等方相を示す温度まで加熱し、第１配向層および第２配向層の配向処理方向が略平行になるように対向させ、減圧下で重ね合わせて、シール剤を介して接着させる。これにより液晶層を形成することができる。
４．偏光板
本実施態様においては、第１配向処理基板および第２配向処理基板の外側に偏光板がそれぞれ設けられていてもよい。これにより、入射光が直線偏光となり、液晶分子の配向方向に偏光した光のみを透過させることができる。通常、各偏光板は、偏光軸が９０°ねじれて配置される。これにより、電圧無印加状態と電圧印加状態とにおける液晶分子の光軸の方向や複屈折率の大きさを制御し、液晶分子を白黒シャッターとして用いることにより、明状態と暗状態とをつくることができる。例えば、電圧無印加状態では、第１配向処理基板側の偏光板の偏光軸を液晶分子の配向方向（第１配向層の配向処理方向）と揃うように設置することにより、第１配向処理基板側の偏光板を透過した偏光は方向を９０°回転することができず、第２配向処理基板側の偏光板により遮断され、暗状態となる。これに対し、電圧印加状態では、液晶分子の配向方向が各偏光板の偏光軸に対し角度θ（望ましくはθ＝４５°）を持つようになるので、液晶分子により偏光の方向が回転して、偏光が第２配向処理基板側の偏光板を透過し、明状態となる。このように本発明の液晶表示素子は、強誘電性液晶を白黒シャッターとして用いるものであるので、応答速度を速くすることができるという利点を有する。そして、印加電圧により透過光量を制御することにより階調表示が可能となる。
本実施態様に用いられる偏光板は、光の波動のうち特定方向のみを透過させるものであれば特に限定されるものではなく、一般に液晶表示素子の偏光板として用いられているものを使用することができる。
５．液晶表示素子の駆動方法
本実施態様の液晶表示素子は、強誘電性液晶の高速応答性を利用することができるので、１画素を時間分割し、良好な動画表示特性を得るために高速応答性を特に必要とするフィールドシーケンシャルカラー方式による駆動が適している。
また、本発明の液晶表示素子の駆動方法は、フィールドシーケンシャル方式に限定されるものではなく、カラーフィルタ方式によりカラー表示を行ってもよい。
本実施態様の液晶表示素子は、強誘電性液晶が単安定性を示すので、ＴＦＴを用いたアクティブマトリックス方式により駆動させることが好ましい。ＴＦＴ素子を用いたアクティブマトリックス方式を採用することにより、目的の画素を確実に点灯、消灯できるため高品質なディスプレイが可能となるからである。さらに、電圧変調により階調制御が可能になる。
ＴＦＴを用いたアクティブマトリックス方式の場合、第１配向処理基板および第２配向処理基板のいずれが、ＴＦＴ基板であってもよく、共通電極基板であってもよい。
図２０にＴＦＴを用いたアクティブマトリックス方式の液晶表示素子の一例を示す斜視図を示す。図２０に例示するように、液晶表示素子１は、第１基材２上に共通電極（第１電極層３）が形成された共通電極基板（第１配向処理基板５）と、第２基材１２上にＴＦＴ素子６１がマトリックス状に配置され、ゲート電極６２ｘ、ソース電極６２ｙおよび画素電極６３が形成されたＴＦＴ基板（第２配向処理基板１５）とを有している。ゲート電極６２ｘおよびソース電極６２ｙはそれぞれ縦横に配列しており、ゲート電極６２ｘおよびソース電極６２ｙに信号を加えることによりＴＦＴ素子６１を作動させ、強誘電性液晶を駆動させることができる。ゲート電極６２ｘおよびソース電極６２ｙが交差した部分は、図示しないが絶縁層で絶縁されており、ゲート電極６２ｘおよびソース電極６２ｙの信号とは独立に動作することができる。ゲート電極６２ｘおよびソース電極６２ｙにより囲まれた部分は、液晶表示素子を駆動する最小単位である画素であり、各画素には少なくとも１つ以上のＴＦＴ素子６１および画素電極６３が形成されている。そして、ゲート電極およびソース電極に順次信号電圧を加えることにより、各画素のＴＦＴ素子を動作させることができる。なお、図２０において、液晶層、第１配向層および第２配向層は省略されている。
また、本実施態様の液晶表示素子はセグメント方式による駆動も可能である。
６．液晶表示素子の製造方法
本実施態様の液晶表示素子は、液晶表示素子の製造方法として一般に用いられる方法により製造することができる。例えば、真空注入方式、液晶滴下方式等を用いることができる。
以下、本実施態様の液晶表示素子の製造方法の一例として、ＴＦＴ素子を用いたアクティブマトリックス方式の液晶表示素子の製造方法について説明する。
真空注入方式では、まず、第１基材上に、ゲート電極およびソース電極をマトリックス状に形成し、さらにＴＦＴ素子および画素電極を設置する。次いで、ゲート電極、ソース電極、ＴＦＴ素子および画素電極上にポリイミドを印刷し、ラビング処理を施してラビング膜を形成する。このようにして得られる基板を第１配向処理基板とする。
次に、第２基材上に真空蒸着法により透明導電膜を成膜し、全面共通電極とする。次いで、共通電極層上に、フォトリソグラフィー法により隔壁をパターン状に形成する。次いで、隔壁で画定される所定の領域に、インクジェット法により光異性化型材料を塗布し、光配向処理を施して、光異性化型材料を含有する光配向膜をパターン状に形成する。次いで、隔壁で画定される所定の領域に、インクジェット法により光二量化型材料を塗布し、光配向処理を施して、光二量化型材料を含有する光配向膜をパターン状に形成する。これにより、光異性化型材料を含有する光配向膜からなる第１配向パターンと、光二量化型材料を含有する光配向膜からなる第２配向パターンとを有する第２配向層が得られる。このようにして得られる基板を第２配向処理基板とする。
次いで、一方の基板の周囲にシール剤を塗布し、第１配向処理基板および第２配向処理基板を、第１配向層および第２配向層の配向処理方向が略平行になるように対向させ、貼り合わせ、熱圧着させる。そして、注入口からキャピラリー効果を利用して強誘電性液晶を等方性液体の状態で注入し、注入口を紫外線硬化樹脂等により封鎖する。その後、強誘電性液晶を徐冷することにより配向させる。
また、液晶滴下方式では、まず、第１基材上に、ゲート電極およびソース電極をマトリックス状に形成し、さらにＴＦＴ素子および画素電極を設置する。次いで、ゲート電極、ソース電極、ＴＦＴ素子および画素電極上にポリイミドを印刷し、ラビング処理を施してラビング膜を形成する。このようにして得られる基板を第１配向処理基板とする。
次に、第２基材上に真空蒸着法により透明導電膜を成膜し、全面共通電極とする。次いで、共通電極層上に、フォトリソグラフィー法により隔壁をパターン状に形成する。次いで、隔壁で画定される所定の領域に、インクジェット法により光異性化型材料を塗布し、光配向処理を施して、光異性化型材料を含有する光配向膜をパターン状に形成する。次いで、隔壁で画定される所定の領域に、インクジェット法により光二量化型材料を塗布し、光配向処理を施して、光二量化型材料を含有する光配向膜をパターン状に形成する。これにより、光異性化型材料を含有する光配向膜からなる第１配向パターンと、光二量化型材料を含有する光配向膜からなる第２配向パターンとを有する第２配向層が得られる。このようにして得られる基板を第２配向処理基板とする。
次に、第１配向処理基板を強誘電性液晶が等方相になる温度まで加熱し、この第１配向処理基板の第１配向層上に、インクジェット装置を用いて強誘電性液晶を等方性液体の状態で塗布する。次いで、第１配向処理基板および第２配向処理基板を、第１配向層および第２配向層の配向処理方向が略平行になるように対向させ、減圧下で重ね合わせて、シール剤を介して接着させる。
その後、液晶セルを常温まで徐冷することにより、封入された強誘電性液晶を配向させる。
強誘電性液晶を配向させる際、強誘電性液晶に重合性モノマーが添加されている場合には、強誘電性液晶を配向させた後、重合性モノマーを重合させる。重合性モノマーの重合方法としては、重合性モノマーの種類に応じて適宜選択され、例えば、重合性モノマーとして紫外線硬化性樹脂モノマーを用いた場合は、紫外線照射により重合性モノマーを重合させることができる。
また、重合性モノマーを重合させる際には、強誘電性液晶で構成される液晶層に電圧を印加してもよく電圧を印加しなくてもよいが、中でも、液晶層に電圧を印加しない状態で重合性モノマーを重合させることが好ましい。
II．第２実施態様
次に、本発明の液晶表示素子の第２実施態様について説明する。
本実施態様の液晶表示素子は、第１基材と、上記第１基材上に形成された第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と、上記第２基材上に形成された第２電極層と、上記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板を、上記第１配向層の第１配向パターンおよび上記第２配向層の第２配向パターンが対向し、上記第１配向層の第２配向パターンおよび上記第２配向層の第１配向パターンが対向するように配置し、上記第１配向層および上記第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、上記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、上記第１配向パターンがラビング膜からなるパターンであり、上記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と、上記反応性液晶用配向膜上に形成され、反応性液晶を固定化してなる反応性液晶層とからなるパターン、光二量化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光異性化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかであることを特徴とするものである。
本実施態様の液晶表示素子について図面を参照しながら説明する。
図２１および図２２は、本実施態様の液晶表示素子の一例を示す断面図である。
図２１に例示する液晶表示素子１においては、第１基材２上に第１電極層３および第１配向層４が形成された第１配向処理基板５と、第２基材１２上に第２電極層１３および第２配向層１４が形成された第２配向処理基板１５とが対向しており、第１配向処理基板５の第１配向層４と第２配向処理基板１５の第２配向層１４との間には強誘電性液晶が挟持され、液晶層１０が構成されている。第１配向層４は、第１配向パターン４ａおよび第２配向パターン４ｂからなり、この第１配向パターン４ａおよび第２配向パターン４ｂ間には絶縁部２８が形成されている。また、第２配向層１４は、第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂからなり、この第１配向パターン１４ａおよび第２配向パターン１４ｂ間にも絶縁部２８が形成されている。第１配向パターン４ａ，１４ａはラビング膜からなるパターンであり、第２配向パターン４ｂ，１４ｂは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである。さらに、第１配向層４の第１配向パターン４ａと第２配向層１４の第２配向パターン１４ｂとが対向し、第１配向層４の第２配向パターン４ｂと第２配向層１４の第１配向パターン１４ａとが対向している。
また、図２２に例示する液晶表示素子１においては、第１配向パターン４ａ，１４ａはラビング膜からなるパターンであり、第２配向パターン４ｂ，１４ｂは反応性液晶用配向膜１７と反応性液晶層１８とからなるパターンである。第１配向処理基板５では、第１電極層３上に隔壁１６が形成され、この隔壁１６上に第１配向パターン４ａおよび反応性液晶用配向膜１７が連続して形成され、反応性液晶用配向膜１７上に反応性液晶層１８が形成されている。また、第２配向処理基板１５では、第２電極層１３上に第１配向パターン１４ａおよび反応性液晶用配向膜１７が連続して形成され、反応性液晶用配向膜１７上に反応性液晶層１８が形成されている。なお、他の構成は、図２１に示す液晶表示素子と同様である。
強誘電性液晶は自発分極を有するので、強誘電性液晶と第１配向層表面および第２配向層表面との相互作用としての極性効果によって自発分極の向きが決まる。
本実施態様においては、第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンと、第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンとの間に、強誘電性液晶が挟持されている。
図２１に示す例においては、第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向層の第１配向パターンがラビング膜からなるパターンであり、第１配向層の第２配向パターンおよび第２配向層の第２配向パターンが、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであるので、それぞれの構成材料に応じて、第１配向パターンと第２配向パターンとを異なる極性を有するものとすることができる。
また、図２２に示す例においては、第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向層の第１配向パターンがラビング膜からなるパターンであり、第１配向層の第２配向パターンおよび第２配向層の第２配向パターンが反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターンであるので、それぞれの構成材料に応じて、第１配向パターンと第２配向パターンとを異なる極性を有するものとすることができる。
これにより、強誘電性液晶と第１配向パターンとの極性表面相互作用、および、強誘電性液晶と第２配向パターンとの極性表面相互作用が異なるものとなる。
上述したように、光二量化型材料を含有する光配向膜および反応性液晶層は、ラビング膜に比べて相対的に正極性が強い傾向にあると考えられる。そのため、第２配向パターンが光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである場合には、電圧無印加状態において、第１配向パターン（ラビング膜）と第２配向パターン（光二量化型材料を含有する光配向膜）とでは、光二量化型材料を含有する光配向膜側が正極性、ラビング膜側が負極性となると想定される。また、第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターンである場合には、電圧無印加状態において、第１配向パターン（ラビング膜）と第２配向パターン（反応性液晶用配向膜および反応性液晶層）とでは、反応性液晶層側が正極性、ラビング膜側が負極性となると想定される。したがって、これらの場合には、自発分極の正極を第１配向パターン（ラビング膜）側に向かせることができる。
すなわち、図２３に例示するように、第１配向層の第１配向パターン４ａが設けられている領域２３では、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）を第１配向層の第１配向パターン４ａ側に向かせることができる。一方、第１配向層の第２配向パターン４ｂが設けられている領域２４では、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）を第２配向層の第１配向パターン１４ａ側に向かせることができる。
また、上述したように、ラビング膜は、光異性化型材料を含有する光配向膜に比べて相対的に正極性が強い傾向にあると考えられる。そのため、第２配向パターンが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである場合には、電圧無印加状態において、第１配向パターン（ラビング膜）と第２配向パターン（光異性化型材料を含有する光配向膜）とでは、ラビング膜側が正極性、光異性化型材料を含有する光配向膜側が負極性となると想定される。したがって、自発分極の正極を第２配向パターン（光異性化型材料を含有する光配向膜）側に向かせることができる。
すなわち、図２４に例示するように、第１配向層の第１配向パターン４ａが設けられている領域２３では、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）を第２配向層の第２配向パターン１４ｂ側に向かせることができる。一方、第１配向層の第２配向パターン４ｂが設けられている領域２４では、液晶分子ＬＣの自発分極Ｐｓの正極（＋）を第１配向層の第２配向パターン４ｂ側に向かせることができる。
このように第１配向パターンおよび第２配向パターンの表面極性を考慮して、第１配向パターンおよび第２配向パターンを所定の組み合わせとすることにより、自発分極の向きを制御することができる。これにより、第１配向層の第１配向パターンまたは第２配向パターンが設けられている領域毎に自発分極の向きを反転させることができ、極性反転駆動が可能となる。
また、強誘電性液晶においては、液晶分子の方向と、自発分極の向きと、層法線の方向とは、所定の関係にあるので、液晶分子の方向および自発分極の向きにより、層法線の方向が決まる。したがって、第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンがそれぞれ設けられている領域では、自発分極の向きを一定の方向に揃えることにより、配向欠陥の発生を抑制し、モノドメイン配向を得ることができる。
さらに、第１配向パターンにラビング膜を用いることにより、ジグザグ欠陥やヘアピン欠陥の発生を効果的に抑制することが可能である。
以下、本実施態様の液晶表示素子における各構成について説明する。なお、偏光板、液晶表示素子の駆動方法、および液晶表示素子の製造方法については、上記第１実施態様と同様であるので、ここでの説明は省略する。
１．第１配向処理基板
本実施態様における第１配向処理基板は、第１基材と、上記第１基材上に形成された第１電極層と、上記第１電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第１配向層とを有するものである。第１配向パターンは、ラビング膜からなるパターンであり、第２配向パターンは、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターン、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかである。
なお、第１基材、第１電極層、ラビング膜、反応性液晶用配向膜、反応性液晶層、光二量化型材料を含有する光配向膜、光異性化型材料を含有する光配向膜、第１配向パターンおよび第２配向パターンの形状、ならびに、第１配向パターンおよび第２配向パターンの形成方法等については、上記第１実施態様に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
第１配向処理基板においては、第１電極層と第１配向層との間に濡れ性変化層が形成され、この濡れ性変化層表面に、撥液性領域および親液性領域からなる濡れ性変化パターンが形成されていてもよい。この場合、親液性領域上にのみ第１配向層が形成される。
なお、濡れ性変化層については、上記第１実施態様に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
第１電極層と第１配向層との間、および、第２電極層と第２配向層との間に、濡れ性変化層がそれぞれ形成されている場合には、第１配向処理基板の第１基材と濡れ性変化層との間、および、第２配向処理基板の第２基材と濡れ性変化層との間の少なくともいずれか一方に、パターン状の遮光部が形成され、第１配向処理基板および第２配向処理基板の濡れ性変化層の撥液性領域が遮光部が設けられている領域に配置されていることが好ましい。これにより、撥液性領域での強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
上記遮光部は、第１配向処理基板または第２配向処理基板のいずれか一方に設けられていてもよく、第１配向処理基板および第２配向処理基板の両方に設けられていてもよい。
また、第１配向処理基板においては、第１配向パターンおよび第２配向パターンの間に絶縁部が形成され、この絶縁部表面が撥液性領域、絶縁部の開口部内の層表面が親液性領域となっていてもよい。この場合、親液性領域上にのみ第１配向層が形成される。
なお、絶縁部については、上記第１実施態様に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間、ならびに、第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間に絶縁部がそれぞれ形成されている場合には、第１配向処理基板の絶縁部および第２配向処理基板の絶縁部の少なくともいずれか一方が遮光部であることが好ましい。これにより、上述したように、撥液性領域での強誘電性液晶の配向乱れによる光漏れを防ぐことができるからである。
上記絶縁部は、第１配向処理基板または第２配向処理基板のいずれか一方に設けられていてもよく、第１配向処理基板および第２配向処理基板の両方に設けられていてもよい。
さらに、第１配向処理基板においては、第１配向パターンおよび第２配向パターンの間に隔壁が形成されていてもよい。
なお、隔壁については、上記第１実施態様に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
上記隔壁は、第１配向処理基板または第２配向処理基板のいずれかに形成される。
また、第１配向処理基板においては、第１基材と第１電極層との間に着色層が形成されていてもよい。
なお、着色層については、上記第１実施態様に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
２．第２配向処理基板
本実施態様における第２配向処理基板は、第２基材と、上記第２基材上に形成された第２電極層と、上記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有するものである。第１配向パターンは、ラビング膜からなるパターンであり、第２配向パターンは、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターン、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかである。
なお、第２配向処理基板の各構成については、上記第１配向処理基板と同様であるので、ここでの説明は省略する。
３．液晶層
本実施態様における液晶層は、第１配向処理基板の第１配向層および第２配向処理基板の第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持させることにより構成されている。
本実施態様において、第２配向パターンが、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターンである場合、強誘電性液晶は、第２配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して平行に強誘電性液晶のチルト角の約２倍変化するものであることが好ましい。
上述したように、電圧無印加状態では、極性表面相互作用によって、液晶分子の自発分極の正極が第１配向パターン側（ラビング膜側）を向く傾向にある。そして、第１配向パターン側（ラビング膜側）の電極が正極、第２配向パターン側（光二量化型材料を含有する光配向膜あるいは反応性液晶層側）の電極が負極となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響により、液晶分子の自発分極の正極は第２配向パターン側（光二量化型材料を含有する光配向膜あるいは反応性液晶層側）を向くようになる。次いで、第１配向パターン側（ラビング膜側）の電極が負極、第２配向パターン側（光二量化型材料を含有する光配向膜あるいは反応性液晶層側）の電極が正極となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響によって、液晶分子の自発分極の正極は第１配向パターン側（ラビング膜側）を向くようになる。この場合、自発分極の向きは、電圧無印加状態と同様になる。
電圧無印加状態あるいは第２配向パターン側の電極への正極性の電圧印加状態から、第２配向パターン側の電極への負極性の電圧印加状態としたとき、この印加電圧の負極性と、液晶分子の自発分極の負極性との反発によって、図１７に例示するように、液晶分子ＬＣが角度約２θ回転する。すなわち、第２配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が、第１配向処理基板面に対して平行に、強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する。
第２配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化するものは７０％以上存在することが好ましく、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、最も好ましくは９５％以上である。
なお、上記の比率の測定方法については、上記第１実施態様に記載したので、ここでの説明は省略する。
また、第２配向パターンが、光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、反応性液晶用配向膜と反応性液晶層とからなるパターンである場合に、「第２配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」ことについては、上記第１実施態様において、第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域にて、「第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」ことと同様に考えればよいので、ここでの説明は省略する。
一方、本実施態様において、第２配向パターンが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである場合、強誘電性液晶は、第１配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して平行に強誘電性液晶のチルト角の約２倍変化するものであることが好ましい。
上述したように、電圧無印加状態では、極性表面相互作用によって、液晶分子の自発分極の正極が第２配向パターン側（光異性化型材料を含有する光配向膜側）を向く傾向にある。そして、第１配向パターン側（ラビング膜側）の電極が負極、第２配向パターン側（光異性化型材料を含有する光配向膜側）の電極が正極となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響により、液晶分子の自発分極の正極は第１配向パターン側（ラビング膜側）を向くようになる。次いで、第１配向パターン側（ラビング膜側）の電極が正極、第２配向パターン側（光異性化型材料を含有する光配向膜側）の電極が負極となるように電圧を印加すると、印加電圧の極性の影響によって、液晶分子の自発分極の正極は第２配向パターン側（光異性化型材料を含有する光配向膜側）を向くようになる。この場合、自発分極の向きは、電圧無印加状態と同様になる。
電圧無印加状態あるいは第１配向パターン側の電極への正極性の電圧印加状態から、第１配向パターン側の電極への負極性の電圧印加状態としたとき、この印加電圧の負極性と、液晶分子の自発分極の負極性との反発によって、図１７に例示するように、液晶分子ＬＣが角度約２θ回転する。すなわち、第１配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が、第１配向処理基板面に対して平行に、強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する。
第１配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子方向がチルト角の約２倍変化するものは７０％以上存在することが好ましく、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上、最も好ましくは９５％以上である。
なお、上記の比率の測定方法については、上記第１実施態様に記載したので、ここでの説明は省略する。
また、第２配向パターンが光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンである場合に、「第１配向パターン側の電極が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」ことについては、上記第１実施態様において、第２配向層の第１配向パターンが設けられている領域にて、「第２電極層が負極となるように電圧を印加したときに、強誘電性液晶の分子方向が第１配向処理基板面に対して強誘電性液晶のチルト角θの約２倍変化する」ことと同様に考えればよいので、ここでの説明は省略する。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１］
（第１配向処理基板の作製）
電極が形成された無アルカリガラス基板上にポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。
（第２配向処理基板の作製）
電極が形成された無アルカリガラス基板上に光異性化型材料(DIC社製、商品名：LIA01)の溶液を回転数１５００ｒｐｍで１５秒スピンコートし、１００℃のホットプレート上で１分間乾燥させた。次いで、この配向膜上に、反応性液晶材料（Rolic technologies 社製、商品名：ROF5101）の５質量％シクロペンタノン溶液を回転数１５００ｒｐｍで１５秒間スピンコートし、６０℃のホットプレート上で１分間乾燥させた。続いて、得られた反応性液晶膜に、窒素雰囲気下で、マスクを介して紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ２照射し、反応性液晶材料を硬化させた。その後、未硬化の反応性液晶材料を、ＭＥＫで約２秒間洗い流した後、ＩＰＡ、水を順に用いて３０秒間ずつ洗浄を行った。これにより、配向膜上に、２００μｍ幅のストライプ状の反応性液晶層を２００μｍ幅の間隔をあけて形成した。これにより、第２配向処理基板を得た。
（液晶表示素子の作製）
一方の配向処理基板に１．５μｍのビーズスペーサを散布し、他方の配向処理基板にシール剤をシールディスペンサーで塗布した。次いで、両基板を、それぞれの配向処理方向が平行になるように対向させ、熱圧着を行い、空の液晶セルを作製した。
次に、強誘電性液晶(商品名：R2301、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、注入口上部に強誘電性液晶を付着させ、オーブンを用いて、Ｎ相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行い、ゆっくりと常温に戻した。
得られた液晶セルを、クロスニコルに配置した２枚の偏光板の間に、配向処理方向と一方の偏光板の偏光軸とが一致するように配置した。パルスジェネレーターを用いて、両電極間に、±５Ｖ矩形の電圧を周波数１Ｈｚで印加したところ、第２配向処理基板の、配向膜および反応性液晶層が積層されている領域と、配向膜のみが形成されている領域とで、交互に光が透過するのを観察できた。
また、偏光顕微鏡と、フォトダイオードおよびパルスジェネレーターからなる測定装置とを用いて、±５Ｖの電圧を印加したときの光学応答を測定したところ、配向膜および反応性液晶層が積層されている領域側の電極に負極性の電圧を印加したときに透過率が変化することが観測された。さらに、このとき、液晶分子の方向がチルト角の２倍変化するのが測定された。
この場合の液晶配向については、ジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥の発生は見られなかった。
［比較例１］
実施例１において、ラビング膜の代わりに、光二量化型材料を含有する光配向膜を用いた以外は、実施例１と同様にして液晶セルを作製した。
得られた液晶セルを、クロスニコルに配置した２枚の偏光板の間に、配向処理方向と一方の偏光板の偏光軸とが一致するように配置した。パルスジェネレーターを用いて、両電極間に、±５Ｖ矩形の電圧を周波数１Ｈｚで印加したところ、実施例１と同様に、第２配向処理基板の、配向膜および反応性液晶層が積層されている領域と、配向膜のみが形成されている領域とで、交互に光が透過するのを観察できた。
また、偏光顕微鏡と、フォトダイオードおよびパルスジェネレーターからなる測定装置とを用いて、±５Ｖの電圧を印加したときの光学応答を測定したところ、実施例１と同様に、配向膜および反応性液晶層が積層されている領域側の電極に負極性の電圧を印加したときに透過率が変化することが観測された。さらに、このとき、液晶分子の方向がチルト角の２倍変化するのが測定された。
しかしながら、この場合の液晶配向については、液晶のテクスチャにジグザグ欠陥が発生し、コントラストが１０３低下した。
［実施例２］
（第１配向処理基板の作製）
電極が形成された無アルカリガラス基板上にポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。
（第２配向処理基板の作製）
イソプロピルアルコール ３ｇ、オルガノシラン（TSL8113、東芝シリコーン社製）０．４ｇ、フルオロアルキルシラン（MF-160E、トーケムプロダクツ社製）０．０４ｇ、および光触媒無機コーティング剤（ST-K01、石原産業社製）１．５ｇを混合し、攪拌しながら２０分間、１００℃で加温した。この溶液をスピンコーティング法により、ＩＴＯ透明電極が形成された無アルカリガラス基板上に塗布し、その基板を１５０℃の温度で１０分間乾燥することにより、加水分解、重縮合反応を進行させ、光触媒がオルガノポリシロキサン中に強固に固定された膜厚０．２μｍの濡れ性変化層を得た。
次に、この濡れ性変化層に対し、ネガ型フォトマスクのパターン面を重ねて配置し、フォトマスク側から水銀ランプ（波長３６５ｎｍ）により３００ｍＷ／ｃｍ2の照度で９００秒間紫外線露光を行い、濡れ性変化パターンを形成した。濡れ性変化パターンは、２０μｍ幅のストライプ状の撥液性領域と、１８０μｍ幅のストライプ状の親液性領域とが交互に形成されたものであった。
次に、濡れ性変化層の親液性領域の奇数番目に、インクジェット装置(Dimatix社製、Dimatix SE-128)を用いて、光異性化型材料（DIC社製、商品名：LIA01）の溶液をパターン状に塗布した。この溶液は親液性領域のみに濡れ広がり、１００℃で１分間乾燥させ、ストライプ状の第１パターンを得た。続いて、この第１パターンに、直線偏光紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向に垂直になるように照射して配向処理を行った。次に、濡れ性変化層の親液性領域の偶数番目に、上記インクジェット装置を用いて、光二量化型材料（Rolic technologies 社製、商品名：ROP103）の２質量％シクロペンタノン溶液をパターン状に塗布し、１３０℃で１５分間乾燥させ、ストライプ状の第２パターンを得た。この第２パターンに、直線偏光紫外線を約１００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向と一致するように照射して配向処理を行った。このようにして第１配向パターンおよび第２配向パターンを得た。これにより第２配向処理基板を作製した。
（液晶表示素子の作製）
一方の配向処理基板に１．５μｍのビーズスペーサを散布し、他方の配向処理基板にシール剤をシールディスペンサーで塗布した。次いで、両基板を、それぞれの配向処理方向が平行になるように対向させ、熱圧着を行い、空の液晶セルを作製した。
次に、強誘電性液晶(商品名：R2301、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、注入口上部に強誘電性液晶を付着させ、オーブンを用いて、Ｎ相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行い、ゆっくりと常温に戻した。
得られた液晶セルを、クロスニコルに配置した２枚の偏光板の間に、配向処理方向と一方の偏光板の偏光軸とが一致するように配置した。パルスジェネレーターを用いて、両電極間に、±５Ｖ矩形の電圧を周波数１Ｈｚで印加したところ、第２配向処理基板の、光異性化型材料を用いた第１配向パターンが形成されている領域と、光二量化型材料を用いた第２配向パターンが形成されている領域とで、交互に光が透過するのを観察できた。
また、偏光顕微鏡と、フォトダイオードおよびパルスジェネレーターからなる測定装置とを用いて、±５Ｖの電圧を印加したときの光学応答を測定したところ、光二量化型材料を用いた第２配向パターンが形成されている領域側の電極に負極性の電圧を印加したときに透過率が変化することが観測された。さらに、このとき、液晶分子の方向がチルト角の２倍変化するのが測定された。
この場合の液晶配向については、ジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥の発生は見られなかった。
［実施例３］
(第１配向処理基板の作製)
電極が形成された無アルカリガラス基板上にポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。
（第２配向処理基板の作製）
下記組成の混合物を９０℃に加熱して溶解し、１２０００ｒｐｍで遠心分離を行い、その後、１μｍのグラスフィルタでろ過した。得られた水性着色樹脂溶液に、架橋剤として重クロム酸アンモニウムを１質量％添加して、遮光部形成用塗工液を調製した。
＜水性着色樹脂溶液の組成＞
・カーボンブラック（三菱化学（株）製、＃９５０） ４重量部
・ポリビニルアルコール（日本合成化学（株）製、ゴーセノールＡＨ−２６） ０．７重量部
・イオン交換水 ９５．３重量部
得られた遮光部形成用塗工液を用いて、次のように遮光部をパターン状に形成し、評価を行った。まず、上記遮光部形成用塗工液をスピンコーターにてＩＴＯ透明電極が形成された無アルカリガラス基板上に塗布し、ホットプレート上で８０℃、１分間乾燥した。乾燥後の遮光膜の膜厚を触針式膜厚計（α−ステップ、テンコール社製）で測定したところ１μｍであった。次に、この遮光膜をマスクを介して水銀ランプで像露光した。続いて、温度２５℃、濃度０．０５％の水酸化カリウムおよび濃度０．１％のノニオン系界面活性剤（エマルゲンA-60、花王社製）を含有する現像液に浸漬現像した。その後、６０℃、３分間の乾燥を行い、水銀ランプで露光することにより、塗布した遮光部形成用塗工液を硬化させ、さらに１５０℃、３０分間の加熱処理を施して、遮光部を形成した。遮光部のパターンは、遮光部幅２０μｍ、開口部幅１８０μｍのライン＆スペースのパターンであった。
次に、下記条件にて、遮光部が形成された基板に大気圧プラズマを２回照射した。これにより、遮光部表面にフッ素が導入された。大気圧プラズマ照射前の遮光部表面の表面張力４０ｍＮ／ｍの液体との接触角は２０°であったが、大気圧プラズマ照射後の遮光部表面の表面張力４０ｍＮ／ｍの液体との接触角は７０°となった。この液体との接触角は、接触角測定器（協和界面科学（株）製、ＣＡ−Ｚ型）を用いて測定（マイクロシリンジから液滴を滴下して３０秒後）した。
＜大気圧プラズマ照射条件＞
・導入ガス ：ＣＦ4…１２（ｌ／ｍｉｎ）；Ｎ2…２０（ｌ／ｍｉｎ）
・電極と基板の間隔 ：２ｍｍ
・電源出力 ：１９０Ｖ−４．８Ａ
・搬送速度 ：０．５ｍ／ｍｉｎ
次に、プラズマ照射された遮光部が形成された基板に、ガラス基板側から超高圧水銀ランプ（照度３０ｍＷ／ｃｍ2）でエネルギー照射を１２００秒行い、遮光部に区画された開口部の不純物を除去した。これにより、開口部では、表面張力４０ｍＮ／ｍの液体との接触角が１０°以下となった。この液体との接触角は、上述した方法により測定した。
このようにして、遮光部表面を撥液性領域、開口部内を親液性領域とした。
次に、親液性領域の奇数番目に、インクジェット装置(Dimatix社製、Dimatix SE-128)を用いて、光異性化型材料（DIC社製、商品名：LIA01）の溶液をパターン状に塗布した。この溶液は親液性領域のみに濡れ広がり、１００℃で１分間乾燥させ、ストライプ状の第１パターンを得た。続いて、この第１パターンに、直線偏光紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向に垂直になるように照射して配向処理を行った。次に、親液性領域の偶数番目に、上記インクジェット装置を用いて、光二量化型材料（Rolic technologies 社製、商品名：ROP103）の２質量％シクロペンタノン溶液をパターン状に塗布し、１３０℃で１５分間乾燥させ、ストライプ状の第２パターンを得た。この第２パターンに、直線偏光紫外線を約１００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向と一致するように照射して配向処理を行った。このようにして第１配向パターンおよび第２配向パターンを得た。これにより第２配向処理基板を作製した。
（液晶表示素子の作製）
一方の配向処理基板に１．５μｍのビーズスペーサを散布し、他方の配向処理基板にシール剤をシールディスペンサーで塗布した。次いで、両基板を、それぞれの配向処理方向が平行になるように対向させ、熱圧着を行い、空の液晶セルを作製した。
次に、強誘電性液晶(商品名：R2301、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、注入口上部に強誘電性液晶を付着させ、オーブンを用いて、Ｎ相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行い、ゆっくりと常温に戻した。
得られた液晶セルを、クロスニコルに配置した２枚の偏光板の間に、配向処理方向と一方の偏光板の偏光軸とが一致するように配置した。パルスジェネレーターを用いて、両電極間に、±５Ｖ矩形の電圧を周波数１Ｈｚで印加したところ、第２配向処理基板の、光異性化型材料を用いた第１配向パターンが形成されている領域と、光二量化型材料を用いた第２配向パターンが形成されている領域とで、交互に光が透過するのを観察できた。
［実施例４］
(第１配向処理基板の作製)
電極が形成された無アルカリガラス基板上にポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)を印刷し、ラビング処理することにより配向膜を形成した。
（第２配向処理基板の作製）
電極が形成された無アルカリガラス基板上に隔壁形成用レジスト液(JSR社製、商品名：NN780)を回転数２０００ｐｍで１５秒スピンコートし、１００℃のホットプレート上で３分間乾燥させた。続いて、マスクを介して紫外線を約１００ｍＪ／ｃｍ2照射し、レジストを硬化させた。その後、未硬化のレジストを、無機アルカリ液で約３０秒間洗い流した後、水を用いて３０秒間洗浄を行った。これにより、基板上に、２０μｍ幅のストライプ状の隔壁を１８０μｍ幅の間隔をあけて形成した。
次に、隔壁で区切られたパターンの奇数番目に、インクジェット装置(Dimatix社製、Dimatix SE-128)を用いて、光異性化型材料（DIC社製、商品名：LIA01）の溶液をパターン状に塗布した。この溶液はパターン内のみに濡れ広がり、１００℃で１分間乾燥させ、ストライプ状の第１パターンを得た。続いて、この第１パターンに、直線偏光紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向に垂直になるように照射して配向処理を行った。次に、隔壁で区切られたパターンの偶数番目に、上記インクジェット装置を用いて、光二量化型材料（Rolic technologies 社製、商品名：ROP103）の２質量％シクロペンタノン溶液をパターン状に塗布し、１３０℃で１５分間乾燥させ、ストライプ状の第２パターンを得た。この第２パターンに、直線偏光紫外線を約１００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向と一致するように照射して配向処理を行った。このようにして第１配向パターンおよび第２配向パターンを得た。これにより第２配向処理基板を作製した。これにより、第２配向処理基板を得た。
（液晶表示素子の作製）
一方の配向処理基板に１．５μｍのビーズスペーサを散布し、他方の配向処理基板にシール剤をシールディスペンサーで塗布した。次いで、両基板を、それぞれの配向処理方向が平行になるように対向させ、熱圧着を行い、空の液晶セルを作製した。
次に、強誘電性液晶(商品名：R2301、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、注入口上部に強誘電性液晶を付着させ、オーブンを用いて、Ｎ相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行い、ゆっくりと常温に戻した。
得られた液晶セルを、クロスニコルに配置した２枚の偏光板の間に、配向処理方向と一方の偏光板の偏光軸とが一致するように配置した。パルスジェネレーターを用いて、両電極間に、±５Ｖ矩形の電圧を周波数１Ｈｚで印加したところ、第２配向処理基板の、光異性化型材料を用いた第１配向パターンが形成されている領域と、光二量化型材料を用いた第２配向パターンが形成されている領域とで、交互に光が透過するのを観察できた。
［実施例５］
（第１配向処理基板の作製）
イソプロピルアルコール ３ｇ、オルガノシラン（TSL8113、東芝シリコーン社製）０．４ｇ、フルオロアルキルシラン（MF-160E、トーケムプロダクツ社製）０．０４ｇ、および光触媒無機コーティング剤（ST-K01、石原産業社製）１．５ｇを混合し、攪拌しながら２０分間、１００℃で加温した。この溶液をスピンコーティング法により、ＩＴＯ透明電極が形成された無アルカリガラス基板上に塗布し、その基板を１５０℃の温度で１０分間乾燥することにより、加水分解、重縮合反応を進行させ、光触媒がオルガノポリシロキサン中に強固に固定された膜厚０．２μｍの濡れ性変化層を得た。
次に、この濡れ性変化層に対し、ネガ型フォトマスクのパターン面を重ねて配置し、フォトマスク側から水銀ランプ（波長３６５ｎｍ）により３００ｍＷ／ｃｍ2の照度で９００秒間紫外線露光を行い、濡れ性変化パターンを形成した。濡れ性変化パターンは、２０μｍ幅のストライプ状の撥液性領域と、１８０μｍ幅のストライプ状の親液性領域とが交互に形成されたものであった。
次に、濡れ性変化層の親液性領域の奇数番目に、インクジェット装置(Dimatix社製、Dimatix SE-128)を用いて、ポリイミド(日産化学工業社製、商品名：SE-7492)の溶液をパターン状に塗布した。この溶液は親液性領域のみに濡れ広がり、１００℃で１５分間乾燥させ、その後２００℃で３０分焼成することでストライプ状の第１パターンを得た。この基板をラビング処理し、ストライプ状の第１配向パターンを得た。
次に、濡れ性変化層の親液性領域の偶数番目に、上記インクジェット装置を用いて、光異性化型材料（DIC社製、商品名：LIA01）溶液をパターン状に塗布し、１００℃で１分間乾燥させた。続いて、この光異性化型材料に、直線偏光紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2で、偏光方向がパターンのストライプ方向に垂直になるように照射して配向処理を行った。次いで、この光配向膜上に、反応性液晶材料（Rolic technologies 社製、商品名：ROF5101）の５質量％溶液を上記インクジェット装置を用いて、パターン状に塗布した。反応性液晶に窒素雰囲気下で、紫外線を約１０００ｍＪ／ｃｍ2照射し、反応性液晶材料を硬化させ、ストライプ状の第２配向パターンを得た。
（第２配向処理基板の作製）
第１配向処理基板の作製と同様にして、第２配向処理基板を作製した。
（液晶表示素子の作製）
一方の配向処理基板に１．５μｍのビーズスペーサを散布し、他方の配向処理基板にシール剤をシールディスペンサーで塗布した。次いで、両基板を、それぞれの配向処理方向が平行になるように、ラビング膜からなる第１配向パターンと反応性液晶層を有する第２配向パターンとが互いに向かい合うように、対向させ、熱圧着を行い、空の液晶セルを作製した。
次に、強誘電性液晶(商品名：R2301、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製)を用い、注入口上部に強誘電性液晶を付着させ、オーブンを用いて、Ｎ相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行い、ゆっくりと常温に戻した。
得られた液晶セルを、クロスニコルに配置した２枚の偏光板の間に、配向処理方向と一方の偏光板の偏光軸とが一致するように配置した。パルスジェネレーターを用いて、両電極間に、±５Ｖ矩形の電圧を周波数１Ｈｚで印加したところ、親液性領域の奇数番目と偶数番目とで、交互に光が透過するのを観察できた。
また、偏光顕微鏡と、フォトダイオードおよびパルスジェネレーターからなる測定装置とを用いて、±５Ｖの電圧を印加したときの光学応答を測定したところ、反応性液晶層を有する第２配向パターンが形成されている領域側の電極に負極性の電圧を印加したときに透過率が変化することが観測された。さらに、このとき、液晶分子の方向がチルト角の２倍変化するのが測定された。
液晶分子の挙動を示す模式図である。 強誘電性液晶の印加電圧に対する透過率の変化を示したグラフである。 本発明の液晶表示素子の一例を示す概略断面図である。 本発明の液晶表示素子の他の例を示す概略断面図である。 強誘電性液晶の配向状態の一例を示す模式図である。 強誘電性液晶の自発分極を示す説明図である。 強誘電性液晶の配向状態の他の例を示す模式図である。 本発明の液晶表示素子の他の例を示す概略断面図である。 本発明における第２配向処理基板の一例を示す概略断面図である。 本発明における第２配向処理基板の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明における第２配向処理基板の製造方法の他の例を示す工程図である。 本発明における第２配向処理基板の他の例を示す概略断面図である。 本発明における第２配向処理基板の他の例を示す概略断面図である。 本発明における第２配向処理基板の製造方法の他の例を示す工程図である。 本発明における第２配向処理基板の他の例を示す概略断面図である。 強誘電性液晶の配向状態の他の例を示す模式図である。 強誘電性液晶の自発分極を示す説明図である。 強誘電性液晶の配向状態の他の例を示す模式図である。 強誘電性液晶の有する相系列の相違による配向の違いを示した図である。 本発明の液晶表示素子の一例を示す概略斜視図である。 本発明の液晶表示素子の他の例を示す概略断面図である。 本発明の液晶表示素子の他の例を示す概略断面図である。 強誘電性液晶の配向状態の他の例を示す模式図である。 強誘電性液晶の配向状態の他の例を示す模式図である。 強誘電性液晶の印加電圧に対する透過率の変化を示したグラフである。
符号の説明
１ … 液晶表示素子
２ … 第１基材
３ … 第１電極層
４ … 第１配向層
５ … 第１配向処理基板
４ａ、１４ａ … 第１配向パターン
４ｂ、１４ｂ … 第２配向パターン
１０ … 液晶層
１２ … 第２基材
１３ … 第２電極層
１４ … 第２配向層
１５ … 第２配向処理基板
１６ … 隔壁
１７ … 反応性液晶用配向膜
１８ … 反応性液晶層
２５ … 濡れ性変化層
２６ａ … 親液性領域
２６ｂ … 撥液性領域
２７ … 遮光部
２８ … 絶縁部
ＬＣ … 液晶分子
Ｐｓ … 自発分極

Claims (13)

  1. 第１基材と、前記第１基材上に形成された第１電極層と、前記第１電極層上に形成され、ラビング膜からなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と、前記第２基材上に形成された第２電極層と、前記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板を、前記第１配向層および前記第２配向層が対向するように配置し、前記第１配向層および前記第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、
    前記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、
    前記第１配向パターンが、光異性化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンであり、前記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と、前記反応性液晶用配向膜上に形成され、反応性液晶を固定化してなる反応性液晶層とからなるパターン、あるいは、光二量化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかであることを特徴とする液晶表示素子。
  2. 前記第２電極層と前記第２配向層との間に、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する濡れ性変化層が形成され、前記濡れ性変化層表面に、撥液性領域および親液性領域からなる濡れ性変化パターンが形成され、前記親液性領域上にのみ前記第２配向層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
  3. 前記第２基材と前記濡れ性変化層との間にパターン状の遮光部が形成され、前記撥液性領域が前記遮光部が設けられている領域に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
  4. 前記第１配向パターンおよび前記第２配向パターンの間に絶縁部が形成され、前記絶縁部表面が撥液性領域、前記絶縁部の開口部内の層表面が親液性領域であり、前記親液性領域上にのみ前記第２配向層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
  5. 前記絶縁部が遮光部であることを特徴とする請求項５に記載の液晶表示素子。
  6. 前記第１配向パターンおよび前記第２配向パターンの間に隔壁が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
  7. 第１基材と、前記第１基材上に形成された第１電極層と、前記第１電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第１配向層とを有する第１配向処理基板、および、第２基材と、前記第２基材上に形成された第２電極層と、前記第２電極層上に形成され、第１配向パターンおよび第２配向パターンからなる第２配向層とを有する第２配向処理基板を、前記第１配向層の第１配向パターンおよび前記第２配向層の第２配向パターンが対向し、前記第１配向層の第２配向パターンおよび前記第２配向層の第１配向パターンが対向するように配置し、前記第１配向層および前記第２配向層の間に強誘電性液晶を挟持してなる液晶表示素子であって、
    前記強誘電性液晶が、単安定性を示し、かつハーフＶ字型スイッチング特性を示すものであり、
    前記第１配向パターンがラビング膜からなるパターンであり、
    前記第２配向パターンが、反応性液晶用配向膜と、前記反応性液晶用配向膜上に形成され、反応性液晶を固定化してなる反応性液晶層とからなるパターン、光二量化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光二量化型材料を含有する光配向膜からなるパターン、あるいは、光異性化反応を生じることにより配向膜に異方性を付与する光異性化型材料を含有する光配向膜からなるパターンのいずれかであることを特徴とする液晶表示素子。
  8. 前記第１電極層と前記第１配向層との間、および、前記第２電極層と前記第２配向層との間に、エネルギー照射に伴う光触媒の作用により濡れ性が変化する濡れ性変化層がそれぞれ形成され、前記濡れ性変化層表面に、撥液性領域および親液性領域からなる濡れ性変化パターンが形成され、前記親液性領域上にのみ前記第１配向層および前記第２配向層が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示素子。
  9. 前記第１配向処理基板の第１基材と濡れ性変化層との間、および、前記第２配向処理基板の第２基材と濡れ性変化層との間の少なくともいずれか一方にパターン状の遮光部が形成され、前記撥液性領域が前記遮光部が設けられている領域に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示素子。
  10. 前記第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間、ならびに、前記第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間に絶縁部がそれぞれ形成され、前記絶縁部表面が撥液性領域、前記絶縁部の開口部内の層表面が親液性領域であり、前記親液性領域上にのみ前記第１配向層および前記第２配向層が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示素子。
  11. 前記第１配向処理基板に形成された絶縁部および前記第２配向処理基板に形成された絶縁部の少なくともいずれか一方が遮光部であることを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示素子。
  12. 前記第１配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間、あるいは、前記第２配向層の第１配向パターンおよび第２配向パターンの間のいずれかに隔壁が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示素子。
  13. 前記ラビング膜がポリイミドを含有することを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれかに記載の液晶表示素子。
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