JP4537718B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、強誘電性液晶を用いた液晶表示素子に関するものであり、より詳しくは光配向膜を用いて強誘電性液晶の配向を制御した液晶表示素子に関する。

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と遅く動画表示に充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１）、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１）。このような単安定性を示す液晶としては、通常、コレステリック相（Ｃｈ）−カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ^＊）と相変化し、スメクチックＡ相（ＳｍＡ）を経由しない強誘電性液晶が用いられる。このように強誘電性液晶が単安定性を示す場合にはメモリー性を持たず、画素ごとにトランジスタやダイオードなどの能動素子を付加し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望ましい。中でも、能動素子として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と、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。

一方、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く、ジグザグ欠陥やヘアピン欠陥と呼ばれる欠陥が発生しやすく、このような欠陥は、光漏れによるコントラスト低下の原因になる。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（図２）。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（図３）。ダブルドメインを無くす方法として、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が（非特許文献２）、この方法では、再度相転移点以上に温度が上がると配向乱れが生じてしまい、また、画素電極の間の電界が作用しない部分で配向乱れが発生する等の問題がある。

液晶の配向処理技術としては、配向膜を用いるものがあり、その方法としてはラビング法と光配向法とがある。ラビング法は、ポリイミド膜をコートした基板をラビング処理してポリイミド高分子鎖をラビング方向に配向させ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。ラビング法は、ネマチック液晶の配向制御に優れており、一般に工業的にも用いられている技術である。しかしながら、この方法では静電気や塵の発生、ラビング条件の違いによる配向規制力やチルト角の不均一、大面積処理時のムラなどの問題があり、配向欠陥の生じやすい強誘電性液晶の配向処理法には適していない。また、ラビング法ではダブルドメインを改善することはできない。

上記ラビング法に代わる非接触配向法として光配向法がある。光配向法は、高分子膜をコートした基板に偏光を制御した光を照射し、高分子の光励起反応（分解、異性化、二量化）を生じさせて高分子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。この方法は、ラビング法の問題点である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。しかしながら、この方法を用いてもダブルドメインの発生を抑制することは困難であり、モノドメイン配向を得ることは難しい。

強誘電性液晶を単安定化する他の方法としては、高分子安定化法がある。高分子安定化法は、配向処理を施した液晶セルに紫外線硬化型モノマーを混入した強誘電性液晶を注入し、直流または交流の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方法であるが、製造プロセスが複雑になり、また、駆動電圧が高くなる問題がある。

他のモノドメイン化の方法として、特許文献１には、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記載されている。しかしながら、この方法では一方にラビング処理を施すため、前述したような静電気や塵の発生、大面積処理時のムラなどの問題が残る。

一方、近年、カラー液晶表示素子の開発が活発に行われている。カラー表示を実現する方法としては、一般にカラーフィルター方式とフィールドシーケンシャルカラー方式がある。カラーフィルター方式は、バックライトとして白色光源を用い、Ｒ・Ｇ・Ｂのマイクロカラーフィルターを各画素に付随させることによりカラー表示を実現させるものである。これに対し、フィールドシーケンシャルカラー方式は、バックライトをＲ・Ｇ・Ｂ・Ｒ・Ｇ・Ｂ…と時間的に切り替え、それに同期させて強誘電性液晶の白黒シャッターを開閉し、網膜の残像効果により色を時間的に混合させ、これによりカラー表示を実現させるものである。このフィールドシーケンシャルカラー方式は、１画素でカラー表示ができ、透過率の低いカラーフィルターを用いなくてすむので、明るく高精細なカラー表示が可能となり、低消費電力かつ低コストを実現することができる点で有用である。しかしながら、フィールドシーケンシャルカラー方式は１画素を時間分割するものであるので、良好な動画表示特性を得るためには白黒シャッターとしての液晶が高速応答性を有していることが必要である。強誘電性液晶を用いればこの課題は解決しうるが、上述したように強誘電性液晶は配向欠陥が生じやすいという問題があり、実用化には至っていない。

特開２００３−５２２３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.

本発明は、強誘電性液晶を用いた液晶表示素子において、ダブルドメイン等の配向欠陥が形成されることなく強誘電性液晶のモノドメイン配向を得ることができ、相転移以上に昇温してもその配向を維持することができる配向安定性に優れた液晶表示素子を提供することを主目的とする。

本発明者らは、上記実情に鑑み鋭意検討した結果、２枚の基板の対向面上にそれぞれ光配向膜を形成し、それらの光配向膜の材料として上下で異なる組成のものを用いることにより、ダブルドメイン等の配向欠陥の発生を抑制し、モノドメインの強誘電性液晶の配向が得られることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明においては、２枚の基板間に強誘電性液晶を狭持してなる液晶表示素子であって、上記基板の対向面上にはそれぞれ電極と光配向膜とが順次形成されており、上記光配向膜の構成材料は光反応を生じることにより上記光配向膜に異方性を付与する光反応型の材料であり、かつ上記光配向膜の構成材料が上記強誘電性液晶を挟んで互いに異なる組成を有するものであることを特徴とする液晶表示素子を提供する。

本発明においては、上下の基板の対向面上にそれぞれ光配向膜を有しており、上記光配向膜の構成材料は光反応を生じることにより前記光配向膜に異方性を付与する光反応型の材料であり、かつ上記光配向膜が強誘電性液晶を挟んで互いに異なる組成の材料を用いて構成されていることにより、ダブルドメイン等の配向欠陥が形成されることなく強誘電性液晶を配向させることができるという効果を奏する。また、電界印加徐冷方式によらずに、光配向膜を用いて配向処理を行うものであるので、相転移以上に昇温してもその配向を維持し、ダブルドメイン等の配向欠陥の発生を抑制することができるという利点を有する。なお、ここでいう光反応とは、光照射により分子そのものが変化する反応をいい、このような光反応型の材料を用い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。

上記光反応は、光二量化反応または光分解反応であることが好ましい。これらの光反応を利用することにより、光配向膜への異方性の付与がより容易となるからである。

上記光反応型の材料は、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、上記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。

上記光二量化反応性化合物は、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。偏光方向に平行に配向した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、上記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。

上記光二量化反応性化合物は、下記式で表される二量化反応性ポリマーの少なくとも一つであることが好ましい。

上記二量化反応性ポリマーは、反応に必要なエネルギーが少なく、Ｒ^１１やＲ^１２の部分に適した官能基を選択することが可能となるからである。

上記強誘電性液晶は、単安定性を示すものであることが好ましい。強誘電性液晶として単安定性を示すものを用いることにより、本発明の構成とすることの効果が顕著となるからである。

上記強誘電性液晶は、相系列にスメクチックＡ相を持たないものであることが好ましい。上述したように、相系列にスメクチックＡ相を持たない強誘電性液晶は、ダブルドメイン等の配向欠陥を生じやすいが、上下の光配向膜の組成を、強誘電性液晶を挟んで互いに異なるものとすることにより、ダブルドメイン等の配向欠陥の発生を抑制することができ、本発明の構成とすることの効果が顕著となるからである。

上記強誘電性液晶は、単一相を構成するものであることが好ましい。本発明の液晶表示素子は、単一相の強誘電性液晶を用いても良好な配向を得ることができ、配向を制御するために、高分子安定化法などの手法を用いる必要がなく、製造プロセスが容易となり、駆動電圧を低くすることができるという利点を有する。

上記液晶表示素子は、薄膜トランジスタ（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ものであることが好ましい。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、一方の基板上にＴＦＴ素子をマトリックス状に配置してなるＴＦＴ基板と、他方の基板上の表示部全域に共通電極を形成してなる共通電極基板とを組み合わせ、上記共通電極基板の共通電極と基板との間にＴＦＴ素子のマトリックス配置させたマイクロカラーフィルターを形成し、カラー液晶表示素子として用いることもできる。

また、上記液晶表示素子は、フィールドシーケンシャルカラー方式により駆動させるものであることが好ましい。上記液晶表示素子は、応答速度が速く、配向欠陥を生じることなく強誘電性液晶を配向させることができるので、フィールドシーケンシャルカラー方式により駆動させることにより、低消費電力かつ低コストで、視野角が広く、明るく高精細なカラー動画表示を実現することができるからである。

本発明の液晶表示素子は、ジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥やダブルドメイン等の配向欠陥が形成されることなく強誘電性液晶を配向させることができ、相転移点以上に昇温しても配向の乱れが生じにくい配向安定性に優れた液晶表示素子を得ることができる点で有用である。

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、２枚の基板間に強誘電性液晶を狭持してなる液晶表示素子であって、上記基板の対向面上にはそれぞれ電極と光配向膜とが順次形成されており、上記光配向膜の構成材料が上記強誘電性液晶を挟んで互いに異なる組成であることを特徴としている。

このような本発明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４は本発明の液晶表示素子の一例を示す概略斜視図であり、図５は概略断面図である。図に示すように、基板４ａに共通電極３ａが設けられ、対向基板４ｂ上にはｘ電極３ｂ、ｙ電極３ｃ、画素電極３ｄが設けられており、これらの電極が構成する電極層の内側には光配向膜２ａ、２ｂが形成されている。上記光配向膜２ａ、２ｂ間には強誘電性液晶が狭持され、液晶層１が構成される。なお、図４においては光配向膜２ａ、２ｂを省略している。

上記基板４ａ、４ｂの外側には偏光板５ａ、５ｂが設けられていてもよく、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。上記偏光板５ａと５ｂは、偏光方向が９０°ねじれて配置されている。これにより、電圧非印加状態と印加状態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、強誘電性液晶分子を白黒シャッターとして用いることにより、明状態と暗状態をつくることができる。例えば、電圧非印加状態では、偏光板５ａを液晶分子の配向と揃うように設置することにより、偏光板５ａを透過した光は、偏光方向を９０°回転することができず、偏光板５ｂ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、電圧により液晶分子の方向が変化し、初期状態から角度θだけ回転することにより、光の偏光方向が９０°ねじれて偏光板５ｂを透過し、明状態となる。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。

本発明の液晶表示素子は、このように上下の基板の対向面上にそれぞれ光配向膜を有しており、上記光配向膜が強誘電性液晶を挟んで互いに異なる組成の材料を用いて構成されていることにより、ジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥やダブルドメイン等の配向欠陥の発生を抑制し、強誘電性液晶のモノドメイン配向を得ることができる。また、本発明は電界印加徐冷方式を用いないで強誘電性液晶を配向させるものであるので、電界印加徐冷方式の問題点である相転移点以上に昇温することによる配向乱れが生じにくく、配向安定性に優れているという利点を有している。光配向膜の構成材料として異なる組成を用いることにより良好な配向状態が得られる理由は明らかではないが、上下の光配向膜のそれぞれと強誘電性液晶との相互作用の相違によるものと考えられる。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。

また、本発明の液晶表示素子は、例えば図４に示すように、一方の基板を薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）７がマトリックス状に配置されたＴＦＴ基板とし、他方の基板を共通電極３ａが全域に形成された共通電極基板として、この２つの基板を組み合わせたものであることが好ましい。このような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について以下に説明する。

図４においては、一方の基板は電極が共通電極３ａであり、共通電極基板となっており、一方、対向基板は電極がｘ電極３ｂ、ｙ電極３ｃおよび画素電極３ｄから構成され、ＴＦＴ基板となっている。このような液晶表示素子において、ｘ電極３ｂおよびｙ電極３ｃはそれぞれ縦横に配列しているものであり、これらの電極に信号を加えることによりＴＦＴ素子７を作動させ、強誘電性液晶を駆動させることができる。ｘ電極３ｂおよびｙ電極３ｃ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、ｘ電極３ｂの信号とｙ電極３ｃの信号は独立に動作することができる。ｘ電極３ｂおよびｙ電極３ｃにより囲まれた部分は、本発明の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７および画素電極３ｄが形成されている。本発明の液晶表示素子では、ｘ電極３ｂおよびｙ電極３ｃに順次信号電圧を加えることにより、各画素のＴＦＴ素子７を動作させることができる。

さらに、本発明の液晶表示素子は、上記共通電極３ａと基板４ａとの間にＴＦＴ素子７のマトリックス状に配置させたマイクロカラーフィルターを形成し、カラー液晶表示素子として用いることもできる。このような本発明の液晶表示素子の各構成部材について以下に詳細に説明する。

１．液晶表示素子の構成部材
光配向膜
光配向膜は、高分子膜をコートした基板に偏光を制御した光を照射し、高分子の光励起反応（分解、異性化、二量化）を生じさせて高分子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。

本発明に用いられる光配向膜の構成材料は、光を照射して光励起反応を生じることにより、強誘電性液晶を配向させる効果（光配列性：ｐｈｏｔｏａｌｉｇｎｉｎｇ）を有するものであれば特に限定されるものではなく、このような材料としては、大きく、分子の形状のみが変化し可逆的な配向変化が可能な光異性化型と、分子そのものが変化する光反応型とに分けることができる。これらのなかでも、本発明においては、光反応を生じることにより上記光配向膜に異方性を付与する光反応型の材料であることが好ましい。光反応型の材料を用い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。

上記光配向膜の構成材料が光励起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。

上記光反応は、光照射により分子そのものが変化し、光配向膜の光配列性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いが、光配向膜への異方性の付与がより容易となることから、光二量化反応または光分解反応であることが好ましい。ここで、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う。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。一方、光分解反応とは、光照射により偏光方向に配向したポリイミドなどの分子鎖を分解する反応をいう。この反応により偏光方向に垂直な方向に配向した分子鎖を残し、光配向膜に異方性を付与することができる。光分解反応を利用した光反応型の材料としては、例えば日産化学工業（株）製のポリイミド「ＲＮ１１９９」などを挙げることができる。これらの光反応型の材料のうち本発明においては、露光感度が高く、材料選択の幅が広いことから、光二量化反応により光配向膜に異方性を付与する材料を用いることがより好ましい。

光二量化反応を利用した光反応型の材料としては、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。

これらのなか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、より好ましくは１０，０００〜２０，０００の範囲内である。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（１）で表される化合物を例示することができる。

上記式（１）において、Ｍ^１およびＭ^２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。Ｍ^２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。Ｄ^１およびＤ^２は、スペーサー単位を表す。

Ｒ^１は−Ａ−（Ｚ^１−Ｂ）_ｚ−Ｚ^２−で表される基であり、Ｒ^２は−Ａ−（Ｚ^１−Ｂ）_ｚ−Ｚ^３−で表される基である。ここで、ＡおよびＢ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、Ｚ^１およびＺ^２は、それぞれ独立して、共有単結合、−ＣＨ_２−ＣＨ_２−、−ＣＨ_２Ｏ−、−ＯＣＨ_２−、−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、Ｚ^３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。Ｅ^１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。

本発明においては、光二量化反応性化合物として、上記式（１）で表される化合物の中から、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により、上下の光配向膜の組成を異なるものとすることができる。この場合に、上下の光配向膜に用いられる光二量化反応性化合物の光二量化反応部位は同じであっても異なっていてもよい。また、光二量化反応性化合物として、上記化合物を２種類以上組み合わせて用いることもできる。その場合には、それらの組み合わせを変えることによっても、光配向膜の組成を変化させることが可能である。さらに、同一の組み合わせを用いる場合でも、それぞれの化合物の添加量を変化させることによって上下の光配向膜の組成を異なるものとすることができる。

このような二量化反応性ポリマーとして、より好ましくは、下記式で表される化合物を挙げることができる。

上記二量化反応性ポリマーの中でも、下記式で表される化合物１〜４の少なくとも一つであることが特に好ましい。

光二量化反応を利用した光反応型の材料としては、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なかから、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重量％〜２０重量％の範囲内であることが好ましく、０．１重量％〜５重量％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。

上述したように、本発明においては光配向膜２ａと光配向膜２ｂの構成材料は異なる組成であり、用いられる光二量化反応性ポリマーを種々選択することにより、上下の光配向膜の組成を変化させることができるが、上記添加剤の添加量を変えることによって、組成を変化させることもできる。

次に、光配向処理方法について説明する。まず、電極が設けられた基板の液晶層と対向する面上に、上述した光配向膜の構成材料を有機溶剤で希釈した塗工液をコーティングし、乾燥させる。この場合に、塗工液中の光二量化反応性化合物の含有量は、０．０５重量％〜１０重量％の範囲内であることが好ましく、０．２重量％〜２重量％の範囲内であることがより好ましい。光二量化反応性化合物の含有量が小さすぎると、配向膜に適度な異方性を付与することが困難となり、逆に大きすぎると、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。

コーティング法としては、スピンコーティング法、ロールコーティング法、ロッドバーコーティング法、スプレーコーティング法、エアナイフコーティング法、スロットダイコーティング法、ワイヤーバーコーティング法などを用いることができる。

上記構成材料をコーティングすることにより得られる高分子膜の厚みは１ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましく、３ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。上記高分子膜の厚みが小さすぎると十分な光配列性が得られない場合があり、逆に厚みがありすぎても液晶分子が配向乱れを生じる場合があり、また、コスト的に好ましくないからである。

得られた高分子膜は、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、用いられる光配向膜の構成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。

偏光方向は、上記光励起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が、強誘電性液晶の配向状態を良好なものとすることができることから上下の光配向膜共に基板面に対して斜め０°〜４５°の範囲内とすることが好ましく、より好ましくは２０°〜４５°の範囲内とする。

（２）液晶層
本発明に用いられる液晶層は、強誘電性液晶を上記光配向膜により狭持させることにより構成されている。上記液晶層に用いる強誘電性液晶は、カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ^＊）を発現するものであれば特に限定されるものではないが、強誘電性液晶の相系列が、コレステリック相（Ｃｈ）−カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ^＊）と相変化し、スメクチックＡ相（ＳｍＡ）を経由しない材料であることが好ましい。

本発明の液晶表示素子は、薄膜トランジスタ（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く、さらにカラーフィルター方式またはフィールドシーケンシャルカラー方式を採用することによりカラー液晶表示素子とすることができる。このような場合において、強誘電性液晶としては、Ｃｈ相−ＳｍＡ相−ＳｍＣ^＊相と相変化する材料を用いることもでき、Ｃｈ相−ＳｍＣ^＊相と相変化し、ＳｍＡ相を経由しない材料を用いることもできるが、本発明の液晶表示素子を特にフィールドシーケンシャルカラー方式により駆動させる場合には、ＳｍＡ相を経由しない、単安定性を有する液晶材料を用いることが好ましい。ここで、単安定性とは、上述したように電圧非印加時に１つの安定状態のみを有する性質をいい、特に、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ハーフＶ字駆動するものが、白黒シャッターの開口時間を長くとることができ、明るいカラー表示を実現することができる点で好ましい。

また、本発明に用いられる強誘電性液晶としては、単一相を構成するものであることが好ましい。ここで単一相を構成するとは、高分子安定化法などのように、ポリマーネットワークが形成されていないことをいう。このように、単一相の強誘電性液晶を用いることにより、製造プロセスが容易となり、駆動電圧を低くすることができるという利点がある。

本発明に用いられる強誘電性液晶としては、例えば、クラリアント社より販売されている「Ｒ２３０１」が挙げられる。

上記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。液晶層の厚みが小さすぎるとコントラストが下がる場合があり、逆に厚みがありすぎても配向しにくい場合があるからである。

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、あらかじめ基板上に電極を形成し、上記光配向膜を設けて作成した液晶セルに、上記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。上記液晶層の厚みは、ビーズなどのスペーサーにより調整することができる。

（３）基板
本発明に用いる基板は、一般に液晶表示素子の基板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、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。上記基板の表面粗さ（ＲＳＭ値）は、１０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以下の範囲内である。なお、本発明において上記表面粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ＡＴＯＭＩＣ ＦＯＲＣＥ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）により測定することができる。

（４）電極
本発明に用いる電極は、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が、少なくとも一方が透明導電体で形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、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とする場合には、上下の電極のうち一方を上記透明導電体で形成される全面共通電極とし、他方をｘ電極とｙ電極をマトリックス状に配列し、ｘ電極とｙ電極で囲まれた部分にＴＦＴ素子および画素電極を配置する。この場合に、画素電極、ＴＦＴ素子、ｘ電極およびｙ電極により形成される電極層の凹凸部の差は、０．２μｍ以下であることが好ましい。電極層の凹凸部の差が０．２μｍを超えると、配向乱れを生じやすいからである。

上記電極は、上記基板上にＣＶＤ法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の蒸着方法により透明導電膜を形成することができ、これをマトリックス状にパターニングすることによりｘ電極およびｙ電極を得ることができる。

（５）偏光板
本発明に用いる偏光板は、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。

２．液晶表示素子の製造方法
本発明の液晶表示素子は、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。以下、本発明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。まず、一方の基板上に上述した蒸着方法により透明導電膜を形成し、全面共通電極とする。他方の基板上には、透明導電膜をマトリックス上にパターニングすることによりｘ電極、ｙ電極を形成し、スイッチング素子および画素電極を設置する。

次に、電極が形成された２枚の基板上にそれぞれ組成の異なる光配向膜材料をコーティングし、光配向処理を施して光配向膜を形成する。このようにして形成された光配向膜のうち一方の配向膜上にスペーサーとしてビーズを分散させ、周囲にシール剤を塗布して２枚の基板を光配向膜が対向するように貼り合わせ、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、強誘電性液晶は徐冷することにより配向させることができる。このようにして得られた液晶セルの上下に偏光板を貼り付けることにより本発明の液晶表示素子を得ることができる。

３．液晶表示素子の用途
本発明の液晶表示素子は、カラーフィルター方式またはフィールドシーケンシャルカラー方式を採用することによりカラー液晶表示素子として用いることができる。本発明の液晶表示素子を用いたカラー液晶表示素子は、ダブルドメイン等の配向欠陥を生じることなく強誘電性液晶を配向させることができるので、視野角が広く、高速応答性を有し、高精細なカラー表示を実現することができる。

これらのなかでも、本発明の液晶表示素子は、フィールドシーケンシャルカラー方式により駆動させることが好ましい。上述したように、フィールドシーケンシャルカラー方式は、１画素を時間分割するものであり、良好な動画表示特性を得るためには高速応答性を特に必要とするからである。

この場合に、強誘電性液晶としては、Ｃｈ相からＳｍＡ相を経由しないでＳｍＣ^＊相を発現する、単安定性を有する液晶材料を用いることが好ましく、特に、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ハーフＶ字駆動する材料を用いることが好ましい。このようなハーフＶ字駆動する材料を用いることにより、暗部動作時（白黒シャッター閉口時）の光漏れを少なくすることができ、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。そ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、明るいカラー液晶表示素子を実現することができる。

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。

以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。なお、光二量化反応性ポリマーとしては、下記式で表される化合物１〜４を用いた。

（実施例１）
シクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物１の溶液とシクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物２の溶液をそれぞれＩＴＯでコーティングされた２枚のガラス基板に回転数４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングした。オーブンで１８０℃、１０分間乾燥させた後、偏光紫外線を２５℃で基板面に対して３０°の角度より１００ｍＪ／ｃｍ^２露光した。片方の基板に１．５μｍのスペーサーを散布し、もう片方の基板にシール材をシールデイスペンサーで塗布した。その後、基板を偏光紫外線照射方向と平行で且つアンチパラレルの状態に組み立て、熱圧着を行った。液晶は「Ｒ２３０１」 (クラリアント社製)を用い、注入口上部に液晶を付着しオーブンを用いて、ネマチック相−等方相転移温度より１０℃〜２０℃高い温度で注入を行ない、ゆっくりと常温に戻したところ、配向欠陥のないモノドメイン相が得られた。

（実施例２）
シクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物１の溶液とシクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物３の溶液をそれぞれＩＴＯでコーティングされた２枚のガラス基板に回転数４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングした。さらに上記の条件で乾燥し露光処理した後にセルを組み、液晶を注入したところ配向欠陥のないモノドメイン相が得られた。

（実施例３）
シクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物１の溶液とシクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物４の溶液をそれぞれＩＴＯでコーティングされた２枚のガラス基板に回転数４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングした。さらに上記の条件で乾燥し露光処理した後にセルを組み、液晶を注入したところ配向欠陥のないモノドメイン相が得られた。

（実施例４）
シクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物１の溶液と日産化学工業（株）製のポリイミド「ＲＮ１１９９」をそれぞれＩＴＯでコーティングされた２枚のガラス基板に回転数４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングした。「ＲＮ１１９９」については１０Ｊ／ｃｍ^２偏光紫外光にて露光した以外は上記の条件で乾燥し露光処理した後にセルを組み、液晶を注入したところ配向欠陥のないモノドメイン相が得られた。

（比較例１）
シクロペンタノンに溶解した２重量％の化合物１の溶液をＩＴＯでコーティングされた２枚のガラス基板に回転数４０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングした。さらに上記の条件で乾燥し露光処理した後にセルを組み、液晶を注入したところモノドメイン相は得られず、ダブルドメインやジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥などの配向欠陥が発生した。

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。 強誘電性液晶の有する相系列の相違による配向欠陥の違いを示した図である。 強誘電性液晶の配向欠陥であるダブルドメインを示した写真である。 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一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ … 液晶層
２ａ、２ｂ … 光配向膜
３ａ … 共通電極
３ｂ … ｘ電極
３ｃ … ｙ電極
３ｄ … 画素電極
４ａ、４ｂ … 基板
５ａ、５ｂ … 偏光板
７ … ＴＦＴ素子

Claims (9)

1. ２枚の基板間に強誘電性液晶を狭持してなる液晶表示素子であって、前記基板の対向面上にはそれぞれ電極と光配向膜とが順次形成されており、前記光配向膜の構成材料は光反応を生じることにより前記光配向膜に異方性を付与する光反応型の材料であり、かつ前記光配向膜の構成材料が前記強誘電性液晶を挟んで互いに異なる組成を有するものであり、前記光反応が、光二量化反応または光分解反応であることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記光反応型の材料が、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を特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記光二量化反応性化合物が、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を特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
4. 前記光二量化反応性化合物が、下記式で表される二量化反応性ポリマーの少なくとも一つであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の液晶表示素子。
   

   
5. 前記強誘電性液晶が単安定性を示すものであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの請求項に記載の液晶表示素子。
6. 前記強誘電性液晶が相系列にスメクチックＡ相を持たないものであることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載の液晶表示素子。
7. 前記強誘電性液晶が単一相を構成するものであることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の液晶表示素子。
8. 薄膜トランジスタ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ものであることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかの請求項に記載の液晶表示素子。
9. フィールドシーケンシャルカラー方式により駆動させるものであることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかの請求項に記載の液晶表示素子。

Images