JP4548568B2 - 液晶素子及び液晶素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子とその製造方法、殊に、配向状態のメモリ性を有する液晶素子とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7(A)及び(B)は、従来の液晶素子を示す概略図である。
【0003】
図7(A)を参照する。液晶素子48は、一対の基板49,50と、両基板49,50間に挟持される液晶層59、たとえば正の誘電率異方性(Δε>0)をもつネマティック液晶材料で形成されるツイストネマティック液晶層とを含んで構成される。各基板49,50は、それぞれ、透明基板51,52、透明基板51,52上に形成される透明電極53,54、透明電極53,54上に形成される配向膜55,56とを含んで構成される。
【0004】
一対の基板49,50は、配向膜55,56が向き合うように平行配置され、両配向膜55,56間に、液晶層59が挟持される。一対の基板49,50の配向膜55,56は、両基板49,50間で液晶ダイレクタ配向が平面視上90°ねじれるように、水平配向処理が施されている。図示のように、互いに直交する3方向(X方向、Y方向、Z方向)を画定するとき、たとえば基板49の配向膜55は図中Y方向に、基板50の配向膜56は図中X方向に配向処理がなされている。
【0005】
液晶素子48の一対の基板49,50のそれぞれの外側に、偏光板57,58がクロスニコル状に配置される。基板49に対向配置される偏光板57は、たとえばY方向に偏光する光だけを透過させ、基板50に対向配置される偏光板58は、たとえばX方向に偏光する光だけを透過させる。
【0006】
光60が、偏光板57に入射する。偏光板57を透過することにより、Y方向の直線偏光となった光60は、液晶素子48の基板49を経て液晶層59に入射する。光60は、90°ねじれて配向している液晶ダイレクタに沿って旋光し、X方向を偏光方向とする直線偏光となって、基板50に入射する。基板50を出射した光60は、偏光板58を透過する。液晶素子48が、液晶表示装置の画素として用いられた場合、液晶素子48に入射する光60を透過させるこの状態で、「明」を表示する。
【0007】
図7(B)を参照する。次に、2つの透明電極53,54間に、電圧印加手段61により、電圧を印加する。液晶層59に電圧が印加されると、液晶ダイレクタが、液晶分子長軸方向と電界方向とが一致するように再配向し、両基板49,50に対して、ほぼ垂直に配向する。このため、偏光板57でY方向を偏光方向とする直線偏光とされた光60は、液晶層59において旋光せず、基板50を透過後、クロスニコル配置の偏光板58に遮られる。液晶素子48が、液晶表示装置の画素として用いられた場合、液晶素子48に入射する光60を透過させないこの状態で、「暗」を表示する。
【0008】
偏光板57,58をクロスニコル配置から平行ニコル配置に変更すると、「明」と「暗」の状態が交換される。ノーマリホワイトの表示を行うかノーマリブラックの表示を行うかに応じて、偏光子配置は選択される。
【0009】
図7(B)に示す状態から、印加電圧を取り去ると、基板49,50と液晶層59との界面におけるアンカリング力により、液晶ダイレクタが図7(A)に示す配向状態に戻る。このように、図7(A)及び(B)に示す液晶素子48は、配向状態(液晶表示装置においては明暗の表示)のメモリ性を有さない。液晶素子48の配向状態(液晶表示装置においてはある一定の表示)を保持させるためには、電圧を印加し続ける必要があり、絶えずエネルギが消費される。低消費電力が望まれる携帯移動端末や、省エネルギ化にとっては望ましくない。
【0010】
配向状態のメモリ性を有する液晶素子も提案されている。たとえば、印加する交流電圧の周波数に応じて正負両方の誘電率異方性を有する液晶である二周波駆動液晶と紫外線硬化型モノマを混合、相溶させ、等方相で紫外線を照射してモノマを重合硬化させ、高分子化合物層中に液晶滴を分散配置する。印加電圧の除去後も、電圧除去前の配向状態(液晶表示装置においてはある一定の表示)を維持する、散乱/透明遷移型液晶素子が提案されている。(たとえば特許文献1参照。)
【0011】
【特許文献1】
特開2002−169146号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配向状態のメモリ性を有する高品質の液晶素子及びその製造方法を提供することである。
【0013】
本発明の一観点によれば、一対の、配向処理を施され、電極を備える基板と、前記基板間に、前記電極から電圧を印加されうるように、挟持される液晶層であって、ネマティック液晶を含んで形成される液晶層と、配向したネマティック液晶を含み、前記基板間に、前記液晶層の内部に離散的に形成されるポリマ壁とを有し、前記一対の基板の各々の配向方向と、前記ポリマ壁に含まれるネマティック液晶の配向方向とが交差している液晶素子が提供される。
【0014】
この液晶素子は、液晶の配向状態が維持される、双安定性を有する液晶素子である。液晶の配向状態は、たとえば周波数の異なる電圧を印加することにより変更することができる。更に、基板間にポリマ壁が形成されているため、強度が補強された液晶素子である。
【0015】
また、本発明の他の観点によれば、(a)一対の、電極を備える基板の、各々の一方の主面に、配向処理を施す工程と、(b)ネマティック液晶及びモノマを含む光硬化型の液晶性材料を準備する工程と、(c)前記一対の基板を、配向処理を施された主面同士を向き合わせて対向配置し、前記液晶性材料を前記一対の基板間に供給する工程と、(d)前記一対の基板に備えられた電極間に電圧を印加して、前記一対の基板の各々の配向方向と交差する方向に、前記液晶性材料を配向させる工程と、(e)前記配向させた液晶性材料の一部に光を照射して、光が照射された領域の前記液晶性材料に含まれるモノマを、前記ネマティック液晶を含ませながら重合硬化させ、離散的に、前記ネマティック液晶を含むポリマ壁を形成する工程とを有する液晶素子の製造方法が提供される。
【0016】
この液晶素子の製造方法によれば、液晶の配向状態について双安定性を有する液晶素子を、効率的に製造することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1(A)〜(C)は、実施例による液晶素子の製造方法を説明するための概略的な断面図である。
【0018】
図1(A)を参照する。たとえば透明ガラスで形成された透明基板3,4上に、たとえばITO等の透明導電材で形成された透明電極5,6を備えた一対の基板1,2を準備する。次に、基板1,2の、それぞれ透明電極5,6の側の主面に、所定の一方向に、水平配向処理、たとえばラビング処理、によるプレティルト角付きの水平配向構造の付与を行う。
【0019】
両基板1,2を、たとえば水平配向処理の方向が平面視上平行であって、プレティルトが同じ方向であるように、水平配向処理の施された主面を向き合わせて略平行配置する。両基板1,2間に、ネマティック液晶、たとえば、低周波数(たとえば10Hz)の交流電圧を印加した場合は誘電率異方性が正(Δε>0)となり、高周波数(たとえば10kHz)の交流電圧を印加した場合は誘電率異方性が負(Δε<0)となる二周波駆動ネマティック液晶(たとえば、チッソ石油化学株式会社製のLIXONDF−05XX)に、光反応開始剤を数%含んだ光硬化型(紫外線硬化型)の液晶性モノマ(たとえば、DIC社製UCLシリーズ、または、Merck社製の材料)を数wt%〜数十wt%添加した液晶性材料を供給し液晶層7を形成する。水平配向構造と接する液晶分子は強いアンカリング力で基板表面にほぼ固定される。液晶層7はスプレイ配向する。
【0020】
図1(B)を参照する。続いて、液晶層7の液晶性材料を、基板1,2の配向方向と交差する方向、たとえばほぼ直交する方向に配向させる。たとえば、電圧印加手段8により、透明電極5,6間に、液晶の誘電率異方性が正(Δε>0)となる領域の周波数(たとえば200Hz)をもつ、たとえば10Vの交流電圧を印加する。液晶層7の中央部の液晶性材料は、液晶ダイレクタが、基板1,2面に対し略垂直に配向する。水平配向構造と接する液晶分子は強いアンカリング力で水平配向構造により配向されているので、液晶層7はベンド配向状態に遷移する。
【0021】
ベンド配向した液晶性材料の一部に、光を照射して、光が照射された領域の液晶性材料に含まれる液晶性モノマを重合硬化させる。電圧を印加した状態で貫通孔20aを有するマスク20を、たとえば基板1の上側に配置する。貫通孔20aは、たとえば閉曲線に沿って形成された開口である。マスク20は、たとえば液晶層7の中央部を遮光できるように配置される。
【0022】
続いて、たとえば波長254nm〜365nmの紫外線21を、マスク20の貫通孔20aを通して、液晶性材料に照射する。紫外線21は、たとえば略平行配置された一対の基板1,2に、略垂直に入射させる。紫外線21の照射強度は、たとえば7J/m2である。
【0023】
図1(C)を参照する。マスク20の貫通孔20aを透過した紫外線21が照射された液晶性材料中のモノマがポリマに重合硬化した結果、液晶層7の内部にポリマ壁9が形成される。ポリマ壁9はベンド配向した液晶分子を固定する。このようにして、液晶素子10を得ることができる。
【0024】
液晶素子10においては、ポリマ壁9に含まれる2周波駆動ネマティック液晶が、基板1,2の延在方向(配向方向)に対して略垂直に配向(ベンド配向)している。なお、一対の基板1,2間に挟持される液晶層7には、2つの透明電極5,6間に接続された電圧印加手段8により、任意の電圧を印加することができる。
【0025】
なお、紫外線21の照射されていない液晶性材料中に残った微量の未反応のモノマは、不純物となってしまうため、ポリマ壁9を形成した後、マスク20を除去し、液晶性材料の全体に紫外線21を照射してポリマ化させることが望ましい。
【0026】
更に、実施例による液晶素子の製造方法では、透明電極5,6間に電圧を印加することにより、2周波駆動ネマティック液晶をベンド配向させたが、たとえば磁界を用いてベンド配向させることもできる。
【0027】
実施例による液晶素子の製造方法によれば、液晶層7を構成する材料と、ポリマ壁9を構成する材料を同一とし、液晶素子10を効率的に製造することができる。
【0028】
図2(A)〜(E)は、液晶素子10の動作を説明するための概略図である。
【0029】
図2(A)を参照する。初期状態において、液晶素子10の液晶層7の中央部の液晶は、スプレイ配向をしている。
【0030】
図2(B)を参照する。電圧印加手段8により、誘電率異方性が正(Δε>0)となる領域の周波数、たとえば10Hzを有する、たとえば10Vの低周波数(LF)交流電圧を、透明電極5,6間に印加する。電圧の印加によって、液晶層7に含まれる二周波駆動ネマティック液晶は、電界方向と平行に配列しようとし、ベンド配向となる。
【0031】
図2(C)を参照する。図2(B)に示した状態から、両透明電極5,6間に印加した交流電圧を除去する。ポリマ壁9は、ベンド配向状態の二周波ネマティック液晶を含んで構成されている。このため、ポリマ壁9からは、液晶層7の液晶をベンド配向にするような規制力が働いており、その規制力が液晶層7の全体に伝搬する。このため、印加電圧除去後も、液晶層7に含まれる液晶は、ベンド配向を半永久的に保持することができる。
【0032】
図2(D)を参照する。次に、図2(C)に示す状態から、誘電率異方性が負(Δε<0)となる領域の周波数、たとえば10kHzを有する、10Vの高周波数(HF)交流電圧を、透明電極5,6間に印加する。電圧の印加によって、液晶分子は電界方向に対して垂直に配列しようとする。液晶層7に含まれる二周波ネマティック液晶は、スプレイ配向となる。
【0033】
図2(E)を参照する。図2(D)に示した状態から、両透明電極5,6間に印加した交流電圧を除去する。基板1,2に施されている水平配向処理のために、基板1,2と液晶層7との界面において、基板1,2から、液晶層7の液晶をスプレイ配向にするような規制力が働く。その規制力が液晶層7の全体に伝搬するため、印加電圧除去後も、液晶層7に含まれる液晶は、スプレイ配向を半永久的に保持することができる。
【0034】
なお、液晶素子10は、スプレイ配向状態とベンド配向状態とにおける液晶層7全体の液晶ダイレクタ歪みの総エネルギ量の極小値が等しくなるように形成されることが望ましい。ポリマ壁9の密度を調整することにより、2つの配向状態の総エネルギ量の調整を行うことができる。2つの安定状態間の励起エネルギが低すぎると双安定性が悪く、高すぎると配向状態を遷移させるために加える外部からのエネルギ(印加電圧)を大きくする必要がある。
【0035】
図3(A)〜(F)は、液晶素子10の液晶層7内部におけるポリマ壁9の形成態様の例を示す。
【0036】
図3(A)を参照する。ポリマ壁9は液晶層7内の表示領域周辺部に、閉曲線に沿って連続的に形成されている。
【0037】
図3(B)を参照する。ポリマ壁9は液晶層7内の表示領域周辺部に、閉曲線に沿って離散的に形成されている。
【0038】
図3(C)を参照する。ポリマ壁9は液晶層7中に、格子状に連続的に形成されている。
【0039】
図3(D)を参照する。ポリマ壁9は液晶層7中に、格子状に離散的に形成されている。
【0040】
図3(E)を参照する。ポリマ壁9は液晶層7中に、短冊状に連続的に形成されている。
【0041】
図3(F)を参照する。ポリマ壁9は液晶層7中に、短冊状に離散的に形成されている。
【0042】
液晶分子の配向は、最近接の配向構造の影響を最も強く受ける。図3(A)〜(F)のポリマ壁の配置は、目的とする表示に応じて選択すればよい。図3(C)〜(F)においては、画素と画素内のポリマ壁の配置は自由に選択できる。ポリマ壁の部分は表示を変更できないので、ブラックマスク等で遮光してもよい。
【0043】
図4は、液晶素子10の両側に偏光板11を、基板1,2の延在方向と略平行に配置した液晶ディスプレイを表す概略図である。図示のように、直交する3方向(X方向、Y方向、Z方向)を画定するとき、たとえば光60が入射する側の基板1には、平面視上X方向に水平配向処理が施されており、光60が出射する側の基板2にも、平面視上X方向に水平配向処理が施されている。また、2枚の偏光板11は、たとえば、基板1,2の配向方向に対して45°傾けた平行ニコルに配置される。光60が、たとえばZ方向から、液晶ディスプレイに入射する。
【0044】
電圧印加手段8により誘電率異方性が正(Δε>0)となる領域の周波数を有する交流電圧を印加し、液晶素子10の液晶配向状態をベンド配向としたとき、一方の偏光板11から入射した光60は他方の偏光板11を透過することができる。このため、液晶ディスプレイは、「明」を表示する。電圧印加手段8により誘電率異方性が負(Δε<0)となる領域の周波数を有する交流電圧を印加し、液晶素子10の液晶配向状態をスプレイ配向としたとき、一方の偏光板11から入射した光60は、他方の偏光板11を透過できない。このため液晶ディスプレイは、「暗」を表示する。
【0045】
印加電圧を除去しても、液晶分子がベンド配向している場合は、ポリマ壁9からの配向規制力により、液晶分子の配向はベンド配向状態を維持される。液晶分子がスプレイ配向をしている場合は、基板の水平配向構造からの配向規制力によりスプレイ配向が保持される。電圧印加手段8により、液晶層7に、液晶の配向状態を遷移させる電圧を印加するまでは、表示(明暗)の状態は半永久的に維持される。この液晶ディスプレイは、光学的に2つの状態(明暗)を表示することができ、2つの表示状態(明暗)が双安定性をもつ液晶ディスプレイである。
【0046】
図5(A)及び(B)は、偏光板を付与した液晶素子の光学顕微鏡写真である。平面視上平行な方向に水平配向処理が施されている一対の基板1,2を有する液晶素子10の両側に、偏光板を配置した。偏光板の配置は、偏光軸が光が入射する側の基板の配向方向と45°をなす平行ニコル配置とした。これは直交ニコル配置でもかまわない。
【0047】
図5(A)は、図2(B)に示したように、10V、10Hzの交流電圧を2つの透明電極間に印加し、液晶層に含まれる液晶をベンド配向にした液晶素子の光学顕微鏡写真である。一方の偏光板を透過して液晶素子に入射した光が、他方の偏光板から出射しているのがわかる。液晶素子が、液晶表示装置に用いられた場合、液晶素子は、この状態において、「明」を表示する。
【0048】
図5(B)は、図2(D)に示したように、10V、10kHzの交流電圧を2つの透明電極間に印加し、液晶層に含まれる液晶をスプレイ配向にした液晶素子の光学顕微鏡写真である。一方の偏光板を透過して液晶素子に入射した光は、他方の偏光板を透過していない。液晶素子が、液晶表示装置に用いられた場合、液晶素子は、この状態において、「暗」を表示する。
【0049】
実施例による液晶素子10は、液晶層7に、液晶の配向状態を遷移させる電圧を印加するまでは、電圧を印加し続けなくても、液晶層7に含まれる液晶のそれまでの配向状態が半永久的に維持される、双安定性を有する液晶素子である。ベンド配向、スプレイ配向、いずれの配向状態のときも、安定して配向状態を維持することができる。また、2つの配向状態は、周波数が異なる電圧を印加することで、何度でも切り替えることができる。この液晶素子10を用いて、超低消費電力型のディスプレイ、記録媒体等を製造することができる。また、基板間にポリマ壁9が形成されているため、この液晶素子10の強度は強い。したがって、たとえば基板をフレキシブルな透明プラスチックで形成した場合、この液晶素子は、曲げに対して強い耐久力を有する。このため、ハードな環境下で使用される電子ペーパーやICカード等にも応用可能である。
【0050】
この液晶素子は、液晶テレビ、各種モニタ、各種カードの表示などディスプレイ装置全般に利用が可能である。また、児童用玩具、紙、印刷物(新聞、雑誌、ポスターなど)の代替品(電子ペーパー)に利用することもできる。更に、カメラの絞り、ストロボの光量調整、印画紙用書き込み光源等の光学制御部品全般、光学メモリ(記録媒体)にも利用可能である。
【0051】
図6(A)及び(B)は、液晶素子10の変形例を示す。
【0052】
図6(A)を参照する。実施例による液晶素子10は、水平配向処理に当たって、基板1,2に配向膜を形成していないが、透明電極5,6上にそれぞれ配向膜13,14を形成し、液晶層7に含まれる液晶を略水平方向に配向させる、水平配向処理を施してもよい。
【0053】
図6(B)を参照する。実施例においては、基板1,2に水平配向処理を施し、ポリマ壁9に含まれる二周波駆動ネマティック液晶をベンド配向状態にしたが、基板1,2に垂直(ベンド)配向処理を施し、ポリマ壁9に含まれる二周波駆動ネマティック液晶を水平(スプレイ)配向状態にしてもよい。この場合、液晶層7に含まれる液晶には、基板1,2から液晶をベンド配向状態にするような規制力が働き、ポリマ壁9から液晶をスプレイ配向状態にするような規制力が働く。
【0054】
図6(B)に示す液晶素子は、図1(A)〜(C)を用いて説明した工程中、たとえば図1(A)に示す工程において一対の基板1,2に垂直配向処理を施し、図1(B)に示す工程において両透明電極5,6間に高周波電圧を印加して二周波駆動ネマティック液晶をスプレイ配向状態にした後、マスク20の貫通孔20aを通して紫外線を液晶性材料に照射し製造することができる。
【0055】
また、実施例に記したように、一対の基板1,2とポリマ壁9とがそれぞれ液晶層7に含まれる液晶をスプレイ配向、ベンド配向に配向させるのでなく、それぞれたとえば一対の基板1,2に、ほぼ平行、ほぼ垂直に配向させるように配向処理を施してもよい。
【0056】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、配向状態のメモリ性を有する高品質の液晶素子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)〜(C)は、実施例による液晶素子の製造方法を説明するための概略的な断面図である。
【図2】(A)〜(E)は、液晶素子10の動作を説明するための概略図である。
【図3】(A)〜(F)は、液晶素子10の液晶層7内部におけるポリマ壁9の形成態様の例を示す。
【図4】液晶素子10の両側に偏光板11を、基板1,2の延在方向と略平行に配置した液晶ディスプレイを表す概略図である。
【図5】(A)及び(B)は、偏光板を付与した液晶素子の光学顕微鏡写真である。
【図6】(A)及び(B)は、液晶素子10の変形例を示す。
【図7】(A)及び(B)は、従来の液晶素子を示す概略図である。
【符号の説明】
1、2 基板
3、4 透明基板
5、6 透明電極
7 液晶層
8 電圧印加手段
9 ポリマ壁
10 液晶素子
11 偏光板
13、14 配向膜
20 マスク
20a 貫通孔
21 紫外線
48 液晶素子
49、50 基板
51、52 透明基板
53、54 透明電極
55、56 配向膜
57、58 偏光板
59 液晶層
60 光
61 電圧印加手段
Claims (10)
- 一対の、配向処理を施され、電極を備える基板と、
前記基板間に、前記電極から電圧を印加されうるように、挟持される液晶層であって、ネマティック液晶を含んで形成される液晶層と、
配向したネマティック液晶を含み、前記基板間に、前記液晶層の内部に離散的に形成されるポリマ壁と
を有し、
前記一対の基板の各々の配向方向と、前記ポリマ壁に含まれるネマティック液晶の配向方向とが交差している液晶素子。 - 前記一対の基板の各々の配向方向と、前記ポリマ壁に含まれるネマティック液晶の配向方向とがほぼ直交している請求項1に記載の液晶素子。
- 前記ポリマ壁に含まれるネマティック液晶がベンド配向である請求項1または2に記載の液晶素子。
- 前記一対の基板の各々の配向方向が平面視上平行であって、プレティルトが同じ方向である請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶素子。
- 前記ネマティック液晶が二周波駆動ネマティック液晶である請求項1〜4のいずれか1項に記載の液晶素子。
- (a)一対の、電極を備える基板の、各々の一方の主面に、配向処理を施す工程と、
(b)ネマティック液晶及びモノマを含む光硬化型の液晶性材料を準備する工程と、
(c)前記一対の基板を、配向処理を施された主面同士を向き合わせて対向配置し、前記液晶性材料を前記一対の基板間に供給する工程と、
(d)前記一対の基板に備えられた電極間に電圧を印加して、前記一対の基板の各々の配向方向と交差する方向に、前記液晶性材料を配向させる工程と、
(e)前記配向させた液晶性材料の一部に光を照射して、光が照射された領域の前記液晶性材料に含まれるモノマを、前記ネマティック液晶を含ませながら重合硬化させ、離散的に、前記ネマティック液晶を含むポリマ壁を形成する工程と
を有する液晶素子の製造方法。 - 前記工程(c)において、前記一対の基板の各々の配向方向が平面視上平行であって、前記液晶性材料をプレティルトが同じ方向であるパラレル配向させるように、前記一対の基板を対向配置する請求項6に記載の液晶素子の製造方法。
- 前記工程(d)において、前記一対の基板の各々の配向方向とほぼ直交する方向に、前記液晶性材料を配向させる請求項6または7に記載の液晶素子の製造方法。
- 前記工程(d)において、前記液晶性材料をベンド配向させる請求項6〜8のいずれか1項に記載の液晶素子の製造方法。
- 前記ネマティック液晶が二周波駆動ネマティック液晶である請求項6〜9のいずれか1項に記載の液晶素子の製造方法。
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JPH0728039A (ja) * | 1993-07-15 | 1995-01-31 | Sharp Corp | 液晶表示素子およびその製造方法 |
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JPH10133206A (ja) * | 1996-11-05 | 1998-05-22 | Fujitsu Ltd | 液晶表示装置およびその製造方法 |
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