JP4963952B2 - 強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法 - Google Patents

強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は液晶表示素子、特に高速応答性を実現する強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal)を使用した液晶表示素子の製造方法に関する。
強誘電性液晶のうち、等方相、カイラルネマティック相(コレステリック相)、スメクティックＣ相の相系列をもつ強誘電性液晶は、高温より降温した場合に、図１２のような相転移をし、スメクティックＣ相では基板への液晶分子自身の投影成分が配向処理方向にほぼ同一となる。また基板面での層の角度は、スメクティックＣ相になった時のコーン角と層の傾斜角および配向処理方向の角度によって決まる。そのため図１２に示すように、配向処理方向に対して対称な二つの安定したドメインが存在してしまう。
そこで従来、二つの安定したドメインが存在する初期状態をモノドメイン化するために、カイラルネマティック層(コレステリック層)からスメクティックＣ相になる時の冷却速度のコントロールやＤＣ(直流電圧)印加などを行うようにしたものがある(例えば特許文献１、特許文献２参照)。また、セル内に隔壁を設け配向を制御する方法もある(例えば特許文献３参照)。
特開２００１−２６４８２２号公報 特開２００４−９３９６４号公報 特開平７−３１８９１２号公報
しかしながら、カイラルネマティック相(コレステリック相)からスメクティックＣ相に転移する温度近傍における冷却速度、その後の温度変化に伴うコーン角の変化や基板の表面状態などにより、基板平面内での配向方向に対する層の傾斜方向に沿って、平均した液晶の配列方向が正常領域とは異なる領域が、スペーサを起点として発生することがある。そのような領域が表示エリア内に発生すると、黒状態での輝度が上がり、コントラストが低下する。また、そのような領域がパネル面内に不均一に発生してしまった場合には、画質不良となってしまう。
この発明は、高速応答性を実現する強誘電性液晶を使用した液晶表示素子において、スペーサの配列と液晶配向方向の制御により、層構造の歪みによる表示ムラの発生をなくし、広いプロセスウィンドウを確保する強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法を提供することを目的とする。
この発明は、等方相、カイラルネマティック相又はコレステリック相、スメクティックＣ相の相系列をもつ強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法であって、一対の基板のいずれか一方の基板に形成されたブラックマトリックスによる遮光領域にスペーサを形成する工程と、前記一方の基板のスペーサを形成した側及び前記一対の基板の他方の基板の少なくとも一方に配向膜を形成する工程と、前記配向膜に配向処理を施し、完成された液晶表示素子において、配向処理方向に対して特定の傾きを持ってスペーサの位置を起点として線状に現れる配向歪み領域が前記遮光領域に重なるように遮光領域に対して傾きを持った歪み領域補償配向処理方向で前記配向処理を行う工程と、前記スペーサ及び配向膜が内側になるように前記一対の基板を貼り合わせ、間に前記強誘電性液晶を充填させて封止する工程と、を備えたことを特徴とする強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法にある。
この発明では、強誘電性液晶のコーン角および層の傾斜角により決まる平面内の層方向に沿って、スペーサを起点として発生する不均一な表示部すなわち配向歪み領域を、スペーサの配置と配向膜の配向処理方向を制御することにより遮光領域にシフトさせることにより、コントラストの向上および高画質化を実現することができる。
以下、この発明の強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法を図面に従って説明する。最初にこの発明の原理について説明する。図１に強誘電性液晶のスメクティックＣ相におけるコーンの模式図を示す。θ１はコーン角、θ２はコーンの液晶表示素子のガラス基板面と平行な面に対する層の傾斜角であり、これらは強誘電性液晶材料により決まる特性である。θ３はコーンが傾斜角θ２だけ傾いたことによるガラス基板面と平行な該面内でのコーン角である見かけ上のコーン角である。
図２に図１のコーンをガラス基板面と平行な面に投影した時の模式図を示す。ＲＤは配向処理方向、ＬＣＡＤは液晶配向方向を示す。カイラルネマティック相(コレステリック相)からスメクティック相に相転移し常温まで放置した時の基板への液晶分子自身の投影成分が、配向処理方向ＲＤとはややずれた位置となっている。このように等方相、カイラルネマティック相(コレステリック相)、スメクティックＣ相の相系列をもつ強誘電性液晶は、基板平面内で配向処理方向に対して傾斜角を持った層構造を作る。
そのためカイラルネマティック相(コレステリック相)からスメクティックＣ相への転移温度近傍での冷却の温度勾配や、その後の温度変化によって層に沿った歪みを発生することがある。図３には、ブラックマトリックスにより光が遮蔽される縦方向領域と横方向領域からなる直角をなす格子形状を有する遮光領域ＢＡ、配向処理方向ＲＤ、スペーサ２０、配向歪み領域ＤＡの関係を示す。図３に示すように、特に液晶が間に充填される一対の基板間に設けられる例えば柱状スペーサ等のスペーサ２０が使用された場合には、そのスペーサ２０を起点として液晶の配向方向が歪んだ配向歪み領域ＤＡが発生する。この配向歪み領域ＤＡでは、平均した液晶の配向方向が通常領域と異なるため、黒輝度が上がりコントラストが下がったり、発生の均一度によっては表示不良となることがある。
そこでこの発明では、図４に示すように、スペーサ２０をブラックマトリックスにより光が遮蔽される遮光領域ＢＡの縦方向領域と横方向領域の交点の位置に配置し、上述の基板平面内での配向処理方向からの層の傾斜角を考慮した上で、層の方向すなわち配向歪み領域ＤＡの方向が遮光領域ＢＡと平行に重なるように歪み領域補償配向処理方向ＣＲＤとして配向処理方向を決めて、配向膜の配向処理を行う。なお、スペーサ２０は少なくとも遮光領域ＢＡ内に形成されればよい。
図５〜図９にはこの発明の一実施の形態による強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法を断面図で示し、以下これに従って製造方法につてを説明する。最初に、一方が表示制御部品としてデータラインやゲートライン等の信号配線、データラインとゲートラインとの交差部のＴＦＴやピクセル電極等(共に図示省略)を形成したＴＦＴ−アレイ基板、他方が表示制御部品としてカラーフィルタ、共通電極、ブラックマトリックス等(共に図示省略)を形成したカラーフィルタ基板からなる一対のそれぞれガラス基板からなる第１基板と第２基板を準備する。なお、第１基板及び第２基板に形成されている表示制御部品は上記のものに限定されるものではい。
そして図５に示すように、例えば第１基板１ａの、カラーフィルタ基板側に形成されたブラックマトリックスによる遮光領域(図４参照)にスペーサ２０をそれぞれ形成する。スペーサ２０の数に限定はない。また、スペーサ２０の形状も柱状やブロック形状等、特に限定されない。
次に図６の(ａ)、(ｂ)に示すように、第１基板１ａのスペーサ２０を形成した面及び上述の第２基板１ｂの主面に配向膜２を形成する。なお、配向膜２はこれらの一方に形成するだけでもよい。
次に図７に示すように、形成した配向膜２にそれぞれ、ラビングによる配向処理を施す。この時の配向処理は、図４に示すように、完成された液晶表示素子において配向処理方向に対して特定の傾きを持ってスペーサ２０の位置を起点として線状に現れる配向歪み領域ＤＡが遮光領域ＢＡに重なるように遮光領域ＢＡに対して傾きを持った歪み領域補償配向処理方向ＣＲＤで行う。なお、配向処理はラビングに限らず、ＵＶ光やイオンビームの照射による配向処理の場合においても、同様に上述の歪み領域補償配向処理方向ＣＲＤで配向処理を行うことで同様な効果が得られる。
次に図８に示すように、第１基板１ａの周縁部にシーラント３の材料として例えばＵＶ硬化材を塗布する。なお第２基板１ｂ側にシーラント３の材料となるＵＶ硬化材を塗布してもよい。
その後、図９に示すように、スペーサ２０及び配向膜２が内側になるように第１基板１ａと第２基板１ｂを貼り合わせ、間に強誘電性液晶４を充填し、ＵＶ光を照射してＵＶ硬化材を硬化させて封止する。
また、図８、図９に示す工程として以下に示す別の方法もある。図８に示すように、第１基板１ａの周縁部にシーラント３の材料として例えば熱硬化材を塗布する。なお第２基板１ｂ側にシーラント３の材料となる熱硬化材を塗布してもよい。
その後、図９に示すように、スペーサ２０及び配向膜２が内側になるように第１基板１ａと第２基板１ｂを貼り合わせ、シーラントを熱硬化させた後に強誘電性液晶４を充填し、強誘電性液晶４を充填した注入口(図示省略)にＵＶ硬化型の封止材を塗布し、ＵＶ光を照射してＵＶ硬化型の封止材を硬化させて封止する。
また、以上のことを考慮して、以下のような実験を行った。一対の基板の一方に感光性樹脂よりなる柱状スペーサを形成する。そして両方の基板についてそれぞれ、主面にポリイミド膜からなる配向膜を形成、カラーフィルタ基板側に形成されているブラックマトリックスによる遮光領域に平行な方向にラビングにより配向処理を行った。次にいずれか一方の基板の周縁部にシーラントとして熱硬化材を塗布し、その後、配向方向がアンチパラレル(方向が逆で平行)になるように２枚の基板を貼り合せ、シーラントを熱硬化させた後、２枚の基板間に常温でのコーン角が約５５°の強誘電性液晶を充填し、ＵＶ硬化させ封止しセルを作製した。
作製したセルを約７０℃まで過熱後、約２．５℃／ｍｉｎの冷却速度で５５℃まで冷却後、自然冷却にて室温まで戻した。冷却途中、カイラルネマティック相とスメクティックＣ相の相転移温度の±５℃の範囲で直流電流(ＤＣ)を印加した。その時のパネルの一部に図１０のような柱状のスペーサ２０を起点とする配向歪み領域ＤＡが発生し、基板平面内での配向処理方向ＲＤから約７０°ずれており、コーン角５５°、層の傾斜角を１４°とした値とほぼ同じ値を示した。また液晶の平均的な配向方向を測定した結果、図１０の領域Ａではラビングの方向から３.３°、領域Ｂでは２.３°、領域Ｃでは４.３°ずれており、領域Ｂ、Ｃでの液晶の配向方向は柱状のスペーサ２０の側面での液晶配向方向が影響していると考えられる。
さらに、波長５４６ｎｍを使用する測定機でコントラストを測定したところ、領域Ａだけのコントラストは６６１となるが、領域Ｂ、Ｃを含む範囲でコントラストを測定すると２６１となった。この原因は、領域Ｂ、Ｃでの平均した液晶の配向方向が領域Ａとずれているために、黒輝度が沈まなくなっている(輝度が設計値まで下がらない)ことと、Ｂ領域での液晶の配向性が他と比べて悪いためだと考えられる。
そこでこの発明による強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法では、基板に形成された配向膜の配向処理の際に配向処理方向を、従来のブラックマトリックスにより光が遮蔽される遮光領域と平行な配向処理方向から回転させて、スペーサを起点として発生する配向歪み領域が遮光領域と重なるようにした。
上記のことから、図１０に示す従来の遮光領域に平行なラビング方向(配向処理方向)から、歪み領域補償配向処理方向ＣＲＤとして図１１に示すように２０°回転した方向にラビングしたところ、図１１に示すようなスペーサを起点として発生する配向歪み領域が遮光領域と重なる配向状態を得ることができた。
以上のように、強誘電性液晶のコーン角および層の傾斜角により決まる平面内の層方向に沿って、スペーサを起点として発生する不均一な表示部である配向歪み領域を、スペーサの配置と液晶の配向方向を制御することにより遮光領域にシフトさせることにより、コントラストの向上および高画質化を実現し、さらに広いプロセスウィンドウを確保することができた。
強誘電性液晶のスメクティックＣ相におけるコーンの模式図である。 図１のコーンをガラス基板面と平行な面に投影した時の模式図である。 従来の液晶表示素子の製造方法における遮光領域、配向処理方向、スペーサ、配向歪み領域の関係を示す図である。 この発明による液晶表示素子の製造方法における遮光領域、歪み領域補償配向処理方向、スペーサ、配向歪み領域の関係を示す図である。 この発明の一実施の形態による強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法を説明するための断面図である。 図５に続く製造方法を説明するための断面図である。 図６に続く製造方法を説明するための断面図である。 図７に続く製造方法を説明するための断面図である。 図８に続く製造方法を説明するための断面図である。 この発明に基づき行われた実験の結果を説明するための模式図である。 この発明に基づき行われた実験の結果を説明するための模式図である。 等方相、カイラルネマティック相又はコレステリック相、スメクティックＣ相の相系列をもつ強誘電性液晶について説明するための図である。
符号の説明
１ａ，１ｂ 基板、２ 配向膜、３ シーラント、４ 強誘電性液晶、２０ スペーサ、Ａ，Ｂ，Ｃ 領域、ＢＡ 遮光領域、ＣＲＤ 歪み領域補償配向処理方向、ＤＡ 配向歪み領域、ＬＣＡＤ 液晶配向方向、ＲＤ 配向処理方向、θ１ コーン角、θ２ 傾斜角、θ３ 見かけ上のコーン角。

Claims (5)

  1. 等方相、カイラルネマティック相又はコレステリック相、スメクティックＣ相の相系列をもつ強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法であって、
    一対の基板のいずれか一方の基板に形成されたブラックマトリックスによる遮光領域にスペーサを形成する工程と、
    前記一方の基板のスペーサを形成した側及び前記一対の基板の他方の基板の少なくとも一方に配向膜を形成する工程と、
    前記配向膜に配向処理を施し、完成された液晶表示素子において、配向処理方向に対して特定の傾きを持ってスペーサの位置を起点として線状に現れる配向歪み領域が前記遮光領域に重なるように遮光領域に対して傾きを持った歪み領域補償配向処理方向で前記配向処理を行う工程と、
    前記スペーサ及び配向膜が内側になるように前記一対の基板を貼り合わせ、間に前記強誘電性液晶を充填させて封止する工程と、
    を備えたことを特徴とする強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法。
  2. 一対の基板の一方に配向膜を形成し、前記歪み領域補償配向処理方向で配向処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法。
  3. 一対の基板のそれぞれに配向膜を形成し、それぞれに前記歪み領域補償配向処理方向で配向処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法。
  4. 歪み領域補償配向処理方向の遮光領域に対する傾きが強誘電性液晶のスメクティックＣ相のコーン角と層の傾斜角に基づくことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法。
  5. ブラックマトリックス及び遮光領域が直角をなす格子形状を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の強誘電性液晶を使用した液晶表示素子の製造方法。
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