JPH03293625A - Ｓｔｎ型液晶表示素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はワードプロセッサやラップトツブパソコンなと
のオフィスオートメーション（ＯＡ）　用ものである。

従来の技術 液晶表示素子は低電圧、低消費電力を特徴とするもので
あり、計測器の操作パネル、腕時計、テレビ、コンピュ
ータ端末など多くの分野で採用されてきている。この液
晶表示素子の駆動方式は、大別して、アクティブマトリ
クス方式と単純マトリクス方式に分けられる。前者は各
画素の一つ−っにＴＰＴやＭＵＭなどのスイッチング素
子を付けた構成をしており、構成が複雑で製造コストが
高く、大面積のパネル作成が困難という問題点を有して
いるものの、優れた表示品質を特徴としている。一方、
後者の単純マトリクス方式は画質の点ではアクティブマ
トリクス方式に及ばないものの、大面積パネルが作り易
いことや製造コストが低いという特徴を有している。現
在のところ、高画質が要求されるテレビ表示にはアクテ
ィブマトリクス方式が用いられ、低コスト、大画面の要
求されるＯＡ用デイスプレィには単純マトリクス方式が
用いられている。

このような状況を背景とし、単純マトリクス方式におけ
る高画質化のニーズは極めて高く、走査線の数は次第に
多くなってきている。しかしながら走査線の数Ｎが大き
くなるにつれてオン電圧とオフ電圧の比αが１に近づき
充分なコントラストが得られなくなってしまうという問
題点かある。

これに対してパネル内の液晶分子の捻り角を更に大きく
し、電圧−透過率曲線における特性の立ち上がりを更に
急峻にすることにより、高いコントラストを得ようとい
う取り組みが積極的に行われている（これがＳＢＥモー
ド、あるいはＳＴＮモードと言われているものである）
。

一般にこの急峻性は、液晶材料の弾性定数、誘電率、誘
電率の異方性や液晶−配向膜界面の結合エネルギーなど
が影響を及ぼすことが知られている。そして、液晶分子
の配列を大きくねじるためには、配向膜表面における液
晶分子の傾き角（チルト角）を大きくとる必要がある。

しかしながら、液晶の傾き角を大きくすることは、エネ
ルギー的に液晶配列の不安定性を増すことになる。

ふつう液晶表示素子の設計では室温で最適設計されるが
、液晶表示素子の使用温度範囲は通常、０℃〜４０℃、
あるいは０℃〜６０℃であり、バックライト使用時には
素子温度は雰囲気温度よりも２０度近く高くなるなど最
適条件から外れた条件で使用する場合も少なくない。特
に、ＳＴＮ型液晶表示素子においては液晶材料の弾性エ
ネルギー、液晶−配向膜界面の結合エネルギー、印加電
圧である外部エネルギー、更には駆動に伴うエネルギー
損失などのエネルギーバランスが重要であり、最適設計
の条件から大きくずれると液晶分子の配向不良が発生す
る。

また、セルギャップばらつきやラビング処理配向膜の表
面状態の変動などの液晶表示素子の特性ばらつきを製造
工程上完全に抑えることは困難であり、液晶表示素子の
設計値にある程度のマージンをみる必要がある。

通常このマージンはセルギャップ（ｄ）と液晶材料のヘ
リカルピッチ（ｐ）との比であるｄ／ｐ値の許容範囲で
もって定義されており、その下限はアンダーツイスト（
低次ツイスト）の発生しない最小のｄ／ｐ値で規定され
、上限はストライプドメインの発生しない最大のｄ／ｐ
値で規定されている。

しかしながら、充分広いマージンを有する液晶表示素子
はまだ提案されていない。

発明か解決しようとする課題 また、マージンを広げることを目的として、液晶材料の
分子設計の立場から様々な取り組みがなされてきている
が、マージンの広さは液晶材料の弾性定数、誘電率や配
向膜との結合エネルギーなとに依存しており、一般には
液晶表示素子の電気光学特性の急峻性とはトレードオフ
の関係にあり、ＳＴＮ型用液晶材料として充分なものは
まだ得られていない。また、配向膜材料からの取り組み
においては、液晶分子の傾き角を大きくすることにより
マージンを広くする検討が積極的に行われているが、均
一性の良い、信頼性の高い配向膜材料あるいは膜製造条
件はまだ得られていない。

このような状況に鑑み、本発明は素子構成を最適化する
ことによりマージンの広い液晶表示素子を提供すること
を目的とするものである。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明は、対向する２枚の
基板のそれぞれの配向膜表面での液晶分子の傾き角を相
異なるように構成したものである。

また、本発明は、対向する２枚の基板のそれぞれの配向
膜の表面エネルギーを相異なるように構成したものであ
る。

作用 本発明によれば、配向膜の液晶分子に及ぼす影響を上下
２枚の基板で異なるようにしてストライプドメインの発
生を抑えることにより、マージンを広くするものである
。

ストライブドメインは液晶表示素子に閾値電圧付近の電
圧を印加した時に素子中央部の液晶分子か基板面に対し
て水平の位置より＋側と一側の２方向に傾くことによる
ものであり、低チルト配向膜材料を用いた場合にはその
発生確率は非常に高い。すなわち、ストライブドメイン
発生の必要条件は２つあり、１つは液晶分子の傾き角が
小さいことであり、２つ目は配向膜の液晶層に及ぼす効
果か上下基板で対称であるということである。

本発明はＳＴＮ型液晶表示素子において、配向膜上液晶
分子の傾き角、あるいは、配向膜の表面エネルギーの大
小に起因する配向膜の液晶分子に及ぼす影響を上下基板
で異なるように設計したものであり、これによりストラ
イプドメインの発生を大幅に抑制することができる。す
なわち、本発明によれば、配向膜表面での液晶分子の傾
き角力それ程大きくない場合でも、素子中央部での液晶
分子の傾きに方向性を持たせることができるため、液晶
分子の２方向チルトに起因するストライプドメインの発
生を大幅に下げることができる。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。なお
、本実施例ではマージンの評価は次の方法によって行っ
た。すなわち、液晶材料の屈折率異方性Δｎと液晶層厚
ｄとの積が０．８５μｍとなるような評価セルを多数個
作成し、これらのセルにコレステリックピッチｐの異な
る液晶材料をそれぞれ注入した後、顕微鏡によりそれら
の配向性を評価した。そして、マージン下限は電圧無印
加の状態でアンダーツイスト（低次ツイスト）が認めら
れない最小のｄ／ｐ値（ｄ／ｐｉとする）でもって定義
した。一方、マージン上限はそれぞれのセルに閾値電圧
付近の電圧（６０Ｈｚ、矩型波）を印加した時に、スト
ライプドメインが認められない最大のｄ　／　ｐ値（ｄ
　／　ｐ　２とする）でもって定義した。

ここにおいて、ｄ／ｐｉ≧ｄ／ｐ　２の時にはマージン
か存在しないことを表している。一方、急峻性は２５℃
の温度で評価セルを１／４００デユーテイ、１／２１バ
イアスで駆動した時の■８０／Ｖ２０の比でもって定義
した。ここにおいて、Ｖ２Ｏ，Ｖ２Ｏはそれぞれ評価セ
ルの透過率か２０％、８０％変化するに要する電圧値を
表している。。また、以下の実施例においてはラビング
密度を２００とした。

（実施例１） ＩＴＯ電極を有する１４枚のガラスからなる基板に、日
産化学側製ポリイミド塗料ＲＮ−７２１（４，０ｗｔ％
、ＮＭＰ溶液）をスピンコード法にて塗布し、このうち
７枚の基板は１７０°Ｃ，１時間、残りの７枚の基板は
２５０℃、１時間の硬化条件にて硬化させる。その後、
液晶分子のセル内の捻れ角が２４０度となるよう第１図
のように基板にラビングを施し、６．７５μｍのガラス
ファイバを介して配向膜の硬化温度が１７０℃のものと
２５０℃のものを相対向させてシール樹脂で貼り合わせ
る。この時のラビング処理における押し込み量は０．２
＋ｎｍである。次にカイラル成分として含まれているＳ
−８１１の混合割合か異なるメルク社製ＳＴＮ用液晶材
料ＺＬＩ−４３３５をこれらの７つのセルに注入して、
液晶表示素子Ａ１〜Ａ７を作成した。

本実施例で用いた配向膜の硬化温度と配向膜表面での液
晶分子の傾き角との関係は、別途液晶層厚２０μｍのホ
モジニアスセルを作成し、クリスタルローテーンヨン法
にて測定した。測定結果を第１表に示す。

ここで、液晶表示素子Ａ１〜Ａ７におけるマージンの評
価結果を第２表に示す。また、良好な配向状態の得られ
ているＡ３セルについて急峻性を測定したところ１．０
５の値が得られた。

第 １ 表 （比較例１） 実施例１の比較対象として、配向膜の硬化を上下基板と
も１７０℃で行うこと以外は、実施例１と全く同様にし
てＳＴＮ型液晶表示素子Ｂ１〜Ｂ７を作成した。マージ
ンの評価結果を第２表に併せて示す。また、良好な配向
状態の得られたＢ３セルについて急峻性を測定したとこ
ろその値は１．０５であった。

（以　　下　　余　　白） 液晶分子の傾き角内上の点からは硬化温度は低いほうが
有利であるが、硬化温度が低いと膜のイミド化率を高く
することができないため、これ以上硬化温度を下げるこ
とは信頼性の点から好ましくない。

第２表よりも明らかなように、本実施例の液晶表示素子
は、配向膜表面での液晶分子の傾き角が上下基板で相異
なるため、従来のものに比べて広いマージンを有するこ
とができ（Ａ３〜Ａ５）、実用上極めて有用である。ま
た、本実施例の液晶表示素子はマージンが広いにも拘ら
ず電気光学特性の急峻性を損なうことがない。また本実
施例によれば、配向膜硬化温度の違いにより同じ配向膜
材料であっても配向する液晶分子の傾き角を変えること
かできる。

（実施例２） ＩＴＯ電極を存する１４枚のガラスからなる基板に、チ
ッソ石油化学側型ポリイミド塗料Ｐｓ１２３０１　（４
，０ｗｔ％、ＮＭＰ溶液）をスピンコード法にて塗布し
、２００℃、１時間の硬化条件にて硬化させる。その後
、液晶分子のセル内の捻れ角が２４０度となるよう第１
図のように基板にラビングを施し、６．５μｍのガラス
ファイバを介して基板を２枚ずつ相対向させてンー・ル
樹脂で貼り合わせる。この時のラビング条件を第３表に
示す。次にカイラル成分として含まれている５８１１の
混合割合が異なるメルク社製ＳＴＮ用液晶材料ＺＬ　ｌ
−２２９３をこれらのセルに注入して、それぞれ液晶表
示素子０１〜ｃ７を作成した。

本実施例のラビング条件と配向膜表面での液晶分子傾き
角との関係は、別途液晶層厚２０μｍのホモ’；　＝ア
スセルヲ作成し、クリスタルローテンジン法にて測定し
た。その結果、押し込み量０．１ｍｍと０．４証での液
晶分子の傾き角は、それぞれ８度と５度であった。

また液晶表示素子Ｃ１〜ｃ７におけるマージンの評価結
果を第３表に示す。また、良好な配向状態の得られてい
るＣ３セルについて急峻性を測定したところ１．０６の
値が得られた。

（比較例２） 実施例２の比較対象として配向膜のラビング処理を上下
基板とも０．１＋ｍｎの押し込み量で行うこと以外は、
実施例２と全く同様にしてＳＴＮ型液晶表示紫子Ｄ１〜
Ｄ７を作成した。マージンの評価結果を第３表に併せて
示す。また、良好な配向状態の得られたＤ３セルについ
て急峻性を測定したところその値は１．０５であった。

（以　　下　　余　　白） 第３表より明らかなように、本実施例の液晶表示素子は
、上下配向膜のラビング処理条件（ラビング押込み量）
を相異ならせることにより従来のものに比へて広いマー
ジンを有することができ（Ｃ３）、実用上極めて有用で
ある。

（実施例３） ＩＴＯ電極を有する１４枚のガラスからなる基板を用意
し、このうち７枚の基板には日産化学■製ポリイミド塗
料ＲＮ−７２０（４，０ｗｔ、　％ＮＭＰ溶液）を、残
りの７枚の基板には日立化成■製ポリイミド塗料ＰＩＸ
−５４００（４、Ｏｗ　ｔ。

％、ＮＭＰ溶液）を、それぞれスピンコード法にて塗布
し、２００６Ｃ，１時間の硬化条件にて硬化させる。そ
の後、液晶分子のセル内の捻れ角が２４０度となるよう
第１図のように基板にラビングを施し、５μｍのガラス
ファイバを介して、配向膜材料か異なる基板同士を相対
向させてシール樹脂で貼り合わせる。この時のラビング
処理の押し込み量は０．１ｍｍであった。次にカイラル
成分として含まれているＳ−８１１の混合割合か異なる
メルク社製ＳＴＮ用液晶材料ＺＬＩ−４４４８をこれら
の７つのセルに注入して、液晶表示素子Ｅ１〜Ｅ７を作
成した。

本実施例で用いた配向膜表面での液晶分子の傾き角は、
別途液晶層厚２０μｍのホモンニアスセルを作成し、ク
リスタルローテーション法にて測定したところ、ＲＮ−
７２０の場合が６度、ＰＩＸ−５４００の場合が１度で
あった。

液晶表示素子Ｅ１〜Ｅ７におけるマージンの評価結果を
第４表に示す。また、良好な配向状態の得られているＥ
４セルについて急峻性を測定したところ１．０７の値か
得られた。

（比較例３） 実施例３の比較対象として、配向膜材料が上下基板とも
ＲＮ−７２０であること以外は、実施例３と全く同様に
してＳＴＮ型液晶表示素子Ｆ１〜Ｆ７を作成した。マー
ジンの評価結果を第４表に併せて示す。また、良好な配
向状態の得られたＦ４セルについて急峻性を測定したと
ころその値は１．０６であった。

評価セル中央での液晶分子の傾き角はセルＦに比べてセ
ルＥのほうが小さいにも拘らず、マージンは広くなって
おり（Ｅ４）、本実施例の効果は明らかである。

このように、上下基板における配向膜表面の状態に非対
称性を導入する１つの手法は配向膜材料を相異なるもの
を用い液晶分子の傾き角を変える方法であるが、次に示
す配向膜表面の表面エネルギー、即ち配向規制力を変え
る方法も有効である。

（実施例４） ＩＴＯ電極を有する１４枚のガラスからなる基板を用意
し、このうち７枚の基板には日産化学■製ポリイミド塗
料ＲＮ−７１８（４，０ｗｔ％。

ＮＭＰ溶液）を、残りの７枚の基板にはａ−メチルポリ
スチレン（７０重量部）とｐ−クロルポリスチレン（３
０重量部）とのブレンド品（１，５ｗｔ％、トルエン溶
液）を、それぞれスピンコード法にて塗布し、前者は２
００℃、１時間の硬化条件で熱処理し、後者は１３０℃
、３０分の熱処理を施す。その後、液晶分子のセル内の
捻れ角か２４０度となるよう第１図のように基板にラヒ
ングを施し、５μｍのガラスファイバを介して、配向膜
材質か異なる基板同士を相対向させてンール樹脂で貼り
合わす。この時のラビング処理における押し込み量は０
．１ｍであった。次にカイラル成分として含まれている
Ｓ−８１１の混合割合か異なるメルク社製ＳＴＮ用液晶
材料ＺＬＩ−４４４８をこれらの７つのセルに注入して
、液晶表示素子Ｇ１〜Ｇ７を作成した。

本実施例で作成した配向膜においては配向膜表面での液
晶分子の傾き角は、別途液晶層厚２０μｍのホモノニア
スセルを作成し、クリスタルローテーンヨン法にて測定
したところ、いずれの配向膜表面でも５度であった。液
晶分子の傾き角は、配向膜表面での疎水性基の割合や、
表面官能基のかさ高さ、配向膜表面の物理プロフィール
なとに依存しており、必すしも配向規制力とは１１の対
応をしていない。ポリスチレンのように液晶分子との相
互作用か、高分子主鎖よりも高分子側鎖で大きい配向膜
などは、一般に配向規制力は弱い。　液晶表示素子０１
〜Ｇ７におけるマージンの評価結果を第５表に示す。ま
た、良好な配向状態の得られているＧ３セルについて急
峻性を測定したところ１．０４の値が得られた。

（比較例４） 実施例４の比較対象として配向膜材料が上下基板ともＲ
Ｎ−７１８であること以外は、実施例４と全く同様にし
てＳＴＮ型液晶表示素子Ｈ１〜Ｈ７を作成した。マージ
ンの評価結果を第５表に併せて示す。また、良好な配向
状態の得られたＨ３セルについて急峻性を測定したとこ
ろその値は１．０５であった。

（比較例５） 実施例４の比較対象として配向膜材料が上下基板ともα
−メチルポリスチレン（７０重量部）とｐ−クロルポリ
スチレン（３０重量部）とのブレンド品であること以外
は、実施例４と全く同様にしてＳＴＮ型液晶表示素子１
１〜■７を作成した。

マージンの評価結果を表５に併せて示す。また、良好な
配向状態の得られた Ｉ ３セルについて急峻 性を測定したところその値は１．０４であった。

（以 下 余 白） また、第２図は実施例４における比較例４および比較例
５で作成した評価セルＨ３と１３の電圧容量特性（ＣＶ
特性）を示すものである。この第２図より、それぞれの
配向膜の表面エネルギーが大きく異なることか分かる。

ここにおいて、電圧−容量特性はＹＨＰ社製精密ＬＣＲ
メータＨＰ４２８４Ａを用い、ＩＫＨｚ、正弦波にて測
定した。ここでＣは電圧印加時のセルの静電容量であり
、ＣＯは電圧無印加時のセルの静電容量である。実施例
４からも明らかなように、配向規制力の異なる配向膜材
料（即ち、表面エネルギーの異なる配向膜材料）をそれ
ぞれの基板上に有する液晶表示素子は幅広いマージンを
有している（Ｇ２−Ｇ４）。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、上下配向膜の表面状態
に積極的に非対称性を導入したものであり、急峻性を損
なうことなく、幅広いマージンを得ることかでき、実用
上極めて有用なＳＴＮ型液晶表示素子を提供するもので
ある。また、配向膜材料としても、液晶分子の傾き角が
１０度以下の比較的安定な材料を用いることができ、そ
の価値は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に用いた評価セルのラビング方向を説
明する平面図、　第２図は静電容量−電圧特性（ＣＶ特
性）の配向膜依存性を説明する特性図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明電極を有する一対の基板上にそれぞれ配向膜
   を設けるとともに、この基板を相対向させて基板間に液
   晶を封入することにより構成され、かつ前記配向膜表面
   での液晶分子の傾き角を両基板において相異ならせたこ
   とを特徴とするＳＴＮ型液晶表示素子。
2. （２）透明電極を有する一対の基板上にそれぞれ配向膜
   材料を配置し、それぞれ異なる硬化温度で配向膜材料を
   硬化することで配向膜を形成し、この基板を相対向させ
   て基板間に液晶を封入する請求項１記載のＳＴＮ型液晶
   表示素子の製造方法。
3. （３）透明電極を有する一対の基板上にそれぞれ配向膜
   を設け、それぞれ相異なるラビング条件にて配向膜にラ
   ビングを施し、この基板を相対向させて基板間に液晶を
   封入する請求項１記載のＳＴＮ型液晶表示素子の製造方
   法。
4. （４）透明電極を有する一対の基板上にそれぞれ配向膜
   を設けるとともに、この基板を相対向させて基板間に液
   晶を封入することにより構成され、かつ前記配向膜表面
   の表面エネルギーを相異ならせたことを特徴とするＳＴ
   Ｎ型液晶表示素子。