JPH0580335A - 液晶表示素子および液晶配向膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】液晶分子を均一配向させることができ、かつ干
渉効果を抑制できる液晶配向膜を製造し、表示品位の良
好な液晶表示素子を提供する。 【構成】ガラス基板１の一方の主面に形成された電極上
に感光性高分子薄膜２を形成し、不規則な遮光パターン
が形成されたマスク１１を介して感光性高分子薄膜２を
露光し、現像することにより液晶配向膜３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子および液晶
表示素子に用いられる液晶配向膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示素子の液晶配向膜の製造
方法としては、ラビング法、斜方蒸着法、ＬＢ法、レプ
リカ法、フォトリソグラフィー法など種々の方法が知ら
れている。ラビング法は、基板上にポリイミドに代表さ
れる有機高分子薄膜を印刷などにより形成した後、布な
どにより軽く摩擦して液晶配向能を付与する方法であ
る。斜方蒸着法は、基板上に酸化ケイ素などを斜方蒸着
することにより配向膜を形成する方法である。

【０００３】ＬＢ法は、水面上にラングミュア・ブロジ
ェット膜（ＬＢ膜）を展開し、基板を水中から水面上に
引き上げて基板上に転写し、ＬＢ膜を構成する分子を引
き上げ方向に沿って配向させて配向膜とする方法であ
る。

【０００４】レプリカ法は、基板上に高分子薄膜を形成
し、この高分子薄膜に微細加工が施された型を押し当て
て型の微細パターンを転写して液晶配向能を付与する方
法である。

【０００５】フォトリソグラフィー法は、基板上に感光
性樹脂を形成し、この感光性樹脂をマスクを通して露光
し、現像して樹脂表面に微細な凹凸を形成することによ
り液晶配向能を付与する方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ラビング法は簡単な装
置で実施できる。しかし、有機高分子薄膜を印刷する前
の基板の洗浄工程、有機高分子の印刷工程、ラビング工
程、ラビング後の基板の洗浄工程が必要であり、工程数
が多い。また、ピンホールの発生、ラビングによる有機
高分子薄膜の損傷や剥離、ラビング布からの発塵、均一
な配向性を再現することが困難である、などの欠点があ
る。また、例えば薄層トランジスタ（ＴＦＴ）をスイッ
チング素子として用いた液晶表示素子の場合には、ラビ
ング中に発生する静電気により基板上のトランジスタの
静電破壊が生じ、表示欠陥が生じるという問題がある。
斜方蒸着法は、装置が大がかりになるうえ、処理時間が
長く、１回の処理当たりの基板の処理枚数に制約がある
ため、量産には不向きである。

【０００７】ＬＢ法では、分子オーダーでの液晶配向能
力を有する配向膜を形成することが期待できる。しか
し、成膜前の基板の洗浄、および基板表面の親水処理ま
たは疎水処理が必要であり、しかも成膜中に塵が存在す
ると膜はじき、膜落ちが生じるなど、不均一成膜の問題
がある。また、引上げ速度が遅いため成膜時間が長く、
成膜処理を繰り返して累積膜を形成することを考慮する
と、大量生産には不向きである。

【０００８】レプリカ法では、実際に高分子薄膜に型を
押し当てて均一な凹凸を形成するには大きな圧力を加え
なければならず、ガラス基板およびガラス基板上に形成
されたＴＦＴ素子に悪影響を及ぼすおそれがある。な
お、特開昭５８−１００１２１号公報には、レプリカ法
により高分子薄膜に凹凸を転写する際に、基板を加熱し
て高分子薄膜を軟化させ、凹凸を形成するのに要する圧
力を小さくすることが記載されている。しかし、本発明
者らの研究によれば、基板を加熱するだけでは良好な液
晶配向膜が得られないことが判明した。一方、フォトリ
ソグラフィー法は、配向膜表面に均一に凹凸を形成する
ことができ、均一配向性を付与することができる。

【０００９】しかし、フォトリソグラフィー法およびレ
プリカ法のいずれでも、規則正しい間隔で凹凸パターン
を形成すると、干渉効果により光のスペクトルが現れ、
表示品位に悪影響を及ぼすという問題があった。本発明
の目的は、液晶分子を均一配向させることができ、かつ
液晶配向膜の干渉効果を抑制でき、表示品位を向上でき
る液晶表示素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段と作用】本発明の液晶表示
素子は、それぞれ一方の主面に電極および液晶配向膜を
有する１対の基板を液晶配向膜を内側にして対向させ、
これらの基板間に液晶化合物を封入した液晶表示素子に
おいて、前記液晶配向膜が、縞状パターンを有しかつ凹
凸パターンが不規則である高分子薄膜からなることを特
徴とするものである。

【００１１】本発明の液晶配向膜の製造方法は、基板の
一方の主面に形成された電極上に感光性高分子薄膜を形
成する工程と、不規則な遮光パターンが形成されたマス
クを介して前記感光性高分子薄膜を露光し、現像する工
程とを具備したことを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明の液晶配向膜の製造方法は、
基板の一方の主面に形成された電極上に高分子薄膜を形
成する工程と、前記高分子薄膜に不規則な凹凸パターン
が形成された型を押し当て、高分子薄膜を加熱して軟化
させて高分子薄膜に型の凹凸パターンを転写する工程
と、前記高分子薄膜を徐冷した後、型をはずす工程とを
具備したことを特徴とするものである。

【００１３】本発明の液晶表示素子において、液晶配向
膜は、不規則な凹凸パターンを有する高分子薄膜からな
っている。不規則な凹凸パターンとは、例えば凸部が一
方向に沿ってストライプ状に形成されているが凸部の幅
および／または凸部間の間隔が不規則なパターン、凸部
が一方向に沿う傾向は有するがストライプ状ではなく複
雑な平面形状を有し凸部の幅と長さおよび／または凸部
間の間隔が不規則なパターンなどが挙げられ、周期性を
持たないパターンを意味する。

【００１４】このような不規則な凹凸パターンが形成さ
れていれば、干渉光が生じないか、または干渉光が生じ
たとしても可視域（４００〜７００ｎｍ）に波長ピーク
を持たず、４００ｎｍ未満または７００ｎｍを超える領
域に波長ピークを持つ干渉光を生じる。したがって、液
晶配向膜の干渉効果を抑制でき、表示品位の劣化を防止
できる。

【００１５】高分子薄膜に不規則な凹凸パターンを形成
して液晶配向膜を形成するには、前述したように、フォ
トリソグラフィー法により不規則な遮光パターンが形成
されたマスクを介して感光性高分子薄膜を露光して現像
するか、またはレプリカ法により高分子薄膜に不規則な
凹凸パターンが形成された型を押し当て、高分子薄膜を
加熱して軟化させて高分子薄膜に型の凹凸パターンを転
写し、高分子薄膜を徐冷した後、型をはずす、という方
法が用いられる。フォトリソグラフィー法で用いられる
マスク、またはレプリカ法で用いられる型は、液晶配向
膜を構成する高分子薄膜に形成しようとする不規則な凹
凸パターンに対応するパターンを有するものである。

【００１６】フォトリソグラフィー法で用いられる感光
性高分子化合物としては、電磁波により作用を受ける官
能基が導入された高分子化合物、または電磁波により作
用を受ける化合物が添加された高分子化合物が挙げられ
る。種々の電磁波に対する各種官能基の反応メカニズム
は、「Ｐｈｏｔｏｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ
ｓ」（Ａｒｎｏｓｔ Ｒｅｉｓｅｒ著）などに詳しく記
載されている。

【００１７】レプリカ法において用いられる高分子化合
物は、特に限定されず、ポリスチロール、ポリプロピレ
ン、ポリアミド、ポリカーボネートなどが挙げられる。
これらの高分子薄膜を加熱することにより、型を押し当
てるときの圧力を小さくできる。高分子薄膜の加熱温度
は、ガラス転移温度以上が好ましく、等方性液体温度以
上がより好ましい。型の材料としては、テフロン樹脂、
硫化モリブデンなど、摩擦係数が小さい物質を用いるこ
とが好ましい。このような材料からなる型を用いれば、
冷却した高分子薄膜から型を容易に剥離することができ
る。

【００１８】レプリカ法において、高分子薄膜を加熱し
て軟化させて高分子薄膜に型の凹凸パターンを転写した
後、徐冷する際の冷却速度は、自然放冷速度の１／２以
下、さらに１／３以下であることが好ましい。これは急
激な温度変化のために引き起こされる急激な収縮による
クラックの発生など膜質の劣化を防止するためである。
速い冷却速度で冷却することにより形成された配向膜で
は、これらの理由による配向乱れがしばしば観察され
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。まず、フォトリソグラフィー法により本発明に係
る液晶配向膜を形成した例について説明する。 実施例１ 透明共通電極が形成されたガラス基板と、画素電極およ
びＴＦＴ駆動素子が形成されたガラス基板の２枚のガラ
ス基板を用意した。

【００２０】図１（ａ）に示すように、これらのガラス
基板１上にネガ型感光性ポリイミド（プロビミド４００
シリーズ；チバガイギー社製）の溶液を回転塗布した
後、乾燥、プリベークして膜厚８０ｎｍのネガ型感光性
ポリイミド膜２を形成した。このポリイミド膜２の上
に、ストライプ状の遮光部パターン間のピッチが不規則
なマスク１１を配置し、このマスク１１を介してｉ線を
露光した。このマスク１１の平面図を図２に示す。図２
では、遮光部のパターンを斜線で示している。その後、
現像、ポストベークして、図１（ｂ）に示すように、マ
スク１１の透光部に対応する位置に残存したポリイミド
膜からなる液晶配向膜３を得た。この液晶配向膜３で
は、残存したポリイミド膜のパターン間のピッチが不規
則になっている。

【００２１】以上のようにして作製された２枚のガラス
基板１を液晶配向膜３を内側にしてスペーサを介して配
置し、シール剤によりシールして液晶セルを作製した。
このとき液晶配向膜３表面に形成されたパターンの方向
を互いに直交させた。この液晶セル内にフェニルシクロ
ヘキサン系（ＰＣＨ）の混合液晶ＺＬＩ−１１３２（メ
ルクジャパン社製）を注入し、液晶注入口を封じてツイ
ストネマチック（ＴＮ）液晶表示素子を作製した。

【００２２】この液晶表示素子について液晶の配向状態
を調べたところ、均一な配向が得られた。この素子の駆
動時には、ＴＦＴ素子の劣化による欠陥は観察されず、
良好な表示状態が得られた。また、干渉光も観察されな
かった。 実施例２

【００２３】図４に示すように、遮光部のパターンが複
雑かつ不規則なマスク１２を用いた以外は実施例１と同
様にして、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、液晶配向
膜４を得た。図４においても、遮光部のパターンを斜線
で示している。この液晶配向膜４では、残存したポリイ
ミド膜のパターンの幅と長さ、およびパターン間のピッ
チが不規則になっている。以上のようにして作製された
２枚のガラス基板１を用いて実施例１と同様にして液晶
表示素子を作製した。

【００２４】この液晶表示素子について液晶の配向状態
を調べたところ、均一な配向が得られた。この素子の駆
動時には、ＴＦＴ素子の劣化による欠陥は観察されず、
良好な表示状態が得られた。また、干渉光も観察されな
かった。 比較例１

【００２５】図６に示すように、ストライプ状の遮光部
のパターン間のピッチが一定の規則的なマスク１３を用
いた以外は実施例１と同様にして、図５（ａ）、（ｂ）
に示すように、規則的なパターンを有する液晶配向膜５
を得た。以上のようにして作製された２枚のガラス基板
１を用いて実施例１と同様にして液晶表示素子を作製し
た。

【００２６】この液晶表示素子について液晶の配向状態
を調べたところ、均一な配向が得られた。この素子の駆
動時には、ＴＦＴ素子の劣化による欠陥は観察されなか
った。しかし、この素子では干渉光が観察され、表示品
位がやや劣化した。次に、レプリカ法により凹凸パター
ンを有する配向膜を形成する際の、印加圧力、加熱温度
および冷却速度の影響を調べた結果について説明する。
透明共通電極が形成されたガラス基板と、画素電極およ
びＴＦＴ駆動素子が形成されたガラス基板の２枚のガラ
ス基板を用意した。

【００２７】ガラス基板上にポリスチロールの溶液を回
転塗布した後、乾燥してポリスチロール膜を形成した。
図７（ａ）に示すように、ポリスチロール膜６が形成さ
れたガラス基板１を加熱徐冷装置２１の上に設置した。
微細加工により凹凸を形成した型２２をポリスチロール
膜６の表面に３．０〜１０．０ｋｇ／ｃｍ² の圧力を加
えて押し当てた。この型２２は図８に示すようなピッチ
および深さで形成された規則的な凹凸形状を有する。加
熱徐冷装置２１により所定温度に加熱してポリスチロー
ル膜６を軟化させ、ポリスチロール膜６に型２２の凹凸
が転写されたことを確認した。その後、自然放冷または
徐冷し、図７（ｂ）に示すように、液晶配向膜７を得
た。この実験で用いた加熱徐冷装置２１では、雰囲気温
度２５℃における自然放冷速度が加熱温度により異な
る。加熱温度と自然放冷速度との関係を示す。 加熱温度 自然放冷速度 １００〜１２０℃ 約３℃／分 １２１〜１３５℃ 約４℃／分 １３６〜１５０℃ 約５℃／分 前記の実験における徐冷速度は、自然放冷速度の約１／
３の速度となるように設定した。

【００２８】前記の実験と比較するために、２５℃にお
いて基板を加熱することなく、微細加工により凹凸を形
成した型をポリスチロール膜の表面に３．０〜２０．０
ｋｇ／ｃｍ² の圧力を加えて押し当て、ポリスチロール
膜に型の凹凸を転写することにより液晶配向膜を得た。
また、ポリスチロール以外に、ポリプロピレン、ナイロ
ン６６、ポリカーボネートを用いて前記と同様な実験を
行った。得られた液晶配向膜の表面を走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）により観察し、型の凹凸形状の転写状態を調
べた。

【００２９】さらに、以上のようにして作製された２枚
のガラス基板１を液晶配向膜７を内側にしてスペーサを
介して配置し、シール剤によりシールして液晶セルを作
製した。このとき液晶配向膜５表面に形成されたパター
ンの方向を互いに直交させた。この液晶セル内にフェニ
ルシクロヘキサン系（ＰＣＨ）の混合液晶ＺＬＩ−１１
３２（メルクジャパン社製）を注入し、液晶注入口を封
じてツイストネマチック（ＴＮ）液晶表示素子を作製し
た。これらの液晶表示素子について、液晶の配向状態お
よび駆動時におけるＴＦＴ素子の損傷状態を調べた。以
上の実験結果を表１および表２に示す。

【００３０】表１および表２から、以下のことがわか
る。ポリスチロールについて室温で型を押し当てた場合
と加熱して型を押し当てた場合とで印加圧力が同一の実
験例を比較すると、前者では凹凸パターンの転写状態お
よび液晶の配向状態が劣っている。また、室温で２０．
０ｋｇ／ｃｍ² という高い圧力で型を押し当てた場合に
は、転写状態および配向状態は良好であるが、ＴＦＴ素
子および基板の損傷が著しくなり、表示素子としては使
用できない。

【００３１】そして、いくつかの配向膜材料では印加圧
力および加熱温度が同一ならば、冷却速度が遅い（徐
冷）方が、凹凸パターンの転写状態および液晶の配向状
態が良好になる傾向が認められる。しかし、いずれの配
向膜材料でも、印加圧力を１０．０ｋｇ／ｃｍ² に高め
ると、駆動素子の部分的破損または基板の破損が観察さ
れる。

【００３２】なお、以上の実験例では、規則的な凹凸パ
ターンを有する液晶配向膜を形成しているので、このよ
うな液晶配向膜を有する液晶表示素子では光の干渉効果
に起因する呈色が観察され、表示品位が劣化した。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】 以上の実験結果を参考にして、レプリカ法により本発明
に係る液晶配向膜を形成した例について説明する。 実施例３ 透明共通電極が形成されたガラス基板と、画素電極およ
びＴＦＴ駆動素子が形成されたガラス基板の２枚のガラ
ス基板を用意した。

【００３５】ガラス基板上にポリスチロールの溶液を回
転塗布した後、乾燥してポリスチロール膜を形成した。
図９に示すように、ポリスチロール膜６が形成されたガ
ラス基板１を加熱徐冷装置２１の上に設置し、ポリスチ
ロール膜６の表面に型２３を押し当てて液晶配向膜を得
た。この型２３は、図１０（ａ）および（ｂ）に示すよ
うに、凸部の稜線（図１０（ｂ）に実線で表示）が一方
向に沿って伸びているが、凸部間のピッチが不規則な凹
凸パターンが形成されている。得られた液晶配向膜は型
２３の凹凸形状が逆転した凹凸パターンを有し、凸部間
のピッチが不規則になっている。

【００３６】本実施例では、ポリスチロール膜４の表面
に型２３を押し当てて５．０ｋｇ／ｃｍ² の圧力を加
え、１１５℃に加熱してポリスチロール膜４に型２３の
凹凸が転写されたことを確認した。その後、１．０℃／
分の冷却速度で徐冷した。

【００３７】さらに、以上のようにして作製された２枚
のガラス基板１を液晶配向膜を内側にしてスペーサを介
して配置し、シール剤によりシールして液晶セルを作製
した。このとき液晶配向膜表面に形成されたパターンの
方向を互いに直交させた。この液晶セル内にフェニルシ
クロヘキサン系（ＰＣＨ）の混合液晶ＺＬＩ−１１３２
（メルクジャパン社製）を注入し、液晶注入口を封じて
ツイストネマチック液晶表示素子を作製した。

【００３８】この液晶表示素子について液晶の配向状態
を調べたところ、均一な配向が得られた。この素子の駆
動時には、ＴＦＴ素子の劣化による欠陥は観察されず、
良好な表示状態が得られた。また、干渉光も観察されな
かった。 実施例４

【００３９】図１２（ａ）および（ｂ）に示すような、
凹凸のパターンが複雑かつ不規則な型２４を用いた以外
は実施例３と全く同一の条件で、図１１に示すようにし
て液晶配向膜を得た。図１２に示す型２４を用いて得ら
れる液晶配向膜４では、凸部の長さおよび凸部間のピッ
チが不規則になっている。以上のようにして作製された
２枚のガラス基板を用いて実施例３と同様にして液晶表
示素子を作製した。

【００４０】この液晶表示素子について液晶の配向状態
を調べたところ、均一な配向が得られた。この素子の駆
動時には、ＴＦＴ素子の劣化による欠陥は観察されず、
良好な表示状態が得られた。また、干渉光も観察されな
かった。 比較例２ 透明共通電極が形成されたガラス基板と、画素電極およ
びＴＦＴ駆動素子が形成されたガラス基板の２枚のガラ
ス基板を用意した。

【００４１】これらのガラス基板上に塗布法によりポリ
イミド膜を形成し、ラビング法により液晶配向膜を得
た。さらに、以上のようにして作製された２枚のガラス
基板を用い、前記と同様にしてツイストネマチック液晶
表示素子を作製した。

【００４２】この液晶表示素子について液晶の配向状態
を調べたところ、ラビングによる配向膜の損傷により均
一な配向が得られなかった。この素子の駆動時には、静
電気に起因したＴＦＴ素子の劣化による欠陥が観察さ
れ、良好な表示状態が得られなかった。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、液
晶分子を均一配向させることができ、かつ干渉効果を抑
制できる液晶配向膜を製造でき、表示品位の良好な液晶
表示素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明の実施例１におけ
る液晶配向膜の製造方法を示す図。

【図２】本発明の実施例１において用いられたマスクの
平面図。

【図３】（ａ）および（ｂ）は本発明の実施例２におけ
る液晶配向膜の製造方法を示す図。

【図４】本発明の実施例１において用いられたマスクの
平面図。

【図５】（ａ）および（ｂ）は比較例１における液晶配
向膜の製造方法を示す図。

【図６】本発明の比較例１において用いられたマスクの
平面図。

【図７】（ａ）および（ｂ）は参考実験例における液晶
配向膜の製造方法を示す図。

【図８】参考実験例において用いられた型の断面図。

【図９】本発明の実施例３における液晶配向膜の製造方
法を示す図。

【図１０】（ａ）は本発明の実施例３において用いられ
た型の断面図、（ｂ）は同平面図。

【図１１】本発明の実施例４における液晶配向膜の製造
方法を示す図。

【図１２】（ａ）は本発明の実施例４において用いられ
た型の断面図、（ｂ）は同平面図。

【符号の説明】

１…ガラス基板、２…感光性ポリイミド膜、３、４、７
…液晶配向膜、６…ポリスチロール膜、１１、１２、１
３…マスク、２１…加熱徐冷装置、２２、２３、２４…
型。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 寧 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 長谷川 誠 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ一方の主面に電極および液晶配
   向膜を有する１対の基板を液晶配向膜を内側にして対向
   させ、これらの基板間に液晶化合物を封入した液晶表示
   素子において、前記液晶配向膜が、縞状パターンを有し
   かつ凹凸パターンが不規則である高分子薄膜からなるこ
   とを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】 基板の一方の主面に形成された電極上に
   感光性高分子薄膜を形成する工程と、不規則な遮光パタ
   ーンが形成されたマスクを介して前記感光性高分子薄膜
   を露光し、現像する工程とを具備したことを特徴とする
   液晶配向膜の製造方法。
3. 【請求項３】 基板の一方の主面に形成された電極上に
   高分子薄膜を形成する工程と、前記高分子薄膜に不規則
   な凹凸パターンが形成された型を押し当て、高分子薄膜
   を加熱して軟化させて高分子薄膜に型の凹凸パターンを
   転写する工程と、前記高分子薄膜を徐冷した後、型をは
   ずす工程とを具備したことを特徴とする液晶配向膜の製
   造方法。