JP2006030584A

JP2006030584A - 液晶素子及び液晶装置

Info

Publication number: JP2006030584A
Application number: JP2004209220A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Miki; 雄一郎三木; Takeshi Eguchi; 健江口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】強いコントラストを得ることのできる液晶素子及びこれを備えた液晶装置を提供する。
【解決手段】第１基板３１と第２基板３２とにより、液晶３５が充填されると共に基板方向に貫通する単一または複数の細孔３４を有する液晶保持部材３３を挟持する。そして、第１基板３１及び第２基板３２の液晶保持部材側の面にそれぞれ電極３６，３７を形成し、この電極間電圧の変化により細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶素子及び液晶装置に関し、特に細孔に液晶を充填するようにしたものに関する。

従来、液晶表示装置や液晶光スイッチング装置等の液晶装置に利用される液晶素子においては、コントラストを高く、かつスイッチングスピードを速くするよう、例えば基板にキャビティ（細孔）を形成すると共にキャビティ内に液晶を充填し、この液晶に対し電圧を印加することによって配向状態を変化させ、透過率の変化を得る方法が知られている（特許文献１参照。）。

そして、このような方法によればキャビティ断面内の液晶の配向分布が断面中心に対し点対称となるため、このような基板で構成したディスプレイの視野角は広く、見る方位に関係がないという利点がある。

図１８は、このような液晶素子の例として、円筒形のキャビティ内に充填された液晶の配向状態を示すものである。なお、この例は、キャビティ３４Aの内側面に垂直配向処理を施した場合のものである。

そして、このようなキャビティに充填された液晶分子は、図１８の（ａ）に示すように、キャビティ３４Ａの内側面に近づくほどその半径方向に配向し、キャビティ３４Ａの中心軸に近づくほどその中心軸に沿うように配向する。そして、この状態において、キャビティ中心軸方向の電界を与えると、図１８の（ｂ）に示すように、より多くの液晶分子がキャビティ３４Aの中心軸に沿うように配向し、透過率が変化する。

特許第３２５１５１９号公報

ところが、このような従来の液晶素子及びこれを備えた液晶装置において、上記構成によればキャビティ中心軸付近の液晶分子は電界の有無に関わらず常に中心軸方向に配向しているため、得られる配向状態の変化は通常のＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ液晶で得られるような配向状態の変化に比べて小さく、強いコントラストが得られないという欠点がある。

本発明は、第１基板と第２基板の間に液晶が充填された液晶素子において、前記第１基板と第２基板とにより挟持され、前記液晶が充填されると共に基板方向に貫通する単一または複数の細孔を有する液晶保持部材と、前記第１基板及び前記第２基板の液晶保持部材側の面にそれぞれ形成された電極と、を備え、前記電極間電圧の変化により前記細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とするものである。

本発明のように、第１基板と第２基板とにより、単一または複数の細孔を有する液晶保持部材を挟持すると共に、電極間電圧を変化させて細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせるようにすることにより、強いコントラストを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液晶素子の構成を説明する図であり、同図において、３１は第１基板、３２は第２基板、３３は第１及び第２基板３１，３２の間に配された液晶保持部材である第３基板である。３４は第３基板３３を第１及び第２基板方向に貫通した単一又は複数の、本実施の形態においては複数の細孔であり、この細孔３４の内部には液晶３５がそれぞれ充填されている。なお、第１基板３１及び第２基板３２のうち少なくとも１方は光透過性を有するガラス、或いはポリカーボネイト、ＰＭＭＡ等の透明プラスチック基板であり、第３基板３３はＡｌ基板である。

３６、３７は液晶３５が充填された細孔３４の中心軸方向に電圧を印加するための電極である。なお、この電極３６，３７は、第１基板３１及び第２基板３２の第３基板側の面上に酸化インジウム錫薄膜等を真空蒸着、スパッタリングなどで形成されている。

ここで、本実施の形態において、細孔３４の断面形状は、円形及び楕円形、或いは３つ角部を備えた三角形、４つ以上の角部を備えた、即ち対角線を有する正方形状や六角形状を有している。

次に、このような構成の液晶素子の製造方法について説明する。

まず、第３基板３３に上記のような細孔３４を形成する。なお、この細孔は、文献（ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００１１３，Ｎｏ．３，Ｆｅｂｒｕａｒｙ５，ｐ１８９−ｐ１９２）に開示されている技術に基づき、以下のようにして作成する。

まず、突起を配列させたＳｉＣモールドを電子ビームリソグラフィ技術を用いて作成する。ここで、突起の配列の仕方は、作成する細孔の形状によって決まる。即ち、例えば、六角形の細孔を作成したい場合は、図２の（ａ）に示すように、突起４１を六角格子を作成するように配列させ、正方形の細孔を作成したい場合は、図２の（ｂ）に示すように、突起４１を四角格子を形成するように配列させ、三角形の細孔を作成したい場合は、図２の（ｃ）に示すように突起４１を三角格子を形成するように配列させる。

なお、最終的に作成される細孔の形状は、図２において、突起４１を母点とした符号４２で示すＶｏｒｏｎｏｉ図とほぼ一致する。ここで、Ｖｏｒｏｎｏｉ図とは複数の母点があった場合に、ある領域に含まれる任意の点に最も近い母点が、その領域に含まれる母点であるという領域を示す図である。さらに、図２において、突起を示す符号４１は、細孔の生成の開始点をも示している。

次に、このような突起４１を配列させたＳｉＣモールドを油圧を用いて、Ａｌ基板（第３基板）の表面に１６００ｋｇｃｍ^−２で押し付ける。この操作によって、ＳｉＣモールド上の突起４１に接するＡｌ基板表面上の点には微小な凹みが形成される。この後、Ａｌ基板について定電圧条件で５重量％のシュウ酸または燐酸を用いて陽極酸化処理を行う。そして、このような陽極酸化処理を行うと、最初は凹みにおいて最も陽極酸化の速度が大きいため、即ちＡｌの溶出速度が大きいため、細孔は凹みを中心に成長する。このため、陽極酸化処理を始めてすぐの段階では、細孔の断面は円形である。

さらに、この後、陽極酸化が進むと、細孔同士が接近し、細孔同士の距離が近い場合にはＡｌイオンの溶出速度が小さいため、細孔の成長が抑えられることから、細孔の断面は徐々にＶｏｒｏｎｏｉ図に近くなってきて、細孔が作成される。

なお、図３は正方形の細孔を形成する場合において、徐々に細孔が大きくなっていく様子を示す図であり、図３において、５１はＳｉＣモールドの押し付けによって最初にＡｌ基板に作成された凹み、５２は凹み５１を母点とするＶｏｒｏｎｏｉ図、５３は細孔である。そして、細孔５３は最初に作成された凹み５１から矢印に従って徐々に成長する。この結果、図１に示すように第３基板３３には単一または複数の貫通した細孔３４が形成される。

次に、このようにして形成された第３基板３３の細孔３４に、有機シラン等の垂直配向処理剤もしくはＰＶＡ等の水平配向処理剤を充填し、細孔３４の内壁面にそれぞれ垂直配向処理もしくは水平配向処理を施す。この後、細孔内に液晶３５を充填し、それぞれ表面に電極３６，３７が作成された第１基板３１及び第２基板３２により第３基板３３を挟持することにより液晶素子が形成される。

ところで、図４は、細孔内側面に垂直配向処理が施された細孔３４に充填された誘電異方性が正の液晶の、図１８とは異なる安定な配向状態の存在を、連続体理論に基づく数値計算により確認したものである。図４の（ａ）は、電界を切ったときの液晶の配向状態を円筒状の細孔の上から見たときと、そのＡ−Ａ' に沿った断面から見たときを示すものである。図４の（ｂ）は電界印加時の状態を示す。

この配向状態では図４の（ａ）に示すように細孔内の２箇所にディスクリネーション４１，４２が生じることにより、細孔内の概ね全ての液晶分子が細孔中心軸に対し９０°に近い配向角をもっている。

ディスクリネーションは、液晶配向の特異点であって、その周りに仮想的に１周の周回路を取ったときに、周回路に沿った液晶の方向（ディレクタ）がπ（＝１８０°）の整数倍だけ変化するものである。図４の（ａ）では、円筒の軸に垂直な平面内で、上下に２箇所のディスクリネーション４１，４２が発生している。この場合のディスクリネーション４１，４２は細孔３４の壁面上にあるが、このときも、１部が壁面に沿った仮想周回路４３，４４を取れば、液晶の方向がπだけ変化している。本発明では、液晶の内部にある特異点と、このように壁面上にある特異点をともにディスクリネーションと呼ぶ。

この状態の細孔３４の中心軸方向に電界を与えると、図４の（ｂ）に示すようにディスクリネーションが消滅し、液晶分子の細孔の中心軸に対する配向角は０°に近づく。図４（ａ）と（ｂ）を比べると、液晶分子の大部分が水平配向から垂直配向に変化している。これは、これら２つの状態間の屈折率、リタデーションなどの光学特性が大きく異なることを意味し、この結果、図１８の配向変化よりも高いコントラストを得ることができる。

図５は、細孔内側面に水平配向処理が施された細孔３４に誘電異方性が負の液晶が充填された液晶の配向状態を示すものである。この場合においては、電界がないとき、図５の（ａ）に示すように液晶分子がすべて円筒軸に平行になってエネルギーが最小化された配向状態が実現され、円筒軸方向の電界を印加することによって液晶が電界方向に垂直になり、図５の（ｂ）に示すように、壁面にディスクリネーション５１，５２が生じる。この場合も、図４の（ａ）、（ｂ）と同様にディスクリネーションの生成と消滅に伴うコントラストの高いスイッチングを得ることが可能である。なお、図５において、５３，５４は周回線を示している。

このように、第１基板３１と第２基板３２とにより、単一または複数の細孔３４を有する第３基板３３を挟持すると共に、電極間電圧を変化させて細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせるようにすることにより、スイッチングスピードを早くすることができると共に、強いコントラストを得ることができる。さらに、このような液晶素子を備えることにより、不図示の液晶装置は従来にないスイッチングスピードの速さとコントラストの強さを兼ね備えることができる。

次に、このような本実施の形態の実施例として、液晶素子のスイッチング特性について行った、連続体理論に基づいた液晶配向の数値計算シミュレーションによる検討結果について説明する。なお、この検討においては、細孔の断面形状を円形とした。

まず、細孔内側面に垂直配向処理を施し、誘電異方性が正の７ＣＢネマチック液晶を充填した場合について説明する。

図６は、異なる細孔径、例えば２００ｎｍ及び５００ｎｍにおける、印加電界と、液晶分子と細孔中心軸のなす配向角θの余弦（ｃｏｓ）の平均値との関係を示すものであり、本実施の形態の液晶素子によれば、電界を印加することによって概ね全ての液晶分子を最大で９０°近く回転させることができるため（図４及び図５参照）、非常に強いコントラストが得られることがわかる。

また、図７の（ａ）は、電界を与えて配向が定常に至るまでの立ち上がり時間と上記配向角θの余弦（ｃｏｓ）の平均値との関係を、図７の（ｂ）は、その後、電界をゼロに戻してから定常に戻るまでの立下り時間と配向角θの余弦（ｃｏｓ）の平均値との関係をそれぞれ示すものであり、この図（グラフ）から、通常のＴＮ液晶ではスイッチングに数〜数十ｍｓ必要なのに対し、本実施の形態の液晶素子の場合は、数十μｓと非常に速いスイッチングが行えることがわかる。

なお、本実施の形態の液晶素子においては、既述した図１８のような配向状態（以後、ｔｉｌｔ配向という）も安定である。次に、図１８に示す配向状態と、図４の配向状態（以後、ｐｌａｎａｒ配向という）との自由エネルギーの差ΔＵ（＝Ｕｐｌａｎａｒ−Ｕｔｉｌｔ）を様々な細孔径において計算した結果を図８に示す。

ここで、計算した全ての細孔径において両配向状態は共に安定であったが、図８に示すように、細孔径が３００ｎｍを下回るとｐｌａｎａｒ配向がより安定となる。本発明のスイッチングは必ずしもこの細孔径以下でなければ達成できないわけではないが、安定性の面では細孔径は３００ｎｍ以下が好ましい。

次に、細孔内側面に水平配向処理を施し、誘電異方性が負のＭＢＢＡネマチック液晶を充填した場合について同様に説明する。

図９は、異なる細孔径、例えば２００ｎｍ及び５００ｎｍにおける、印加電界と、液晶分子と細孔中心軸のなす配向角θの正弦（ｓｉｎ）の平均値との関係を示すものであり、図１０の（ａ）は、電界を与え配向が定常に至るまでの立ち上がり時間と配向角θの正弦（ｓｉｎ）の平均値との関係を、図１０の（ｂ）は、その後、電界をゼロに戻してから定常に戻るまでの立下り時間と配向角θの正弦（ｓｉｎ）の平均値との関係をそれぞれ示すものである。

そして、これら図９及び図１０によれば、細孔内側面に水平配向処理を施し、誘電異方性が負のＭＢＢＡネマチック液晶を充填した場合においても、細孔内側面に垂直配向処理を施し、誘電異方性が正の７ＣＢネマチック液晶を充填した場合と同様に高いコントラストと速いスイッチングスピードが得られることがわかる。

ところで、図８で示したように、細孔径が小さいほどｔｉｌｔ配向よりｐｌａｎａｒ配向が安定となるが、両者は双安定の関係にある。そのため、ｐｌａｎａｒ配向状態に電界を与えた際、場合によってはｔｉｌｔ配向にトラップされてしまい、電界をゼロにしてもｐｌａｎａｒ配向に戻らない可能性がある。

具体的には、図１１の（ａ）のようにｐｌａｎａｒ配向状態の液晶分子に電界を与えた際（電界ＯＮ）、細孔３４の中心軸に対し対称に液晶が立ち上がると、ｔｉｌｔ配向にトラップされてしまい、この後、電界をゼロ（ＯＦＦ）にしてもｐｌａｎａｒ配向に戻らないが、図１１の（ｂ）のように全ての液晶が同一方向に回転すれば、ｔｉｌｔ配向に陥ることはない。

図１８は細孔壁面が垂直配向処理されている場合であるが、細孔壁面が水平配向処理されている場合には、電界を印加したときに図５の（ａ）から図５の（ｂ）に移行せず、図１９に示すようなｔｉｌｔ配向に陥るおそれがある。このときも、図５の（ａ）から出発した液晶の回転方向が一方向に定まっていれば図１９に陥ることなく図５の（ｂ）の配向が実現できる。

そこで、このような立ち上がりを確実に実現するためには以下の処理を施すようにする。

１つは、図１に示した構成において、表面に電極３６，３７を成膜した第１基板３１及び第２基板３２の少なくとも一方の表面に、ＳｉＯやＴｉＯ２等の酸化物を斜方蒸着し、また必要に応じてさらに垂直配向処理剤を塗布することにより任意の配向角をもった傾斜配向処理を施すようにする。これにより図１２に示すように、傾斜配向処理面近傍の液晶を起点とした図１１の（ｂ）と同様の立ち上がりが実現される。

またもう１つは、図１３に示すように第１基板３１及び第２基板３２上に複数の微小な電極素子３６ａ，３７ａを作成し、両電極３６ａ，３７ａにより誘起される電界の方向が細孔３４の中心軸に対し一方向に傾きをもつように第１及び第２基板３１，３２を配置する方法である。

図１３の（ａ）は細孔の軸方向から見た配置、図１３の（ｂ）はＢ−Ｂ' の断面を取って横方向から見た配置を示す。ここで、電極３６ａは第１基板上、電極３６ｂは第２基板上にあり、細孔の中心軸に対して１８０°対称に配置されている。

これにより図１４に示すように、電界を印加したときに細孔の中心軸から傾いた配向が実現され、電界を切ったときに全ての液晶分子がほぼこの傾斜面内で同一方向に回転し、図１１の（ｂ）の切り替わりが実現される。

水平配向処理の場合も、図１２または図１３と同じ処方で、電界印加時に図１９のｔｉｌｔ配向に陥ることなく図５（ｂ）のｐｌａｎａｒ配向が実現する。

ところで、これまでの説明においては、細孔３４の断面形状として円形状を例にとって説明したが、本発明は、これに限らず、細孔３４の断面形状は図１５の（ａ）、（ｂ）のような楕円形であってもよい。この場合、ディスクリネーションは、楕円の長軸の両端に生じるようになる。

図１５の（ａ）は、細孔内側面に垂直配向処理が施されている場合、（ｂ）は細孔内側面に水平配向処理が施されている場合における配向状態の変化を示す。そして、図１５の（ａ）に示すように、表面に垂直配向処理を施し、誘電異方性が正の液晶を充填したセルでは、電界が印加されていないときに楕円の長軸端の２箇所にディスクリネーション４１，４２が生じ、電界印加によって消滅する。

また、図１５の（ｂ）に示すように、水平配向処理を施し、誘電異方性が負の液晶を充填したセルでは、電界が印加されていないときは最小のエネルギーとなる円筒軸方向に配向し、電界を印加することにより液晶が電界方向に垂直になり、楕円の長軸端の２箇所にディスクリネーション５１，５２が発生する。

また細孔３４の断面形状は、３つの角部を有する三角形状の細孔であっても良い。この場合、ディスクリネーションは三角形状の３つの角のうち２つの角に生じるようになる。なお、図１６の（ａ）に断面形状が正三角形で、細孔内側面に垂直配向処理が施されている場合と、（ｂ）に断面形状が正三角形で、細孔内側面に水平配向処理が施されている場合における電界による配向状態の変化を示す。

さらに細孔３４の断面形状は、断面形状が少なくとも２つの対角線を有するような多角形であっても、２つの対角部にディスクリネーションが生じるようになる。なお、図１７の（ａ）に断面形状が正方形で、細孔内側面に垂直配向処理が施されている場合と、（ｂ）に断面形状が正方形で、細孔内側面に水平配向処理が施されている場合における電界による配向状態の変化を示す。

本発明の実施の形態に係る液晶素子の構成を説明する図。上記液晶素子の第３基板に細孔を形成するためのＳｉＣモールドの突起配列の例を示す図。上記細孔の成長過程を示す図。（ａ）は上記細孔の内側面が垂直配向処理を施された場合の液晶の配向を示す図、（ｂ）は電界を与えた場合の液晶の配向を示す図。（ａ）は上記細孔の内側面が水平配向処理を施された場合の液晶の配向を示す図、（ｂ）は電界を与えた場合の液晶の配向を示す図。上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合における印加電界と液晶分子の配向角との関係を示す図。上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合における液晶分子の配向角とスイッチングスピードの関係を示す図。上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合における細孔径と、ｔｉｌｔ配向とｐｌａｎａｒ配向状態間のエネルギー差との関係を示す図。上記細孔内側面が水平配向処理を施されている場合における印加電界と液晶分子の配向角との関係を示す図。上記細孔内側面が水平配向処理を施されている場合における液晶分子の配向角とスイッチングスピードの関係を示す図。上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合におけるスイッチングの様子を示す図。上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合において第１基板及び第２基板に傾斜配向処理を施した場合のスイッチングの様子を示す図。上記液晶素子において細孔中心軸に対し斜め電界を与える構成を説明する図。上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合において、電界の方向が細孔の中心軸と有限角をなす場合のスイッチングの様子を示す図。上記細孔の断面形状が楕円形の場合のスイッチングの様子を示す図。上記細孔の断面形状が正三角形の場合のスイッチングの様子を示す図。上記細孔の断面形状が正方形の場合のスイッチングの様子を示す図。従来の円筒形キャビティ内の液晶の配向状態を示す図。上記細孔壁面が水平配向処理されている場合に、電界を印加したときに生じるｔｉｌｔ配向を示す図。

符号の説明

３１第１基板
３２第２基板
３３第３基板
３４細孔
３５液晶
３６第１基板上の電極
３６ａ第１基板上の電極
３７第２基板上の電極
３７ａ第２基板上の電極

Claims

第１基板と第２基板の間に液晶が充填された液晶素子において、
前記第１基板と第２基板とにより挟持され、前記液晶が充填されると共に基板方向に貫通する単一または複数の細孔を有する液晶保持部材と、
前記第１基板及び前記第２基板の液晶保持部材側の面にそれぞれ形成された電極と、
を備え、
前記電極間電圧の変化により前記細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とする液晶素子。
前記細孔の内側側面に垂直配向処理を施すと共に、前記細孔に誘電異方性が正の液晶を充填することにより、前記電極による電圧無印加時に前記細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とする請求項１記載の液晶素子。
前記細孔の内側側面に水平配向処理を施すと共に、前記細孔に誘電異方性が負の液晶を充填することにより、前記電極による電圧印加時に前記細孔内の少なくとも２箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とする請求項１記載の液晶素子。
前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方の、前記液晶保持部材の細孔と面する部分に、傾斜配向処理を施したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶素子。
前記第１基板及び前記第２基板の電極を、前記細孔の中心軸に対し傾きを持った電界を与えるように配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶素子。
前記細孔の断面形状が円形、楕円形、または多角形であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液晶素子。
前記請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶素子を備えたことを特徴とする液晶装置。