WO1998033092A1 - Liquid crystal device and its manufacturing method - Google Patents

Description

請 求 の 範 囲

1 . 少なくとも微小形状に分割された長方形または正方形の電極を有する第 1 の基板と、 透明電極を有する第 2の基板と、 前記 2枚の基板間に満たされた誘電 率異方性が負である液晶層を有し、 前記第 1の基板上ではホメオト口ピック配向 処理を行った液晶素子であって、 前記第 1の基板の電極のいずれかの辺に対し 4 0〜5 0 ° の角度で前記第 1の基板が配向処理されていて、 前記第 2の基板上は ホメオト口ピック配向処理されていることを特徴とする液晶素子。

2 . 少なくとも微小形状に分割された長方形または正方形の電極を有する第 1 の基板に、 前記電摔のいずれかの辺に対し 4 0〜 5 0 ° の角度で配向処理を行う 工程と、

透明電極を有する第 2の基板にホメォトロピック配向処理を行う工程と、 前記第 1の基板と前記第 2の基板との間に誘電率異方性が負である液晶層を形 成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする液晶素子の製造方法。

3 . 少なくとも微小形状に分割された長方形または正方形の電極を有する第 1 の基板と、 透明電極を有する第 2の基板と、 前記 2枚の基板間に満たされた誘電 率異方性が負である液晶層を有し、 前記第 1の基板上ではホメオト口ピック配向 処理を行った液晶素子であって、 前記第 1の基 f及の電極のいずれかの辺に対し 4 0〜5 0 ° の角度で前記第 2の基板がホモジユアス配向処理されていることを特 徴とする液晶素子。

4 . 少なくとも微小形状に分割された長方形または正方形の電極を有する第 1 の基板にホメオト口ピック配向処理を行う工程と、

前記第 1の基板の電極のいずれかの辺に対し 4 0〜5 0 ° の角度で、 透明電 極を有する第 2の基板にホモジニァス配向処理を行う工程と、 前記第 1の基板と前記第 2の基板との間に誘電率異方性が負である液晶層を形 成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする液晶素子の製造方法。

5 . 少なくとも微小形状に分割された長方形または正方形の反射電極を有する 第 1の基板と、 透明電極を有する第 2の基板と、 前記第 1と第 2の 2枚の基板間 に誘電率異方性が負であり屈折率異方性 Δ ηが 0 . 0 7以上 0 . 1 5以下である 液晶層を有し、 前記第 1の基板上ではホメオト口ピック配向処理を行った液晶素 子であって、 前記第 1の基板の電極のいずれかの辺に対し 4 0〜5 0 ° の角度で、 前記第 1の基板が配向処理されており、 また前記第 2の基板上はホメォトロピッ ク配向処理されていることを特徴とする反射型液晶素子。

6 . 少なくとも微小形状に分割された長方形または正方形の反射電極を有する 第 1の基板と、 透明電極を有する第 2の基板と、 前記第 1と第 2の 2枚の基板間 に誘電率異方性が負であり屈折率異方性 Δ ηが 0 . 0 7以上 0 . 1 5以下である 液晶層を有し、 前記第 1の基板上ではホメォトロピック配向処理を行つた液晶素 子の製造方法であって、 前記第 1の基板の電極のいずれかの辺に対し 4 0〜5 0 ° の角度で、 前記第 1の基板を配向処理し、 前記第 2の基板上はホメオトロピッ ク配向処理することを特徴とする反射型液晶素子の製造方法。

明 細 液晶素子及びその製造方法 技術分野

本発明は、 液晶表示装置及びその製造法に関し、 特にホメオト口ピック型、 及 びハイプリッド型の液晶表示素子及びその製造法に関する。 背景技術

図 5に電界制御複屈折型液晶表示セルの構造を示す。 反射型及び透過型がある がここでは透過型を代表して説明する。

図 5の構成は、 液晶分子 1の長軸方向が電極面にほぼ垂直に配向したいわゆる ホメオト口ピック配向した液晶セルで構成されている。

図 5において、 液晶セノレ 2は、 所定間隔をおいて対向配置された 2枚の透明ガ ラス基板 3、 4と、 透明ガラス基板 3、 4の互いの対向面上に形成された透明電 極 5、 6と、 透明電極間に挟まれた液晶 1とを有する。

このセル 2の上下には偏光方向が互いに直交する偏光板 7、 8が配置される。 偏光板 8側から入つた入射光 9は直線偏光されて液晶内に入る。 2枚の基板 3 , 4の界面近傍は、 液晶分子の傾斜方向を面内で均一化してやるために、 配向処理 により液晶分子は適当な方向に若干傾いている （プレチルト） 。

この若干の傾きを無視すると、 直線偏光された入射光は、 液晶分子 1をそのま ま通過し、 偏光板 8の偏光軸に対して垂直に配置された偏光板 7を通過すること ができず、 表示は喑表示となる。 2

透明電極 5、 6間に所定の閾値電圧を越える電圧を印加してやると、 液晶分子 1の配向は電界により傾けられ、 所定の角度をなす。

従って、 液晶セル 2に入射した直線偏光された光は互いに直交する 2成分に複 屈折して、 偏光軸方向に平行な成分の偏光光が偏光板 7を透過して表示は明状態 となる。

この時 2枚の偏光板 7， 8を、 液晶分子の傾く方向 （プレチルトの方向） に対 して共に約 4 5 ° に配置してやることにより高コントラストカ S得られる。

次に、 ハイプリッド型液晶セルの構造を示す。

図 6の構成は、 裨晶分子 1 0の長軸方向が基板 1 1側では透明電極面 1 3にほ ぼ垂直に配向したいわゆるホメオト口ピック配向であり、 基板 1 2側では液晶分 子 1 0が透明電極 1 4にほぼ水平に配向したホモジニァス配向をしている。 図 6において、 液晶セル 1 5は、 所定間隔をおいて対向配置された 2枚の透明 ガラス基板 1 1、 1 2と、 ガラス基板 1 1、 1 2の互いの対向面上に形成された 透明電極 1 3、 1 4と、 透明電極 1 3、 1 4間に挟まれた液晶 1 0とを有する。 液晶セル 1 5の上下には偏光方向が互いに直交する偏光板 1 6、 1 7が配置さ れ、 この偏光板の偏光軸方向は、 ガラス基板 1 2側のホモジニァスの方向に対し て共に 4 5 ° に配置する。

偏光板 1 6側から入った入射光 1 8は直線偏光されて液晶 1 0内に入る。 直線 偏光された入射光は、 若干の複屈折を受けるが、 液晶分子をほとんどそのまま通 過し、 偏光板 1 6の偏光軸に対して垂直に配置された偏光板 1 7をほとんど通過 することができず、 表示は喑表示となる。

透明電極 1 3、 1 4問に所定の電圧を越える電圧を印加してやれば、 液晶分子 1 0は電界により傾けられ、 所定の角度をなす。 3

従って、 液晶セル 1 5に入射した直線偏光は互いに直交する 2成分に複屈折し て、 偏光板 1 7の偏光軸方向に平行な成分の偏光光が偏光板 1 7を透過して表示 は明状態となる。

し力、しながら、 図 7に示すように、 画素電極 1 9を有する基板 2 0上をホメォ トロピック配向させ、 液晶分子 2 1を基板 2 0に対して垂直配向させた時、 画素 電極 1 9の周辺部の液晶分子は画素電極 1 9の辺に対して平行、 もしくは垂直に 傾いて配向してしまう。

その結果、 黒表示時 （電界無印加時） に画素周辺部の入射光が偏光され、 光 2 3が漏れる現象が生じる。 これがコントラストを大きく低下させる原因となって いた。

特に反射型素子の場合、 液晶層を光が 2度通過するため、 画素周辺部の光漏れ が顕著に現れる。 また屈折率異方性の大きい材料を用いたときも同様、 光漏れが 顕著になる。 発明の開示

本発明は、 黒表示時に光り漏れをなくし、 高コントラストの液晶素子及びその 製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第 1の液晶素子は、 少なくとも微小形状に分割された長方形または正 方形の電極を有する第 1の基板と透明電極を有する第 2の基板と、 前記 2枚の基 板間に満たされた誘電率異方性が負である液晶層を有し、 第 1の基板上ではホメ オト口ピック配向処理を行った液晶素子であって、 第 1の基板の電極のいずれか の辺に対し 4 0〜5 0 ° の角度で第 1の基板に配向処理されていて、 第 2の基板 上はホメオト口ピック配向処理されていることを特徴とする。 なかでも配向処理 4

角度は 4 5 ° に近いほど良い。

また、 本発明の第 2の液晶素子は、 少なくとも微小形状に分割された長方形ま たは正方形の電極を有する第 1の基板と、 透明電極を有する第 2の基板と、 前記 2枚の基板間に満たされた誘電率異方性が負である液晶層を有し、 第 1の基板上 ではホメォト口ピック配向処理を行った液晶素子であって、 第 1の基板の電極の いずれかの辺に対し 4 0〜 5 0。 の角度で第 2の基板にホモジ-ァス配向処理を されていることを特徴とする。

なかでも第 2の基板の配向処理角度が第 1の基板の画素の辺に対し 4 5 ° に近い ほどよい。

さらに本発明の第 3の液晶素子は、 少なくとも微小形状に分割された長方形ま たは正方形の反射電極を有する第 1の基板と透明電極を有する第 2の基板と、 前 記 2枚の基板間に誘電率異方性が負であり屈折率異方性 Δ ηが 0 . 0 7以上 0 .

1 5以下である液晶層を有し、 前記第 1の基板上ではホメオト口ピック配向処理 を行った液晶素子であって、 前記第 1の基板の電極のいずれかの辺に対し 4 0〜

5 0 ° の角度で前記第 1の基板に配向処理されていて、 前記第 2の基板上はホメ オト口ピック配向処理されていることを特徴とする。 なかでも配向処理角度は 4

5 ° に近いほど良い。

また何れの発明の配向処理においても、 配向処理としては、 ラビング、 偏向紫 外線照射、 無偏向紫外線照射、 斜方蒸着等の何れでも良い。 図面の簡単な説明

図 1 Αは、 本発明の液晶素子の電界無印加時の概念斜視図

図 1 Bは、 本発明の液晶素子の電界印加時の概念斜視図 5

図 2は、 本発明の液晶素子の画素近傍での液晶分子の傾斜方向を表す図 図 3は、 本発明の実施の形態 1における液晶素子の製造工程の断面図 図 4は、 本発明の実施の形態 2における液晶素子の製造工程の断面図 図 5は、 従来のホメオト口ピックセルの概念断面図

図 6は、 従来のハイプリッドセルの概念断面図

図 7は、 従来の画素周辺の光漏れを表す概念断面図

【符号の説明】

24 ガラス基板 25 画素電極 26 液晶 27 I TO電極 2 '8 ガラス基板 29 液晶表示素子 30 配向処理方向を示す矢印 31 偏光 子 32 検光子 33 入射光 34 透過光 35 液晶分子 36 入射 光 37 配向処理方向を示す矢印 38 基板 39 画素電極 40 液晶

42 液晶分子 43 偏光軸 44 ガラス基板 45 透明導電膜 46 入力遮光膜 47 p型 a— S i : H層 48 i型 a_S i : H層 49 n型 a— S i : H層 50 正方形画素 51 A 1反射電極 52 A 1出力 遮光膜 53 アクリル樹脂層 54 垂直配向用ポリイミド膜 55 I TO 電極 56 ガラス基板 57 垂直配向用ポリイミド膜 58 球状スぺーサ 一 59 ネマティック液晶 60 書き込み光 61 偏光子 62 読み出 し光 63 光 64 検光子 65 ガラス基板 66 A 1電極 67 ガ ラス基板 68 透明導電膜 69 垂直用配向膜 70 垂直用配向膜 71 ビーズ 72 樹脂 73 液晶 74 セル 75 偏光ビームスプリッタ 一 76 入射光 77 反射光 発明を実施するための最良の形態

まず、 本発明によるホメオト口ピック型液晶表示素子の実施の形態について説 明する。

本発明の液晶素子は、 透過型のタイプについては、 図 1 Aに示すように、 ガラ ス基板 2 4、 所定の方法で配向処理された画素電極 2 5、 誘電率異方性が負の液 晶分子 2 6、 所定の方法で配向処理された I T O電極 2 7、 ガラス基板 2 8とを 有する液晶表示素子 2 9であり、 矢印 3 0の方向にラビング等の配向処理を行う。 そして偏光子 3 .1と検光子 3 2を図 1 Aのように互いに 9 0 ° の角度になるよ うに、 しかも配向処理方向 3 0に対して 4 5 ° に配置すると、 電圧印加時には図 1 Bに示すように、 配向処理方向 3 0に液晶分子 2 6が傾くため、 入射光 3 3は 液晶分子 2 6によって複屈折を受け、 光 3 4が透過し明表示となる。

ここで光が透過しない状態 （電圧無印加の状態） を考える。

図 1 Aに示すように、 電圧無印加時には画素電極 2 5の周辺の液晶分子 3 5は、 画素の辺に対して平行、 又は 9 0 ° の方向に少し傾いている。 し力、し、 本実施の 形態の液晶素子 2 9は、 配向処理方向 3 0をこの画素電極 2 5の辺に対してほぼ 4 0 ° 〜5 0 ° に設定している。

つまり、 偏光子 3 1、 検光子 3 2の光軸を画素電極 2 5の辺に対してほぼ平行、 又は垂直に配置しているために、 入射光 3 6はこの画素電極 2 5の周辺の傾いた 液晶分子 3 5により、 ほとんど複屈折を受けず、 検光子 3 2を通過できないため、 画素電極 2 5の周辺の光の漏れはほとんどく見られず、 非常に高いコントラスト が得られる。 さらに、 図 2を用いて詳しく説明する。

図 2は本実施の形態の液晶セルを上から見た図である。 矢印 3 7は配向処理方 7

向であり、 基板 3 8上に画素電極 3 9、 液晶 4 0が示してあり、 画素電極 3 9の 周辺の少し傾いた液晶分子 4 2は液晶分子の長軸の方向を矢印で示している。 矢印 3 7の方向に配向処理をすることにより、 2枚の偏光板の偏光軸 4 3は画 素電極 3 9の辺に対して平行または垂直に配置される。 つまり電圧無印加の黒表 示状態においては、 画素電極 3 9の周辺の液晶分子 4 2の長軸の方向が傾いては いるが、 すべて偏光板の偏光軸 4 3に対し平行または垂直な方向となるため、 こ の画素電極 3 9の周辺の配向の乱れた液晶分子 4 2による複屈折は全く受けず、 光漏れのない高コントラスト表示が得られる訳である。

また、 本発明の 向処理の方法は、 配向膜を塗布し、 レーヨン等の布で擦る方 法、 配向膜を塗布せずに擦る方法、 紫外線を照射する方法、 斜方蒸着等いずれで ちょい。

また、 角度は 4 0〜5 0 ° としているが 4 5 ° の時が複屈折を全く受けず、 漏 れ光も全くないことから最も良い。

また反射タイプについては、 屈折率異方性 Δ ηが 0 . 0 7〜0 . 1 5のように 大きい材料を用いる時、 画素電極周辺の傾いた液晶のリタデーションが非常に大 きくなるため、 本発明を用いないと漏れ光が非常に多くコントラストが低下する ことになる。 そのため、 本発明は非常に有効である。

また本発明は、 画素を有する基板上をホメオト口ピック配向させ、 他方の基板 の上部をホモジニァス配向させたセル （ハイブリッド型セル） においても同じ効 果が得られる。

さらに、 本発明は、 透過タイプ及び反射タイプの直視型表示素子、 投写型表示 素子いずれのタイプについても有効である。 また基板については、 上記説明では ガラス基板を用いているが、 透過面に関しては石英基板、 樹脂基板を用いてもよ 8

く、 また反射面側の基板については S iウェハーでもよレ、。

さらに電極については、 透過タイプにおいては、 I TO、 有機導電膜等の透明 電極、 また、 反射タイプにおいては Al、 A_g、 増反射ミラー、 誘電体ミラー等 の反射率の高いものであればなんでもよい。

(実施の形態 1 )

図 3 (1) 〜 （7) は、 本発明の実施の形態 1に係る液晶素子の製造工程を示 す概念断面図である。

(1) 光学研磨したガラス基板 44 (75mmX 75mmX 1. 1讓） に透明導電 膜 45としてインジウム，ティン♦ォキサイド （以下 I TOと称す） をスパッタ 法によって 100 OA成膜する。 次に、 I TO 45の表面に C rを 50 OA蒸着 し、 フォトリソグラフィによって、 1辺が 18 mのほぼ正方形を 24〃mピッ チで 2783 X 1877個垂直デルタ配列させたパターンの反転パターンを形成 した。 これがクロムの入力遮光膜 46である。

(2) 全面に、 プラズマ CVD法によってボロンを 100 p pm添加した p型 a -S i ： H層 47 (膜厚 500 A) 、 無添加の i型 a— S i ： H層 48 (膜厚 1. 5 μΐη) 及びリンを 1000 p pm添加した η型 a— S i ： H層 49 (膜厚 300 OA) の 3層を連続して積層し、 ダイオード構造の光導電層を形成した。 その後 C rを全面に 200 OA蒸着し、 1辺が 22 /zmのほぼ正方形を 24 μ mピッチで 2783 X 1877個 （全 5223691個） 垂直デルタ配列させた パターン 50をフォトリソグラフィ一によつて作製した。

(3) CF₄と酸素の混合ガスを用いたケミカル · ドライ ·エッチング法によつ て、 C rの正方形画素 50をエッチング時のマスクに用いて、 画素間の a— S i

： H層の露出した部分を等方的にエッチングしていく。 9

そして 1. 6 zxm程エッチングすると C rの画素間に溝が掘れて、 C rの軒を 持ったような構造になる。

(4) A1を、 電子ビーム蒸着法によって 500A〜200 OA全面に成膜す る。

その結果、 正方形の C r画素 50の上部に 500 A〜2000 Aの正方形の A 1反射電極 51が形成され、 さらに溝部の底には、 A 1の出力遮光膜 52が形成 される。

(5) カーボンを含有したアクリル樹脂をスピンコートで塗布する。 この工程 で、 エッチングによって形成された溝部分に、 この樹脂が埋まり、 また A 1電極 51の上部にもこの樹脂が堆積する。

そして酸素を用いたリアクティブ ·イオン ·エッチ法によって全面エッチング し、 全面均一にこの樹脂を除去し、 A 1電極 51の表面が現れたときにこのエツ チングを終了する。

この結果、 A 1電極 51の表面の樹脂は全て取り去られるが、 溝部にはカーボ ンの含有したアタリル樹脂層 53が残る。

(6) 配向膜として、 垂直配向用ポリイミド膜 54を 20 OA成膜する。 また 同様にして対向側の基板となる I TO電極 55付きガラス基板 56に垂直配向用 ポリイミド膜 57を 200A成膜し、 両基板ともナイロン布を用いてラビング処 理を行う。

ラビング方向はポリイミ ド 54表面は画素電極の辺に対して 45° の角度で行 い対向側はこの方向に対して反平行になるようにラビングする。

(7) この I TO電極 55付きガラス基板 56のポリイミド膜 57の表面に粒 径 2. 0// 111の310₂ の球状スぺーサー 58を湿式法により分散し、 上述の処 10

理を施したガラス基板 44と貼り合わせる。

こうして作られた液晶セルを真空注入装置に設置し、 減圧した後、 120°Cに 加熱し、 誘電率異方性が負で Δ η = 0. 08のネマチック液晶 59 (MERCK

JAP AN製） を真空注入した。

(8) このようにして作製したホメオト口ピック型空間光変調素子を、 ガラス 基板 44側から書き込み光 60で書き込み、 画素電極の任意の 1辺に対し平行ま たは垂直に配置した偏光子 61を通した読み出し光 62をガラス基板 56側から 照射し、 A 1電極 51により反射した光 63を検光子 64を通して画像として映 し出した。

その結果は、 画素電極の周辺の漏れ光は全くなく、 コントラスト比は 500 ： 1以上を確保した。

(実施の形態 2)

図 4 (1) 〜 （3) は、 本発明の実施の形態 2に係る液晶素子の製造工程を示 す概念断面図である。

(1) 図に示すように光学研磨したガラス基板 65 (75mmX 75誦 X I. lmm) にフォトリソグラフィ一によつて、 1024 X 768個の正方形の A 1の電極 6 6を正方配列させる。

一方同じく光学研磨したガラス基板 67 (75ramX 75raraX 1. lmm) に透明 導電膜 68として I TOをスパッタ法によって 100 OA成膜する。

(2) 基板 65、 基板 67のそれぞれの基板に垂直配向用配向膜 69、 70をス ピンコートで塗布し （印刷でも可） 、 A 1電極 66のあるガラス基板 65の配向 膜の表面を電極の任意の辺に対して 45° の角度で、 レーヨン製のラビング布で ラビングをする。 11

さらに他方のガラス基板 67の配向膜上をセルを組んだときに電極側のラビン グ方向と反平行になるようにラビングする。

ガラス基板 67の配向膜の表面に 2. 0 μπιのシリカのビーズ 71を湿式方に よって分散させ、 ガラス基板 65と配向膜の面が互いに向き合うように樹脂 72 で接着する。

誘電率異方性が負である液晶 73をガラス基板 65とガラス基板 67との間隙 に真空注入し、 液晶分子がほぼ基板に対して垂直に配向したホメォトロピック型 液晶セノレ 74をつくる。

(3) このセル 7, 4を駆動しない状態で、 偏光顕微鏡を用いて偏光子を画素の辺 に平行に配置じ、 クロス-コル下で観察したところ，画素電極の周辺の光の漏れは 全く見られなかった。

次に偏光ビームスプリッター 75の光軸を、 画素の任意の辺と平行にガラス基 板 67側に配置し、 入射光 76をいれ、 反射光 77をスクリーン上に投写しコン トラストを測定したところ、 400 : 1のコントラストが得られた。

(実施の形態 3)

(1) 光学研磨したガラス基板 （75讓 X 75讓 X I. lmm) にフォトリソダラ フィ一によつて、 1024X 768個の長方形の A 1の電極を正方配列させる。 一方、 同じく光学研磨したガラス基板 （75讓 75111111 1. 1匪） に、 透明 導電膜としてインジウム 'ティン ·オキサイド （以下 I TOと称す） をスパッタ 法によって 100 OA成膜した。

(2) A 1電極側のガラス基板に垂直配向用配向膜をスピンコートで塗布し （印 刷でも可） 、 他方のガラス基板には平行配向用配向膜を塗布し、 A 1の電極のあ るガラス基板の配向膜の表面を、 2枚の基板を貼り合わせた時に電極の任意の辺 12

に対して 4 5 ° の角度になるよう、 レーヨン製のラビング布で A 1電極のない側 をラビングをした。

( 3 ) 一方のガラス基板の配向膜の表面に 2 . 0 μ πιのシリカのビーズを湿式法 によって分散させ、 他方のガラス基板と配向膜の面が互いに向き合うように樹脂 で接着する。

( 4 ) 誘電率異方性が負である液晶を 2枚のガラス基板との間隙に真空注入し、 A 1電極ガラス基板側では液晶分子がほぼ基板に対して垂直に配向し、 他方のガ ラス基板側ではほぼ平行に配向したハイプリッド型液晶セルをつくつた。

( 5 ) このセルを 動しない状態で、 偏光顕微鏡を用いて偏光子を画素の辺に平 行に配置し、 クロスニコル下で観察したところ、 画素周辺の光の漏れは全く見ら れなかった。

( 6 ) 次に偏光ビームスプリツターの光軸を、 画素の任意の辺と平行に A 1電極 のないガラス基板側に配置し、 入射光をいれ、 反射光をスクリーン上に投写しコ ントラストを測定したところ、 3 2 0 : 1のコントラストが得られた。 産業上の利用可能性

以上のように本発明によれば、 透過及び反射、 また直視及び投写のどのタイプ においても、 ホメオト口ピックまたはハイプリッド配向の液晶素子においては正 方形、 又は長方形のいずれかの 1辺に対し 4 0〜 5 0 ° 方向でラビングをし、 偏 光子を適当に合わせてやることにより、 従来生じていた画素の周辺からの漏れ光 がほとんどなくなり、 コントラストを向上させるという優れたものである。