(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極膜が各々に付された、少なくとも一方が透明の１対の基板を、該電極膜が対向するように間隔を規制するスペーサを介して配置するとともに、該１対の基板の間に、前記スペーサとは別個に、液晶と、柱状または壁状に形成されてなる多数の樹脂構造体とを挟んでなり、
該樹脂構造体は、液晶性モノマを重合して表面高分子鎖が規則的に配向するように構成され、かつ各画素内に亘って規則的に分散配置されてなり、
前記液晶は前記樹脂構造体の側表面高分子鎖の配向による分子間力を介して液晶配向が直接誘起され、前記基板には前記液晶と接触する配向膜を備えていないことを特徴とする液晶光変調器。
【請求項２】
前記樹脂構造体の表面高分子鎖の配向は、前記液晶のねじれ配向を所定方向に設定し得る方向とされていることを特徴とする請求項１記載の液晶光変調器。
【請求項３】
請求項１または２記載の液晶光変調器を製造する方法において、
前記樹脂構造体の分子配向は、前記１対の基板のうち一方の基板上へ、前記樹脂構造体を含む液状体を塗布した後、硬化させることによりなされることを特徴とする液晶光変調器の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の液晶光変調器を製造する方法において、
前記樹脂構造体は、自立したフィルム状とされ、前記液晶の浸透により液晶配向が誘起されることを特徴とする液晶光変調器の製造方法。
【請求項５】
請求項１または２記載の液晶光変調器を備えてなることを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を用いて光を変調する液晶光変調器およびその製造方法、ならびに液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自発的な分子配向を伴うネマティック液晶層に電界を加え、液晶分子の配向状態を変化させて光学特性を制御することにより、光変調器を容易に作製することができる。このような電気光学効果を応用した液晶光変調器は、他の電気光学効果を示す光学結晶に比べて低電圧で動作するため、近年、表示装置用の電気光学素子として注目されている。
【０００３】
このような液晶光変調器として、２つの透明電極間における液晶分子の配向方向を、あらかじめ基板上に形成した樹脂の配向膜（例えば摩擦処理したポリイミド膜)により均一化した液晶光変調素子を用いたものが知られており、現在、液晶ディスプレイとしても広く採用されているところである。
【０００４】
ところで、このような液晶光変調素子においては、透明電極間に印加される電圧強度に応じて液晶配向が変化し、それに応じて複屈折効果や旋光能が制御されるため、入射光の偏光状態を調節変化させることが容易である。したがって、この液晶光変調素子を１対の偏光板で挟んで液晶光変調器を構成することにより、印加電圧に応じて透過光の光変調を行うことができることになる。
【０００５】
しかし、上述した液晶光変調器においては、基板上に形成された配向膜から、液晶分子が短距離で配向規制力を受けるため、液晶分子を駆動制御しようとした場合、強い配向規制力に抗する高い印加電圧が必要となる。
【０００６】
そこで、近年、上記配向膜に替えて、両基板間に配された多数のスペーサの細長形状に沿わせて液晶分子を配向させる下記特許文献１に記載された如き技術が知られている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１０５９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１記載の液晶配向手段であるスペーサは、主目的が基板間距離を一定に保つためのものであるため、構造的に画素内に形成することが困難である。
【０００９】
すなわち、このようなスペーサを画素内に形成した場合、ブラックマトリクスによって遮光しなければ黒表示をすることができないことからコントラストが低下してしまう。
また、画素内に形成することができないことから画素内の液晶に均一な配向規制を及ぼし難いとの欠点を有していた。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、液晶の配向規制を容易に行うことができ、しかも、配向規制手段を画素内に形成することが可能な液晶光変調器およびその製造方法、ならびに液晶表示装置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】
【００１１】
上述の課題を克服するため、本発明の液晶光変調器は、
電極膜が各々に付された、少なくとも一方が透明の１対の基板を、該電極膜が対向するように間隔を規制するスペーサを介して配置するとともに、該１対の基板の間に、前記スペーサとは別個に、液晶と、柱状または壁状に形成されてなる多数の樹脂構造体とを挟んでなり、
該樹脂構造体は、液晶性モノマを重合して表面高分子鎖が規則的に配向するように構成され、かつ各画素内に亘って規則的に分散配置されてなり、
前記液晶は前記樹脂構造体の側表面高分子鎖の配向による分子間力を介して液晶配向が直接誘起され、前記基板には前記液晶と接触する配向膜を備えていないことを特徴とする。
【００１３】
この場合において、前記樹脂構造体の表面高分子鎖の配向は、前記液晶のねじれ配向を所定方向に設定し得る方向とされていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の液晶光変調器を製造する方法は、
前記樹脂構造体の分子配向が、前記１対の基板のうち一方の基板上へ、前記樹脂構造体を含む液状体を塗布した後、硬化させることによりなされることを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記樹脂構造体は、自立したフィルム状とされ、前記液晶の浸透により液晶配向が誘起されることが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の液晶表示装置は、上記液晶光変調器を備えてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の液晶光変調器およびこれを用いた液晶表示装置によれば、液晶性モノマを重合して表面高分子鎖を配向するように構成した樹脂構造体を、各画素内に亘るように分散配置している。
【００１８】
すなわち、樹脂構造体の形状によるのではなく、この樹脂構造体の表面において、液晶性モノマを重合し表面高分子鎖を配向することにより、分子間力（ファンデルワールス力）を介して液晶配向を直接誘起することが可能となる。
【００１９】
このように、樹脂構造体が液晶と同様の分子構造をなしており、黒表示に対応することができ、ブラックマトリクスを用いて遮光することが必要とされないことから、画素内に配置することが可能となり、コントラストを低下させずに、各画素内に分散配置することが可能となる。
【００２０】
また、樹脂構造体を、各画素内に分散配置することが可能となるから、画素内の液晶に容易に、均一な配向規制を及ぼすことが可能となる。
【００２１】
また、本発明の液晶光変調器の製造方法によれば、前記樹脂構造体の分子配向を、前記１対の基板のうち一方の基板上へ、前記樹脂構造体を含む液状体を塗布した後、硬化させることにより行うようにしており、製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に本発明の実施形態に係る液晶光変調器について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明による液晶光変調器の一実施形態を示す断面模式図である。
【００２３】
この液晶光変調器２０は、それぞれ透明電極３が付設された１対の透明な基板２の間には、スペーサ１０が配され、さらに表面分子が配向された合成樹脂製の柱状構造体４が光変調を担う各画素内に亘って規則的に分散配置されており、平行に配置された各柱状構造体４の間には、ネマティック液晶材料が満たされている。また、両透明電極３にはリード線５が接続されており、この両透明電極３間に駆動用電圧源６からの交流電圧が印加されるように構成されている。
【００２４】
さらに本実施形態の液晶光変調器２０では、上述した両基板２の各外側に、偏光透過軸が互いに平行な２枚の偏光板７が配設されている。光入射側の偏光板７に入射光８が入射する状態で、透明電極３間に電圧が印加されると、液晶１中で光の偏光方向が変化するため、この電圧印加に応じて、光出射側の偏光板７による光の遮光量が変化することとなり、出射光９の光変調が行われることになる。
【００２５】
ところで、本実施形態の柱状構造体４では、表面の高分子の鎖がランダムではなく規則的に配向しており、液晶１中の液晶分子と高分子鎖との分子相互作用、すなわちファンデルワールス力によるパッキング効果に応じて、その分子鎖の方向にそって液晶分子も同様な方向に配向することができる。
【００２６】
したがって、両透明電極３間に電圧が印加されていない場合には、各柱状構造体４の間において、液晶１中の液晶分子の配向の弾性に伴い、液晶分子の配向方向が各柱状構造体４の表面の高分子鎖の方向に一様に揃った状態とされている。図面に示す例においては、柱状構造体４の高分子が９０°ねじれ配向となっているため、液晶分子も９０°ねじれた配向となる。したがって、入射した偏光は、偏光面を９０°回転して出射される（旋光能）ことになり、２つの偏光板７の偏光透過軸が互いに平行となっていることから、出射側の偏光板７にて光が遮断され、出射光９はほとんど外部に出射されない（ノーマリーブラック）ことになる。
【００２７】
その一方、透明電極３間に電圧が印加された場合には、液晶１中の液晶分子が基板２の基板面から垂直に立ち上がりねじれ配向が解けるため、入射する偏光の方向は変化せず、出射側の偏光板７にて遮断されずに、出射光９として外部に出射されることになる。
【００２８】
なお、２枚の偏光板７を、その偏光透過軸を直交させるように配置してもよく、この場合には、電圧印加に応じて光が遮断される態様（ノーマリーホワイト）とすることができる。
【００２９】
また、この液晶光変調器２０における柱状構造体４は、基板上に設けられる従来の配向膜とは異なり、柱状構造体４の側表面高分子鎖の配向構造により、液晶１中の液晶分子の配向状態を安定化させることができるという際立った効果を奏する。したがって、従来の液晶光変調器の如く、ポリイミド配向膜を透明電極上に設けて液晶分子配向を制御する、ことは不用となる。
【００３０】
また本実施形態の装置に係る液晶分子配向は、柱状構造体４の表面分子構造により安定化されるため、液晶１に接する柱状構造体４の表面積すなわち構造体のサイズや分散密度、さらには柱状構造体４の表面分子配向の秩序度（オーダパラメータ）により、光変調特性の動作電圧、応答時間、コントラスト比が変化することになる。例えば、柱状構造体４の配置の緻密化により、電圧印加後の緩和応答時間の高速化、配向の均一化によるコントラスト比の向上等が期待できる。逆に柱状構造体４を疎らに配置すれば、液晶分子の配向に対する柱状構造体４の配向規制力の影響を制御できるため、これまでの基板２上のポリイミド配向膜では実現できなかった大幅に低い電圧で液晶を駆動できることになる。
【００３１】
また、柱状構造体４の配置間隔を小さくするほど液晶１を配向させ易くなるが、その一方で、液晶１を配しうる光変調部領域の面積比率は低下する。そのため、表示装置を構成する場合には、柱状構造体４の間隔は２０μｍ以下が望ましく、その厚みは成形や取り扱いの容易さから、１μｍから２０μｍが適当である。
【００３２】
また、柱状形態をなす柱状構造体４に替えて壁状形態をなす壁状構造体を用いることも可能であり、この場合にも柱状構造体４と同様の効果を奏することができる。さらに、それら壁状の構造体を互いに直交させて、全体として格子状に形成したり、ストライプ状に形成したりすることも可能である。
【００３３】
また、柱状構造体４の形成方法としては、液状の樹脂材料を印刷法により塗布した後、溶媒を乾燥させたり、加熱や紫外線照射等により重合・架橋反応で硬化させたりする方法を用いることができる。印刷法としては、フレキソ印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷等の各種の印刷法を用いることができる。
【００３４】
また、樹脂材料を均一に塗布した後、光マスクを用いて紫外線のパターン露光により部分的に重合・架橋して、一部を硬化させ未硬化部を取り除くこともできる。さらには、液状材料が均一塗布されて硬化した樹脂膜を、レジストを用いた既存のフォトリソグラフィ法によりエッチングすることにより、パターニングすることもできる。他の方法としては、硬化した均一な樹脂膜を金属等の型を用い、熱プレス形成（エンボス加工）もしくは高出力レーザからのビーム光を照射し、樹脂を分解して穴構造を形成してもよい。なお、基板２上への樹脂材料の均一塗布法としては、ロールコーティング、ディッピング、スピンコーティング、キャスティング、スプレー、ドクターブレードコーティングおよびワイヤバーコーティング等が、生産性や量産性に優れた方法として用いられる。
【００３５】
また、柱状構造体４に用いる材料としては、液晶分子に対して配向規制力を有するように、自発的な分子配向性（液晶性）を有する有機材料が有用であり、フェニル基やシクロヘキサン基等の液晶に類似した分子骨格を、側鎖もしくは主鎖に有する有機材料が好適である。例えば、配向した液晶モノマを重合・硬化させた高分子、加熱により軟化する液晶性高分子、溶媒による溶解・軟化により分子配向性を示す高分子等が有用である。高分子の基本骨格としては、アクリル系樹脂をはじめ、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリオレフィン樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フッ素系樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン等）、セルロース樹脂またはそれらの共重合体（例えばアクリルウレタン樹脂）等を用いることができる。
【００３６】
なお、これらの柱状構造体４が形成された後、液晶をその間に浸透させることにより、本実施形態に係る液晶光変調器を構成することができる。また、この液晶光変調器を用いて、各種画像ディスプレイとして用いられる液晶表示装置を構築できる。
【００３７】
ところで、柱状構造体４の表面の分子配向は、基板２に対して垂直配向、水平配向、チルト角を伴う傾斜配向、両基板面で垂直・水平配向したハイブリッド配向、ねじれ配向、ベンド配向、スプレー配向を用いることができる。ねじれ配向以外の動作モードでは、複屈折効果に基づく偏光制御により光変調が可能となる。その場合、偏光板の透過軸は直交させて用いることが多いが、それに限定されるものではない。
【００３８】
また、柱状構造体４の表面分子を配向させる方法としては、樹脂材料を透明基板２に塗布する際において、基板２上に配向膜を塗布する技術が知られている。この技術は、配向膜の種類に応じて、塗布した樹脂膜の配向を制御することができる。配向膜の材料としては、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルシンナメート樹脂、アゾ系化合物等が好適である。その配向処理法としては、レーヨンやナイロン布等で樹脂膜表面を摩擦するラビング配向処理、さらには偏光紫外線の照射による露光処理を用いることができる。配向膜の塗布法としては、フレキソ印刷法、グラビア印刷法等の既存の各種印刷法のほかに、ロールコーティング、ディッピング、スピンコーティング、キャスティング、スプレー、ドクターブレードコーティングおよびワイヤバーコーティング等があげられるが、これらの塗布手法に限られるものではない。また、無機材料による配向膜としては、斜法真空蒸着により形成したSiO膜もしくはSiO2膜があげられ、これを基板２の表面に形成することも可能である。
【００３９】
また、樹脂材料にねじれ配向を誘起する場合には、従来、液晶１に用いられてきたカイラル剤を樹脂材料に添加して、１枚の配向膜付きの基板２上に、設計された厚みで塗布することにより、樹脂配向を厚み方向に任意の角度でねじることも可能である。カイラル添加剤としては、小量にて短いらせんピッチのものを得られるものであることが好ましく、光学活性を持つ不斉炭素原子を含むカイラル化合物、もしくはコレステリック相を示すコレステロール誘導体が適切である。なお、樹脂材料分子に生じるねじれピッチは、カイラルドーパントの濃度と反比例の関係にあり、９０°ねじるのであれば、樹脂膜の厚みをねじれピッチの１／４に設定すればよい。
【００４０】
このような樹脂材料を配向させる配向膜は、樹脂が硬化した後は、取り除くことにより、液晶と接触することによって生じる従来技術における問題発生を抑制可能である。
【００４１】
また、樹脂の配向設計の自由度を高めるため、溶液を、対向する他方の基板２に付設した配向膜との間に挟み込んで硬化させ、この後、取り付けた配向膜を取り除いてもよい。例えば、柱状構造体４におけるねじれ配向を実現するには、配向方向をねじる２つの配向膜の間に挟んで樹脂材料を硬化させればよい。
【００４２】
また、液晶層の厚みを一定にするスペーサ１０を、柱状構造体４により構成してもよい。柱状構造体４を、自立したフィルム状に形成して（格子の壁状体の場合は自立フィルムとすることが容易であり、柱状体またはストライプ状の壁状体の場合には個々の構造体を繋ぐ樹脂構造が必要である）、これらを１対の基板で挟むことも可能である。この場合、樹脂製の自立フィルムに液晶を浸透させるだけで液晶配向を誘起でき、基板上への配向膜の形成を不要とすることができる。
【００４３】
一方または両方の透明基板２に接着することで形成してもよい。なお、両方の基板２に接着した構造の場合、基板間隔の圧縮力のみならず拡張力を抑制する効果もあり、柔軟なプラスティック基板にも適用可能である。また、素子の機械強度を高めるため、従来用いられている粒径の揃ったスペーサ粒子（硬質樹脂、ＳｉＯ２等）や、光リソグラフィー法を用いて形成した柱状のスペーサ１０を透明電極間に形成してもよい。
【００４４】
また、液晶としては、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶を用いることができる。ただし高速応答を得るには、低粘性かつ高弾性の液晶材料が適しており、化学構造としては、液晶の屈折率異方性Δｎ（Δｎ＝異常光屈折率ｎｅ−常光屈折率ｎｏ）が大きいシアノ系、ビフェニール系、ターフェニール系、ピリミジン系、トラン系、フッ素系のネマティック液晶が適している。スメクティック液晶を用いる場合、
自発分極を有し、かつ高速応答を示す強誘電性液晶が有用である。例えば、シッフ塩基系強誘電性液晶、エステル系強誘電性液晶、もしくはフェニルピリミジン系強誘電性液晶等が好ましい。
【００４５】
また、透明基板としては、０．７ｍｍ以下の薄いガラス板が有用である。また、厚み０．４ｍｍ以下のポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエチレンテレフタレート等の柔軟なプラスティックフィルム基板を用いることができる。基板材料としてプラスティックフィルムを用いた場合、割れにくく軽量である、との特長を有する。さらに薄い基板を用いれば（例えば０．１ｍｍ以下）、自由に曲げることが可能な液晶光変調器を構成することができる。これにより、丸めて持ち運びが可能な液晶表示装置を構成することができる。プラスティック基板に用いるガスバリア層としては、ケイ素、アルミニウム等の金属酸化膜、金属窒化膜が用いられ、特に、透明性、機械的特性、ガスバリア性等の観点から、SiOx(1.5≦x≦2.0)やSiNが好適である。
【００４６】
また、透明電極としては、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）をはじめ、亜鉛をドープした酸化インジウム（ＩＺＯ）、酸化インジウム、酸化錫等が好適である。それらの透明電極は、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の技術で成膜することができる。また、金属酸化物以外の透明電極としてポリチオフェン系樹脂やポリアニリン系樹脂等の透明な有機系導電性材料を、スピンコートや印刷法等により塗布してもよい。
【００４７】
さらに、上記実施形態の液晶光変調器にバックライトを設けることにより、高コントラストの液晶光変調器を構成することができる。
【００４８】
さらに、上記液晶光変調器に光反射板や光拡散板を設けることにより、バックライトが不要とされる低消費電力の反射型液晶光変調器を構成することも可能である。
【００４９】
このような反射型液晶光変調器を構成する場合には、上述した実施形態のものにおいて、透明な基板２を不透明のものとしたり、透明な電極膜３を不透明なアルミニウム、クロム、金等からなる金属電極膜に置き換えたりすることも可能である。
【００５０】
＜実験例＞
以下に実験例を示す。まず、１対のガラス製の基板２の各々に透明電極膜３を形成するとともに、配向膜として機能させるポリイミド樹脂のラビング配向膜（JSR社製AL-1254）を形成し、２つの基板２の間に光硬化性の液晶性アクリルモノマー（大日本インキ社製UCL-001）を挟み込んだ。その後、ストライプ状のフォトマスクにより紫外線で露光（強度40mW/cm2）した。未照射の部分は硬化しないため、この未照射部分を溶剤により溶出させた。このようにして、樹脂表面の分子を基板表面に対して水平配向させたストライプ状の壁構造体（２μｍ高）を形成した。
【００５１】
次に、分子配向を伴って形成された壁状構造体の間に、スメクティック液晶である強誘電性液晶（チッソ社製CS-1030）を高温（100℃）で充填し、これを室温まで冷却して液晶変調器を形成した。
【００５２】
この液晶変調器の液晶分子配向を偏光顕微鏡により観察した結果、壁構造体の間隔が20μｍ以下となる部分においては、液晶分子の配向構造（スメクティック層）に変化が認められ、5μｍ以下で顕著な影響を生じた。これにより、微細に分散された壁構造体が、構造体ギャップ内の液晶分子配向に強い影響を及ぼすことが実験的に確認できた。
【００５３】
このような樹脂の強い配向規制力は、配向膜を設けない状態においても、液晶配向を充分に誘起し得るものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係る液晶光変調器を示す断面模式図
【符号の説明】
【００５５】
１        液晶
２        透明基板（基板）
３        透明電極
４        柱状構造体
５        リード線
６        駆動用電圧源
７        偏光板
８        入射光
９        出射光
１０      スペーサ
２０      液晶光変調器
【図１】
0005388423.tif 000002