本学において授与された博士論文の要旨
くどうゆき

工学院大学研究報告第119号

平成27年10月
79

ひろ

氏 名 （ 本 籍 ） 工 藤 幸 寛 （静岡県）
学 位 の 種 類

博士 （工学）学 位 記 番 号

博甲

学位授与の要件

学位規則

学位授与年月日

平成 27 年 2 月 27 日

学位論文題目

エレクトロスプレーデポジション法およびエレクトロスピニング法を用いた新規ネマティッ

第 135 号
第4条

第1項

ク液晶配向制御の研究
論文審査委員

主査

高橋

泰

樹

副査

坂本哲夫

本田鷹

野一朗

飯

村

靖

文（東京農工大学）

徹

論文要旨

5.3

5.4 E
 SD 法で成膜した配向膜界面の方位角アンカリング強度

目次
第1章

方位角アンカリング強度の測定法

序論

5.5
第6章

結論
ES 法 に よ り 紡 糸 し た フ ァ イ バ ー に よ る

1.1

本研究の背景1.2

本研究の目的

1.3

本論文の構成6.1

はじめに液晶6.2

ファイバー層に対する光配向法

2.1

液晶研究の歴史6.3 ファイバーで形成した格子構造による配向安定化

2.2

液晶とは

6.4

結論

2.3

液晶の種類

第7章

結論

2.4

液晶の性質

7.1

結論

2.5

配向と評価

7.2

課題と今後の展望

第2章

次元配向層

第3章

ESD 法と ES 法

参考文献・関連図書

3.1

エレクトロスプレー

本研究に関する発表

3.2

ESD 法

謝辞

3.3

ES 法

第4章

ESD 法によるプレチルト角制御

3

要旨

4.1

はじめに4.2

基板ホルダの検討について述べる．フラットパネルディスプレイ（FPD:

4.3

単一材料散布によるプレチルト角制御

Flat Panel Display） の 一 つ と し て 液 晶 デ ィ ス プ レ イ

4.4

ESD 法による複数材料の完全同時成膜（LCD: Liquid Crystal Display） が 登 場 し 今 や， 薄 型，

4.5時分割 ESD 法による複数材料の同時成膜

軽量，低消費電力，安価といった特徴からブラウン管

4.6

STN セルの作製に取って代わり，PC 用モニターやテレビ，携帯電話を4.7

プレチルト付与の論理モデル始めとする様々な機器の表示デバイスとして広く用いら

4.8

透明電極パターン上に限定した配向材塗布

れ，表示装置として一般化している．近年では，液晶ディ

4.9

結論スプレイの高性能化が進んでいるが，同時に，情報技術

第5章第１章では，本研究の背景と目的および本論文の構成

高プレチルト角を有する配向膜界面の方位角（IT: Information Technology）
や通信技術の進歩に伴い，アンカリング強度日常的にやりとり可能な情報力が大幅に増加した結果，5.1

はじめにコンテンツの高品質化も進んでいる．こうした中で，こ5.2

方位角アンカリングエネルギーの定義

れらの情報や映像などのメディアをより高品質に表示す80

工学院大学研究報告

るため，表示デバイスにもこれまで以上の高速応答，高トワークがバルク中にまで形成させることで３次元的なコントラスト，広視野角などの性能が要求されている．

配向制御を行うことができる．配向制御を３次元化する

さらに，近年ではスマートフォンやタブレット型デバイことで，従来の基板界面からの配向制御では配向が不安

スが普及したことに加え，電子書籍リーダーや電子値札定になる液晶配向を安定化させることが可能なことが報など新しいタイプのデバイスも徐々に普及しつつある．

告されており，期待されているものの，液晶に液晶性モ

このようなデバイスは，バッテリーにより駆動するため，ノマーが残留し劣化の原因となることが指摘されていより一層の低消費電力化が求められている．こういった

る．

要求に答えるために，液晶ディスプレイにおいては新規

本論文は，エレクトロスプレーデポジション（ESD:表示モードや駆動方式の研究開発が行われている．液晶

Electoro-spray Deposition）法あるいは，エレクトロスをディスプレイや光学デバイスに応用するには，ほとんピニング（ES: Electrospinning）法を液晶の配向膜や配どの場合，液晶分子をある一定の方向に配向させる必要向層の形成に応用し，従来の手法では困難であったプレがあり，一般にポリイミド膜を配向膜とし，その表面をチルト角の制御や３次元的な配向層の形成を目的として回転ローラーで擦るラビング法と呼ばれる手法で配向膜いる．ESD 法は，N. V. Morozov らにより提案された成表面に異方性を与えることで液晶を配向させている．ま膜手法であり，液滴に高電界を印加することで液滴を帯た，近年は紫外線を用いる光配向法も実用化しつつある．

電させ，クーロン力によりキャピラリから吐出させるこ

しかし，従来の手法では，付与できる配向特性に限りがとで成膜を行う．空間に放出された液滴は空間中でクーある．配向制御における課題として，まず，高プレチルロン力による分裂を繰り返し微細な液滴となり基板面にト角の付与があげられる．液晶分子の基板からの立ち上材料が最終的に堆積する．ESD 法は，適用可能な材料がり角であるプレチルト角は，液晶配向において非常にが多く，有機膜の成膜も行える上，常温常圧下で成膜が重要なパラメータである．しかし，30°～ 70°の高プレチ行える．さらに装置は簡素であり，真空プロセスも不要

ルト角を安定的に付与することは一般に困難とされていになることから成膜コストも安い．これまでに，ESDる．表示モードによって必要とされるプレチルト角は異法を液晶配向膜成に応用した例はなく，本研究が初めてなっており，安定的かつ生産性よくプレチルト角を制御である．本研究では，ESD 法を応用し水平・垂直配向できれば，これまで難しかった表示モードの実現や新し材の二種類の配向膜の微少なドメインをガラス基板上にい表示モードの開発をするための足がかりになる．高プ形成し表面に占める配向材の割合でプレチルト角を制御

レチルト角の制御手法として従来までに SiO の斜方蒸する手法を提案し実験的な検討とその配向膜の評価を着や，水平・垂直配向材の混合溶液をスピンコーティン行った．また，ES 法は，ESD 法と同等の装置で，材料グなど従来通りの手法で配向膜を成膜する手法が報告さに高濃度のポリマー溶液を用い，電荷による反発で微細れている．SiO の斜方蒸着は，有用な手段であるが，プファイバーを紡糸する手法である．微細ファイバーを基レチルト角の範囲が限られている上に，真空蒸着にて基板表面上で特定の方向に積層させることで，液晶セルの板表面に構造を形成するため大面積化が困難なことや真バルク中に配向層を成膜する手法を提案し，実験により空プロセスが必要で生産性が低いという欠点がある．ま検討した．

た，水平配向材と垂直配向材の混合液を用いて配向膜を第２章では，液晶の基本的な事柄について述べ，液晶成膜する手法が報告されている．この手法は，極めて簡の歴史や基本的な物性に加えて本研究で扱う測定法の概素な方法で広範囲のプレチルト角が得られるため，実験要について簡単に述べた．

室レベルでは広く用いられる手法であるものの，それ第３章では，ESD 法および，ES 法の基本的な事柄にぞれの配向材の比重の違いによって溶液が分離するためついて述べ，これらの手法の基礎となるエレクトロスプに，付与されるプレチルト角の安定性にかけるという課レー現象について述べた．

題がある．また，一般的な配向制御は，基板表面に形成

第 4 章では，ESD 法を配向膜の成膜プロセスに応用し，した膜に対し異方性を与えることで行う２次元平面によ本研究で提案するプレチルト角を制御する手法についてる配向制御である．バルク中に及ぶ 3 次元的な配向層と述べた．この章では，まず，より均一な配向膜を ESDして，紫外線硬化型の材料である紫外線硬化型液晶性モ法により成膜することを目的として基板ホルダの形状おノマーを液晶に添加したものをセルに注入した後に，紫よび素材について検討した．検討の結果，絶縁体の基板外線で硬化させる高分子安定化法が注目されている．こホルダを用いると配向材がガラス基板上の透明電極上にの高分子安定化法では，紫外線照射によりポリマーネッのみ堆積することが確認されたが，プレートを円形に加本学において授与された博士論文の要旨81

工した基板ホルダを用い基板上の電極を電気的に浮いた

第５章では，ESD 法により成膜した配向膜界面の方状態にすることで，透明電極の有無による影響を低減可位角アンカリング強度の評価について述べた．方位角ア能なことが見出された．次に，水平配向膜を従来手法でンカリング強度の測定法として，トルクバランス法がよ成膜した後に，ESD 法で垂直配向材溶液をスプレーすく知られているが，一般にアンカリングエネルギーの定ることで，水平配向材と垂直配向材が混在した配向膜を義にプレチルト角は含まれておらず，プレチルト角は零成膜し，プレチルト角を付与する手法を提案し実験をとして与えられる．ここでは，第４章で提案した時分割行った結果について述べた．この手法では，プレチルト

ESD 法で成膜した高プレチルト角が付与可能な配向膜角を５°~70°の範囲で付与することが可能であり，一般の評価を行うため，高橋らにより提案されているプレチに付与が困難であるとされる範囲のプレチルト角を付

ルト角を考慮した拡張方位角アンカリングエネルギーの与，制御できる可能性を示した．しかし，散布量が多い定義を用いてトルクバランス法を改良しプレチルト角を場合は，配向膜上で凝集が生じるためか製作した液晶セ考慮した測定手法を提案した．また，この手法を用いて，ルにおいて 100µm ほどの直径を有する垂直配向領域が時分割 ESD 法で成膜した配向膜を評価したところ，
10 − 4見られた．この結果を踏まえ，水平配向材溶液と垂直配J/m2 オーダーの配向膜として十分な方位角アンカリン向材溶液の双方を ESD 法により同時成膜する手法につグ強度が得られることを示した．

いて検討した．まず，近接させた２つのキャピラリから第６章では，ES 法を応用し３次元的な配向層の形成それぞれの材料をスプレーする方式を提案した．同時にについて述べた．この章では，ポリビニルシンナメート

ESD 法で複数の材料を散布し混合膜を成膜することで，のファイバー層に偏光紫外光を照射することで，ファイ複数の材料が基板上に堆積し凝集等が生じてもスプレーバーの構造と光配向による配向規制力の２種類の配向規した材料の比率は保たれより微細なドメインが形成され制力を発現させる手法について述べた．この構造によっることを確認したが，完全に同時成膜を行った場合では，て双安定界面が発現することを確認し，電子ペーパーな２種類の材料の堆積比率をコントロールするのに適当などに応用できる可能性を示した．加えて，セルロースファパラメータがなかった．これを改善するために，２種類イバーを基板上に格子状に配置することで，これまで提の材料を ESD 法で交互に散布し，散布する時間比率に案されている紫外線硬化型液晶性モノマーを添加する手

よって材料の堆積比率をコントロールする時分割 ESD法と比較し，残留モノマーの問題が生じないクリーンな法を独自に開発し，製作した装置を用いて実験を行った．

配向保持層を形成可能なことを示した．

その結果，時分割 ESD 法を用いることでドメインサイ

第７章では，本論文の結論と今後の展望について述

ズの成長を抑制しながら水平配向材と垂直配向材の堆べた．本研究では，初めて ESD 法を液晶配向膜の成膜積比率を制御でき，５°~40°度のプレチルト角が付与可に応用した．本研究で提案した ESD 法を応用すること能なことを示した．しかしながら，偏光顕微鏡による観で高プレチルト角が必要な様々な液晶素子に応用でき察では依然垂直配向領域が見られることから，プレチルる可能性がある上，配向膜に限らず様々な分野で時分ト角測定に誤差が生じている可能性が考えられる．そこ

割 ESD 法を用いることで混合が難しい材料の混在膜ので，20°程度の高プレチルト角が付与されていない場合，成膜が可能であると考えられる．さらに，ES 法を応用配向欠陥が生じる 270°STN（Super Twisted Nematic）することで，3 次元的な配向層を形成することが可能で配向セルを製作し，高プレチルト角が付与されているかあった．この手法は液晶を用いた電子ペーパーや光学素確認した．プレチルト角が 30°の条件で製作した試料セ子に応用可能であると考えられる．

ルの中央部では，この配向欠陥が見られず，セルの電圧対透過率特性おいても STN 配向特有の急峻なしきい値特性が得られたことから実際に高プレチルト角が付与されている可能性が高いことが確認された．また，この論文審査要旨章では，時分割 ESD 法によってプレチルト角が付与さ本論文は，成膜手法の１つであるエレクトロスプレーれる理論モデルについても提案を行った．このモデルでデポジション（ESD）法あるいは，紡糸手法の１つでは，微小な水平配向領域と垂直配向領域による配向規制あるエレクトロスピニング（ES）法を液晶の配向膜や力（極角アンカリング）の釣り合いを考えることで付与配向層の形成に応用し、従来の手法では困難であった広されるプレチルト角を求める理論式を得た．このモデル

範囲に渡るプレチルト角の制御や３次元的な配向層を用は，実験値とよく一致しており，妥当性を確認できた．

いた新規配向制御を目的とした研究である。これまで、

82

工学院大学研究報告

ESD 法を液晶の配向膜成膜に応用した例はなく、本研れるというモデルを作り、理論式を得た。このモデル

究による提案が初めてである。また ES 法により紡糸さは、実験値とよく一致しており妥当性が確認できたとい

れたファイバーと液晶の関係に関しては多少の報告はあえる。

るものの、ほとんど研究されていないに等しい。これら

第５章では，ESD 法により成膜した配向膜界面の方研究にあたり実験装置は全て工藤氏の手作りによるもの

位角アンカリング強度の評価について述べている。一般

である。に、方位角アンカリング強度の測定法として広く用いら液晶をディスプレイや光学デバイスとして応用するたれている手法は、プレチルト角をゼロと仮定した理論をめには、一般にガラス板に液晶を挟んだ構造にするが、基に与えられている。今回、プレチルト角を考慮した理

その際、液晶を１つの方向に揃えて並ばせるための配向論式を導きだし、従来の手法を拡張し評価を行い、配向処理が必要である。その液晶の配向制御のうち重要なも膜として十分な方位角アンカリングを有していることをのとして初期配向状態における液晶分子の基板からの立確認した。（論文として発表）

ち上がり角、すなわちプレチルト角の制御がある。これ第６章では、ES 法を応用し３次元的な配向層の形成まで、高プレチルト角の制御に関しいくつか提案されたと、液晶セルの試作について述べている。まず、ポリビ手法があるが、量産性や安定性に問題がある。もし、高ニルシンナメートのファイバー層に偏光紫外光を照射すプレチルト角を安定的かつ生産性よく制御できれば、こることで、ファイバーの構造と光配向による配向規制力

れまで難しかった表示モードの実現や、新しい表示モーの２種類の配向規制力、つまり双安定な配向が発現するドを開発する足がかりとなることが考えられる。

ことを実験により確認した。これを用い液晶配向にメモ

論文は第１章から７章までで構成されている。第１章

リー性を持たせることが可能となり、電子ペーパーなどから第３章では背景と目的、および本研究に関連する基に応用できることを示した。次に、セルロースのファイ礎的な事柄を述べている。

バーを液晶セル中の画素周りに格子状に配置すること

第４章では，ESD 法を配向膜の成膜プロセスに応用で、メモリー性を有する液晶配向が可能であることを実し，プレチルト角を制御する手法について述べている。

験により示した。これまで提案されている紫外線硬化型

水平配向膜を従来手法のスピンコート法で成膜した後液晶性モノマーを添加する手法と比較し、残留モノマーに，ESD 法で垂直配向材溶液をスプレーすることで，の問題が生じない配向保持層を形成可能なことを示し水平配向材と垂直配向材が混在した配向膜を成膜しプレた。（論文として発表）

チルト角を付与する手法を提案し実験を行った。プレチ

第７章では，本論文の結論と今後の展望について述べ

ルト角を５°〜 70°の広範囲で付与することが可能であている。本研究により、初めて ESD 法を液晶の配向膜ることを示した。（論文として発表）しかし、散布量がの成膜に応用できることが示された。本手法を応用する多い場合、材料の凝集が生じてしまうことがあり、それことで高プレチルト角が必要な様々な液晶表示モードにを改良するために、近接させた２つのキャピラリから、応用できる可能性がある。時分割 ESD 法を用いること水平配向材と垂直配向材のそれぞれの溶液を同時にスプで、液晶配向膜に限らず様々な分野で、混合が難しい材レーする方式を提案し、複数の材料が基板上に堆積し凝料の混在膜の成膜に応用できると考えられる。ES 法を集等が生じても、スプレーした材料の比率は保たれ、よ応用することで、３次元的な液晶配向層を形成することり微細なドメインが形成されることを確認した。

が可能であることを示している。

さらに、同時にスプレーを行った場合，２種類の材料

また、研究成果に関して国内外共に積極的に発表を行の堆積比率をコントロールするための適当なパラメータ

い外部評価も受けており、公聴会での発表や質疑応答にがないため、２種類の材料を交互に散布し、散布する時関しても問題はなく、外部審査委員の飯村靖文先生（東間比率によって材料の堆積比率をコントロールする「時京農工大学）からも、独創的な研究で、産業的な価値が分割 ESD 法」という手法を提案した。その結果，ドメあることについても高い評価を受けている。

インサイズの成長を抑制しながら水平配向材と垂直配向材の堆積比率を制御でき，５°〜 40°のプレチルト角が付与可能なことを示した。
（論文として発表）
また、時分割 ESD 法によってプレチルト角が付与される理論モデルについて、基板上の微小領域の配向規制力の釣り合いにより、付与されるプレチルト角が決定さ以上のことから、本論文は博士（工学）の学位請求論文として十分価値があるものと認められる。