液晶光学素子およびその製造方法
【課題】簡便な構造により、液晶層中の液晶分子の配向状態をスプレイ配向からベンド配向に速やかに、安定に転移させるとともに初期転移動作後、安定にベンド配向状態を保持する。
【解決手段】第１基板11aの一面上に形成される第１電極12a上に形成される第１配向膜13aと、第１基板と対向する第２基板11bの一面上に形成される第２電極12b上に形成される第２配向膜13bと、第１基板と第２基板との間に介在される液晶層14とを備え、第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、この配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域15をパターン状に有する液晶光学素子10を構成する。薄膜領域部分が転移核となり、低い電気エネルギーでベンド配向への転移が迅速、確実に行われる。
【解決手段】第１基板11aの一面上に形成される第１電極12a上に形成される第１配向膜13aと、第１基板と対向する第２基板11bの一面上に形成される第２電極12b上に形成される第２配向膜13bと、第１基板と第２基板との間に介在される液晶層14とを備え、第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、この配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域15をパターン状に有する液晶光学素子10を構成する。薄膜領域部分が転移核となり、低い電気エネルギーでベンド配向への転移が迅速、確実に行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶の旋光性や複屈折現象を利用して光の透過率または反射率を電気的に制御する液晶光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶の複屈折現象を利用した高速応答の光学素子として、強誘電性液晶および反強誘電性液晶を用いた液晶光学素子があげられる。
【０００３】
液晶光学素子は、基板、電極、配向膜、液晶層、配向膜、電極、基板がこの順で積層された構成を有する。一般に、液晶層はネマティック液晶または強誘電性液晶により構成し、交流または直流の駆動電圧によって駆動する。
【０００４】
上記液晶光学素子は、２つの電極間に電圧を印加した状態で入力光を一方の基板側から入射させると、印加電圧に応じて液晶の配向方向が変化するために、入力光が液晶層内で複屈折現象を生じその位相が変化し、その状態で他方の基板より出力される。この出力光を利用すれば光位相変調動作の液晶光学素子を提供できる。
【０００５】
さらに、この液晶光学素子を偏光子と検光子の間に設置することで、強度変調動作も可能となる。また、この液晶光学素子は、液晶駆動用素子を画素毎に形成して液晶表示素子として構成される。
【０００６】
しかしながら、従来の強誘電性液晶および反強誘電性液晶を用いた場合には、液晶の耐衝撃性が弱く、使用温度範囲が狭い、温度依存特性が大きいなど実用的な意味での課題が多く、現実的にはネマティック液晶を用いる液晶素子が適した動作モードとしてあげられる。しかし、ネマティック液晶は応答速度が遅く一般的な動画像表示を行うための十分な光学応答特性をもたないという問題を抱えている。
【０００７】
一方、ネマティック液晶で最速の応答性を示す動作モードとしてベンド配向からなるπセルがあり、そのことを図８に基づいて説明する。
【０００８】
図８は、ベンド配向で動作する液晶光学素子のバイアス電圧無印加時および電圧印加時における一対の基板１ａ，１ｂ間に挟持された液晶層４の液晶分子４ａの配向状態を表している。この液晶光学素子は、第１基板１ａと、第１基板１ａの一面上に形成される第１電極２ａと、第１電極２ａ上に形成される第１配向膜３ａと、第１基板１ａの前記一面と対向する第２基板１ｂと、第２基板１ｂの一面上に形成される第２電極２ｂと、第２電極２ｂ上に形成される第２配向膜３ｂと、第１基板１ａと第２基板１ｂとの間に介在される液晶層４とを備えてなる。
【０００９】
そして、ベンド配向モードにおいては、初期状態すなわち電圧無印加時には、図８（ａ）に示すように、一対の基板上１ａ，１ｂに形成された配向膜３ａ，３ｂに低いプレチルト角を有するように配向処理がなされており、液晶層４の液晶分子４ａがスプレイ配向している。この液晶光学素子において、高速応答特性を持たせるには、図８（ａ）に示すようなスプレイ配向している液晶分子４ａを、図８（ｂ）に示すようなベンド配向に転移させる必要がある。つまり、液晶層４の液晶分子４ａが配向膜３ａ，３ｂに略平行な配向から、略垂直な配向に転移させるものである。
【００１０】
しかし、通常のπセルにおいては、第１に、スプレイ配向からベンド配向への転移速度が非常に遅い、第２に、転移させるためには高電圧を印加させなければならない、第３に、そのため特殊の駆動回路が必要である、など多くの実施上の課題を有する。
【００１１】
上記の課題を解決するために、例えば、下記特許文献１に記載されているような低電圧で動作するベンド配向構造の液晶を用いた光学素子が提案されている。しかし、特許文献１に記載されている技術は、材料の特性改善による転移の高速化を図る方策であり、前述の本質的な課題は、残されたままである。
【００１２】
また、下記特許文献２に記載されているような、液晶中に高分子材料系を分散して構成し、その分散構造を微細化することで高速化を図る液晶デバイスが提案されている。
【００１３】
しかし、特許文献２に記載されている技術は、液晶中に高分子材料系が分散して構成されるために、散乱モードでの動作となり、高品質のディスプレイ用途としての表示デバイスとして応用する場合、コントラストおよび透過率が低下してしまい、あるいはその分散構造が画質の固定パターンノイズとなり画質劣化を引き起こす課題を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平８−８７０１３号公報
【特許文献２】特開平６−２２２３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述のように、液晶を用いた光学素子で高速動作に優れた動作モードを得ようとした場合に、通常の液晶光学素子は表面配向処理された一対の基板間に液晶層を挟持してなる素子構造だけであり、ネマティック液晶の動作では、液晶層中にバックフローが生じ、液晶分子が一旦本来緩和すべき方向とは逆方向に回転した後に緩和する。このため、バックフローによって液晶分子が本来転移すべき回転方向とは逆のトルクが液晶分子にかかるために、液晶分子の再配列が遅れて応答速度が遅れることになる。
【００１６】
一方、バックフロー効果のないネマティック液晶を用いたπセルの場合には、駆動電圧のない初期配向状態では、スプレイ配向からベンド配向に転移させるために、初期転移のための高い電圧印加、転移時間、および転移のための特別な駆動回路が必要である。
【００１７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、動画表示動作が可能な高速応答適性の液晶動作を、高透過率で安定・確実に実施できる液晶光学素子を得る際に、簡便な構造および簡便な工程により、液晶層中の液晶分子の配向状態をスプレイ配向状態からベンド配向状態に速やかに、安定に転移させることができるとともに初期転移動作後、安定にベンド配向状態を保持することができるようにした液晶光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決した本発明の液晶光学素子は、第１基板、第１電極、および第１配向膜を、この順に積層してなる第１積層体と、第２基板、第２電極、および第２配向膜を、この順に積層してなる第２積層体とを、前記第１配向膜および前記第２配向膜が対面するようにして、間に液晶層を介在させてなり、
前記第１配向膜および前記第２配向膜の少なくとも一方に、パターン状の薄膜領域を設け、該薄膜領域は、設けられた配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つように設定されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の液晶光学素子においては、前記薄膜領域の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、また、前記第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であることが好ましい。
【００２０】
また、前記薄膜領域のパターン形状がドット状構造、格子状構造、およびストライプ状構造のいずれかであることが好ましい。
【００２１】
例えば、前記薄膜領域がストライプ状構造からなり、かつ当該ストライプ構造の平行方向が前記第１配向膜と前記第２配向膜の配向方向に対して直交するように構成することができる。
【００２２】
また、前記第１配向膜に形成される前記薄膜領域と前記第２配向膜に形成される前記薄膜領域が対向する同位置に配置されているように構成することができる。
【００２３】
一方、本発明の液晶光学素子においては、前記第２基板の前記一面に形成される複数のゲート線と、複数の前記ゲート線と交差する複数のデータ線と、前記ゲート線と前記データ線とに連結される複数の薄膜トランジスタと、をさらに備え、
前記第２電極は前記複数の薄膜トランジスタに連結される複数の画素電極であり、前記第１電極は前記複数の画素電極と対向する単一の共通電極であるように構成することができる。
【００２４】
また、前記薄膜領域は、表示領域を区画する非表示領域に形成することが好ましい。
【００２５】
また、前記薄膜領域が印刷工程または塗布工程によって形成されるのが好適である。
【００２６】
本発明の液晶光学素子の製造方法は、前記本発明の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、印刷工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の他の液晶光学素子の製造方法は、前記本発明の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１電極および第２電極の少なくとも一方の電極に、印刷工程または塗布工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成し、該薄膜領域と同一平面内に第１配向膜および／または第２配向膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、第１基板の一面上に形成される第１電極上に形成される第１配向膜と、第１基板と対向する第２基板の一面上に形成される第２電極上に形成される第２配向膜と、第１基板と第２基板との間に介在される液晶層とを備え、第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、この配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に有することにより、低い電気エネルギーでも、スプレイ配向からベンド配向への転移が、迅速、かつ確実に行われる液晶光学素子を構成することができる。
【００２９】
また、初期転移後には、電圧無印加時においてもベンド配向または１８０°ツイスト配向に安定するために、省電力化を図ることができる。
【００３０】
つまり、従前の通常の液晶光学素子では、表面配向処理された一対の基板間に液晶層を挟持してなる素子構造におけるネマティック液晶の動作では、液晶層中に生じるバックフローにより、液晶分子の再配列が遅れて応答速度が低下するのを、配向膜より表面自由エネルギー値が小さい薄膜領域において液晶分子の転移速度が高まり、この液晶層内の表面自由エネルギーが小さい薄膜領域での液晶分子の配向が転移核となることで、低電圧印加で安定して高速に転移動作が実現できる。同時に、初期転移後に電圧無印加の状態でも安定なベンド配向を得て、転移不要の高速動作のπセルを構成することができる。
【００３１】
また、駆動電圧のない初期配向状態においても、スプレイ配向からベンド配向に転移させるために、初期転移のための高い電圧印加が不要となり、低電圧印加によって転移時間も短くなり、そのための特別な駆動回路が不要となり、簡素化が図れるものである。
【００３２】
特に、薄膜領域の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２以下、第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２以上となるような材料を選定して使用することで好適に構成することができる。
【００３３】
また、薄膜領域のパターン形状をドット状構造、格子状構造、およびストライプ状構造のいずれかに設定することにより転移核としての機能を十分に確保することができる。特に、薄膜領域のパターン形状を格子状構造またはストライプ状構造とすることで、実質的に再ベンド化処理を不要とし、同時にベンド配向の保持電圧を低減することができる。
【００３４】
さらに、薄膜領域がストライプ状構造からなり、そのストライプ構造の平行方向が第１配向膜と第２配向膜の配向方向に対して直交するように構成すると、薄膜領域が転移核として有効に機能し、初期転移後の電圧無印加時においてもベンド配向を安定に保持できる。
【００３５】
また、第１配向膜に形成される薄膜領域と第２配向膜に形成される薄膜領域が対向する同位置に配置されているように構成すると、両側に薄膜領域が存在することで、その間の液晶分子が全体的にベンド配向に転移し、良好な特性を確保することができる。
【００３６】
一方、第２基板の一面に形成される複数のゲート線と、このゲート線と交差する複数のデータ線と、前記ゲート線と前記データ線とに連結される複数の薄膜トランジスタとをさらに備え、第２電極は複数の薄膜トランジスタに連結される複数の画素電極であり、第１電極は複数の画素電極と対向する単一の共通電極であるように構成すると、前述の高速転移特性を有する液晶表示素子を得ることができる。その際、薄膜領域を非表示領域に形成すると、画素の形成を阻害することなく構成することができる。
【００３７】
本発明の液晶光学素子の製造方法によれば、第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、印刷工程によって薄膜領域をパターン状に形成することにより、または、第１電極および第２電極の少なくとも一方の電極に、印刷工程または塗布工程によって薄膜領域をパターン状に形成し、該薄膜領域と同一平面内に第１配向膜および／または第２配向膜を形成することにより、薄膜領域を所定のパターンに簡易に形成することができ、前述の高速転移特性を有する液晶光学素子を安定に確実に製造することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図である。
【図３】配向膜に形成する薄膜領域のドット状構造（ａ）、格子状構造（ｂ）およびストライプ状構造（ｃ）のパターン例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ａ）、および本発明の第４の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ｂ）である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ａ）、および本発明の第６の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ｂ）である。
【図６】本発明の第７の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す上面図である。
【図８】従前の液晶光学素子に係る液晶分子のスプレイ配向を示したモデル図(ａ)、液晶分子のベンド配向を示したモデル図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る液晶光学素子の各実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４０】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子について、図１を参照して説明する。
【００４１】
本実施形態の液晶光学素子１０の基本構造は、図１に示すように、図中上方の第１基板１１ａと、第１基板１１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極１２ａと、第１電極１２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜１３ａとが積層され、また、上記第１基板１１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板１１ｂと、第２基板１１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極１２ｂと、第２電極１２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜１３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板１１ａおよび第２基板１１ｂを外側に、第１配向膜１３ａと第２配向膜１３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板１１ａと前記第２基板１１ｂとの間（具体的には第１配向膜１３ａと第２配向膜１３ｂとの間）に液晶層１４が介在されて一体に構成されてなる。
【００４２】
そして、一体化される前に、図中下方の第２配向膜１３ｂの上面、つまり液晶層１４に接する面に、パターン状に薄膜領域１５が形成されている。この薄膜領域１５は、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。この薄膜領域１５の作製方法および組成（使用材料）については後述する。
【００４３】
上記第１および第２基板１１ａ，１１ｂは、液晶層１４を挟持するための部材であり、材料としてポリカーボネイト樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、エポキシ樹脂、アモルファスポリオレフィン樹脂、アクリル系UV硬化材料のプラスチック材料を両基板あるいはいずれか一方の基板として用いてもよい。両基板とも薄膜のプラスチック材料を用いた素子は、フレキシブルな特性をもたせることができる。また、基板材料としてガラス、シリコン等を両基板あるいはいずれか一方の基板として用いてもよい。
【００４４】
上記の構成において、第１配向膜１３ａと第２配向膜１３ｂは水平配向膜であり、その水平配向膜の表面自由エネルギー値がＢであり、薄膜領域５の表面自由エネルギーがＡである場合に、その大小関係は、Ａ＜Ｂに設定するものである。
【００４５】
特に、後述の表１の材料選定に基づくと、薄膜領域１５の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、また、第１配向膜１３ａおよび第２配向膜１３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用することで構成することができる。
【００４６】
さらに、上記液晶光学素子１０を得るために、第２配向膜１３ｂに対し薄膜領域１５を印刷工程または塗布工程によってパターン状に形成する。
【００４７】
この印刷工程として、フレキソ法、活版（凸版）印刷法、オフセット(平板)印刷法、グラビア(凹版)印刷法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法を用いることができる。一方、塗布工程として、スピンコート法、ディップコート法を用いることができる。
【００４８】
例えば、第１の実施形態では、上記薄膜領域１５の形成パターンは、図３（ａ）に示すようなドットパターン状に形成している。その形成法の一例としては、マイクロコンタクトプリント法により形成する。このマイクロコンタクトプリント法は、後述の実施例１で具体的に説明するが、ドットパターンに対応した凹凸構造の柔軟なスタンプを形成し、その凹凸スタンプ面に薄膜領域１５を構成する素材を均一に塗布して塗膜を形成した後、この凹凸スタンプ面を第２配向膜１３ｂを構成する水平配向膜上に押圧し、ドット状の凸部先端の塗膜を配向膜に転写するものであり、その後、配向膜を加熱して転写塗膜を熱硬化させ、ドットパターン状の薄膜領域１５を形成してなる。
【００４９】
なお、上記薄膜領域１５の形成パターンは、図３（ｂ）に示す格子状構造、または、図３（ｃ）に示すストライプ状構造に形成してもよい。
【００５０】
ここで、第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂの水平配向膜は、プレチルト角が１°から１３°の値をとることが好適である。水平配向膜の材料としては、ポリイミド（略称：ＰＩ）膜で、炭素数が１０以下の直鎖アルキル基を有するシランカップリング剤で表面処理したもの、無機材料の薄膜形成により水平配向性を持たせた膜、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリカーカーボネート、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリスチレン、セルロース樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂などの樹脂膜、あるいは電子線フォトレジスト膜（ポリメチルメタクリレート、エポキシ化-1,4-ポリブタジエンなど）、酸化シリコンＳiＯx膜を用いることができる。配向処理法としては、ラビング処理、光配向処理、斜方蒸着などを用いることができる。
【００５１】
一方、薄膜領域１５の材料系としては、ポリイミド（略称：ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、フッ素樹脂、シランカップリング剤、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエステル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリシルセスキオキサン（ＰＳＱ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などを用いることができる。さらに、上記２種類以上の材料からなる混合物を使用してもよい。
【００５２】
特に、上記材料系においてその分子構造に−Ｆ，−ＣＦ３，−ＣＨ３，−Ｐｈを含有するものが、その表面自由エネルギーが小さく望ましい材料系である。
【００５３】
ポリイミド材料としては、側鎖に垂直配向性を示すアルキル鎖を含むポリイミド、フッ素置換基を有するポリイミド、フルオロアルキル鎖もしくはアルキル鎖をもつ分子構造を有しているものなどを用いることができる。
【００５４】
フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（略称：ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＰＦＥＰ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン・パーフルオロジオキソールコポリマー（ＰＴＦＥ／ＰＤＤ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロエチルビニルエーテル（ＰＥＶＥ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＡＶＥ）などを用いることができる。これらの具体的製品名（登録商標を含む）としては、ＣＹＴＯＰ（旭硝子製品）、テフロン（デュポン製品）、カルレッツ（ＦＦＫＭ、デュポン製品）、テフゼル（ＥＴＦＥ、デュポン製品）、フルロン（ＥＴＦＥ：旭硝子製品）、カイラー（ＰＶＤＦ：Ａrkema，Ｉnc．製品）、ハラー（ＥＣＴＦＥ：Ｓolvay Ｓolexis製品）、ルミフロン（旭硝子製品）、アフラス（旭硝子製品）、バイトン（デュポン製品）、フローレル（３Ｍ製品）、ヴァイトン（ＦＰＭ／ＦＫＭ：デュポン製品）、テドラー（ＰＶＦ：デュポン製品）、テクノフロン（ＦＦＫＭ：Ｓolvay Ｓolexis製品）などを用いることができる。
【００５５】
シランカップリング剤としては、フッ素アルキルシラン化合物であるＣＦ３(ＣＦ２)７(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３(ＦＡＳ-17：（heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＦ２)５(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-１３：(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-3：3,3,3-trifluoropropyltrimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＦ２)７(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-17：(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＦ２)５(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-13：(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-3：3,3,3-trifluoropropyltrimethoxysilane）、フッ素化アルキルトリクロロシラン化合物であるＣＦ３(ＣＦ２)７(ＣＨ２)２ＳiＣl３（ＦＯＥＴＳ：perfluorodecyltrichlorosilane），ＣＦ３(ＣＦ２)５(ＣＨ２)２ＳiＣl３（ＦＯＴＳ：tridecafluorooctyltrichlorosilane）、アルキルトリクロロシラン化合物であるＣＨ３(ＣＨ２)２８ＣＨ２ＳiＣl３（ＴＡＴＳ：n-triacontyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)２０ＣＨ２ＳiＣl３（ＤＯＴＳ：n-dococyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)１８ＳiＣl３（ＮＴＳ），ＣＨ３(ＣＨ２)１６ＣＨ２ＳiＣl３（ＯＴＳ：n-octadecyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)１４ＣＨ２ＳiＣl３（ＨＤＴＳ：n-hexadecyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)１０ＣＨ２ＳiＣl３（ＤＤＴＳ：dodecyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)９ＳiＣl３（n-decyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)６ＣＨ２ＳiＣl３（ＯＴＳ-8：octyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)６ＳiＣl３（n-heptyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)４ＣＨ２ＳiＣl３（hexyltrichlorosilane），ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＳiＣl３（n-butyltrichlorosilane），ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＳiＣl３（n-propyltrichlorosilane），ＣＨ３ＣＨ２ＳiＣl３（ethyltrichlorosilane），ＣＨ３ＳiＣl３（methyltrichlorosilane）、Ｃ６Ｈ５(ＣＨ２)２ＳiＣl３（β-ＰｈＴＳ：β-phenethyltrichlorosilane）、および(ＣＨ３)２ＳiＮＨ(ＣＨ３)３（ＨＭＤＳ:hexamethyldisilazane）などを用いることができる。
【００５６】
液晶光学素子１０を光強度変調素子として用いる場合には、素子を偏光子と検光子の間に設置して使用できる。さらに、高コントラスト、視野角の広い素子とするために光学的な補償法である位相補償板を設置しても使用できる。
【００５７】
上記構成によれば、前記第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂは水平配向膜であり、上下の第１および第２基板１１ａ，１１ｂにおいて、それぞれの配向方向は同一方向となるπセル構造をとる。πセルでは、ネマティック液晶系で最速動作となるベンド配向の形態をとることを可能とする。後述の実施形態においても同様である。
【００５８】
第２配向膜１３ｂに形成されている表面自由エネルギー値の小さい薄膜領域１５により、第１および第２基板１１ａ，１１ｂの間の液晶層１４における液晶分子１４ａに対して、局所的な配向が変化する領域を形成することができる。この局所的な配向変化が、πセルにおける液晶分子１４ａのスプレイ配向からベンド配向への転移核となり、液晶層１４の略全体の液晶分子１４ａを、低電圧で容易に、かつ高速にベンド配向へ転移させることができる。
【００５９】
つまり、第１電極１２ａと第２電極１２ｂとの間に初期転移電圧が印加されると、図１において薄膜領域１５の上部に位置する液晶分子１４ａは、この薄膜領域１５の表面自由エネルギー値が周囲の第２配向膜１３ｂの表面自由エネルギー値より小さいために、両者の表面自由エネルギーの差異により、液晶分子１４ａ自体が薄膜領域１５の部分で局所的な配向乱れを引き起こすため、自発的に転移核として有効に作用し、薄膜領域１５の間の第２配向膜１３ｂ上の液晶層１４の液晶分子１４ａが、転移核の液晶分子１４ａの垂直方向の配向に倣って同様に垂直方向のベンド配向に短時間で転移する。
【００６０】
また、この初期転移後に電圧を切った場合の無電圧状態においても、薄膜領域１５の部分では図１に示す状態を保持し、ベンド配向からスプレイ配向への逆転移は発生せず、安定なベンド配向または１８０゜ツイスト配向で安定化され、薄膜領域１５の間の第２配向膜１３ｂ上の液晶層１４の液晶分子１４ａは、図１に示すようなスプレイ配向へ迅速に逆転移する。具体例としては、後述の実施例１が対応する。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係る液晶光学素子について、図２を参照して説明する。
【００６２】
本実施形態の液晶光学素子２０の基本構造は、図２に示すように、図中上方の第１基板２１ａと、第１基板２１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極２２ａと、第１電極２２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜２３ａとが積層され、また、上記第１基板２１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板２１ｂと、第２基板２１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極２２ｂと、第２電極２２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜２３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板２１ａおよび第２基板２１ｂを外側に、第１配向膜２３ａと第２配向膜２３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板２１ａと前記第２基板２１ｂとの間（具体的には第１配向膜２３ａと第２配向膜２３ｂとの間）に液晶層２４が介在されて一体に構成されてなる。
【００６３】
そして、上記第２配向膜２３ｂには、その同一平面内にパターン状に薄膜領域２５が形成されている。つまり、第２配向膜２３ｂと薄膜領域２５を第２基板２１ｂ上に個別に形成した構造である。
【００６４】
本実施形態においても、薄膜領域２５は、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、薄膜領域２５の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００６５】
この薄膜領域２５の組成（使用材料）は前記第１の実施形態と同様であり、作製方法の具体例については後述するが、基本的には、第２電極２２ｂに対して先に薄膜領域２５をパターン状に印刷形成した後、第２配向膜２３ｂを塗布形成することにより行われる。詳細は実施例２，３により後述する。
【００６６】
例えば、第２の実施形態では、上記薄膜領域２５の形成パターンは、図３（ｂ）に示すような格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造に形成するのが好ましい。なお、図３（ｃ）のストライプ状構造に形成する場合には、薄膜領域２５のストライプ線の平行方向が第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの配向方向に対して直交するように形成する。
なお、上記薄膜領域２５の形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状に形成してもよい。
【００６７】
その他、第１および第２基板２１ａ，２１ｂ、第１および第２電極２２ａ，２２ｂ、第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂ、液晶層２４、薄膜領域２５の素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例２，３が対応する。
【００６８】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係る液晶光学素子について、図４（ａ）を参照して説明する。
【００６９】
本実施形態の液晶光学素子３０の基本構造は、図４（ａ）に示すように、図中上方の第１基板３１ａと、第１基板３１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極３２ａと、第１電極３２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜３３ａとが積層され、また、上記第１基板３１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板３１ｂと、第２基板３１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極３２ｂと、第２電極３２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜３３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板３１ａおよび第２基板３１ｂを外側に、第１配向膜３３ａと第２配向膜３３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板３１ａと前記第２基板３１ｂとの間（具体的には第１配向膜３３ａと第２配向膜３３ｂとの間）に液晶層３４が介在されて一体に構成されてなる。
【００７０】
そして、上記第１配向膜３３ａおよび第２配向膜３３ｂには、対向する内面の同位置にそれぞれパターン状に第１薄膜領域３５ａおよび第２薄膜領域３５ｂが形成されている。
【００７１】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００７２】
この第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様であり、詳細は実施例４、５により後述する。
【００７３】
上記第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板３１ａ，３１ｂ、第１および第２電極３２ａ，３２ｂ、第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂ、液晶層３４、第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例４，５が対応する。
【００７４】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態に係る液晶光学素子について、図４（ｂ）を参照して説明する。
【００７５】
本実施形態の液晶光学素子４０の基本構造は、図４（ｂ）に示すように、図中上方の第１基板４１ａと、第１基板４１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極４２ａと、第１電極４２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜４３ａとが積層され、また、上記第１基板４１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板４１ｂと、第２基板４１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極４２ｂと、第２電極４２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜４３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板４１ａおよび第２基板４１ｂを外側に、第１配向膜４３ａと第２配向膜４３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板４１ａと前記第２基板４１ｂとの間（具体的には第１配向膜４３ａと第２配向膜４３ｂとの間）に液晶層４４が介在されて一体に構成されてなる。
【００７６】
そして、上記第１配向膜４３ａおよび第２配向膜４３ｂは、各々その同一平面内において、パターン状に第１薄膜領域４５ａおよび第２薄膜領域４５ｂを配設されてなり、これら第１薄膜領域４５ａおよび第２薄膜領域４５ｂは互いに対向する位置に形成される。つまり、第１配向膜４３ａと第１薄膜領域４５ａを第１基板４１ａ上に個別に、第２配向膜４３ｂと第２薄膜領域４５ｂを第２基板４１ｂ上に個別に形成した構造である。
【００７７】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００７８】
この第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様であり、詳細は実施例６により後述する。
【００７９】
上記第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板４１ａ，４１ｂ、第１および第２電極４２ａ，４２ｂ、第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂ、液晶層４４、第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例６が対応する。
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態に係る液晶光学素子について、図５（ａ）を参照して説明する。
【００８０】
本実施形態の液晶光学素子３０の基本構造は、図５（ａ）に示すように、図中上方の第１基板５１ａと、第１基板５１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極５２ａと、第１電極５２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜５３ａとが積層され、また、上記第１基板５１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板５１ｂと、第２基板５１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極５２ｂと、第２電極５２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜５３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板５１ａおよび第２基板５１ｂを外側に、第１配向膜５３ａと第２配向膜５３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板５１ａと前記第２基板５１ｂとの間（具体的には第１配向膜５３ａと第２配向膜５３ｂとの間）に液晶層５４が介在されて一体に構成されてなる。
【００８１】
そして、上記第１配向膜５３ａおよび第２配向膜５３ｂには、対向する内面の異なる位置に交互に、それぞれパターン状に第１薄膜領域５５ａおよび第２薄膜領域５５ｂが形成されている。
【００８２】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００８３】
この第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様である。
【００８４】
上記第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板５１ａ，５１ｂ、第１および第２電極５２ａ，５２ｂ、第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂ、液晶層５４、第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。
【００８５】
＜第６の実施形態＞
本発明の第６の実施形態に係る液晶光学素子について、図５（ｂ）を参照して説明する。
【００８６】
本実施形態の液晶光学素子６０の基本構造は、図５（ｂ）に示すように、図中上方の第１基板６１ａと、第１基板６１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極６２ａと、第１電極６２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜６３ａとが積層され、また、上記第１基板６１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板６１ｂと、第２基板６１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極６２ｂと、第２電極６２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜６３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板６１ａおよび第２基板６１ｂを外側に、第１配向膜６３ａと第２配向膜６３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板６１ａと前記第２基板６１ｂとの間（具体的には第１配向膜６３ａと第２配向膜６３ｂとの間）に液晶層６４が介在されて一体に構成されてなる。
【００８７】
そして、上記第１配向膜６３ａおよび第２配向膜６３ｂには、その同一平面内において、対向する内面の異なる位置に交互に、それぞれパターン状に第１薄膜領域６５ａおよび第２薄膜領域６５ｂが形成されている。つまり、第１配向膜６３ａと第１薄膜領域６５ａを第１基板６１ａ上に個別に、第２配向膜６３ｂと第２薄膜領域６５ｂを第２基板６１ｂ上に個別に形成した構造である。
【００８８】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００８９】
この第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様である。
【００９０】
上記第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板６１ａ，６１ｂ、第１および第２電極６２ａ，６２ｂ、第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂ、液晶層６４、第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。
【００９１】
＜第７の実施形態＞
本発明の第７の実施形態に係る液晶光学素子について、図６および図７を参照して説明する。
【００９２】
本実施形態の液晶光学素子１００の基本構造は、前述の図４（ｂ）に示す第４の実施形態と同様であり、これに薄膜トランジスタ１２０を含む液晶駆動用素子を画素毎に形成して液晶表示素子として構成してなる。
【００９３】
図６に示すように、図中上方の第１基板１０１ａと、第１基板１０１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極１０２ａと、第１電極１０２ａの上（図で下面）に個別に形成される第１配向膜１０３ａおよび第１薄膜領域１０５ａとが積層され、また、上記第１基板１０１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板１０１ｂと、第２基板１０１ｂの一面上（図で上面）に複数の各画素に分割形成される第２電極１０２ｂ（画素電極）と、第２電極１０２ｂおよび液晶駆動用素子１２０の上（図で上面）に個別に形成される第２配向膜１０３ｂおよび第２薄膜領域１０５ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板１０１ａおよび第２基板１０１ｂを外側に、第１配向膜１０３ａと第２配向膜１０３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板１０１ａと前記第２基板１０１ｂとの間（具体的には第１配向膜１０３ａと第２配向膜１０３ｂとの間）に液晶層１０４が介在されて一体に構成されてなる。
【００９４】
なお、上記第１配向膜１０３ａおよび第２配向膜１０３ｂの対向する内面の同位置に、それぞれパターン状に第１薄膜領域１０５ａおよび第２薄膜領域１０５ｂが形成されている。また、この第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂが形成されている部分は、第２電極１０２ｂ（画素電極）による表示領域を区画する非表示領域に形成するものであり、薄膜トランジスタ１２０を含む液晶駆動用素子（データ線１１２、ゲート線１１３等）もこの非表示領域に形成される。
【００９５】
図７に示すように、上記液晶駆動用素子は、第２基板１０１ｂの一面に複数平行に形成されたゲート線１１３と、この複数のゲート線１１３と交差して複数平行に形成されたデータ線１１２と、両者の交差部位でゲート線１１３とデータ線１１２とに連結される複数の薄膜トランジスタ１２０とを備える。また、第１基板１０１ａの第１電極１０２ａは、複数の画素電極となる第２電極１０２ｂと対向する単一の共通電極である。
【００９６】
また、図６および図７の薄膜トランジスタ１２０において、１０６は半導体薄膜、１０７はゲート絶縁膜、１０８はゲート電極、１０９はドレイン電極、１１０はソース電極、１１１はパッシベーション膜である。上記ドレイン電極１０９がデータ線１１２に接続され、ゲート電極１０８がゲート線１１３に接続され、さらに、ソース電極１１０が分割されマトリクス状に配置された各第２電極１０２ｂ（画素電極）に接続されてなる。
【００９７】
上記構成により、各ゲート線１１３には走査信号印加回路より順次走査選択信号（薄膜トランジスタ１２０のオン信号）を印加し、この走査選択信号と同期して情報信号印加回路よりデータ線１１２に所定の階調表示情報を持った情報信号を印加して選択されたラインの第２電極１０２ｂ（画素電極）に書き込み、所定の電圧を液晶層１０４に印加して表示を行うように構成されてなる。
【００９８】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００９９】
この第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態および第４の実施形態と同様であり、詳細は実施例７により後述する。
【０１００】
上記第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板１０１ａ，１０１ｂ、第１および第２電極１０２ａ，１０２ｂ、第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂ、液晶層１０４、第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態および第４の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例７が対応する。
【０１０１】
以下、具体的な実施例１〜７について説明する。
【実施例１】
【０１０２】
本実施例１は、前述の第１の実施形態に示した液晶光学素子１０を基本構造として、薄膜領域を構成する材料を選定し、図１および図３（ａ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１０３】
まず、透明電極（第２電極）付きガラス基板（第２基板）上に、プレチルト角４°のポリイミド膜（SE7992，日産化学工業製）を水平配向膜（第２配向膜）としてコーティングした。次に、この水平配向膜上にマイクロコンタクトプリント法によりフッ素樹脂膜（Cytop、旭硝子製）からなるドットパターン形状の薄膜領域を形成した。
【０１０４】
この時の、水平配向膜と薄膜領域の表面自由エネルギー値は、それぞれ44.4（mJ/m2）および19（mJ/m2）の関係であり、水平配向膜の表面自由エネルギーが薄膜領域より大きい。
【０１０５】
上記のマイクロコンタクトプリント法では、ポリジメチルシロキサン（PDMS）によって形成された凹凸構造の柔軟なスタンプの凹凸面にフッ素樹脂膜（薄膜領域材料）を均一に塗布後、凸面のフッ素樹脂膜を水平配向膜上に転写し熱硬化させた。この方式では、スタンプの凹凸形状に応じた微細なドットパターンを精度良く転写することができる。上記スタンプは、材料として２液性の熱硬化性シリコン樹脂であるダウ・コーニング社のSylgard184を用い、フォトリソグラフィで作製されたマスターモールドに、樹脂を注入・脱泡・熱硬化・剥離して形成した。形成したフッ素樹脂膜（薄膜領域）の微細化パターンは、10μmのドット径、周期500μmからなる。
【０１０６】
次に、上記のドットパターン形状の薄膜領域を第２配向膜に有する透明電極付きガラス基板（第２基板）の第２配向膜をラビング処理し、続いて、液晶光学素子を均一なセルギャップとするために球状のプラスチックスペーサー（径６μｍ）と紫外線硬化性樹脂の混合物を上下基板間の周辺に塗布後、セルギャップがプラスチックスペーサー径と同一になるようにコンタクトさせ、紫外線（波長365nm）を照射することで均一なセルギャップを実現した。最後に、ネマティック液晶（JB5006××、チッソ社製、Δｎ=0.237、ｎｏ=1.52）をセル中に注入し、実施例１の液晶光学素子を作製した。また、液晶セル周辺部分をシーリングし液晶の流失を防いだ。
【０１０７】
また、比較例として、薄膜領域を形成していない従前の第２配向膜と透明電極付きガラス基板（第１基板）の第２配向膜をラビング処理し、その後は上記と同様にして、図８に示す従前の液晶光学素子を作製した。
【０１０８】
作製された液晶光学素子は、偏光顕微鏡観察下において、第１電極と第２電極間に電圧を印加しスプレイ配向からベンド配向に転移させた。この転移時間を測定した結果、転移時間は印加電圧により大きく変化し、比較例としての従前の液晶光学素子の場合、４Ｖの電圧では３００秒以上、１０Ｖの電圧では１３秒であった。一方、本実施例１の液晶光学素子では、４Ｖ電圧および１０Ｖ電圧での転移時間は、それぞれ８秒および０.８秒と高速化されていることが分かった。
【０１０９】
この転移現象は、表面自由エネルギー値が小さい部分であるフッ素膜領域（薄膜領域）より発生し、全体に拡大して行くことが確認されており、フッ素膜領域が転移核として機能していることが分かった。また、応答速度を測定したところ、立上りおよび立下り時間はそれぞれ０.５ｍｓおよび３ｍｓの高速動作を確認し、テレビ用途の動画ディスプレイへ適していることが分かった。また、実施例１の液晶光学素子では、液晶中に高分子材料が形成されていない構造であるために高い透過率特性と高分子と液晶との間の屈折率不整合による散乱のないコントラストの高い特性をもつことが確認された。
【実施例２】
【０１１０】
本実施例２は、前記第２の実施形態に基づき、図２および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１１１】
まず、透明電極（第２電極）付きガラス基板（第２基板）の電極面上に、前述のマイクロコンタクトプリント法の工程を用いてフッ素樹脂膜（Cytop、旭硝子製、表面自由エネルギー19（mJ/m2））のパターンを転写・熱硬化し、薄膜領域を形成した。パターンは、線幅５μｍ、ピッチ1００μｍの格子形状とした。
【０１１２】
次に、フッ素樹脂膜パターン（薄膜領域）が形成された透明電極付きガラス基板上に、水平配向膜（SE7792、日産化学工業製、プレチルト角７°、表面自由エネルギー38.9（mJ/m2））をディップコート法により均一に形成した。このとき、あらかじめ形成されたフッ素樹脂膜パターン部分は表面自由エネルギーが小さいために、水平配向膜成分からなる溶媒が付着することなしにフッ素樹脂膜バターン領域以外にコートされ、熱硬化後に均一な第２配向膜が薄膜領域と同一平面内に個別に形成される。続いて、実施例１と同様の作製工程により、実施例２の液晶光学素子を作製した。
【０１１３】
実施例１の測定と同様にして、本実施例２の液晶光学素子の第１電極と第２電極間に電圧を印加しスプレイ配向からベンド配向に初期転移させた。実施例２の格子状形状の薄膜領域を有する液晶光学素子では、４Ｖ電圧および１０Ｖ電圧での転移時間は、それぞれ１秒および０.１秒と高速化されていることが分かった。この転移現象は実施例１と同様に低い表面自由エネルギー値の部分であるフッ素膜領域より発生し、拡大して行くことが確認されており、フッ素樹脂膜領域（薄膜領域）が転移核として機能していることが確認できた。
【０１１４】
さらに、実施例２の光変調動作を測定したところ、液晶の配向状態はスプレイ配向からベンド配向へ初期転移されたものは全てベンド配向となり安定していた。初期転移後、印加電圧を切ってもスプレイ配向への逆転移現象は観測されずベンド配向または１８０°ツイスト配向が保たれた。この実施例２の液晶光学素子では、６ヶ月以上の長時間、電圧を切った状態でもベンド配向からスプレイ配向への逆転移はまったく生じなかった。従前の従来の液晶光学素子では、電圧無印加時では、スプレイ配向であり高電圧印加によるベンド転移を必要としていたが、本実施例では電圧なしの状態でも安定なベンド配向が得られており、０Ｖからの変調動作が可能であることが分かった。
【実施例３】
【０１１５】
本実施例３は、前記第２の実施形態に基づき、図２および図３（ｃ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１１６】
本実施例３の液晶光学素子における各構成部分の材料ならびに作製工程は、前述の実施例２と同様とした。ただし、フッ素樹脂膜領域（薄膜領域）の形状は線幅５μm、ピッチ１００μmのストライプ構造とし、そのストライプ構造の平行方向が第２配向膜のラビング方向と直交する構成である。また、比較例として、ストライプ構造の平行方向が第２配向膜のラビング方向と平行となる構成の液晶光学素子を同時に作製した。
【０１１７】
本実施例３の液晶光学素子では、実施例２と同様に、ベンド転移への高速化が確認され、フッ素樹脂膜領域（薄膜領域）が転移核として機能していることが分かり、同時に、初期転移後の電圧無印加時においてもベンド配向に保持されることが確認された。
【０１１８】
一方、比較例の液晶光学素子では、ベンド転移への高速化が確認されたが、初期転移後の電圧無印加時ではベンド配向の安定化現象は確認することはできず、スプレイ配向への逆転移が観測された。この結果、ストライプ構造の場合、配向膜のラビング方向と直交する方向にストライプ線を配置する条件で液晶光学素子を構成することで、ベンド配向を安定に保持する液晶光学素子を提供できることが示された。
【実施例４】
【０１１９】
本実施例４は、前記第３の実施形態に基づき、図４（ａ）および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１２０】
本実施例４の液晶光学素子における各構成部分の材料ならびに作製工程は、前述の実施例２と同様とした。ただし、この場合、上下の第１基板と第２基板の内面の第１配向膜および第２配向膜にそれぞれ同一の格子状パターンに薄膜領域を形成し、第１基板と第２基板を対向させて組み合わせる場合に、両基板間でのフッ素樹脂膜の格子構造を１対１に対向させるためにアライナーを用いて精度良く張り合わせた。
【０１２１】
また、本実施例４においては、上記のアライナーにより上下基板上の格子構造パターンの位置合せを行うとともに、セルギャップがプラスチックスペーサー径と同一になるようにコンタクトさせ、紫外線（波長365nm）を照射することで均一なセルギャップおよび微細化パターンの高精度な位置合せを同時に実現した。得られたセルギャップの一様性は±10％以下であった。
【０１２２】
本実施例４により作製した液晶光学素子では、上記実施例２と同様に、スプレイ配向からベンド配向への高速かつ安定な初期転移がなされ、初期転移後にはベンド配向の安定化が確認された。
【０１２３】
さらに、ベンド配向の安定化現象を確認するため、格子パターン形状におけるフッ素樹脂膜（薄膜領域）の格子ピッチを、100μｍ、500μｍ、800μｍ、1mm、1.5mm、および2mmまでそれぞれ変更して液晶光学素子を作製し、その特性を観測した。
【０１２４】
この結果、初期転移後の電圧無印加時において、フッ素樹脂膜（薄膜領域）の格子ピッチが1mm以下ではベンド配向の安定化現象が確認され、格子ピッチが1.5mm以上ではスプレイ配向への逆転移が発生し、ベンド配向の安定化が低減することが分かった。
【実施例５】
【０１２５】
本実施例５は、前記第３の実施形態に基づき、図４（ａ）および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。その際、薄膜領域の表面自由エネルギー値の違いによる効果を確認するため、表１に示された材料系を用いた液晶光学素子をそれぞれ作製し、その動作特性を評価した。薄膜領域の材料として下記表１に示されるものを使用し、それ以外は、前述の実施例４と同じ材料、素子構成、ならびに作製工程とした。
【０１２６】
本実施例５において作成した各液晶光学素子について、初期転移後の電圧無印加時の液晶分子の配向状態を観測したところ、高分子膜を用いた場合、PDMS（ゲレスト製）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、パーフルオロアルコキシアルカン（PFA）、ポリシルセスキオキサン（SR-3351、およびSR-3321）の低い表面自由エネルギー値（18mJ/m2〜27.3mJ/m2）でベンド配向の安定化が確認されたが、高い表面自由エネルギー値（45mJ/m2〜64mJ/m2）の材料であるアクリル樹脂（PMMA）とポリビニルアルコール（PVA）ではベンド配向の安定化は確認できずスプレイ配向への逆転移が確認された。
【０１２７】
同様に、ポリイミド膜を用いた場合、JAL204（JSR製）、SE4811（日産化学工業製）、SE5300（日産化学工業製）の低い表面自由エネルギー値（35mJ/m2〜37.3mJ/m2）でベンド配向の安定化が得られ、SE1410（日産化学工業製）、AL1254（JSR製）、SE150（日産化学工業製）、SE7992（日産化学工業製）、SE5291(日産化学工業製)、SE7792(日産化学工業製)の高い表面自由エネルギー値（38.9mJ/m2〜48.9mJ/m2）の材料でスプレイ配向への逆転移が確認された。
【０１２８】
さらに、自己組織化単分子膜を用いた場合には、FOETS（perfluorodecyltrichlorosilane）、OTS（n-octadecyltrichlorosilane）、HMDS（hexamethyldisilazane）、β-PhTS（β-phenethyltrichlorosilane）の低い表面自由エネルギー値（13.3mJ/m2〜35.5mJ/m2）でベンド配向の安定化が得られ、APTES（γ-アミノプロピルトリエトキシシラン）の高い表面自由エネルギー値（45mJ/m2）の材料でスプレイ配向への逆転移が発生することが分かった。
【０１２９】
以上の結果と表１の実験結果（表面自由エネルギー値）から薄膜領域を構成する材料として、その表面自由エネルギー値が38mJ/m2以下の小さいものを選択すれば良いことが実験的に見出された。表１からも分かるようにその分子構造において、-F、-CF3、-CH3、-Phのいずれか一つ以上持つ材料系がより有効であることが分かった。特に、水平配向膜の表面自由エネルギー値と薄膜領域の表面自由エネルギー値の差が大きいほど、その界面での液晶分子の配向乱れが大きくなり、ベンド配向への転移核として有効に作用させることができる。
【０１３０】
つまり、薄膜領域の表面自由エネルギー値は、第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値より小さく、その上限が38mJ/m2であり、また、第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値は、薄膜領域の表面自由エネルギー値より大きく、その下限が38mJ/m2となるように、それぞれ薄膜領域および配向膜の素材を選定するものである。
【０１３１】
上記薄膜領域を構成する材料を選定するに当たり、各種材料系を製膜しその表面自由エネルギー値を測定し、実験で用いた薄膜材料の種類とその評価した表面自由エネルギー値を下記表１に示す。
【０１３２】
【表１】
【０１３３】
表１におけるポリイミド膜の製膜は、ガラス基板上にスピンコート法により塗布し、200℃で１時間かけて熱硬化した。一方、高分子膜の製膜は、ポリイミド膜と同一とした。また、ポリシルセスキオキサン高分子膜は、置換基にメチル（-CH3）基とフェニル（−Ph）基の混合成分を有するSR-3351（分子量：23万、配合比：メチル基／フェニル基=5／1、小西化学工業）とSR-3321(分子量：1万、配合比：メチル基／フェニル基=2／1、小西化学工業)を用い、その製膜は、ポリイミド膜と同一とした。さらに、自己組織化単分子（SAM）膜の製膜は、SAM膜材料をトルエン溶媒で希釈し、その溶媒中にガラス基板を10時間以上浸漬することでSAM膜を形成した。製膜した薄膜の表面自由エネルギー値は、水とヨウ化メチレンの２液を膜面に滴下し、その接触角をそれぞれ測定し、計算により求めた。
【実施例６】
【０１３４】
本実施例６は、前記第４の実施形態に基づき、図４（ａ）および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１３５】
本実施例６の液晶光学素子における各構成部分の材料ならびに作製工程は、前述の実施例１と同様とした。ただし、第１基板および第２基板の材料をポリカーボネイト樹脂（100μｍ厚）に変更している。なお、液晶の注入は、真空注入でも可能であるが、本実施例６では、印刷法を適用して素子作製を行った。
【０１３６】
まず、透明電極（第２電極）付きポリカーボネイト樹脂膜（第２基板）の上に水平配向膜のポリイミド膜（SE7992）による第２配向膜をコーティングし、その上にマイクロコンタクト法により格子状構造パターン（線幅10μｍ、ピッチ300μｍ）からなるフッ素樹脂膜（第２薄膜領域）を形成後、全面をラビング処理し、その上面に印刷法によりネマティック液晶と液晶性モノマーの混合液を塗布した。塗布に採用する印刷法は、フレキソ法、活版（凸版）印刷、オフセット(平板)印刷、グラビア(凹版)印刷のいずれの方式でも形成可能であった。
【０１３７】
次に、水平配向膜（第１配向膜）および格子状構造パターンのフッ素樹脂膜（第１薄膜領域）が形成された一方の透明電極（第１電極）付きポリカーボネイト樹脂基板（第１基板）を形成後、全面をラビング処理し、これを上記第２基板と張り合わせた後、アライナーにより上下配向膜の微細化格子状パターンの位置合わせを行い本実施例の液晶光学素子を作製した。
【０１３８】
本実施例６の液晶光学素子では、前述と同様にベンド配向の安定化が確認された。さらに、第１および第２基板の素材が可撓性を有することから液晶光学素子を丸めたり、巻き取った後で素子を広げても安定な高速動作を示した。
【実施例７】
【０１３９】
本実施例７は、前記実施例２において、その第２基板をＴＦＴ基板に変更し、前述の第７の実施形態における図６および図７に示される液晶表示素子としての液晶光学素子を作製し、その特性を評価した。
【０１４０】
本実施例７の液晶光学素子は、表示領域となる画素電極（第２電極）の間隙（非表示領域）に薄膜領域を設け、薄膜トランジスタの半導体層にはグロー放電ＣＶＤ法によるａ−Ｓｉ膜を用いた。
【０１４１】
そして、各表示画素に独立に電圧を与えることができるように、各画素電極から独立にデータ線を引き出し、対向する第１電極については全面共通電極とした構成からなる。画素電極に対応する領域は水平配向領域とし、画素電極間の一部をフッ素樹脂膜からなる表面自由エネルギー値の小さい薄膜領域とした。
【０１４２】
この液晶光学素子に４Ｖの電圧を印加して、液晶を一旦ベンド配向させた後、電圧を切ると該当する画素のみベンド配向を保持した。
数ヶ月間、無電圧で放置しても各画素の配向状態は保持され、ベンド配向の安定化が図れることが分かった。
【符号の説明】
【０１４３】
10,20,30,40,50,60,100 液晶光学素子
11a,21a,31a,41a,51a,61a,101a 第１基板
11b,21b,31b,41b,51b,61b,101b 第２基板
12a,22a,32a,42a,52a,62a,102a 第１電極
12b,22b,32b,42b,52b,62b,102b 第２電極
13a,23a,33a,43a,53a,63a,103a 第１配向膜
13b,23b,33b,43b,53b,63b,103b 第２配向膜
14,24,34,44,54,64,104 液晶層
14a,24a,34a,44a,54a,64a 液晶分子
15,25,35a,35b,45a,45b,55a,55b,65a,65b,105a,105b 薄膜領域
106 半導体薄膜
107 ゲート絶縁膜
108 ゲート電極
109 ドレイン電極
110 ソース電極
111 パッシベーション膜
112 データ線
113 ゲート線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶の旋光性や複屈折現象を利用して光の透過率または反射率を電気的に制御する液晶光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶の複屈折現象を利用した高速応答の光学素子として、強誘電性液晶および反強誘電性液晶を用いた液晶光学素子があげられる。
【０００３】
液晶光学素子は、基板、電極、配向膜、液晶層、配向膜、電極、基板がこの順で積層された構成を有する。一般に、液晶層はネマティック液晶または強誘電性液晶により構成し、交流または直流の駆動電圧によって駆動する。
【０００４】
上記液晶光学素子は、２つの電極間に電圧を印加した状態で入力光を一方の基板側から入射させると、印加電圧に応じて液晶の配向方向が変化するために、入力光が液晶層内で複屈折現象を生じその位相が変化し、その状態で他方の基板より出力される。この出力光を利用すれば光位相変調動作の液晶光学素子を提供できる。
【０００５】
さらに、この液晶光学素子を偏光子と検光子の間に設置することで、強度変調動作も可能となる。また、この液晶光学素子は、液晶駆動用素子を画素毎に形成して液晶表示素子として構成される。
【０００６】
しかしながら、従来の強誘電性液晶および反強誘電性液晶を用いた場合には、液晶の耐衝撃性が弱く、使用温度範囲が狭い、温度依存特性が大きいなど実用的な意味での課題が多く、現実的にはネマティック液晶を用いる液晶素子が適した動作モードとしてあげられる。しかし、ネマティック液晶は応答速度が遅く一般的な動画像表示を行うための十分な光学応答特性をもたないという問題を抱えている。
【０００７】
一方、ネマティック液晶で最速の応答性を示す動作モードとしてベンド配向からなるπセルがあり、そのことを図８に基づいて説明する。
【０００８】
図８は、ベンド配向で動作する液晶光学素子のバイアス電圧無印加時および電圧印加時における一対の基板１ａ，１ｂ間に挟持された液晶層４の液晶分子４ａの配向状態を表している。この液晶光学素子は、第１基板１ａと、第１基板１ａの一面上に形成される第１電極２ａと、第１電極２ａ上に形成される第１配向膜３ａと、第１基板１ａの前記一面と対向する第２基板１ｂと、第２基板１ｂの一面上に形成される第２電極２ｂと、第２電極２ｂ上に形成される第２配向膜３ｂと、第１基板１ａと第２基板１ｂとの間に介在される液晶層４とを備えてなる。
【０００９】
そして、ベンド配向モードにおいては、初期状態すなわち電圧無印加時には、図８（ａ）に示すように、一対の基板上１ａ，１ｂに形成された配向膜３ａ，３ｂに低いプレチルト角を有するように配向処理がなされており、液晶層４の液晶分子４ａがスプレイ配向している。この液晶光学素子において、高速応答特性を持たせるには、図８（ａ）に示すようなスプレイ配向している液晶分子４ａを、図８（ｂ）に示すようなベンド配向に転移させる必要がある。つまり、液晶層４の液晶分子４ａが配向膜３ａ，３ｂに略平行な配向から、略垂直な配向に転移させるものである。
【００１０】
しかし、通常のπセルにおいては、第１に、スプレイ配向からベンド配向への転移速度が非常に遅い、第２に、転移させるためには高電圧を印加させなければならない、第３に、そのため特殊の駆動回路が必要である、など多くの実施上の課題を有する。
【００１１】
上記の課題を解決するために、例えば、下記特許文献１に記載されているような低電圧で動作するベンド配向構造の液晶を用いた光学素子が提案されている。しかし、特許文献１に記載されている技術は、材料の特性改善による転移の高速化を図る方策であり、前述の本質的な課題は、残されたままである。
【００１２】
また、下記特許文献２に記載されているような、液晶中に高分子材料系を分散して構成し、その分散構造を微細化することで高速化を図る液晶デバイスが提案されている。
【００１３】
しかし、特許文献２に記載されている技術は、液晶中に高分子材料系が分散して構成されるために、散乱モードでの動作となり、高品質のディスプレイ用途としての表示デバイスとして応用する場合、コントラストおよび透過率が低下してしまい、あるいはその分散構造が画質の固定パターンノイズとなり画質劣化を引き起こす課題を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平８−８７０１３号公報
【特許文献２】特開平６−２２２３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述のように、液晶を用いた光学素子で高速動作に優れた動作モードを得ようとした場合に、通常の液晶光学素子は表面配向処理された一対の基板間に液晶層を挟持してなる素子構造だけであり、ネマティック液晶の動作では、液晶層中にバックフローが生じ、液晶分子が一旦本来緩和すべき方向とは逆方向に回転した後に緩和する。このため、バックフローによって液晶分子が本来転移すべき回転方向とは逆のトルクが液晶分子にかかるために、液晶分子の再配列が遅れて応答速度が遅れることになる。
【００１６】
一方、バックフロー効果のないネマティック液晶を用いたπセルの場合には、駆動電圧のない初期配向状態では、スプレイ配向からベンド配向に転移させるために、初期転移のための高い電圧印加、転移時間、および転移のための特別な駆動回路が必要である。
【００１７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、動画表示動作が可能な高速応答適性の液晶動作を、高透過率で安定・確実に実施できる液晶光学素子を得る際に、簡便な構造および簡便な工程により、液晶層中の液晶分子の配向状態をスプレイ配向状態からベンド配向状態に速やかに、安定に転移させることができるとともに初期転移動作後、安定にベンド配向状態を保持することができるようにした液晶光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決した本発明の液晶光学素子は、第１基板、第１電極、および第１配向膜を、この順に積層してなる第１積層体と、第２基板、第２電極、および第２配向膜を、この順に積層してなる第２積層体とを、前記第１配向膜および前記第２配向膜が対面するようにして、間に液晶層を介在させてなり、
前記第１配向膜および前記第２配向膜の少なくとも一方に、パターン状の薄膜領域を設け、該薄膜領域は、設けられた配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つように設定されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の液晶光学素子においては、前記薄膜領域の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、また、前記第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であることが好ましい。
【００２０】
また、前記薄膜領域のパターン形状がドット状構造、格子状構造、およびストライプ状構造のいずれかであることが好ましい。
【００２１】
例えば、前記薄膜領域がストライプ状構造からなり、かつ当該ストライプ構造の平行方向が前記第１配向膜と前記第２配向膜の配向方向に対して直交するように構成することができる。
【００２２】
また、前記第１配向膜に形成される前記薄膜領域と前記第２配向膜に形成される前記薄膜領域が対向する同位置に配置されているように構成することができる。
【００２３】
一方、本発明の液晶光学素子においては、前記第２基板の前記一面に形成される複数のゲート線と、複数の前記ゲート線と交差する複数のデータ線と、前記ゲート線と前記データ線とに連結される複数の薄膜トランジスタと、をさらに備え、
前記第２電極は前記複数の薄膜トランジスタに連結される複数の画素電極であり、前記第１電極は前記複数の画素電極と対向する単一の共通電極であるように構成することができる。
【００２４】
また、前記薄膜領域は、表示領域を区画する非表示領域に形成することが好ましい。
【００２５】
また、前記薄膜領域が印刷工程または塗布工程によって形成されるのが好適である。
【００２６】
本発明の液晶光学素子の製造方法は、前記本発明の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、印刷工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の他の液晶光学素子の製造方法は、前記本発明の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１電極および第２電極の少なくとも一方の電極に、印刷工程または塗布工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成し、該薄膜領域と同一平面内に第１配向膜および／または第２配向膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、第１基板の一面上に形成される第１電極上に形成される第１配向膜と、第１基板と対向する第２基板の一面上に形成される第２電極上に形成される第２配向膜と、第１基板と第２基板との間に介在される液晶層とを備え、第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、この配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に有することにより、低い電気エネルギーでも、スプレイ配向からベンド配向への転移が、迅速、かつ確実に行われる液晶光学素子を構成することができる。
【００２９】
また、初期転移後には、電圧無印加時においてもベンド配向または１８０°ツイスト配向に安定するために、省電力化を図ることができる。
【００３０】
つまり、従前の通常の液晶光学素子では、表面配向処理された一対の基板間に液晶層を挟持してなる素子構造におけるネマティック液晶の動作では、液晶層中に生じるバックフローにより、液晶分子の再配列が遅れて応答速度が低下するのを、配向膜より表面自由エネルギー値が小さい薄膜領域において液晶分子の転移速度が高まり、この液晶層内の表面自由エネルギーが小さい薄膜領域での液晶分子の配向が転移核となることで、低電圧印加で安定して高速に転移動作が実現できる。同時に、初期転移後に電圧無印加の状態でも安定なベンド配向を得て、転移不要の高速動作のπセルを構成することができる。
【００３１】
また、駆動電圧のない初期配向状態においても、スプレイ配向からベンド配向に転移させるために、初期転移のための高い電圧印加が不要となり、低電圧印加によって転移時間も短くなり、そのための特別な駆動回路が不要となり、簡素化が図れるものである。
【００３２】
特に、薄膜領域の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２以下、第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２以上となるような材料を選定して使用することで好適に構成することができる。
【００３３】
また、薄膜領域のパターン形状をドット状構造、格子状構造、およびストライプ状構造のいずれかに設定することにより転移核としての機能を十分に確保することができる。特に、薄膜領域のパターン形状を格子状構造またはストライプ状構造とすることで、実質的に再ベンド化処理を不要とし、同時にベンド配向の保持電圧を低減することができる。
【００３４】
さらに、薄膜領域がストライプ状構造からなり、そのストライプ構造の平行方向が第１配向膜と第２配向膜の配向方向に対して直交するように構成すると、薄膜領域が転移核として有効に機能し、初期転移後の電圧無印加時においてもベンド配向を安定に保持できる。
【００３５】
また、第１配向膜に形成される薄膜領域と第２配向膜に形成される薄膜領域が対向する同位置に配置されているように構成すると、両側に薄膜領域が存在することで、その間の液晶分子が全体的にベンド配向に転移し、良好な特性を確保することができる。
【００３６】
一方、第２基板の一面に形成される複数のゲート線と、このゲート線と交差する複数のデータ線と、前記ゲート線と前記データ線とに連結される複数の薄膜トランジスタとをさらに備え、第２電極は複数の薄膜トランジスタに連結される複数の画素電極であり、第１電極は複数の画素電極と対向する単一の共通電極であるように構成すると、前述の高速転移特性を有する液晶表示素子を得ることができる。その際、薄膜領域を非表示領域に形成すると、画素の形成を阻害することなく構成することができる。
【００３７】
本発明の液晶光学素子の製造方法によれば、第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、印刷工程によって薄膜領域をパターン状に形成することにより、または、第１電極および第２電極の少なくとも一方の電極に、印刷工程または塗布工程によって薄膜領域をパターン状に形成し、該薄膜領域と同一平面内に第１配向膜および／または第２配向膜を形成することにより、薄膜領域を所定のパターンに簡易に形成することができ、前述の高速転移特性を有する液晶光学素子を安定に確実に製造することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図である。
【図３】配向膜に形成する薄膜領域のドット状構造（ａ）、格子状構造（ｂ）およびストライプ状構造（ｃ）のパターン例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ａ）、および本発明の第４の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ｂ）である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ａ）、および本発明の第６の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す側面図（ｂ）である。
【図６】本発明の第７の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る液晶光学素子の概略構成を示す上面図である。
【図８】従前の液晶光学素子に係る液晶分子のスプレイ配向を示したモデル図(ａ)、液晶分子のベンド配向を示したモデル図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に、本発明に係る液晶光学素子の各実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００４０】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子について、図１を参照して説明する。
【００４１】
本実施形態の液晶光学素子１０の基本構造は、図１に示すように、図中上方の第１基板１１ａと、第１基板１１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極１２ａと、第１電極１２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜１３ａとが積層され、また、上記第１基板１１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板１１ｂと、第２基板１１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極１２ｂと、第２電極１２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜１３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板１１ａおよび第２基板１１ｂを外側に、第１配向膜１３ａと第２配向膜１３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板１１ａと前記第２基板１１ｂとの間（具体的には第１配向膜１３ａと第２配向膜１３ｂとの間）に液晶層１４が介在されて一体に構成されてなる。
【００４２】
そして、一体化される前に、図中下方の第２配向膜１３ｂの上面、つまり液晶層１４に接する面に、パターン状に薄膜領域１５が形成されている。この薄膜領域１５は、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。この薄膜領域１５の作製方法および組成（使用材料）については後述する。
【００４３】
上記第１および第２基板１１ａ，１１ｂは、液晶層１４を挟持するための部材であり、材料としてポリカーボネイト樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、エポキシ樹脂、アモルファスポリオレフィン樹脂、アクリル系UV硬化材料のプラスチック材料を両基板あるいはいずれか一方の基板として用いてもよい。両基板とも薄膜のプラスチック材料を用いた素子は、フレキシブルな特性をもたせることができる。また、基板材料としてガラス、シリコン等を両基板あるいはいずれか一方の基板として用いてもよい。
【００４４】
上記の構成において、第１配向膜１３ａと第２配向膜１３ｂは水平配向膜であり、その水平配向膜の表面自由エネルギー値がＢであり、薄膜領域５の表面自由エネルギーがＡである場合に、その大小関係は、Ａ＜Ｂに設定するものである。
【００４５】
特に、後述の表１の材料選定に基づくと、薄膜領域１５の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、また、第１配向膜１３ａおよび第２配向膜１３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用することで構成することができる。
【００４６】
さらに、上記液晶光学素子１０を得るために、第２配向膜１３ｂに対し薄膜領域１５を印刷工程または塗布工程によってパターン状に形成する。
【００４７】
この印刷工程として、フレキソ法、活版（凸版）印刷法、オフセット(平板)印刷法、グラビア(凹版)印刷法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法を用いることができる。一方、塗布工程として、スピンコート法、ディップコート法を用いることができる。
【００４８】
例えば、第１の実施形態では、上記薄膜領域１５の形成パターンは、図３（ａ）に示すようなドットパターン状に形成している。その形成法の一例としては、マイクロコンタクトプリント法により形成する。このマイクロコンタクトプリント法は、後述の実施例１で具体的に説明するが、ドットパターンに対応した凹凸構造の柔軟なスタンプを形成し、その凹凸スタンプ面に薄膜領域１５を構成する素材を均一に塗布して塗膜を形成した後、この凹凸スタンプ面を第２配向膜１３ｂを構成する水平配向膜上に押圧し、ドット状の凸部先端の塗膜を配向膜に転写するものであり、その後、配向膜を加熱して転写塗膜を熱硬化させ、ドットパターン状の薄膜領域１５を形成してなる。
【００４９】
なお、上記薄膜領域１５の形成パターンは、図３（ｂ）に示す格子状構造、または、図３（ｃ）に示すストライプ状構造に形成してもよい。
【００５０】
ここで、第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂの水平配向膜は、プレチルト角が１°から１３°の値をとることが好適である。水平配向膜の材料としては、ポリイミド（略称：ＰＩ）膜で、炭素数が１０以下の直鎖アルキル基を有するシランカップリング剤で表面処理したもの、無機材料の薄膜形成により水平配向性を持たせた膜、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリカーカーボネート、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリスチレン、セルロース樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂などの樹脂膜、あるいは電子線フォトレジスト膜（ポリメチルメタクリレート、エポキシ化-1,4-ポリブタジエンなど）、酸化シリコンＳiＯx膜を用いることができる。配向処理法としては、ラビング処理、光配向処理、斜方蒸着などを用いることができる。
【００５１】
一方、薄膜領域１５の材料系としては、ポリイミド（略称：ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、フッ素樹脂、シランカップリング剤、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエステル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリシロキサン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリシルセスキオキサン（ＰＳＱ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などを用いることができる。さらに、上記２種類以上の材料からなる混合物を使用してもよい。
【００５２】
特に、上記材料系においてその分子構造に−Ｆ，−ＣＦ３，−ＣＨ３，−Ｐｈを含有するものが、その表面自由エネルギーが小さく望ましい材料系である。
【００５３】
ポリイミド材料としては、側鎖に垂直配向性を示すアルキル鎖を含むポリイミド、フッ素置換基を有するポリイミド、フルオロアルキル鎖もしくはアルキル鎖をもつ分子構造を有しているものなどを用いることができる。
【００５４】
フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（略称：ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＰＦＥＰ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン・パーフルオロジオキソールコポリマー（ＰＴＦＥ／ＰＤＤ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン・四フッ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロエチルビニルエーテル（ＰＥＶＥ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＡＶＥ）などを用いることができる。これらの具体的製品名（登録商標を含む）としては、ＣＹＴＯＰ（旭硝子製品）、テフロン（デュポン製品）、カルレッツ（ＦＦＫＭ、デュポン製品）、テフゼル（ＥＴＦＥ、デュポン製品）、フルロン（ＥＴＦＥ：旭硝子製品）、カイラー（ＰＶＤＦ：Ａrkema，Ｉnc．製品）、ハラー（ＥＣＴＦＥ：Ｓolvay Ｓolexis製品）、ルミフロン（旭硝子製品）、アフラス（旭硝子製品）、バイトン（デュポン製品）、フローレル（３Ｍ製品）、ヴァイトン（ＦＰＭ／ＦＫＭ：デュポン製品）、テドラー（ＰＶＦ：デュポン製品）、テクノフロン（ＦＦＫＭ：Ｓolvay Ｓolexis製品）などを用いることができる。
【００５５】
シランカップリング剤としては、フッ素アルキルシラン化合物であるＣＦ３(ＣＦ２)７(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３(ＦＡＳ-17：（heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＦ２)５(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-１３：(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-3：3,3,3-trifluoropropyltrimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＦ２)７(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-17：(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＦ２)５(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-13：(tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) trimethoxysilane），ＣＦ３(ＣＨ２)２Ｓi(ＯＣＨ３)３（ＦＡＳ-3：3,3,3-trifluoropropyltrimethoxysilane）、フッ素化アルキルトリクロロシラン化合物であるＣＦ３(ＣＦ２)７(ＣＨ２)２ＳiＣl３（ＦＯＥＴＳ：perfluorodecyltrichlorosilane），ＣＦ３(ＣＦ２)５(ＣＨ２)２ＳiＣl３（ＦＯＴＳ：tridecafluorooctyltrichlorosilane）、アルキルトリクロロシラン化合物であるＣＨ３(ＣＨ２)２８ＣＨ２ＳiＣl３（ＴＡＴＳ：n-triacontyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)２０ＣＨ２ＳiＣl３（ＤＯＴＳ：n-dococyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)１８ＳiＣl３（ＮＴＳ），ＣＨ３(ＣＨ２)１６ＣＨ２ＳiＣl３（ＯＴＳ：n-octadecyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)１４ＣＨ２ＳiＣl３（ＨＤＴＳ：n-hexadecyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)１０ＣＨ２ＳiＣl３（ＤＤＴＳ：dodecyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)９ＳiＣl３（n-decyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)６ＣＨ２ＳiＣl３（ＯＴＳ-8：octyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)６ＳiＣl３（n-heptyltrichlorosilane），ＣＨ３(ＣＨ２)４ＣＨ２ＳiＣl３（hexyltrichlorosilane），ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２ＳiＣl３（n-butyltrichlorosilane），ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＳiＣl３（n-propyltrichlorosilane），ＣＨ３ＣＨ２ＳiＣl３（ethyltrichlorosilane），ＣＨ３ＳiＣl３（methyltrichlorosilane）、Ｃ６Ｈ５(ＣＨ２)２ＳiＣl３（β-ＰｈＴＳ：β-phenethyltrichlorosilane）、および(ＣＨ３)２ＳiＮＨ(ＣＨ３)３（ＨＭＤＳ:hexamethyldisilazane）などを用いることができる。
【００５６】
液晶光学素子１０を光強度変調素子として用いる場合には、素子を偏光子と検光子の間に設置して使用できる。さらに、高コントラスト、視野角の広い素子とするために光学的な補償法である位相補償板を設置しても使用できる。
【００５７】
上記構成によれば、前記第１および第２配向膜１３ａ，１３ｂは水平配向膜であり、上下の第１および第２基板１１ａ，１１ｂにおいて、それぞれの配向方向は同一方向となるπセル構造をとる。πセルでは、ネマティック液晶系で最速動作となるベンド配向の形態をとることを可能とする。後述の実施形態においても同様である。
【００５８】
第２配向膜１３ｂに形成されている表面自由エネルギー値の小さい薄膜領域１５により、第１および第２基板１１ａ，１１ｂの間の液晶層１４における液晶分子１４ａに対して、局所的な配向が変化する領域を形成することができる。この局所的な配向変化が、πセルにおける液晶分子１４ａのスプレイ配向からベンド配向への転移核となり、液晶層１４の略全体の液晶分子１４ａを、低電圧で容易に、かつ高速にベンド配向へ転移させることができる。
【００５９】
つまり、第１電極１２ａと第２電極１２ｂとの間に初期転移電圧が印加されると、図１において薄膜領域１５の上部に位置する液晶分子１４ａは、この薄膜領域１５の表面自由エネルギー値が周囲の第２配向膜１３ｂの表面自由エネルギー値より小さいために、両者の表面自由エネルギーの差異により、液晶分子１４ａ自体が薄膜領域１５の部分で局所的な配向乱れを引き起こすため、自発的に転移核として有効に作用し、薄膜領域１５の間の第２配向膜１３ｂ上の液晶層１４の液晶分子１４ａが、転移核の液晶分子１４ａの垂直方向の配向に倣って同様に垂直方向のベンド配向に短時間で転移する。
【００６０】
また、この初期転移後に電圧を切った場合の無電圧状態においても、薄膜領域１５の部分では図１に示す状態を保持し、ベンド配向からスプレイ配向への逆転移は発生せず、安定なベンド配向または１８０゜ツイスト配向で安定化され、薄膜領域１５の間の第２配向膜１３ｂ上の液晶層１４の液晶分子１４ａは、図１に示すようなスプレイ配向へ迅速に逆転移する。具体例としては、後述の実施例１が対応する。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係る液晶光学素子について、図２を参照して説明する。
【００６２】
本実施形態の液晶光学素子２０の基本構造は、図２に示すように、図中上方の第１基板２１ａと、第１基板２１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極２２ａと、第１電極２２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜２３ａとが積層され、また、上記第１基板２１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板２１ｂと、第２基板２１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極２２ｂと、第２電極２２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜２３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板２１ａおよび第２基板２１ｂを外側に、第１配向膜２３ａと第２配向膜２３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板２１ａと前記第２基板２１ｂとの間（具体的には第１配向膜２３ａと第２配向膜２３ｂとの間）に液晶層２４が介在されて一体に構成されてなる。
【００６３】
そして、上記第２配向膜２３ｂには、その同一平面内にパターン状に薄膜領域２５が形成されている。つまり、第２配向膜２３ｂと薄膜領域２５を第２基板２１ｂ上に個別に形成した構造である。
【００６４】
本実施形態においても、薄膜領域２５は、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、薄膜領域２５の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００６５】
この薄膜領域２５の組成（使用材料）は前記第１の実施形態と同様であり、作製方法の具体例については後述するが、基本的には、第２電極２２ｂに対して先に薄膜領域２５をパターン状に印刷形成した後、第２配向膜２３ｂを塗布形成することにより行われる。詳細は実施例２，３により後述する。
【００６６】
例えば、第２の実施形態では、上記薄膜領域２５の形成パターンは、図３（ｂ）に示すような格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造に形成するのが好ましい。なお、図３（ｃ）のストライプ状構造に形成する場合には、薄膜領域２５のストライプ線の平行方向が第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂの配向方向に対して直交するように形成する。
なお、上記薄膜領域２５の形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状に形成してもよい。
【００６７】
その他、第１および第２基板２１ａ，２１ｂ、第１および第２電極２２ａ，２２ｂ、第１および第２配向膜２３ａ，２３ｂ、液晶層２４、薄膜領域２５の素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例２，３が対応する。
【００６８】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係る液晶光学素子について、図４（ａ）を参照して説明する。
【００６９】
本実施形態の液晶光学素子３０の基本構造は、図４（ａ）に示すように、図中上方の第１基板３１ａと、第１基板３１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極３２ａと、第１電極３２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜３３ａとが積層され、また、上記第１基板３１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板３１ｂと、第２基板３１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極３２ｂと、第２電極３２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜３３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板３１ａおよび第２基板３１ｂを外側に、第１配向膜３３ａと第２配向膜３３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板３１ａと前記第２基板３１ｂとの間（具体的には第１配向膜３３ａと第２配向膜３３ｂとの間）に液晶層３４が介在されて一体に構成されてなる。
【００７０】
そして、上記第１配向膜３３ａおよび第２配向膜３３ｂには、対向する内面の同位置にそれぞれパターン状に第１薄膜領域３５ａおよび第２薄膜領域３５ｂが形成されている。
【００７１】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００７２】
この第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様であり、詳細は実施例４、５により後述する。
【００７３】
上記第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板３１ａ，３１ｂ、第１および第２電極３２ａ，３２ｂ、第１および第２配向膜３３ａ，３３ｂ、液晶層３４、第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例４，５が対応する。
【００７４】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態に係る液晶光学素子について、図４（ｂ）を参照して説明する。
【００７５】
本実施形態の液晶光学素子４０の基本構造は、図４（ｂ）に示すように、図中上方の第１基板４１ａと、第１基板４１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極４２ａと、第１電極４２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜４３ａとが積層され、また、上記第１基板４１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板４１ｂと、第２基板４１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極４２ｂと、第２電極４２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜４３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板４１ａおよび第２基板４１ｂを外側に、第１配向膜４３ａと第２配向膜４３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板４１ａと前記第２基板４１ｂとの間（具体的には第１配向膜４３ａと第２配向膜４３ｂとの間）に液晶層４４が介在されて一体に構成されてなる。
【００７６】
そして、上記第１配向膜４３ａおよび第２配向膜４３ｂは、各々その同一平面内において、パターン状に第１薄膜領域４５ａおよび第２薄膜領域４５ｂを配設されてなり、これら第１薄膜領域４５ａおよび第２薄膜領域４５ｂは互いに対向する位置に形成される。つまり、第１配向膜４３ａと第１薄膜領域４５ａを第１基板４１ａ上に個別に、第２配向膜４３ｂと第２薄膜領域４５ｂを第２基板４１ｂ上に個別に形成した構造である。
【００７７】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００７８】
この第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様であり、詳細は実施例６により後述する。
【００７９】
上記第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板４１ａ，４１ｂ、第１および第２電極４２ａ，４２ｂ、第１および第２配向膜４３ａ，４３ｂ、液晶層４４、第１および第２薄膜領域４５ａ，４５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例６が対応する。
＜第５の実施形態＞
本発明の第５の実施形態に係る液晶光学素子について、図５（ａ）を参照して説明する。
【００８０】
本実施形態の液晶光学素子３０の基本構造は、図５（ａ）に示すように、図中上方の第１基板５１ａと、第１基板５１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極５２ａと、第１電極５２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜５３ａとが積層され、また、上記第１基板５１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板５１ｂと、第２基板５１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極５２ｂと、第２電極５２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜５３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板５１ａおよび第２基板５１ｂを外側に、第１配向膜５３ａと第２配向膜５３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板５１ａと前記第２基板５１ｂとの間（具体的には第１配向膜５３ａと第２配向膜５３ｂとの間）に液晶層５４が介在されて一体に構成されてなる。
【００８１】
そして、上記第１配向膜５３ａおよび第２配向膜５３ｂには、対向する内面の異なる位置に交互に、それぞれパターン状に第１薄膜領域５５ａおよび第２薄膜領域５５ｂが形成されている。
【００８２】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００８３】
この第１および第２薄膜領域３５ａ，３５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様である。
【００８４】
上記第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板５１ａ，５１ｂ、第１および第２電極５２ａ，５２ｂ、第１および第２配向膜５３ａ，５３ｂ、液晶層５４、第１および第２薄膜領域５５ａ，５５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。
【００８５】
＜第６の実施形態＞
本発明の第６の実施形態に係る液晶光学素子について、図５（ｂ）を参照して説明する。
【００８６】
本実施形態の液晶光学素子６０の基本構造は、図５（ｂ）に示すように、図中上方の第１基板６１ａと、第１基板６１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極６２ａと、第１電極６２ａの上（図で下面）に形成される第１配向膜６３ａとが積層され、また、上記第１基板６１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板６１ｂと、第２基板６１ｂの一面上（図で上面）に形成される第２電極６２ｂと、第２電極６２ｂの上（図で上面）に形成される第２配向膜６３ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板６１ａおよび第２基板６１ｂを外側に、第１配向膜６３ａと第２配向膜６３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板６１ａと前記第２基板６１ｂとの間（具体的には第１配向膜６３ａと第２配向膜６３ｂとの間）に液晶層６４が介在されて一体に構成されてなる。
【００８７】
そして、上記第１配向膜６３ａおよび第２配向膜６３ｂには、その同一平面内において、対向する内面の異なる位置に交互に、それぞれパターン状に第１薄膜領域６５ａおよび第２薄膜領域６５ｂが形成されている。つまり、第１配向膜６３ａと第１薄膜領域６５ａを第１基板６１ａ上に個別に、第２配向膜６３ｂと第２薄膜領域６５ｂを第２基板６１ｂ上に個別に形成した構造である。
【００８８】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００８９】
この第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態と同様である。
【００９０】
上記第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板６１ａ，６１ｂ、第１および第２電極６２ａ，６２ｂ、第１および第２配向膜６３ａ，６３ｂ、液晶層６４、第１および第２薄膜領域６５ａ，６５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態と同様に構成される。
【００９１】
＜第７の実施形態＞
本発明の第７の実施形態に係る液晶光学素子について、図６および図７を参照して説明する。
【００９２】
本実施形態の液晶光学素子１００の基本構造は、前述の図４（ｂ）に示す第４の実施形態と同様であり、これに薄膜トランジスタ１２０を含む液晶駆動用素子を画素毎に形成して液晶表示素子として構成してなる。
【００９３】
図６に示すように、図中上方の第１基板１０１ａと、第１基板１０１ａの一面上（図で下面）に形成される第１電極１０２ａと、第１電極１０２ａの上（図で下面）に個別に形成される第１配向膜１０３ａおよび第１薄膜領域１０５ａとが積層され、また、上記第１基板１０１ａの前記一面と対向する、図中下方の第２基板１０１ｂと、第２基板１０１ｂの一面上（図で上面）に複数の各画素に分割形成される第２電極１０２ｂ（画素電極）と、第２電極１０２ｂおよび液晶駆動用素子１２０の上（図で上面）に個別に形成される第２配向膜１０３ｂおよび第２薄膜領域１０５ｂとが積層され、これらの２つの積層体が、第１基板１０１ａおよび第２基板１０１ｂを外側に、第１配向膜１０３ａと第２配向膜１０３ｂとを内側に対向配置させて、前記第１基板１０１ａと前記第２基板１０１ｂとの間（具体的には第１配向膜１０３ａと第２配向膜１０３ｂとの間）に液晶層１０４が介在されて一体に構成されてなる。
【００９４】
なお、上記第１配向膜１０３ａおよび第２配向膜１０３ｂの対向する内面の同位置に、それぞれパターン状に第１薄膜領域１０５ａおよび第２薄膜領域１０５ｂが形成されている。また、この第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂが形成されている部分は、第２電極１０２ｂ（画素電極）による表示領域を区画する非表示領域に形成するものであり、薄膜トランジスタ１２０を含む液晶駆動用素子（データ線１１２、ゲート線１１３等）もこの非表示領域に形成される。
【００９５】
図７に示すように、上記液晶駆動用素子は、第２基板１０１ｂの一面に複数平行に形成されたゲート線１１３と、この複数のゲート線１１３と交差して複数平行に形成されたデータ線１１２と、両者の交差部位でゲート線１１３とデータ線１１２とに連結される複数の薄膜トランジスタ１２０とを備える。また、第１基板１０１ａの第１電極１０２ａは、複数の画素電極となる第２電極１０２ｂと対向する単一の共通電極である。
【００９６】
また、図６および図７の薄膜トランジスタ１２０において、１０６は半導体薄膜、１０７はゲート絶縁膜、１０８はゲート電極、１０９はドレイン電極、１１０はソース電極、１１１はパッシベーション膜である。上記ドレイン電極１０９がデータ線１１２に接続され、ゲート電極１０８がゲート線１１３に接続され、さらに、ソース電極１１０が分割されマトリクス状に配置された各第２電極１０２ｂ（画素電極）に接続されてなる。
【００９７】
上記構成により、各ゲート線１１３には走査信号印加回路より順次走査選択信号（薄膜トランジスタ１２０のオン信号）を印加し、この走査選択信号と同期して情報信号印加回路よりデータ線１１２に所定の階調表示情報を持った情報信号を印加して選択されたラインの第２電極１０２ｂ（画素電極）に書き込み、所定の電圧を液晶層１０４に印加して表示を行うように構成されてなる。
【００９８】
本実施形態においても、第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂは、その表面自由エネルギー値が第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂの表面自由エネルギー値と異なり、第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂの表面自由エネルギー値より小さな表面自由エネルギー値に設定されている。また、第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂの表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２であるような材料を選定して使用する。
【００９９】
この第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの組成（使用材料）および作製方法は、前記第１の実施形態および第４の実施形態と同様であり、詳細は実施例７により後述する。
【０１００】
上記第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの形成パターンは、図３（ａ）に示すドットパターン状、図３（ｂ）に示す格子状、または図３（ｃ）に示すストライプ状構造のいずれかに形成するものであり、その他、第１および第２基板１０１ａ，１０１ｂ、第１および第２電極１０２ａ，１０２ｂ、第１および第２配向膜１０３ａ，１０３ｂ、液晶層１０４、第１および第２薄膜領域１０５ａ，１０５ｂの素材、形成方法などは第１の実施形態および第４の実施形態と同様に構成される。具体例としては、後述の実施例７が対応する。
【０１０１】
以下、具体的な実施例１〜７について説明する。
【実施例１】
【０１０２】
本実施例１は、前述の第１の実施形態に示した液晶光学素子１０を基本構造として、薄膜領域を構成する材料を選定し、図１および図３（ａ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１０３】
まず、透明電極（第２電極）付きガラス基板（第２基板）上に、プレチルト角４°のポリイミド膜（SE7992，日産化学工業製）を水平配向膜（第２配向膜）としてコーティングした。次に、この水平配向膜上にマイクロコンタクトプリント法によりフッ素樹脂膜（Cytop、旭硝子製）からなるドットパターン形状の薄膜領域を形成した。
【０１０４】
この時の、水平配向膜と薄膜領域の表面自由エネルギー値は、それぞれ44.4（mJ/m2）および19（mJ/m2）の関係であり、水平配向膜の表面自由エネルギーが薄膜領域より大きい。
【０１０５】
上記のマイクロコンタクトプリント法では、ポリジメチルシロキサン（PDMS）によって形成された凹凸構造の柔軟なスタンプの凹凸面にフッ素樹脂膜（薄膜領域材料）を均一に塗布後、凸面のフッ素樹脂膜を水平配向膜上に転写し熱硬化させた。この方式では、スタンプの凹凸形状に応じた微細なドットパターンを精度良く転写することができる。上記スタンプは、材料として２液性の熱硬化性シリコン樹脂であるダウ・コーニング社のSylgard184を用い、フォトリソグラフィで作製されたマスターモールドに、樹脂を注入・脱泡・熱硬化・剥離して形成した。形成したフッ素樹脂膜（薄膜領域）の微細化パターンは、10μmのドット径、周期500μmからなる。
【０１０６】
次に、上記のドットパターン形状の薄膜領域を第２配向膜に有する透明電極付きガラス基板（第２基板）の第２配向膜をラビング処理し、続いて、液晶光学素子を均一なセルギャップとするために球状のプラスチックスペーサー（径６μｍ）と紫外線硬化性樹脂の混合物を上下基板間の周辺に塗布後、セルギャップがプラスチックスペーサー径と同一になるようにコンタクトさせ、紫外線（波長365nm）を照射することで均一なセルギャップを実現した。最後に、ネマティック液晶（JB5006××、チッソ社製、Δｎ=0.237、ｎｏ=1.52）をセル中に注入し、実施例１の液晶光学素子を作製した。また、液晶セル周辺部分をシーリングし液晶の流失を防いだ。
【０１０７】
また、比較例として、薄膜領域を形成していない従前の第２配向膜と透明電極付きガラス基板（第１基板）の第２配向膜をラビング処理し、その後は上記と同様にして、図８に示す従前の液晶光学素子を作製した。
【０１０８】
作製された液晶光学素子は、偏光顕微鏡観察下において、第１電極と第２電極間に電圧を印加しスプレイ配向からベンド配向に転移させた。この転移時間を測定した結果、転移時間は印加電圧により大きく変化し、比較例としての従前の液晶光学素子の場合、４Ｖの電圧では３００秒以上、１０Ｖの電圧では１３秒であった。一方、本実施例１の液晶光学素子では、４Ｖ電圧および１０Ｖ電圧での転移時間は、それぞれ８秒および０.８秒と高速化されていることが分かった。
【０１０９】
この転移現象は、表面自由エネルギー値が小さい部分であるフッ素膜領域（薄膜領域）より発生し、全体に拡大して行くことが確認されており、フッ素膜領域が転移核として機能していることが分かった。また、応答速度を測定したところ、立上りおよび立下り時間はそれぞれ０.５ｍｓおよび３ｍｓの高速動作を確認し、テレビ用途の動画ディスプレイへ適していることが分かった。また、実施例１の液晶光学素子では、液晶中に高分子材料が形成されていない構造であるために高い透過率特性と高分子と液晶との間の屈折率不整合による散乱のないコントラストの高い特性をもつことが確認された。
【実施例２】
【０１１０】
本実施例２は、前記第２の実施形態に基づき、図２および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１１１】
まず、透明電極（第２電極）付きガラス基板（第２基板）の電極面上に、前述のマイクロコンタクトプリント法の工程を用いてフッ素樹脂膜（Cytop、旭硝子製、表面自由エネルギー19（mJ/m2））のパターンを転写・熱硬化し、薄膜領域を形成した。パターンは、線幅５μｍ、ピッチ1００μｍの格子形状とした。
【０１１２】
次に、フッ素樹脂膜パターン（薄膜領域）が形成された透明電極付きガラス基板上に、水平配向膜（SE7792、日産化学工業製、プレチルト角７°、表面自由エネルギー38.9（mJ/m2））をディップコート法により均一に形成した。このとき、あらかじめ形成されたフッ素樹脂膜パターン部分は表面自由エネルギーが小さいために、水平配向膜成分からなる溶媒が付着することなしにフッ素樹脂膜バターン領域以外にコートされ、熱硬化後に均一な第２配向膜が薄膜領域と同一平面内に個別に形成される。続いて、実施例１と同様の作製工程により、実施例２の液晶光学素子を作製した。
【０１１３】
実施例１の測定と同様にして、本実施例２の液晶光学素子の第１電極と第２電極間に電圧を印加しスプレイ配向からベンド配向に初期転移させた。実施例２の格子状形状の薄膜領域を有する液晶光学素子では、４Ｖ電圧および１０Ｖ電圧での転移時間は、それぞれ１秒および０.１秒と高速化されていることが分かった。この転移現象は実施例１と同様に低い表面自由エネルギー値の部分であるフッ素膜領域より発生し、拡大して行くことが確認されており、フッ素樹脂膜領域（薄膜領域）が転移核として機能していることが確認できた。
【０１１４】
さらに、実施例２の光変調動作を測定したところ、液晶の配向状態はスプレイ配向からベンド配向へ初期転移されたものは全てベンド配向となり安定していた。初期転移後、印加電圧を切ってもスプレイ配向への逆転移現象は観測されずベンド配向または１８０°ツイスト配向が保たれた。この実施例２の液晶光学素子では、６ヶ月以上の長時間、電圧を切った状態でもベンド配向からスプレイ配向への逆転移はまったく生じなかった。従前の従来の液晶光学素子では、電圧無印加時では、スプレイ配向であり高電圧印加によるベンド転移を必要としていたが、本実施例では電圧なしの状態でも安定なベンド配向が得られており、０Ｖからの変調動作が可能であることが分かった。
【実施例３】
【０１１５】
本実施例３は、前記第２の実施形態に基づき、図２および図３（ｃ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１１６】
本実施例３の液晶光学素子における各構成部分の材料ならびに作製工程は、前述の実施例２と同様とした。ただし、フッ素樹脂膜領域（薄膜領域）の形状は線幅５μm、ピッチ１００μmのストライプ構造とし、そのストライプ構造の平行方向が第２配向膜のラビング方向と直交する構成である。また、比較例として、ストライプ構造の平行方向が第２配向膜のラビング方向と平行となる構成の液晶光学素子を同時に作製した。
【０１１７】
本実施例３の液晶光学素子では、実施例２と同様に、ベンド転移への高速化が確認され、フッ素樹脂膜領域（薄膜領域）が転移核として機能していることが分かり、同時に、初期転移後の電圧無印加時においてもベンド配向に保持されることが確認された。
【０１１８】
一方、比較例の液晶光学素子では、ベンド転移への高速化が確認されたが、初期転移後の電圧無印加時ではベンド配向の安定化現象は確認することはできず、スプレイ配向への逆転移が観測された。この結果、ストライプ構造の場合、配向膜のラビング方向と直交する方向にストライプ線を配置する条件で液晶光学素子を構成することで、ベンド配向を安定に保持する液晶光学素子を提供できることが示された。
【実施例４】
【０１１９】
本実施例４は、前記第３の実施形態に基づき、図４（ａ）および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１２０】
本実施例４の液晶光学素子における各構成部分の材料ならびに作製工程は、前述の実施例２と同様とした。ただし、この場合、上下の第１基板と第２基板の内面の第１配向膜および第２配向膜にそれぞれ同一の格子状パターンに薄膜領域を形成し、第１基板と第２基板を対向させて組み合わせる場合に、両基板間でのフッ素樹脂膜の格子構造を１対１に対向させるためにアライナーを用いて精度良く張り合わせた。
【０１２１】
また、本実施例４においては、上記のアライナーにより上下基板上の格子構造パターンの位置合せを行うとともに、セルギャップがプラスチックスペーサー径と同一になるようにコンタクトさせ、紫外線（波長365nm）を照射することで均一なセルギャップおよび微細化パターンの高精度な位置合せを同時に実現した。得られたセルギャップの一様性は±10％以下であった。
【０１２２】
本実施例４により作製した液晶光学素子では、上記実施例２と同様に、スプレイ配向からベンド配向への高速かつ安定な初期転移がなされ、初期転移後にはベンド配向の安定化が確認された。
【０１２３】
さらに、ベンド配向の安定化現象を確認するため、格子パターン形状におけるフッ素樹脂膜（薄膜領域）の格子ピッチを、100μｍ、500μｍ、800μｍ、1mm、1.5mm、および2mmまでそれぞれ変更して液晶光学素子を作製し、その特性を観測した。
【０１２４】
この結果、初期転移後の電圧無印加時において、フッ素樹脂膜（薄膜領域）の格子ピッチが1mm以下ではベンド配向の安定化現象が確認され、格子ピッチが1.5mm以上ではスプレイ配向への逆転移が発生し、ベンド配向の安定化が低減することが分かった。
【実施例５】
【０１２５】
本実施例５は、前記第３の実施形態に基づき、図４（ａ）および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。その際、薄膜領域の表面自由エネルギー値の違いによる効果を確認するため、表１に示された材料系を用いた液晶光学素子をそれぞれ作製し、その動作特性を評価した。薄膜領域の材料として下記表１に示されるものを使用し、それ以外は、前述の実施例４と同じ材料、素子構成、ならびに作製工程とした。
【０１２６】
本実施例５において作成した各液晶光学素子について、初期転移後の電圧無印加時の液晶分子の配向状態を観測したところ、高分子膜を用いた場合、PDMS（ゲレスト製）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、パーフルオロアルコキシアルカン（PFA）、ポリシルセスキオキサン（SR-3351、およびSR-3321）の低い表面自由エネルギー値（18mJ/m2〜27.3mJ/m2）でベンド配向の安定化が確認されたが、高い表面自由エネルギー値（45mJ/m2〜64mJ/m2）の材料であるアクリル樹脂（PMMA）とポリビニルアルコール（PVA）ではベンド配向の安定化は確認できずスプレイ配向への逆転移が確認された。
【０１２７】
同様に、ポリイミド膜を用いた場合、JAL204（JSR製）、SE4811（日産化学工業製）、SE5300（日産化学工業製）の低い表面自由エネルギー値（35mJ/m2〜37.3mJ/m2）でベンド配向の安定化が得られ、SE1410（日産化学工業製）、AL1254（JSR製）、SE150（日産化学工業製）、SE7992（日産化学工業製）、SE5291(日産化学工業製)、SE7792(日産化学工業製)の高い表面自由エネルギー値（38.9mJ/m2〜48.9mJ/m2）の材料でスプレイ配向への逆転移が確認された。
【０１２８】
さらに、自己組織化単分子膜を用いた場合には、FOETS（perfluorodecyltrichlorosilane）、OTS（n-octadecyltrichlorosilane）、HMDS（hexamethyldisilazane）、β-PhTS（β-phenethyltrichlorosilane）の低い表面自由エネルギー値（13.3mJ/m2〜35.5mJ/m2）でベンド配向の安定化が得られ、APTES（γ-アミノプロピルトリエトキシシラン）の高い表面自由エネルギー値（45mJ/m2）の材料でスプレイ配向への逆転移が発生することが分かった。
【０１２９】
以上の結果と表１の実験結果（表面自由エネルギー値）から薄膜領域を構成する材料として、その表面自由エネルギー値が38mJ/m2以下の小さいものを選択すれば良いことが実験的に見出された。表１からも分かるようにその分子構造において、-F、-CF3、-CH3、-Phのいずれか一つ以上持つ材料系がより有効であることが分かった。特に、水平配向膜の表面自由エネルギー値と薄膜領域の表面自由エネルギー値の差が大きいほど、その界面での液晶分子の配向乱れが大きくなり、ベンド配向への転移核として有効に作用させることができる。
【０１３０】
つまり、薄膜領域の表面自由エネルギー値は、第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値より小さく、その上限が38mJ/m2であり、また、第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値は、薄膜領域の表面自由エネルギー値より大きく、その下限が38mJ/m2となるように、それぞれ薄膜領域および配向膜の素材を選定するものである。
【０１３１】
上記薄膜領域を構成する材料を選定するに当たり、各種材料系を製膜しその表面自由エネルギー値を測定し、実験で用いた薄膜材料の種類とその評価した表面自由エネルギー値を下記表１に示す。
【０１３２】
【表１】
【０１３３】
表１におけるポリイミド膜の製膜は、ガラス基板上にスピンコート法により塗布し、200℃で１時間かけて熱硬化した。一方、高分子膜の製膜は、ポリイミド膜と同一とした。また、ポリシルセスキオキサン高分子膜は、置換基にメチル（-CH3）基とフェニル（−Ph）基の混合成分を有するSR-3351（分子量：23万、配合比：メチル基／フェニル基=5／1、小西化学工業）とSR-3321(分子量：1万、配合比：メチル基／フェニル基=2／1、小西化学工業)を用い、その製膜は、ポリイミド膜と同一とした。さらに、自己組織化単分子（SAM）膜の製膜は、SAM膜材料をトルエン溶媒で希釈し、その溶媒中にガラス基板を10時間以上浸漬することでSAM膜を形成した。製膜した薄膜の表面自由エネルギー値は、水とヨウ化メチレンの２液を膜面に滴下し、その接触角をそれぞれ測定し、計算により求めた。
【実施例６】
【０１３４】
本実施例６は、前記第４の実施形態に基づき、図４（ａ）および図３（ｂ）に示される透過型の液晶光学素子を次の構成で作製した。
【０１３５】
本実施例６の液晶光学素子における各構成部分の材料ならびに作製工程は、前述の実施例１と同様とした。ただし、第１基板および第２基板の材料をポリカーボネイト樹脂（100μｍ厚）に変更している。なお、液晶の注入は、真空注入でも可能であるが、本実施例６では、印刷法を適用して素子作製を行った。
【０１３６】
まず、透明電極（第２電極）付きポリカーボネイト樹脂膜（第２基板）の上に水平配向膜のポリイミド膜（SE7992）による第２配向膜をコーティングし、その上にマイクロコンタクト法により格子状構造パターン（線幅10μｍ、ピッチ300μｍ）からなるフッ素樹脂膜（第２薄膜領域）を形成後、全面をラビング処理し、その上面に印刷法によりネマティック液晶と液晶性モノマーの混合液を塗布した。塗布に採用する印刷法は、フレキソ法、活版（凸版）印刷、オフセット(平板)印刷、グラビア(凹版)印刷のいずれの方式でも形成可能であった。
【０１３７】
次に、水平配向膜（第１配向膜）および格子状構造パターンのフッ素樹脂膜（第１薄膜領域）が形成された一方の透明電極（第１電極）付きポリカーボネイト樹脂基板（第１基板）を形成後、全面をラビング処理し、これを上記第２基板と張り合わせた後、アライナーにより上下配向膜の微細化格子状パターンの位置合わせを行い本実施例の液晶光学素子を作製した。
【０１３８】
本実施例６の液晶光学素子では、前述と同様にベンド配向の安定化が確認された。さらに、第１および第２基板の素材が可撓性を有することから液晶光学素子を丸めたり、巻き取った後で素子を広げても安定な高速動作を示した。
【実施例７】
【０１３９】
本実施例７は、前記実施例２において、その第２基板をＴＦＴ基板に変更し、前述の第７の実施形態における図６および図７に示される液晶表示素子としての液晶光学素子を作製し、その特性を評価した。
【０１４０】
本実施例７の液晶光学素子は、表示領域となる画素電極（第２電極）の間隙（非表示領域）に薄膜領域を設け、薄膜トランジスタの半導体層にはグロー放電ＣＶＤ法によるａ−Ｓｉ膜を用いた。
【０１４１】
そして、各表示画素に独立に電圧を与えることができるように、各画素電極から独立にデータ線を引き出し、対向する第１電極については全面共通電極とした構成からなる。画素電極に対応する領域は水平配向領域とし、画素電極間の一部をフッ素樹脂膜からなる表面自由エネルギー値の小さい薄膜領域とした。
【０１４２】
この液晶光学素子に４Ｖの電圧を印加して、液晶を一旦ベンド配向させた後、電圧を切ると該当する画素のみベンド配向を保持した。
数ヶ月間、無電圧で放置しても各画素の配向状態は保持され、ベンド配向の安定化が図れることが分かった。
【符号の説明】
【０１４３】
10,20,30,40,50,60,100 液晶光学素子
11a,21a,31a,41a,51a,61a,101a 第１基板
11b,21b,31b,41b,51b,61b,101b 第２基板
12a,22a,32a,42a,52a,62a,102a 第１電極
12b,22b,32b,42b,52b,62b,102b 第２電極
13a,23a,33a,43a,53a,63a,103a 第１配向膜
13b,23b,33b,43b,53b,63b,103b 第２配向膜
14,24,34,44,54,64,104 液晶層
14a,24a,34a,44a,54a,64a 液晶分子
15,25,35a,35b,45a,45b,55a,55b,65a,65b,105a,105b 薄膜領域
106 半導体薄膜
107 ゲート絶縁膜
108 ゲート電極
109 ドレイン電極
110 ソース電極
111 パッシベーション膜
112 データ線
113 ゲート線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板、第１電極、および第１配向膜を、この順に積層してなる第１積層体と、第２基板、第２電極、および第２配向膜を、この順に積層してなる第２積層体とを、前記第１配向膜および前記第２配向膜が対面するようにして、間に液晶層を介在させてなり、
前記第１配向膜および前記第２配向膜の少なくとも一方に、パターン状の薄膜領域を設け、該薄膜領域は、設けられた配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つように設定されていることを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
前記薄膜領域の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、また、前記第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２である、ことを特徴とする請求項１記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記薄膜領域のパターン形状がドット状構造、格子状構造、およびストライプ状構造のいずれかである、ことを特徴とする請求項１または２記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記薄膜領域がストライプ状構造からなり、かつ当該ストライプ構造の平行方向が前記第１配向膜と前記第２配向膜の配向方向に対して直交する、ことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記第１配向膜に形成される前記薄膜領域と前記第２配向膜に形成される前記薄膜領域が対向する位置に配されている、ことを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記第２基板の前記一面に形成される複数のゲート線と、複数の前記ゲート線と交差する複数のデータ線と、前記ゲート線と前記データ線とに連結される複数の薄膜トランジスタと、をさらに備え、
前記第２電極は前記複数の薄膜トランジスタに連結される複数の画素電極であり、前記第１電極は前記複数の画素電極と対向する単一の共通電極である、ことを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載の液晶光学素子。
【請求項７】
前記薄膜領域は、表示領域を区画する非表示領域に形成される、ことを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項載の液晶光学素子。
【請求項８】
前記請求項１から７のうちいずれか１項記載の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、印刷工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成することを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記請求項１から７のうちいずれか１項記載の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１電極および第２電極の少なくとも一方の電極に、印刷工程または塗布工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成し、該薄膜領域と同一平面内に第１配向膜および／または第２配向膜を形成することを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
【請求項１】
第１基板、第１電極、および第１配向膜を、この順に積層してなる第１積層体と、第２基板、第２電極、および第２配向膜を、この順に積層してなる第２積層体とを、前記第１配向膜および前記第２配向膜が対面するようにして、間に液晶層を介在させてなり、
前記第１配向膜および前記第２配向膜の少なくとも一方に、パターン状の薄膜領域を設け、該薄膜領域は、設けられた配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つように設定されていることを特徴とする液晶光学素子。
【請求項２】
前記薄膜領域の表面自由エネルギー値の上限が３８ｍＪ／ｍ２であり、また、前記第１配向膜および第２配向膜の表面自由エネルギー値の下限が３８ｍＪ／ｍ２である、ことを特徴とする請求項１記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記薄膜領域のパターン形状がドット状構造、格子状構造、およびストライプ状構造のいずれかである、ことを特徴とする請求項１または２記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記薄膜領域がストライプ状構造からなり、かつ当該ストライプ構造の平行方向が前記第１配向膜と前記第２配向膜の配向方向に対して直交する、ことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記第１配向膜に形成される前記薄膜領域と前記第２配向膜に形成される前記薄膜領域が対向する位置に配されている、ことを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記第２基板の前記一面に形成される複数のゲート線と、複数の前記ゲート線と交差する複数のデータ線と、前記ゲート線と前記データ線とに連結される複数の薄膜トランジスタと、をさらに備え、
前記第２電極は前記複数の薄膜トランジスタに連結される複数の画素電極であり、前記第１電極は前記複数の画素電極と対向する単一の共通電極である、ことを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載の液晶光学素子。
【請求項７】
前記薄膜領域は、表示領域を区画する非表示領域に形成される、ことを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項載の液晶光学素子。
【請求項８】
前記請求項１から７のうちいずれか１項記載の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１配向膜および第２配向膜の少なくとも一方の配向膜に、印刷工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成することを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記請求項１から７のうちいずれか１項記載の液晶光学素子を作製する製造方法であって、
前記第１電極および第２電極の少なくとも一方の電極に、印刷工程または塗布工程によって前記配向膜の表面自由エネルギー値より小さい値の表面自由エネルギー値を持つ薄膜領域をパターン状に形成し、該薄膜領域と同一平面内に第１配向膜および／または第２配向膜を形成することを特徴とする液晶光学素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２６２０６１（Ｐ２０１０−２６２０６１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１１２１０（Ｐ２００９−１１１２１０）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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