塗布・剥離基板を用いたフレキシブル液晶デバイスの作製

塗布・剥離基板を用いたフレキシブル液晶デバイスの

作製

生内 友輔†a) 石鍋 隆宏†（正員）

柴田 陽生† 藤掛 英夫†（正員）

Fabrication of Flexible Liquid Crystal Devices Using Coat-Debond Substrates

Yuusuke OBONAI†a),Nonmember,

Takahiro ISHINABE†,Member, Yosei SHIBATA†,Nonmember, and Hideo FUJIKAKE†,Member

†_{東北大学大学院工学研究科，仙台市}

Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6–6–05 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai-shi, 980–8579 Japan a) E-mail: [email protected]

あらまし フレキシブル

LCD

の実現に向けて，塗

布で形成した透明ポリイミド基板を用いて液晶デバイ

スを試作した．基板の光学異方性，デバイスの視野角

特性を評価し，低位相差のポリイミド基板を用いるこ

とでフレキシブル

LCD

の広視野角化が可能であるこ

とを示した．

キーワード 液晶ディスプレイ，フレキシブルディ

スプレイ，ポリイミド基板，塗布・剥離法

1.

ま え が き

プラスチック基板を用いたフレキシブルディスプレ

イは薄型化，軽量化が可能で，衝撃耐性が高いという

特長を有することから，貼り付け，巻き取り，ウェア

ラブル端末等の新たな用途への応用を可能とし，次世

代の表示技術として実現が期待されている．これまで

に提案されてきたフレキシブルディスプレイの方式で

ある有機

EL

方式

[1]

，電子ペーパ方式

[2]

と比較して，

液晶方式

[3], [4]

は基板に高度なガスバリア性が不要な

ことからプラスチック基板との整合性が高く，デバイ

スの信頼性が高いこと，また，ガラス基板を用いる既

存の作製技術・設備を転用し，大画面で高精細なパネ

ルを安価に製造可能であること等の利点を有すること

から，フレキシブルディスプレイの方式として有望で

あると考えられる．

フレキシブル液晶ディスプレイ

(LCD)

の実現に

向けた課題の一つとして，薄膜トランジスタの形成

(≥ 200

C)

や配向膜の焼成

(∼

= 200

C)

等の高温処理

における基板の寸法変化の抑制が挙げられる．この課

題を解決する方法として，有機

EL

方式では，寸法安定

性が高いガラス保持板上に極めて薄い耐熱性ポリイミ

ド

(PI)

基板を塗布形成することで，高温処理における

基板の寸法変化を抑え，デバイスを作製後に保持板か

ら剥離する，塗布・剥離法によるディスプレイの作製技

術が提案されている

[1]

．しかし，従来の

PI

基板は透

過率が低く，また厚さ方向の光学位相差が大きいこと

から

[5]

ディスプレイの視野角が制限されるため，フレ

キシブル

LCD

の作製に応用することは困難であった．

本研究では，塗布・剥離法による極薄の耐熱性

PI

基

板を使用したフレキシブル

LCD

の作製技術の確立に

向けて，無色で透過率が高く光学異方性が小さい透明

PI

材料を見出し，塗布形成した

PI

基板の光学異方性

の評価と，塗布・剥離法を用いて作製したフレキシブ

ル液晶デバイスにおける

PI

基板の光学異方性がフレ

キシブル

LCD

の視野角特性に与える影響について評

価を行ったので報告する．

2.

透明

PI

基板の光学異方性の評価

本 研 究 で は ，耐 熱 性 の 優 れ た 透 明

PI

材 料

(T

:

270

C)

と し て ，ポ リ ア ミ ド 酸 溶 液（ 三 井 化 学 製

ECRIOS

VICT-Bnp

）をガラス保持板上にスピ

ンコート法を用いて塗布し，窒素雰囲気下にて

270

C

で

2

時間焼成することで，膜厚

10 μm

の透明

PI

基板

を作製した．保持板から剥離した

PI

基板の外観を図

1

に，波長透過率特性を図

2

に示す．図

1

，図

2

より，

作製した

PI

基板は無色透明であり，その透過率は可

視光領域

(400 nm

∼

700 nm)

において約

90%

で波長依

Fig. 1 Photograph of achromatic transparent PI sub-strate formed by coat-debond method (Thick-ness: 10µm).

図 2 作製した PI 基板の波長透過率特性 Fig. 2 Transmission spectra of formed PI substrate.

電子情報通信学会論文誌2016/8 Vol. J99–C No. 8

存性がほとんどないことが確認できる．

次に透明

PI

基板の角度

–

位相差特性を，分光エリプ

ソメータ（

J. A. Woolam

社

M-2000

）を用いて測定

し，数値フィッティングにより屈折率異方性を測定し

た．ここで，斜め入射光に対する位相差

R

は基板法

線方向に対する光の入射角度

θ

，面内の遅相軸方向の

屈折率

n

，進相軸方向の屈折率

n

，厚さ方向の屈折

率

n

，基板の厚さ

d

を用いて次式で表される

[6]

．

R

=



n

n



n

− sin

θ

−



n

− sin

θ



· d

(1)

作製した

PI

基板の特性を，従来の

PI

と同等の位相

差を有する

PI

が得られるポリアミド酸溶液（三井化

学製

ECRIOS

VICT-C

）の測定結果と併せて図

3

に示す．基板の膜厚はいずれも

10 μm

で，測定波長は

550 nm

である．測定結果より，作製した透明

PI

基板

は光軸が厚さ方向を向いた負の光学異方性を有するこ

と，その面内位相差

R

，厚さ方向の位相差

R

はそ

れぞれ

R

= 0.07 nm

，

R

= 89.7 nm

であり，従来

の

PI

基板

(R

= 0.05 nm

，

R

= 973 nm)

と比較し

て，厚さ方向の位相差が極めて小さいことがわかる．

3.

デバイスの作製と視野角特性の評価

透明

PI

基板の光学異方性がフレキシブル

LCD

の

視野角特性に与える影響を明らかにするため，前章で

評価した

2

種類の

PI

基板を用いてねじれネマチック

(TN)

方式の液晶

(LC)

デバイスを試作し，輝度及び

色度の角度分布の測定から視野角特性を評価した．

デバイスの作製工程を図

4

に示す．まず，ガラス板

上に膜厚

10 μm

の

PI

基板を塗布形成し（図

4 (a)

），

基板上に配向膜（

JSR

製

AL1254

）を塗布して

200

C

retarda-tion of transparent PI substrates.

で

1

時間焼成を行った後，ラビング法により配向処理

を施した（図

4 (b)

）

．次に，粒径

4.8 μm

のスペーサを

散布し（図

4 (c)

），シール剤を用いて基板の貼り合わ

せを行った（図

4 (d)

）

．更に片側のガラス板を

PI

基板

から剥離して真空注入法によりネマチック液晶（

JNC

製

TD-1016LA

）を注入し（図

4 (e)

），デバイスを封

止してガラス板から剥離した（図

4 (f)

）．

図

5

に試作したフレキシブル液晶デバイスをクロス

Fig. 4 Fabrication process of flexible LC devices by coat-debond method.

図 5 PI基板を用いたフレキシブル TN 液晶デバイスの 外観

Fig. 5 Appearance of flexible TN mode LC devices using PI substrates.

ショートノート

図 6 観察角度に対するフレキシブル TN 液晶デバイスの 色度変化

Fig. 6 Shift of chromaticity of flexible TN mode LC devices as a function of viewing angle.

ニコル下で観察した結果を示す（観察角度

0

，

45

）．

従来の

PI

基板を用いたデバイスでは，観察角度の変

化に伴い画素内の輝度が変化していることがわかる．

一方，光学異方性が小さい基板を用いたデバイスでは，

観察角度の変化による画素内の輝度に変化は見られな

かった．また，観察角度

0

，

15

及び

30

におけるフ

レキシブル液晶デバイスの色度を図

6

に示す．同図よ

り，光学異方性が小さい基板を用いることで，観察角

度の変化によるデバイスの色度の変化を抑制できるこ

とを確認した．ここで，観察角度

0

においてデバイ

スの色度がわずかに異なっている様子が観察されたが，

これは液晶層の厚さがわずかに異なっているためと考

えられる．

次に，フレキシブル液晶デバイスの明状態での全方

位における輝度角度分布を，光放射角度分布測定装置

（

Autronic

社

ConoScope

）を用いて評価した．ガラス

基板で作製した

TN

方式の液晶デバイスの測定結果も

併せて図

7

に示す．同図より光学異方性が小さい

PI

基板を用いたデバイスは，ガラス基板を用いたデバイ

スと同様に明状態において観察方位に対して均一な視

野角特性を示しており，従来の

PI

基板を用いたデバ

イスと比較して，斜め方向の視野角特性が大幅に向上

したことを確認した．基板の厚さ方向の位相差

R

を

低減することでディスプレイの広視野角化が可能とな

ることから，作製した

PI

基板はフレキシブル

LCD

用

の基板に適していることを明らかにした．

4.

む す び

本研究では，透明

PI

材料を用いて，厚さ

10 μm

の

透明

PI

基板を塗布形成した．作製した透明

PI

基板

の光透過率は可視光領域で約

90%

を示し，波長依存性

がほとんどないこと，また厚さ方向の位相差は従来の

LC devices in bright state.

PI

基板と比べて極めて小さいことを確認した．更に，

この基板を用いてフレキシブル液晶デバイスを試作し，

PI

基板の厚さ方向の位相差を小さくすることでデバ

イスの視野角特性が向上することを確認した．以上の

ことから，極薄の耐熱性

PI

基板を用いた塗布・剥離

電子情報通信学会論文誌2016/8 Vol. J99–C No. 8

法によるフレキシブル

LCD

の実現が可能であること

を明らかにした．

今後はフレキシブル

LCD

の湾曲時の液晶層の厚さ

を均一に保持するフォトリソスペーサ

[7]

及びポリマー

壁

[8]

等のスペーサ構造の検討を行う予定である．

謝辞 本研究にあたり，ポリアミド酸溶液の提供を

頂いた三井化学株式会社に深く感謝申し上げます．

文

献

[1] J.-S. Park, T.-W. Kim, D. Stryakhilev, J.-S. Lee, S.-G. An, Y.-S. Pyo, D.-B. Lee, Y.G. Mo, D.-U. Jin, and H.K. Chung, “Flexible full color organic light-emitting diode display on polyimide plastic substrate driven by amorphous indium gallium zinc oxide thin-film transistors,” Appl. Phys. Lett., vol.95, 013503, 2009.

[2] M.A.M. Leenen, V. Arning, H. Thiem, J. Steiger, and R. Anselmann, “Printable electronics: Flexibil-ity for the future,” Phys. Status Solidi A, vol.206, no.4, pp.588–597, 2009.

[3] H. Fujikake, H. Sato, T. Murashige, Y. Fujisaki, H. Kikuchi, and T. Kurita, “Flexible

field-sequential-color FLC displays using a bendable backlight sheet with LED chips,” Proc. IDW, pp.871–874, 2005. [4] H. Sato, H. Fujikake, Y. Fujisaki, S. Suzuki, D.

Nakayama, T. Furukawa, H. Kikuchi, and T. Kurita, “A4-sized LCDs with flexible light guide plate,” Proc. IDW, LCT4-2, pp.605–608, 2006.

[5] L. Lin and S.A. Bidstrup, “Processing effects on op-tical anisotropy in spin-coated polyimide films,” J. Appl. Polym. Sci., vol.49, no.7, pp.1277–1289, 1993. [6] T. Ishinabe, A. Sato, and H. Fujikake,

“Wide-viewing-angle flexible liquid crystal displays with optical compensation of polycarbonate substrates,” Appl. Phys. Express, vol.7, 111701, 2014.

[7] R. Kohno and Y. Iimura, “Study of MVA-LCDs using plastic substrates,” Proc. JLCS Japanese Conference of Liquid Crystals, 1b04, 2009.

[8] H. Sato, H. Fujikake, Y. Iino, M. Kawakita, and H. Kikuchi, “Flexible grayscale ferroelectric liquid crys-tal device containing polymer walls and networks,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.41, pp.5302–5306, 2002.

（平成 28 年 1 月 20 日受付，3 月 18 日再受付， 7月 14 日公開）