フレキシブルブルー相液晶デバイスの高画質化に向けた高分子壁ス
ペーサの構造制御
坂井
秀基
†石鍋
隆宏
†a)柴田
陽生
†藤掛
英夫
†Structural Control of Polymer Wall Spacers for High Quality Flexible Blue-Phase
Liquid Crystal Displays
Hideki SAKAI
†, Takahiro ISHINABE
†a), Yosei SHIBATA
†, and Hideo FUJIKAKE
†あらまし 本論文では，フレキシブル液晶ディスプレイの高画質化に向けて，高分子壁による接合スペーサを 有したブルー相液晶デバイスを提案し，紫外線のパターン露光による高分子壁，及び高分子ネットワークの構造 制御について検討を行った．この結果，低照度露光による緩慢な相分離を引き起こすことで，紫外線の露光部分 に高分子を析出させるとともに，画素領域における高分子ネットワークの濃度を制御することで，ブルー相液晶 の配向安定化と駆動電圧の低減が可能であることを明らかにした．これらの成果により，湾曲中における液晶セ ルの厚さの変動を軽減し，電圧無印加時のブルー相液晶の配向安定化を維持することで良好な黒状態の表示を実 現し，フレキシブル液晶ディスプレイの高コントラスト化と広視野角化が実現できることを示した．本研究で実 現されるフレキシブル液晶ディスプレイは薄く，軽く，高い柔軟性を有し，あらゆる生活環境へのディスプレイ の設置を可能とすることから，いつでもどこでも情報にアクセスできるアンビエント情報社会の発展に大きく貢 献する次世代の表示技術として期待される． キーワード フレキシブル液晶ディスプレイ，コレステリックブルー相，高分子壁，パターン露光
1.
ま え が き
近年，高度情報化社会の進展に伴い，情報と人とを
つなぐインタフェースとして，ディスプレイの重要性
が高まってきている．特に，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，薄く，軽いという特
長を有し，また，その柔軟性より，ガラス基板を用い
た従来のディスプレイと比べて設置・運搬の利便性が
飛躍的に向上することから，あらゆる生活環境にディ
スプレイを設置することが可能となる．このことから，
フレキシブルディスプレイの実現は，いつでもどこで
も情報にアクセスできるアンビエント情報社会の発展
に大きく貢献するものと考えられている．
フレキシブルディスプレイの表示方式として，これ
までに有機
EL
方式
[1], [2]
，電子ペーパ方式
[3], [4]
等，
複数の方式が提案されているが，この中でも液晶方
†東北大学大学院工学研究科，仙台市Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6–6–05 Aramaki-Aza-Aoba, Aoba-ku, Sendai-shi, 980–8579 Japan a) E-mail: [email protected]
式
[5]
∼
[7]
は，基板に高度なガスバリアが不要で長期
間にわたって安定した動作が可能であり，また高精細
表示が容易であるという特長を有していることから，
自動車用ディスプレイやデジタルサイネージ等，次世
代のアプリケーションに向けた表示方式として有望で
あると考えられる．ここで，フレキシブル液晶ディス
プレイの実現における課題として，湾曲時における表
示の高画質化が挙げられる．このためには，湾曲時に
おいてセル厚を均一に保つスペーサ構造を開発し，黒
状態の表示を広視野角化することが必要である．
これらの課題に対して，我々は図
1
に示すコレステ
リックブルー相液晶中に高分子壁による接合スペーサ
を形成したデバイスを提案してきた
[8]
．
ブルー相液晶は，二重捻じれシリンダー構造を基本
とした格子構造を有し
[9]
，電圧無印加時において光
学的に等方であることから
[9], [10]
，偏光板の直交性
の補償により
[11], [12]
良好な黒状態の表示が可能であ
り，液晶ディスプレイの高コントラスト比と広視野角
化が実現できる
[10], [13], [14]
．
一方，液晶中に混合したモノマーを紫外線のパター
Fig. 1 Formation of Polymer walls in BPLC by pat-terned UV irradiation.
図 2 プラスチック基板を用いて作製した高分子壁スペー
サを有するフレキシブルブルー相液晶デバイス Fig. 2 Flexible BPLC device using plastic substrates
with polymer walls.
ン露光によって重合させることで作製される高分子壁
は，両基板を接合することで湾曲中のセル厚の変動を
防ぎ，湾曲時における表示の高画質化の実現が期待で
きる
[15]
∼
[17]
．
これまでに我々は，ブルー相液晶中にモノマー材料
を混合し，光学マスクを用いた紫外線のパターン露光
により高分子壁を形成することで，湾曲時に生じるセ
ル厚の変化による液晶の流動を抑制することで，液晶
セルを湾曲させた状態でも画素領域におけるブルー相
液晶の配向安定化を維持し，図
2
に示すプラスチック
基板を用いたフレキシブルブルー相液晶ディスプレイ
が実現可能であることを示してきた
[8]
．紫外線のパ
ターン露光により，露光領域で生成された高分子鎖は
高分子壁を形成するとともに，画素領域へ拡散するこ
とで高分子ネットワークを形成し，ブルー相液晶の配
向を安定化する．一度のパターン露光によって高分子
壁の形成とブルー相液晶の配向安定化を実現すること
が可能となる．
しかし，紫外線のパターン露光により形成する高分
子壁の最適条件，及び画素領域におけるブルー相液晶
の配向の安定化と駆動電圧の低減に必要となる高分子
ネットワークの最適な条件は明らかにされていない．
そこで本研究では，高分子の析出形態を制御するパラ
ノマー材料として二官能の液晶性モノマーである化合
物
A (DIC
社
)
を用いた．櫛歯形状の
Indium Tin
Ox-ide (ITO)
透明電極（電極幅
10 μm
，電極間隙
10 μm
）
がパターンニングされたガラス基板を用いて液晶セル
を作製し，液晶・液晶性モノマー・重合開始剤の混合
液を，室温下で毛細管現象を用いて導入した．ここで，
セル厚は
10 μm
とし，モノマーの重合の進展はモノ
マーに対する重合開始剤の濃度に依存することから，
重合開始剤の濃度をモノマーに対して一定値の
10%
と
した．温度制御装置
(mk1000, TS103W, Instec
社
)
を用いて液晶セルを加熱し，ブルー相の状態
(68
◦C)
で，平行露光型紫外線照射装置
(JATEC
社
)
を用い
て，フォトマスク越しに紫外線のパターン露光
(
中心
波長
365 nm)
を行った．パターン露光においては，ス
リット幅
10 μm
，ピッチが
210 μm
の直交格子状の光
学マスクを用いた．
2. 2
紫外線のパターン露光が高分子壁の析出形態
に与える影響
高分子壁構造をブルー相液晶中に形成し，かつ画素
領域においてブルー相液晶の配向を安定化させるため
には，紫外線のパターン露光において，露光部分に析
出する高分子と，画素領域の高分子ネットワークの密
度の制御が必要である．そこで，パターン露光による
高分子壁の形成がマスク領域のブルー相液晶の配向安
定化に与える影響について検討するため，フォトマス
クを使用せず紫外線を液晶セルの全面に照射したサン
プルと，パターン露光を施したサンプルを作製し，画素
領域における液晶配向について比較を行った．ここで，
モノマーの濃度を
7 wt%
とし，露光照度
40 mW/cm
2，
露光時間
20
分の条件下で全面露光，及びパターン露
光を行った．露光後の液晶セルを室温
(25
◦C)
まで冷
却した後，偏光顕微鏡を用いてクロスニコル下で配向
状態を観察した．観察結果を図
3
に示す．図
3 (a)
よ
り，全面露光を行った場合，液晶セルの全面でブルー
相液晶の配向が安定化されていることが観察できる．
一方，図
3 (b)
に示すように，パターン露光を行った
図 3 全面露光及びパターン露光を行った後のブルー相液 晶セルの偏光顕微鏡写真 (モノマー濃度：7 wt%) Fig. 3 Polarized Micrographs of BP-LC cells
af-ter uniform or patterned UV irradiation (Monomer concentration: 7 wt%).
場合，直交格子状の高分子壁構造が形成されたことが
確認できる．
しかし，同図の画素領域において，高分子壁の近傍
では，液晶配向がブルー相として安定化されているが，
マスク領域の中央部では液晶配向がブルー相を維持で
きず，コレステリック相に相転移していることが分か
る．これは，モノマーが高分子壁の形成に消費され，
マスク領域の高分子ネットワークの量が減少したため
と考えられる．以上のことから，パターン露光により，
高分子壁の形成と画素領域におけるブルー相液晶の配
向の安定化を同時に達成するためには，高分子壁にお
けるモノマーの消費を考慮し，モノマー濃度を最適化
させる必要があることがわかる．
2. 3
モノマー濃度が画素領域におけるブルー相液
晶の配向安定化に与える影響
モノマー濃度が画素領域におけるブルー相液晶の配
向安定化に与える影響を調べるため，モノマー濃度
を
10 wt%
，
15 wt%
，
20 wt%
，
25 wt%
と変化させて
パターン露光を行い，液晶デバイスの作製を行った．
露光照度は
40 mW/cm
2，露光時間は
20
分である．液
晶セルを室温まで冷却した後，偏光顕微鏡で観察した
結果を図
4
に示す．図
4
より，いずれの濃度において
も画素部分におけるブルー相の配向が安定化されてお
り，このことから，モノマーの濃度を
10 wt%
以上と
すれば良いことがわかる．これは，モノマー濃度の増
加によって画素領域の高分子ネットワーク密度が増加
したためであると考えられる．
次に，作製した液晶セルに電圧を印加し，液晶の
電気光学特性，及び高分子壁の状態について評価を
図 4 モノマー濃度に対するブルー相液晶の配向状態の変 化 (印加電圧：0 V)Fig. 4 Effect of monomer concentration on blue phase LC alignment (Applied voltage: 0 V).
図 5 モノマー濃度に対する電圧–透過率特性の変化
Fig. 5 Effect of monomer concentration on voltage vs. transmittance curves.
行った．
図
5
に，各モノマー濃度におけるブルー相液晶デバ
イスの電圧
–
透過率特性を示す．ここで，一般にブルー
相液晶デバイスの電圧
–
透過率特性には，電圧印加に
よる格子構造のひずみによりヒステリシスが生じるが，
これは一般に材料に依存し，モノマー濃度の影響は小
さいことが報告されている
[18]
．このことから，図
5
には立ち上がりの特性のみを示す．本研究では電圧
–
透過率特性において，電圧誘起複屈折により透過率が
最大となる電圧を駆動電圧と定義し，各モノマー濃度
における駆動電圧の比較を行った．一般に，クロスニ
コルの偏光板の間に配置したブルー相液晶素子の透過
図 6 電圧印加時 (80 V) における液晶セルの配向状態 Fig. 6 Alignment state of LC cell under applied
volt-age (80 V).
率
T
は，次式で表される．
T = sin
2πΔnd
λ
Δn = λKE
2(1)
ここで，
n
は屈折率，
d
はセル厚，
λ
は波長，
K
は
Kerr
定数，
E
は電界強度を表す．式
(1)
より，ブルー
相液晶デバイスの透過率は，印加電圧の増加に伴って
単調増加することから，
80 V
を印加した場合における
透過率を比較することで，駆動電圧の評価を行った．
図
5
より，モノマー濃度の増加に伴い，駆動電圧が
増加していることがわかる．これは，モノマー濃度の
増加に伴い，画素領域に析出した高分子ネットワーク
の濃度が増加し，高分子ネットワークから束縛を受け
る液晶分子が増加したためであると考えられる．
また，電圧印加時，及び電圧除去時における液晶セ
ルの配向状態の観察結果を図
6
，及び図
7
にそれぞれ
示す．図
6
より，電圧の印加により画素領域において
複屈折が誘起され，透過率が変化していることが確認
できる．しかし，いずれのモノマー濃度においても高
分子壁の領域において，光変調が生じていることが確
認できる．この現象は，特にモノマー濃度が低い場合
に顕著であり，これは，高分子壁が液晶を内包してお
り，高分子壁の領域において高分子が，液晶と完全に
相分離していないためと考えられる．
高分子壁の領域における光変調は，モノマー濃度の
図 7 電圧除去後における液晶セルの配向状態Fig. 7 Alignment state of LC cell after electric field rejection.
増加に伴い抑制される傾向にあることから，モノマー
濃度を増加させることで，壁領域における高分子を
高密度化し，強固な高分子壁が形成できることが分
かった．
また，図
7
に示す電圧除去後における液晶セルの配
向状態より，モノマー濃度が低い場合，画素領域にお
いて電圧除去後の液晶配向がコレステリック相に変化
していることが分かる．これは，モノマー濃度が低い
場合，高電圧の印加によってブルー相の格子構造にひ
ずみが生じ，電圧除去後においてブルー相を維持する
ことができずコレステリック相へと相転移したためと
考えられる
[20], [21]
．
以上のことから，マスク露光による高分子壁の形成
と画素領域におけるブルー相液晶の配向安定化を実現
するためには，壁領域における高分子と液晶の相分離
と印加電圧に対する画素領域の配向安定性を考慮する
ことが必要であり，今回使用した液晶材料においては，
モノマー濃度を
20 wt%
以上とすることで画素領域に
おけるブルー相液晶の配向安定化が可能であることを
明らかにした．
2. 4
紫外線照度が高分子の析出状態に与える影響
前節の実験において，モノマー濃度によらず電圧印
加時に高分子壁の領域で光変調が生じていることを示
した．これは，高分子壁の領域において高分子と液晶
との相分離が不十分であり，高分子壁が液晶を内包し
ているためと考えられる．そこで，紫外線照度を変化
図 8 紫外線照度を変化させて作製した液晶デバイスの配 向状態
Fig. 8 Effect of luminescence of UV light on blue phase LC alignment and polymer walls.
させ，高分子の析出状態に与える影響について検討を
行った．紫外線照度を変化させることで，高分子鎖の
生成速度が変化し，高分子が液晶中から析出する時間
が変化することから，壁領域への高分子の集約を制御
できると考えられる．
紫外線照度を
4 mW/cm
2及び
40 mW/cm
2として
パターン露光を行い，液晶デバイスの作製を行った．
モノマー濃度は
25 wt%
とし，積算光量は
48 J/cm
2で
ある．紫外線露光後の液晶セルの観察結果を図
8
に示
す．電圧無印加の状態では，紫外線照度の影響は小さ
く，画素領域においてブルー相液晶の配向が安定化さ
れていることがわかる．
一方，電圧印加時において，紫外線照度が低い場合，
高分子壁は太く成長し，壁領域における光変調が完全
に抑制されていることがわかる．これは，低照度で露
光することによって高分子の析出速度が抑制され，高
分子と液晶の相分離が十分に促進されたためであると
考えられる．
また，紫外線照度を変化させて作製した液晶デバイ
スの電圧
–
透過率特性を図
9
に示す．図
9
から，紫外
線照度が低い場合，透過率が最大となる電圧が低くな
ることがわかる．これは，低照度で露光することで壁
図 9 紫外線照度に対する電圧–透過率特性の変化Fig. 9 Effect of luminescence of UV light on voltage vs. transmittance curves.
領域に析出する高分子の量が増加し，画素領域におけ
る高分子ネットワークの密度が低下したためと考えら
れる．
以上のことから，高密度な高分子壁を形成するため
には低照度での紫外線露光が望ましく，モノマー濃度
25 wt%
，紫外線照度
4 mW/cm
2，露光時間
200
分と
することで画素領域におけるブルー相液晶の配向安定
化，高密度な高分子壁の形成，駆動電圧の低減を実現
することが可能であり，湾曲させた状態でも電圧無印
加時のブルー相液晶の配向安定化を維持し，良好な黒
状態の表示を実現することでフレキシブル液晶ディス
プレイの高画質化が可能であることを明らかにした．
3.
む す び
本研究では，高品位なフレキシブル液晶ディスプレ
イの実現に向けて，高分子壁スペーサ構造を有したブ
ルー相液晶デバイスを提案し，モノマー濃度と紫外線
照度が高分子壁の形成と画素領域におけるブルー相液
晶の配向安定化に与える影響について検討した．この
結果，パターン露光の場合，従来の全面露光と比較し
て，モノマーが高分子壁の形成に使われることから，
画素領域の高分子ネットワーク密度が減少し，全面露
光と比べてモノマーの濃度を増加させる必要があるこ
とを明らかにした．
また，モノマー濃度の増加に伴い析出する高分子の
量が増加し，高分子壁の高密度化及び画素領域におけ
る高分子ネットワークの高密度化が促進されること，
紫外線照度を低くすることで，液晶と高分子の相分離
を促進し，高分子壁の高密度化と画素領域における駆
動電圧の低減が可能であることを明らかにした．
以上の検討より，高密度な高分子壁と画素領域にお
圧
–
透過率特性におけるヒステリシスの評価とその改
善，駆動電圧の更なる低減が今後の課題である．
謝辞 本研究は平成
25-27
年度
JSPS
科学研究費補
助金
(25420313)
の研究助成により行った研究の一部
である．
文
献
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（平成 28 年 3 月 23 日受付，7 月 8 日再受付， 11月 10 日公開）
