分子自己配列化技術

TFT液晶ディスプレイのほとんどは、TNモードを採用しており、【図2】に示すように、棒状ネマチック液晶を封入した液晶セルと、その両側に透過軸が互いに直交するように配置した2枚の偏光板とから構成される。封入された液晶がホモジニアス配向しつつ、上下で90度ねじれた配向をしているため、電圧の印加により液晶の配向を変化でき、光の透過率を制御できるようになる。これにより表示が可能になる。

【図2】TNモードの原理

TNモードのTFT液晶ディスプレイは、見る方向を正面から左右に傾けると、その角度に従って全体に色が薄くなり、コントラストが低下する。

これらの視野角特性は、液晶セルに使用される棒状ネマチック液晶が【図3】（a）に示すとおり、光学異方性を有し正の一軸性複屈折を示すことに起因する。光軸に平行に入射された光については何ら影響を与えないが、光軸に対し斜めに入射された場合には、複屈折が現れる。このため直線偏光が楕円偏光となり、一部検光子を通過し、黒表示部での光漏れとなり、コントラストの低下や階調反転を引き起こす。

【図3】正の一軸性の複屈折

液晶セルは棒状液晶の集合と考えられてきた。棒状液晶が一様に配向した集合で作られた液晶セルはラグビーボール型の楕円体としてモデル化されてきた。このような物体に光が入射したとき、この楕円体の断面の長軸と短軸の長さの差が複屈折になる。複屈折を透過率と読み替えると視覚化しやすい。このラグビーボール型の楕円体としてモデル化された物体を【図3】（a）の上から下方向へ見ると、断面は円となり、複屈折が生じない。上方向から徐々に見る角度を大きくしていくと、楕円体の断面は長軸／短軸比の大きな楕円となり、複屈折が大きくなっていく。このように複屈折が見る方向によって変化することが、LCDの視野角依存の原因である。

一方、光学的に“アンパン”型の楕円体としてモデル化された光学補償体を推量すると、上方向から見ると断面は円となり、入射角を大きくしていくと、“ラグビーボール”と楕円の方向が90°異なる、長軸／短軸比の大きな楕円となる（【図3】（b））。

“ラグビーボール”と“アンパン”の楕円体を【図3】（c）のように組み合わせると、二つの断面である楕円が長軸を直交して重ね合わせられるので、全体としてみると円、すなわち複屈折がゼロとなる。この液晶セルの光学異方性を補償するのに、光学軸が液晶セルに垂直な方向にある位相差板や、光学軸が傾斜した一様な配向を持った位相差板が提案されたが、このような方法では広く汎用されるレベルまでの補償をすることはできなかった。これは液晶セルが楕円体によって適切にモデル化されない複雑な構造を有するためであることが後の研究で明確になった。そこで【図4】に示すようなハイブリッド配向が必要となる。図では単純に分子がハイブリッド配向している様子が示されているが、実際は各分子はいろいろな方向を向いており全体としてはゆらぎをもったハイブリッド配向をしている。

【図4】光学補償の原理

ディスコティックネマティック（ND）相を示すディスコティック液晶化合物である、【図5】に示したトリフェニレン誘導体を選び、ラビングした配向膜上に塗布した。ND相を示す温度に加熱し、液晶化合物をモノドメインに配向させた膜を形成した。この膜の特徴は、通常のディスプレイでは液晶化合物が二枚のガラスなどの支持体に挟まれているのとは異なり、片側が空気に接していることである。

【図5】ディスコティック液晶性トリフェニレン誘導体

この膜の中で液晶化合物が所望のハイブリッド配向をしていることをレタデーション（位相差）の測定光入射角度依存性により確認した。なぜハイブリッド配向が実現されたのか？それは液晶化合物層の接する二つの界面の性質が異なるからである。一つは支持体上に存在する配向膜であり、もう一つは空気である。この両者の表面自由エネルギーの差がハイブリッド配向を実現させている。

ここで形成されたハイブリッド配向は、商品として使用されている間、環境や取扱いによって変化せず維持されることが必要である。そのため、実用されているトリフェニレン誘導体には重合性基が導入されており、ハイブリッド配向形成後、紫外光照射により架橋し固定されている。