JP3984487B2 - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置及びその製造方法に関し、特に、垂直配向型で且つ光重合により形成されたポリマー構造物の配向規制力を利用して、液晶分子の配向を制御する方式の液晶表示装置を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アクティブマトリクスを用いた液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）としては、正の誘電率異方性を持つ液晶材料を暗状態において基板面に水平に、且つ対向する基板間で９０度ツイストするように配向させたＴＮモードの液晶表示装置が広く用いられている。
【０００３】
このＴＮモードの液晶表示装置は、視角特性に劣るという問題を有しており、視角特性を改善すべく種々の検討が行われている。そこで、これに替わる方式として、負の誘電率異方性を持つ液晶材料を垂直配向させ、配向膜にラビング処理を施すことなく、基板表面に設けた突起やスリットにより電圧印加時の液晶分子の傾斜方向を複数方向に規制するＭＶＡ（Multi-domain Vertical Alignment）方式が開発されており、視角特性を大幅に改善することに成功している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＶＡ方式の液晶表示装置は、従来のＴＮ型に比べて視角特性に優れているが、白輝度が低く、表示が暗いという欠点がある。この主な原因は、土手やスリット上が液晶配向の分割境界となり、この部分が光学的に暗く見えることに起因して白表示の透過率が低くなるためである。これを改善するには、土手やスリット間の間隙を十分広くすれば良いが、この場合、液晶配向を制御する土手やスリットが少なくなるため、配向が安定するまでに時間がかかるようになり、応答速度が遅くなる。
応答速度を劣化させずに開口率を向上させて明るさを増加させる手法として、光重合又は熱重合するモノマーを液晶に混入させ、基板間に所定の電圧を印加しながらモノマーを重合させることによって液晶層の表層（配向膜の表面）に所定の配向パターンを有するポリマー構造物を形成し、このポリマー構造物により液晶分子の安定な配向を得る配向規制技術を開発した。しかしながら、焼き付き(長時間表示していたパターンが残像として残ってしまう)と呼ばれている表示不良が大きな問題として発生していた。
【０００５】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、表示に焼き付け等の不都合を生ぜしめることなく簡易且つ確実に表示特性を向上させ、信頼性の高い液晶表示を実現する液晶表示装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００７】
本発明の液晶表示装置は、第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有する第２の基板とが、配向膜及び液晶層を介して対向配置されてなる液晶表示装置であって、前記液晶層は、液晶中に当該液晶分子を所定方向に配向させるためのポリマー構造物が形成されており、前記ポリマー構造物の表面の平均粗さが１０ｎｍ以下とされ、焼き付き率が６％以下とされている。
【０００８】
本発明の液晶表示装置の製造方法は、第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有する第２の基板とが、配向膜及び液晶層を介して対向配置されてなる液晶表示装置の製造方法であって、液晶分子を所定方向に配向させるためのモノマーを混入した液晶からなる前記液晶層を前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持した状態で、前記基板間に電圧を印加しながら、前記モノマーを重合させて所定の配向パターンのポリマー構造物を形成し、液晶分子を前記ポリマー構造物により配向規制するに際して、前記ポリマー構造物の表面の平均粗さを１０ｎｍ以下とし、焼き付き率を６％以下に制御する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
−本発明の基本骨子−
先ず、本発明の基本骨子について説明する。
本発明者らは、ＭＶＡ方式の液晶表示装置を改良し、開口率を向上させて明るさを増加し、コストの点でもレベルアップさせる手法として、光重合又は熱重合するモノマーを液晶に混入させ、基板間に所定の電圧を印加しながらモノマーを重合させることによって液晶層の表層（配向膜の表面）に所定の配向パターンを有するポリマー構造物を形成し、このポリマー構造物により液晶分子の安定な配向を得る配向規制技術を開発してきた。
【００１０】
しかしながら、前記配向規制技術では、ポリマー構造物などによって固化する方式を用いていないパネルよりも駆動時の液晶パネルの焼き付きに関して、程度が悪いという問題があることが明らかとなった。
【００１１】
パネルの焼き付き率αは次のようにして求めている。
白黒のチェッカーパターンを液晶表示装置の表示領域に長時間表示させる。その後、表示領域全面に所定の中間調を表示させ、白表示領域の輝度βと黒表示領域の輝度γとの差（β−γ）を求め、当該輝度差（β−γ）を、黒表示領域の輝度γで除して焼き付き率を求める。
即ち、
焼き付き率α＝（（β−γ）／γ）×１００（％）
で定義する。
【００１２】
この焼き付き率αが５〜６％程度であれば実用上問題はないが、１０％程度になるとユーザにとって画像の焼き付き現象が気になり出し、無視できないものとなる。
【００１３】
本発明者は、焼き付きを抑止するため、ポリマー構造物の表面の平均粗さを小さく制御することに想到した。
ポリマー構造物の表面の平均粗さと焼き付き率との関係について調べた結果を以下に示す。
ここでは、垂直配向膜及び負の誘電率異方性の液晶を用い、偏光板としてはクロスニコルに液晶パネルの両側に貼付け、ノーマリブラックとする。重合性モノマー種としては、モノアクリレート、ジアクリレート、トリアクリレートのいずれかとし、０．０１ｗｔ％の光重合開始剤を用い、重合性モノマーと光重合開始剤のトータル混合濃度を０．３ｗｔ％とし、ポリマー化条件としてはＵＶで４〜１０Ｊ／ｃｍ²の照射量とする。
【００１４】
上記（重合性モノマー＋光重合開始剤）の組み合わせを異ならせて液晶と混合し、液晶表示装置に注入する。その後、液晶に電圧を印加して配向を調整しながらポリマー化させ、焼き付きの評価を行った。その後、液晶表示装置を分解し、形成させたポリマー構造物の表面をＡＦＭで観察し、平均粗さと焼き付き率との関係を調べた。
【００１５】
ここで、平均粗さ（Ｒａ）とは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸をとり、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表わした時に、次式及び図１によって求められる値をいう（ＪＩＳ８０６０１−１９９４「表面の平均粗さ一定義及び表示」に基づく。）。
【００１６】
【数１】

【００１７】
図２にＴＦＴ基板側にスリットを有する画素電極上のポリマー構造物のＡＦＭ像（表面上の凹凸がポリマー構造物に相当する。）を、図３にこのＡＦＭ像に基づくポリマー構造物の表面の平均粗さと焼き付き率との関係をそれぞれ示す。
図３のように、表面の平均粗さが小さいほど、焼き付き率が小さくなり、表面の平均粗さを１０ｎｍ以下とすることにより、焼き付き率の許容範囲を満たし、焼き付き特性を実用上問題ないレベル以下に抑えられることが判明した。従って、ポリマー膜の表面の平均粗さを１０ｎｍ以下とすることにより、表示特性の良好な液晶表示装置を得ることができる。
【００１８】
更に、重合性モノマー＋光重合開始剤＋ＵＶ量の組み合わせの検討した結果、焼き付きを６％以下に抑えられることが確認された。
【００１９】
−具体的な実施形態−
上述した本発明の基本骨子を踏まえ、具体的な実施形態について説明する。ここでは、図４に示すような主要構成を有する液晶表示装置を対象とする。
【００２０】
この液晶表示装置は、所定間隔をあけて対向する一対の透明ガラス基板１１，１２と、これら透明ガラス基板１１，１２間に狭持される液晶層１３とを備えて構成されている。透明ガラス基板１１，１２は、不図示のシール材により接合固定される。
【００２１】
一方の透明ガラス基板（ＴＦＴ基板）１１上には、絶縁層１４を介してＩＴＯからなる複数の画素電極１５、能動素子となる不図示の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）が形成され、画素電極１５を覆うように透明の垂直配向膜１６ａが形成されており、他方の透明ガラス基板（ＣＦ基板）１２上には、カラーフィルター１７（及び不図示のブラックマトリクス）、共通電極（対向電極）１８及び垂直配向膜１６ｂが順次積層されている。そして、液晶層１３を狭持するように垂直配向膜１６ａ，１６ｂが突き合わせられてガラス基板１１，１２がシール材により固定され、各基板１１，１２の外側に偏光子１９，２０が設けられる。画素電極１５はアクティブマトリクス（ＴＦＴマトリクス）と共に形成され、図示の例ではＴＦＴのドレイン電極が接続されているデータバスライン２１が示されている。また、図示されていないが、ＴＦＴのゲート電極が接続されるゲートバスラインも形成されている。なお、電極は一方の基板のみに設けられることもある。
【００２２】
液晶層１３は、シール材に設けられた液晶注入口から液晶が注入されることにより形成される。本実施形態では、前記液晶は、光重合又は熱重合するモノマーが混入してなるものである。更に、画素電極１５には、例えば図５に示すように、配向パターンを形成する微細なスリット１５ａが形成されている。そして、図６に示すように、注入された液晶に所定の電圧を印加しながらＵＶ照射又は熱処理を施すことにより、前記モノマーを重合させてスリット１５ａの配向パターンに規制されたポリマー構造物１３ａが液晶層１３の表層（垂直配向膜１６ａ，１６ｂの表面）に形成され、当該ポリマー構造物１３ａに規制されて液晶分子が前記配向パターンに倣って配向する。本実施形態では上述したように、ポリマー構造物１３ａの表面の平均粗さを１０ｎｍ以下に制御する。
【００２３】
本実施形態では実際に、画素ピッチ２９７μｍ、画素数１０２４×７６８の液晶表示装置を作製した。
一方の基板（ＴＦＴ基板）上にＴＦＴ素子、データバスライン、ゲートバスライン及び配向規制用の微細なスリットが形成されてなる画素電極を形成した。他方の基板（ＣＦ基板）には、カラーフィルター及び共通電極を形成した。基板材料には板厚０．７ｍｍのガラス基板ＯＡ−２（日本電気硝子製）を用いた。これらの基板上に、印刷法を用いて垂直配向膜（ポリイミド材料）を形成し、１８０℃で６０分の熱処理を行った。これらの基板を径４μｍのスペーサ（積水ファインケミカル製）を介して貼り合わせ、空セルを作製した。そして、平均分子量３５０の光量合性ジアクリレートモノマー０．３ｗｔ％と光重合開始剤であるDAROCUR1173（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ株式会社製）０，０１ｗｔ％を混合し、この空セルに注入した。その後、液晶層にＤＣ５Ｖの電圧印加しながらＵＶを４Ｊ／ｃｍ²照射することにより液晶配向制御用のポリマー構造物を形成した。このとき、ポリマー構造物の表面の平均粗さは６ｎｍであった。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態の液晶表示装置の製造方法によれば、表示に焼き付け等の不都合を生ぜしめることなく簡易且つ確実に表示特性を向上させ、信頼性の高い液晶表示を実現することが可能となる。
【００２５】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００２６】
（付記１）第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有する第２の基板とが、配向膜及び液晶層を介して対向配置されてなる液晶表示装置であって、
前記液晶層は、液晶中に当該液晶分子を所定方向に配向させるためのポリマー構造物が形成されており、
前記ポリマー構造物の表面の平均粗さが１０ｎｍ以下とされ、焼き付き率が６％以下とされていることを特徴とする液晶表示装置。
【００２７】
（付記２）前記第１の電極に、所定の配向パターンの規制を行うためのスリットが形成されていることを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００２８】
（付記３）前記ポリマー構造物は、前記液晶に混入されたモノマーが光照射又は熱処理により重合して形成されてなるものであることを特徴とする付記１又は２に記載の液晶表示装置。
【００２９】
（付記４）第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有する第２の基板とが、配向膜及び液晶層を介して対向配置されてなる液晶表示装置の製造方法であって、
液晶分子を所定方向に配向させるためのモノマーを混入した液晶からなる前記液晶層を前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持した状態で、前記基板間に電圧を印加しながら、前記モノマーを重合させて所定の配向パターンのポリマー構造物を形成し、液晶分子を前記ポリマー構造物により配向規制するに際して、
前記ポリマー構造物の表面の平均粗さを１０ｎｍ以下とし、焼き付き率を６％以下に制御することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【００３０】
（付記５）前記第１の電極に、前記配向パターンの規制を行うためのスリットが形成されていることを特徴とする付記４に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００３１】
（付記６）光照射又は熱処理により、前記モノマーを重合させて前記ポリマー構造物を形成することを特徴とする付記４又は５に記載の液晶表示装置の製造方法。
（付記７）前記液晶層の前記液晶分子の初期配向がほぼ垂直であることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、表示に焼き付け等の不都合を生ぜしめることなく簡易且つ確実に表示特性を向上させ、信頼性の高い液晶表示を実現する液晶表示装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面の平均粗さの定義を示す模式図である。
【図２】ＴＦＴ基板側にスリットを有する画素電極上のポリマー構造物の様子を示す顕微鏡写真（ＡＦＭ像）である。
【図３】ポリマー構造物の表面の平均粗さと焼き付き率との関係を示す特性図である。
【図４】本実施形態の液晶表示装置の主要構成を示す断面図である。
【図５】配向パターンを形成する微細なスリットが形成された画素電極の一部を示す平面図である。
【図６】液晶層形成時の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１１，１２ 透明ガラス基板
１３ 液晶層
１３ａ ポリマー構造物
１４ 絶縁層
１５ 画素電極
１５ａ 微細なスリット
１６ａ，１６ｂ 配向膜
１７ カラーフィルター
１８ 共通電極
１９，２０ 偏光子
２１ データバスライン

Claims (6)

1. 第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有する第２の基板とが、配向膜及び液晶層を介して対向配置されてなる液晶表示装置であって、
   前記液晶層は、液晶中に当該液晶分子を所定方向に配向させるためのポリマー構造物が形成されており、
   前記ポリマー構造物の表面の平均粗さが１０ｎｍ以下とされ、焼き付き率が６％以下とされていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１の電極に、所定の配向パターンの規制を行うためのスリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記ポリマー構造物は、前記液晶に混入されたモノマーが光照射又は熱処理により重合して形成されてなるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶層の前記液晶分子の初期配向がほぼ垂直であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
5. 第１の電極を有する第１の基板と、第２の電極を有する第２の基板とが、配向膜及び液晶層を介して対向配置されてなる液晶表示装置の製造方法であって、
   液晶分子を所定方向に配向させるためのモノマーを混入した液晶からなる前記液晶層を前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持した状態で、前記基板間に電圧を印加しながら、前記モノマーを重合させて所定の配向パターンのポリマー構造物を形成し、液晶分子を前記ポリマー構造物により配向規制するに際して、
   前記ポリマー構造物の表面の平均粗さを１０ｎｍ以下とし、焼き付き率を６％以下に制御することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
6. 前記第１の電極に、前記配向パターンの規制を行うためのスリットが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置の製造方法。

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