JP4037690B2 - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明基板等により液晶層を挟持してなる液晶表示装置及びその製造方法に関し、特に高表示品質の液晶表示パネルに適用して好適である。
【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】
しかしながら、ＴＮモードの液晶表示装置は勿論のこと、ＭＶＡ方式の場合でも、液晶材料を垂直配向（水平配向）させるため、ポリイミド等を材料として配向膜を形成することが必須である。配向膜を形成するには、印刷工程、焼成工程、洗浄工程等を要し、製造プロセスの低減化やコスト削減を妨げる主要な原因の１つとなっている。
【０００５】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、配向膜を単独で設けることなく液晶分子の垂直配向や水平配向等の配向規制を実現し、製造工程及び製造コスト、材料の削減を図るも、高い表示特性を実現する液晶表示装置及びそ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、液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、前記配向規制層は、液晶中に添加された添加混入物により形成されており、前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγ AB 、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγ AC 、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγ BC としたとき、
（γ AB −γ AC ）／γ BC ＞−１
を満たし、前記配向規制層は、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する前記添加混入物により複数の層に形成されている。
【０００８】
本発明の液晶表示装置の他の態様は、液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、前記配向規制層は、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する添加混入物により複数の層に形成されている。
【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。
本発明者は、従来の配向膜と同等の機能を当該配向膜を塗布形成することなく得るという発想に基づき、液晶中に当該液晶分子を所定方向に配向規制することを可能とする添加混入物を添加し、この液晶を用いて液晶層を形成することに想到した。これにより、従来では液晶表示装置で必須とされていた配向膜を単独で塗布形成することなく、実質的に従来の配向膜と同等の機能を有する配向規制層を液晶層形成とほぼ同時に当該液晶層の表層に自動的に形成することを実現した。
【００１０】
このように、添加混入物を含む液晶を注入し、液晶層の表層に配向規制層を形成するには、液晶層の表層に添加混入物が局在するとともに、液晶支持体の表面が添加混入物で濡れ、吸着することが必要である。そこで本発明者は、上述した本発明の主旨を実際に具現化するため、液晶支持体の表面と添加混入物、液晶支持体の表面と液晶、液晶と添加混入物との関係を解析し、以下のような前記各関係間の言わば定性的な条件式を案出した。
【００１１】
液晶支持体の表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１ ・・・（１）
を満たせば、液晶に添加された添加混入物が液晶支持体の表面に吸着することを見出した。具体例として、液晶支持体が透明電極１０２であり、この透明電極１０２の表面に添加混入物２０１が吸着した様子を図１に示す。
【００１２】
更には、
（γAB−γAC）／γBC＞１ ・・・（２）
を満たせば、添加混入物は液晶支持体の表面で吸着されて拡散するため、より好適であることが判った。
【００１３】
ここで、添加混入物が２種類以上の材料からなる場合には、任意の注目すべき材料を選び、上記の条件式を適用すれば良い。
【００１４】
添加混入物の好ましい具体的性質としては、少なくとも当該添加混入物の一部が垂直配向性を有するとともに、液晶支持体の表面に対して化学結合する性質、液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質、液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質、モノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、配向規制層としてポリマー構造物を形成する性質等が考えられる。
【００１５】
−具体的な諸実施形態−
上述した本発明の基本骨子を踏まえ、具体的な諸実施形態について説明する。
以下の諸実施形態では、特に液晶層形成時における配向規制層の形成に焦点を当てて詳述する。なお、各実施形態では、液晶支持体の表面、液晶、及び添加混入物の表面エネルギー変化量は全て前記（１）式乃至は（２）式を満たしている。
【００１６】
（第１の実施形態）
図２は、本実施形態による液晶表示装置の一例を、従来の液晶表示装置との比較に基づき示す概略断面図であり、（ａ）が従来例を、（ｂ）が本実施形態を示し、共通する符号は同一構成部材を表すものとする。
【００１７】
従来の液晶表示装置では、図２（ａ）に示すように、一対のガラス基板１０１の表面にそれぞれＩＴＯからなる透明電極膜１０２が形成されており、透明電極膜１０２上には配向規制を行うための配向性構造物、ここでは例えば高さ１．５μｍ、幅１０μｍの土手状構造物１０４が形成されている。土手間隙は２５μｍとする。
【００１８】
なお、配向性構造物としては、土手状構造物１０４に加え、又はその替わりに、透明電極膜１０２に形成するスリット又は微細スリット等を利用しても良い（特願２０００−２９５２６６号、S. Kataoka et al., Digest of SID01, p. 1066(2001)、A. Tanaka et al., Digest of SID99, p. 206(1999)、A. Takeda et al., Digest of SID98, p. 1077(1998)参照）。
【００１９】
土手状構造物１０４の上には、垂直配向膜１０３が形成されている。垂直配向膜１０３間には例えば厚み約４μｍのネガ型液晶からなる液晶層１０５が挟持されており、土手状構造物１０４によりθｐ方向に液晶分子１０５ａが傾斜する。
【００２０】
これに対して、本実施形態による液晶表示装置では、図２（ｂ）に示すように、垂直配向膜１０３を有することなく、添加混入物２０１を添加した液晶を用いて液晶層１０５が形成される。この場合、液晶層１０５の表層に、効率的に安定した垂直配向を実現する配向規制層２０２が形成される。この場合、配向規制層２０２に加え、配向性構造物として土手状構造物１０４（又は前記スリット又は微細スリット等）が設けられて液晶分子のθｐ方向への配向規制がなされている。
【００２１】
本実施形態では、液晶としてはネガ型液晶を使用し、添加混入物としては例えば液晶骨格を持つ２官能性アクリレートモノマーを使用する。液晶には更に紫外線重合開始剤も添加する。液晶に紫外線を照射して添加混入物２０１が透明電極膜１０２の表面に付着すると、液晶層１０５の表層に配向規制層２０２としてポリマー構造物が形成される。付着した２官能性アクリレートモノマーは、重合によりその一部がガラス基板１０１と化学結合すると考えられる。液晶支持体の表面としては本実施形態では透明電極膜１０２となるが、ＳｉＮなどの最終保護膜、ガラス基板などが考えられる。またこの場合、モノマーの性質を変えることで水平配向も実現できる。また、垂直配向基を有する１官能性アクリレートモノマーとグラフト重合（高分子ブラシ）させることにより、安定且つ効率的な配向を実現できる。
【００２２】
図３は、紫外線照射により添加混入物を添加した液晶が垂直に配向する過程を模式的に示す概略断面図である。
添加混入物を添加した液晶３０１が封入された初期状態（図３（ａ））から、紫外線３０２の照射により、液晶分子１０５ａの配向が徐々に垂直に近づくとともに、配向規制層２０２が形成し始める（図３（ｂ））。そして、液晶分子１０５ａが垂直配向し、配向規制層２０２がほぼ均一に形成される（図３（ｃ））。
【００２３】
ここで、２官能性アクリレートモノマーの重合時に、液晶に所定の電圧を印加することにより、液晶分子の配向を更に安定化することができる。
【００２４】
また、予め液晶支持体の表面上を酸素プラズマ又はエキシマＵＶ等を用いて表面改質することにより、添加する添加混入物の吸着効果が向上する。例えば、５００Ｗの酸素プラズマ中で液晶支持体の表面を１分間処理する。
【００２５】
更に、予め液晶支持体の表面上をアルカリ性の界面活性剤などの親水処理剤で表面改質することにより、添加する添加混入物の吸着効果が向上する。代表的な界面活性剤としてはアルコノックスや他の基板洗浄剤等がある。
【００２６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、添加混入物として２官能アクリロイル基のモノマーと直鎖アルキルを持った単官能メタクリロイル基のモノマーを混合して使用する。液晶には更に紫外線重合開始剤を添加する。
【００２７】
液晶に紫外線を照射すると、図４に示すように、最初に反応性が高いアクリロイルモノマーがガラス基板１０１に吸着されて、第１の配向規制層４０１が形成される。続いて、反応性が低いメタクリロイル基の第２の配向規制層４０２が第１の配向規制層４０１上に形成される。表面に形成された直鎖アルキルによって液晶分子の垂直配向が実現できる。
【００２８】
（第３の実施形態）
本実施形態では、液晶としてはネガ型液晶を使用し、添加混入物としては直鎖アルキルを持つハロゲン化シリコンを使用する。この場合、透明導電膜上に存在するＯＨ基とハロゲンとが反応する。シランとガラス基板上の酸素とが化学結合することにより、液晶支持体の表面上に直鎖アルキルが形成され、液晶分子が垂直配向する。
【００２９】
（第４の実施形態）
本実施形態では、添加剤として花王株式会社の非イオン系界面活性剤である製品名レオドールＳＰ−Ｏ１０（ソルビタンモノオレート）を使用する。液晶に対してＳＰ−Ｏ１０を２ｗｔ％添加する。界面活性剤がガラス基板の表面に物理吸着して、液晶分子が垂直配向する。ＳＰ−Ｏ１０は非イオン性界面活性剤であるため、電気的特性も良好である。
【００３０】
ここで、物理吸着の場合では液晶分子の配向が比較的不安定となるため、ＮＩ（Nematic Isolotropic）点近くでアニールすることにより、配向を壊すことなく、液晶配向を安定化することができる。
【００３１】
（第５の実施形態）
本実施形態では、液晶にアクリロイル基をソルビタン等の極性基に付加した花王株式会社の製品名ＳＰ−Ｏ１０を２ｗｔ％添加する。更に、全体に対して約１ｗｔ％の光重合開始剤を添加する。紫外線の照射により、アクリロイル基同士、及びアクリロイル基と液晶支持体の表面とが化学結合する。また、液晶に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶配向に従ってモノマーが重合して配向が安定化する。
【００３２】
（第６の実施形態）
本実施形態では、液晶に添加剤として液晶骨格を持つ２官能性アクリレートモノマーを０．３ｗｔ％混合する。２官能性アクリレートモノマーに対して約２ｗｔ％の光重合開始剤を添加する。添加混入物として花王株式会社の製品名ＳＰ−Ｏ１０を２ｗｔ％添加する。添加混入物により、液晶が垂直に配向する。液晶に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶配向に沿ってアクリレート系モノマーが重合し、配向が安定化する。
【００３３】
（第７の実施形態）
本実施形態では、液晶に液晶骨格を持つ単官能性アクリレートモノマーと３つ以上の官能基を持つアクリレート系モノマーを混合する。更に全体に対して約１ｗｔ％の光重合開始剤を添加する。３官能のアクリレート系モノマーにより配向が安定化する。また、液晶に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶配向に従ってアクリレート系モノマーが重合する。
【００３４】
（第８の実施形態）
本実施形態では、側鎖としてアルキルを、主鎖として酸無水物を液晶中に添加して液晶中で重合させる。これにより、液晶分子の安定した配向が実現できる。また、液晶と相溶するアルキルを側鎖として酸無水物を主鎖とするポリマーを液晶支持体の表面に吸着させることにより、液晶分子のより安定な配向が実現できる。
【００３５】
以上説明したように、本発明の諸実施形態によれば、配向膜を単独で設けることなく液晶分子の垂直配向や水平配向等の配向規制を実現し、製造工程及び製造コスト、材料の削減を図るも、高い表示特性を実現することが可能となる。
【００３６】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００３７】
（付記１）液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、
前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、
前記配向規制層は、液晶中に添加された添加混入物により形成されることを特徴とする液晶表示装置。
【００３８】
（付記２）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００３９】
（付記３）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４０】
（付記４）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質を有することを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４１】
（付記５）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着する性質を有する非イオン系界面活性剤であることを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４２】
（付記６）前記添加混入物はモノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記配向規制層としてポリマー構造物を形成するものであることを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４３】
（付記７）前記添加混入物は２種以上の材料からなり、少なくとも一種が垂直配向性を有することを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４４】
（付記８）前記添加混入物は、反応性の異なる２種以上の官能基を有するものであることを特徴とする付記６に記載の液晶表示装置。
【００４５】
（付記９）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１
を満たすことを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４６】
（付記１０）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞１
を満たすことを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４７】
（付記１１）前記液晶支持体の表面に、前記液晶層の液晶分子を配向規制するための配向性構造物が更に設けられていることを特徴とする付記１〜１０のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４８】
（付記１２）前記液晶層がネガ型液晶からなり、電圧の無印加時には液晶分子が垂直配向していることを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４９】
（付記１３）液晶支持体により液晶層を支持し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規制する性質を有する添加混入物を添加してなる液晶を前記液晶支持体に対して注入し、前記液晶支持体の表層に前記添加混入物からなる配向規制層を有する前記液晶層を形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【００５０】
（付記１４）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５１】
（付記１５）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５２】
（付記１６）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質を有することを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５３】
（付記１７）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着する性質を有する非イオン系界面活性剤であることを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５４】
（付記１８）前記添加混入物はモノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記配向規制層としてポリマー構造物を形成するものであることを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５５】
（付記１９）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１
を満たすことを特徴とする付記１３〜１８のいずれか１項に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５６】
（付記２０）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞１
を満たすことを特徴とする付記１３〜１８のいずれか１項に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、配向膜を単独で設けることなく液晶分子の垂直配向や水平配向等の配向規制を実現し、製造工程及び製造コスト、材料の削減を図るも、高い表示特性を得ることを可能とする液晶表示装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置において、液晶に添加された添加混入物が液晶支持体の表面に吸着した様子を示す模式図である。
【図２】本発明による液晶表示装置の一例を、従来の液晶表示装置との比較に基づき示す概略断面図である。
【図３】紫外線照射により添加混入物を添加した液晶が垂直に配向する過程を模式的に示す概略断面図である。
【図４】第２の実施形態において、２種の配向規制層がガラス基板の表面に形成された様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ ガラス基板
１０２ 透明電極膜
１０３ 垂直配向膜
１０４ 土手状構造物
１０５ 液晶層
１０５ａ 液晶分子
２０１ 添加混入物
２０２ 配向規制層
３０１ 添加混入物を添加した液晶
３０２ 紫外線
４０１ 第１の配向規制層
４０２ 第２の配向規制層
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明基板等により液晶層を挟持してなる液晶表示装置及びその製造方法に関し、特に高表示品質の液晶表示パネルに適用して好適である。
【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】
しかしながら、ＴＮモードの液晶表示装置は勿論のこと、ＭＶＡ方式の場合でも、液晶材料を垂直配向（水平配向）させるため、ポリイミド等を材料として配向膜を形成することが必須である。配向膜を形成するには、印刷工程、焼成工程、洗浄工程等を要し、製造プロセスの低減化やコスト削減を妨げる主要な原因の１つとなっている。
【０００５】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、配向膜を単独で設けることなく液晶分子の垂直配向や水平配向等の配向規制を実現し、製造工程及び製造コスト、材料の削減を図るも、高い表示特性を実現する液晶表示装置及びそ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、液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、前記配向規制層は、液晶中に添加された添加混入物により形成されており、前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγ AB 、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγ AC 、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγ BC としたとき、
（γ AB −γ AC ）／γ BC ＞−１
を満たし、前記配向規制層は、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する前記添加混入物により複数の層に形成されている。
【０００８】
本発明の液晶表示装置の他の態様は、液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、前記配向規制層は、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する添加混入物により複数の層に形成されている。
【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。
本発明者は、従来の配向膜と同等の機能を当該配向膜を塗布形成することなく得るという発想に基づき、液晶中に当該液晶分子を所定方向に配向規制することを可能とする添加混入物を添加し、この液晶を用いて液晶層を形成することに想到した。これにより、従来では液晶表示装置で必須とされていた配向膜を単独で塗布形成することなく、実質的に従来の配向膜と同等の機能を有する配向規制層を液晶層形成とほぼ同時に当該液晶層の表層に自動的に形成することを実現した。
【００１０】
このように、添加混入物を含む液晶を注入し、液晶層の表層に配向規制層を形成するには、液晶層の表層に添加混入物が局在するとともに、液晶支持体の表面が添加混入物で濡れ、吸着することが必要である。そこで本発明者は、上述した本発明の主旨を実際に具現化するため、液晶支持体の表面と添加混入物、液晶支持体の表面と液晶、液晶と添加混入物との関係を解析し、以下のような前記各関係間の言わば定性的な条件式を案出した。
【００１１】
液晶支持体の表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１ ・・・（１）
を満たせば、液晶に添加された添加混入物が液晶支持体の表面に吸着することを見出した。具体例として、液晶支持体が透明電極１０２であり、この透明電極１０２の表面に添加混入物２０１が吸着した様子を図１に示す。
【００１２】
更には、
（γAB−γAC）／γBC＞１ ・・・（２）
を満たせば、添加混入物は液晶支持体の表面で吸着されて拡散するため、より好適であることが判った。
【００１３】
ここで、添加混入物が２種類以上の材料からなる場合には、任意の注目すべき材料を選び、上記の条件式を適用すれば良い。
【００１４】
添加混入物の好ましい具体的性質としては、少なくとも当該添加混入物の一部が垂直配向性を有するとともに、液晶支持体の表面に対して化学結合する性質、液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質、液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質、モノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、配向規制層としてポリマー構造物を形成する性質等が考えられる。
【００１５】
−具体的な諸実施形態−
上述した本発明の基本骨子を踏まえ、具体的な諸実施形態について説明する。
以下の諸実施形態では、特に液晶層形成時における配向規制層の形成に焦点を当てて詳述する。なお、各実施形態では、液晶支持体の表面、液晶、及び添加混入物の表面エネルギー変化量は全て前記（１）式乃至は（２）式を満たしている。
【００１６】
（第１の実施形態）
図２は、本実施形態による液晶表示装置の一例を、従来の液晶表示装置との比較に基づき示す概略断面図であり、（ａ）が従来例を、（ｂ）が本実施形態を示し、共通する符号は同一構成部材を表すものとする。
【００１７】
従来の液晶表示装置では、図２（ａ）に示すように、一対のガラス基板１０１の表面にそれぞれＩＴＯからなる透明電極膜１０２が形成されており、透明電極膜１０２上には配向規制を行うための配向性構造物、ここでは例えば高さ１．５μｍ、幅１０μｍの土手状構造物１０４が形成されている。土手間隙は２５μｍとする。
【００１８】
なお、配向性構造物としては、土手状構造物１０４に加え、又はその替わりに、透明電極膜１０２に形成するスリット又は微細スリット等を利用しても良い（特願２０００−２９５２６６号、S. Kataoka et al., Digest of SID01, p. 1066(2001)、A. Tanaka et al., Digest of SID99, p. 206(1999)、A. Takeda et al., Digest of SID98, p. 1077(1998)参照）。
【００１９】
土手状構造物１０４の上には、垂直配向膜１０３が形成されている。垂直配向膜１０３間には例えば厚み約４μｍのネガ型液晶からなる液晶層１０５が挟持されており、土手状構造物１０４によりθｐ方向に液晶分子１０５ａが傾斜する。
【００２０】
これに対して、本実施形態による液晶表示装置では、図２（ｂ）に示すように、垂直配向膜１０３を有することなく、添加混入物２０１を添加した液晶を用いて液晶層１０５が形成される。この場合、液晶層１０５の表層に、効率的に安定した垂直配向を実現する配向規制層２０２が形成される。この場合、配向規制層２０２に加え、配向性構造物として土手状構造物１０４（又は前記スリット又は微細スリット等）が設けられて液晶分子のθｐ方向への配向規制がなされている。
【００２１】
本実施形態では、液晶としてはネガ型液晶を使用し、添加混入物としては例えば液晶骨格を持つ２官能性アクリレートモノマーを使用する。液晶には更に紫外線重合開始剤も添加する。液晶に紫外線を照射して添加混入物２０１が透明電極膜１０２の表面に付着すると、液晶層１０５の表層に配向規制層２０２としてポリマー構造物が形成される。付着した２官能性アクリレートモノマーは、重合によりその一部がガラス基板１０１と化学結合すると考えられる。液晶支持体の表面としては本実施形態では透明電極膜１０２となるが、ＳｉＮなどの最終保護膜、ガラス基板などが考えられる。またこの場合、モノマーの性質を変えることで水平配向も実現できる。また、垂直配向基を有する１官能性アクリレートモノマーとグラフト重合（高分子ブラシ）させることにより、安定且つ効率的な配向を実現できる。
【００２２】
図３は、紫外線照射により添加混入物を添加した液晶が垂直に配向する過程を模式的に示す概略断面図である。
添加混入物を添加した液晶３０１が封入された初期状態（図３（ａ））から、紫外線３０２の照射により、液晶分子１０５ａの配向が徐々に垂直に近づくとともに、配向規制層２０２が形成し始める（図３（ｂ））。そして、液晶分子１０５ａが垂直配向し、配向規制層２０２がほぼ均一に形成される（図３（ｃ））。
【００２３】
ここで、２官能性アクリレートモノマーの重合時に、液晶に所定の電圧を印加することにより、液晶分子の配向を更に安定化することができる。
【００２４】
また、予め液晶支持体の表面上を酸素プラズマ又はエキシマＵＶ等を用いて表面改質することにより、添加する添加混入物の吸着効果が向上する。例えば、５００Ｗの酸素プラズマ中で液晶支持体の表面を１分間処理する。
【００２５】
更に、予め液晶支持体の表面上をアルカリ性の界面活性剤などの親水処理剤で表面改質することにより、添加する添加混入物の吸着効果が向上する。代表的な界面活性剤としてはアルコノックスや他の基板洗浄剤等がある。
【００２６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、添加混入物として２官能アクリロイル基のモノマーと直鎖アルキルを持った単官能メタクリロイル基のモノマーを混合して使用する。液晶には更に紫外線重合開始剤を添加する。
【００２７】
液晶に紫外線を照射すると、図４に示すように、最初に反応性が高いアクリロイルモノマーがガラス基板１０１に吸着されて、第１の配向規制層４０１が形成される。続いて、反応性が低いメタクリロイル基の第２の配向規制層４０２が第１の配向規制層４０１上に形成される。表面に形成された直鎖アルキルによって液晶分子の垂直配向が実現できる。
【００２８】
（第３の実施形態）
本実施形態では、液晶としてはネガ型液晶を使用し、添加混入物としては直鎖アルキルを持つハロゲン化シリコンを使用する。この場合、透明導電膜上に存在するＯＨ基とハロゲンとが反応する。シランとガラス基板上の酸素とが化学結合することにより、液晶支持体の表面上に直鎖アルキルが形成され、液晶分子が垂直配向する。
【００２９】
（第４の実施形態）
本実施形態では、添加剤として花王株式会社の非イオン系界面活性剤である製品名レオドールＳＰ−Ｏ１０（ソルビタンモノオレート）を使用する。液晶に対してＳＰ−Ｏ１０を２ｗｔ％添加する。界面活性剤がガラス基板の表面に物理吸着して、液晶分子が垂直配向する。ＳＰ−Ｏ１０は非イオン性界面活性剤であるため、電気的特性も良好である。
【００３０】
ここで、物理吸着の場合では液晶分子の配向が比較的不安定となるため、ＮＩ（Nematic Isolotropic）点近くでアニールすることにより、配向を壊すことなく、液晶配向を安定化することができる。
【００３１】
（第５の実施形態）
本実施形態では、液晶にアクリロイル基をソルビタン等の極性基に付加した花王株式会社の製品名ＳＰ−Ｏ１０を２ｗｔ％添加する。更に、全体に対して約１ｗｔ％の光重合開始剤を添加する。紫外線の照射により、アクリロイル基同士、及びアクリロイル基と液晶支持体の表面とが化学結合する。また、液晶に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶配向に従ってモノマーが重合して配向が安定化する。
【００３２】
（第６の実施形態）
本実施形態では、液晶に添加剤として液晶骨格を持つ２官能性アクリレートモノマーを０．３ｗｔ％混合する。２官能性アクリレートモノマーに対して約２ｗｔ％の光重合開始剤を添加する。添加混入物として花王株式会社の製品名ＳＰ−Ｏ１０を２ｗｔ％添加する。添加混入物により、液晶が垂直に配向する。液晶に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶配向に沿ってアクリレート系モノマーが重合し、配向が安定化する。
【００３３】
（第７の実施形態）
本実施形態では、液晶に液晶骨格を持つ単官能性アクリレートモノマーと３つ以上の官能基を持つアクリレート系モノマーを混合する。更に全体に対して約１ｗｔ％の光重合開始剤を添加する。３官能のアクリレート系モノマーにより配向が安定化する。また、液晶に電圧を印加しながら紫外線を照射することにより、液晶配向に従ってアクリレート系モノマーが重合する。
【００３４】
（第８の実施形態）
本実施形態では、側鎖としてアルキルを、主鎖として酸無水物を液晶中に添加して液晶中で重合させる。これにより、液晶分子の安定した配向が実現できる。また、液晶と相溶するアルキルを側鎖として酸無水物を主鎖とするポリマーを液晶支持体の表面に吸着させることにより、液晶分子のより安定な配向が実現できる。
【００３５】
以上説明したように、本発明の諸実施形態によれば、配向膜を単独で設けることなく液晶分子の垂直配向や水平配向等の配向規制を実現し、製造工程及び製造コスト、材料の削減を図るも、高い表示特性を実現することが可能となる。
【００３６】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００３７】
（付記１）液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、
前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、
前記配向規制層は、液晶中に添加された添加混入物により形成されることを特徴とする液晶表示装置。
【００３８】
（付記２）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００３９】
（付記３）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４０】
（付記４）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質を有することを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４１】
（付記５）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着する性質を有する非イオン系界面活性剤であることを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４２】
（付記６）前記添加混入物はモノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記配向規制層としてポリマー構造物を形成するものであることを特徴とする付記１に記載の液晶表示装置。
【００４３】
（付記７）前記添加混入物は２種以上の材料からなり、少なくとも一種が垂直配向性を有することを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４４】
（付記８）前記添加混入物は、反応性の異なる２種以上の官能基を有するものであることを特徴とする付記６に記載の液晶表示装置。
【００４５】
（付記９）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１
を満たすことを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４６】
（付記１０）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞１
を満たすことを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４７】
（付記１１）前記液晶支持体の表面に、前記液晶層の液晶分子を配向規制するための配向性構造物が更に設けられていることを特徴とする付記１〜１０のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４８】
（付記１２）前記液晶層がネガ型液晶からなり、電圧の無印加時には液晶分子が垂直配向していることを特徴とする付記１〜１１のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
【００４９】
（付記１３）液晶支持体により液晶層を支持し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規制する性質を有する添加混入物を添加してなる液晶を前記液晶支持体に対して注入し、前記液晶支持体の表層に前記添加混入物からなる配向規制層を有する前記液晶層を形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
【００５０】
（付記１４）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５１】
（付記１５）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５２】
（付記１６）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質を有することを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５３】
（付記１７）前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着する性質を有する非イオン系界面活性剤であることを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５４】
（付記１８）前記添加混入物はモノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記配向規制層としてポリマー構造物を形成するものであることを特徴とする付記１３に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５５】
（付記１９）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１
を満たすことを特徴とする付記１３〜１８のいずれか１項に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５６】
（付記２０）前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞１
を満たすことを特徴とする付記１３〜１８のいずれか１項に記載の液晶表示装置の製造方法。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、配向膜を単独で設けることなく液晶分子の垂直配向や水平配向等の配向規制を実現し、製造工程及び製造コスト、材料の削減を図るも、高い表示特性を得ることを可能とする液晶表示装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置において、液晶に添加された添加混入物が液晶支持体の表面に吸着した様子を示す模式図である。
【図２】本発明による液晶表示装置の一例を、従来の液晶表示装置との比較に基づき示す概略断面図である。
【図３】紫外線照射により添加混入物を添加した液晶が垂直に配向する過程を模式的に示す概略断面図である。
【図４】第２の実施形態において、２種の配向規制層がガラス基板の表面に形成された様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１０１ ガラス基板
１０２ 透明電極膜
１０３ 垂直配向膜
１０４ 土手状構造物
１０５ 液晶層
１０５ａ 液晶分子
２０１ 添加混入物
２０２ 配向規制層
３０１ 添加混入物を添加した液晶
３０２ 紫外線
４０１ 第１の配向規制層
４０２ 第２の配向規制層
Claims (12)
- 液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、
前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、
前記配向規制層は、液晶中に添加された添加混入物により形成されており、
前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１
を満たし、
前記配向規制層は、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する前記添加混入物により複数の層に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
すことを特徴とする液晶表示装置。 - （γAB−γAC）／γBC＞１
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。 - 前記添加混入物は、２官能性アクリレートモノマーと１官能性アクリレートモノマーであり、
前記配向規制層は、２官能性アクリレートモノマーと１官能性アクリレートモノマーとの共重合により形成されてい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。 - 液晶支持体により液晶層を支持してなる液晶表示装置であって、
前記液晶層の液晶分子を所定方向に配向規制する配向規制層が前記液晶支持体の表層に形成されており、
前記配向規制層は、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する添加混入物により複数の層に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。 - 前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
- 前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記表面に対して化学結合する性質を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
- 前記添加混入物は、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、当該添加混入物同士が化学結合する性質を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
- 前記添加混入物はモノマー材を含み、前記液晶支持体の表面に対して物理吸着した後、前記配向規制層としてポリマー構造物を形成するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
- 液晶支持体により液晶層を支持し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規制する性質を有する添加混入物を添加してなる液晶を前記液晶支持体に対して注入し、
前記液晶支持体の表面を表面Ａ、前記液晶層の液晶を液晶Ｂ、前記添加混入物を添加混入物Ｃとして、
表面Ａが液晶Ｂに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAB、表面Ａが添加混入物Ｃに濡れるときの表面エネルギー変化量をγAC、液晶Ｂが添加混入物Ｃと接触するときの表面エネルギー変化量をγBCとしたとき、
（γAB−γAC）／γBC＞−１
を満たすように、前記液晶支持体の表層に前記添加混入物からなる配向規制層を有する前記液晶層を形成し、
前記配向規制層を、液晶中に添加された、反応性の異なる複数の官能基を有する前記添 加混入物により複数の層に形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。 - （γAB−γAC）／γBC＞１
を満たすことを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置の製造方法。 - 前記添加混入物は、２官能性アクリレートモノマーと１官能性アクリレートモノマーであり、
前記配向規制層は、２官能性アクリレートモノマーと１官能性アクリレートモノマーとの共重合により形成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の液晶表示装置の製造方法。 - 液晶支持体により液晶層を支持し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規制する性質を有する、反応性の異なる複数の官能基を有する添加混入物を添加してなる液晶を前記液晶支持体に対して注入し、前記液晶支持体の表層に前記添加混入物からなる複数の層が積層されてなる配向規制層を有する前記液晶層を形成することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
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