JP4744801B2 - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は液晶表示装置および液晶表示装置の製造方法に関する。特に電圧無印加時に液晶分子が垂直配向している状態を利用する液晶表示装置とその製造方法に関する。
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基板面に水平に、か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。しかし、このTNモードは視野角特性が悪いという問題を有しており、視野角特性を改善すべく種々の検討が行われている。
これに代わる方式としては、負の誘電率異方性を持つ液晶材料を垂直配向させ、かつ基板表面に設けた突起や電極の抜き(スリット)により電圧印加時の液晶分子の傾斜方向を規制するMVA(Multi−domain Vertical Alignment)方式が開発され、視野角特性を大幅に改善することに成功している。
MVA方式の液晶パネルを図1−A,Bおよび図2を例にして説明する。図1−A,1−BはMVA方式の液晶表示装置の液晶パネルにおける液晶分子の配向を示す模式的斜視図であり、図2はMVA方式の液晶表示装置の液晶パネルにおける液晶分子の配向方向を示す模式的平面図である。
このMVA方式の液晶表示装置の液晶パネルでは、2枚のガラス基板の間にある誘電率異方性が負の液晶分子1が、電圧無印加時には、図1−Aに示すように垂直配向されている。一方のガラス基板2には、TFT(thin film transistor、図示されていない)に接続された画素電極が形成されており、他方のガラス基板3には対向電極が形成されている。そして、画素電極上および対向電極上に、それぞれ凹凸部4が交互に形成されている。
TFTがオフ状態の場合、すなわち電圧無印加時には、図1−Aに示すように、液晶分子は基板界面と垂直な方向に配向されている。そして、TFTをオン状態にした場合、すなわち電圧印加時には、電界の影響により液晶分子が水平方向に傾斜するとともに、凹凸部の構造によって液晶分子1の傾斜方向が規制される。これにより液晶分子は図1−Bに示すように、一画素内において複数の方向に配向する。たとえば、図2のように凹凸部4が形成されている場合には、液晶分子1はA、B、CやDの方向にそれぞれ配向する。このようにMVA方式の液晶表示装置では、TFTをON状態にした際に液晶分子が複数の方向に配向されるので、良好な視野角特性を得ることができる。
上記MVA方式は、配向制御膜が液晶分子の傾斜方向を規制する訳ではない。従って、TNを代表とする水平配向方式では必ずといっていいほど必要である、ラビングに代表される配向処理工程を必要としない。これは、プロセス的にはラビングによる静電気やゴミの問題を無くし、配向処理後の洗浄工程も不要である。また、配向的にもプレティルトのバラツキによるムラの問題等も無く、プロセスの簡便化、歩留まりの向上により、低コスト化が可能という利点もある。
しかしながら、このMVA方式においても配向制御膜自体の設置は必要であり、配向制御膜印刷時の膜厚むらによる液晶パネルの品質低下、異物の混入などによる歩留まりの低下、設備やプロセスの複雑さ、設備費、部材費の上昇やタクト時間の延長など印刷工程に伴うコストアップは避けられない。また、液晶層に液晶配向を規定する硬化樹脂等のポリマーを共存させる技術(たとえば特許文献1参照。)も知られているが、この技術を組み合わせても、配向制御膜を使用しないで済む水準にまでは至っていない。
さらに、液晶パネル用基板のマザーガラスにおいては、超大型化が急速に進んでいるが、配向制御膜印刷装置自体の対応が困難な情勢である。
また、配向制御膜印刷装置を使用することから、薄型、柔軟なフィルム状の基板の取扱が容易ではなく、形状が平面に限られるという限界もある。
特開平11−95221号公報(特許請求の範囲)
本明細書に開示された種々の態様は、上記問題を解決し、いままで必要不可欠であると思われていた基板張り合わせ前の配向制御膜の形成工程を省略できる技術を提供することを目的としている。
本明細書に開示された種々の態様のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
態様によれば、2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行う液晶表示装置の製造方法が提供される。
第一の条件の紫外線照射の前または、第一の条件の紫外線照射と第二の条件の紫外線照射との間に、重合速度が第一の条件より小さい第三の条件の紫外線照射を行うこと、紫外線照射の重合速度に関する条件が、紫外線波長または紫外線強度または温度またはそれらの組み合わせにより定められることが好ましい。
の一態様によれば、2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、紫外線照射の途中に、液晶分子の分子運動を活性化する処理を含む液晶表示装置の製造方法が提供される。
活性化処理が、液晶分子の液晶状態から等方性状態への相転移点近傍まで液晶層を加熱することであることが好ましい。
らに他の態様によれば、2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、紫外線照射の途中に、液晶層を変形する処理を含む液晶表示装置の製造方法や、液晶組成物が、次式(1)
Figure 0004744801
(ここで、Xはアクリレート基またはメタクリレート基であり、Rは炭素原子数1〜18のアルキル基またはアルコキシ基またはそれらの基に含まれる一部の炭素原子または水素原子を別の原子または分子で置換した基であり、aは0または1であり、mは0〜2の整数である)の構造を有する化合物を含む液晶表示装置の製造方法が提供される。後者の場合、a=0であることやm=0であることが好ましい。
上記の各態様は、それらの趣旨に反しない限り、組み合わせて実施することができる。
上記の各態様およびその組み合わせにおいては、液晶組成物が、次式(2)
Figure 0004744801
(ここで、Yはアクリレート基またはメタクリレート基であり、Aは置換基があってもよい芳香環、または置換基があってもよい脂環、または枝分かれがあってもよい脂肪鎖の3価の基であり、nは0または1の整数である)の構造を有する化合物を含むこと、その場合、n=0であること、基板間の距離を決めるスペーサーの相互の距離を所定以上の値に制御すること、スペーサーとして基板上に設けられた突起状の構造物を使用すること、液晶分子が負の誘電率異方性を有し、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜きにより方向を規制されながら傾斜する性質を有すること、が好ましい。
記態様により、いままで必要不可欠であると思われていた配向制御膜の省略が可能となる。
に他の一態様によれば、上記のいずれかの製造方法により作製された液晶表示装置が提供される。
の態様により、品質の向上やデザインの自由度の向上が実現される。
上記態様により印刷等による基板張り合わせ前の配向制御膜形成工程が不要となる。従って、液晶パネルの品質の向上、歩留まりの向上、設備の簡略化、プロセスの簡略化、低コスト化等多くの利益が得られる。
また、薄型、柔軟なフィルム状の基板や、形状が平面ではなく、屈曲した液晶パネルにおいても所望の配向を容易に得ることが可能となり、デザインの自由度の高い液晶表示装置を実現できる。
さらに、液晶パネル用基板のマザーガラスの超大型化にも対応が容易になる。
MVA方式液晶パネルの模式的斜視図である。 MVA方式液晶パネルの模式的斜視図である。 MVA方式液晶パネルの模式的平面図である。 本明細書に開示された種々の態様の基本原理を例示する模式図である。 本明細書に開示された種々の態様の基本原理を例示する他の模式図である。 本明細書に開示された種々の態様の基本原理を例示する他の模式図である。 黒色表示画面におけるディスクリネーションを示す図である。 黒色表示画面におけるディスクリネーションを示す他の図である。 本明細書に開示された種々の態様に係る重合性化合物を重合させて、架橋物層を液晶接触面に形成させる様子を示す模式的断面図である。 本明細書に開示された種々の態様に係る重合性化合物を重合させて、架橋物層を液晶接触面に形成させる様子を示す模式的断面図である。 本明細書に開示された種々の態様に属する重合性化合物例(a,b)の化学構造式である。 基板上に定間隔の柱状の突起物を設けた様子を示す模式図である。 柱状の突起物のスペーサの配置を示す模式図である。 表示画面における配向異常を示す図である。 表示画面における配向異常を示す他の図である。 本明細書に開示された種々の態様に属する重合性化合物例(a,b,c,d)の化学構造式である。 本明細書に開示された種々の態様に属する重合性化合物例(a,b)の化学構造式である。 グレー表示画面における配向異常を示すパネルの平面図である。 液晶パネルの模式的横断面図(部分図)である。 液晶パネルの模式的平面図(部分図)である。
以下に、上記態様の実施の形態を図、表、式、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、表、式、実施例等および説明は上記態様を例示するものであり、上記態様の範囲を制限するものではない。上記態様の趣旨に合致する限り他の実施の形態も上記態様の範疇に属し得ることは言うまでもない。図中、同一の機能については同一の符号を使用した。
上記態様に係る液晶表示装置の製造方法においては、2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して重合性化合物を重合させて硬化し、配向制御可能な紫外線硬化物を基板界面に液晶と分離形成する。紫外線を照射した後(反応後)に初めて所望の配向状態が得られるものであり、単に物理吸着しやすい物質を液晶中に添加し、配向制御をするものとは全く異なるものである。従って、基板張り合わせ前に、界面を処理し、極性を高める等の工程は不要である。逆に、注入時に組成比の均一性が損なわれるため、行わない方が望ましい。
この重合には熱を併用してもよい。重合により、液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物よりなる架橋物層(硬化物層)が基板上の液晶層と接触する面(以下、液晶接触面という)に形成される。架橋物層は、液晶層接触面に付着した架橋構造部分(付着架橋構造部分)と、当該液晶層接触面から立ちあがる末端部分(立ち上がり末端部分)とを有しており、この立ち上がり末端部分により液晶分子が垂直方向に配向させられるものと考えられている。立ち上がり末端部分としては、アルキル鎖を使用することが多い。
付着架橋構造部分を形成するために使用される重合性化合物としては、架橋可能な、2以上の重合性官能基を有する化合物を含むことが必要であるが、架橋の度合いの制御や立ち上がり部分を形成するため、架橋を起こさない、一つの重合性官能基を有する化合物を使用することも可能である。重合性官能基を有する化合物には、いわゆるモノマーやオリゴマーを含めることができる。
この液晶表示装置には、上記2枚の基板に、一対の電極が、それぞれまたは一方に配されており、電極間に電圧を印加することにより、上記液晶層の液晶分子を配向させる。重合は、通常電極間に電圧を印加しない状態で行われるが、その趣旨に反しない限り、電圧印加の状態を含んでいてもよい。
上記において、配向制御膜を使用しない場合には液晶層を基板間に形成後、液晶分子の配向を変化させたときに表示むらやコントラストの低下といった問題が生じることが多い。
これは、重合初期の液晶配向がランダム状態であるときには、硬化の初期〜途中で発生する、液晶配向の不連続なディスクリネーションと呼ばれる部分などの配向異常がそのまま残ってしまうためと考えられる。
このような配向異常は、何らかの手段により重合の途中までの段階で解消するか、もともとこのような欠陥が生じ難い液晶組成物を使用することで解決できることを見出した。具体的には、重合速度を制御したり、途中で、熱や機械的刺激により配向異常の原因となる乱れを解消することが有効である。すなわち、上記の配向異常は、液晶分子の弾性歪が他の領域よりも大きいために生じたものであり、何らかのきっかけを与えれば、他の良好な領域と連続するように液晶分子が再配向されるものと思われる。
このような配向異常を重合の途中の段階までに解消する方法としては、第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行う液晶表示装置の製造方法が挙げられる。
図3−A,B,Cに基本原理を例示する。重合性化合物の重合方法として、液晶組成物5を挟持した状態(図3−A)の後、図3−Bに示すように、まず、第一の条件の紫外線照射により所望の厚さの第一の架橋物層31を液晶接触面に形成させ、その後、図3−Cに示すように、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射により、所望の厚さの第二の架橋物層32を液晶接触面に形成させる。
このようにすると、第一の条件の紫外線照射では、比較的緩やかな重合のため、配向異常の発生を抑えることができ、その後は重合速度を上げても問題なく、配向異常のない、あるいは抑制された液晶層を得ることが可能となる。従って、紫外線照射の工程を多段階とすることにより、生産性の低下を抑えて、最良な配向状態を得ることが可能となる。生産性の低下を抑えるには、第二の条件の紫外線照射では310nm近辺の低波長成分の割合を多くすることが好ましい。ただし、液晶自身のダメージによる特性劣化が発生するため、この低波長成分の紫外線強度は1mW/cm2以下であることが望ましい。
第二の条件の紫外線照射の重合速度を第一の条件の紫外線照射の重合速度よりどの程度大きくするかは、実情に応じて定めることができる。例えば、2倍以上にすることが好ましい。
重合速度の条件は、重合性化合物が重合に取り込まれていく速度で判断することができる。従って、重合反応中における液晶組成物中の重合性化合物の残存量から定めることができるが、架橋物層の厚さを測定することによってもよい。具体的には、使用する紫外線波長または紫外線強度または温度またはそれらの組み合わせにより定めることができる。ここで、温度は、紫外線照射の際の液晶組成物の温度を意味するが、この温度を直接制御する必要はなく、その環境温度を制御してもよい。
第一の条件の紫外線照射の終点や、第二の条件の紫外線照射の終点は、作製される液晶層の品質や生産性を見て任意に定めることができる。上記の例では架橋物層の厚さを目安としたが、液晶組成物中の重合性化合物の残存量から定めてもよく、一旦最適の条件を確立した後は、所定の重合時間を目安にすることもできる。第一の条件の終点を液晶分子の配向状態を見て決める方法も実際的である。
なお、上記第一の条件の紫外線照射は、典型的には、重合開始から行われるが、そのような条件は必ずしも必須ではなく、何らかの事情で重合の途中から行うことも考えられる。また、第二の条件の紫外線照射は、上記第一の条件の紫外線照射後引き続いて直ちに行われることが必須の要件ではなく、その間に他の条件が介在していてもよい。また、紫外線照射における第一の条件は一定である必要はない。第二の条件についても同様である。例えば、重合速度が漸増するように条件を変化させてもよい。この場合には、どこまでが第一の条件であるか区別しがたくなるが、この照射の趣旨は、そのような区別を要するものではない。上記した第一の条件の紫外線照射と第二の条件の紫外線照射とをこの順に行うことが重要である。
第一の条件の紫外線照射と第二の条件の紫外線照射とは、いずれも複数回行うことができる。たとえば、第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射と、重合速度が第二の条件の紫外線照射より大きい第三の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行う場合である。また、第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より小さい第三の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行う場合である。後者の場合には、最初に付着架橋構造部分を比較的急速に作製し、次の、より緩やかな重合により配向異常の発生を抑えることにより、その後は重合速度を上げても問題なく、配向異常のない、あるいは抑制された液晶層を得ることができるようにするものである。このようにすると重合時間の短縮が図れる。
この場合に、第三の条件の紫外線照射の重合速度を第一の条件の紫外線照射の重合速度よりどの程度小さくするか、第二の条件の紫外線照射の重合速度を第一の条件の紫外線照射の重合速度よりどの程度大きくするかは、実情に応じて定めることができる。
配向異常を重合の途中の段階で解消する方法としては、紫外線照射の途中に、液晶分子の分子運動を活性化する処理を含む液晶表示装置の製造方法がある。このように、たとえば熱により液晶分子の再配置を容易にすると配向異常を解消することができる。具体的には、液晶分子の液晶状態から等方性状態への相転移点近傍まで液晶層を加熱することを挙げることができる。この間紫外線照射を停止した方がよい場合が多い。
液晶分子の液晶状態から等方性状態への相転移点以上に温度を上昇させると、配向自体が乱れてしまうため好ましくない。具体的には実験により定めることができるが、相転移点未満で相転移点−5℃までの範囲が好ましいことが多い。ただし、液晶分子の粘性が低い場合には、相転移点−10℃までの範囲でも効果が見られる。
配向異常を重合の途中の段階で解消する方法としては、紫外線照射の途中に、当該液晶層を変形する処理を含む液晶表示装置の製造方法もある。具体的には、液晶パネルに外力を加え、基板を撓ませることが有効である。
なお、上記の配向異常は、基板間に存在するスペーサを核として発生するものがほとんどである。この様子を図4−Aに模式的に示す。図4−Aは、表示画面における配向異常(ディスクリネーション)が、丸印で示されたスペーサー間で起こっている様子が、黒地の表示に対し白線で示されている。
この配向異常の発生を検討したところ、距離の短いスペーサ間を繋いで発生したものほど、その状態が安定であり、消滅させ難いことが判明した。たとえば、図4−Bは、図4−Aのパネルよりもスペーサ散布密度を低くして作製したパネルの配向状態を示したものである。この図より、距離の短いスペーサ間を繋いで発生した白線が残存し易いことが理解される。
従って、スペーサの相互の距離を所定以上の値に制御することも、配向異常の発生を構造面から抑制するために有効である。この所定の距離は、採用する液晶組成物等の液晶パネルの製造条件により左右されるため一概に決めることはできないが、図4−A,Bにおけるように配向異常の発生を観察することにより実験的に定めることができる。
この具体的な手段としては、ビーズの散布によるのではなく、基板上に設けられた突起状の構造物を使用することが好ましい。例えば、図7におけるように一定間隔の柱状の突起物71を、例えば印刷技術を使用して、一方の基板上に設ける方法が考えられる。
なお、これまでは、何らかの手段により配向異常を重合の途中までの段階で解消する方法について説明したが、適切な重合性化合物の選択によっても、この問題を克服できる。
図5−A,Bに、重合性化合物を重合させて、架橋物層を液晶接触面に形成させる様子を示す。まず、液晶分子と樹脂組成物とを含む未硬化の液晶組成物の注入直後には図5−Aに示すように、重合性化合物51と液晶分子1とは、液晶層接触面8に対し水平配向状態にある。液晶層接触面8の表面には何も形成されていない。
なお、本明細書に開示された種々の態様において液晶層接触面というときは、必ずしも単なる基板の面を意味するものではなく、実際に液晶層が接する層の面を意味する。たとえば、フィルタ層を介して基板と液晶層とが積層し、実際には液晶層が基板の表面ではなくフィルタの表面に接する場合には、本明細書に開示された種々の態様における液晶層接触面は液晶分子と接するフィルタ面を意味する。フィルタ面がたとえば親水化加工してあればその加工面を意味する。
この状態で、たとえば紫外線を照射することにより、図5−Bに示すように付着架橋構造部分52が膜状に形成され、そこから立ち上がり末端部分53が立ち上がる構造になる。
この様子を更に他の模式図で示すと、図13,14のように表わせる。図13は液晶層接触面を横から見た断面図、図14は上から見た平面図である。図13から、付着架橋構造部分52が液晶層接触面8に付着している様子と立ち上がり末端部分53が立ち上がっている様子が、図14から、付着架橋構造部分52が絡み合って網目状構造を形成して液晶層接触面8に付着している様子が見られる。
付着架橋構造部分52が実際に液晶層接触面に付着していることは、液晶層接触面を取り出し、洗浄等を行った後、その表面を分析することで容易に確認することができる。また、立ち上がり末端部分53が実際に立ち上がっていることは、液晶分子1が垂直配向を示す事実で容易に確認することができる。このようにして、たとえば電圧無印加時に液晶分子1を垂直配向させることが可能となる。
この構成による配向は、従来からある高分子分散液晶(PDLC)と呼ばれるものとは異なり、液晶層全体に渡って液晶分子の配向を可能とするためのポリマーを形成するものではなく、液晶層接触面に形成された薄膜状の付着架橋構造部分52と立ち上がり末端部分53との協同作用により配向制御を行うものと考えることができる。なお、薄膜状の付着架橋構造部分52は、通常、二つの液晶層接触面のいずれにも生じる。
このような構造において、良好な液晶分子の配向は、立ち上がり末端部分53の液晶分子の配向を制御する能力が高いことと、付着架橋構造部分52が強固に液晶層接触面上に層を形成することによって達成される。後者は、重合性化合物中における二重合性官能以上の化合物の割合が高い方が有利である。
しかしながら、立ち上がり末端部分53として、上記したように通常のアルキル鎖を利用するだけでは、液晶分子を垂直配向させる能力(垂直配向規制力)がそれほど高くはなく、この結果、立ち上がり末端部分53を形成するための単重合性官能基を有する化合物の重合性化合物中における割合を増大させる必要性が生じるが、このような対策をとると、付着架橋構造部分52を形成するための、2以上の重合性官能基を有する化合物の割合が減少し、付着架橋構造部分52が強固に液晶層接触面上に層を形成する能力が低下することになる。また、液晶層中における未反応物の残存率が上昇し、電圧保持率などの電気的特性が低下する。
逆に、重合性化合物中における2以上の重合性官能基を有する化合物の割合を増加させる観点から見ると、液晶層接触面上に強固な付着架橋構造部分の層を形成できると共に、液晶層中における未反応物の残存率が低下するため、電圧保持率などの電気的特性が向上する。しかしながら、あるレベルを超えて2以上の重合性官能基を有する化合物の割合を大きくしていくと、従来のアルキル鎖では垂直配向規制力が全く不足することになる。このような事情から、従来のアルキル鎖を利用するだけでは超えがたい問題がある。アルキル基をC12(ラウリル)〜C18(ステアリル)まで変えても配向に違いはほとんど見られない。これは、単純なアルキルでは屈曲性が高く、鎖長を長くしていった場合であっても垂直配向性への寄与が低いためであると考えられる。
検討の結果、立ち上がり末端部分53を形成するための単重合性官能基を有する化合物として、直鎖のアルキル鎖の間に環構造を導入したものを使用すると、垂直配向規制力を向上させることが可能であることを見出した。
さらに具体的には、次式(1)、
Figure 0004744801
(ここで、Xはアクリレート基またはメタクリレート基であり、Rは炭素原子数1〜18のアルキル基またはアルコキシ基、またはそれらの基に含まれる一部の炭素原子または水素原子を別の原子または分子で置換した基であり、aは0または1であり、mは0〜2の整数である)の構造を有する化合物を使用することが好ましい。
このとき、分子量を下げるという点からはa=0の方が好ましく、またm=0とすることで、反応基Xとベンゼン環とが近接する。a=0でm=0とすれば、反応基Xとベンゼン環とが直結した構造を取ることもできる。
このベンゼン環と反応基Xとが直結した構造が、光に対する反応性という点では一番好ましいが、液晶分子との相溶性や重合性化合物の揮発性とのバランスを取る必要がある。上記のベンゼン環を付与した構造は、ベンゼン環が無い構造より重合性化合物の揮発性が小さく、注入装置の真空チャンバー内等を汚染させることが無いなど工程管理が容易になるという面でも有利である。すなわち、垂直配向規制力と相溶性、揮発性の全てにおいてバランスの取れた材料を実現することが可能となる。
なお、電圧保持率の変化や残留DCの経時変化等を小さく抑えて液晶表示装置としての信頼性を保つためには、液晶組成物内に不純物イオンを放出しないようにすることが必要不可欠であるが、そのためには、環構造を少なくとも一つ有し、末端にアクリレート基またはメタクリレート基を有する二重合性官能以上の化合物を液晶組成物中に含有させることが有効である。この場合には、更に、重合開始剤を添加することなく、残存モノマーの少ない樹脂膜の形成が可能となる。
検討の結果、その中でも、次式(2)
Figure 0004744801
(ここで、Yはアクリレート基またはメタクリレート基であり、Aは置換基があってもよい芳香環、または置換基があってもよい脂環、または枝分かれがあってもよい脂肪鎖の3価の基であり、nは0または1の整数である)の構造を有する化合物が好ましいことが判明した。なお、この式の二つのnは同一の値でなくともよい。
ここで、反応性の点からは、環構造とアクリレート基またはメタクリレート基との間に他の結合が存在しない方(n=0)が好ましい。また、存在したとしても、メチレン基(−CH2−)一つ(n=1)程度が好ましい。
記種々の態様およびその組み合わせにより、配向制御膜形成工程が不要となる。従って、液晶パネルの品質の向上、歩留まりの向上、設備の簡略化、プロセスの簡略化、低コスト化等多くの利益が得られる。また、薄型、柔軟なフィルム状の基板や、形状が平面ではなく、屈曲した液晶パネルにおいても所望の配向を容易に得ることが可能となる。さらに、液晶パネル用基板のマザーガラスの超大型化にも対応が容易になる。
また、上記の製造方法により製造された液晶表示装置は、より品質が向上し、信頼性の高いものとなる。さらに、薄型、柔軟なフィルム状の基板や、形状が平面ではなく、屈曲した液晶パネルを有するものや、超大型化されたものとすることができ、デザインの自由度が向上する。
なお、本明細書に開示された種々の態様において使用できる液晶としては、その趣旨に反しない限り、公知のどのようなものでも使用することができ、駆動方法により、誘電率異方性が負の液晶のみならず、正の誘電率異方性を有する液晶も使用できることは言うまでもないが、負の誘電率異方性を有し、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜き(スリット)により方向を規制されながら傾斜する性質を有するものが好ましい。
また、重合性化合物は、本明細書に開示された種々の態様の趣旨に反しない限り、上記の式1,2で述べた化合物以外に、公知のどのようなものでも使用することができる。一般的には、モノマーやオリゴマーと呼ばれるものの中から選択できる。たとえば、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等のアクリレート基、メタクリレート基やエポキシ基、ビニル基、アリル基などの重合性官能基を持つ化合物を例示することができる。
重合性化合物は、一成分からなっていても、複数の成分からなっていてもよい。一般的には、上記したように、架橋性成分を含むものが好ましい。架橋性成分としては、アクリレート基、メタクリレート基、エポキシ基、ビニル基、アリル基等の重合性二重結合を一分子中に複数個有し、紫外線照射等の光や熱により他の分子と重合可能である構造部分を有するものを例示することができる。
に実施例および参考例を詳述するが、本明細書に開示された種々の態様はこれらによって限定されるものではない。なお、配向状態の観察は光学顕微鏡によって行った。配向異常の多寡は、図4−A,Bに示すような黒色表示画面における配向異常(白色の線で示される)の状態(主にその数)を目視観察することで定めた。コントラスト比は、MVA構造を適用した評価セルを用いて、5V印加時の透過率を電圧無印加時の透過率で割ったものとして求めた。実施例、参考例では、310〜365nmの範囲の波長の紫外線を使用した。
参考例1]
メルク社製の負の誘電率異方性を有する液晶Aにラウリルアクリレートを1.3×10-4モル/g溶かし、次に、本明細書に開示された種々の態様に係る重合性化合物の一つである、図6の(a)に示すような環構造を有する二重合性官能モノマーを10分の1の量に当たる1.3×10-5モル/g溶かし、その液晶組成物を評価セルに注入、封止をした。この液晶Aは、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜きにより方向を規制されながら傾斜する性質を有する。
評価セルにはITO(インジウム錫酸化物)を電極として形成したガラス基板2枚を用い、セル厚4.25μmとなるように張り合わせ、MVA構造を適用した評価セルを作製した。基板には配向制御膜は形成しなかった。
(a) 上記の構造において、無偏光の紫外線を1mW/cm2で9000mJ/cm2照射したものと10mW/cm2で9000mJ/cm2照射したものとについて、配向状態の観察を行った。その結果、いずれの評価セルにおいても垂直配向を得ることができたが、前者の方が、後者よりも配向異常(垂直配向では無い部分、白線で示される)の領域が少なく、コントラストが高かった。また、等方相まで加熱し、徐冷したときの配向状態の比較においても、後者は多くの配向異常領域が残った。
(b) 上記の構造において、無偏光の紫外線を1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した(前記第一の条件の紫外線照射に該当)後、配向状態を観察したところ、既にほぼ垂直配向が実現されていた。その後、紫外線強度を10mW/cm2に変更し7500mJ/cm2照射し(前記第二の条件の紫外線照射に該当)、合計9000mJ/cm2となるようにした。その結果、1mW/cm2で9000mJ/cm2照射した場合と同程度に配向異常(垂直配向では無い)の領域が少なく、コントラストが高い配向安定性を実現すると共に、所要時間を1/5(2時間半から約32分)と大幅に短縮することができた。
しかし、配向異常の白線が程度の差はあるが、上記の全ての条件において発生していた。
図6の(a)に示す二重合性官能モノマーに代えて、図6の(b)に示す二重合性官能モノマーを使用した場合も同様の結果を得た。
参考例2]
参考例1の(b)において、1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した(第一工程:前記第一の条件の紫外線照射に該当)後、評価セルを、液晶分子の液晶状態から等方性状態への相転移点(N−I点)の約2℃下まで加熱した。その結果、それまで発生していた配向異常の白線を、ほとんど解消することができた。この工程の後に、紫外線強度を10mW/cm2で7500mJ/cm2追加照射し(第二工程:前記第二の条件の紫外線照射に該当)、再度配向状態の観察を行った。その結果、追加照射前に僅かに残っていた白線も消え、シール近傍以外はほとんど完全な垂直配向を実現することができた。特に白線の残り易い傾向の強いシール近傍には参考例1と同様に最後まで白線が残っていた。シール近傍に白線が残りやすい理由は、シール剤からイオン等が漏出することに起因するのではないかと考えられている。
表1に参考例1と参考例2における評価セルの特性とポリマー形成に必要な時間をまとめて示す。参考例2で示した加熱工程を適用することで、大幅な特性の向上と時間の短縮が両立できていることが理解される。
Figure 0004744801
参考例3]
参考例1の(b)において、1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した(第一工程:前記第一の条件の紫外線照射に該当)後、参考例2で行った加熱の代わりに、パネルを偏光板貼付用のラミネータ装置に通し、押圧を加えた。その結果、参考例2で行った加熱の工程とほぼ同等の効果を得ることができた。紫外線強度を10mW/cm2で7500mJ/cm2追加照射した(第二工程:前記第二の条件の紫外線照射に該当)後の結果もほぼ同様であった。
参考例4]
両側の基板に、図7に示すように、シプレイ社製レジストLC−200を用いて高さ約2μmの突起を形成し、それぞれの突起が重なり合うように基板を張り合わせ、セル厚約4μmの評価セルを作製した。そこに、参考例1と同様の液晶組成物を評価セルに注入、封止をした。
次に、無偏光の紫外線を1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した後、紫外線強度を10mW/cm2に変更し7500mJ/cm2照射し、合計9000mJ/cm2となるようにした。配向異常の多寡の評価では、白線の無い良好な配向が得られた。
参考例5]
図8に示すような配置でCF側に4μmの突起を形成した柱スペーサのパネルと、従来通り、平均粒径4μmのビーズスペーサを撒いたパネルとを実パネルで試作し、配向状態の試作を行った。図8中、R,G,Bはそれぞれ、赤、緑、黄色の画素を表している。試作では、MVAモードの17インチワイド(1280×768ドット)TFTパネルを作製したが、液晶や液晶組成物は参考例1と同様のものを用いた。
(a) 無偏光の紫外線を1mW/cm2で9000mJ/cm2照射した結果、両パネルとも、垂直配向になるものの、配向異常の多寡の評価では白線が多数発生した。ただし、前者の方はMVA構造のスリットに沿うような白線が発生していただけなのに対し、後者は図4−Aに示すようなスペーサを繋ぐ白線が加わって発生していたため、図9−Aに示すように、全体に暗状態が白っちゃけた感じになっていた。
(b) 無偏光の紫外線を1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した後、ラミネータで液晶パネルを押圧し、その後に10mW/cm2で7500mJ/cm2照射し、合計9000mJ/cm2となるようにした。その結果、配向異常の多寡の評価では、前者の柱スペーサのパネルでは、図9−Bに示すように、シール近傍に白線が僅かに残ったものの、ほとんど白線の無いパネルを実現できた。しかし、後者のビーズスペーサのパネルにおいては、パネル全体に渡って白線が存在していた。
参考例6]
メルク社製の負の誘電率異方性を有する液晶Aにラウリルアクリレートの代わりに、図10の(a)に示すような、式(1)の構造を有する化合物である単重合性官能モノマーを1.3×10-4モル/g溶かし、次に、図6の(a)に示すような環構造を有する二重合性官能モノマーを10分の1の量に当たる1.3×10-5モル/g溶かし、その液晶組成物を用いて、参考例5と同様にMVAモードの17インチワイド(1280×768ドット)TFTパネルを作製した。
無偏光の紫外線を1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した後、照射条件を10mW/cm2に切り替え7500mJ/cm2照射し、合計9000mJ/cm2となるようにした。その結果、ラミネータで液晶パネルを押圧することなく、配向異常の多寡の評価では、図9−Bよりもさらに良好な配向状態が得られた。
図10の(a)に示す単重合性官能モノマーに代えて、図10の(b)〜(d)に示す単重合性官能モノマーを使用した場合も、それぞれ同様の結果を得た。
次に、ラウリルアクリレートおよび図10の(a),(b),(c)に示すアクリレートモノマーをそれぞれ1.3×10-4モル/g溶かした液晶組成物0.6mgを瓶に採取し、5時間真空引きを行った前後のモノマーの残存率(重量%)をガスクロマトグラフィーにより測定し、求めた。その結果を表2に示す。分子量がほとんど変わらないものでも大幅に揮発性を改善することが確認された。
Figure 0004744801
参考例7]
メルク社製の負の誘電率異方性を有する液晶Aにラウリルアクリレートの代わりに図10の(a)に示すような単重合性官能モノマーを1.3×10-4モル/g溶かし、次に、図11の(a)に示すような、式(2)の構造を有する化合物である、環構造を有する二重合性官能モノマーを10分の1の量に当たる1.3×10-5モル/g溶かし、その液晶組成物を用いて、参考例5と同様にMVAモードの17インチワイド(1280×768ドット)TFTパネルを作製した。
無偏光の紫外線を1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した後、照射条件を10mW/cm2に切り替え7500mJ/cm2照射し、合計9000mJ/cm2となるようにした。その結果、配向異常の多寡の評価では、ラミネータで液晶パネルを押圧することなく、完全に白線の無い、極めて良好な配向状態が得られた。
図11の(a)に示す二重合性官能モノマーに代えて、図11の(b)に示す二重合性官能モノマーを使用した場合も同様の結果を得た。
[実施例
参考例7に示したパネルにおいて、グレーの中間調表示を行ったところ、図12に示すような「ハの字」状のムラが発生した。このむらは、液晶組成物の注入側121とは反対側の反注入側122近傍に発生するところから、液晶接触面にある何らかの異物が液晶組成物の注入により押し流され高濃度化したことによる保持率低下に起因するものと考えられている。
液晶材料をメルク社製の、負の誘電率異方性を有する高電圧保持率液晶Bに変更したところ、ムラを改善することができた。
次に、照射強度1mW/cm2で1500mJ/cm2照射した(第一工程:前記第一の条件の紫外線照射に該当)後に、パネルユニットのバックライトに、偏光板を挟まずに直接TFT側から光が当たるように設置し、2時間光を当て続けた(新規第三工程:前記第三の条件の紫外線照射に該当)。その後、照射強度10mW/cm2で7500mJ/cm2照射した(第二工程:前記第二の条件の紫外線照射に該当)結果、従来の液晶材料Aを用いても、「ハの字」ムラは発生せず、完全に改善することができた。モノマーの反応がより進み、未反応物の残存率が低下すると共に、より密な膜として重合化合物が形成されるためと考えている。
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した種々の態様が導き出せる。
(付記1)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行う
液晶表示装置の製造方法。
(付記2)
第一の条件の紫外線照射の前または、第一の条件の紫外線照射と第二の条件の紫外線照射との間に、重合速度が第一の条件より小さい第三の条件の紫外線照射を行う、付記1に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記3)
前記紫外線照射の重合速度に関する条件が、紫外線波長または紫外線強度または温度またはそれらの組み合わせにより定められる、付記1または2に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記4)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
当該紫外線照射の途中に、液晶分子の分子運動を活性化する処理を含む
液晶表示装置の製造方法。
(付記5)
前記活性化処理が、前記液晶分子の液晶状態から等方性状態への相転移点近傍まで液晶層を加熱することである、付記4に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記6)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
当該紫外線照射の途中に、当該液晶層を変形する処理を含む
液晶表示装置の製造方法。
(付記7)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
当該液晶組成物が、次式(1)
Figure 0004744801
(ここで、Xはアクリレート基またはメタクリレート基であり、Rは炭素原子数1〜18のアルキル基またはアルコキシ基またはそれらの基に含まれる一部の炭素原子または水素原子を別の原子または分子で置換した基であり、aは0または1であり、mは0〜2の整数である)
の構造を有する化合物を含む、
液晶表示装置の製造方法。
(付記8)
a=0である、付記7に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記9)
m=0である、付記7または8に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記10)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行う
付記4〜9のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記11)
第一の条件の紫外線照射の前または、第一の条件の紫外線照射と第二の条件の紫外線照射との間に、重合速度が第一の条件より小さい第三の条件の紫外線照射を行う、付記10に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記12)
前記紫外線照射の重合速度に関する条件が、紫外線波長または紫外線強度または温度またはそれらの組み合わせにより定められる、付記10または11に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記13)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
当該紫外線照射の途中に、液晶分子の分子運動を活性化する処理を含む、
付記6〜9のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記14)
前記活性化処理が、前記液晶分子の液晶状態から等方性状態への相転移点近傍まで液晶層を加熱することである、付記13に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記15)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
当該紫外線照射の途中に、当該液晶層を変形する処理を含む、
付記7〜9のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記16)
2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置の製造方法において、
当該液晶組成物が、次式(2)
Figure 0004744801
(ここで、Yはアクリレート基またはメタクリレート基であり、Aは置換基があってもよい芳香環、または置換基があってもよい脂環、または枝分かれがあってもよい脂肪鎖の3価の基であり、nは0または1の整数である)
の構造を有する化合物を含む、
付記1〜15のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記17)
n=0である、付記16に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記18)
前記基板間の距離を決めるスペーサーの相互の距離を所定以上の値に制御する、付記1〜17のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記19)
前記スペーサーとして基板上に設けられた突起状の構造物を使用する、付記18に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記20)
前記液晶分子が負の誘電率異方性を有し、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜きにより方向を規制されながら傾斜する性質を有する、付記1〜19のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記21)
付記1〜20のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法により作製された液晶表示装置。
1 液晶分子
2 ガラス基板
3 ガラス基板
4 凹凸部
5 液晶組成物
8 液晶層接触面
31 第一の架橋物層
32 第二の架橋物層
51 重合性化合物
52 付着架橋構造部分
53 立ち上がり末端部分
71 柱状の突起物

Claims (2)

  1. 2枚の基板間に、液晶分子と、光または光と熱の組み合わせにより重合し、当該液晶分子を垂直方向に配向させ得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後、紫外線を照射して当該重合性化合物を重合させ、液晶層を形成する液晶表示装置であって配向制御膜を有さない液晶表示装置の製造方法において、
    第一の条件の紫外線照射と、重合速度が第一の条件の紫外線照射より大きい第二の条件の紫外線照射とを、この順に組み合わせて行い、
    第一の条件の紫外線照射の前または、第一の条件の紫外線照射と第二の条件の紫外線照射との間に、重合速度が第一の条件より小さい第三の条件の紫外線照射を行う、
    液晶表示装置の製造方法。
  2. 前記基板間の距離を決めるスペーサーとして基板上に設けられた突起状の構造物を使用し、突起状の構造物相互の距離を一旦定め、次いで、当該突起状の構造物相互の距離を増大させて、距離を増大する前に比べてディスクリネーションを減少させるようにすることを含む、請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法。
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