CN1332386A - 液晶显示装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

MVA方式的液晶显示装置,目的在于提高与开关操作时的液晶分子的电场对应的响应特性。使具有与倾斜或弯曲变形的液晶分子对应的液晶骨架的光固化性组成物产生的光固化物的浓度为0.3至3wt%,在与基板倾斜的状态下形成液晶骨架,使液晶分子的平均倾斜角收容在液晶骨架的极角和基板界面附近的液晶分子的预倾斜角形成的范围内。

Description

液晶显示装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及利用在基板表面设置的突起结构物或透明象素电极的冲压(隙缝)来控制液晶分子的取向方向的MVA方式的液晶显示装置，和使用由具有液晶骨架的光固化性组成物形成的光固化物来规定液晶分子的取向方向的液晶显示装置。
背景技术
液晶显示装置除了用于笔记薄型个人计算机或携带信息终端这样的移动用途以外，根据节省空间、节省能量这样的社会需要而被用作台式计算机和电视机等。液晶显示装置的性能与CRT监视器的性能相比，正在推进接近CRT监视器性能的开发。
CRT监视器利用荧光体的发光，所以角度依赖性小，视角宽。另一方面，液晶显示装置电控制来自光源的光透过液晶层时的液晶排列方向，改变透过率来显示图像，但即使满足与画面垂直方向的对比度，如果从斜方向看，对比度仍小或产生色反向，视角依赖性大。
例如，作为使用有源矩阵的液晶显示器(LCD)，正广泛地使用将具有正的介电常数各向异性的液晶材料配置在基板面上，使得在水平、并且对置的基板之间可90度扭曲取向的扭曲向列(TN)模式的液晶显示装置。该TN模式LCD的最大缺点是视角窄。正在进行改善该视角特性的各种研究。
例如，通过将一个象素分割成多区域，在各区域使取向方向分散，来扩大作为一个象素整体的视角的MVA(Multi-domain VerticalAlignment)方式等。
图3是MVA方式液晶显示装置的概念图。21和22是上部和下部的玻璃基板，61和62是各基板上设置的突起状构造物，5是液晶分子。另外，图中未示出，但构成透明电极、取向膜、薄膜晶体管(TFT)、相位差膜等。
在两块玻璃基板之间封入介电常数各向异性为负的液晶材料后，液晶分子因取向膜的限制力而大致垂直取向。在一个玻璃基板上形成被连接到TFT的象素电极，在另一玻璃基板侧上形成共用电极。然后，在象素电极上和共用电极上形成相互不同的各自突起状构造物。
在TFT为OFF状态的情况下，突起上构造物的间隙区域的液晶分子沿与基板界面大致垂直的方向取向，突起状构造物附近的液晶分子沿在斜面上垂直的方向取向。
在TFT为ON状态的情况下，液晶上施加电场，在基板上从垂直的方向倒塌，但通过突起状构造物的倾斜，被限制在最初倒塌的液晶分子的倒塌方向，其倾斜传播到间隙区域的液晶分子。
图4表示MVA方式的液晶显示装置的一个象素内的液晶分子的倾斜方向的图。61和62是上下基板中设置的突起构造物，7是下部基板上设置的象素电极。一个象素被分割成红、绿、蓝的三个纵长的区域。突起状构造物61和62在一个象素内使方向弯曲90度。
在该构造例中，上下基板中设置的突起状构造物的间隙领域被分割成A、B、C和D四个区域，各区域中的液晶分子的取向方向相互相差90度。这样，在MVA方式的液晶显示装置中，在使TFT为ON状态时，液晶分子取向在多个方向上，所以视角扩大。
MVA方式的液晶显示装置的问题在于，中间色调的响应比较慢。MVA方式的情况下，通过在基板表面上设置的突起构造物或缝隙来规定液晶分子的倾斜取向，所以液晶分子的开关动作以从构造物附近向间隙部的液晶分子的倾斜取向传播这样的过程来进行。
图5表示具有负的介电常数各向异性的液晶分子的倾斜传播的状况。图中的6是突起构造物，其他与图3一样。在图的上部，表示初始的液晶分子的取向状态。图的下部表示在21和22上施加台阶状电压后经过一定时间后的状态。
最初，突起构造物附近的液晶分子受电压变化的影响而倒塌角变大。受该变化影响，不靠近突起构造物的倾斜的液晶分子的附近处的液晶分子倒塌，依次倾斜传播。实线表示其最终状态的倾斜状态。虚线是施加电压小的中色调，因电场产生的限制力小，所以至完成对整个区域的液晶分子的传播需要长时间。这成为MVA方式的中色调的响应慢的最大原因。
发明内容
本发明的目的在于提供在全色调中显示高速的响应特性的液晶显示装置，特别是在MVA方式的液晶显示装置中，通过使开关动作时的液晶分子的倾斜取向在整个显示区域中同时倾斜，来提高液晶分子对电场的响应性。
本发明的原理示于图1。在图中，1表示玻璃基板，2表示电极，3表示取向膜，51表示所有液晶分子的平均长轴方向，52和53表示在第1和第2玻璃基板的表面附近被取向控制膜限制的液晶分子的长轴方向，54表示液晶骨架的平均极角方向。在仅受取向膜的限制力的情况下，平均的所有液晶分子取向在将两个预倾斜角平均的方向上。
但是，通过添加液晶骨架，来形成取向膜的限制力和液晶骨架的限制力，使液晶分子倾斜。此时的液晶分子在用斜线所示的不施加电压时的范围内倾斜。该倾斜的大小可以通过液晶骨架与液晶的比例、液晶骨架的倾斜角的大小来任意地改变。
此时，由于在液晶分子中存在向液晶骨架的取向方向倾斜的力，所以与只有研磨等界面倾斜取向的状态相比，可进行高速开关。
但是，在对液晶分子的液晶骨架的引力过强的情况下，液晶分子与液晶骨架取向在同一方向上，结果对施加电压时的倾斜的束缚增大，反而使特性(对比度等)下降。
即，在液晶骨架的极角方向与玻璃基板形成的平均倾斜角为α，上下界面中的液晶分子的一个预倾斜角为β1，另一个为β2时，该液晶分子在不施加电压时的平均倾斜角为θ
(1)在液晶分子的介电常数各向异性为负的情况下，满足
α＜θ＜(β1＋β2)/2
(2)在液晶分子的介电常数各向异性为正的情况下，满足
(β1＋β2)/2＜θ＜α
根据(介电常数各向异性为负的情况下，用图1的不施加电压时用斜线示出范围)视角特性、响应特性，驱动时的液晶层的变形主要利用喷射或扭曲的模式是极其重要的。
此外，此时，液晶层中的具有液晶骨架的光固化性组成物的光固化物的浓度为0.3至3wt％，并且对液晶层施加阈值电压以上的电压，在液晶层变形的状态下一边照射光一边使液晶骨架的倾斜角固定，期望(3)在液晶分子的介电常数各向异性为负的情况下，满足
(β1＋β2)/2－θ＜θ－α
(4)在液晶分子的介电常数各向异性为正的情况下，满足
θ－(β1＋β2)/2＜α－θ来进行液晶分子和液晶骨架的取向。即使具有(介电常数各向异性为负的情况下，用图1的电压施加时用斜线示出范围)液晶骨架的光固化性组成物的光固化物的浓度为从0.3至3wt％中，但最好为从1.0至2.0wt％。
再有，本发明不仅在基板界面而且对液晶层的整体实现初始倾斜的赋予，并且可控制任意的倾斜角，所以即使对于实施研磨等取向控制的方式，也可以获得改善效果。
本发明人发现因全面同时倾斜造成的大幅度响应速度的高速化可这样实现：在使液晶骨架相对于基板倾斜的状态下来形成液晶层中具有液晶骨架的光固化性组成物的光固化物。
在方案1的液晶显示装置中，在向列液晶层中添加0.3至3wt％的具有液晶骨架的光固化性组成物，在使液晶骨架向一定方向倾斜的状态下进行光重合来形成光固化物，将液晶层的变形限定为喷射变形或扭曲变形。
在本发明的方案1中，由于液晶骨架在其附近的液晶分子中产生规定的取向倾斜角，所以在显示信号电压施加到液晶层时，取向在整个面上同时一致，响应速度提高。
在方案2的液晶显示装置中，作为用于构成MVA方式的液晶显示装置的对置基板的结构，具有在至少一个基板的表面上形成突起状构造物或切缝(缝隙)的透明象素电极，在至少一个基板面上有使液晶分子的长轴方向对该基板面大致垂直取向的取向控制层，此外，至少一个取向控制层不进行取向处理。
在方案2的液晶显示装置中，规定用于控制方案1的液晶层的基板构造。
在方案3的液晶显示装置的制造方法中，在方案1所述的液晶层中包含的液晶分子的长轴方向规定光固化性组成物的浓度，使得作为其他参数的预倾斜角和液晶骨架的极核方向之间的关系满足以下条件。即，对液晶层施加的电压为0V时，
在该液晶分子的介电常数各向异性为负的情况下，满足
α＜θ＜(β1＋β2)/2
在该液晶分子的介电常数各向异性为正的情况下，满足
(β1＋β2)/2＜θ＜α
的关系，
而在施加电压时，
在该液晶分子的介电常数各向异性为负的情况下，满足
(β1＋β2)/2－θ＜θ－α
在该液晶分子的介电常数各向异性为正的情况下，满足
θ－(β1＋β2)/2＜α－θ
那样来决定光固化性组成物的浓度。
本发明的方案3通过规定决定光固化性组成物的浓度的条件，使得液晶骨架的倾斜角和液晶骨架的量相互依赖而将改变的液晶分子的倾斜角容纳在规定的范围内，从而提高整个表面显示区域的液晶分子的响应速度。
附图说明
图1表示本发明的液晶分子的取向方向的图。
图2表示光固化物的形成图。
图3表示MVA方式液晶显示装置的原理图。
图4表示液晶分子的倾斜方向的图。
图5表示液晶分子的倾斜传播的图。
图6表示响应速度与单体添加量依赖性的图。
图7表示对比度与单体添加量的依赖性的图。
图8表示因有无扭曲变形产生的响应速度的变化的图。
具体实施方式
如在课题中所述，为了改善MVA方式的响应速度，需要使倾斜传播上需要的时间为零，并且使整个表面显示区域同时倾斜。为了实现整个面同时倾斜，在不施加电压状态中将液晶分子相对于整个基板界面倾斜是非常有效的，但对于可适用于MVA方式的具体方法，至今仍不明白。
锐意试行的结果发现：整个表面同时倾斜造成的大幅度的响应速度的高速化，通过在使液晶骨架相对于基板倾斜的状态下来形成液晶层中具有液晶骨架的光固化性组成物的光固化物可实现。
图2表示光固化物的形成状况的图。图中的4是对液晶施加的电压所产生的电场，5是液晶分子，8是液晶单体，9是主链，10的紫外线，55是液晶骨架。将液晶和液晶单体混合，施加直至获得最大透过率的电压，在液晶中产生电场。
其结果，具有负的介电常数各向异性的液晶分子和液晶单体以某种角度倾斜。作为具有液晶骨架的光固化性组成物的液晶单体8使用紫外线10来进行光聚合、固化。其结果是主链8上连接的液晶骨架55在向一定方向倾斜的状态下被固化。该骨架是光固化物。
以下示出本发明第1实施例。在一个基板上形成包括TFT晶体管的象素电极和突起状构造物，在另一基板上形成共用电极和突起状构造物。在这两块玻璃基板之间，在メルク·ジャパン株式会社制的液晶MJ961213中添加大日本インキ株式会社制的液晶モノァクリレ一トモノマ一UCL-001-K1，注入后一边施加电压一边照射紫外线，液晶骨架在显示区域中与基板表面成大约30°的状态下制作固化的MVA屏板。
这里，在取向膜上使用JSP株式会社制的ポリァミック酸材料JALS-684，在上下基板上通过シプレィ株式会社制抗蚀剂LC200以37.5μm的间隙来设置高度1.5μm、宽度10μm的突起物构造物，单元厚度为4.0μm。
图6是以液晶骨架单体的添加量作为参数，来测定液晶分子的响应速度的图。从该曲线可知，添加量为0.3wt％时可观察到响应速度稍微改善，但为了在高电压侧也加强限制倾斜方向，需要添加量在1.0wt％左右。2.0wt％左右的值则开始饱和。
图7表示与图6测定同时测定的单体添加量与绝对透过率和对比度。在图中，实线是亮状态(施加电压5.5V)和暗状态(施加电压0V)的透过率，虚线是对比度。添加量在1.5wt％之前亮状态的透过率、对比度都保持大的值，而在2.0wt％时对比度急剧下降。此外，在3.0wt％时，液晶分子几乎取向在液晶骨架方向上，并且可看到大的散射。
液晶单体(光固化物)的浓度在0.3至1.5wt％的较低的情况下，可考虑利用于重视色调的领域，而在1.5至3.0wt％的较高情况下，可考虑利用于重视响应速度的领域.
在本发明第2实施例中，使用与实施例1相同的液晶材料、取向膜材料、单体材料，在上下取向膜上实施研磨处理，注入后一边施加电压一边照射紫外线，在显示区域中与基板面成大约30°的状态下来制作使液晶骨架固化的屏板。这里，添加量为2.0wt％，研磨形成上下基板中非平行和错开90°这两种状况。此外，单元厚度是4.0μm。结果示于图8。形成错开90°来实施研磨的屏板的响应速度变慢。
错开90°的情况是扭曲变形，而非平行的情况是喷射变形。这样，本发明的液晶层的变形除了扭曲以外，还依赖于喷射或弯曲。
在本发明第3实施例中，使用材料和突起状构造物的形成条件、单元厚度采用与实施例1相同的MVA屏板，来试作改变固化时的液晶骨架的角度和液晶分子的平均倾斜度的屏板，调查取向状态和聚合物产生的散射度。这里，液晶分子的平均倾斜角由单体的添加量来进行控制，角度的值根据不施加电压时的透过率由计算求出。
结果示于表1中。这里，β＝(β1＋β2)/2。获得良好的取向、散射状态是取向膜产生的限制角度(β)、液晶分子的倾斜角(θ)和液晶骨架的倾斜角(α)
β－θ＜θ－α
的关系成立时。如果液晶分子的倾斜角与取向膜限制角分离，接近液晶骨架的倾斜角，则取向、散射状态恶化。这是因为增加单体的添加量，则单元中形成的聚合物产生的散射增强，并且在聚合物形成时液晶分子的导向混乱。
                   【表1】
     液晶骨架、液晶分子的角度和取向、散射状态
    β     α     θ β－θ＜θ－α    取向    散射
    90     80     89     ＜     ○     ○
    90     80     88     ＜     ○     ○
    90     80     83     ＞     ×     ×
90 60 89 ＜ ○ ○
    90     60     85     ＜     △     △
    90     60     70     ＞     ×     ×
    90     30     89     ＜     ○     ○
    90     30     60     ＝     ×     ×
    90     30     40     ＞     ×     ×
(注)○：取向：良好   散射：无
    △：取向：稍差   散射：有一些
    ×：取向：差     散射：多
通过使用本发明，不仅使整个显示区域同时倾斜，还使对电场的液晶分子的响应性本身提高，可以原封不动维持良好的取向状态来实现全色调中极高速的响应特性。

Claims (3)

1.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：由透明象素电极、有源元件和取向控制膜形成的第1基板、以及对置电极和取向控制膜形成的第2基板组成的基板对；以及
包含由向列液晶分子和具有液晶骨架的光固化性组成物三维形成的光固化物的被夹在该基板对之间的液晶层；
该液晶层的变形至少是喷射变形或弯曲变形；
该光固化性组成物的浓度是0.3至3wt％。
2.如权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，所述基板对的至少一个基板有突起或电极的切缝，
该基板对的至少一个基板有使所述液晶分子的长轴方向对该基板面大致垂直取向的所述取向控制层。
3.一种制造权利要求1或2所述的液晶显示装置的制造方法，其特征在于：
在所述液晶骨架的极角方向与所述第1基板形成的角的平均值为α，该第1和第2基板的界面中的所述液晶分子的预倾斜角分别为β1和β2，该液晶分子在不施加电压时与该第1基板形成的角的平均值为θ时，决定所述光固化性组成物的浓度，使得该α、β1、β2、θ
在该液晶分子的介电常数各向异性为负的情况下，满足
α＜θ＜(β1＋β2)/2
在该液晶分子的介电常数各向异性为正的情况下，满足
(β1＋β2)/2＜θ＜α的关系，
在施加电压时，该α、β1、β2、θ
在该液晶分子的介电常数各向异性为负的情况下，满足
(β1＋β2)/2－θ＜θ－α
在该液晶分子的介电常数各向异性为正的情况下，满足
θ－(β1＋β2)/2＜α－θ的关系。
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