JP2000292792A

JP2000292792A - 液晶表示素子の製造方法

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Publication number: JP2000292792A
Application number: JP9951599A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shibata; 諭柴田; Kiyoshi Minoura; 潔箕浦; Masayuki Okamoto; 正之岡本; Seiichi Mitsui; 精一三ツ井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 1999-04-07
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】中間調表示の表示欠陥が発現しない最適なラ
ビング条件を見出し、より表示品位の高い液晶表示素子
の製造方法を提供する。【解決手段】液晶配向膜を有する液晶表示素子の製造
方法において、配向処理工程での処理面の各領域がラビ
ング布と接触する正味の時間（布当たり時間）を５〜１
０ｓｅｃの範囲に設定し、ラビング処理を行うことを
特徴とする。さらに、ラビング処理は、静電植毛で、毛
の太さが１〜２デニールであるラビング布をラビングロ
ーラーに巻き付けて行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示素子の液晶配向基板とし
て、ポリイミドなどの配向膜を透明電極基板上に塗布し
たものを用い、この基板表面上をレーヨン、ナイロン、
ポリエステルなどからなる布をローラーに貼り付けたラ
ビングマシンによって擦ることにより、均一な液晶配向
を得る方法が、ラビング法として広く用いられている
（特開昭５５−１４３５２５）。

【０００３】一般にＴＮ(Twist Nematic)型液晶表示素
子は、アクティブ素子を備えたガラス基板と透明電極を
備えたガラス基板とが対向して配置され、双方の間隙に
ネマチック液晶が注入された構造を有している。

【０００４】一方のガラス基板上には、トランジスタ等
のアクティブ素子を構成する半導体層及び絶縁層が形成
されると共に、前記半導体層に電気的に接続された配線
が表示画素の周囲を取り囲むようにしてパターン形成さ
れている。また、もう一方のガラス基板上には透明電極
が形成されている。更に、透明電極上には配向膜が形成
されている。そして、一対のガラス基板はその配向膜が
対向するように配置され、配向膜間の間隙にネマチック
液晶を注入することにより液晶層が設けられている。こ
の液晶層は液晶分子の長軸方向が配向膜により約９０゜
捻られた配向をなしており、ＴＮ型液晶素子を構成して
いる。

【０００５】通常、ネマチック液晶にカイラル剤を添加
することにより、液晶分子が捻れる方向を一方向に安定
化させている。また、上述の如く、配向膜のプレチルト
角に応じてガラス基板の近傍の液晶分子を基板に対して
若干傾斜させることにより、液晶分子が捻れる方向を一
方向に安定化させている。

【０００６】このように構成されるＴＮ型液晶表示素子
においては、透明電極に電圧を印加すると、この透明電
極間の液晶分子の配列が変化することにより、表示デー
タに対応した文字等を表示することができる。

【０００７】しかしながら、ＴＮ型液晶表示素子はアク
ティブ素子を構成する半導体層、絶縁層及び配線層を備
えているため、これらを備えていない液晶表示素子に比
べ、基板表面に凹凸が多い。このように基板表面に凹凸
が多いと液晶層の配向性が乱れるため、液晶分子がプレ
チルト角の逆方向に傾斜するリバースチルトが発生し、
更に液晶分子が逆方向に捻れるリバースツイストが発生
する。そして、このような配向不良が発生すると、液晶
層の正常配向部分と異常配向部分との間に境界（ディス
クリネーション）が形成される。

【０００８】そこで、従来のアクティブマトリックス液
晶表示素子においては、カイラルピッチ（液晶分子が外
部の影響なしに３６０゜捻れるのに必要とする距離）が
約７０〜１５０μｍである液晶を使用すると共に、配向
膜のプレチルト角を約１゜から２°にすることにより、
上述のリバースツイスト及びリバースチルト等の配向不
良の発生を防止しようとしている。上記配向不良を防ぐ
方法として、特許公報第２５５４８７５号には、ラビン
グ処理の際、ラビングローラーの直径と回転数、および
基板の移動速度で規定されるラビング密度をある範囲に
限定することで均一配向を得る方法が開示されている。

【０００９】また、ＳＴＮ（スーパー・ツイステッド・
ネマティック）型の液晶分子配向を有する液晶表示装置
（以下、ＳＴＮ型液晶表示装置）でも同様に、優れた表
示性能を得るには、チルト角を一般に６度以上に設定す
る必要がある。特開平５−１５８０４５号公報には、ラ
ビング処理された配向膜の複屈折量と臨界表面張力を制
御することにより均一な液晶配向を可能にする手法が開
示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般に、電界無印加時
及び電界印加時に、セル全体にわたって一様な液晶分子
の配向状態を得るためには、液晶分子のプレチルト角を
ある程度大きく設定することが実用上重要である。従
来、液晶分子の配向状態を得るために、直径２０μｍの
ナイロンやレーヨン、ポリエステルなどの素材の布を用
いてラビングを行っているが、ラビング布の繊維の断面
形状が大きく、液晶を封入した際ラビング筋状の表示ム
ラが生じやすいなどの問題を有する。これは、配向膜表
面がラビングすることにより傷付けられるため表面の凹
凸が大きくなり、その結果配向膜基板上の不純物が洗浄
により落ちにくくなったり、また液晶分子のプレチルト
角のばらつきが大きくなるため、わずかなラビング強度
の差で液晶分子の傾き角度が変化しやすくなったりする
ことにより起こると考えられている。

【００１１】ラビング法を用いて均一な配向を得るため
に、特許第２５５４８７５号公報ではラビングローラー
の直径と回転数、および基板の移動速度で規定されるラ
ビング密度を規定する方法が開示されているが、同じラ
ビング密度でも、均一な配向が得られる条件と配向不良
が生じる条件が複数存在する。これはラビング布の毛が
基板に接触する際の押し込み量や、ラビング回数、基板
の移動速度などを種々変更することで異なるラビング効
果を与える複数のラビング条件が存在するためである。
上記ラビング密度は扱うパラメータが非常に多いので、
製造工程管理項目として導入するためには、ラビング効
果を制御する主要なパラメータをさらに明確にする必要
がある。

【００１２】上述した従来のＴＮ型液晶表示素子では、
スイッチが切られている停止状態及び表示画素に低電圧
が印加されているＯＦＦ状態のときは配向不良が発生し
ないものの、表示画素に高電圧が印加されているＯＮ状
態には配向不良が発生する。即ち、ＯＮ状態において
は、透明電極間に高電圧が印加されているため、液晶層
の厚さ方向の中央付近に存在する液晶分子は、透明電極
に対して略垂直に配向する。

【００１３】一方、透明電極の近傍の液晶分子は配向膜
の影響により約１゜のプレチルト角をもって透明電極に
対して略平行に配向しようとする。ところが、トランジ
スタ等のアクティブ素子を駆動するための電圧が配線に
印加されているため、この配線からの電界の影響により
配線の近傍の液晶分子は中央付近の液晶分子とは異なる
方向のチルト角をもって透明電極に対して略平行に配向
し、リバースチルト及びリバースツイスト等の配向不良
が発生する。これにより、液晶層において配線近傍の液
晶分子と中央の液晶分子との間にディスクリネーション
が発生する。

【００１４】また、ＳＴＮ（スーパー・ツイステッド・
ネマティック）型の液晶分子配向を有する液晶表示装置
（以下、ＳＴＮ型液晶表示装置）の場合、優れた表示性
能を得るには、プレティルト角（液晶分子の傾き角度）
が大きく、安定していることが重要である。また、適量
のカイラル成分を含む混合液晶において、アンダーツイ
ストドメインあるいは電圧印加時にストライプドメイン
が発生せず、液晶分子が安定して配向する必要がある。

【００１５】この条件を満たすためには、配向膜に削れ
等の欠陥がないことが必要である。このようなことか
ら、従来のラビング方法を用いて配向処理をした場合に
は、プレティルト角が安定せず、同一パターン表示時の
残像、駆動周波数によるクロストーク、筋の発現といっ
たような問題が発生し、良好な表示性能を得ることがで
きない。特開平５−１５８０４５号公報において、配向
膜のラビング処理後の複屈折量と臨界表面張力を一定の
範囲に制御する方法が開示されており、液晶注入前に表
示品位を見積もることで、製造の歩留まりを向上させる
ことができるが、所望の配向効果を得るためのラビング
条件をいかにして設定するかが主要な問題である。

【００１６】さらに、ラビング法をノーマリーブラック
の垂直配向モードに適用した場合、従来のラビング法で
は中間調表示の際に、目視で確認できるレベルの細かい
スジ状の表示欠陥が生ずる問題があった。このスジ状の
表示欠陥は液晶分子のチルト角に分散があることにより
発現すると考えられており、垂直配向モードにおいて
は、水平配向モードよりもさらに分散の低いチルトの制
御が必要であることを本願発明者らは見出している。

【００１７】図５に水平配向モードについて、図６に垂
直配向モードについて、プレチルト角の変化と液晶表示
素子の明度変化の関係を示す。水平配向についてはプレ
チルト角３°、垂直配向はプレチルト角８７°の液晶表
示素子を基準にとり、それぞれプレチルト角の変化に対
して、Ｖ−Ｔ曲線の各電圧における明度の差をプロット
した。図中の角度はプレチルト角の３°（垂直配向の場
合は８７°）からの差を表している。垂直配向モードで
は、プレチルト角変化に対する明度変化が水平配向モー
ドと比較して約二倍の値を示した。即ち、垂直配向モー
ドにおいて、明度変化をある範囲内に設定するためには
水平配向モードの場合と比較して二倍の精度でプレチル
ト角を制御する必要がある。

【００１８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、液晶層において配向不良が発生することを
防止でき、ラビング筋の無いＴＮ型液晶表示素子、ＳＴ
Ｎ型液晶表示素子、垂直配向型液晶表示装置を得るため
の液晶表示素子の製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明における請求項１
記載の液晶表示素子の製造方法は、ラビング布と基板が
接触している正味の時間、即ち布当たり時間を５〜１０
ｓｅｃの範囲に設定し、ラビング処理を行うことを特徴
としている。上記布当たり時間を５ｓｅｃ〜１０ｓｅｃ
の範囲に設定する理由は、５ｓｅｃよりも短くすると十
分な配向性が得られず、１０ｓｅｃより長くすると配向
膜の剥離が発生することにより、いずれもスジ状の表示
欠陥が発生するためである。

【００２０】請求項２記載の液晶表示素子の製造方法
は、静電植毛で、毛の太さが１〜２デニールであるラビ
ング布をラビングローラーに巻き付けてラビング処理す
ることを特徴としている。上記ラビング布の毛の太さを
１〜２デニールとする理由は、１デニールよりも細くす
ると十分な配向性が得られず、２デニールよりも太くす
ると配向膜の剥離が発生することにより、いずれもスジ
状の表示欠陥が発生するためである。

【００２１】請求項３記載の液晶表示素子の製造方法
は、ラビング処理において、ラビング布の毛の基板に対
する押し込み量、即ち毛当たり量が０．２〜０．４ｍｍ
の範囲であることを特徴としている。毛当たり量を０．
２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲に設定する理由は、毛当たり
量が０．２ｍｍより小さい場合十分な配向性が得られ
ず、０．４ｍｍより大きい場合は配向膜の剥離が発生す
るため、いずれもスジ状の表示欠陥が発生するためであ
る。

【００２２】また、上記のラビング処理によって、配向
させる配向膜は垂直配向性あるいは水平配向性のどちら
の配向性を示す膜でも適用可能なことは言うまでもな
い。

【００２３】

【発明の実施の形態】ＴＮ型液晶表示素子および垂直配
向型液晶表示装置は１対のガラス基板の対向面に形成さ
れた透明電極間に電圧を印加すると、この透明電極間の
液晶分子の配列が変化することにより、印加電圧のパタ
ーンに応じた文字等を表示することができる。また、Ｔ
Ｎ型液晶表示素子はガラス基板にアクティブ素子を構成
する半導体層、絶縁層及び配線層を備えており、前記ガ
ラス基板の表面に凹凸が比較的多い。

【００２４】本発明は、プレチルト角及びその方位が均
一で、かつ安定な液晶配向を与える液晶配向膜の形成方
法であり、ガラス基板の表面に凹凸が多くても、また前
記配線層等の電界が前記液晶層に影響しても、液晶分子
の捻れ方向を従来に比して安定化させることができる。
このため、前記液晶層にリバースチルト及びリバースツ
イスト等の配向不良が発生することを防止でき、前記液
晶層にディスクリネーションが発生することを防止でき
る。従って、ＴＮ型液晶表示素子にラビング筋、焼付現
象及び残像現象等の不都合が発生することはなく、文字
等を鮮明に表示することができる。また、特に垂直配向
型液晶表示素子においてはラビング筋が発生せずに良好
な表示特性を示す。

【００２５】以下、実施形態により本発明を詳細に説明
する。◆ ＜実施形態１＞図１に示すように、透明なガラスやプラ
スチックからなる基板１、９の表面にＩＴＯ（Ｉｎｄｉ
ｕｍ Tｉｎ Oｘｉｄｅ）からなる所定形状の電極２、
８を６００Åの厚みに形成し、その上にＳｉＯ₂からな
る絶縁層３、７を３００Åの厚みに形成し、さらにその
上にポリイミド系の配向処理剤からなる配向層（ポリイ
ミド）４、６を６００Åの厚みに形成した。配向層４、
６の表面を図２のラビングマシンを用い、基布から先端
までの毛足の長さが１．１５ｍｍでパイルの太さが１デ
ニールのレーヨン製のラビング布でこする（ラビング）
ことにより、液晶分子を所定の方向に配向させるための
配向制御方法を用いた。垂直配向膜としてはポリイミド
系ＪＡＬＳ２０４（ＪＳＲ社製）、水平配向膜としては
ポリイミド系ＡＬ４５５２（ＪＳＲ社製）を用いた。

【００２６】このような布でラビング処理された水平配
向層の基板の間にＺＬＩ−４７９２（メルク社製）から
なる液晶層を封入して、液晶表示素子を作製した。ま
た、垂直配向層の基板の間については、ＭＬＣ２０３７
（メルク社製）からなる液晶層を封入して、液晶表示素
子を作製した。

【００２７】今回は一番制御の難しい垂直配向膜につい
てより詳しく説明する。◆ラビングマシンのローラー回
転数や基板の移動速度、ラビング回数について複数条件
を振り、ラビング条件の検討を行った。また各ラビング
条件と表示品位との関係を導くため、ラビング布が基板
と接触する正味の時間、即ち布当たり時間と表示品位と
の関係に着目した。その結果を図３、図４に示す。ラビ
ング条件については、ラビングローラー半径７５ｍｍ、
毛当たり量０．３ｍｍ、ローラー回転数５０ｒ．ｐ．
ｍ．、２５０ｒ．ｐ．ｍ．、３５０ｒ．ｐ．ｍ．、５０
０ｒ．ｐ．ｍ．、基板移動速度１０ｍｍ／ｓｅｃ、３０
ｍｍ／ｓｅｃ、ラビング回数３回、６回、１０回、合計
２４条件について液晶表示素子を作製し、検討を行っ
た。

【００２８】図３のラビング密度パラメータとは、次式
で与えられる。（Yumiko Sato, Kazutoshi Sato and Ta
tsuo Uchida,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.31 (1992) pp.L579-
581）

【００２９】

【数１】ここでＬ：ラビング密度パラメータ、Ｎ：ラビング回
数、ｌ：布と基板の接触長（ｍｍ）、Ｒ：ラビングロー
ラーの中心から布の毛の先端までの距離（ｍｍ）、ｎ：
ラビングローラーの回転数（ｒ．ｐ．ｍ）、ｖ：基板の
移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）である（図２）。上記接触長
ｌは、ラビング布の毛の基板に対する押し込み量、即ち
毛当たり量と、ラビングローラーの中心から布の毛の先
端までの距離Ｒから計算される。前記毛当たり量を０．
３ｍｍに設定した理由は、実施形態３で述べる。

【００３０】図３のラビング布と基板の相対速度は、次
式で与えられる。◆

【００３１】

【数２】図３の表示品位の評価方法を以下に示す。液晶表示素子
に駆動電圧を０Ｖ〜５Ｖまで０．１Ｖ間隔で加え、目視
および偏光顕微鏡観察により表示品位を評価した。特に
中間調表示におけるラビング筋の有無を観察した。図３
で○は、中間調表示におけるラビング筋が目視では観察
されず、偏光顕微鏡下でわずかに観察される良好なレベ
ルをあらわし、△は目視ではほとんど確認できないが、
偏光顕微鏡下でははっきり観察される許容レベル、×は
目視および偏光顕微鏡下ではっきりラビング筋が確認で
きる不良レベルを表している。

【００３２】図３で、良好な表示が得られる条件（○）
が直線状に分布しているが、この直線の傾きは次式で与
えられる。

【００３３】

【数３】これはラビング布と基板が接触している正味の時間、即
ち布当たり時間を表している。この布当たり時間を５〜
１０秒に設定することにより表示欠陥のない液晶表示素
子を製造することができることを我々は鋭意検討の結果
始めて見出した。図４には布当たり時間と表示品位の関
係を示す。布当たり時間が５秒以下の条件では十分な配
向性が得られていないためラビング筋が発現し、一方布
当たり時間が１０秒を超える条件では配向膜の剥離が起
こり、同様な筋状の表示欠陥が発生することがわかっ
た。

【００３４】＜実施形態２＞毛の太さや、毛織りの方法
の異なる複数の布を用いてラビング効果を検討した結
果、ラビング処理に適した布を見出した。

【００３５】材質は、ナイロン、ビニロン、ポリエステ
ル、アクリル、レーヨン等の一般的な布を用い、毛織り
の方法として織物、静電植毛の二種類について検討した
結果、静電植毛で、毛の太さが１〜２デニールである布
がラビングに適していることが分かった。結果を表１に
示す。これを適用した液晶表示素子においては、表示ム
ラや配向欠陥のない均一で安定した配向を得ることがで
きた。

【００３６】

【表１】上記実施形態においては、垂直配向膜の例について述べ
たが、水平配向を用いたＴＮ型液晶表示装置でも同様の
効果を確認している。配向膜の材料としては上記オプト
マーＡＬ（ポリイミド）に限らず、配向膜として用いら
れている素材を適用することができる。

【００３７】＜実施形態３＞実施形態２に従い、素材が
レーヨン及びナイロンの、静電植毛で毛の太さが１デニ
ールのラビング布を用い、複数の毛当たり条件でラビン
グ効果を検討した結果、毛当たり量を０．２ｍｍ〜０．
４ｍｍの範囲に設定することにより、表示欠陥のない良
好な配向効果が得られることが本検討により見出され
た。毛当たり量が０．２ｍｍより小さい場合十分な配向
性が得られず、０．４ｍｍより大きい場合は配向膜の剥
離が発生したため、いずれもスジ状の表示欠陥が発生し
た。結果を表２に示す。

【００３８】

【表２】＜実施形態４＞ＳＴＮ型液晶表示装置の製造方法を説明
する。まず、透明基板としてはガラス基板あるいはプラ
スチック基板を用意する。続いて、各透明基板上にＩＴ
Ｏ膜を６００Å〜２５００Åの膜厚で形成する。そし
て、このＩＴＯ膜をフォトエッチングにより所望の電極
形状にパターン化して、透明電極を得る。

【００３９】次に、上記透明電極が形成されたプラスチ
ック基板面上に、ポリイミドからなる配向膜を印刷法に
より形成する。本焼成後の膜厚が３００Å〜８００Åの
配向膜が得られる。なお、塗膜の形成は、印刷法以外の
方法を用いてもよく、例えば、スピンコートによって形
成してもよい。ポリイミドとしては、例えば、日産化学
製サンエバー１５０が使用できる。

【００４０】次に、上記配向膜を１４０℃〜１６０℃の
温度で、６０〜１２０分熱処理を行う。このときの雰囲
気は、窒素あるいは空気である。また、雰囲気は常圧の
みならず、加圧あるいは減圧処理してもかまわない。こ
の本焼成後の配向膜４の膜厚は、３００Å〜８００Åで
ある。

【００４１】次に、焼成後の配向膜に、上記２枚のプラ
スチック基板２を貼り合わせたときのツイスト角度が２
１０°〜２７０゜となるように、かつ、配向膜の剥離
（削れ）がないように、ラビング法を用いて配向処理す
る。この配向処理において使用するラビング布は、実施
形態１と同じく、材質がレーヨンで太さが１デニールの
静電植毛の布である。

【００４２】次に、洗浄処理を受けた２枚の透明基板の
うちの一方に、ガラス繊維、あるいは、プラスチック製
あるいはガラス製のミクロビーズ（５０〜１５０個／１
ｍｍφ、つまり、直径が１ｍｍの円当たり５０〜１５０
個）からなるギャップ保持材を散布し、スペーサとす
る。続いて、上記透明基板を貼り合わせ、液晶を真空注
入し、ＳＴＮ型液晶表示装置が完成する。

【００４３】本発明によるラビング条件を適用すると配
向処理時の膜剥離がなく、プレティルト角はそれぞれ
５．２７と高く、液晶配向は安定しており、ラビング筋
も発現無く、本発明のＳＴＮ型液晶表示装置が良好な表
示性能を有することがわかる。

【００４４】

【発明の効果】ラビング布と基板が接触している正味の
時間、即ち布当たり時間を５〜１０ｓｅｃ、毛当たり
量を０．２〜０．４ｍｍの範囲に設定し、かつ静電植毛
で、毛の太さが１〜２デニールである布をもちいてラビ
ング処理を行うことにより、スジ状の表示欠陥のない良
好な表示品位の液晶表示素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における液晶表示素子の構成断面図であ
る。

【図２】ラビングマシンの構造図である。

【図３】ラビング密度と表示品位の関係図である。

【図４】布当たり時間と表示品位の関係図である。

【図５】水平方向におけるプレチルト角変化と明度変化
の関係図である。

【図６】垂直方向におけるプレティルト角変化と明度変
化の関係図である。

【符号の説明】

１，９ガラス基板２，８透明電極３，７絶縁層４，６液晶配向膜５液晶層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本正之大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者三ツ井精一大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2H090 HB08Y HC06 KA05 KA08 MA01 MA02 MA10 MA11 MB01 MB02 MB03 MB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶を配向させるためのラビング処理に
おいて、処理面の各領域がラビング布と接触する正味の
時間（布当たり時間）を５〜１０ｓｅｃとすることを特
徴とする液晶表示素子の製造方法。
【請求項２】液晶を配向させるためのラビング処理に
おいて、静電植毛で毛の太さが１〜２デニールであるラ
ビング布をラビングローラーに巻き付けてラビング処理
を行うことを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子の
製造方法。
【請求項３】液晶を配向させるためのラビング処理に
おいて、ラビング布の毛の基板に対する押し込み量（毛
当たり量）を０．２〜０．４ｍｍとすることを特徴とす
る請求項１または２記載の液晶表示素子の製造方法。