JP2002023199A - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

液晶表示装置およびその製造方法

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JP2002023199A JP2000207212A JP2000207212A JP2002023199A JP 2002023199 A JP2002023199 A JP 2002023199A JP 2000207212 A JP2000207212 A JP 2000207212A JP 2000207212 A JP2000207212 A JP 2000207212A JP 2002023199 A JP2002023199 A JP 2002023199A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＭＶＡ方式の液晶表示装置に関し、スイッ
チング操作時の液晶分子の電界に対する応答特性の向上
を目的とする。 【解決手段】 スプレイあるいはベンド変形の液晶分
子に対する液晶骨格を有する光硬化性組成物による光硬
化物の濃度を０．３から３ｗｔ％とし、液晶骨格を基板
に対して傾斜させた状態で形成し、液晶分子の平均傾斜
角を液晶骨格の極角と基板界面近傍における液晶分子の
プレチルト角が作る範囲内に納めるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板表面に設けた
突起状構造物もしくは透明画素電極の抜き（スリット）
を利用して、液晶分子の配向方向を制御するＭＶＡ方式
の液晶表示装置に係り、液晶骨格を有する光硬化性組成
物で形成された光硬化物を用いて液晶分子の配向方向を
規制する液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示装置はノ−ト型パーソナルコン
ピュータや携帯情報端末といったモバイル用途の他、省
スペース、省エネルギーといった社会の要求からデスク
トップ型コンピュータやテレビモニターなどに利用され
ている。液晶表示装置の性能はＣＲＴモニターの性能と
対比され、ＣＲＴモニターの性能を近づけるべく開発が
進められている。
【０００３】ＣＲＴモニターは蛍光体の発光を利用する
ため、角度依存性は少なく、視角は広い。一方、液晶表
示装置は光源からの光が液晶層を透過する時の液晶配列
の方向を電気的に制御して透過率を変えて画像表示する
が、画面に対して垂直方向のコントラストは満足されて
も、斜めから見るとコントラストが小さいとか色反転を
生じたりと視角依存性が大きい。
【０００４】たとえば、アクティブマトリクスを用いる
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）としては、正の誘電率異方
性を有する液晶材料を基板面に水平に、かつ対向する基
板間では９０度ツイストするように配向させたツイステ
ッド・ネマティック（ＴＮ）モードの液晶表示装置が広
く用いられている。このＴＮモードＬＣＤの最大の欠点
は視角が狭いことである。この視角特性を改善すべく種
々の検討が行われている。
【０００５】たとえば、一画素を多領域に分割し、各領
域毎に配向方向を分散させることにより、一画素全体と
しての視角を拡げるＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎ
Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式などで
ある。
【０００６】図３はＭＶＡ方式液晶表示装置の概念図で
ある。２１および２２は上部および下部のガラス基板で
あり、６１および６２は各基板上に設けた突起状構造
物、５は液晶分子である。この他に、図示していない
が、透明電極、配向膜、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、
位相差フィルムなどで構成されている。
【０００７】２枚のガラス基板の間に誘電率異方性が負
の液晶材料が封入すると、液晶分子は配向膜の規制力に
より略垂直に配向する。一方のガラス基板にはＴＦＴ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
板側には共通電極が形成されている。そして、画素電極
上および共通電極上に、それぞれ突起状構造物が互い違
いに形成されている。
【０００８】ＴＦＴがＯＦＦ状態の場合には、突起上構
造物の間隙領域にある液晶分子は基板界面とほぼ垂直な
方向に配向され、突起状構造物に近接した液晶分子は斜
面に垂直な方向に配向されている。
【０００９】そして、ＴＦＴをＯＮ状態にした場合に
は、液晶に電界が掛かり、基板に垂直な方向から倒れよ
うとするが、突起状構造物の傾斜により、最初から倒れ
ていた液晶分子の倒れの方向に規制されて、その傾斜が
間隙領域の液晶分子に伝播する。
【００１０】図４は、ＭＶＡ方式の液晶表示装置の１画
素内における液晶分子の傾斜方向を示す図である。６１
および６２は上下基板に設けた突起状構造物、７は下部
基板に設けた画素電極である。１画素は赤、緑、青の３
つの縦長の領域に分割されている。突起状構造物６１お
よび６２は１画素内で方向を９０度曲げている。
【００１１】この構造の例では、上下基板に設けられた
突起状構造物の間隙領域はＡ，Ｂ，ＣおよびＤの４つの
ドメインに分割され、各ドメインにおける液晶分子の配
向方向は互いに９０度ずつ異なっている。このようにＭ
ＶＡ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するので、視角が拡大
することになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ＭＶＡ方式の液晶表示
装置は、中間調での応答が比較的遅いという問題点を有
している。ＭＶＡ方式の場合、基板表面に設けた突起状
構造物やスリットにより液晶分子の傾斜配向を規定して
いるため、液晶分子のスイッチング動作は構造物近傍か
ら間隙部への液晶分子の傾斜配向の伝播という過程で行
われる。
【００１３】図５に、負の誘電率異方性を有する液晶分
子の傾斜の伝播の様子を示す。図中の６は突起状構造
物、他は図３と同様である。図の上部に初期の液晶分子
の配向状態を示す。図の下部は２１および２２に電圧を
ステップ状に印加してから一定時間経過した後の状態を
示す。
【００１４】最初、突起状構造物近くの液晶分子が電圧
変化の影響を受けて倒れ角が大きくなる。この変化を受
けて、突起状構造物に接せず傾斜した液晶分子の近い所
にある液晶分子が倒れ、順次傾斜が伝播して行く。その
最終状態における傾斜の状態を実線で示す。点線は印加
電圧が小さい中間調であり、電界による規制力も小さい
ため、領域全体の液晶分子への伝播が完了するまでに長
い時間を要してしまう。これがＭＶＡ方式の中間調での
応答が遅い最も大きな原因である。
【００１５】本発明は、特にＭＶＡ方式の液晶表示装置
において、スイッチング動作時の液晶分子の傾斜配向を
表示領域全体に同時に傾斜させ、電界に対する液晶分子
の応答性自身をも向上することによって、全階調におい
て高速な応答特性を示す液晶表示装置を提供することを
目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の原理を図１に示
す。図中、１はガラス基板、２は電極、３は配向膜、５
１は全液晶分子の平均的な長軸方向を表し、５２および
５３は第１および第２のガラス基板の表面近傍において
配向制御膜によって規制された液晶分子の長軸方向を表
し、５４は液晶骨格の平均的な極角方向を表している。
配向膜の規制力だけしか受けない場合には平均的な全液
晶分子は二つのプレチルト角を平均した方向に配向す
る。
【００１７】しかし、液晶骨格を添加することにより、
配向膜の規制力と液晶骨格の規制力の合成力が働いて液
晶分子は傾斜する。そのときの液晶分子は、電圧無印加
時の斜線で示した範囲で傾斜する。この傾斜の大きさは
液晶骨格の液晶に対する割合、液晶骨格の傾斜角の大き
さにより任意に変えることができる。
【００１８】またこのとき、液晶分子には液晶骨格の配
向方向へ傾斜させようとする力が存在しているため、ラ
ビングなどの界面のみで傾斜配向している状態よりも高
速スイッチングが可能となる。
【００１９】しかし、液晶分子に対する液晶骨格の引力
が強すぎる場合には液晶分子は液晶骨格と同一方向に配
向し、電圧印加時の傾斜に対する束縛が大きくなってし
まい、逆に特性（コントラスト比など）を下げる結果と
なってしまう。
【００２０】すなわち、液晶骨格の極角方向とガラス基
板面との成す平均傾斜角をα、上下基板界面における液
晶分子のプレティルト角の一方をβ１、他をβ２とした
時、液晶分子の電圧無印加時の平均傾斜角θが、 （１）液晶分子の誘電率異方性が負の場合、 α＜θ＜（β１＋β２）／２ （２）液晶分子の誘電率異方性が正の場合、 （β１＋β２）／２＜θ＜α を満たす。（誘電率異方性が負の場合、図１の電圧無印
加時の斜線で示す範囲）さらに視角特性、応答特性か
ら、駆動時における液晶層の変形は主にスプレイもしく
はベンドを利用するモードであることが極めて重要とな
る。
【００２１】また、このとき、液晶層における液晶骨格
を有する光硬化性組成物の光硬化物の濃度が０．３から
３ｗｔ％であり、かつ液晶層に閾値電圧以上の電圧を印
加し、液晶層が変形した状態で光を照射しつつ液晶骨格
の傾斜角を固定化させ、 （３）液晶分子の誘電率異方性が負の場合、 （β１＋β２）／２−θ＜θ−α （４）液晶分子の誘電率異方性が正の場合、 θ−（β１＋β２）／２＜α−θ を満たすように、液晶分子と液晶骨格を配向することが
望ましい。（誘電率異方性が負の場合、図１の電圧印加
時の斜線で示す範囲） 液晶骨格を有する光硬化性生成物の光硬化物の濃度は
０．３から３ｗｔ％の中でも特に１．０から２．０ｗｔ
％であることが最も望ましい。
【００２２】なお、本発明は基板界面だけではなく液晶
層のバルク全体に対して初期傾斜の付与を実現するとと
もに、任意の傾斜角に制御可能であるため、ラビングな
どの配向制御を施す方式に対しても改善効果を得ること
ができる。
【００２３】本発明者らは、全面同時傾斜による大幅な
応答速度の高速化は、液晶層中の液晶骨格を有する光硬
化性組成物による光硬化物を、液晶骨格を基板に対して
傾斜させた状態で形成することで実現可能であることを
見出した。
【００２４】請求項１による液晶表示装置では、ネマチ
ック液晶層に液晶骨格を有する光硬化性組成物を０．３
乃至３ｗｔ％添加し、液晶骨格を一定の方向に傾斜した
状態で光重合して光硬化物を形成するものであり、液晶
層の変形はスプレイ変形もしくはベンド変形に限定す
る。
【００２５】請求項１に係る本発明では、液晶骨格がそ
の近傍の液晶分子に所定の配向傾斜角を与えるため、表
示信号電圧が液晶層に印加された時に全面同時に配向方
向がそろい、応答速度が向上する。
【００２６】請求項２による液晶表示装置では、ＭＶＡ
方式の液晶表示装置を構成するための対向基板の構造と
して、少なくとも一方の基板表面に突起状構造物もしく
は抜き（スリット）を形成した透明画素電極を有し、少
なくとも一方の基板面には液晶分子長軸方向を基板面に
対し略垂直に配向させる配向制御層を設け、または、少
なくとも一方の配向制御層は配向処理しないようにす
る。
【００２７】請求項２の液晶表示装置では、請求項１の
液晶層を制御するための基板構造を規定している。
【００２８】請求項３による液晶表示装置の製造方法で
は、請求項１に記載の液晶層に含まれる液晶分子の長軸
方向が、他のパラメータであるプレチルト角や液晶骨格
の極核方向との間の関係が以下の条件を満たすように、
光硬化性組成物の濃度を規定する。即ち、液晶層に印加
する電圧が０Ｖの時、液晶分子の誘電率異方性が負の場
合には、 α＜θ＜（β１＋β２）／２ 該液晶分子の誘電率異方性が正の場合には、 （β１＋β２）／２＜θ＜α かつ、電圧印加時には、該液晶分子の誘電率異方性が負
の場合には、 （β１＋β２）／２−θ＜θ−α 該液晶分子の誘電率異方性が正の場合には、 θ−（β１＋β２）／２＜α−θ となるよう、光硬化性組成物の濃度を決める製造方法で
ある。
【００２９】請求項３に係る本発明は、液晶骨格の傾斜
角および液晶骨格の量に依存して変わる液晶分子の傾斜
角を所定の範囲内に納めるために光硬化性組成物の濃度
を決定する条件を規定することにより、表示領域全面に
わたって液晶分子の応答速度を高める。
【００３０】
【発明の実施の形態】ＭＶＡ方式における応答速度を改
善するためには課題において述べたように、傾斜の伝播
に要する時間を零にし、表示領域全面を同時に傾斜させ
なくてはならない。この全面同時傾斜を実現させるため
には、電圧無印加状態において液晶分子を全面にわたり
基板界面に対して傾斜させておくことが、極めて有効で
あるが、ＭＶＡの方式に適用可能な具体的な手段につい
ては今まで明示されていなかった。
【００３１】鋭意試行の結果、全面同時傾斜による大幅
な応答速度の高速化は、液晶層中の液晶骨格を有する光
硬化性組成物による光硬化物を、液晶骨格を基板に対し
て傾斜させた状態で形成することで実現可能であること
を見出した。
【００３２】図２は光硬化物の形成の様子を示す図であ
る。図中の４は液晶に印加した電圧によって生じる電
界、５は液晶分子、８は液晶モノマー、９は主鎖、１０
は紫外線、５５は液晶骨格である。液晶と、液晶モノマ
ーを混合し、最大透過率を得る電圧まで印加して、液晶
中に電界を発生させる。
【００３３】その結果、負の誘電率異方性を有する液晶
分子、および液晶モノマーはある角度に傾斜する。液晶
骨格を有する光硬化性組成物である液晶モノマー８は紫
外線１０を用いて光重合し、硬化する。その結果、主鎖
８に連なる液晶骨格５５は一定の方向に傾斜した状態で
固定化される。これが光硬化物である。
【００３４】本発明第１の実施例を以下に示す。一方の
基板上にはＴＦＴトランジスタを具備した画素電極と突
起状構造物が形成され、他方の基板には共通電極と突起
状構造物が形成されている。この２枚のガラス基板の間
に、メルク・ジャパン株式会社製の液晶ＭＪ−９６１２
１３に大日本インキ株式会社製の液晶モノアクリレート
モノマーＵＣＬ−００１−Ｋ１を添加し、注入後電圧を
印加しながら紫外線を照射し、液晶骨格が表示領域にお
いて基板面に対しおよそ３０°となった状態で硬化させ
たＭＶＡパネルを作製した。
【００３５】ここで、配向膜にはＪＳＲ株式会社製のポ
リアミック酸材料ＪＡＬＳ−６８４を用い、上下基板に
はシプレイ株式会社製レジストＬＣ−２００により高さ
１．５μm 、幅１０μm の突起状構造物を間隙３７．５
μm となるように設け、セル厚は４．０μm とした。
【００３６】図６は液晶骨格モノマーの添加量をパラメ
ータとして、液晶分子の応答速度を測定したものであ
る。このグラフから、添加量が０．３ｗｔ％で応答速度
にわずかの改善が見られ始めるが、高電圧側においても
傾斜方向を強く規制するためには１．０ｗｔ％前後必要
であることが判る。２．０ｗｔ％程度で値が飽和し始め
る。
【００３７】図７は図６の測定と同時に測定したモノマ
ー添加量に対する絶対透過率とコントラストを示してい
る。図中、実線は明状態（印加電圧５．５Ｖ）および暗
状態（印加電圧０Ｖ）の透過率、点線はコントラストで
ある。添加量が１．５ｗｔ％までは明状態の透過率、コ
ントラストとも高い値を保っているが、２．０ｗｔ％に
かけてコントラストが急激に低下する。また、３．０ｗ
ｔ％ではほとんど液晶分子は液晶骨格方向に配向すると
ともに大きな散乱が見られる。
【００３８】液晶モノマー（光硬化物）の濃度が０．３
乃至１．５ｗｔ％の低い場合には、階調重視の分野に、
１．５乃至３．０ｗｔ％の高い場合には、応答速度重視
の分野への利用が考えられる。
【００３９】本発明第２の実施例では、実施例１と同じ
液晶材料、配向膜材料、モノマー材料を用いて、上下配
向膜面にラビング処理を施し、注入後電圧を印加しなが
ら紫外線を照射し、液晶骨格が表示領域において基板面
に対しおよそ３０°となった状態で硬化させたパネルを
作製した。ここで、添加量は２．０ｗｔ％とし、ラビン
グは上下基板で反平行および９０°ずらしたものの２通
りとした。また、セル厚は４．０μm である。結果を図
８に示す。９０°ずらしてラビングを施したパネルの方
が応答速度が遅くなった。
【００４０】９０°ずらした場合はツイスト変形にあた
り、反平行の場合はスプレイ変形にあたる。このよう
に、本発明における液晶層の変形はツイストを除く、ス
プレイもしくはベンドに依るものとした。
【００４１】本発明第３の実施例では、使用材料および
突起状構造物の形成条件、セル厚は実施例１と同じＭＶ
Ａパネルを用いて、硬化時の液晶骨格の角度および液晶
分子の平均傾斜角を変えたものを試作し、配向状態およ
びポリマーによる散乱度を調べた。ここで、液晶分子の
平均傾斜角はモノマーの添加量により制御を行い、角度
の値は電圧無印加時の透過率から計算にて求めた。
【００４２】結果を表１に示す。ここで、β＝（β１＋
β２）／２である。良好な配向・散乱状態が得られるの
は配向膜による規制角度（β）、液晶分子の傾斜角
（θ）と液晶骨格の傾斜角（α）が、 β−θ＜θ−α の関係が成り立つ時である。液晶分子の傾斜角が配向膜
規制角から離れて液晶骨格の傾斜角に近づくと、配向・
散乱状態は劣化する。これは、モノマーの添加量を増や
して行くと、セル中に形成したポリマーによる散乱が強
く出ると共に、ポリマー形成時に液晶分子のダイレクタ
が乱されるためである。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【発明の効果】本発明を用いることにより、表示領域全
体を同時に傾斜させるだけでなく、電界に対する液晶分
子の応答性自身をも向上し、全階調において極めて高速
な応答特性を良好な配向状態を維持したまま実現するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の液晶分子の配向方向を示す図
【図２】 光硬化物の形成を示す図
【図３】 ＭＶＡ方式液晶表示装置の概念図
【図４】 液晶分子の傾斜方向を示す図
【図５】 液晶分子の傾斜伝播を示す図
【図６】 応答速度のモノマー添加量依存性を示す図
【図７】 コントラストのモノマー添加量依存性を示す
図
【図８】 ねじれ変形の有無による応答速度の変化を示
す図
【符号の説明】
１ 基板 ２ 電極 ３ 配向膜 ４ 電界 ５ 液晶分子 ６ 突起状構造物 ７ 画素電極 ８ 液晶モノマー ９ 主鎖 １０ 紫外線 ２１ 上部ガラス基板 ２２ 下部ガラス基板 ５１ 全液晶分子の長軸方向の平均 ５２ 第１のガラス基板での液晶分子の長軸方向（プレ
チルト角） ５３ 第２のガラス基板での液晶分子の長軸方向（プレ
チルト角） ５４ 液晶骨格の極角方向の平均 ５５ 液晶骨格 ６１ 上部基板の突起状構造物 ６２ 下部基板の突起状構造物

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明画素電極と能動素子と配向制御膜と
    で形成された第一の基板と、対向電極と配向制御膜とで
    形成された第二の基板とからなる基板対と、 ネマチック液晶分子と、液晶骨格を有する光硬化性組成
    物で三次元的に形成された光硬化物とを含み、該基板対
    間に挟持された液晶層とを有し、 該液晶層の変形が少なくともスプレイ変形もしくはベン
    ド変形であり、 該光硬化性組成物の濃度が０．３乃至３ｗｔ％であるこ
    とを特徴とする液晶表示装置。
  2. 【請求項２】 前記基板対の少なくとも一方の基板が突
    起もしくは電極の抜きを有し、 該基板対の少なくとも一方の基板が前記液晶分子の長軸
    方向を該基板面に対し略垂直に配向させる前記配向制御
    層を有することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示
    装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の前記液晶表示
    装置の製造方法であって、 前記液晶骨格の極角方向が前記第一の基板となす角の平
    均値をαとし、該第一および第二の基板の界面における
    前記液晶分子のプレティルト角のそれぞれをβ１および
    β２とし、該液晶分子が電圧無印加時に該第一の基板と
    なす角の平均値をθとするとき、該α、β１、β２、θ
    が、 該液晶分子の誘電率異方性が負の場合には、 α＜θ＜（β１＋β２）／２ 該液晶分子の誘電率異方性が正の場合には、 （β１＋β２）／２＜θ＜α の関係であり、 電圧印加時には、該α、β１、β２、θが、 該液晶分子の誘電率異方性が負の場合には、 （β１＋β２）／２−θ＜θ−α 該液晶分子の誘電率異方性が正の場合には、 θ−（β１＋β２）／２＜α−θ の関係を満たすように、前記光硬化性組成物の濃度を決
    めることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
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