JP2008076849A - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】反射表示部に位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置において、位相差板の着色を抑制でき、かつ簡易な製造プロセスを提供する。
【課題手段】位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法であって、位相差板を配向させるための下地層を形成するステップと、下地層に光硬化性の位相差板の材料を塗布するステップと、位相差板の材料の反射表示部に相当する部分をマスク露光により選択的に硬化させる第1の露光ステップと、位相差板の材料を加熱しながら全面を露光し硬化させる第2の露光ステップとを有する。位相差板の材料を硬化させる際に照射する光の波長は、所定の波長(例えば、300nm)以上であるのが好ましい。また、位相差板の材料の重合開始剤として、所定の波長以上の光を吸収して重合を開始するものを用いるのが好ましい。
【選択図】 図2

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、半透過型IPS(In Plane Switching)方式の液晶表示装置及びその製造方法に関する。
特許文献1には、液晶層に横電界を印加する半透過型IPS方式の液晶表示装置が記載されている。この半透過型IPS方式の液晶表示装置には、1画素中に、透過表示部と反射表示部とが存在する。反射表示部には、リタデーションが2分の1波長の内蔵位相差板が形成されており、さらに反射表示部の液晶層のリタデーションを4分の1波長とすることにより、明所から暗所を含む広範な環境で反射表示を可能とし、かつ広視野角で高画質の透過表示を可能としている。内蔵位相差板は、液晶分子等の複屈折率を有する分子で形成されている。
かかる液晶表示装置のカラーフィルタ側の基板の製造手順は以下の通りである。すなわち、まず、ブラックマトリックス層、RGBレジスト層を形成した後、これらを平坦化するための平坦化層を形成する。その後、内蔵位相差板の配向機能を生じさせるための配向膜を形成し、ラビング処理を行う。この状態で内蔵位相差板の材料を塗布することにより、配向状態が生じ、内蔵位相差板ができる。これを露光、現像することで、不要な部分(透過表示部に相当する部分)を除去して、所定の部位(反射表示部に相当する部分)に位相差板を内蔵させることができる。
ここで、位相差板層の現像には有機溶剤が必要であり、コスト、環境、工程への負荷が大きい。この点、全面にわたり位相差板の材料を塗布した後、位相差性が必要な部分のみマスク露光により光硬化させ、その後、全体を加熱しながら光硬化させることにより、位相差性が不要な部分の位相差性を消滅させて硬化させる方法がある(非特許文献1参照)。この方法によれば、有機現像処理を省略することができる。
特開平2005−338256号公報 C.Doornkamp et al.,Philips Research, 哲ext generation moblile LCDs with in-cell retarders. International Display Workshops 2003,p685 (2003)
しかし、非特許文献1の方法を単に適用しただけでは、位相差板の材料が着色し、表示性能に悪影響を与える場合がある。また、非特許文献1の方法は、窒素雰囲気下で行わなければならず、装置が大掛かりとなり、現実的ではない。
本発明の目的は、反射表示部に位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置において、位相差板の着色を抑制でき、かつ簡易な製造プロセスを提供することある。
上記課題を解決すべく、本発明では、所定波長(位相差板の着色を防止可能な波長)の光照射により位相差板材料を硬化させる。そのため、位相差板材料の重合開始剤は、当該所定波長の光を吸収して重合を開始するものとする。
例えば、本発明の第1の態様は、位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法であって、前記位相差板を配向させるための下地層を形成するステップと、前記下地層に光硬化性の前記位相差板の材料を塗布するステップと、前記位相差板の材料の反射表示部に相当する部分をマスク露光により選択的に硬化させる第1の露光ステップと、前記位相差板の材料を加熱するとともに全面を露光し硬化させる第2の露光ステップとを有する。前記位相差板の材料を硬化させる際に照射する光の波長は、所定の波長(例えば、300nm)以上であるのが好ましい。また、前記位相差板の材料の重合開始剤として、前記所定の波長以上の光を吸収して重合を開始するものを用いるのが好ましい。
また、本発明の第2の態様は、反射表示部と透過表示部とを備え、前記反射表示部に位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置である。前記位相差板は、前記反射表示部及び前記透過表示部に渡り形成された樹脂層の位相差性を保持して硬化した部分である。そして、前記樹脂層の透過率は、可視光領域にて90%以上である。例えば、400nm乃至800nmの波長帯域にある光が樹脂層に入射すると、その90%以上が当該樹脂層を透過する。
以下に、本発明の一実施形態が適用された液晶表示装置について説明する。
図1は、本実施形態の液晶表示装置を構成する1画素の上面図である。図2は、図1のA−A方向断面図である。
液晶表示装置は、主に、第一の基板31と、第二の基板32と、第一の基板31及び第二の基板32に挟持された液晶層10とから構成される。
第一の基板31は、その反射表示部において、液晶層10側に、カラーフィルタ36と、平坦化層37と、第三の配向膜35と、内蔵位相差板38と、段差形成レジスト層39と、第一の配向膜33とを有する。また、透過表示部において、液晶層10側に、カラーフィルタ36と、平坦化層37と、第三の配向膜35と、残留層38nと、第一の配向膜33とを有する。
第一の基板31は、イオン性不純物の少ないホウケイサンガラス製であり、厚さは0.5mmである。カラーフィルタ36は、ブラックマトリックスと、赤(R)、緑(G)、青(B)の着色レジスト層がストライプ状に繰り返して配列して構成されている。各ストライプは、信号配線22に平行である。
カラーフィルタ36の着色レジストに起因する凹凸は、樹脂性の平坦化層37で平坦化されている。平坦化層37は、透明材料であるのが好ましく、その厚さは、着色レジスト層を十分に平坦化する観点から、通常、0.5μmから3μmの範囲である。
第三の配向膜35は、内蔵位相差板38の下地層となる。第三の配向膜35は、ポリイミド系有機膜であり、ラビング法により配向処理されており、近接する内蔵位相差板38を配向処理方向に向けて配向させる。
内蔵位相差板38は、複屈折率を有する液晶物質が硬化した層である。内蔵位相差板38は、接触する第三の配向膜35の配向規制力により、配向している。
残留層38nは、内蔵位相差板38を形成するために全面に塗布された材料の一部であり、加熱により等方相となって硬化した部分である。
内蔵位相板38及び残留層38nは、後述する製造プロセスにより、表示性能に影響を与えない程度の十分な透明性を備えている。
段差形成レジスト層39は、反射表示部と透過表示部に4分の1波長のリタデーション差を形成するために設けられている。
第一の配向膜33は、ポリイミド系有機膜であり、ラビング法により配向処理されており、近接する液晶層10を配向処理方向に向けて配向させる。
第二の基板32は、液晶層10に近接する側に、薄膜トランジスタ(TFT)を有する。薄膜トランジスタは、走査配線21と、信号配線22と、画素電極28に接続されている。薄膜トランジスタは、逆スタガ型構造であり、そのチャネル部は、アモルファスシリコン層25で形成されている。第二の基板32は、この他に、共通配線23と共通電極29とを有する。走査配線21と信号配線22は、交差している。薄膜トランジスタは、概略その交差部に位置している。
共通配線23は、走査配線21と平行に分布しており、第二のスルーホール27を通じて共通電極29と接続している。
画素電極28と薄膜トランジスタは、第一のスルーホール26で結合されている。画素電極28の上には第二の配向膜34があり、液晶層10に近接してその配向方向を規定する。
第二の基板32は、第一の基板31と同様にホウケイサンガラス製であり、厚さは0.5mmである。第二の配向膜34は、第一の配向膜33と同様に水平配向性のポリイミド系有機膜である。信号配線22と走査配線21と共通配線23は、クロム製であり、画素電極28は、インジウム錫酸化物(ITO)からなる透明電極である。共通電極29も一部分がITOである。
画素電極28は、走査配線21に対して平行なスリット30を有する。スリット30のピッチは、約4μmである。画素電極28と共通電極29は、層厚が0.5μmの絶縁層53で隔てられている。電圧印加時には、画素電極28と共通電極29の間に、電界が形成されるが、絶縁層53の影響により電界は、アーチ状に歪められて液晶層10中を通過する。このことにより、電圧印加時に液晶層10に配向変化が生じる。
共通配線23は、画素電極28と交差する部分において、画素電極28内に張り出した構造を有し、図2中に反射光62で示したように光を反射する。図1及び図2において、共通配線23が画素電極28と重畳する部分が反射表示部であり、これ以外の画素電極28と共通電極29の重畳部では、図2中に透過光61で示したようにバックライトの光を通過して透過表示部となる。
透過表示部と反射表示部とでは最適な液晶層厚が異なるため、境界には段差が生じる。透過表示部と反射表示部の境界を短くするため、境界が画素短辺に平行になるように透過表示部と反射表示部を配置した。
このように、共通配線23等の配線を反射板で兼用すれば製造過程を低減する効果が得られる。共通配線23を高反射率のアルミニウムやタンタル等の金属で形成すれば、より明るい反射表示が得られる。共通配線23をクロムとし、アルミニウムや銀合金の反射板を別途形成しても同様の効果が得られる。
液晶層10は、配向方向の誘電率がその法線方向よりも大きい正の誘電率異方性を示す液晶組成物である。その複屈折は25℃において0.067であり、室温域を含む広い温度範囲においてネマチック相を示す。また、薄膜トランジスタを用いて周波数60Hzで駆動した時の保持期間中において、反射率と透過率を充分に保持してフリッカを生じない高抵抗値を示す。
次に、本実施形態の液晶表示装置の特徴的な製造プロセスについて説明する。
図3は、第1の基板31にかかる、カラーフィルタ36の形成工程から第一の配向膜33の形成工程までのプロセスを示す図である。
まず、第1の基板31に、ブラックマトリックスを形成し(S11)、三原色の着色レジスト層を形成した後(S12)、平坦化層37を形成する(S13)。
次に、第三の配向膜35を形成し(S14)、ラビング処理を施した後(S15)、光硬化性樹脂組成物の位相差板材料を塗布する(S16)。続いて、溶剤を加熱により除去する(S17)。そして、位相差板材料をマスク露光により部分的に光硬化させた後(S18)、加熱しながら全体を光硬化させる(S19)。
図4を用いて、位相差板38の形成過程について、具体的に説明する。
位相差板の材料38pは、アクリレート付の液晶モノマーと光重合開始剤とを有機溶剤に溶解させたものである。
まず、位相差板の材料38pをスピン塗布などで成膜し、約100℃で2〜5分ホットプレートなどでベークし、膜中の溶剤を除き、透明な膜を形成させる。この膜は、下地の第三の配向膜35によって配向している。
位相差板の材料38pを塗布した第1の基板31に、反射表示部に相当する部分にのみ光が照射するように開口部が設けられたマスク110を配置し、ランプ120により露光する。露光量は、50〜200mJ/cm程度である。これにより、位相差板の材料38pのマスク110の開口部に相当する部分のみアクリレートが重合し硬化する。
ランプ120は、20W程度の紫外線蛍光ランプを並列に並べたものでよい。これにより、装置コストおよび運用コストを抑えることができる。紫外線蛍光ランプとして、その一種であるブラックライトブルー蛍光ランプ(Black−light Blue (BL−B) Fluorescent Lamp)を用いるとよい。ブラックライトブルー蛍光ランプは、近紫外光(Near−ultraviolet Light,公称波長帯域:300〜400nm)を主として放射し、例えば、360nmのピーク波長を示す。
また、後述するように、短波長光を遮断するために、ランプ120と第1の基板31との間に、紫外線フィルタ121を設けるとよい。
次に、マスク110を外し、ヒータ130により、全体を加熱しながら、全面に光を照射し完全に硬化させる。加熱する温度は、位相差板材料のネマチック・等方相転移温度以上(例えば、110℃)である。これにより、マスク露光による未硬化部は、等方相になった後に硬化する。これにより、位相差性を有しない残留層38nが形成される。
以上、位相差板38と、それに伴い形成される残留層38nの形成工程を説明した。
次に、本実施形態において好適な、位相差板38を形成する材料、照射する光の波長、光重合開始剤について説明する。本実施形態では、これらを適宜選択することにより、位相差板38及び残留層38nの着色を抑制することができる。
図5は、位相差板を形成する液晶物質の着色が生じる波長について説明するための図である。位相差板を形成するための液晶物質は、通常、300nm未満の波長の光を吸収すると着色を生じる。したがって、300nm未満の波長の光が照射されないようにした方がよい。
そこで、特定波長の光が照射可能なランプを用いるとよい。例えば、300nm以上の波長の強度が強く、300nm未満の波長の光の強度が弱いランプを用いる。
または、300nm未満の波長の光を遮断するフィルタを用いてもよい。例えば、短波長光を遮断する短波長カット紫外線フィルタなどを用いる。また、位相差板を形成する液晶物質の吸収波長を全てカットするようなフィルタを用いのがよい。例えば、帝人デュポンフィルム製のテイジンテトロンフィルムG2を用いることができる。
また、このように、ランプやフィルタを選択することにより、300nm以上の光が照射するため、位相差板の材料38pは、300nm以上の波長の光の照射により硬化する必要がある。そこで、光重合開始剤は、300〜400nmに吸収があるものを選択するのが好ましい。好ましくは、溶媒であるメタノール中での吸光係数が、365nmで1000ml/gcm以上、405nmで100ml/gcm以上の範囲にある開始剤である。
位相差板を形成する材料としては、次に示すような、アクリレート付の液晶モノマーを用いることができる。
Figure 2008076849
Figure 2008076849
光重合開始剤は、加熱露光に配慮して、不揮発性であるのが好ましい。例えば、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ(Ciba Specialty Chemicals)製のイルガキュア(IRUGACURE(R))907、イルガキュア369、イルガキュア819、イルガキュア127、DAROCUR(R) TPO、イルガキュアOXE01などを選ぶことができる。特にイルガキュア819は着色が防げ、揮発性が低いことから、露光量も少なくて済む。
Figure 2008076849
上記のように、位相差板の材料、照射する光の波長、光重合開始剤を適宜選択することにより、内蔵位相差板38及び残留層38nの透過率をそれぞれ、可視光(Visible Light,例えば、400nm乃至800nmの範囲にある波長の光)に対して90%以上の範囲にすることができ、これらの着色を抑制することができる。
内蔵位相差板38の形成後は、第1の基板31の主面(当該主面に形成された内蔵位相差板38及び残留層38nの上面)の全域に保護膜(絶縁膜、図示せず)を形成するとよい。保護膜は、例えば、先述した平坦化層と同じ材料又は光開始剤を含まない透明材料で形成される。残留層38n(又はその上に形成された保護膜)の上面に段差形成レジスト層39を形成した(図3のS20)のち、液晶層10を配向させるための配向膜33を形成する(図3のS21)。なお、配向膜33の形成前に、下地を平坦化するために平坦化層を形成し、その平坦化層上に配向膜33を形成するようにしてもよい。
以上、第一の基板31における、カラーフィルタ36の形成工程から、配向膜33の形成工程までのプロセスを説明した。
その後の製造プロセスを説明すると、下記のとおりである。
第一の基板31の第一の配向膜33と、第二の基板32の第二の配向膜34とを信号配線22に対して15度をなすようにラビング処理した後に、第一の基板31と第二の基板32を対向させて組み立て、液晶材料を封入して液晶層10を形成する。さらに、第一の基板31と第二の基板32の外側に、第一の偏光板41と第二の偏光板42を配置する。第一の偏光板41と第二の偏光板42の透過軸は、液晶配向方向に対してそれぞれ直交、平行になるように配置する。
なお、第一の偏光板41の粘着層には、その内部に屈折率が粘着材とは異なる透明な微小球を多数混入した光拡散性の粘着層43を用いる。粘着材と微小球の界面において両者の屈折率が異なることによって生じる屈折の効果を利用して、入射光の光路を拡大する作用を有する。これにより、画素電極28と共通電極29における反射光の干渉で生じる虹色の着色を低減することができる。
上記のように構成される液晶表示装置について、その機能を説明する。
図1に示したように、可視光線に対して透明なガラス等の材料から成る第二の基板32の主面には、画素毎に、共通電極29と画素電極28とがこの順に積層されている。
共通電極29、及び画素電極28は、ともにITO(Indium−Tin−Oxide)やIZO(Indium−Zinc−Oxide)等の可視光線を透過させる導電性材料(いわゆる透明導電膜)から成る。
各画素において、共通電極29が1枚のシート状に形成される一方、画素電極28は当該共通電極29上において、櫛歯状(Comb−teethshaped)に形成される。
画素電極28と共通電極29とは、その間を隔てる絶縁層53により電気的に分離され、画素電極28と共通電極29との間の電位差により生じた電気力線は、画素電極28の「櫛歯」の各々から当該「櫛歯」間を通して共通電極29に到る。
この電気力線は、画素電極28の「櫛歯」からその「櫛歯」を隔てる隙間に向けて、第二の基板32の主面に概ね平行に延びる。この第二の基板32の主面に概ね平行な電気力線が、当該第二の基板32に形成された第2の配向膜34を通して、TFT基板32とカラーフィルタ基板31との間に封入(Seal)された液晶層10に染み出し、液晶層10内の液晶分子を動かす。
TFT基板32及びカラーフィルタ基板31の外面(Outer Surface、液晶層とは反対側の主面)には夫々偏光板(フィルム)42、41が設けられる。
液晶層10内の液晶分子は、これに電界が印加されない状態において、その光軸が上記偏
光板41,42の光軸とずれる(例えば、直交する)方位に設定されている。第一の配向膜33、第二の配向膜34は、液晶分子を斯様な方位に設定する。ここでいう光軸は、液晶分子や偏光板41、42が、これらを透過する光に対して、例えば高い屈折率を示す方位として記される。
これに対し、画素電極の「櫛歯」から共通電極29に向けて第二の基板32の主面に概ね平行に形成される上記電界が強まるに伴い、液晶分子の各々の光軸の方位は上記偏光板41,42の光軸のそれに徐々に近づく。即ち、第二の基板32内(ln−plane)に形成された電界が強まるほど、液晶層を透過する光の量が増す。これが、図示された画素構造を、面内スイッチング(In−plane Switching)型、略してIPS型と呼ぶ所以である。
画素電極28の電位が薄膜トランジスタからの出力(画像情報)に応じて変化する一方、共通電極29の電位は共通配線23から印加される言わば基準電圧に応じて決まる。即ち、或る一つの共通配線23に接続される共通電極29を夫々備えた画索の一群において、夫々の画素電極の電位が互いに異なるときも、夫々の共通電位は概ね同じ電位を示す。
共通配線23は、アルミニウムやタンタル等の金属で形成することにより、画素電極や共
通電極に比べて、これに入射する光を反射し易くするとよい。図示された共通配線23は、
これと共通電極29とが接するスルーホール27から、画素内に向けて延在する。従って、共通配線23の延伸部分は、画素電極28及び共通電極29の下側に配置されて、カラーフィルタ基板31から液晶層10、画素電極28、及び共通電極29を通過して当該延伸部分(その上面)に入射した光を、カラーフィルタ基板31に向けて反射する。このような領域が画素毎に形成されている構造が、半透過型(Transflective)の液晶表示装置の特徴である。
以上、本発明の一実施形態について説明した。
上記実施形態によれば、位相差板の形成過程において、不要部分を除くための有機溶媒による現像工程を省くことができる。したがって、プロセスコストの削減、環境負荷の低減につながる。
また、内蔵位相差板の着色を抑制することができるので、表示性能を向上させることができる。
また、本実施形態の製造方法は、大掛かりな設備が不要である。
液晶表示装置の1画素の上面図。 図1のA−A方向断面図。 製造プロセスの一部を示す図。 製造プロセスの一部を示す図。 光源の波長と重合開始剤の吸収波長と着色が生じる波長の関係を示す図
符号の説明
10・・・液晶層
21・・・走査配線
22・・・信号配線
23・・・共通配線
25・・・アモルファスシリコン層
26・・・スルーホール
27・・・スルーホール
28・・・画素電極
29・・・共通電極
30・・・スリット
31・・・カラーフィルタ基板
31・・・第一の基板
32・・・第二の基板
33・・・第一の配向膜
34・・・第二の配向膜
35・・・第三の配向膜
36・・・カラーフィルタ
37・・・平坦化層
38・・・内蔵位相差板
38n・・・残留層
39・・・段差形成レジスト層
41,42・・・偏光板
43・・・粘着層
51,52,53・・・絶縁層
61・・・透過光
62・・・反射光

Claims (5)

  1. 位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法であって、
    前記位相差板を配向させるための下地層を形成するステップと、
    前記下地層に光硬化性の前記位相差板の材料を塗布するステップと、
    前記位相差板の材料の反射表示部に相当する部分をマスク露光により選択的に硬化させる第1の露光ステップと、
    前記位相差板の材料を加熱するとともに全面を露光し硬化させる第2の露光ステップとを有し、
    前記位相差板の材料を硬化させる際に照射する光の波長は、所定の波長以上であり、
    前記位相差板の材料の重合開始剤として、前記所定の波長以上の光を吸収して重合を開始するものを用いる
    ことを特徴とする半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法。
  2. 請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
    前記第2の露光ステップは、
    前記位相差板の材料をネマチック・等方相転移温度以上に加熱する
    ことを特徴とする半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法。
  3. 請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
    前記位相差板の材料を硬化させる際に照射する光の波長は300nm以上であり、
    前記光重合開始剤は、300nm以上の波長の光を吸収して重合を開始するものである
    ことを特徴とする半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法。
  4. 請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
    前記光の照射は、短波長光を遮光するフィルタを用いて行う
    ことを特徴とする半透過型IPS方式の液晶表示装置の製造方法。
  5. 反射表示部と透過表示部とを備え、前記反射表示部に位相差板を内蔵した半透過型IPS方式の液晶表示装置であって、
    前記位相差板は、前記反射表示部及び前記透過表示部に渡り形成された樹脂層の位相差性を保持して硬化した部分であり、
    前記樹脂層の透過率は、可視光領域にて90%以上である
    ことを特徴とする半透過型IPS方式の液晶表示装置。
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