JP2008158187A - 液晶表示素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負の誘電率異方性を有する液晶を利用したＶＡモードにおいて、電圧に対する応答特性を良好に維持しつつ、パネル開口率の向上した液晶表示素子およびその製造方法を提供する
【解決手段】 この液晶パネルの製造方法は、ＴＦＴ基板１０とＣＦ基板２０との間に、負の誘電率異方性を有する液晶分子３０Ａと光硬化性を有するモノマー３０Ｂとを含む液晶層３０を封止する工程と、液晶層３０に対して所定の角度を有する方向に磁場Ｈを印加する工程と、磁場Ｈを印加したのち更に電圧Ｖを印加する工程と、紫外光ＵＶを照射することによりモノマー３０Ｂを硬化させる工程とを含む。基板や電極に突起物やスリットを設けることなく、磁場Ｈの印加方向に液晶分子３０Ａにプレチルト角を付与することができるため、電圧応答特性を維持しつつ、パネル開口率および視野角特性を向上させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、負の誘電率異方性を有する液晶層を備えた垂直配向型の液晶表示素子およびその製造方法に関する。

近年、液晶テレビやノート型パソコン、カーナビゲーション等の表示モニタとして、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ；Liquid Crystal Display）が多く用いられている。液晶ディスプレイは、そのパネル基板間での分子配列によって様々なモード（方式）に分類され、例えば、電圧をかけない状態での液晶分子がねじれて配向してなるＴＮ（Twisted Nematic；ねじれネマティック）モードがよく知られている。このＴＮモードでは、液晶分子が正の誘電率異方性、すなわち分子の長軸方向の誘電率が短軸方向に比べて大きい性質を有しており、基板の面に対して平行な面内において液晶分子の配向方位を順次回転させつつ、基板の面に垂直な方向に整列させた構造となっている。

この一方で、電圧をかけない状態での液晶分子が、基板の面に対して垂直に配向してなるＶＡ（Vertical Alignment）モードに対する注目が高まっている。垂直配向型のＶＡモードでは、液晶分子が負の誘電率異方性、すなわち分子の長軸方向の誘電率が短軸方向に比べて小さい性質を有しており、ＴＮモードに比べて広視野角を実現できる。

このようなＶＡモードの液晶ディスプレイでは、電圧が印加されると、基板に垂直に配向していた液晶分子が、負の誘電率異方性により、基板に対して平行な方向に倒れる（起き上がる）ように応答することにより、光を透過させる構成となっている。ところが、基板に対して垂直方向に配向した液晶分子の倒れる方向は任意であるため、電圧印加により液晶分子の配向が乱れ、電圧に対する応答特性を悪化させる要因となっていた。

そこで、特許文献１，２には、電圧に応答して倒れる方向の規制手段として、基板の対向面側に傾斜面を有する絶縁性の突起物を一定間隔で設けることにより、液晶分子を基板と垂直な方向から特定の方向に傾けて配向させる（いわゆるプレチルト角を付与する）技術が開示されている。あるいは、基板の対向面に設けられる画素電極や、これに対向する電極の一部にスリット（電極のない部分）を設けることにより、液晶分子に対して斜めに電圧を印加して配向を規制する方法が開示されている。上記のような構成により、電圧印加時の液晶分子の倒れる方向を予め定めておくことができ、電圧に対する応答特性を向上させることができる。
特開２００２−３５７８３０号公報 特開２００２−２３１９９号公報

しかしながら、特許文献１，２の構成では、例えばノーマリーブラック（電圧をかけない状態で黒表示のモード）の場合、電圧印加時の突起物に対応する部分の表示が暗視野となるという問題がある。また、電極の一部にスリットを形成する構成では、ノーマリーブラックの場合、スリット部の直下にある液晶分子が偏光軸に対して垂直方向に倒れてしまうため、電圧のオンオフによらず常に黒表示になってしまうという問題があった。このため、パネルの開口率が低下し、輝度の低下を招いていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、負の誘電率異方性を有する液晶を利用したＶＡモードにおいて、電圧に対する良好な応答特性を維持しつつ、パネル開口率の向上した液晶表示素子の製造方法および液晶表示素子を提供することにある。

本発明による液晶表示素子の製造方法は、負の誘電率異方性を有する液晶分子と硬化性材料とを含む液晶層を一対の基板間に封止する工程と、一対の基板間に封止された液晶層に、基板の法線に対して所定の角度を有する方向に磁場を印加する工程と、磁場を印加したのち、硬化性材料を硬化させる工程とを含むものである。なお、所定の角度とは、０°より大きく、９０°未満となる角度とする。また、「磁場を印加したのち、硬化性材料を硬化させる工程」では、磁場を印加したのち、磁場を印加した状態で硬化性材料を硬化させてもよいものとする。

本発明による液晶表示素子は、対向配置された一対の基板と、一対の基板の対向する面に設けられ、負の誘電率異方性を有すると共にプレチルト状態に保持された液晶分子を含む液晶層とを備え、基板および電極が、液晶層に対して連続かつ平坦に設けられているものである。

本発明による液晶表示素子の製造方法では、基板間に封止した硬化性材料を含む液晶層に対して、基板の法線に対して所定の角度を有する方向に磁場を印加することにより、液晶分子が磁場の印加方向に配向する。こののち、硬化性材料を硬化させることにより、液晶分子は磁場の印加方向に沿って固定される。

本発明による液晶表示素子では、一対の基板および電極が、液晶層に対して連続かつ平坦となっており、基板や電極に構造上の突起物やスリット等が設けられていないので、これらが設けられることにより生じる局部的な暗視野が解消される。

本発明の液晶表示素子の製造方法によれば、負の誘電率異方性を有する液晶分子と硬化性材料とを含む液晶層を一対の基板間に封止する工程と、一対の基板間に封止された液晶層に、基板の法線に対して所定の角度を有する方向に磁場を印加する工程と、磁場を印加したのち、硬化性材料を硬化させる工程とを含むようにしたので、基板や電極に対して突起物やスリット等を形成することなく、液晶分子にいわゆるプレチルト角を付与することができる。従って、電圧に対する良好な応答特性を維持しつつ、パネル開口率の向上した液晶表示素子を作製することができる。

本発明の液晶表示素子によれば、対向配置された一対の基板と、一対の基板の対向する面に設けられた一対の電極と、一対の電極間に垂直配向膜を介して設けられ、負の誘電率異方性を有すると共にプレチルト状態に保持された液晶分子を含む液晶層とを備えており、基板および電極が、液晶層に対して連続かつ平坦に設けられているので、電圧に対する応答特性を良好に維持しつつ、パネル開口率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る液晶パネルの断面を模式的に表した図である。この液晶パネルは、ＴＦＴ（Thin Film Transistor；薄膜トランジスタ）基板１０とＣＦ（Color Filter；カラーフィルタ）基板２０との間に垂直配向膜１１，２１を介して液晶層３０を備えている。ＴＦＴ基板１０は、ガラス基板１０Ａ上に画素ごとに画素電極１０Ｂが配置されて構成され、ＣＦ基板２０は、ガラス基板２０Ａ上に各画素に共通の電極として共通電極２０Ｂが配置されて構成されている。液晶層３０は、負の誘電率異方性を有する液晶分子３０Ａを含み、画素ごとに、それぞれ液晶分子３０Ａの配向方向の異なる領域、第１領域４０Ａと第２領域４０Ｂとを有している。

特に、この液晶パネルでは、配向方向を制御するための突起状の構造物や電極スリット等は設けられておらず、ＴＦＴ基板１０（画素電極１０Ｂ）、ＣＦ基板２０（共通電極２０Ｂ）は、液晶層３０に対して連続かつ平坦となっている。また、液晶分子３０Ａは、液晶層３０の特に垂直配向膜１１，１２との界面近傍領域において、ポリマー３０Ｃにより固定（プレチルト状態に保持）され、その配向方向が規制されている。以下、この液晶パネルの製造方法について説明する。

図２〜図６は、本発明の一実施の形態に係る液晶パネルの製造方法の工程を表した模式図である。この液晶パネルの製造方法は、負の誘電率異方性を有する垂直配向型の液晶表示素子の製造方法であり、ＴＦＴ基板１０とＣＦ基板２０との間に液晶層３０を封止する液晶封止工程と、磁場を印加する磁場印加工程と、磁場を印加したのち更に電圧を印加する電圧印加工程と、液晶層３０のモノマーを硬化させる硬化工程とを含むものである。また、液晶層３０の画素内の異なる複数の領域について、その領域ごとに上記工程を繰り返すことにより、配向分割（配向方向の異なる領域を混在させる）を行うものである。なお、この液晶パネルの製造方法は、図２に示したように、基板１０，２０間に複数の画素が形成された液晶パネルについての製造方法であるが、図３〜図６においては、簡便化のため、図２における領域Ｉ（一画素）についてのみ示す。また、図１〜図６では、ＴＦＴ基板１０やＣＦ基板２０における具体的な構成については省略している。

まず、図２に示したように、ＴＦＴ基板１０とＣＦ基板２０との間に液晶層３０を封止する（液晶封止工程）。

ＴＦＴ基板１０は、ガラス基板１０Ａの表面に、例えば、マトリクス状に複数の画素電極１０Ｂを設け、これら複数の画素電極１０Ｂをそれぞれ駆動するゲート・ソース・ドレイン等を備えた複数のＴＦＴスイッチング素子、これら複数のＴＦＴスイッチング素子にそれぞれ接続された複数の信号線や走査線等を配置することにより形成する。一方、ＣＦ基板２０は、例えばガラス基板２０Ａ上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタがストライプ状に設けられたカラーフィルタ（図示せず）と、有効表示領域のほぼ全面に亘って共通電極２０Ｂを設けることにより形成する。なお、画素電極１０Ｂおよび共通電極２０Ｂは、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明性を有する電極により構成されている。

また、形成したＴＦＴ基板１０の画素電極１０ＢおよびＣＦ基板２０の共通電極２０Ｂの表面には、後述の液晶分子３０Ａを基板に対して垂直方向に配列させるための垂直配向膜１１，２１を、それぞれ形成する。具体的には、垂直配向剤の塗布や、垂直配向膜を基板上に印刷し焼成することにより形成する。なお、このとき、配向制御のために、ＴＦＴ基板１０の表面およびＣＦ基板２０の表面に突起状の構造物を形成する必要はなく、画素電極１０Ｂおよび共通電極２０Ｂにスリット（電極を形成しない部分）を設ける必要もない。

他方、液晶層３０は、負の誘電率異方性を有する液晶（ネガ型ネマチック液晶）分子３０Ａを用いて形成する。この液晶分子３０Ａは、その長軸方向の誘電率が短軸方向よりも大きいという性質を有している。この性質により、電圧がオフのときは、液晶分子３０Ａの長軸が基板に対して垂直になるように配列し、電圧がオンになると、液晶分子３０Ａの長軸が基板に対して平行になるように傾いて配向する。また、液晶層３０は、さらに、硬化性を有する材料、例えば光硬化性を有するモノマー３０Ｂを添加して組成するようにする。モノマー３０Ｂは、紫外光等の光が照射されることにより重合しポリマーとなることで硬化する性質を有しており、例えばＮＫエステルＡ−ＢＰ−２Ｅ（新中村化学工業（株）製）により構成されている。

このようにして形成されたＴＦＴ基板１０あるいはＣＦ基板２０のどちらか一方の表面（垂直配向膜１１，２１の形成されている面）に対して、セルギャップを確保するためのスペーサ、例えばプラスチックビーズ等を散布すると共に、例えばスクリーン印刷法によりエポキシ接着剤等を用いて、シール部を印刷する。こののち、ＴＦＴ基板１０とＣＦ基板２０とを、それぞれの基板に形成された垂直配向膜１１，２１が対向するように、スペーサおよびシール部を介して貼り合わせ、液晶層３０を注入する。その後、加熱等によりシール部の硬化を行うことにより液晶層３０を基板間に封止する。

次に、図３に示したように、基板に封止された液晶層３０に磁場Ｈを印加する（磁場印加工程）。この際、磁場Ｈの印加方向と基板の法線とのなす角α（°）が０°＜α＜９０°となるようにし、例えば２０°とする。また、磁場の大きさは、例えば、０．０５〜５Ｔ、印加時間は、例えば、１〜５分とする。また、磁場Ｈを印加したのち、さらに電圧Ｖ（１０Ｖ程度）を印加するようにすることが好ましい（電圧印加工程）。電圧Ｖは、対向する基板の対向面に形成された画素電極１０Ｂと共通電極２０Ｂとの間に、例えば、図に示したような電圧印加手段２を介して印加する。なお、電圧Ｖの印加は、磁場Ｈを印加した状態で行ってもよく、一旦磁場Ｈ下から取り出したのち行うようにしてもよい。

続いて、図４に示したように、基板１０，２０に封止された液晶層３０に対し、紫外光ＵＶを照射することにより、モノマー３０Ｂを硬化させる（硬化工程）。この際、例えば、画素内の第１領域４０Ａにマスク５０を設けることにより、第２領域４０Ｂについてのみ露光するようにする。あるいは、マスク５０の代わりに、所定の開口パターンを有する石英基板（図示せず）を介して、選択的に露光するようにしてもよい。あるいは、１回目の露光時とは異なる開口パターンを有するマスクを介して上記の工程を複数回繰り返すようにしてもよい。ここで、図５に、図２〜図４の工程を経て形成された液晶層３０の液晶分子３０Ａの配向状態を模式的に示す。図５に示したように、紫外光ＵＶが照射された第２領域４０Ｂでは、モノマー３０Ｂが硬化してポリマー３０Ｃとなり、前述の磁場印加工程および電圧印加工程で規制された配向方向で液晶分子３０Ａがポリマー３０Ｃにより固定される。一方、マスク５０により露光していない第１領域４０Ａについては、液晶分子３０Ａの配向方向は確定せず、もとの状態（基板１０，２０に対して垂直の状態）に戻る。なお、この硬化工程は、磁場Ｈを印加して更に電圧Ｖを印加したのち、磁場Ｈおよび電圧Ｖを印加した状態で行うようにしてもよい。

次に、ＴＦＴ基板１０に形成したマスク５０を取り除き、第１領域４０Ａについて、再び上述の工程を繰り返す。磁場Ｈを再び印加する際には、図６に示したように、磁場Ｈの印加方向と基板の法線とのなす角β（°）が０°＜β＜９０°となるようにし、例えば２０°とする。ただし、第１領域４０Ａの液晶分子３０Ａの長軸が、第２領域４０Ｂの液晶分子３０Ａの配向方向とは異なる方向に向くように、磁場Ｈ下に置くようにする。また、第１領域４０Ａに紫外光ＵＶを照射する際（図示せず）には、第２領域４０Ｂが露光されないように、マスクを用いることが好ましい。これは、第２領域４０Ｂに残留するモノマーが露光により硬化すると、所望の方向とは異なる方向へポリマーが形成されるため、規制された液晶分子３０Ａの配向が乱れる虞れがあるためである。

以上の工程により、図１に示した液晶パネルを完成する。なお、液晶層３０の全ての領域について上記工程を行ったのち、パネル全面に対して、適宜条件を設定して再度紫外光ＵＶを照射する（図示せず）ようにすれば、液晶層３０に残留しているモノマーを低減させることができ、パネルの信頼性を向上させることができる。

次に、上記のような構成の液晶パネルの製造方法および液晶パネルの作用・効果を説明する。

本実施の形態の液晶パネルの製造方法では、負の誘電率異方性を有する垂直配向型の液晶パネルの製造方法において、基板１０，２０間に封止した液晶層３０に、基板１０，２０の法線に対して０°〜９０°の角度を有する方向に磁場Ｈを印加することにより、基板や電極に突起状の構造物や電極スリット等を形成することなく、磁場Ｈを印加した方向に対して液晶分子３０Ａを配向させることができる。これは、液晶分子３０Ａが、誘電率異方性を有すると共に、誘磁率についても異方性を有しているからと考えられる。

また、液晶層３０に磁場Ｈを印加したのち、さらに基板１０，２０間に電圧Ｖを印加することにより、液晶分子３０Ａの配向をより良好に制御することができる。液晶層３０に磁場Ｈを印加した直後の状態では、液晶層３０の中央付近の内部領域における液晶分子３０Ａの長軸は、磁場Ｈを印加した方向とほぼ同一方向を向く一方で、垂直配向膜１１，２１との界面近傍領域における液晶分子３０Ａは、中央付近の液晶分子３０Ａに比べて、その長軸の傾きの度合いが弱い（基板１０，２０に対して垂直に近い）配向状態となっている。このような液晶層３０に対し、さらに電圧Ｖを印加することにより、垂直配向膜１１，２１との界面近傍領域における液晶分子３０Ａの長軸の基板法線に対する傾きを大きくすることができる。

さらに、液晶層３０が光硬化性を有するモノマー３０Ｂを含み、液晶分子３０Ａの配向方向が規制された液晶層３０に対し紫外光ＵＶを照射して露光することにより、モノマー３０Ｂが重合してポリマー３０Ｃとなる。これにより、磁場Ｈの印加方向に基づき液晶分子３０Ａの配向状態が確定して、液晶分子３０Ａにいわゆるプレチルト角が付与される。従って、電圧に対する良好な応答特性を維持しつつ、突起物や電極スリット等に起因する局部的な暗視野が解消され、パネル開口率の向上した液晶パネルを製造することができる。

また、マスク５０等を用いて、液晶層３０の画素内の複数の領域ごとに、磁場Ｈを異なる方向に印加しつつ上述の工程を繰り返すことにより、配向方向の異なる（配向分割）領域を容易に形成することができる。これにより、視野角特性を向上させることができる。

本実施の形態の液晶パネルでは、負の誘電率異方性を有する垂直配向型の液晶パネルにおいて、電極間に電圧が印加されると、液晶分子がプレチルト状態に保持されていることにより、液晶分子が一定の方向に即座に傾倒するため、電圧に対する応答速度が向上する。特に、画素内において、液晶層３０を狭持するＴＦＴ基板１０（画素電極１１）およびＣＦ基板（共通電極２１）が、突起物や電極スリットを有しておらず、液晶層３０に対して連続かつ平坦に構成されているため、突起物や電極スリット等に起因する局部的な暗視野が解消され、パネル開口率を向上させることができる。従って、電圧に対する応答特性を維持しつつ、輝度を向上させることが可能となる。また、画素内に、液晶分子の配向方向が異なる領域を有していることにより、視野角特性を向上させることができる。

次に、本実施の形態の実施例について説明する。

（実施例）
実施例として、次のようにして液晶パネルを作製した。まず、ＴＦＴ、１５μｍ幅のゲート線、１２μｍ幅のデータ線、２０μｍ幅の蓄積キャパシタおよび画素電極を有するアレイ基板、カラーフィルタ、共通電極および４μｍのスペーサ突起物を有するカラーフィルタ基板、それぞれに対して垂直配向膜を塗布し、光硬化性モノマーを添加した液晶組成物を滴下注入後、前述２枚の基板を貼り合わせ、シールの硬化を行った。次に、基板片側にマスクを形成し、磁場下において印加方向とパネル法線方向が２０度の角度をなすように配置した。２分程度磁場下放置し、その後液晶パネルに１０Ｖの電圧を印加して、磁場下からパネルを取り出した。マスクを形成した基板側から紫外線を照射し、液晶組成物中に含有される光硬化性モノマーを重合させた。続いて、マスクを基板から取り除き、印加方向と基板法線方向が２０度の角度をなすように再度磁場下において２分程度放置した。同様に１０Ｖの電圧を印加して、磁場下からパネルを取り出し、紫外線照射を行うことで、前工程とは異なる領域の光硬化性モノマーを重合させた。このようにして、配向方向の異なる領域を１画素内に２つ形成した。

実施例の液晶パネルの比較例として、画素電極および共通電極に幅１０μｍ、間隙５０μｍのスリット部を有すること以外は、上記実施例と同様にして液晶パネルを作製した。実施例の液晶パネルと比較例の液晶パネルとを、開口率の面で比較すると、実施例の液晶パネルでは、比較例の開口率を２５％程度向上させることができた。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、配向方向の異なる領域を２つ形成する場合について説明したが、これに限られず配向方向が互いに異なる領域を３つ以上形成するようにしてもよい。また、電圧印加工程において印加する電圧としては、直流電圧を用いているが、これに限定されず、交流電圧を用いるようにしてもよい。また、液晶層に磁場を印加したのち、電圧を印加せずにモノマーを硬化させるようにしてもよい。なお、この際、磁場を印加したのち、磁場を印加した状態でモノマーを硬化させるようにしてもよく、あるいは、磁場下から一旦取り出したのち、硬化させるようにしてもよい。さらに、画素内において、異なる領域ごとに上記工程を行い、それぞれ液晶分子の配向方向が異なる（配向分割）領域を設けるようにしたが、画素内の液晶層に対して一括して上記工程を行い、配向分割しないようにしてもよい。また、硬化性材料として、光硬化性を有するモノマーを用いるようにしたが、これに限定されず、熱硬化性を有する材料を用いるようにしてよい。

本発明の一実施の形態に係る液晶パネルの模式図である。 本発明の一実施の形態に係る液晶パネルの製造工程を説明するための模式図である。 図２に続く工程を説明するための模式図である。 図３に続く工程を説明するための模式図である。 図４に続く工程を説明するための模式図である。 図５に続く工程を説明するための模式図である。

符号の説明

１…磁場印加手段、２…電圧印加手段、１０…ＴＦＴ基板、１０Ａ…ガラス基板、１０Ｂ…画素電極、１１，２１…垂直配向膜、２０…ＣＦ基板、２０Ａ…カラーフィルタ、２０Ｂ…共通電極、３０…液晶層、３０Ａ…液晶分子、３０Ｂ…光硬化性モノマー、３０Ｃ…ポリマー、４０Ａ…第１領域、４０Ｂ…第２領域、５０…マスク。

Claims (4)

1. 負の誘電率異方性を有すると共に硬化性材料を含む液晶層を一対の基板間に封止する工程と、
   前記一対の基板間に封止された液晶層に、前記基板の法線に対して所定の角度を有する方向に磁場を印加する工程と、
   前記磁場を印加したのち、前記硬化性材料を硬化させる工程と
   を含むことを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
2. 前記磁場を印加した後、前記硬化性材料を硬化させる前に、前記一対の基板間に電圧を印加する
   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。
3. 前記磁場を印加する工程は、
   前記基板の法線に対して所定の角度方向に磁場を印加する第１の磁場印加工程と、
   前記基板の法線に対して前記所定の角度とは異なる方向に磁場を印加する第２の磁場印加工程とを含み、
   前記硬化性材料を硬化させる工程は、
   前記第１の磁場印加工程の後、前記一対の基板間に封止された液晶層のうち各画素内の一の領域を露光して、前記一の領域の前記硬化性材料を硬化させる第１の硬化工程と、
   前記第２の磁場印加工程の後、前記一対の基板間に封止された液晶層のうち各画素内の他の領域を露光して、前記他の領域の前記硬化性材料を硬化させる第２の硬化工程と
   を含む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。
4. 対向配置された一対の基板と、
   前記一対の基板の対向する面に設けられた一対の電極と、
   前記一対の電極間に垂直配向膜を介して設けられ、負の誘電率異方性を有すると共にプレチルト状態に保持された液晶分子を含む液晶層とを備え、
   前記基板および前記電極が、前記液晶層に対して連続かつ平坦である
   ことを特徴とする液晶表示素子。

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