JP2009282063A - 垂直配向型液晶表示素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】視角補償を行う、高コントラスト比の液晶表示素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】垂直配向膜を内側にして対向する一対の基板間に挟持された垂直配向型液晶層と、一対の基板の少なくとも一方の透明基板と透明電極との間に形成された視角補償構造と、一対の基板の外側に配置され、偏光軸がクロスニコル配置の一対の偏光板とを有し、視角補償構造は、第１方向に配向処理をされた第１水平配向膜と、第１水平配向膜に積層して形成され、正の光学異方性と面内方向の光軸とをもつ第１Ａプレート用材料膜と、第１Ａプレート用材料膜上方に形成され、第１方向と直交する第２方向に配向処理をされた第２水平配向膜と、第２水平配向膜に積層して形成され、正の光学異方性、第１Ａプレート用材料膜の光軸と直交する、面内方向の光軸、及び第１Ａプレート用材料膜と等しいリターデーションをもつ第２Ａプレート用材料膜とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直配向型液晶表示素子、及びその製造方法に関し、特に視角補償構造を有する液晶表示素子及びその製造方法に関する。

垂直配向型液晶表示装置は垂直配向膜と誘電率異方性が負の液晶分子を用いる。印加電圧オフ状態で液晶分子が基板に垂直に配向し、基板法線方向から見た面内屈折率分布が等方的になる。クロスニコル配置の偏光板と組み合わせると、印加電圧オフ時の基板法線方向の光透過率はクロスニコル配置の偏光板により支配され、極めて高いコントラストを実現できる。垂直配向した液晶分子は一般的に基板法線方向に正の光学異方性を有し、観察角度を基板法線方向から傾けて行くと、液晶層厚さ方向の屈折率異方性が現れ、漏れ光が増加する。漏れ光を抑制するためには、液晶セルの光学異方性を補償することが考えられる。

特開昭６２−２１０４２３号公報は、垂直配向液晶セルと偏光板の少なくとも一方との間に、厚さ方向に負の光学異方性を持つ光学フィルム、例えばＣプレート、で形成された複屈折補償媒体を配置した液晶表示装置を提案している。液晶セルが有する、厚さ方向に正の光学異方性を、複屈折補償媒体が有する、厚さ方向に負の光学異方性が補償し、垂直配向型液晶表示装置の視角特性を改善する。補償媒体は、例えば厚さ方向に加圧した熱可塑性材料膜（例えばデュポン（株）から入手可能なサ−リン）を加熱して等方相とした後、取り出し、冷却して収縮させることにより作成される。

良好な補償効果を得るには、垂直配向液晶セルのリターデーションの大きさと、Ｃプレートなどの補償板のリターデーションの大きさをほぼ等しくすることが望ましい。複数枚の補償板を用いることが例示されている。

反射モードと透過モードで動作可能な半透過反射型液晶表示装置が知られている。偏光方向の制御のために、直線偏光子とλ／４板（位相差板）の組み合わせによる円偏光子が用いられる。位相差板を液晶セルの外側に配置した構成では、透過モードの時、バックライトから出射し、電極で反射された光を再利用できず、光利用効率が低い。

特開２００３−２７９９５６号公報は、位相差板を液晶セルの内部に配置した液晶表示装置を提案する。透過モードの時、バックライトから出射し、電極で反射された光が偏光軸を回転させず、偏光板を透過するので再利用が可能となり、光利用効率を向上できる。

液晶セル内の位相差板は、例えば半透過型電極上に配向膜を塗布し、ラビングした後、その上に液晶性モノマである紫外線キュアラブル液晶溶液を塗布し、乾燥、加熱して液晶性モノマを配向し、紫外線照射によって光重合させ、現像することによって作成する。高分子液晶を用いて、位相差板を作成することも開示されている。

この位相差板は、光軸が面内にあり、正の光学異方性を持つ膜であり、位相差を調整することにより、λ／４の位相差を実現している。特定の位相差の条件を除外すれば、いわゆるＡプレートとなる。

特開昭６２−２１０４２３号公報 特開２００３−２７９９５６号公報

垂直配向液晶表示素子において、厚さ方向に負の光学異方性を有する視角補償膜を液晶セル内に配置できれば、液晶表示素子の構成部品数の減少、小型化などが可能になる。

本発明の目的は、液晶セル内にＣプレート同様の機能を有する視角補償膜を形成した、高コントラスト比の垂直配向型液晶表示素子及びその製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、透明基板、透明電極、及び該透明電極を覆って形成された垂直配向膜を有し、該垂直配向膜を内側にして対向する一対の基板と、前記一対の基板に挟持された垂直配向型液晶層と、前記一対の基板の少なくとも一方の透明基板と透明電極との間に形成された視角補償構造と、前記一対の基板の外側に配置され、偏光軸がクロスニコル配置の一対の偏光板とを有し、前記視角補償構造は、第１の方向に配向処理をされた第１の水平配向膜と、前記第１の水平配向膜に積層して形成され、正の光学異方性と面内方向の光軸とをもつ第１のＡプレート用材料膜と、前記第１のＡプレート用材料膜上方に形成され、前記第１の方向と直交する第２の方向に配向処理をされた第２の水平配向膜と、前記第２の水平配向膜に積層して形成され、正の光学異方性、前記第１のＡプレート用材料膜の光軸と直交する、面内方向の光軸、及び前記第１のＡプレート用材料膜と等しいリターデーションをもつ第２のＡプレート用材料膜とを備える垂直配向型液晶表示素子が提供される。

本発明の他の観点によれば、（ａ）一対の透明基板を準備する工程と、（ｂ）前記一対の透明基板の少なくとも一方の透明基板の表面上方に第１の水平配向膜を形成し、前記第１の水平配向膜に第１の方向に配向処理を施す工程と、（ｃ）前記配向処理を施された第１の水平配向膜に積層して、正の光学異方性と面内方向の光軸とをもつ第１のＡプレート用材料膜を形成する工程と、（ｄ）前記第１のＡプレート用材料膜の上方に第２の水平配向膜を形成し、前記第２の水平配向膜に前記第１の方向と直交する第２の方向に配向処理を施す工程と、（ｅ）前記配向処理を施された第２の水平配向膜に積層して、正の光学異方性、前記第１のＡプレート用材料膜の光軸と直交する、面内方向の光軸、及び前記第１のＡプレート用材料膜と等しいリターデーションをもつ第２のＡプレート用材料膜を形成する工程と、（ｆ）前記第２のＡプレート用材料膜上方に透明電極を形成する工程と、（ｇ）前記透明電極を覆って垂直配向膜を形成する工程と、（ｈ）前記垂直配向膜を内側にし、前記一対の垂直配向膜間に誘電率異方性が負の液晶層を挟持し、垂直配向型液晶セルを構成する工程と、（ｉ）前記垂直配向型液晶セルの外側にクロスニコル配置の偏光板を配置する工程とを有する垂直配向型液晶表示素子の製造方法が提供される。

Ａプレート用材料を用いて、Ｃプレート同様の機能を有する視角補償膜を形成することができる。Ｃプレート同様の機能を有する視角補償膜を液晶セル内部に備えた、高コントラスト比の液晶表示素子及びその製造方法を提供することができる。

垂直配向型液晶表示素子の視角補償のためには、厚さ方向に負の光学異方性を有するＣプレートを備えることが望まれる。しかし、Ａプレート用材料は入手できるが、Ｃプレート用材料は現在入手困難である。

本願発明者は、特願２００８−０８１５８５号において、Ａプレート用材料を用い、光軸を直交させた一対のＡプレートの積層で、Ｃプレート同様の光学特性を実現することを提案した。この提案によれば、液晶セル内に視角補償素子を設けることが可能であるＡプレートのみを用いて、垂直配向型液晶表示素子の視角補償を実現することができる。

図１は、先の提案による垂直配向型液晶表示素子の概略断面図を示す。図中下が液晶表示素子の背面である。垂直配向型液晶表示素子は、背面から順に、バックライト９、下側（背面側）偏光板８ａ、下側（背面側）基板１ａ、下側基板の水平配向用配向膜２ｘ、第１のＡプレート３、第２のＡプレート４、下側基板の透明電極５ａ、下側基板の垂直配向膜６ａ、負の誘電率異方性を有する垂直配向液晶層７、上側基板の垂直配向膜６ｂ、上側基板の透明電極５ｂ、上側（前面側）基板１ｂ、上側（前面側）偏光板８ｂを含む。下側基板１ａ、水平配向用配向膜２ｘ、第１のＡプレート３、第２のＡプレート４、透明電極５ａ、垂直配向膜６ａが下側基板構造を構成し、上側基板１ｂ、透明電極５ｂ、垂直配向膜６ｂが上側基板構造を構成し、その間に垂直配向液晶層７を挟持して、液晶セルを構成する。液晶セルの周囲はシール材で封止される。

第１のＡプレート３及び第２のＡプレート４は、たとえば高分子液晶や液晶性モノマ重合体からなり、それらを溶液の状態で基板構造内面に塗布し、その後膜硬化することにより作製される。両Ａプレート３、４は、正の光学異方性を有し、リターデーションが等しく、面内方向に存する光軸が相互に直交するように積層配置される。このような第１及び第２のＡプレート３、４の積層構造が、少なくとも片方の基板構造内に形成されることで視角補償が実現される。

なお、水平配向用配向膜２ｘは、第１のＡプレート３を配向させるための配向膜である。また、先の提案には、配向膜２ｘ上に第１のＡプレート３を形成し、その表面にその光軸と直交する方向にラビング等の配向処理を施した後、第１のＡプレート３の表面上に第２のＡプレート４を形成する発明も含まれている。

しかし、先の提案に係る垂直配向型液晶表示素子においては、液晶セルの外側に視角補償素子を配置した垂直配向型液晶表示素子に比べて、正面方向を含めコントラスト比が低下する場合があることが認められた。本願発明者がこの原因につき鋭意研究した結果、第１のＡプレート３上に形成された第２のＡプレート４の配向のわずかな乱れに基づくことが判明した。

図２は、実施例による垂直配向型液晶表示素子の概略断面図を示す。図中下が液晶表示素子の背面である。実施例による垂直配向型液晶表示素子は、背面から順に、バックライト９、下側（背面側）偏光板８ａ、下側（背面側）基板１ａ、下側基板の第１の水平配向用配向膜２ｘ、第１のＡプレート３、下側基板の第２の水平配向用配向膜２ｙ、第２のＡプレート４、下側基板の透明電極５ａ、下側基板の垂直配向膜６ａ、負の誘電率異方性を有する垂直配向液晶層７、上側基板の垂直配向膜６ｂ、上側基板の透明電極５ｂ、上側（前面側）基板１ｂ、上側（前面側）偏光板８ｂを含む。

図１に示した先の提案による垂直配向型液晶表示素子とは、下側基板の第２の水平配向用配向膜２ｙを含む点において相違する。

下側基板１ａ、第１の水平配向用配向膜２ｘ、第１のＡプレート３、第２の水平配向用配向膜２ｙ、第２のＡプレート４、透明電極５ａ、垂直配向膜６ａが下側基板構造を構成し、上側基板１ｂ、透明電極５ｂ、垂直配向膜６ｂが上側基板構造を構成し、その間に垂直配向液晶層７を挟持して、液晶セルを構成する。液晶セルの周囲はシール材で封止される。

第１のＡプレート３及び第２のＡプレート４は、たとえば高分子液晶や液晶性モノマ重合体によって形成される。両Ａプレート３、４は、正の光学異方性を有し、リターデーションが等しく、面内方向に存する光軸が相互に直交するように配置される。

配向膜２ｘ、２ｙは、それぞれ第１、第２のＡプレート３、４を配向させるための水平配向用配向膜である。他方、配向膜６ａ、６ｂはポリイミド等で形成される垂直配向膜である。

図２には、第１のＡプレート３上に配向膜２ｙが積層されて形成されているが、この場合も含んで、配向膜２ｙは第１のＡプレート３の上方に形成されていればよい。

図３（Ａ）及び（Ｂ）の基板断面図を参照して、実施例による垂直配向型液晶表示素子の製造方法を説明する。

図３（Ａ）に示すように、下側基板１ａの表面に、チッソ（株）製水平配向用配向膜材ＳＥ−３０００を塗布焼成し、水平配向用配向膜を形成する。形成した水平配向用配向膜をレーヨン製のラビング布を用いて第１の方向にラビングし、配向処理を施すことで配向膜２ｘを形成する。

配向膜２ｘ上に紫外線重合材料である、液晶性モノマ重合体溶液をスピンコート法により塗布する。インクジェット法やスリットコーター法により塗布しても良い。液晶性モノマ重合体溶液はたとえばメルク（株）製の材料が使用できる。

液晶性モノマ重合体溶液膜を５５℃でプリベイクし、溶媒を蒸発させる。乾燥後の液晶性モノマ膜に紫外線を照射して架橋反応を起こさせ第１のＡプレート３を得る。例において、照射した紫外線は、波長３６０ｎｍで、紫外線量は約２Ｊ／ｃｍ^２であった。

形成された第１のＡプレート３は綺麗に一軸配向しており、そのリターデーションは２６０ｎｍであった。

次に、第１のＡプレート３表面上に水平配向用配向膜２ｙを塗布焼成する。配向膜２ｙは、日立化成工業（株）製の低温焼成タイプ配向膜材料ＨＬ−１１０４を使用し、１００℃で焼成し成膜した後、レーヨン製のラビング布を用いて第１の方向と直交する第２の方向にラビングし、配向処理を施すことで得る。なお、配向膜２ｘの場合と異なって配向膜２ｙの成膜に低温焼成タイプ配向膜材料を用いるのは、配向膜２ｙの焼成時において、第１のＡプレートへの熱ダメージを軽減するためである。

続いて、配向膜２ｙ上に第２のＡプレート４を、第１のＡプレート３と同じ厚さに形成する。使用する材量、及び形成方法は、第１のＡプレート３を形成する場合と同じである。

形成された第２のＡプレート４のリターデーションは、第１のＡプレート３があるため直接には測定できない。しかし、第２のＡプレート４が形成された基板を直交ニコル配置された偏光板間で回転させたところ、いずれの角度においても完全な遮光状態が保たれたことから、第２のＡプレート４のリターデーションは、第１のＡプレート３のそれと等しい２６０ｎｍであると考えられる。リターデーションが等しく、光軸が相互に直交するように積層された２枚のＡプレートは、そのＡプレートとほぼ同じリターデーションを有するＣプレートと等しい光学的性質を備える。

配向膜２ｘ、２ｙ及びＡプレート３、４以外の構成要件は、通常の工程で作製可能である。

第２のＡプレート４上にインジウム−錫酸化物（ＩＴＯ）膜をスパッタリングで堆積し、フォトレジストパターンをマスクとしてＩＴＯ膜をエッチングして、所定パターンの透明電極５ａを形成する。透明電極５ａの下地として、平坦化機能を有するアクリル系樹脂膜を形成してもよい。

透明電極５ａを覆って基板上に垂直配向膜６ａを成膜し、ラビングして配向処理を行う。垂直配向膜６ａの形成には、たとえば日産化学工業（株）製の垂直配向膜ＳＥ−１２１１を用いる。

図３（Ｂ）を参照する。上側基板１ｂ上に、透明電極５ｂ及び垂直配向膜６ｂを、下側基板１ａの場合と同様の工程で作製する。この場合、垂直配向膜６ａ、６ｂのラビング方向が互いにアンチパラレルとなるように、垂直配向膜６ｂのラビングを行う。これによって所定のプレティルト角を有する垂直配向が実現される。

こうして作製した上下基板の片側に、スペーサを混ぜたシール材を塗布して基板同士を間隙を持って貼りあわせ、空セルを作製する。作製した空セルに真空注入法などで液晶を注入して液晶セルを作製する。液晶はたとえばメルク（株）製の複屈折率が０．０９で誘電率異方性が負の液晶を用いる。なお、液晶の注入は、基板を貼りあわせる前に滴下注入法などで行っても良い。例ではセル厚は４μｍとした。液晶層７のリターデーションは３６０ｎｍとなる。

作製した液晶セルの前面と背面に、偏光軸がクロスニコル配置の偏光板８ａ、８ｂを貼りあわせ、液晶表示素子を完成する。偏光板８ａ、８ｂは、液晶セル側の基材に各々５０ｎｍのリターデーションを有するＣプレートと同様の光学特性を備えている。このため上下両側の偏光板基材のリターデーションと、第１及び第２のＡプレート３、４のリターデーションとの和は３６０ｎｍとなり、垂直配向型液晶表示素子のリターデーションと等しくなる。

図４に、実施例における液晶表示素子を正面（基板法線方向）から見た場合における、液晶分子の傾きの面内方向、偏光板偏光軸方向ならびに第１及び第２のＡプレートの光軸を示す。

図示のように、第１のＡプレート３と第２のＡプレート４の光軸はお互いが略直交する。また、どちらか一方のＡプレートの光軸が、液晶分子が配向処理により傾く方向と平行である。

偏光板８ａ、８ｂの偏光軸方向と、第１、第２のＡプレートの光軸とは略４５°の角度を為すように偏光板の軸方向を設定する。

なお、Ａプレートの光軸は上下逆でも良いし、偏光板の軸方向も上下逆であっても良い。

図５（Ａ）は、実施例による垂直配向型液晶表示素子の視角特性を示す。円周方向が基板面内の曲座標の方位角（０°−３６０°）を示し、半径方向が基板法線方向からの曲座標の極角を示す。図中左側に示す縦軸は、半径方向の極角を示す。

等コントラスト比曲線は実線で示され、内側からコントラスト比（ＣＲ）８０％、４０％、１０％、５％、２％、１％である。

図５（Ｂ）に、先の提案による液晶表示素子の視角特性を等コントラスト比曲線で示す。

なお、コントラスト比は、表示パターンにおける明状態の透過率と暗状態の透過率との比から算出した。

図５（Ａ）及び（Ｂ）に示された２つの視角特性を比較すると、図５（Ａ）に示された実施例による液晶表示素子の視角がやや広いものの、大きな差は見られない。しかし両者の正面方向のコントラスト比については、実施例による液晶表示素子のコントラスト比が３００であったのに対して、先の提案による液晶表示素子のそれは１７０であった。このことから、実施例による垂直配向型液晶表示素子は高コントラスト比を実現できることが分かった。

なお、Ａプレートのリターデーションは、材料的、膜厚的な制限により３００ｎｍ程度が限界であろう。

たとえばこの場合においては、４枚もしくは６枚、更にはそれ以上の枚数のＡプレートを用いることが考えられる。たとえば４枚のＡプレートを用いる際には、片側の基板構造内に４枚のＡプレートを、隣り合うＡプレートの光軸が直交するように配置してもよいし、実施例に示したような２枚のＡプレートの配置を両基板構造内に作製してもよい。

実施例の液晶表示素子によれば、Ｃプレートと同様の光学的機能を持つＡプレート積層体を視角補償膜として基板の内側に設けることで、視角特性が向上すると共に、薄型化などが図れる。また、コントラスト比の高い表示を実現することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば、実施例による液晶表示素子においては、第１の水平配向用配向膜２ｘ、第１のＡプレート３、第２の水平配向用配向膜２ｙ、及び第２のＡプレート４の積層構造が、下側基板構造内に形成されているが、当該積層構造は少なくとも片方の基板構造内に形成されていればよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

先の提案による垂直配向型液晶表示素子の概略断面図である。 実施例による垂直配向型液晶表示素子の概略断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例による垂直配向型液晶表示素子の製造方法を説明する基板断面図である。 実施例における液晶表示素子を正面（基板法線方向）から見た場合における、液晶分子の傾きの面内方向、偏光板偏光軸方向ならびに第１及び第２のＡプレートの光軸を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ実施例、先の提案による液晶表示素子の視角特性を等コントラスト比曲線で示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 基板
２ｘ、２ｙ、６ａ、６ｂ 配向膜
３、４ Ａプレート
５ａ、５ｂ 透明電極
７ 液晶層
８ａ、８ｂ 偏光板
９ バックライト

Claims (8)

1. 透明基板、透明電極、及び該透明電極を覆って形成された垂直配向膜を有し、該垂直配向膜を内側にして対向する一対の基板と、
   前記一対の基板に挟持された垂直配向型液晶層と、
   前記一対の基板の少なくとも一方の透明基板と透明電極との間に形成された視角補償構造と、
   前記一対の基板の外側に配置され、偏光軸がクロスニコル配置の一対の偏光板と
   を有し、
   前記視角補償構造は、
   第１の方向に配向処理をされた第１の水平配向膜と、
   前記第１の水平配向膜に積層して形成され、正の光学異方性と面内方向の光軸とをもつ第１のＡプレート用材料膜と、
   前記第１のＡプレート用材料膜上方に形成され、前記第１の方向と直交する第２の方向に配向処理をされた第２の水平配向膜と、
   前記第２の水平配向膜に積層して形成され、正の光学異方性、前記第１のＡプレート用材料膜の光軸と直交する、面内方向の光軸、及び前記第１のＡプレート用材料膜と等しいリターデーションをもつ第２のＡプレート用材料膜と
   を備える垂直配向型液晶表示素子。
2. 前記一対の偏光板の偏光軸と、前記第１及び第２のＡプレート用材料膜の光軸とが、４５°の角度をなす請求項１に記載の垂直配向型液晶表示素子。
3. 前記視角補償構造が、前記一対の基板の双方に形成されている請求項１または２に記載の垂直配向型液晶表示素子。
4. 前記第１及び第２のＡプレート用材料が、高分子液晶、または液晶性モノマの重合体で形成されている請求項１〜３のいずれか１項記載の垂直配向型液晶表示素子。
5. （ａ）一対の透明基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記一対の透明基板の少なくとも一方の透明基板の表面上方に第１の水平配向膜を形成し、前記第１の水平配向膜に第１の方向に配向処理を施す工程と、
   （ｃ）前記配向処理を施された第１の水平配向膜に積層して、正の光学異方性と面内方向の光軸とをもつ第１のＡプレート用材料膜を形成する工程と、
   （ｄ）前記第１のＡプレート用材料膜の上方に第２の水平配向膜を形成し、前記第２の水平配向膜に前記第１の方向と直交する第２の方向に配向処理を施す工程と、
   （ｅ）前記配向処理を施された第２の水平配向膜に積層して、正の光学異方性、前記第１のＡプレート用材料膜の光軸と直交する、面内方向の光軸、及び前記第１のＡプレート用材料膜と等しいリターデーションをもつ第２のＡプレート用材料膜を形成する工程と、
   （ｆ）前記第２のＡプレート用材料膜上方に透明電極を形成する工程と、
   （ｇ）前記透明電極を覆って垂直配向膜を形成する工程と、
   （ｈ）前記垂直配向膜を内側にし、前記一対の垂直配向膜間に誘電率異方性が負の液晶層を挟持し、垂直配向型液晶セルを構成する工程と、
   （ｉ）前記垂直配向型液晶セルの外側にクロスニコル配置の偏光板を配置する工程と
   を有する垂直配向型液晶表示素子の製造方法。
6. 前記工程（ｂ）及び（ｄ）において、ラビングによって配向処理を施す請求項５に記載の垂直配向型液晶表示素子の製造方法。
7. 前記工程（ｉ）において、偏光軸と前記第１及び第２のＡプレート用材料膜の光軸とが、４５°の角度をなすように、前記偏光板を配置する請求項５または６に記載の垂直配向型液晶表示素子の製造方法。
8. 前記工程（ｃ）及び（ｅ）において、前記第１及び第２のＡプレート用材料膜を高分子液晶、または液晶性モノマの重合体で形成する請求項５〜７のいずれか１項に記載の垂直配向型液晶表示素子の製造方法。

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