JP2020173309A - 液晶パネル - Google Patents
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Abstract
【課題】液晶溜まりの問題を解消する。【解決手段】液晶パネル10は、液晶層10Cと、液晶層10Cを挟み込む一対の基板10A,10Bと、一対の基板10A,10Bのうちの一方の基板10Aから他方の基板10Bへ向けて突出するよう形成されて他方の基板10B側に当接されることで一対の基板10A,10Bの間の間隔Dを保持するスペーサ12と、一方の基板10Aにおいてスペーサ12の下層側に配されるオーバーコート膜19であって、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下となるよう構成されるオーバーコート膜19と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、液晶パネルに関する。
従来の液晶パネルの一例として下記特許文献1に記載されたものが知られている。この液晶パネルは、各辺が1m以上である矩形状の基材と、前記基材の複数の画素領域上にそれぞれ形成された着色層と、前記基材の各画素領域上に複数本形成された柱状スペーサとを有するカラーフィルタ用多面付け基板を備える。カラーフィルタ用多面付け基板は、前記各画素領域における、前記柱状スペーサの上底面の面積の合計が、前記各画素領域の面積を1とした場合に0.0002〜0.0006の範囲内とされる。
上記した特許文献1に記載された液晶パネルによれば、画素領域に対する柱状スペーサの上底面の面積の比率が上記した数値範囲内とされることで、液晶層中の液晶が下に流れ落ちて生じる重力ムラがないものとされる。しかしながら、重力ムラの問題は、上記のようなスペーサの面積比率に係る数値範囲内であれば全て解消されるとは限らない。例えば、液晶パネルを構成する基板と液晶層との界面における表面状態によっては重力ムラの問題が解消されない可能性もある。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、液晶溜まりの問題を解消することを目的とする。
(1)本発明の一実施形態は、液晶層と、前記液晶層を挟み込む一対の基板と、前記一対の基板のうちの一方の基板から他方の基板へ向けて突出するよう形成されて前記他方の基板側に当接されることで前記一対の基板の間の間隔を保持するスペーサと、前記一方の基板において前記スペーサの下層側に配されるオーバーコート膜であって、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップが4nm以下となるよう構成されるオーバーコート膜と、を備える液晶パネルである。
(2)また、本発明のある実施形態は、上記(1)の構成に加え、前記オーバーコート膜は、前記基準範囲の実測表面積を、前記基準範囲を平滑面と仮定したときの仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が0.071%以下となるよう構成される液晶パネルである。
(3)また、本発明のある実施形態は、上記(1)または上記(2)の構成に加え、前記オーバーコート膜は、紫外線硬化性樹脂材料からなる液晶パネルである。
(4)また、本発明のある実施形態は、上記(1)から上記(3)のいずれか1つの構成に加え、前記オーバーコート膜及び前記スペーサの上層側にて前記液晶層に臨むよう配されていて前記液晶層に含まれる液晶分子を配向させるよう光配向処理がなされた光配向膜を備える液晶パネルである。
本発明によれば、液晶溜まりの問題を解消することができる。
<実施形態>
本発明の一実施形態を図1から図20によって説明する。本実施形態では、液晶パネル10について例示する。この液晶パネル10は、バックライト装置(照明装置)からの光を利用して画像を表示するものである。なお、各図面の一部にはX軸、Y軸及びZ軸を示しており、各軸方向が各図面で示した方向となるように描かれている。また、図1及び図2などの上側を表側とし、下側を裏側とする。
本発明の一実施形態を図1から図20によって説明する。本実施形態では、液晶パネル10について例示する。この液晶パネル10は、バックライト装置(照明装置)からの光を利用して画像を表示するものである。なお、各図面の一部にはX軸、Y軸及びZ軸を示しており、各軸方向が各図面で示した方向となるように描かれている。また、図1及び図2などの上側を表側とし、下側を裏側とする。
図1は、液晶パネル10の概略的な断面図である。液晶パネル10は、図1に示すように、一対の基板10A,10Bと、一対の基板10A,10Bの間に挟み込まれる液晶層10Cと、を少なくとも備える。一対の基板10A,10Bは、いずれも透明なガラス基板の内面側に各種の膜が積層形成されてなる。一対の基板10A,10Bのうち、表側(正面側)がCF基板(一方の基板、対向基板)10Aとされ、裏側(背面側)がアレイ基板(他方の基板、アクティブマトリクス基板、TFT基板)10Bとされる。液晶層10Cは、電界印加に伴って光学特性が変化する物質である液晶分子を含む液晶材料からなる。本実施形態に係る液晶層10Cを構成する液晶材料は、誘電率異方性が正の液晶材料(ポジ型の液晶材料)である。本実施形態に係る液晶パネル10は、長方形状をなしており、例えば一対の基板10A,10Bにおける長辺方向が各図面のX軸方向と、短辺方向が各図面のY軸方向と、厚さ方向(板面の法線方向)が各図面のZ軸方向と、それぞれ一致している。
液晶パネル10には、図1に示すように、液晶層10Cを取り囲む形で一対の基板10A,10Bの外周端部の間に介在するシール部11と、シール部11よりも中央側に配されて一対の基板10A,10Bの中央側部分の間に介在するスペーサ12と、が設けられている。シール部11は、例えば紫外線硬化性樹脂材料や熱硬化性樹脂材料などからなり、一対の基板10A,10Bの間に挟み込まれた液晶層10Cを封止するよう枠状をなす。スペーサ12は、一対の基板10A,10BのうちのCF基板10Aに設けられている。スペーサ12は、CF基板10Aから液晶層10Cを貫きつつアレイ基板10B側に向けて突出する略柱状に形成されていて、その突出先端面がアレイ基板10Bの内面に当接されることで、一対の基板10A,10Bの間の間隔D、つまり液晶層10Cの厚み(セルギャップ)を保持する。スペーサ12によって保持される液晶層10Cの厚みは、例えば2μm〜5μm程度とされるのが好ましいが、必ずしもその限りではない。また、以下では、液晶パネル10における長辺方向(X軸方向)についての内寸を長さ寸法(高さ寸法)Hとし、液晶パネル10における短辺方向(Y軸方向)についての内寸を幅寸法Wとする。なお、上記した「液晶パネル10の内寸」とは、シール部11の内周側端面間の寸法、つまり液晶層10Cの外寸のことである。
次に、液晶パネル10の内部構造について図2を用いて説明する。図2は、液晶パネル10のうち画像が表示される表示領域における断面図である。図2では、液晶パネル10の内部構造に係る各種構造物の図示を簡略化している。アレイ基板10Bの内面側における表示領域には、図2に示すように、画素回路部13、画素電極14及び共通電極15が少なくとも設けられている。画素回路部13は、走査信号を伝送するゲート配線(走査配線)と、画像信号を伝送するソース配線(信号配線)と、ゲート配線及びソース配線に接続されるスイッチング素子であるTFT(Thin Film Transistor)と、を少なくとも有する。ゲート配線は、金属膜(第1金属膜)からなりX軸方向に沿って延在していてY軸方向に沿って多数本が間隔を空けて並んで配される。ソース配線は、ゲート配線に対してゲート絶縁膜を介して上層側に配される金属膜(第2金属膜)からなり、Y軸方向に沿って延在していてX軸方向に沿って多数本が間隔を空けて並んで配される。TFTは、半導体膜からなるチャネル部などを有する既知の構成であり、画素電極14に接続されている。TFTは、ゲート配線に伝送される走査信号に基づいて駆動され、ソース配線に伝送される画像信号を、チャネル部を介して画素電極14に供給し、画素電極14を所定の電位に充電する。TFT及び画素電極14は、ゲート配線及びソース配線により囲まれた領域に配されており、X軸方向及びY軸方向に沿って多数個ずつマトリクス状に並んで配されている。画素電極14は、透明電極膜からなる。共通電極15は、画素電極14と同様に透明電極膜からなり、画素電極14に対して透明電極膜間絶縁膜(層間絶縁膜)16を介して下層側に配されている。共通電極15は、表示領域の全域にわたって延在するベタ状をなしており、全ての画素電極14と重畳するよう配されている。共通電極15は、画素回路部13によってほぼ一定の共通電位(基準電位)が供給されている。画素電極14と共通電極15との間の電位差に基づいて発生する電界には、アレイ基板10Bの板面に沿う成分に加えて、アレイ基板10Bの板面に対する法線方向の成分を含むフリンジ電界(斜め電界)が含まれる。従って、この液晶パネル10は、フリンジ電界を利用して液晶層10Cに含まれる液晶分子の配向状態を制御する、いわゆるFFS(Fringe Field Switching)モードとされている。
次に、CF基板10Aの内部構造について説明する。CF基板10Aの内面側における表示領域には、図2に示すように、各画素電極14と重畳する位置に多数個のカラーフィルタ17が設けられている。カラーフィルタ17は、赤色(R),緑色(G),青色(B)を呈する3色がX軸方向に沿って繰り返し交互に並ぶ配置とされるとともに、それらがY軸方向に沿って延在することで、全体としてストライプ状に配列されている。CF基板10Aの内面側には、隣り合うカラーフィルタ17間を仕切ることで混色を防ぐなどのために遮光部(ブラックマトリクス)18が設けられている。遮光部18は、表示領域においてゲート配線及びソース配線と重畳するよう格子状をなしている。カラーフィルタ17及び遮光部18の上層側には、オーバーコート膜19が形成される。オーバーコート膜19は、CF基板10Aにおいてほぼ全域にわたって概ねベタ状に設けられており、その膜厚が例えば1.5μm程度とされる。オーバーコート膜19は、自身よりも下層側に生じた段差を平坦化するのに機能する。オーバーコート膜19の上層側には、既述したスペーサ12が設けられている。スペーサ12は、例えば光透過性を有する樹脂材料からなり、オーバーコート膜19の表面からZ軸方向に沿ってアレイ基板10B側に向けて突出している。スペーサ12は、光透過性を有するものの、自身の付近において液晶材料の配向を乱し易いことから、遮光部18やアレイ基板10B側の各種配線(遮光構造物)などに対して重畳するよう配されるのが好ましいが、必ずしもその限りではない。スペーサ12は、CF基板10Aの板面内において規則的に配列されるのが好ましいが、必ずしもその限りではない。
両基板10A,10Bのうち液晶層10Cに接する最内面には、図2に示すように、液晶層10Cに含まれる液晶分子を配向させるためのアレイ側光配向膜20及びCF側光配向膜(光配向膜)21がそれぞれ設けられている。アレイ側光配向膜20及びCF側光配向膜21は、各基板10A,10Bにおいて少なくとも表示領域のほぼ全域にわたってベタ状にそれぞれ形成されており、その厚みが例えば100nm程度とされる。アレイ側光配向膜20及びCF側光配向膜21は、いずれも例えばポリイミドなどの光分解型の光配向膜材料からなり、特定の波長領域(例えば紫外領域)の直線偏光が照射されることで光配向膜材料に含まれる高分子鎖が分解されて異方性を発現し、液晶分子を配向させることができる。具体的には、本実施形態では、アレイ側光配向膜20及びCF側光配向膜21には、ワイヤーグリッド偏光子を用いて波長が254nmとされる紫外領域の直線偏光を、積算照射量が250mJ/mm2程度となるよう照射する光配向処理と、その照射後に230℃程度の温度環境で30分間程度ベークして液晶を配向させるための処理と、が施されている。アレイ側光配向膜20は、画素電極14及び透明電極膜間絶縁膜16の上層側に配されており、少なくとも表示領域において画素電極14及び透明電極膜間絶縁膜16を全域にわたって上層側から覆っている。CF側光配向膜21は、オーバーコート膜19及びスペーサ12の上層側に配されており、少なくとも表示領域においてオーバーコート膜19及びスペーサ12を全域にわたって上層側から覆っている。
上記のような構成の液晶パネル10を、例えば長辺方向(X軸方向)が鉛直方向に沿うよう立て掛けた状態で所定時間放置したとき、図3に示すように、液晶材料が重力により液晶パネル10の下端側に溜まるおそれがある。液晶材料が液晶パネル10の下端側に溜まると、下端側において液晶層10Cの厚みが局所的に大きくなり、階調表示が意図とは異なるものとなる表示不良(重力ムラ)が生じるおそれがある。なお、図3は、液晶パネル10の下端側に液晶材料が溜まった状態を示す断面図である。このような液晶溜まりの問題は、液晶層10Cを構成する液晶材料の充填量が過剰となり、一対の基板10A,10Bの間の間隔がスペーサ12の突出高さに比べて過大になったときに生じる可能性が高くなっている。上記とは逆に、液晶材料の充填量が不足し、一対の基板10A,10Bの間の間隔がスペーサ12の突出高さに比べて過小になると、低温環境下において液晶材料が熱収縮することに起因して気泡(低温気泡、真空気泡)が生じるおそれがある。このような気泡が生じると、やはり表示不良(気泡ムラ)として使用者に視認されるおそれがある。このように、液晶材料の充填量には、上記した液晶溜まり(重力ムラ)の問題や気泡(気泡ムラ)の問題がいずれも生じることがない適正範囲が存在しており、その適正範囲が広いほど製造条件などに起因する液晶材料の充填量に係る変動を許容することができ、良品率の向上などを図る上で好ましい傾向にある。
そこで、本実施形態に係る液晶パネル10を構成するCF基板10Aに備わるオーバーコート膜19は、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下となるよう構成されている(図7を参照)。本実施形態では、上記した基準範囲は、好ましくは1辺が5μmの正方形とされるが、必ずしもその限りではない。このオーバーコート膜19の表面は、微細な凹凸が存在しない完全な平滑面として形成されることはなく、微細な凹凸が生じるのは不可避となっている。オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸は、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に係る表面積に大きな影響を及ぼすものとなっている。ここで、仮にオーバーコート膜19の表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nmを超えると、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に係る表面積が過大となるため、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力の低下を招き、結果として上記した液晶溜まりの問題が生じ易くなってしまう。その点、オーバーコート膜19の表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下とされていれば、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に係る表面積が十分に小さく保たれるので、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力が十分に確保される。従って、液晶パネル10を立て掛けた場合であっても、液晶層10Cに含まれる液晶材料が十分な界面張力によって重力に抗することができ、液晶材料が液晶パネル10の下端側に溜まる事態が生じ難くなる。これにより、液晶材料の充填量に係る適正範囲を広くすることができるので、製造条件などに起因して液晶材料の充填量が予定量よりも多少多くなっても液晶溜まりに起因する表示不良が生じずに済む場合が多くなる。従って、良品率の向上などを図る上で好適となる。
好ましくは、オーバーコート膜19は、基準範囲を実際に測定して得られる実測表面積を、基準範囲を微細な凹凸が存在しない平滑面と仮定したときの仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が0.071%以下となるよう構成されている(図13を参照)。上記した仮定表面積は、基準範囲における理論上の最小の表面積となっている。これに対し、実際のオーバーコート膜19の表面には、微細な凹凸が生じているため、実測表面積は、凹凸の分だけ上記した仮定表面積よりも大きくなる。そして、上記した凹凸に係るギャップGPが大きくなるほど、実測表面積と仮定表面積との差が大きくなるとともに、実測表面積を仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が大きくなる傾向にある。ここで、表面積増加率が仮に0.071%を超えると、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが過大になるとともに基準範囲における表面積が過大となるため、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力が低下してしまい、上記した液晶溜まりの問題が生じ易くなる。これに対し、表面積増加率が0.071%以下とされていれば、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが十分に小さくされるとともに基準範囲における表面積が十分に小さくされるので、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力が十分に確保される。これにより、上記した液晶溜まりの問題が生じ難くなり、良品率の向上などを図る上で好適となる。
より好ましくは、オーバーコート膜19は、紫外線硬化性樹脂材料からなる。具体的には、本実施形態に係るオーバーコート膜19は、紫外線硬化性樹脂材料の一種であるアクリル樹脂からなる。このアクリル樹脂は、ラジカル重合型であり、紫外線が照射されると、紫外線が光重合開始剤により吸収されることでラジカルが発生し、それに伴ってアクリロイル基を有するモノマー及びオリゴマーがラジカル重合することで硬化反応が促進されるものである。具体的には、本実施形態では、オーバーコート膜19は、波長が365nmとされる紫外線が、積算照射量が100mJ/cm2〜200mJ/cm2程度となるよう照射されることで硬化が図られている。ここで、仮にオーバーコート膜19が熱硬化性樹脂材料の一種であるエポキシ樹脂からなる場合には、含有する熱硬化剤が大きな体積を占めているために表面に局所的な凸部が形成され易くなっている。このような局所的な凸部によって上記したギャップGPが4nmを超えるおそれがある。その点、本実施形態に係るオーバーコート膜19は、紫外線硬化性樹脂材料からなるので、上記のような局所的な凸部が形成されることが避けられる。これにより、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが4nm以下となる確実性が高くなる。従って、上記した液晶溜まりの問題を生じ難くなり、良品率の向上などを図る上で好適となる。
また、上記のような構成のオーバーコート膜19及びスペーサ12の上層側には、図2に示すように、ラビング処理がなされた配向膜ではなく、光配向処理がなされたCF側光配向膜21が配されている。このCF側光配向膜21は、ラビング処理がなされた配向膜を用いた場合に比べると、表面に荒れが生じ難くなるとともに表面に削れ滓などが付着することが避けられている。従って、CF側光配向膜21は、ラビング処理がなされた配向膜を用いた場合に比べると、下地であるオーバーコート膜19の表面状態の影響を受け易くなっており、CF側光配向膜21の表面には、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸と同様の凹凸が生じ易くなっている。このようなCF側光配向膜21の下地となるオーバーコート膜19は、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下となるよう構成されているので、CF側光配向膜21の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPも十分に小さくなる。これにより、液晶溜まりの問題が生じ難くなり、良品率の向上などを図る上で好適となる。
次に、本実施形態に係る液晶パネル10の優位性を検証するため、以下の比較実験1,2を行った。まず、比較実験1について説明する。比較実験1では、オーバーコート膜が熱硬化性樹脂材料の一種であるエポキシ樹脂とされるCF基板を比較例とし、オーバーコート膜19が紫外線硬化性樹脂材料の一種であるアクリル樹脂とされるCF基板を実施例としており、これら比較例及び実施例に備わる各オーバーコート膜の表面に生じた凹凸を測定している。これら比較例及び実施例は、オーバーコート膜の構成を除いては、本段落以前に記載したCF基板10Aと同様の構成である。比較実験1では、オーバーコート膜の表面に存在する微細な凹凸を、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)を用いて計測している。原子間力顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)の一種であり、微細な探針で試料表面を走査し、試料と探針の原子間に働く力(原子間力)を検出することで、ナノスケールの凹凸形状を三次元的に測定する手法のものである。原子間力顕微鏡による測定対象範囲は、比較例及び実施例におけるオーバーコート膜の表面のうち、基準範囲である1辺が5μmの正方形とされる。
比較実験1の実験結果は、図4から図13に示される通りである。図4及び図5は、オーバーコート膜の表面における基準範囲(1辺が5μmの正方形)を原子間力顕微鏡により測定されたデータに基づく凹凸を濃淡により表したAFM像を示す図である。図4が比較例の実験結果であり、図5が実施例の実験結果である。図4及び図5には、AFM像における各図の左端位置を基準とした寸法が示されている。また、図4及び図5には、AFM像に係る濃淡のサンプルが凹凸の高さ寸法と共に示されており、当該サンプルには、基準位置(0nm)から+20nmとなる凸部が最も淡くなり、基準位置から−20nmとなる凹部が最も濃くなるよう示されている。図6は、図4に示される断面解析ラインL1での断面プロファイルを示す図である。図7は、図5に示される断面解析ラインL2での断面プロファイルを示す図である。図6及び図7に示される縦軸は、Z軸方向についての基準位置(0nm)からの高さ寸法を表しており、正の値が「凸部」を、負の値が「凹部」を、それぞれ表すとともに単位が「nm」である。図6及び図7に示される横軸は、図4及び図5における左端位置を基準(0μm)とした断面解析ラインL1,L2上の位置を示しており、単位が「μm」である。
図8は、図4に示されるAFM像の一部を拡大した図である。図9は、図5に示されるAFM像の一部を拡大した図である。詳しくは、図8及び図9は、1辺が5μmの正方形の基準範囲に係るAFM像を示す図4及び図5のうち、1辺が1μmの正方形の範囲を拡大したものである。また、図8及び図9には、図4及び図5と同様に、AFM像における各図の左端位置を基準とした寸法(0μm〜1μm)と、AFM像に係る濃淡のサンプル及び凹凸の高さ寸法(±10nm)と、がそれぞれ示されている。図10は、図8に示される断面解析ラインL3での断面プロファイルを示す図である。図11は、図8に示される断面解析ラインL4での断面プロファイルを示す図である。図12は、図9に示される断面解析ラインL5での断面プロファイルを示す図である。図10から図12に示される縦軸及び横軸は、上記した図6及び図7に示される縦軸及び横軸と同様である(但し、横軸の単位が「nm」であることを除く)。図13は、原子間力顕微鏡により測定されたデータに基づいて得られた表面粗さ及び表面積に関する数値をまとめた表である。図13の表には、二乗平均平方根粗さRq(単位は「nm」)と、算術平均粗さRa(単位は「nm」)と、仮定表面積(単位は「μm2」)と、実測表面積(単位は「μm2」)と、表面積増加率(単位は「%」)と、が比較例及び実施例についてそれぞれ示されている。このうち、仮定表面積は、1辺が5μmの正方形の基準範囲を、微細な凹凸が存在しない平滑面と仮定したときの表面積であり、基準範囲における理論上の最小の表面積となっている。実測表面積は、オーバーコート膜の表面に生じた凹凸を原子間力顕微鏡により測定することで得られた実際の表面積である。表面積増加率は、上記した実測表面積を仮定表面積にて除した値の百分率である。
比較実験1の実験結果について説明する。図4及び図6によれば、比較例の基準範囲には、全域にわたって微細な凹凸が繰り返し存在する中に高さ寸法が6nm〜10nm程度の局所的な凸部が複数ランダムに存在していることが分かる。図6によれば、比較例の基準範囲に生じた凹凸における最高位位置と最低位位置とのギャップGPは、約11nmとされる。一方、図5及び図7によれば、実施例の基準範囲には、全域にわたって微細な凹凸が繰り返し存在するものの、局所的な凸部については存在していないことが分かる。図7によれば、実施例の基準範囲に生じた凹凸における最高位位置と最低位位置とのギャップGPは、比較例に比べて小さく、4nm以下とされる。より詳しくは、図8,図10及び図11によれば、比較例では、局所的な凸部を除いては、図9及び図12に示される実施例と同様に微細な凹凸が繰り返し存在していることが分かる。比較例のみに存在が確認される局所的な凸部が生じる原因は、熱硬化性樹脂材料であるエポキシ樹脂に含まれる熱硬化剤が他の成分に比べて大きな体積を占めているため、その熱硬化剤を中心として隆起が生じることに因ると推考される。一方、実施例は、オーバーコート膜が紫外線硬化性樹脂材料であるアクリル樹脂を用いて形成されており、エポキシ樹脂に含まれるような熱硬化剤を含んでいないことから、局所的な凸部が存在しない表面状態となっているものと推考される。
図13によれば、二乗平均平方根粗さRq及び算術平均粗さRaの各数値に関しては、いずれも比較例よりも実施例の方が小さくなっている。このことから、実施例は、比較例よりもオーバーコート膜の表面が荒れていないことが分かる。そして、実測表面積に関しては、実施例は、25.01775μm2であり、比較例の25.02625μm2よりも小さくなっている。これに伴い、表面積増加率に関しては、実施例は、0.071%であり、比較例の0.105%よりも小さくなっている。このような結果となる原因は、上記した二乗平均平方根粗さRq及び算術平均粗さRaの各数値に加え、先の段落にて説明した図6及び図7に基づいて得られるギャップGPの数値からも明らかなように、実施例は、比較例よりも表面に生じる凹凸に起因する表面積の増加が抑制されていることに因る、と推考される。このように、実施例は、比較例よりもオーバーコート膜の表面積が小さくなっている。なお、比較実験1では、原子間力顕微鏡よりも分解能が低い走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて比較例及び実施例のオーバーコート膜の表面を観察する実験を補足的に行ったが、その実験結果は比較例と実施例とで違いが殆どなかった。つまり、分解能の高い原子間力顕微鏡を用いることで初めて比較例と実施例との表面状態の違いを検出することができた、と言える。
次に、比較実験2について説明する。比較実験2では、液晶パネルを構成する一対の基板の間の間隔(液晶層の厚み)Dと、スペーサの突出高さ(高さ)Aと、をそれぞれ変化させたものを複数ずつ作成し、それらの液晶パネルに不良が生じるか否かを検査した。一対の基板の間の間隔Dは、液晶層を構成する液晶材料の充填量に依存する。比較実験2では、上記した比較実験1にて説明した構成の比較例に係るCF基板を備えた液晶パネルを比較例とし、比較実験1にて説明した実施例に係るCF基板を備えた液晶パネルを実施例とし、これら比較例及び実施例について上記した検査を行った。この比較実験2における液晶パネルの検査には、以下に示される高温検査と低温検査とが含まれる。高温検査では、85℃の温度環境において液晶パネルを立て掛けた状態で12時間放置した後に検査用の偏光板を通して検査員が目視し、重力ムラの有無を判定した。低温検査では、−40℃の温度環境において液晶パネルを立て掛けた状態で12時間放置した後に検査用の偏光板を通して検査員が目視し、低温気泡の有無を判定した。比較実験2に係る実験結果は、図14及び図15に示される通りである。図14及び図15では、横軸がスペーサの突出高さA(単位は「μm」)であり、縦軸が一対の基板の間の間隔Dからスペーサの突出高さAを差し引いた差(D−A)(単位は「μm」)である。図14及び図15において「○」印は、重力ムラや低温気泡が無い(異常なし)と判定された検査結果を、「×」印は、重力ムラが有ると判定された検査結果を、「*」印は、低温気泡が有ると判定された検査結果を、それぞれ表している。図14が比較例に係るグラフであり、図15が実施例に係るグラフである。
比較実験2の実験結果について説明する。図14及び図15によれば、比較例及び実施例は、いずれもスペーサの突出高さAに拘わらず、一対の基板の間の間隔Dからスペーサの突出高さAを差し引いた差(D−A)の値が一定の数値範囲であれば、ムラや気泡が無いとの判定となっていることが分かる。詳しくは、上記した差(D−A)の値が上記した数値範囲の最大値を上回ると、液晶材料の充填量が過剰となって一対の基板の間の間隔Dがスペーサの突出高さAに比べて過大になるため、高温環境下において液晶材料が重力により液晶パネルの下端側に溜まる液晶溜まりが生じてしまい、その結果表示不良が視認されて重力ムラが有るとの判定になっている、と推考される。逆に、上記した差(D−A)の値が上記した数値範囲の最小値を下回ると、液晶材料の充填量が不足していて一対の基板の間の間隔Dがスペーサの突出高さAに比べて過小になるため、低温環境下において液晶材料が熱収縮してしまい、その結果表示不良が視認されて低温気泡が有るとの判定になっている、と推考される。図14に示される比較例の実験結果と、図15に示される実施例の実験結果と、を比較すると、実施例は、比較例に比べると、上記した差(D−A)の値に関して、重力ムラや低温気泡が生じることがない数値範囲が相対的に広くなっていることが分かる。具体的には、比較例は、上記した数値範囲が−0.21〜−0.1であって上限値と下限値との差が0.11であるのに対し、実施例は、上記した数値範囲が−0.21〜−0.02であって上限値と下限値との差が0.19である。上記した数値範囲の上限値及び下限値に関して実施例及び比較例を比較すると、下限値については実施例及び比較例は同値であるものの、上限値については実施例が比較例よりも大きな値となっている。これは、実施例が比較例よりも上記した差(D−A)の値が大きくても重力ムラ(液晶溜まり)が生じ難くなっていることを意味する。
ところで、比較実験2の説明にも記載したが、一対の基板の間の間隔Dは、液晶充填量Mに依存している。図14及び図15に示される比較実験2の実験結果を、一対の基板の間の間隔Dと、液晶充填量Mと、の関係で示したグラフを図16及び図17に示す。図16及び図17では、横軸が一対の基板の間の間隔D(単位は「μm」)であり、縦軸が液晶充填量M(単位は「mg」)である。図16及び図17において「○」印は、重力ムラや低温気泡が無い(異常なし)と判定された検査結果を、「×」印は、重力ムラが有ると判定された検査結果を、「*」印は、低温気泡が有ると判定された検査結果を、それぞれ表している。図16が比較例に係るグラフであり、図17が実施例に係るグラフである。図16及び図17によれば、実施例は、比較例よりも液晶充填量Mの値に関して、重力ムラや低温気泡が生じることがない数値範囲、つまり適正範囲が相対的に広くなっていることが分かる。特に、実施例は、比較例よりも液晶充填量Mの適正範囲における上限値が大きな値となっており、液晶充填量Mが多くても重力ムラが生じ難い傾向であることが分かる。これは、図14及び図15に示される実験結果と同様である。
ここで、重力ムラの原因である液晶溜まりについて改めて考察する。液晶溜まりは、液晶層10Cを構成する液晶材料が重力によって液晶パネル10の下端側に溜まることで生じている。このことから、液晶溜まりは、液晶材料に作用する重力と、それに抗する力と、の釣り合いが崩れたときに生じる現象と捉えることができる。液晶材料が重力に抗する力は、液晶層10CとCF基板10Aの内面との界面に生じる界面張力Tである。従って、液晶充填量Mが適正範囲に収まっていて、液晶材料に作用する重力と、それに抗する界面張力Tと、の釣り合いが取れている限りは、液晶溜まりが生じないものの、液晶充填量Mが過剰となり、液晶材料に作用する重力がそれに抗する界面張力Tを超えると、釣り合いが崩れて液晶溜まりが生じる、と推考される。この重力と界面張力Tとの釣り合いを数式化したものが下記の式(1)である。式(1)に示される「T」が液晶層10CとCF基板10Aの内面との界面に生じる界面張力であり、「m」が水平方向(短辺方向)についての単位長さ当たりの液晶材料の重量であり、「g」が重力加速度であり、「D」が一対の基板10A,10Bの間の間隔であり、「H」が液晶層10Cの鉛直方向(長辺方向)の外寸である。式(1)の左辺が液晶層10Cの厚さ方向についての単位長さ当たりの界面張力Tであり、式(1)の右辺が液晶材料に作用する、鉛直方向についての単位長さ当たりの重力である。式(1)を変形することで、下記の式(2)が得られる。式(2)に示される「M」は、液晶材料の重量、つまり液晶充填量であり、「W」は、液晶層10Cの水平方向の外寸である。なお、「m=M/W」の関係となっている。
T/(D/2)=m・g・(H/2) (1)
T=D・M・g・(H/2)/2・W (2)
上記した式(2)に「D」、「M」、「g」、「H」及び「W」の値を代入することで、釣り合いを維持するために必要な界面張力Tを算出することが可能とされる。そこで、上記した比較実験2の実験結果に係る数値を上記した式(2)に代入することで、釣り合いを維持するために必要な界面張力Tを算出した。具体的には、式(2)の右辺に含まれる「D」及び「M」については、図16及び図17に示される各プロットについて横軸の一対の基板間の間隔D及び縦軸の液晶充填量Mをそれぞれ代入した。式(2)の右辺に含まれる「g」には、「980cm/sec2」を、「H」には、「166.71mm」を、「W」には、「260.02mm」を、それぞれ定数として代入した。このようにして得られた釣り合いを維持するために必要な界面張力Tと液晶充填量Mとの関係を図18及び図19に示す。図18及び図19では、横軸が液晶充填量M(単位は「mg」)であり、縦軸が釣り合いを維持するために必要な界面張力T(単位はN/cm)である。図18及び図19において「○」印は、重力ムラや低温気泡が無い(異常なし)と判定された検査結果を、「×」印は、重力ムラが有ると判定された検査結果を、それぞれ表している。図18及び図19には、液晶充填量Mの限界範囲が破線で囲われた範囲として示されている。この「液晶充填量Mの限界範囲」とは、液晶充填量Mが当該限界範囲に到達すると重力ムラが発生する可能性のある数値範囲のことであり、製品の個体差が反映されている。図18が比較例に係るグラフであり、図19が実施例に係るグラフである。
図18及び図19によれば、液晶充填量Mが増加するほど、釣り合いを維持するために必要な界面張力Tも増加する傾向にあることが分かる。図18及び図19にて破線により囲われた液晶充填量Mの限界範囲では、液晶層と基板の内面とのCF界面に実際に生じる界面張力Tが、液晶材料に作用する重力に抗するのに要する界面張力Tに到達していない可能性があり、それに起因して重力ムラが発生する個体が生じている、と推考される。図18によれば、比較例は、液晶充填量Mの限界範囲の下限値が約122.8mgとなっている。これに対し、図19によれば、実施例は、液晶充填量Mの限界範囲の下限値が約127.3mgとなっており、比較例よりも大きな値となっている。このことから、実施例は、比較例に比べて、液晶充填量Mが多くなっても重力ムラが生じ難い傾向であり、液晶充填量Mの適正範囲の上限値が大きくなっている、と言える。また、実施例は、比較例に比べて、液晶充填量Mの限界範囲が狭くなっていることから、製品の個体差が小さく、安定した品質が得られている、と言える。
上記した図18及び図19に示される比較例及び実施例におけるそれぞれの液晶充填量Mの限界範囲に関し、釣り合いを維持するために必要な界面張力Tの上限値及び下限値が存在している。具体的には、図18に示される比較例における液晶充填量Mの限界範囲に関する界面張力Tの上限値は、約599N/cmであり、下限値は、約574N/cmである。これに対し、図19に示される実施例における液晶充填量Mの限界範囲に関する界面張力Tの上限値は、約628N/cmであり、下限値は、約617N/cmである。比較例及び実施例におけるそれぞれの液晶充填量Mの限界範囲に関する界面張力Tの上限値及び下限値と、図13に示される表面積増加率Rと、の関係を図20のグラフに示す。図20には、実施例のプロットが「●」により、比較例のプロットが「▲」により、それぞれ図示されている。図20には、比較例及び実施例に係る各プロットに基づいて近似直線が破線により図示されている。この近似直線は、表面積増加率Rを変化させた場合、液晶充填量Mの限界範囲における略中央値となる界面張力Tがどのように変化するか、を表している。この液晶充填量Mの限界範囲における略中央値となる界面張力Tは、液晶充填量M(液晶材料に作用する重力)との釣り合いが維持され得る限界値であり、液晶層とCF基板の内面との界面に実際に生じる界面張力の最大値である、と言うことができる。この近似直線は、傾きが「−102940」とされ、切片が「698N/cm」とされる一次関数である。この近似直線の切片は、表面積増加率Rが0%のとき、つまりオーバーコート膜の表面が、微細な凹凸が存在しない平滑面とされる場合の界面張力Tの限界値(最大値)である。
図20に示される近似直線によれば、表面積増加率Rが大きくなるほど、界面張力Tの限界値(最大値)が低下する傾向にある、と言える。これは、オーバーコート膜の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが大きくなって表面積増加率Rが大きくなると、液晶層とCF基板の内面との界面に実際に生じる界面張力Tの最大値が低下し、液晶材料に作用する重力との釣り合いを維持するのに要する界面張力Tの限界値が低下することを意味する。そして、実施例は、比較例に比べると、表面積増加率Rが小さいので、液晶材料に作用する重力との釣り合いが維持され得る界面張力Tの限界値が相対的に大きくなっている。従って、実施例は、比較例に比べると、液晶充填量Mが多くても重力ムラが生じ難くなっており、液晶充填量Mの適正範囲が広くなっている、と言える。また、実施例は、比較例に比べると、液晶充填量Mの限界範囲に関する界面張力Tの上限値と下限値との差が小さくなっている製品の個体差が小さく、安定した品質が得られている、と言える。
以上説明したように本実施形態の液晶パネル10は、液晶層10Cと、液晶層10Cを挟み込む一対の基板10A,10Bと、一対の基板10A,10BのうちのCF基板(一方の基板)10Aからアレイ基板(他方の基板)10Bへ向けて突出するよう形成されてアレイ基板10B側に当接されることで一対の基板10A,10Bの間の間隔Dを保持するスペーサ12と、CF基板10Aにおいてスペーサ12の下層側に配されるオーバーコート膜19であって、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下となるよう構成されるオーバーコート膜19と、を備える。
このようにすれば、一対の基板10A,10Bの間の間隔Dは、CF基板10Aからアレイ基板10Bへ向けて突出するよう形成されるスペーサ12がアレイ基板10B側に当接されることで保持される。スペーサ12によって一対の基板10A,10Bの間の間隔Dが保持されることで、一対の基板10A,10Bの間に挟み込まれる液晶層10Cの厚みが安定的に保たれる。ところで、一対の基板10A,10Bの間の間隔Dは、液晶層10Cを構成する液晶材料の充填量(液晶充填量M)に応じて変動し得るものであり、液晶材料の充填量が過剰となり上記間隔Dがスペーサ12の突出高さAに比べて過大になると、当該液晶パネル10を立て掛けたときに液晶材料が重力により液晶パネル10の下端側に溜まることで表示不良が生じるおそれがある。逆に、液晶材料の充填量が不足して上記間隔Dがスペーサ12の突出高さAに比べて過小になると、低温環境下において液晶材料が熱収縮することに起因して気泡が生じるおそれがある。液晶材料の充填量には、上記のような液晶溜まりの問題や気泡の問題がいずれも生じることがない適正範囲が存在しており、その適正範囲が広いほど製造条件などに起因する液晶材料の充填量に係る変動を許容することができ、良品率の向上などを図る上で好ましい傾向にある。
ここで、一対の基板10A,10BのうちのCF基板10Aにおいてスペーサ12の下層側に配されるオーバーコート膜19の表面に微細な凹凸が生じるのは避けられるものではなく、その凹凸はCF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に係る表面積に大きな影響を及ぼすものとなっている。そして、オーバーコート膜19は、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下となるよう構成されている。仮に上記したギャップGPが4nmを超えると、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に係る表面積が過大となるため、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力Tの低下を招き、結果として上記した液晶溜まりの問題が生じ易くなってしまう。その点、上記したギャップGPが4nm以下とされていれば、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に係る表面積が十分に小さく保たれるので、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力Tが十分に確保される。従って、当該液晶パネル10を立て掛けた場合であっても、液晶層10Cに含まれる液晶材料が十分な界面張力Tによって重力に抗することができ、液晶材料が液晶パネル10の下端側に溜まる事態が生じ難くなる。これにより、液晶材料の充填量に係る適正範囲を広くすることができるので、良品率の向上などを図る上で好適となる。
また、オーバーコート膜19は、基準範囲の実測表面積を、基準範囲を平滑面と仮定したときの仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が0.071%以下となるよう構成される。オーバーコート膜19の表面における基準範囲を、微細な凹凸が存在しない平滑面と仮定したときの仮定表面積は、基準範囲における理論上の最小の表面積となっている。これに対し、実際のオーバーコート膜19の表面には、微細な凹凸が生じているため、基準範囲を実際に測定して得られる実測表面積は、凹凸の分だけ上記した仮定表面積よりも大きくなる。そして、凹凸に係るギャップGPが大きくなるほど、実測表面積を仮定表面積にて除して得られる表面積増加率は大きくなる傾向にある。ここで、実測表面積を仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が仮に0.071%を超えると、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが過大になるとともに基準範囲における表面積が過大となるため、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力Tが低下してしまい、上記した液晶溜まりの問題が生じ易くなる。これに対し、実測表面積を仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が0.071%以下とされていれば、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが十分に小さくされるとともに基準範囲における表面積が十分に小さくされるので、CF基板10Aにおける液晶層10Cとの界面に生じる界面張力Tが十分に確保される。これにより、上記した液晶溜まりの問題が生じ難くなる。
また、オーバーコート膜19は、紫外線硬化性樹脂材料からなる。仮にオーバーコート膜19が熱硬化性樹脂材料の一種であるエポキシ樹脂からなる場合には、含有する熱硬化剤が大きな体積を占めているために局所的な凸部が形成され易く、その凸部によって上記したギャップGPが4nmを超えるおそれがある。これに対し、オーバーコート膜19が紫外線硬化性樹脂材料からなるようにすれば、上記のような局所的な凸部が形成されることが避けられる。これにより、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPが4nm以下となる確実性が高くなり、上記した液晶溜まりの問題を生じ難くすることができる。
また、オーバーコート膜19及びスペーサ12の上層側にて液晶層10Cに臨むよう配されていて液晶層10Cに含まれる液晶分子を配向させるよう光配向処理がなされたCF側光配向膜(光配向膜)21を備える。CF側光配向膜21は、光配向処理がなされることで、液晶層10Cに含まれる液晶分子を配向させることができる。CF側光配向膜21は、ラビング処理がなされた配向膜を用いた場合に比べると、下地であるオーバーコート膜19の表面状態の影響を受け易くなっており、CF側光配向膜21の表面には、オーバーコート膜19の表面に生じる微細な凹凸と同様の凹凸が生じ易くなっている。このようなCF側光配向膜21の下地となるオーバーコート膜19は、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップGPが4nm以下となるよう構成されているので、CF側光配向膜21の表面に生じる微細な凹凸に係るギャップGPも十分に小さくなる。これにより、液晶溜まりの問題が生じ難くなる。
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)上記した実施形態には、スペーサがCF基板側のみに設けられている場合を示したが、スペーサがCF基板とアレイ基板との双方に設けられていても構わない。その場合、CF基板側のスペーサがアレイ基板側のスペーサに対して当接されるよう、両スペーサを重畳配置するのが好ましいが、必ずしもその限りではない。
(2)上記した実施形態には、スペーサの突出高さが1種類のみとされる場合を例示したが、突出高さが異なる複数種類のスペーサがCF基板に設けられていても構わない。
(3)上記した実施形態には、光配向膜が光分解型の光配向膜材料からなる場合を示したが、光配向膜が光異性化型の光配向膜材料や光架橋型の光配向膜材料からなる場合でもよい。
(4)上記した実施形態以外にも、オーバーコート膜に用いる具体的な材料は適宜に変更可能である。また、オーバーコート膜の具体的な膜厚の数値は適宜に変更可能である。このようにオーバーコート膜の材料や膜厚を変更するのに伴い、オーバーコート膜を硬化させるために照射される紫外線の波長や積算照射量についても適宜に変更するのが好ましい。
(5)上記した実施形態以外にも、光配向膜に用いる具体的な材料は適宜に変更可能である。また、光配向膜の具体的な膜厚の数値は適宜に変更可能である。このように光配向膜の材料や膜厚を変更するのに伴い、光配向処理を行うために光配向膜に照射される紫外線の波長や積算照射量についても適宜に変更するのが好ましく、また紫外線の照射後に行われるベークの温度環境や焼成時間についても適宜に変更するのが好ましい。
(6)上記した実施形態における比較実験1では、走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡を用いてオーバーコート膜の表面の凹凸を測定した場合を示したが、例えば走査型トンネル顕微鏡などの他の種類の走査型プローブ顕微鏡を用いてオーバーコート膜の表面の凹凸を測定することも可能である。それ以外にも、各比較実験にて行われる測定及び検査などに用いる具体的な機器は適宜に変更可能である。
(7)上記した実施形態では、液晶層の液晶材料として誘電率異方性が正の液晶材料(ポジ型の液晶材料)を用いた場合を示したが、液晶層の液晶材料として誘電率異方性が負の液晶材料(ネガ型の液晶材料)を用いることも可能である。
(8)上記した実施形態では、液晶パネルの表示モードがFFSモードとされる場合を例示したが、液晶パネルの表示モードは、TNモード、VAモード、IPSモードなどであっても構わない。
(9)上記した実施形態では、透過型の液晶パネルについて示したが、反射型の液晶パネルや半透過型の液晶パネルでもよい。
10…液晶パネル(表示パネル)、10A…CF基板(一方の基板)、10B…アレイ基板(他方の基板)、10C…液晶層、12…スペーサ、19…オーバーコート膜、21…CF側光配向膜(光配向膜)、A…スペーサの突出高さ、D…間隔、GP…ギャップ、M…液晶充填量(液晶材料の充填量)、T…界面張力
Claims (4)
- 液晶層と、
前記液晶層を挟み込む一対の基板と、
前記一対の基板のうちの一方の基板から他方の基板へ向けて突出するよう形成されて前記他方の基板側に当接されることで前記一対の基板の間の間隔を保持するスペーサと、
前記一方の基板において前記スペーサの下層側に配されるオーバーコート膜であって、表面における基準範囲に生じる微細な凹凸における最低位位置と最高位位置との間のギャップが4nm以下となるよう構成されるオーバーコート膜と、を備える液晶パネル。 - 前記オーバーコート膜は、前記基準範囲の実測表面積を、前記基準範囲を平滑面と仮定したときの仮定表面積にて除して得られる表面積増加率が0.071%以下となるよう構成される請求項1記載の液晶パネル。
- 前記オーバーコート膜は、紫外線硬化性樹脂材料からなる請求項1または請求項2記載の液晶パネル。
- 前記オーバーコート膜及び前記スペーサの上層側にて前記液晶層に臨むよう配されていて前記液晶層に含まれる液晶分子を配向させるよう光配向処理がなされた光配向膜を備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の液晶パネル。
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