JP3681079B2 - 光学補償フィルムの製造方法、光学補償フィルム及びそれを用いた液晶表示素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学補償フィルムに関し、更に詳しくは液晶表示素子の表示コントラストの向上、表示の高精細化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ワードプロセッサやデスクトップパソコン等のＯＡ機器の表示装置の主流であるＣＲＴは、薄型軽量、低消費電力という大きな利点を持った液晶表示素子に変換されてきている。現在普及している液晶表示素子の多くは、捻れネマティック液晶を用いている。このような液晶を用いた表示方式としては、複屈折モードと旋光モードとの２つの方式に大別できる。
【０００３】
複屈折モードを用いた液晶表示素子は、スーパーツイステッドネマティック（以下ＳＴＮと称す）モードと言い液晶分子配列の捻れ角が９０°以上捻れたものである。ＳＴＮは急峻な電気光学特性を持つため、単純マトリックス状の電極構造でも大容量の表示が得られる。しかし、応答速度が遅く、階調表示が困難という欠点を持ち、薄膜トランジスタやダイオードを用いた液晶表示素子の性能を越えるまでには至らない。
【０００４】
薄膜トランジスタやダイオードを用いた液晶表示素子（ＴＦＴ−ＬＣＤ，ＭＩＭ−ＬＣＤ）は、液晶分子の分子配列状態が９０°捻れた旋光モード表示素子であり、応答速度が速く、階調表示も可能であり、表示コントラストも高いことから、液晶表示素子としては最も有力な方式とされている。
【０００５】
旋光モード（以下ＴＮと称す）を利用した液晶表示素子は、２枚の基板間にＴＮ液晶を封入した液晶セルとその両側に配置される偏光板で構成される。更にＴＮ型液晶表示素子は偏光板の配置により２方式あり、２枚の偏光板を平行にする方式はノーマリーブラック（ＮＢ）モードと呼ばれ、２枚の偏光板を直交させる方式はノーマリーホワイト（ＮＷ）モードと呼ばれている。高精細・高画質表示素子、投写型表示装置ではＮＷモードがよく用いられる。これは、ＮＢモードは黒表示の付近で目立ちやすい色度変化を生じるという問題があり、ＮＷモードにはこのような問題がなく、白表示付近での色度変化は生じるものの、あまり目立たないためである。
【０００６】
ＮＷモードにおいて黒表示をする場合、自然光が入射側偏光板に入射すると、直線偏光だけが出射して液晶セルに入射する。液晶セルに駆動電圧を印加すると、液晶層の中央付近の液晶分子は基板とほぼ垂直に立ち上がるが、基板界面付近の液晶分子は基板によるアンカリング効果が強いために完全に立ち上がらない。この場合、液晶セルにはわずかな複屈折が存在するため、液晶セルからの出射光は楕円偏光となる。そのため、入射側偏光板に対し直交配置した出射側偏光板より光がわずかながら漏れてしまい黒表示レベルを低下させてしまう。以上の結果より、コントラストの低下を招き、有力視されるＴＦＴ−ＬＣＤにおいてもＣＲＴの表示性能を越えるまでにはいたっていない。
【０００７】
ＴＮ型液晶セルの液晶駆動時に発生する複屈折を位相差板により光学的に補償する方式（例えば、特開平６−１４８６２８号公報）が提案されているが、液晶セルより生じる位相差を光学的に補償するためには、位相差板の厚みムラや分子鎖の配向ムラを均一にする必要があるが、液晶セルより生じる位相差はごくわずかであるため、位相差を補償するフィルムは無複屈折フィルムと称してもよい程度に低い複屈折を有する必要があり、面内の複屈折状態を均一にした位相差板を大面積で得ることが非常に難しい。以上のような位相差板の製造上の問題から、パネル全面のコントラスト改善は十分に行われていない。
【０００８】
フィルム面内の位相差を均一にする方式として、テンター横一軸延伸機による延伸処理した位相差フィルムの製造方法（例えば、特開平２−４２４０６号公報、特開平６ー５１１１８号公報）が提案されているが、わずかな位相差を均一に製造するまでにはいたっていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的とするところは、主屈折率をｎ_x、ｎ_y、厚さをｄとしたとき5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下であり、平滑性に優れた光学補償フィルム及びそれを用いた液晶表示素子を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１）熱可塑性樹脂フィルムを溶融製膜する際に、フィルム巾方向に配置したライン状の電極を用いて冷却ロール上で帯電固定し、更にロールから剥離される直前に静電除去したフィルムを、ドライヤーを配置したロ−ル間を連続的にフィルムの流れ方向に一定の張力を掛けて熱処理する場合において、ロール間隔Ｌ_MDとフィルム幅Ｌ_TDとがＬ_MD/Ｌ_TD > １．０となる条件で、かつ、その線膨張率が上昇する温度以上、そのガラス転移点未満の温度で熱可塑性樹脂フィルムを熱処理することによって、面内の屈折率楕円体の長軸方向を９０°変換することを特徴とする光学補償フィルムの製造方法、
（２）第（１）項記載の光学補償フィルムの製造方法により得られる、フィルム面内の屈折率楕円体の光学的主軸の振れ幅が±１．０°以下であることを特徴とする光学補償フィルム、
（３）第（１）項記載の光学補償フィルムの製造方法により得られる、光学補償フィルムの面内の主屈折率をｎ_x、ｎ_y、厚さをｄとしたとき5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下であることを特徴とする光学補償フィルム、
（４）第（１）項記載の熱可塑性樹脂がトリアセテート、ジアセテート、セロハン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、及びポリアリレートからなる群より選ばれた１種又は２種以上の熱可塑性樹脂である第（２）項又は第（３）項記載の光学補償フィルム。
（５）２枚の電極基板間にＴＮ型液晶を挟持してなる液晶セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子と、該偏光素子の間に、少なくとも１枚以上の第（２）項〜第（４）項のいずれか１項に記載の光学補償フィルムを配置していることを特徴とする液晶表示素子、
を提供するものである。
本発明では、熱可塑性樹脂フィルムにおいてフィルム面内の主屈折率ｎ_x、ｎ_yの関係を、フィルム幅方向の屈折率をｎ_x、フィルム延伸方向の屈折率をｎ_yとしたときに、フィルム面内の屈折率楕円体の長軸方向に対し直角方向に一定張力を掛けて熱処理することで、ｎ_x>ｎ_yの屈折率関係をｎ_x<ｎ_yの屈折率関係に変換（面内屈折率楕円体の長軸方向の９０°変換）し、厚さをｄとしたとき5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下であり、平滑性に優れた光学補償フィルムを製造することが出来る。
【００１１】
また本発明では、熱可塑性樹脂フィルムを溶融製膜する際に、フィルム巾方向に配置したライン状の電極を用いて冷却ロール上で帯電固定し、更にロールから剥離される直前に静電除去した後に、ドライヤーを配置したロ−ル間を連続的に熱処理する場合において、ロール間隔をＬ_MD、フィルム幅をＬ_TDとするとき、
Ｌ_MD/Ｌ_TD ＞ １．０
及び、その線膨張率が上昇する温度からそのガラス転移点より低い温度範囲内の条件で熱処理するとこで、フィルムの平滑性を損なうことなしに、そのフィルム面内の複屈折率の大きさ及び屈折率楕円体の長軸方向を制御し、厚さをｄとしたとき5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下、更にはフィルム面内の屈折率楕円体の光学的主軸の振れ幅が±１．０以下の光学補償フィルムを製造することが出来る。
【００１２】
また本発明では、ドライヤーを配置したロ−ルトゥロールの熱処理機を用いて連続的に熱処理する場合において、ロール間隔をＬ_MD、フィルム幅をＬ_TDとするとき、ロール間で熱処理されるフィルムにニ軸延伸性が付与されないように、Ｌ_TDに対しＬ_MDを十分長く設定し、かつフィルムがスムーズに熱処理されることが可能な範囲内にあるフィルム張力にてロールを駆動させ、フィルムとなる熱可塑性樹脂をそのフィルムを構成する分子鎖がミクロブラウン運動を開始しフィルムの線膨張率が上昇を開始する温度（以下Ｔｇ− と略す）からガラス転移点（Ｔｇ）より低い温度、好ましくはガラス転移点よりも１０℃〜３０℃低い温度で熱処理することで、その外観を損わず、フィルムの複屈折率の大きさ及び屈折率楕円体の長軸方向を制御し、厚さをｄとしたとき5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下、更には光学的主軸の振れ幅が±１．０°以下の光学補償フィルムを製造することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の光学補償フィルムの製造法について説明する。光学補償フィルムを製造するプロセスは製膜と延伸によって行われる。熱可塑性樹脂フィルムを製膜する方法は、溶融製膜法と溶液製膜法があるが、光学補償フィルムの光学特性を左右するフィルムの厚さムラ及び配向ムラが生じなければ、本発明における製膜上の制約はない。しかし、溶融製膜においてはフィルム冷却時に、溶液製膜においてはフィルム乾燥時に、フィルム搬送過程でのフィルムに加わる張力によるひずみで80nmを越える位相差が発生し、本発明のフィルムを得ることはできない。
【００１４】
熱可塑性樹脂フィルムに位相差が発現した場合、製膜したフィルムをＴｇ以上で熱緩和させ複屈折を除去することができるが、フィルムを構成する分子鎖は運動性に富んだ脱配向挙動を示すために、フィルム表面の平滑性が失われる。
【００１５】
また、製膜時におけるフィルム搬送過程において、極力張力を抑えることで位相差の発現を抑制しても、Ｔｇ以上の温度雰囲気下での縦一軸延伸または横一軸延伸では高精度の延伸を用いても、フィルムを構成する分子鎖が流動性に富んでいるため、本発明のように位相差が5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmの光学補償フィルムを得ることは難しい。
【００１６】
本発明は、熱可塑性樹脂フィルムを溶融製膜する際に、フィルム巾方向に配置したライン状の電極を用いて溶融状態から冷却フィルム化される過程において、フィルム冷却ロール上で帯電固定することにより、発生する静電荷のフィルム表面への吸着と、その結果起こるフィルム構成分子鎖の電場配向を利用して分子内分極方向をフィルム幅方向に固定するものである。更にロールから剥離される直前に静電除去した後に、フィルム流れ方向に一定張力を掛け、且つＴｇ以下の温度雰囲気下で熱処理するために、横一軸延伸により発現した屈折率楕円体は短軸方向に緩やかに延伸される。これはフィルム面内の屈折率の異方性を低減する効果に作用するために、フィルム表面の平滑性を維持したまま面内の配向ムラを低減化し、分子鎖の脱配向を促す。更に、Ｔｇ以下の温度雰囲気下で一定張力を掛け続けることにより、分子差は張力方向に緩やかな流動配向を示すために再度複屈折が生じる。以上のように横一軸延伸した後に、Ｔｇ以下の温度雰囲気下でフィルム幅方向に配向した分子鎖の脱配向と再配向を連続的に行うことにより、本発明の5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmの特性を有する光学補償フィルム得ることができる。
【００１７】
本発明に用いられる帯電固定の電極素材としては、タングステン、ステンレス、鉄、アルミニウム、ニッケル、銅、銅合金などの金属である。
【００１８】
本発明のＬ_MD/Ｌ_TD＞１．０の場合ではなく、熱可塑性樹脂フィルムをＬ_MD/Ｌ_TD≦１．０の設定において熱処理した場合は、ロール間隔が短いためフィルム幅方向の収縮に制約ができフィルム面内において同時二軸的な引っ張り応力が発生する。そのために高分子鎖は理想的な一軸配向が抑制され、フィルムの幅方向に高分子鎖の配向角分布が発現する。屈折率楕円体の光学的主軸は分子鎖配向角に大きく依存するため、フィルムをＬ_MD/Ｌ_TD≦１．０の条件においては、分子鎖配向の自由度が一方向に制御されないために、光学的主軸の均一化がなされない。
【００１９】
フィルムとなる熱可塑性樹脂をＬ_MD/Ｌ_TD>１．０の条件にて熱処理するときにガラス転移点以上の高温で処理した場合は、フィルムを構成する高分子鎖は流動性に富むためにフィルム流れ方向の分子鎖配向が容易に起こり光学的主軸の均一化はなされるものの、フィルム延伸により複屈折率の増加が起こり、本発明の5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmの特性を有する光学補償フィルム得ることが難しい。
【００２０】
また、熱処理の温度がフィルムのＴｇより低い温度〜Ｔｇ- の温度範囲より低すぎても、分子鎖のミクロブラウン運動が凍結し、局所的な分子振動をするのみであるため、熱処理による分子鎖配向が起こり難くなり、光学的主軸の均一化が確認されない場合が生じる。
【００２１】
光学的主軸の振れ幅は、分子鎖配向のバラツキを示し、±１．０°以下、好ましくは±０．１°以下であるが、この光学的主軸の振れ幅が大きすぎると、液晶セルより発生した位相差を補償することがパネル全面で一様に行われないために、光学補償フィルムによる補償性能に偏差が生じ、部分的な光の漏れが発現する。その結果、ＴＮ型液晶表示素子において黒表示の偏差が生じコントラストムラとなるため好ましくない。
【００２２】
本発明における熱可塑性樹脂は帯電固定により、分子分極配向に伴う分子鎖の配向制御を行うため、正の複屈折性を示す樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂としてはトリアセテート、ジアセテート、セロハン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアリレート及び、これらをブレンドした樹脂をあげることができる。なお、本発明における樹脂は、添加剤として少量の安定剤、滑剤、染料等が含まれていてもさしつかえない。
【００２３】
本発明における光学補償フィルムの厚さは１０μｍ〜５００μｍ更には５０μｍ〜４００μｍであることが加工性、可撓性の面から好ましい。また、本発明におけるフィルムの表面粗さは０．５μｍ以下であることが好ましく、更には０．１μｍ以下であることが好ましい。表面粗さが０．５μｍより大きいと光学的位相ムラが生じ、液晶表示素子の表示ムラが顕著に確認される。
【００２４】
本発明によれば、熱可塑性樹脂フィルムを帯電固定法を用い溶融製膜した後に、Ｌ_MD/Ｌ_TD>１．０、かつガラス転移点よりも低い温度で、一定張力下での屈折率異方体の連続的な脱配向と再配向をおこなうことにより、フィルムの平滑性を失わずに、5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmの特性を有し、光学的主軸の分布状態が小さい光学補償フィルムを効率よく量産することが可能であり、更に、ＴＮ型液晶表示素子に適用することにより、高コントラストで表示ムラのない液晶表示素子が得られる。なお、熱処理の加熱時間や加熱温度及び張力は、フィルム基板に用いる合成樹脂の材質及び厚さにより決定される。
【００２５】
【実施例】
以下本発明を実施例、比較例によって説明する。本発明のフィルムの光学的物性は次の方法により測定した。
（１）複屈折率
オリンパス光学（株）製偏光顕微鏡ＢＨ２とベレックコンペンセーターを用い、波長５５０ｎｍでの光学的位相差を測定した。
（２）光学的主軸
光弾性測定装置により光弾性感度を測定しした後に、ベレックコンペンセーターを用い屈折率楕円体の増相軸と遅相軸を調べることにより光学的主軸を測定した。
【００２６】
（実施例１）
住友化学工業（株）のポリエーテルサルホン樹脂：ビクトレックスＰＥＳ４１００Ｇ（Ｔｇ＝２２６℃）を帯電固定電圧を３．５ｋＶにし溶融押し出し法でフィルム化した。得られたフィルムのＴｇ- は１８０℃であり、フィルムの光学特性はフィルム幅方向に屈折率楕円体の長軸を有し、面内位相差が15nm、フィルム厚みが95μｍ、光学的主軸の振れ幅は±１０°であった。
このフィルムをＬ_MD/Ｌ_TD=１１、処理温度を216℃、ライン速度を2m/min、フィルム張力を4.0kg／巾（フィルム巾：６３０ｍｍ）の条件で７ｍのフローティングドライヤー中を連続処理した。連続熱処理後のポリエーテルサルホンフィルムは位相差が流れ方向に発現し17nmであり、光学的主軸の振れ幅は±０．４°以下で外観も良好であった。
【００２６】
（実施例２）
実施例１と同様な方法によりフィルム幅方向に屈折率楕円体の長軸を有する、面内の位相差が15nm、フィルム厚みが95μｍ、光学的主軸の振れ幅が±１０°のポリエーテルサルホンを作製した。
このフィルムをＬ_MD/Ｌ_TD=１６、処理温度を216℃、ライン速度を2m/min、フィルム張力を4.6kg／巾（フィルム巾：６３０ｍｍ）の条件で１０．５ｍのフローティングドライヤー中を連続処理した。連続熱処理後のポリエーテルサルホンフィルムは位相差が流れ方向に発現し19nmであり、光学的主軸の振れ幅は±０．１°以下で外観も良好であった。
【００２７】
（実施例３）
実施例１と同様な方法によりフィルム幅方向に屈折率楕円体の長軸を有する、面内の位相差が42nm、フィルム厚みが200μｍ、光学的主軸の振れ幅が±１２°のポリエーテルサルホンを作製した。
このフィルムをＬ_MD/Ｌ_TD=１６、処理温度を216℃、ライン速度を1m/min、フィルム張力を11.2kg／巾（フィルム巾：６３０ｍｍ）の条件で１０．５ｍのフローティングドライヤー中を連続処理した。連続熱処理後のポリエーテルサルホンフィルムは位相差が流れ方向に発現し30nmであり、光学的主軸の振れ幅は±０．１°以下で外観も良好であった。
【００２８】
（比較例１）
住友化学工業（株）のポリエーテルサルホン樹脂：ビクトレックスＰＥＳ４１００Ｇ（Ｔｇ＝２２６℃）を帯電固定を用いずに溶融押し出し法でフィルム化した。得られたフィルムのＴｇ- は１８０℃であり、フィルムの光学特性はフィルム流れ方向に屈折率楕円体の長軸を有し、面内位相差が30nm、フィルム厚みが200μｍ、光学的主軸の振れ幅は±２６°であった。
このフィルムをＬ_MD/Ｌ_TD=１６、処理温度を216℃、ライン速度を１m/min、フィルム張力を11.2kg／巾（フィルム巾：６３０ｍｍ）の条件で１０．５ｍのフローティングドライヤー中を連続処理した。連続熱処理後のポリエーテルサルホンフィルムは光学的主軸の振れ幅は±１２°程有り、位相差はフィルム流れ方向に１１８ｎｍであった。
【００２９】
（比較例２）
実施例１と同様な方法によりフィルム幅方向に屈折率楕円体の長軸を有する、面内の位相差が15nm、フィルム厚みが95μｍ、光学的主軸の振れ幅が±１０°のポリエーテルサルホンを作製した。
このフィルムをＬ_MD/Ｌ_TD=１１、処理温度を236℃、ライン速度を2m/min、フィルム張力を4.0kg／巾（フィルム巾：６３０ｍｍ）の条件で７ｍのフローティングドライヤー中を連続処理した。連続熱処理後のポリエーテルサルホンフィルムは光学的主軸の振れ幅は±０．１°以下で外観も良好であったが、位相差が張力方向に発現し160nmであった。
【００３０】
（比較例３）
実施例１と同様な方法によりフィルム幅方向に屈折率楕円体の長軸を有する、面内の位相差が15nm、フィルム厚みが95μｍ、光学的主軸の振れ幅が±１０°のポリエーテルサルホンを作製した。
このフィルムをＬ_MD/Ｌ_TD=０．９２、処理温度を216℃、ライン速度を0.2m/min、フィルム張力を4.0kg／巾（フィルム巾：６３０ｍｍ）の条件で５８０ｍｍのフローティングドライヤー中を連続処理した。連続熱処理後のポリエーテルサルホンフィルムは位相差が張力方向に発現し18nmであり、外観も良好であったが、光学的主軸の振れ幅は±２４°であった。
【００３１】
実施例１〜３及び比較例１〜３の光学補償フィルムを、ＮＷモードＴＮ型液晶表示素子に最適な角度で配置した場合の白照度／黒照度の比をコントラストとして測定した結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】

*1 ＴＮ型液晶表示素子のみのコントラスト
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、位相差が5nm≦｜ｎ_x−ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下、更には光学的主軸の振れ幅を±１．０°以下であることを特徴とする光学補償フィルムを連続して作製することができ、本発明をアクティブ駆動のＴＮ型液晶表示素子に適用することで、高コントラスト・高精細な液晶表示素子を提供できる。

Claims (5)

1. 熱可塑性樹脂フィルムを溶融製膜する際に、フィルム巾方向に配置したライン状の電極を用いて冷却ロール上で帯電固定することで、フィルム構成分子鎖の電場配向を利用して分子内分極方向をフィルム幅方向に固定し、更にロールから剥離される直前に静電除去したフィルムを、ドライヤーを配置したロ−ル間を連続的にフィルムの流れ方向に一定の張力を掛けて熱処理する場合において、ロール間隔Ｌ_MDとフィルム幅Ｌ_TDとがＬ_MD／Ｌ_TD ＞ １．０となる条件で、かつ、その線膨張率が上昇する温度以上、そのガラス転移点未満の温度で熱可塑性樹脂フィルムを熱処理することによって、面内の屈折率楕円体の長軸方向を９０°変換することを特徴とする光学補償フィルムの製造方法。
2. 請求項１記載の光学補償フィルムの製造方法により得られる、フィルム面内の屈折率楕円体の光学的主軸の振れ幅が±１．０°以下であることを特徴とする光学補償フィルム。
3. 請求項１記載の光学補償フィルムの製造方法により得られる、光学補償フィルムの面内の主屈折率をｎ_x、ｎ_y、厚さをｄとしたとき5nm≦｜ｎ_x-ｎ_y|×ｄ≦80nmでその振れ幅が１０％以下であることを特徴とする光学補償フィルム。
4. 請求項１記載の熱可塑性樹脂がトリアセテート、ジアセテート、セロハン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリビニルアルコール、及びポリアリレートからなる群より選ばれた１種又は２種以上の熱可塑性樹脂である請求項２又は３記載の光学補償フィルム。
5. ２枚の電極基板間にＴＮ型液晶を挟持してなる液晶セルと、その両側に配置された２枚の偏光素子と、該偏光素子の間に、少なくとも１枚以上の請求項２、３または４記載の光学補償フィルムを配置していることを特徴とする液晶表示素子。