JP4527507B2

JP4527507B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4527507B2
Application number: JP2004338552A
Authority: JP
Inventors: 弘康井上; 清治田沼
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006146026A

Description

本発明は、テレビ受像機や電子機器の表示部に用いられる液晶表示装置に関し、特に液晶材料に混入した重合性材料を重合させて液晶材料にプレチルト角を付与する液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は２枚の基板と両基板間に封止された液晶材料とを有する。液晶表示装置では、液晶材料の電気光学異方性を利用して、電気的な刺激により光学的なスイッチンングが行われている。液晶層に所定の電圧を印加して液晶分子の傾斜角度を制御し、液晶分子の屈折率異方性の軸の向きを変える。これにより生じる旋光性や複屈折性を利用して光の透過率を変え、液晶表示パネルの画素毎の明るさを制御している。

液晶表示装置の表示方式として、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）方式、ＩＰＳ（Ｉｎ−ＰｌａｎｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式及びＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式等が挙げられる。ＭＶＡ方式は広い視野角と製造性の容易さを実現できる表示方式である。一般的なＭＶＡ方式の液晶表示装置について図２及び図３を用いて説明する。図２は、ＭＶＡ方式の液晶表示装置の断面を斜めから見た概念図である。図３は、ＭＶＡ方式の液晶表示装置の３画素分の構成及び液晶分子の配向方向を示す概念図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ＭＶＡ方式の液晶表示装置では、負の誘電率異方性を有する液晶材料の液晶分子１０８が、２枚のガラス基板１１０、１１１の間で基板面にほぼ垂直に配向している。図示していないが、一方のガラス基板１１０上には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に接続された画素電極が画素領域毎に形成されており、他方のガラス基板１１１上の全面には共通電極が形成されている。画素電極上には突起１２０が形成され、共通電極上には突起１２１が形成されている。突起１２０、１２１は交互に配列するように配置されている。画素電極、共通電極及び突起１２０、１２１上には、不図示の垂直配向膜が塗布形成されている。

ＴＦＴがオフ状態で液晶分子１０８に電圧が印加されていない場合には、図２（ａ）に示すように、液晶分子１０８は基板界面にほぼ垂直に配向している。そして、ＴＦＴをオン状態にした場合には、液晶分子１０８に所定の電圧が印加され、突起１２０、１２１の形成構造によって液晶分子１０８の傾斜方向が規制される。これにより液晶分子１０８は、図２（ｂ）に示すように複数の方向に配向する。例えば、図３のように突起１２０、１２１が形成されている場合には、液晶分子１０８は一画素内でＡ、Ｂ、Ｃ及びＤの４方向にそれぞれ配向する。このようにＭＶＡ方式の液晶表示装置では、ＴＦＴをオン状態にした際に液晶分子１０８が一画素内で複数の方向に配向するので、良好な視角特性が得られる。

ＭＶＡ方式の液晶表示装置では、液晶分子１０８の傾斜方向は配向膜により規制されている訳ではない。したがってＭＶＡ方式は、ＴＮ方式を代表とする水平配向方式では必須であるラビング等の配向処理工程を必要としない。これにより、ラビングにより生じる静電気やゴミの問題をなくし、配向処理後の洗浄工程も不要であるというプロセス上の利点がある。また、プレチルトのばらつきによる表示むらが生じないという表示品質上の利点もある。上記のようにＭＶＡ方式の液晶表示装置は、製造プロセスの簡略化及び製造歩留りの向上により低コスト化が可能であり、さらに高い表示品質が得られるという特徴を有している。

但し、ＭＶＡ方式の液晶表示装置の透過率はＴＮ方式を代表とする水平配向方式の液晶表示装置には及ばず、改善が望まれている。透過率を改善する方法として、液晶分子の傾斜方向の規制に突起を用いず、液晶材料に重合性材料を混合して、当該重合性材料を重合して、液晶分子の倒れる方向を規制する技術が知られている（特許文献１参照）。当該技術は液晶材料と重合性材料とを含んだ液晶組成物を液晶表示パネル内に充填し、液晶組成物に電圧を印加しながら光（紫外線）を照射して重合性材料を重合させ、液晶分子が倒れた方向の方位角を持つプレチルト角を付与する方法である。ここで、プレチルト角とは、液晶層に電圧が印加されていない状態での液晶分子の基板面からの傾斜角度である。従って、プレチルト角は、基板面の法線方向に対する液晶分子のダイレクタの向きの傾斜角度を９０°から減算した角度に相当する。以下、液晶分子の倒れる角度と基板面との関係は、基板面の法線方向に対する液晶分子のダイレクタの向きの傾斜角度を用いて説明する。
特願２００２−９０５２３号公報特願２００３−７６７０４号特開２００３−２５５３０５号公報特願２００４−０４８２９６号

しかしながら、このような液晶表示パネルを作成するにあたっては、液晶材料と重合性材料（重合性化合物）との相溶性が問題となる。図４は、重合性化合物の液晶量に対する比率を変更した場合の、重合時に印加する電圧（固化電圧）と、基板面の法線方向に対する液晶分子の傾斜角度との関係を示している。横軸は、固化電圧（Ｖ）を表している。縦軸は、基板面の法線方向に対する液晶分子の傾斜角度ｔｉｌｔ（０Ｖ）−ｔｉｌｔ（ｘＶ）（°）を表わしている。図中●印を結ぶ曲線は、重合性化合物の比率が０．２（ｗｔ％）での特性を示している。図中▲印を結ぶ曲線は、重合性化合物の比率が０．３（ｗｔ％）での特性を示している。図中■印を結ぶ曲線は、重合性化合物の比率が０．４（ｗｔ％）での特性を示している。図４に示すように、重合性化合物の液晶量に対する比率が低いと、液晶分子は基板面の法線方向から傾斜がつき難いという問題を有している。

一方、重合性化合物の液晶量に対する比率が高すぎると液晶材料が低温にさらされた際に重合性化合物が析出してしまうという問題を有している。表１は、液晶量に対する２種類の重合性化合物（モノマーＡ及びモノマーＢ）の比率をそれぞれ変えて、常温で放置した際の重合性化合物の析出の有無の結果を示している。モノマーＡ、Ｂは、後程説明する化学式１、２に示す構造を有している。

表１中の「析出の有無」の○又は×は、析出しない（○）、析出する（×）を表している。表１に示すように、重合性化合物の液晶量に対する比率が０．８％と相対的に高くなると、モノマーＡ、Ｂは共に析出してしまう。このように、重合性化合物の液晶量に対する比率を高くしても重合性化合物が析出してしまっては、当該比率を低くした場合と同様の効果しか得られず、液晶分子は基板面の法線方向から傾斜がつき難くなってしまう。これにより、良好な液晶配向を得ることが困難になる。

本発明の目的は、良好な液晶配向を得られる液晶表示装置を提供することにある。

上記目的は、対向配置された一対の基板間と、前記基板間に封止された液晶組成物と、前記液晶組成物中に液晶材料と共に混入され、電圧を印加して前記液晶材料を傾斜させながら重合される２種以上の重合性化合物とを有することを特徴とする液晶表示装置によって達成される。

本発明によれば、良好な液晶配向を得られる液晶表示装置が実現できる。

本発明の一実施の形態による液晶表示装置について図１を用いて説明する。本実施の形態による液晶表示装置では、上記の問題を解決するために、複数の似通った重合性化合物を液晶材料に混入すると、液晶材料に対するモノマーの混入比率が高まることに着眼しており、特に、二官能の重合性化合物に注目している。ここで、二官能に注目した理由としては、単官能の材料では架橋密度が小さく十分な規制力を発現することができなくなり、逆に、三官能以上では反応性が高くなりすぎて紫外光以外の環境の影響を受けやすく、液晶分子の配向特性が安定しないことに基づいている。

２種類の二官能の重合性化合物（モノマーＡ及びモノマーＢ）を液晶材料に溶かして、常温で放置した際の重合性化合物の析出の有無の結果を表２に示す。

上述したように、モノマーＡ又はモノマーＢの液晶量に対する比率が０．８％であると、表１に示すように、モノマーＡ又はモノマーＢが析出してしまう。このように、液晶材料に混入された重合性化合物が単体の場合には、液晶材料に溶解できる量は相対的に少量で限界に達してしまう。ところが、表２に示すように、重合性化合物を２種類以上組み合わせて、全体としての重合性化合物の液晶材料に対する存在量（比率）を相対的に多くしても、モノマーＡ又はモノマーＢの析出を防止することができる。

モノマーＡには重合性の官能基にアクリレート基が用いられ、例えば化学式（１）に示す構造を有している。また、モノマーＢにはメタクリレート基が用いられ、例えば化学式（２）に示す構造を有している。

ＣＨ_２＝ＣＨ−（ＣＯ）−Ｏ−Ｒ−Ｏ−（ＣＯ）−ＣＨ＝ＣＨ_２・・・（１）
ＣＨ_２＝Ｃ（ＣＨ_３）−（ＣＯ）−Ｏ−Ｒ−Ｏ−（ＣＯ）−Ｃ（ＣＨ_３）＝ＣＨ_２・・・（２）
（ここで、例えば、Ｒは化学式（３）
ＣnＨ_２n （ｎ＝１、２、３・・・）・・・（３）
、化学式（４）

、化学式（５）

、化学式（６）
ＣＨ＝ＣＨ・・・（６）
、化学式（７）

、又は化学式（８）
ＣＨ（ＣＨ_３）_２・・・（８）
を示す。）

このように、液晶材料に溶けたモノマーＡ及びモノマーＢは、それぞれ１分子中に２つの重合性官能基を有し、当該重合性官能基を除く部分（Ｒの部分）の分子骨格が共通している。また、モノマーＡ及びモノマーＢを溶解する液晶材料は負の誘電率異方性を有している。当該液晶材料の物性値を表３に示す。本実施の形態による液晶表示装置には、表３に示す液晶材料Ａ〜Ｄのいずれも使用することができる。

表３に示すＮＩ点は、液晶相転移温度を表し、Δｎは、屈折率異方性を表し、Δεは、誘電率異方性を表している。Ｋ_１１は、外部電界に応じて液晶分子の集団が変形する際の広がりの歪みに対する弾性定数を表し、Ｋ_３３は、曲がりの歪みに対する弾性定数を表している。γ１は、ねじれ粘性を表わしている。モノマーＡ及びモノマーＢを単体で使った場合と、これらを組み合わせて使った場合の、基板面の法線方向に対する液晶分子のダイレクタの向きの傾斜角度を表４に示す。

表４に示すように、２つの重合性化合物を組み合わせても、重合性化合物が単体の場合とほぼ同等の傾斜角度を形成することができる。

以上説明したように、二官能重合性化合物を２種類以上組み合わせることにより、常温時に析出しなくなるので、液晶材料に溶解された重合性化合物の存在量を多くすることができる。これにより、基板面の法線方向に対する液晶分子のダイレクタの向きの傾斜角度は、重合性化合物が単体の場合の当該傾斜角度より大きくすることができる。従って、本実施の形態による液晶表示装置は、製造環境や使用環境によらず、良好な液晶配向を得ることができる。

（実施例）
図１は、液晶表示装置の概略の断面構成を示している。図１に示すように、対向して貼り合わされたＴＦＴ基板２と対向基板４との間には、液晶組成物６が封止されている。液晶組成物６中には、液晶材料と共に、電圧を印加して当該液晶材料を傾斜させながら重合される２種以上の重合性化合物が混入されている。２種以上の重合性化合物には、例えば、上記のモノマーＡ及びモノマーＢが用いられている。モノマーＡ及びモノマーＢは１：１の割合で液晶材料に混合されており、モノマーＡとモノマーＢとを合わせた、液晶量に対する比率は０．８％である。

また、液晶材料には、例えば表４に示す誘電率異方性が負の液晶材料Ａ乃至液晶材料Ｄのいずれかが用いられている。ＴＦＴ基板２側のガラス基板１０上には、ＴＦＴ２０、画素電極１６及び垂直配向膜３４が形成されている。対向基板４側のガラス基板１１上には、カラーフィルタ（ＣＦ）樹脂層３３、共通電極４２及び垂直配向膜３５が形成されている。両基板２、４間のセルギャップは、ＴＦＴ基板２上又は対向基板４上に散布された球状スペーサ４０により約４μｍの厚さに維持されている。液晶組成物６は真空注入法により注入される。

画素電極１６及び共通電極４２に所定の電圧を印加して、液晶組成物６に１０Ｖの電圧を印加した状態で、図１の太矢印方向に光（ＵＶ光）を照射すると、液晶組成物６内に混入されたモノマーＡ及びモノマーＢが重合してポリマーが形成される。これにより、液晶分子の初期配向状態として、ＴＦＴ基板２又は対向基板４の法線方向に対して所定の傾斜角度が得られる。当該傾斜角度は、ポリマーが形成される際に液晶組成物６に印加される電圧値が大きいほど大きくなる。

表１に示すように、重合性化合物単体の液晶量に対する比率が０．８％の場合には、液晶材料に重合性化合物を溶かすことができない。しかし、表２に示すように、２種類の重合性化合物を組み合わせることにより、重合性化合物の液晶量に対する比率が０．８％であっても、液晶材料に重合性化合物を溶かすことができる。このため、本実施例による液晶表示装置は、両基板２、４の法線方向に対する液晶分子のダイレクタの向きの傾斜角度を従来の液晶表示装置の当該傾斜角度より大きくすることができる。従って、本実施例による液晶表示装置は、製造環境や使用環境によらず、良好な液晶配向を得ることができる。

本発明は、重合性化合物を多く混合させたいような用途（特許文献２参照）やプレチルトの差をつけて、液晶材料のしきい値差をつけるような用途（特許文献３参照）に対して有効である。また、本発明は、配向膜が形成されておらず、重合性化合物を液晶材料に溶かし、これを重合させて液晶材料の配向を形成する、特許文献４に開示されているように、アンカリングの差を形成するような場合にも有効である。

本実施の形態による液晶表示装置では、垂直配向を例にとって説明したが、液晶材料に対して溶解させる重合性化合物を増やせるという意味では、液晶材料の種類を選ぶものではなく（誘電率異方性が正の場合でも同じ）、垂直配向だけでなく水平配向等のその他の表示方式の液晶表示装置においても同様の効果が得られる。

以上説明した本実施の形態による液晶表示装置は、以下のようにまとめられる。
（付記１）
対向配置された一対の基板間と、
前記基板間に封止された液晶組成物と、
前記液晶組成物中に液晶材料と共に混入され、電圧を印加して前記液晶材料を傾斜させながら重合される２種以上の重合性化合物と
を有することを特徴とする液晶表示装置。
（付記２）
付記１記載の液晶表示装置において、
前記重合性化合物は、それぞれ１分子中に２つの重合性官能基を有することを特徴とする液晶表示装置。
（付記３）
付記２記載の液晶表示装置において、
前記２種以上の重合性化合物は、前記重合性官能基を除く部分の分子骨格が共通していることを特徴とする液晶表示装置。
（付記４）
付記１乃至３のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、
前記重合性化合物は、二官能モノマーを有することを特徴とする液晶表示装置。
（付記５）
付記４記載の液晶表示装置において、
前記二官能モノマーは、アクリレート基を有することを特徴とする液晶表示装置。
（付記６）
付記４又は５に記載の液晶表示装置において、
前記二官能モノマーは、メタクリレート基を有することを特徴とする液晶表示装置。
（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、
前記重合性化合物は、光によって重合することを特徴とする液晶表示装置。
（付記８）
付記１乃至７のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、
前記液晶材料は、負の誘電率異方性を有し、前記液晶材料の配向方位が前記基板の垂直方向から傾いていることを特徴とする液晶表示装置。

本発明の一実施の形態の実施例による液晶表示装置の概略の断面構成を示す図である。従来のＭＶＡ方式の液晶表示装置の断面を斜めから見た概念図である。従来のＭＶＡ方式の液晶表示装置の３画素分の構成及び液晶分子の配向方向を示す概念図である。従来の液晶表示装置の重合時に印加する電圧（固化電圧）と、基板面の法線方向に対する液晶分子の傾斜角度との関係を示す図である。

符号の説明

２ＴＦＴ基板
４対向基板
６液晶組成物
１０、１１、１１０、１１１ガラス基板
１６画素電極
２０ＴＦＴ
３３ＣＦ樹脂層
３４、３５垂直配向膜
４０球状スペーサ
４２共通電極
１０８液晶分子
１２０、１２１突起

Claims

対向配置された一対の基板と、
前記基板間に封止された液晶組成物と、
前記液晶組成物中に液晶材料と共に混入され、電圧を印加して前記液晶材料を傾斜させながら重合される、それぞれ１分子中に２つの重合性官能基を有する２種以上の重合性化合物とを有し、
前記２種以上の重合性化合物は、前記重合性官能基を除く部分の分子骨格が共通しており、
前記重合性化合物は、前記液晶材料に所定のプレチルト角を付与すること
を特徴とする液晶表示装置。
請求項１に記載の液晶表示装置において、
前記液晶材料は、負の誘電率異方性を有し、前記液晶材料の配向方位が前記基板の垂直方向から傾いていることを特徴とする液晶表示装置。
請求項１又は２に記載の液晶表示装置において、
前記一対の基板の対向面にそれぞれ形成された垂直配向膜をさらに有することを特徴とする液晶表示装置。
対向配置された一対の基板と、
前記一対の基板の対向面にそれぞれ形成された垂直配向膜と、
前記一対の基板間に封止された液晶材料と、
前記一対の基板間に前記液晶材料と共に封止され、それぞれ１分子中に２つの重合性官能基を有する２種以上の重合性化合物を、電圧印加しながら重合したポリマーとを有し、
前記２種以上の重合性化合物は、前記重合性官能基を除く部分の分子骨格が共通しており、
前記ポリマーは、前記垂直配向膜上に形成されていること
を特徴とする液晶表示装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、
前記重合性化合物は、光によって重合することを特徴とする液晶表示装置。