JP4594132B2

JP4594132B2 - 液晶表示装置および表示体

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Publication number: JP4594132B2
Application number: JP2005051973A
Authority: JP
Inventors: 康成永田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: JP2006235398A

Description

本発明はスペーサーを核とした配向異常を抑え、安定した表示が可能な液晶表示装置及びその表示体に関するものである。

近年、液晶表示装置は携帯情報端末、ノートパソコンの他に、大型かつ高精細のモニターにまで使用されている。また、表示モードに関しても、外部の光を基板の一部に形成した反射膜で反射させて表示を視認する反射モードを利用した反射型液晶表示装置やバックライトや外部の光源を全部またはその一部を透過して表示を視認する透過モード、半透過モードを利用した液晶表示装置が存在する。

それぞれの構造の液晶表示装置において、現在、コントラスト向上等のさらなる画質向上が望まれている。

液晶表示装置の表示は液晶表示パネルで行われる。具体的には、表示電極、配向膜が形成された１対の基板間に、液晶材料を挟持して液晶層を構成する。なお、反射モードや半透過モードの液晶表示装置では、各画素に対応して反射膜が形成される。なお、半透過モードの液晶表示装置においては、各画素に対応して形成された反射膜の一部に光透過用貫通孔を有している。

また、この液晶層の液晶分子の配向は、液晶層に電界が印加されていない状態では、液晶分子の配向（ねじれ）は、配向膜の配向処理によって決定され、液晶層に電界が印加されると、それに従って配向（ねじれ）が解消する。１画素において電界の印加または非印加により液晶分子のねじれ構造が代わり、結果として液晶層を透過する光を遮断したり、透過したり、また、反射膜にまで外光を到達させたり、反射させたりしていた。

液晶表示の上述の表示において、液晶層の厚みを所定値で均一化することが非常に重要となる。このため、一般に液晶層には、液晶層を均一な厚みに保つためのスペーサーが混在させている。

特に、液晶層内に混在するスペーサーは、スペーサー表面にそって液晶分子が水平に並
んでしまうため、スペーサー周囲の液晶分子のねじれ状態を乱すこととなり、スペーサー表面付近で液晶層の光漏れ現象が発生してしまうという問題があった。これは、２枚の基板間で液晶分子はねじれ状態であるにもかかわらず、スペーサー周囲では見かけ上、液晶分子が２枚の基板間に垂直に立った状態になっているため、光漏れという現状が発生してしまう。この光漏れを改善するにあたり、スペーサー表面に炭素数１〜６または１２〜２２のアルキル基を形成することによって、スペーサーの表面に形成したアルキル基がもつ見かけ上の繊毛（スペーサー表面に見かけ上形成される針状の繊毛）で液晶分子を配向してしまい、これにより、スペーサー周囲で液晶分子が立ち並んで整列してしまうことを防止するものである。これにより、スペーサー周囲の光漏れを防止する液晶表示装置が提案されている。（特開２００３―１８６０２５号参照）
特開２００３−１８６０２５号

疎水性スペーサーを用いて、液晶表示装置を形成すると、スペーサーの周囲における光漏れは防止できるものの、近接するスペーサー間で、液晶分子の配向異常が発生するという問題が新たに惹起されてしまう。これは、液晶層を表示面領域で均一の厚みで維持させるためには、物理的に液晶層の厚みを均一とするためのスペーサーの混在量が必要となる。この液晶層の均一性を考慮したときには、スペーサーの混在密度は、平面視したときの１ｍｍ^２面積当たり、８０個以上が必要となり、安定維持させるためには２００個は必要となるが、高い密度で疎水性スペーサーを混在させたときに、そのスペーサー間の異常が顕在化してしまう。

図３は、疎水性スペーサーで顕在化するスペーサー間の液晶異常配向による不具合を示す画素領域の平面図である。図３は、隣接しあう画素を示す平面図である。

表面を疎水性処理したスペーサー１０を配置した場合、各スペーサー１０には表面に強い液晶を配向させる規制力が働くために、スペーサーが接近した部分においては、外部からの力あるいは、熱等のストレスによって、符号１５のような近接しあうスペーサー１０、１０間にスペーサー１０を核とした線状の配向異常領域が発生する場合がある。この線状の配向異常領域は位相差が発生しないため、黒表示において輝点となる。

逆に、このスペーサー１０を核とした他のスペーサー間を結ぶ線状の液晶の配向異常を抑えるためには、スペーサー１０の分散密度を低下させると、液晶層の厚みの均一性が低下してしまう。これにより、安定した液晶層の液晶分子の動作ができず、結果として、液晶表示が乱れてしまうという問題があった。

本発明は上述の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は近接したスペーサー間においてスペーサーを核とした線状の配向異常を抑えるとともに、安定した表示が可能な液晶表示装置及びその表示体を提供することにある。

本発明は、第１および第２の基板と、該両基板の間に配置され、かつスペーサーを含有した液晶層とからなる液晶表示装置において、前記液晶層に含有したスペーサーは、疎水性スペーサーと、親水性スペーサーとが混在して成り、前記疎水性スペーサーおよび前記親水性スペーサーは、黒色のスペーサー、透明のスペーサーおよび半透明のスペーサーからなり、スペーサー全体の光透過率を２０％〜８０％の範囲に設定したことを特徴とする。

液晶層に表面を疎水性スペーサーと親水性スペーサーとを２０：８０〜８０：２０の範囲に混在させて配置した。即ち、スペーサーの全体量に対して、疎水性スペーサーを減少させることができるため、スペーサー間に線状の配向異常を有効に抑えることができるとともに、同時に、スペーサーの密度を所定値以上に維持できるため、安定した液晶層の厚みを均一に維持することができる。

もって、近接したスペーサー間においてスペーサーを核とした線状の配向異常を抑えるとともに、安定した表示が可能な液晶表示装置及びその表示体を提供できる。

以下、本発明の液晶装置及び表示体を添付の図面を用いて詳述する。

図１は、本発明の液晶表示装置の概略構造を示す断面図である。図２は隣接しあう画素部分の平面図である。

図において、ＤＰは液晶表示パネルであり、ＢＬはバックライトである。液晶表示パネルＤＰは、一方部材である第１の基板と他方部材である第２の基板との間に、スペーサー１０（親水性スペーサー１０ａ及び疎水性スペーサー１０ｂを含む）を分散させた液晶層３を介在させて形成されている。

そして、液晶表示パネルＤＰの裏面側には液晶表示パネルＤＰに光を照射するバックライトＢＬが配置されている。

例えば第２の基板である裏面側の透明基板４の内面には、各画素領域に対応するカラーフィルター８、アクリル系樹脂から成るオーバーコート層７、ストライプ状配列したＩＴＯから成る透明電極５および一定方向にラビングしたポリイミド樹脂から成る配向膜６が順次積層されている。なお、透明電極５と配向膜６との間に樹脂やＳｉＯ₂等から成る絶
縁膜を介在させてもよい。

また、上記のカラーフィルター８は、顔料分散方式、即ち、あらかじめ顔料（赤、緑、青）により調合された感光性レジストを基板上に塗布し、フォトリソグラフィにより形成している。なお、符号１３は、各カラーフィルター８を仕切り、画素の境界を明確にするブラックマトリクスである。

例えば第１の基板である表示面側の透明基板４の内面には、多数平行にストライプ状配列したＩＴＯから成る透明電極５及び一定方向にラビング処理したポリイミド樹脂から成る配向膜６が順次積層されている。なお、表示面側の透明基板４に形成された透明電極５と裏面側の透明基板４に形成された透明電極５とは、互いに直交する方向に延びて形成され、その結果、透明電極５、５同士が互いに直交する領域が画素領域となる。そして、この１つの画素領域に対して、ＲＧＢ（赤、緑、青）のいずれかのカラーフィルター８が配置されている。また、配向膜６は透明電極５上に直接成膜形成しているが、配向膜６と透明電極５との間に樹脂やＳｉＯ₂等から成る絶縁膜を介在させてもよい。

そして、このような構成の一方部材および他方部材との間に、たとえば２００°〜２６０°の角度でツイストされたカイラルネマチック液晶材料からなる液晶層３を介してシール部材（図示せず）により貼り合わせる。また、両部材間には液晶層３の厚みを一定にするためにスペーサー１０を多数個配している。

さらに、裏面側の透明基板４の外側にポリカーボネイト等から成る位相差板１１とヨウ素系の偏光板１２とを順次形成する。また、表示面側の透明基板４の外側にポリカーボネ
イト等から成る位相差板２とヨウ素系の偏光板１とを順次形成する。

これらの位相差板２、１１、偏光板１、１２は、アクリル系の材料から成る粘着材を介して接着される。

そして、上述の液晶表示パネルＤＰの裏面側の透明基板４に形成した偏光板１２に、光源部と導光板１７とから成るバックライトＢＬを配設する。

このような構造の液晶パネルＤＰは、２つの基板４、４を対向させることにより、例えば一対の透明電極５、５が交差して画素が形成される。即ち、図１ではパッシブ型（ＳＴＮ構造）の液晶表示パネルＤＰを示している。しかし、カラーフィルター８を有する側の透明基板４に形成する透明電極５を、複数の画素領域に跨がって１つの透明導電膜で形成し、カラーフィルター８を有さない側の透明基板４の透明電極５を画素領域に対応させてマトリックス状に形成するとともに、マトリックス状に個別に形成した透明電極５に各々スイッチングトランジスタ素子を接続配置しても構わない。即ち、ＴＦＴ型、ＴＦＤ型などのアクティブ型の液晶表示パネルＤＰでもよい。

なお、また、図１ではカラーフィルター８が裏面側の透明基板４に形成されているが、表示面側の透明基板４に形成されていてもよい。

図２は、隣接する３つの画素領域を示す平面図である。図において、画素領域（ブラック樹脂１３によって囲まれた領域）に透明なスペーサー１０を配置している。透明なスペーサー１０の基材は、エチレン性不飽和基を有する単量体をラジカル重合剤の下で懸濁重合することにより形成される。

このスペーサー１０のうち、親水性スペーサー１０ａは、アルキル基処理を施さない上記スペーサー１０であり、疎水性スペーサー１０ｂは、このスペーサー基材の表面に、アルキル基（炭素数１２程度）重合処理したスペーサーである。即ち、親水性スペーサー１０ｂは上記スペーサー基材単体を使用した。

まず、疎水性スペーサー１０ｂのみを用いた場合、各スペーサー１０ｂには表面に強い液晶を配向させる規制力が働くために、スペーサー１０ｂが接近した部分においては、外部からの力あるいは、熱等のストレスによって、たとえば、図３に示すように、各スペーサー１０ｂ、１０ｂ間にスペーサー１０ｂを核とした線状の配向異常領域が発生する場合がある。この線状の配向異常領域は位相差が発生しないため、黒表示において輝点となる。

次に、親水性スペーサー１０ａのみを用いて配置した場合、各スペーサー１０ａには表面に液晶層３の液晶分子を配向させる配向膜６による規制力が働かないため、親水性スペーサー１０ａが接近した部分においても、液晶層３の液晶分身が親水性スペーサー１０ａの外形に依存して配列される傾向がある。この結果、外部からの力あるいは熱等のストレスによって、１５のような各スペーサー間にスペーサーを核とした線状の配向異常領域が発生しないものの、親水性スペーサー１０ａの密度が増えるにつれて、親水性スペーサー１０ａの周囲で光漏れが発生してしまう。

表１は、親水性スペーサー１０ａのスペーサー密度と、スペーサー間配向異常、スペーサー周辺の光漏れ、パネルＧＡＰ（液晶層の厚みの）均一性について検討したものである。

親水性スペーサー１０ａ間配向異常については、親水性スペーサー１０ａの密度２０〜２００個／ｍｍ^２において良好である。これは、スペーサー表面に液晶分子への配向規制力が働かないため、スペーサーが接近している部分においてスペーサー間の配向異常は発生しないためである。

スペーサー周辺の光漏れについては、親水性スペーサー１０ａの密度２０〜１００個／ｍｍ^２においては良好であるが、親水性スペーサー１０ａの密度が増えるにつれて悪化する。

これは、親水性スペーサー１０ａの表面にそって液晶分子が水平に並んでしまうため、全ての親水性スペーサー１０ａの周辺部で光漏れが発生してしまうためである。親水性スペーサー１０ａの液晶層３中における分散密度が増えれば、光漏れする部分が表示面側からみたとき、顕在化してしまう。

パネルＧＡＰ均一性（画素領域における液晶層３の層厚みの均一性）については、親水性スペーサー１０ａの密度が２００個／ｍｍ^２においては良好であるが、親水性スペーサー１０ａの密度が減るにつれて悪くなっていく。たとえば、８０個／ｍｍ^２未満では、実用的な表示レベルを大きく下回り（表の記号×）、８０個／ｍｍ^２以上１６０個／ｍｍ^２未満では実用的な表示レベルを下回り（表の記号で△）、１６０個／ｍｍ^２以上２００個／ｍｍ^２未満では、実用的な表示レベルとなり（表の記号で○）、２００個／ｍｍ^２以上では安定した液晶層の厚みの均一性が達成でき、良好な表示レベルとなる（表の記号で◎）。これは、スペーサー１０ａが、２枚の透明基板４、４を支える柱として機能するためである。

つぎに、疎水性スペーサー１０ｂのみを用いた場合のスペーサー密度と、スペーサー間配向異常、スペーサー周辺の光漏れ、パネルＧＡＰ均一性について調べた。表２は、その結果を示す。

スペーサー間配向異常については、疎水性スペーサー１０ｂのスペーサー密度が２０個／ｍｍ^２以上１２０個／ｍｍ^２未満では良好な表示レベルとなり（表の記号で◎）、疎水性スペーサー１０ｂの分布密度が増えるにつれて悪くなっていく。たとえば、１２０個／ｍｍ^２以上１８０個／ｍｍ^２未満では、実用的な表示レベルとなり（表の記号で○）、１８０個／ｍｍ^２以上では実用的な表示レベルを下回る（表の記号で△）。

これは、スペーサー１０ｂの表面に液晶分子への強い配向規制力が働くためスペーサー１０ｂ同士が接近している部分において、疎水性スペーサー１０ｂ間の配向異常が発生する。そして、疎水性スペーサー１０ｂの密度が増えれば、その発生が増えてしまう。

スペーサー周辺の光漏れについては、疎水性スペーサー１０ｂの密度が２０〜２００個／ｍｍ^２においては良好である。

これは、疎水性スペーサー１０ｂの表面に液晶分子への配向規制力が働くため、全ての疎水性スペーサー１０ｂの周辺部で光漏れが発生しないからである。

パネルＧＡＰ均一性（画素領域における液晶層の層厚みの均一性）については、親水性スペーサー１０ａと同様に、スペーサーの密度が２００個／ｍｍ^２においては良好であるが、疎水性スペーサー１０ｂの密度が減るにつれて悪くなっていく。

そこで、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとの全体の密度を、液晶層の層厚みの均一性を考慮して２００個／ｍｍ^２とし、親水性スペーサー１０ａの課題であるスペーサー周辺の光漏れ及び疎水性スペーサー１０ｂの課題であるスペーサー間の配向異常１５を解決すべく、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとを混合した。

この所定混合比率における、スペーサー間配向異常１５、スペーサー周辺の光漏れ、パネルＧＡＰ均一性について調べ、その結果を表３に示している。なお、スペーサー１０ａ、１０ｂの密度を２００個/ｍｍ^２と設定した。これは、パネルＧＡＰ均一性は非常に安
定するためである。

スペーサー間配向異常については、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとの混合比率を疎水性スペーサー：親水性スペーサー＝０：１００〜５０：５０において良好であるが、さらに、疎水性スペーサー１０ｂの混合比率を増やし、親水性スペーサー１０ａの混合比率を減らすにつれて、スペーサー１０ｂ、１０ｂ間の異常配向１５が顕著となってくる。具体的には、疎水性スペーサー１０ｂが全体のスペーサーに対して０〜８０％では、良好な表示レベルまたは実用に耐え得る表示レベルとなる。なお、好ましくは、疎水性スペーサー１０ｂが全体のスペーサーに対して０〜５０％で良好な表示レベルとなる。

スペーサー周辺の光漏れについては、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとの混合比率を疎水性スペーサー：親水性スペーサー＝１００：０〜５０：５０において良好であるが、さらに、疎水性スペーサー１０ｂの混合比率を減らし、親水性スペーサー１０ａの混合比率を増やすにつれて悪化してしまう。具体的には、親水性スペーサー１０ａが全体のスペーサーに対して８０％を超えると、実用に耐え得ない表示レベルとなる。なお、好ましくは、親水性スペーサー１０ａを全体のスペーサーに対して０〜５０％で良好な表示レベルとなる。

パネルＧＡＰ均一性については、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂの全体の密度を２００個／ｍｍ^２と一定としていることから、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとの混合比率を親水性スペーサー：疎水性スペーサー＝０：１００〜１００：０の全範囲において良好である。

以上から、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとの混合比率が、疎水性スペーサー：親水性スペーサー＝２０：８０〜８０：２０において、スペーサー間配向異常、スペーサー周辺の光漏れ、パネルＧＡＰ均一性全てにおいて良好である。また、好ま
しくは、疎水性スペーサー１０ａが全体のスペーサーの混合比率の４０％を超え、６０％未満、親水性スペーサー１０ｂの混合比率が６０％未満、４０％を超える範囲で最も良好な表示レベルが得られることになる。

次に、表４は、親水性スペーサー１０ａと疎水性スペーサー１０ｂとをそれぞれ５０％で混合し、かつ実質的に透明なスペーサーと実質的に黒色のスペーサーを混合した場合の白表示ザラツキ、黒表示ザラツキ、スペーサー間配向異常、パネルＧＡＰ均一性について比較したものである。

透明なスペーサーの基材は、エチレン性不飽和基を有する単量体をラジカル重合剤の下で懸濁重合することにより形成される。

また、黒色のスペーサーは、上記単量体に黒色の顔料を混合したり、透明な基材の周囲を黒色皮膜で覆ったりすることによって得られる。

透明のスペーサーと黒色のスペーサーとの混合比率が透明のスペーサー：黒色のスペーサー＝０：１００〜１０：９０の範囲においては、黒表示でのザラツキは見られないが、白表示でのザラツキが悪くなる。また、透明のスペーサー：黒色のスペーサー＝９０：１０〜１００：０の範囲においては、白表示でのザラツキは見られないが、黒表示でのザラツキが悪くなる。

透明のスペーサー：黒色のスペーサー＝２０：８０〜８０：２０の範囲においては、白表示でのザラツキ、黒表示でのザラツキとも良くなる傾向があり、黒色のスペーサー：透明のスペーサー＝５０：５０において最も良くなる。

以上から、スペーサー間配向異常がなく、白表示でのザラツキ、黒表示でのザラツキも良好な液晶表示装置が得られた。

次に、表５は、親水性スペーサーと疎水性スペーサーを５０％：５０％で混合し、かつ半透明なスペーサーを使用した場合の、白表示ザラツキ、黒表示ザラツキ、スペーサー間配向異常、パネルＧＡＰ均一性について比較したものである。

半透明のスペーサーは、エチレン性不飽和基を有する単量体にわずかに黒色の顔料を混合したり、透明な基材の周囲をわずかに黒色皮膜で覆ったりすることによって得られる。

半透明のスペーサーの透過率＝０％〜１０％の範囲においては、黒表示でのザラツキは見られないが、白表示でのザラツキが悪くなる。

また、半透明のスペーサーの透過率＝９０％〜１００％の範囲においては、白表示でのザラツキは見られないが、黒表示でのザラツキが悪くなる。

半透明のスペーサーの透過率が２０％〜８０％の範囲においては、白表示でのザラツキ、黒表示でのザラツキとも良くなる傾向があり、半透明のスペーサーの透過率＝５０％において最も良くなる。

また、このようなスペーサーを有する液晶表示パネルＤＰと前記バックライトＢＬとは、筐体に収容し、透明電極５（またはスイッチングトランジシタ）に所定信号を与える駆動手段と、該駆動手段に供給する所定回路とを少なくとも具備した表示体とする。このようにすれば、スペーサー間配向異常がなく、白表示でのザラツキ、黒表示でのザラツキのない良好な表示が可能となる。

本発明にかかる液晶表示装置の部分断面図である本発明にかかる液晶表示装置の隣接する画素におけるスペーサーの状態の配置状態を示す平面図である。従来の液晶表示装置の隣接する画素におけるスペーサー（疎水性スペーサー）による異常配向の状態を示す平面図である。

１・・・・偏光板
２・・・・位相差板
３・・・・液晶層
４・・・・透明基板
５・・・・透明導電膜
６・・・・配向膜
７・・・・オーバーコート
８・・・・カラーフィルター
１０・・・スペーサー
１１・・・位相差板
１２・・・偏光板
１３・・・ブラックマトリクス
１４・・・白色スペーサー
１５・・・スペーサー間の配向異常
ＢＬ・・・バックライト

Claims

第１および第２の基板と、該両基板の間に配置され、かつスペーサーを含有した液晶層とからなる液晶表示装置において、
前記液晶層に含有したスペーサーは、疎水性スペーサーと、親水性スペーサーとが混在して成り、
前記疎水性スペーサーおよび前記親水性スペーサーは、黒色のスペーサー、透明のスペーサーおよび半透明のスペーサーからなり、スペーサー全体の光透過率を２０％〜８０％の範囲に設定した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と、該液晶表示装置に所定信号を与える駆動手段と具備した表示体。