JP4625584B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示素子に係り、特に基板上に樹脂層を有する場合の、表示むらや白ずみあるいは黒ずみによる表示品位の劣化を抑え、高画質の画像を得る液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラー液晶表示素子にあっては、駆動素子により駆動される複数の画素電極を有するアレイ基板あるいは対向電極を有する対向基板のいずれか一方に樹脂層であるカラーフィルタ層を有しており、両基板を対向配置してなる間隙に液晶組成物を封入して成っている。そして従来、両基板間に封入される液晶組成物の液晶分子を均一に配向させるため、両基板表面の液晶組成物と接触する面上にはそれぞれ配向膜が成膜されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記樹脂層であるカラーフィルタ層等が形成される液晶表示素子にあっては、樹脂材料に起因してカラーフィルタ層に含まれる不純物が液晶層に溶出して焼き付き現象を発生し、表示不良を生じ表示品位を著しく低下するという問題を有していた。一方、液晶表示素子にあっては、液晶層中に含まれる水分あるいは外部から侵入される水分により、液晶層と直接接触する配向膜が加水分解される事に起因して、白ずみ（黒ずみ）を発生し、表示不良を生じ、これによっても表示品位を低下するという問題を有していた。
【０００４】
そこで本発明は上記課題を除去するものであり、液晶層中への不純物の溶出や水分の混入にかかわらず、これらを起因とする表示不良の発生を防止して、表示品位の高い液晶表示素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するための手段として、基板上にコモン電極及び配向膜を形成した対向基板と、対向基板に対向配置され、基板上に紫外線硬化型アクリル樹脂によって構成されたカラーフィルタ層を設けるとともに、このカラーフィルタ層上にマトリクス状に配列され複数の駆動素子により駆動される複数の画素電極を配置し、この画素電極上に配向膜を配置したアレイ基板と、対向基板とアレイ基板の間隙に封入された液晶組成物とを有し、配向膜は、ポリイミドから構成され、当該配向膜形成時点で表面エネルギーが５１〜６０ｄｙｎ／ｃｍに設定されたものを使用している。
【０００６】
上記構成により本発明は、樹脂層から生じる不純物が配向膜の所定箇所に集中するのを防止することにより焼き付きの発生を防止する一方、配向膜への水分の付着を防止することにより白ずみ（黒ずみ）の発生を防止して、表示品位の良い、信頼性の高い液晶表示素子を得るものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
先ず本発明の原理について述べる。不純物あるいは水分により液晶表示素子に表示不良を発生する原因を調べるため、カラーフィルタ層が形成される液晶表示素子に１０ｍｍ角の白黒チェッカー画像を１０００時間表示して、信頼性試験を行いポリイミド配向膜の表面エネルギーと、焼き付きの発生及び白ずみ・黒ずみの発生との関係を調べたところ、図１に示す試験結果を得られた。
【０００８】
即ち、ポリイミド配向膜の表面エネルギーが５０ｄｙｎ／ｃｍ以下であると、表示時間が１０００時間に達する前に液晶表示素子は焼き付き現象による表示不能となる画素を生じ表示品位を著しく低下してしまう。一方、ポリイミド配向膜の表面エネルギーが６０ｄｙｎ／ｃｍを超えると、表示時間が１０００時間に達する前に液晶表示素子の表示に白ずみ（黒ずみ）を生じ表示品位を著しく低下してしまう。
【０００９】
これは、液晶表示素子にカラーフィルタ層を設けると、カラーフィルタ層に含まれる不純物が液晶層中に溶出され、液晶表示素子に成膜されるポリイミド配向膜の表面エネルギーが低いと、電圧印加前にあっては図２（ａ）に示すようにカラーフィルタ層から溶出された不純物１が液晶層２中に分散されて浮遊した状態を呈するものの、画像表示時に電圧が印加されると、図２（ｂ）に示すように電圧印加部分の配向膜３上に局所的に不純物が集中してしまい、焼き付きを発生する原因となる。
【００１０】
そこでこの焼き付きを防止する目的で配向膜の表面エネルギーを高くすると、図３に示すように液晶層２中に溶出された不純物１は配向膜３の表面にほぼ均一にトラップされ、電圧印加時においても局所的に集中する事が無く、従って焼き付き現象は発生しない。しかしながら、表面エネルギーの高い配向膜３は、液晶層２中に含まれあるいは外部から侵入した水分もトラップしてしまう。このためトラップした水分により配向膜３表面の加水分解を生じ、図１に示すように、配向膜の表面エネルギーが６０ｄｙｎ／ｃｍを超えると、長時間使用する間に白ずみ（黒ずみ）を発生する事となる。
【００１１】
従って本発明は、配向膜の表面エネルギーを５１〜６０ｄｙｎ／ｃｍの範囲にコントロールすることによって、焼き付きと白ずみ（黒ずみ）のそれぞれの原因による表示不良の発生を防止するものである。
【００１２】
尚、配向膜の表面エネルギーは、配向膜上に水滴を滴下し、水滴と配向膜との接触角度を測定する方法で測定値を得ている。
【００１３】
次に上記原理に基づき本発明を図４に示す実施の形態を参照して説明する。図４は、アレイ基板１１及び対向基板１２をスペーサ１３を介して対向配置し、熱硬化型エポキシ系接着剤ＥＳ−５５０（三井東圧化学（株）社製）を用いたシール剤１４にて周囲を接着して成る間隙に注入口から液晶組成物１６を注入後、注入口を封止し、更にアレイ基板１１及び対向基板１２それぞれに偏光板１１ａ、１２ａを貼り付けてなる液晶表示素子１０を示す概略断面図である。
【００１４】
アレイ基板１１は、ガラス基板１７上の図示しない走査線及び信号線の交点近傍に液晶駆動用の薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと略称する。）素子１８を有している。ＴＦＴ素子１８の上にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の着色層２０ａ、２０ｂ、２０ｃがストライプ状に配置されてなるカラーフィルタ層２０が配置されている。
【００１５】
カラーフィルタ層２０上であって図示しない走査線及び信号線で囲まれる領域に、複数の画素電極２１がマトリクス状にパターン形成されていて、画素電極２１はカラーフィルタ層２０に形成されるスルーホール２２を介してＴＦＴ素子１８のソース電極（図示せず）に接続し、ＴＦＴ素子１８により駆動される。更に画素電極２１上には表面エネルギー５３．５ｄｙｎ／ｃｍの配向膜２３が成膜されている。
【００１６】
対向基板１２は、ガラス基板２４上にＩＴＯからなるコモン電極２６が形成され、コモン電極２６上に表面エネルギー５３．５ｄｙｎ／ｃｍの配向膜２７が成膜されている。
【００１７】
次に液晶表示素子１０の製造方法について述べる。アレイ基板１１は、通常のフォトリソグラフィ工程によるパターニングを繰り返してガラス基板１７上にＴＦＴ素子１８を形成する。次いで着色層材料として、赤色の顔料を分散させた紫外線硬化型アクリル樹脂レジストＣＲ−２０００（富士ハントテクノロジー（株）製）をスピンナーにて全面塗布し、フォトマスクを介し赤を着色したい部分に３５６ｎｍの波長の光を１００ｍＪ／ｃｍ２照射後、ＫＯＨの１％ 水溶液で１０秒間現像してＲ（赤）２２ａの着色層２０ａを形成する。
【００１８】
同様にしてＧ（緑）、Ｂ（青）の着色層２０ｂ、２０ｃを形成する。Ｇ（緑）、Ｂ（青）の着色層２０ｂ、２０ｃの着色層材料としてはいずれも富士ハントテクノロジー（株）製の、緑色、青色の顔料を分散させた紫外線硬化型アクリル樹脂レジストＣＧ−２０００，ＣＢ−２０００を用いた。カラーフィルタ層２０形成後、スパッタ法にてＩＴＯ膜を１５００オングストロームの厚さに成膜して、フォトリソグラフィ工程によってパターン形成し、カラーフィルタ層２０上にマトリクス配列される画素電極２１を形成後、この上に配向膜２３を塗布する。
【００１９】
一方対向基板１２は、ガラス基板２４上にスパッタ法にてＩＴＯ膜を１５００オングストロームの厚さに成膜してコモン電極２６を形成後、この上に配向膜２７を塗布する。
【００２０】
次に配向膜２３、２７について述べる。アレイ基板１１側の画素電極２１上及び対向基板１２側のコモン電極２６上にそれぞれポリイミド配向膜材料としてＳＥ−７４９２（日産化学工業（株）社製）を滴下し、スピンコートにより全面に５００オングストロームの厚さとなるように塗布する。更にそれぞれを１８０℃で１時間焼成処理して、表面エネルギー５３．５ｄｙｎ／ｃｍの配向膜２３、２７を得る。
【００２１】
表面エネルギーは、配向膜の材料、プロセス条件等により変化し、例えば焼成温度が高く、焼成時間が長いと表面エネルギーは高くなる。本実施の形態においては、上記の材料と、プロセス条件を選択する事により表面エネルギーを制御した。
【００２２】
この後、配向膜２３、２７をラビングにより配向処理し、アレイ基板１１の配向膜２３の周辺に沿ってシール剤１４を印刷塗布し、アレイ基板１１からコモン電極２６に電圧を印加するためのトランスファ材（図示せず）をシール剤１４周辺に形成する一方、対向基板１２にスペーサ１３を散布した後、アレイ基板１１及び対向基板１２を、配向膜２３、２７のそれぞれのラビング方向が90°となるよう対向配置し、シール剤１４を加熱硬化させて貼り合わせ液晶セルを形成する。
【００２３】
次に液晶セルの間隙に液晶組成物１６として、ＺＬＩ−１５６５（Ｅ．メルク社製）にカイラル材を０．１ｗｔ％添加したものを注入し、この後注入口（図示せず）を紫外線硬化樹脂で封止後、アレイ基板１１及び対向基板１２に偏光板１１ａ、１２ａを貼り付けて液晶表示素子１０を完成する。
【００２４】
こうして作製した液晶表示素子１０を高温高湿度（５０℃、８０％）条件で１０ｍｍ角の白黒チェッカー画像を用いて１０００時間連続画像表示試験をおこなったが、焼き付き及び白ずみ（黒ずみ）の発生は皆無で有り、良好な表示画像を得られた。
【００２５】
この様に構成すれば、配向膜２３、２７の表面エネルギーが５３．５ｄｙｎ／ｃｍと高い事から、カラーフィルタ層２２から液晶組成物１６中に溶出した不純物は配向膜２３、２７にほぼ均等にトラップされるので、長時間の画像表示にかかわらず、焼き付き現象を防止出来る。また配向膜２３、２７の表面エネルギーは高過ぎず、配向膜２３、２７を加水分解する程には液晶組成物１６中の水分をトラップしないので、高温高湿度での条件下においても白ずみ（黒ずみ）の発生を防止出来る。従って、液晶表示素子１０は、不純物が溶出されるカラーフィルタ層２２を設けるにもかかわらず、不純物による悪影響を受ける事無く、焼き付きや白ずみ（黒ずみ）による表示不良を防止して、高い表示品位を得られる。
【００２６】
一方これに対して（比較例１）について述べる。この（比較例１）は、前記実施の形態における表面エネルギーが５３．５ｄｙｎ／ｃｍの配向膜２３、２７に変えて、表面エネルギーが５０．４ｄｙｎ／ｃｍと低い配向膜を画素電極及びコモン電極表面に成膜するものであり、他は前記実施の形態と全く同様とする。この（比較例１）の表面エネルギーが５０．４ｄｙｎ／ｃｍの配向膜は、ポリイミド配向膜材料であるＳＥ−７４９２（日産化学工業（株）社製）を画素電極及びコモン電極表面に塗布後、２２０℃で１時間焼成処理して得るものである。
【００２７】
この表面エネルギーが５０．４ｄｙｎ／ｃｍの配向膜を有する（比較例１）の液晶表示素子を、前記実施の形態と同様にして、高温高湿度（５０℃、８０％）条件で１０ｍｍ角の白黒チェッカー画像を用いて１０００時間連続画像表示試験をおこなった所、配向膜の表面エネルギーが低いため、約１１０時間程で焼き付き現象による表示不良を発生し、表示品位が著しく劣ってしまった。
【００２８】
次に（比較例２）について述べる。この（比較例２）は、前記実施の形態における表面エネルギーが５３．５ｄｙｎ／ｃｍの配向膜２３、２７に変えて、表面エネルギーが６２ｄｙｎ／ｃｍと高い配向膜を画素電極及びコモン電極表面に成膜するものであり、他は前記実施の形態と全く同様とする。この（比較例２）の表面エネルギーが６２ｄｙｎ／ｃｍの配向膜は、ポリイミド配向膜材料であるＳＥ−７４９２（日産化学工業（株）社製）を画素電極及びコモン電極表面に塗布後、１５０℃で１時間焼成処理して得るものである。
この表面エネルギーが６２ｄｙｎ／ｃｍの配向膜を有する（比較例２）の液晶表示素子を、前記実施の形態と同様にして、高温高湿度（５０℃、８０％）条件で１０ｍｍ角の白黒チェッカー画像を用いて１０００時間連続画像表示試験をおこなった所、焼き付き現象は発生しなかったものの、配向膜の表面エネルギーが高過ぎる事から、水分の侵入し易い注入口部分での水分のトラップが多くなり、この水分により配向膜が加水分解されてしまい、約７００時間程で液晶組成物の注入口部分に白ずみ（黒ずみ）を発生し、表示不良により、表示品位が著しく劣ってしまった。
【００２９】
尚本発明は上記実施の形態に限られるもので無く、その趣旨を変えない範囲での変更は可能であって、例えば、配向膜は表面エネルギーが５１〜６０ｄｙｎ／ｃｍを有するものであればその原材料は限定されないし、焼成温度や焼成時間等の製造過程も任意である。
【００３０】
又液晶表示素子の構造も任意であり、スペーサも、アレイ基板あるいは対向基板のいずれかに柱状スペーサを設ける等しても良い。その際のスペーサの材質として、着色層に用いたのと同じ樹脂層を使用しても良いし、着色層とは別に透明あるいは黒色等の材料を用いる等任意である。ここで、カラーフィルタ層を対向基板側に設けた場合は、カラーフィルタ層は一体的なコモン電極に被覆され、液晶層側への不純物の溶出が、比較的低減されるのに比し、上記実施の形態のように、アレイ基板側にカラーフィルタ層を設けると、パターン形成された画素電極間の間隙から、カラーフィルタ層の不純物が液晶層側に多く溶出し、焼き付き現象を生じ易い事から、本発明の配向膜が焼き付き防止により効果を奏する。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、配向膜の表面エネルギーを適正な範囲にコントロールしている事から、液晶層に溶出される不純物による焼き付き現象の発生を防止する一方、水分による配向膜の加水分解による画像の白ずみ（黒ずみ）の発生を防止して、表示不良を防止し、良好な表示品位を有する液晶表示素子を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理となる配向膜の表示エネルギーに依存する表示不良の発生状態を示すグラフである。
【図２】本発明の原理で述べる焼き付き発生の原因を示し、（ａ）はその電圧印加前の不純物の浮遊状態を示し、（ｂ）はその電圧印加部分への不純物の集中を示す説明図である。
【図３】本発明の原理で述べる表面エネルギーの高い配向膜による不純物のトラップ状態を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における液晶表示素子を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１０…液晶表示素子
１１…アレイ基板
１１ａ…偏光板
１２…対向基板
１２ａ…偏光板
１３…スペーサ
１４…シール剤
１６…液晶組成物
１７…ガラス基板
１８…ＴＦＴ素子
２０…カラーフィルタ層
２１…画素電極
２３…配向膜
２６…コモン電極
２７…配向膜

Claims (2)

1. 基板上にコモン電極及び配向膜を形成した対向基板と、
   前記対向基板に対向配置され、基板上に紫外線硬化型アクリル樹脂によって構成されたカラーフィルタ層を設けるとともに、このカラーフィルタ層上にマトリクス状に配列され複数の駆動素子により駆動される複数の画素電極を配置し、この画素電極上に配向膜を配置したアレイ基板と、
   前記対向基板と前記アレイ基板の間隙に封入された液晶組成物とを有し、
   前記配向膜は、ポリイミドから構成され、当該配向膜形成時点で表面エネルギーが５１〜６０ｄｙｎ／ｃｍに設定されていることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記配向膜は、前記カラーフィルタ層上にマトリクス状に配列された前記画素電極表面及びこれら画素電極間の隙間を埋めるように前記画素電極側表面全面を覆うように成膜されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。

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