JP4651677B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は液晶表示装置に関し、特に広視野角特性を有する液晶表示装置に関する。

液晶表示装置の表示特性が改善され、テレビジョン受像機などへの利用が進んでいる。液晶表示装置の視野角特性は向上したものの更なる改善が望まれている。特に、垂直配向型の液晶層を用いた液晶表示装置（ＶＡモード液晶表示装置と呼ばれることもある。）の視野角特性を改善する要求は強い。ここで「垂直配向型液晶層」とは、垂直配向膜の表面に対して、液晶分子軸（「軸方位」ともいう。）が約８５°以上の角度（プレチルト角）で配向した液晶層をいう。液晶分子は負の誘電異方性を有し、ＶＡモードの液晶表示装置はクロスニコル配置された偏光板と組み合わせて、ノーマリーブラックモードで表示を行う。

現在、テレビ等の大型表示装置に用いられているＶＡモード液晶表示装置には、視野角特性を改善するために、１つの画素に複数の液晶ドメインを形成する配向分割構造が採用されている。配向分割構造を形成する方法としては、ＭＶＡモードが主流である。ＭＶＡモードは、垂直配向型液晶層を挟んで対向する一対の基板の液晶層側に、配向規制構造を設けることによって、配向方向（チルト方向）が異なる複数のドメイン（典型的には配向方向は４種類）を形成している。配向規制構造としては、電極に設けたスリット（開口部）あるいはリブ（突起構造）が用いられ、液晶層の両側から配向規制力を発揮する。

しかしながら、スリットやリブを用いると、従来のＴＮモードで用いられていた配向膜によってプレチルト方向を規定した場合と異なり、スリットやリブが線状であることから、液晶分子に対する配向規制力が画素内で不均一となるため、例えば、応答速度に分布が生じるという問題がある。また、スリットやリブを設けた領域の光の透過率が低下するので、表示輝度が低下するという問題もある。

これらの問題を回避するためには、ＶＡモード液晶表示装置についても、配向膜によってプレチルト方向を規定することによって配向分割構造を形成することが好ましい。

配向膜によってプレチルト方向を制御する配向分割構造を有するＶＡモードの液晶表示装置として、ＶＡＥＣＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード（特許文献１参照）やＲＴＮ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モード（ＶＡＴＮ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モードともいう。）がある（特許文献２〜５参照）。

ＶＡＥＣＢモードでは、画素内の任意のドメインにおいて、液晶層を介して対向する一対の配向膜によって規定される液晶分子のプレチルト方向は反平行である。従って、液晶層の厚さ方向の中央付近の液晶分子のチルト方向（観察者側から見たときに液晶分子の端が観察者側に近づいている方が先端となる矢印で表される方位角方向）は、下側基板上の配向膜によって規定されるプレチルト方向と一致する。また、液晶分子のチルト方向は、液晶層の厚さ方向の位置に依存せず、且つ、印加電圧の大きさに拘わらず一定である。

一方、ＲＴＮモードでは、画素内の任意のドメインにおいて一対の配向膜によって規定される液晶分子のプレチルト方向は互いに略直交する。ＲＴＮモードでは、液晶層に十分な電圧（少なくとも最高階調の表示のための信号電圧）が印加されたとき液晶層の層面内および厚さ方向における中央付近の液晶分子のチルト方向は、一対の配向膜によって規定される２つのプレチルト方向を略２等分する方向になる。

垂直配向膜にプレチルト方向を規定する力を付与する方法としては、ラビング法や光配向法が知られている。光配向処理は、配向膜に対して非接触で処理を施すことができるので、ラビング処理のように摩擦による静電気の発生が無く、歩留まりを向上させることが出来る。さらに、本出願人による特願２００５−１４１８４６号に記載されているように、結合構造を形成し得る感光性基を含む光配向膜を用いることによって、プレチルト角のばらつきを１°以下に制御することができ、表示輝度特性を向上させることができるという利点が得られる。

しかしながら、光配向法に特有の問題がある。

例えば、特許文献６には、観察者側に最も近い光配向膜と観察者側の最表面との間に紫外線吸収能が付与された部材を配置することによって、光配向膜の光劣化を抑制する技術が開示されている。

また、特許文献７には、ＩＰＳモードの液晶表示装置の製造に光配向法を用いる場合、画素内に設けられる横電界を発生させるための金属電極のテーパー部での反射光による配向処理の乱れを防止するための技術が開示されている。
特開２００１−２８１６６９号公報 特開平１１−３５２４８６号公報 特開２００２−２７７８７７号公報 特開平１１−１３３４２９号公報 特開平１０−１２３５７６号公報 特開２００１−２７２６８２号公報 特開２００５−１２８３５９号公報

特許文献６に記載されている方法は、光配向膜の光劣化を抑制するためには有効であるが、上述した配向分割型のＶＡモードの液晶表示装置の製造に光配向法を用いる場合に下地の金属層からの反射光による配向処理の乱れを防止することができない。

一方、特許文献７に記載の方法は、ＩＰＳモードの液晶表示装置については有効であるが、ＶＡモードの液晶表示装置には有効でない。なぜなら、ＩＰＳモードの液晶表示装置は、画素内に設けられる金属電極の間に生成される横電界を用いて液晶分子を配向させ表示を行うので、電極上の領域は表示に用いられない。これに対して、ＶＡモードの液晶表示装置においては、液晶層を介して上下に位置する電極間に生成する電界を用いて表示を行うため、画素内の全ての領域に所定の電圧を印加することができ、基本的に画素内の全てを表示に用いることが出来る。従って、ＶＡモードの液晶表示装置の製造に光配向法を用いる場合には、光配向膜の下に存在する金属層（例えば、金属層から形成された配線や電極、遮光層）からの反射光が配向処理に乱れを引き起こし、これが表示品位を低下させるという問題がある。図４を参照してこの問題を以下に説明する。

光配向膜は、液晶分子のプレチルト方向を規定する力（配向規制力）を発現するメカニズムに基づいて２種類に大別される。１つは偏光紫外線を用いて、その偏光方向に平行な方向（または直交する方向）に配向規制力を発現するものであり、他の１つは、光配向膜に対して斜めに光照射し、光照射方向に応じた方向に配向規制力を発現するものである。但し、斜めに入射させることが必須であるだけで、偏光を利用する場合もある。例えば後に例示するようにＰ偏光紫外線を２０°〜６０°の入射角（面法線からの角度）で照射する場合もある。

後者の光配向膜においては、配向規制力の方向は光配向処理における光の入射方向によって規定されている。従って、このような光配向膜を作製する場合、図４に示すように、基板４０上に形成された金属層４２を覆うように形成された光配向膜材料の膜４６に、光配向膜材料の感光波長を含む光ＬＩを斜め照射すると、金属層４２によって反射された光ＬＲが再び光配向膜材料の膜４６に入射し、悪影響を及ぼす。すなわち、反射光ＬＲが光配向膜材料の膜４６に入射する方向は光ＬＩの入射する方向と異なるので、反射光ＬＲが照射された領域においては、配向規制力の方向が一定せず、液晶分子を所定のプレチルト方向に配向させることができない。上記の特許文献６および７に記載されている方法ではこの問題を解決することが出来ない。

本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は光配向法を用いて製造しても配向乱れが生じないＶＡモードの液晶表示装置を提供することにある。

本発明の液晶表示装置は、垂直配向型の液晶層と、前記液晶層を介して互いに対向する第１基板および第２基板と、前記第１基板の前記液晶層側に設けられた第１電極および前記第２基板の前記液晶層側に設けられた第２電極と、前記液晶層に接するように前記第１電極上に設けられた第１配向膜および前記液晶層に接するように前記第２電極上に設けられた第２配向膜を有し、前記第１配向膜は、２５０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の波長範囲内に感光波長を有する第１配向膜材料に、前記感光波長を含む光を斜め照射することによって光配向処理が施されており、前記第１配向膜と前記第１基板との間に形成された金属層と、前記金属層と前記第１配向膜との間に形成された第１樹脂層をさらに有し、前記第１樹脂層は、前記第１樹脂層に入射し前記金属層で反射された前記感光波長の光の強度を６０％以下まで減衰させる光学特性を有している。

ある実施形態において、前記第１樹脂層は、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲の光に対する透過率が９０％以上である。

ある実施形態において、前記第１樹脂層は感光性を有している。

ある実施形態において、前記第１樹脂層は１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する。

ある実施形態において、前記第１配向膜は、画素内に少なくとも２つの領域を有し、前記２つの領域は液晶分子に互いに異なるプレチルト方向を付与する。

ある実施形態において、前記金属層は、ゲートバスライン、ソースバスライン、ＣＳバスラインおよび遮光層からなる群の少なくとも１つを含む。

本発明によると、光配向法を用いて製造しても配向乱れが生じないＶＡモードの液晶表示装置が提供される。特に、光配向法を用いた配向分割構造を有するＶＡモードの液晶表示装置の表示品位および信頼性を向上させることができる。

本発明による実施形態のＶＡモードの液晶表示装置に用いられるＴＦＴ基板１０Ａに対する光配向処理工程を説明するための模式的な断面図である。 ２種類（膜ａおよび膜ｂ）の短波長吸収樹脂層の透過率スペクトル（Ｔａ、Ｔｂ）を示すグラフである。 光配向処理に用いた光源の発光スペクトルＩｏと、膜ａおよび膜ｂを設けた場合の反射光の強度スペクトルＩａ’およびＩｂ’を示すグラフである。 従来の光配向処理の問題を説明するための模式図である。

符号の説明

１０ ガラス基板
１０Ａ ＴＦＴ基板
１２ 金属層
１４ 短波長吸収樹脂層
１５ 画素電極
１６ 光配向膜

以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態の液晶表示装置の構成を説明する。ここでは、ＴＦＴ型の液晶表示装置を例示するが、本発明はこれに限られず、基板上に金属層を有する液晶表示装置に広く適用することが出来る。

図１は本発明による実施形態のＶＡモードの液晶表示装置に用いられるＴＦＴ基板１０Ａに対する光配向処理工程を説明するための模式的な断面図である。また、液晶分子２２が光配向膜１６によって所定のプレチルト方向に配向させられている様子を模式的に示している。

ＴＦＴ基板１０Ａは、ガラス基板１０と、ガラス基板１０上に形成されたＴＦＴ（不図示）や、ゲートバスライン、ソースバスライン、ＣＳバスラインの少なくとも一部を構成する金属層１２を有している。さらに、金属層１２を覆うように短波長吸収樹脂層１４が設けられており、短波長吸収樹脂層１４上に透明導電層（例えばＩＴＯ層）から形成された画素電極１５が設けられている。画素電極１５上を含む、基板のほぼ全面に光配向膜１６が設けられている。ここでは、簡単のために、光配向処理が施される前の光配向膜材料の膜も光配向膜と称し同じ参照符号で示す。

光配向膜１６を形成するための光配向膜材料は２５０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の波長範囲内に感光波長を有し、感光波長を含む光ＬＩを斜め照射することによって光配向処理が施される。すなわち、光配向膜材料は感光波長の光を吸収して化学反応（分解または結合の形成など）を起こし、所定の方向に配向規制力を有する配向膜となる。

斜め照射することによって配向処理させる光配向膜材料としては、本出願人による特願２００５−１４１８４６号に記載されているように、３８０ｎｍ以下に感光波長を有する感光性基を含む光配向膜を用いることが好ましい。感光性基は結合構造を形成し得るものが好ましく、特に、（化１）に示すシンナモイル基（Ｉ）、クマリン基（ＩＩ）、４−カルコン基（ＩＩＩ）、および４’−カルコン基（ＩＶ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの感光性基を含む、紫外線照射によって光二量化反応をする配向膜材料が好ましい。このような光配向膜材料を用いると、一対の配向膜で規定されるプレチルト角の差を１°以内にすることによって、表示輝度特性を向上することができる。光配向のために照射する光は３８０ｎｍ以下の感光波長を含む紫外線であり、Ｐ偏光紫外線を用いることが好ましい。配向膜に対する入射角（膜法線からの角度）は、２０°〜６０°の範囲内にあることが好ましく、３０°〜５０°の範囲内にあることがさらに好ましく、４０°付近が最も好ましい。

ここで、ＴＦＴ基板１０Ａは光配向膜１６と金属層（例えばゲートバスライン）１２との間に、短波長吸収樹脂層１４を有しているので、光配向膜１６を透過し金属層１２で反射され、再び光配向膜１６に至る反射光ＬＲの強度を十分に減衰させることが出来る。すなわち、短波長吸収樹脂層１４は、短波長吸収樹脂層１４に入射し金属層１２で反射された感光波長の光の強度を十分に減衰させる光学特性を有しており、その結果、反射光ＬＲが再び光配向膜１６に入射しても、光配向膜は実質的に変化せず、光ＬＩによる光配向処理によって付与された配向規制力を確実に発現する。

ここで、短波長吸収樹脂層１４に求められる光学特性を詳細に説明する。

光配向処理のために照射される光ＬＩは、一般に、２５０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の波長範囲の光を含む紫外線（ＵＶ）である。光配向膜（光配向膜材料の膜）１６に照射された紫外線ＬＩは、光配向膜１６自身で一部吸収され、透過した紫外線ＬＩは金属層１２に至り金属層１２で反射され、再び光配向膜１６に入射する。また、ＩＴＯ層から形成されている画素電極１５上の光配向膜１６に照射された光ＬＩは、さらに画素電極１５を２回透過してから、再び光配向膜１６に入射することになる。

光配向膜１６の厚さは、一般に０．５μｍ以上１．０μｍ未満であり、光配向膜１６による吸収は少ない。また、光照射によって化学反応が進行すると、感光波長の吸収率は低下する。また、画素電極１５を構成するＩＴＯ層も紫外線を吸収するが、感光波長の強度を十分に低減できないことがある。さらに、紫外線を斜め照射するので、図１に模式的に示したように、紫外線の一部は画素電極１５の間隙を通過し金属層１２で反射され、再び画素電極１５の間隙または画素電極１５を通過して、光配向膜１６に至る紫外線が存在する。従って、特に、画素電極１５のエッジ部の近傍において、反射光ＬＲの影響を強く受ける。

ＶＡモードでは、画素電極１５のエッジ部の近傍に形成される斜め電界が、液晶分子のチルト方向に影響を与えるので、画素電極１５のエッジ部の光配向処理が安定しないと、表示品位が低下する。例えば、本出願人による特願２００５−１６９４２３号に記載されているＶＡＴＮモード（ＲＴＮモード）において、画素電極のエッジ部の斜め電界の方向と、配向膜によるプレチルト方向とが相反する領域（図１中の右側の画素電極１５のエッジ近傍）に形成される暗い線（ドメインライン）が、画素内に深く進入する（画素の中央側にシフトする）という不具合を生じる。また、配向分割構造を採用した場合には、エッジ部に限らず、画素の中央付近に形成されるドメインの境界線の近傍において同様の不具合が発生する。

従って、上述の反射光による問題を解決するためには、光配向膜１６と金属層１２との間に形成される短波長吸収樹脂層１４によって、紫外線の強度を十分に減衰させる必要がある。但し、短波長吸収樹脂層１４の厚さが５μｍを超えると、短波長吸収樹脂層１４の厚さによる視差（斜め入射の影響）が大きくなるため好ましくなく、厚さが１μｍより小さいと安定した成膜が難しいので、短波長吸収樹脂層１４の厚さは１μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましい。さらに、表示に用いられる可視光も短波長吸収樹脂層１４を通過するので、短波長吸収樹脂層１４は可視光に対する透過率が高いことが好ましく、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲の光に対する透過率が８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。バックライトから供給される表示に用いられる光は、短波長吸収樹脂層１４を１回しか通過しないので、ここで言う透過率は短波長吸収樹脂層１４そのものの透過率である。

紫外線に対する透過率を検討した結果を図２および図３を参照して説明する。図２はここで用いた２種類（膜ａおよび膜ｂ）の短波長吸収樹脂層の透過率スペクトル（Ｔａ、Ｔｂ）を示すグラフである。破線で示した透過率曲線（Ｔａ’、Ｔｂ’）は、実線で示した透過率曲線が得られた膜の厚さを２倍としたときのものである。ここで、光配向膜の配向処理に悪影響を及ぼす感光波長（紫外線）に対する透過率は、破線で示した厚さが２倍の透過率曲線に対応し、可視光に対する透過率は実線で示した透過率曲線で評価すればよいことになる。

膜ａは感光性を有するアクリレート系樹脂を用いて形成し、膜ｂは膜ａに用いたアクリレート系樹脂にベンゾトリアゾール系の紫外線吸収剤を混合したものを用いて形成した。厚さは何れも２μｍである。なお、紫外線吸収剤としては、ベンゾフェノン系などの有機系の材料を好適に用いることができる。光配向膜としては、シンナモイル基を有する光二量化タイプを用いた（化１）。

図３は、光配向処理に用いた光源の発光スペクトルＩｏと、膜ａおよび膜ｂを設けた場合の反射光の強度スペクトルＩａ’およびＩｂ’を示している。Ｉａ’＝Ｉｏ×Ｔａ’×０．９、Ｉｂ’＝Ｉｏ×Ｔｂ’×０．９、として求めた。ここで、０．９は金属層１２がアルミニウムとしたときの反射率である。アルミニウムは金属中で紫外線に対する反射率（９０％）が最も高い金属の１つであり、ここでは反射率の波長分散を考慮していない。

実験の結果、膜ａを用いた場合にも、反射光による配向乱れが生じることが無く、良好なＶＡモードの液晶表示装置を得ることができた。なお、光照射条件は、１０ｍＷのＰ偏光紫外線を入射角を４０°として、５秒間照射した（光量５０ｍＪ）。図３に示したように、膜ａを用いた場合にも、３１５ｎｍの光の強度Ｉａ’はＩｏの６０％まで減衰されている。従って、短波長吸収樹脂層１４として、短波長吸収樹脂層１４に入射し金属層１２で反射された感光波長の光の強度を６０％以下に減衰させる光学特性を有しているものを用いればよいことが分かる。

一方、膜ａと膜ｂの可視光の透過率（図２中の実線）に注目すると、何れも８０％以上の透過率を有しているが、膜ａは膜ｂよりも透過率が高く９０％を超えており、より明るい表示を実現できる点で好ましい。

また、膜ａは、感光性を有する樹脂から形成されており、例えば、画素電極１５と金属層（例えば、ＴＦＴのドレイン電極層）１２とを電気的に接続するためのコンタクトホールをリソグラフィプロセスで形成することが出来るという利点を有している。

本実施形態のＶＡモードの液晶表示装置は、ＴＦＴ基板１０Ａに、誘電異方性が負の液晶材料を間に介して対向するようにカラーフィルタ基板を配置することによって得られる。カラーフィルタ基板は、典型的には、ガラス基板と、ガラス基板上にカラー樹脂層（例えば赤色樹脂層、緑色樹脂層および青色樹脂層）から形成されたカラーフィルタ層と、黒色樹脂層から形成されたブラックマトリクスと、対向電極と、対向電極の液晶層側に形成された光配向膜とを有する。このようにカラーフィルタ基板は、一般にガラス基板と光配向膜との間に金属層を有しないので、光配向処理において上述した反射光の問題が発生しないが、例えば金属層を用いてブラックマトリクスを形成した場合などにおいては、金属層と光配向膜との間に上記の短波長吸収樹脂層を設ければよい。なお、カラー樹脂層や黒色樹脂層は、紫外線を吸収するので、カラーフィルタ基板に設ける短波長吸収樹脂層の感光波長を減衰させる能力は、ＴＦＴ基板に設ける短波長吸収樹脂層１４よりも低くてもよい。

また、上述したように、光配向処理は、光配向膜が画素内にプレチルト方向が互いに異なる少なくとも２つの領域を有する、いわゆる配向分割構造を有するＶＡモードの液晶表示装置の製造プロセスにとって重要であり、本発明が好適に用いられる。特に、上記特願２００５−１６９４２３号に記載されている配向分割型ＶＡＴＮモードの液晶表示装置に好適に用いられる。

さらに、短波長吸収樹脂層１４は、光配向処理に用いられる紫外線だけでなく、バックライトから出射される光に含まれている紫外線や、周囲光に含まれている紫外線をも吸収することができるので、特許文献６に記載されている液晶表示装置と同様に、光配向膜の光劣化を抑制し、信頼性を向上するという効果をも奏する。

本願の優先権主張の基礎出願である特願２００５−２８６０３３号および、上記特願２００５−１４１８４６号ならびに上記特願２００５−１６９４２３号の全ての開示内容を参考のために本明細書に援用する。

本発明による液晶表示装置は、テレビジョン受像機などの高品位の表示が求められる用途に好適に用いられる。

Claims (6)

1. 垂直配向型の液晶層と、
   前記液晶層を介して互いに対向する第１基板および第２基板と、
   前記第１基板の前記液晶層側に設けられた第１電極および前記第２基板の前記液晶層側に設けられた第２電極と、
   前記液晶層に接するように前記第１電極上に設けられた第１配向膜および前記液晶層に接するように前記第２電極上に設けられた第２配向膜を有し、
   前記第１配向膜は、２５０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の波長範囲内に感光波長を有する第１配向膜材料に、前記感光波長を含む光を斜め照射することによって光配向処理が施されており、
   前記第１配向膜と前記第１基板との間に形成された金属層と、前記金属層と前記第１配向膜との間に形成された第１樹脂層をさらに有し、
   前記第１樹脂層は、前記第１樹脂層に入射し前記金属層で反射された前記感光波長の光の強度を６０％以下まで減衰させる光学特性を有している、液晶表示装置。
2. 前記第１樹脂層は、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲の光に対する透過率が９０％以上である、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記第１樹脂層は感光性を有している、請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 前記第１樹脂層は１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する、請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示装置。
5. 前記第１配向膜は、画素内に少なくとも２つの領域を有し、前記２つの領域は液晶分子に互いに異なるプレチルト方向を付与する、請求項１から４のいずれかに記載の液晶表示装置。
6. 前記金属層は、ゲートバスライン、ソースバスライン、ＣＳバスラインおよび遮光層からなる群の少なくとも１つを含む、請求項１から５のいずれかに記載の液晶表示装置。

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