JP5025197B2 - 配向膜及びこれを含む液晶表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、配向膜及びこれを含む液晶表示装置に関する。
液晶表示装置(LCD)は現在最も広く使用されている平板表示装置(フラットパネルディスプレイ)の一種である。液晶表示装置は、電場生成電極が形成されている二枚の表示板と、これらの表示板に挟持された液晶層とを備え、電場生成電極に電圧を印加して液晶層に電場を生成することによって、液晶層の液晶分子の配向方向を決定し、液晶層を通過する光の透過率を調節する。
液晶表示装置の中でも現在主に用いられるものは、電場生成電極が二つの表示板にそれぞれ備えられている構造である。この中でも、一方の表示板には複数の画素電極が列を形成するように配置されており、他方の表示板には一つの共通電極が表示板前面を覆っている構造が主流である。
このような液晶表示装置において、映像の表示は各画素電極に別途の電圧を印加することによって行われる。このために、画素電極に印加される電圧をスイッチングするための三端子素子である薄膜トランジスタ(TFT)を各画素電極に接続し、この薄膜トランジスタを制御するための信号を伝達するゲート線と、画素電極に印加される電圧を伝達するデータ線とを形成する。薄膜トランジスタは、ゲート線を通じて伝達される走査信号によってデータ線を通じて伝達されるデータ信号を画素電極に伝達または遮断するスイッチング素子としての役割を有する。
一方、各表示板には液晶層の液晶分子を配向するための配向膜が形成されている。
配向膜としては、耐薬品性及び液晶配向性に優れたポリイミドが主に用いられる。
ポリイミドは溶解性が低く、塗布することは難しい。このため、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸を溶媒に溶解させて塗布し、後処理して一部をポリイミドに転換する。その結果、配向膜にはポリイミドとポリアミック酸が共存する。
配向膜を形成する際には、布などを用いて膜の表面を一方向にこすり筋を付ける「ラビング」と呼ばれる処理を行う。しかしながら、ポリイミドとポリアミック酸とは非相溶性であるため配向膜内で分離しており、ポリイミドとポリアミック酸との間には、ファンデルワールス力といった弱い分子間相互作用のみが存在するため、ラビングのような機械的な力によって配向膜の一部が剥離される可能性がある。
剥離された配向膜の一部はラビングする際に、ラビング布に付着して配向膜を損傷したり、液晶層中に不純物として存在して液晶配向を乱したり、ムラとして視認されたりする問題点がある。
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、損傷が抑制された配向膜を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態による配向膜は、二無水物構造を含むポリアミック酸部及び二無水物構造を含むポリイミド部を含み、前記ポリアミック酸部とポリイミド部とは、ブロック共重合体を形成する。
また、前記ブロック共重合体は、
(R、R、RII、RIII及びRIVは、互いに独立に脂肪族基または芳香族基であり、a及びbは各々10〜500の整数である)で表されることが好ましい。
前記脂肪族基としては、アルキレン基などが好ましい。前記芳香族基としては、炭素数1〜500の環状アルキル基が好ましく、より好ましくは炭素数6〜500のフェニル基である。
aは上述したように10〜500の整数であるが、好ましくは10〜200の整数である。bは上述したように10〜500の整数であるが、好ましくは10〜200の整数である。
また、前記配向膜は、ポリイミド部が密集している第1領域と、ポリアミック酸部が密集している第2領域と、を含むことが好ましい。
また、前記第1領域と前記第2領域とは、ポリイミド部とポリアミック酸部との共有結合により結合していることが好ましい。
また、本発明の一実施形態による液晶表示装置は、第1表示板と、前記第1表示板と対向する第2表示板と、前記第1表示板及び前記第2表示板のうちの少なくとも一方の上に形成されてポリアミック酸部とポリイミド部とが結合されたブロック共重合体を含有する配向膜と、前記第1表示板と前記第2表示板との間に挟持された液晶層とを備える。第1表示板または第2表示板としては、薄膜トランジスタ表示板または共通電極表示板などが挙げられる。
また、前記ポリアミック酸と前記ポリイミドは、二無水物構造を有することが好ましい。
また、前記ブロック共重合体は、
(R、R、RII、RIII、RIV、a及びbについては上述したとおりである)で表される。
また、前記ポリアミック酸部と前記ポリイミド部とは共有結合していることが好ましい。
また、前記ポリアミック酸部と前記ポリイミド部とは芳香族基を含む結合基で結合されていることが好ましい。
また、前記配向膜は、前記ポリイミドが密集している第1領域と、前記ポリアミック酸が密集している第2領域とを含むことが好ましい。
また、前記第1領域と前記第2領域とは、ポリイミドとポリアミック酸との共有結合で結合していることが好ましい。
また、前記第1表示板は、基板上に形成されているゲート線と、前記ゲート線と交差するデータ線と、前記ゲート線及び前記データ線に接続されている薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに接続されている画素電極とをさらに含むことが好ましい。
また、前記配向膜は、前記液晶層に含まれる前記液晶分子を、前記第1表示板及び第2表示板の表面と平行となるように配向させることが好ましい。言い換えると、前記配向膜は水平配向膜であることが好ましい。
ポリイミドとポリアミック酸とのブロック共重合体を含有する配向膜を含むことにより、配向膜の一部が剥離するのを防止することができる。
添付した図面を用いながら、本発明の実施形態を、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多様な形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
図面は、各層及び各領域を明確に表現するために、誇張されて描かれている部分もある。明細書全体を通じて類似した部分については同一の符号を付けている。層、膜、領域、または板などの部分が、他の部分の“上に”あるとする時、これは他の部分の“すぐ上に”ある場合に限らず、その中間に更に他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の“すぐ上に”あるとする時、これは中間に他の部分がない場合を意味する。
以下、本発明の一実施形態に係る液晶表示装置について図1〜図3を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の配置図であり、図2及び図3は各々図1に示す液晶表示装置のII−II線断面図またはIII−III線断面図である。
図2に示すように、本発明の一実施形態に係る液晶表示装置は、互いに対向する薄膜トランジスタ表示板100と共通電極表示板200及びこれら二つの表示板100、200の間に挟持された液晶層3を備える。
まず、薄膜トランジスタ表示板100について説明する。
透明なガラスまたはプラスチックなどからなる絶縁基板110上に、複数のゲート線121及び複数の維持電極線131が形成されている。
ゲート線121は、ゲート信号を伝達し、主に横方向に延びている。各ゲート線121は下方に突出した複数のゲート電極124と、他の層または外部駆動回路との接続のための広い端部129を含む。ゲート信号を生成するゲート駆動回路(図示せず)は、基板110上に配置されるフレキシブル印刷回路膜(図示せず)上に装着されたり、基板110上に直接装着されたり、基板110に集積される。ゲート駆動回路が基板110上に集積されている場合は、ゲート線121が延びてこれと直接接続される。
維持電極線131は、所定電圧の印加を受け、ゲート線121とほぼ並走している幹線と、これから分かれた複数対の第1維持電極133a及び第2維持電極133bとを含む。維持電極線131のそれぞれは、隣接した二つのゲート線121の同士の間に位置し、幹線は二つのゲート線121のうちの図1手前側に近い。維持電極133a、133bは、幹線と連結された固定端と、その反対方向の自由端を有している。第1維持電極133aの固定端は面積が広く、自由端は直線部分と折れ曲がった部分との二つに分かれる。しかし、維持電極線131の形状及び配置は図1に限定されず他の形状または配置に変更することができる。
ゲート線121及び維持電極線131は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金などのアルミニウム系金属、銀もしくは銀合金などの銀系金属、銅もしくは銅合金などの銅系金属、モリブデンもしくはモリブデン合金などのモリブデン系金属、クロム、タンタルまたはチタニウムなどで形成することができる。一方、これらは物理的性質が異なる二つの導電膜(図示せず)を含む多重膜構造を有することもできる。このうちの一つの導電膜は信号遅延や電圧降下を減らすことができるように比抵抗(resistivity)が低い金属、例えば、アルミニウム系金属、銀系金属、銅系金属などからなる。これとは異なって、もう一つの導電膜は、他の物質、特にITO(indium tin oxide)またはIZO(indium zinc oxide)との物理的、化学的、または電気的接触特性に優れた物質、例えば、モリブデン系金属、クロム、タンタル、またはチタニウムなどからなる。これらを用いた好適な組み合わせの例としては、クロム下部膜とアルミニウム(またはアルミニウム合金)上部膜との組み合わせ、またはアルミニウム(またはアルミニウム合金)下部膜とモリブデン(またはモリブデン合金)上部膜との組み合わせが挙げられる。しかし、ゲート線121及び維持電極線131は、これ以外にも様々な金属または導電体からなることができる。
ゲート線121及び維持電極線131の側面は基板110面に対して傾斜しており、その傾斜角は30゜〜80゜であることが好ましい。
ゲート線121及び維持電極線131上には、ゲート絶縁膜140が形成されている。ゲート絶縁膜の材質としては、窒化ケイ素または酸化ケイ素などが挙げられる。
ゲート絶縁膜140上には、水素化非晶質シリコン(非晶質シリコンは、a−Siと略称する)または多結晶シリコンなどからなる複数の線状半導体151が形成されている。線状半導体151は主に縦方向に延びており、ゲート電極124に向かって延び出た複数の突出部154を含む。
半導体151上には、複数の線状オーミック接触部材161及び島状オーミック接触部材165が形成されている。オーミック接触部材は、例えばリンなどのn型不純物が高濃度にドープされているn+水素化非晶質シリコンなどの物質からなるか、またはシリサイドからなることが好ましい。線状オーミック接触部材161は複数の突出部163を有しており、この突出部163と島状オーミック接触部材165は、対をなして半導体151の突出部154上に配置されている。
半導体151、線状オーミック接触部材161または島状オーミック接触部材165の側面も、基板110面に対して傾斜しており、その傾斜角は30゜〜80゜であることが好ましい。
オーミック接触部材161、165及びゲート絶縁膜140上には、複数のデータ線171と複数のドレイン電極175が形成されている。
データ線171は、データ信号を伝達し、主に縦方向に延びてゲート線121と交差する。また、各データ線171は、維持電極線131と交差して隣接した維持電極133a、133b群の間を走る。各データ線171は、ゲート電極124に向かって延びた複数のソース電極173と、他の層または外部駆動回路との接続のために広い端部179を含む。データ信号を生成するデータ駆動回路(図示せず)は、基板110上に付着されるフレキシブル印刷回路膜(図示せず)上に装着されたり、基板110上に直接装着されたり、基板110に集積される。データ駆動回路が基板110上に集積される場合には、データ線171が延びてこれと直接接続される。
ドレイン電極175は、データ線171と分離されており、ゲート電極124を中心にソース電極173と対向する。
一つのゲート電極124、一つのソース電極173、及び一つのドレイン電極175は、半導体151の突出部154と共に一つの薄膜トランジスタ(TFT)を構成し、薄膜トランジスタのチャネルは、ソース電極173とドレイン電極175との間の突出部154に形成される。
データ線171及びドレイン電極175は、モリブデン、クロム、タンタル、及びチタニウムなど耐火性金属、またはこれらの合金からなることが好ましく、耐火性金属膜(図示せず)と低抵抗導電膜(図示せず)を含む多重膜構造を有することができる。多重膜構造の例としては、クロム、モリブデンもしくはモリブデン合金からなる下部膜とアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる上部膜の二重膜、またはモリブデンもしくはモリブデン合金からなる下部膜とアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる中間膜とモリブデンもしくはモリブデン合金からなる上部膜との三重膜が挙げられる。しかし、データ線171及びドレイン電極175は、上述したもの以外にも様々な金属または導電体からなりうる。
データ線171及びドレイン電極175もまた、その側面が基板110面に対して30゜〜80゜の傾斜角で傾斜していることが好ましい。
データ線171、ドレイン電極175及び露出した半導体151部分上には、保護膜180が形成されている。保護膜180は、無機絶縁物または有機絶縁物などからなり、表面が平坦化することができる。無機絶縁物の例としては、窒化シリコン(SiNx)と酸化シリコン(SiOx)がある。有機絶縁物は、感光性を有することができ、その誘電定数は約4.0以下であることが好ましい。しかし、保護膜180は、有機膜の優れた絶縁特性を生かしながらも露出した半導体154部分に害を及ぼさないように、下部無機膜と上部無機膜の二重膜構造を有することができる。
保護膜180には、データ線171の端部179とドレイン電極175とをそれぞれ露出させる複数のコンタクトホール182、185が形成されており、保護膜180とゲート絶縁膜140には、ゲート線121の端部129を露出させる複数のコンタクトホール181、第1維持電極133aの固定端近傍の維持電極線131の一部を露出させる複数のコンタクトホール183a、並びに第1維持電極133aの自由端の突出部を露出させる複数のコンタクトホール183bが形成されている。
保護膜180上には、複数の画素電極191、複数の接続ブリッジ(overpass)83及び複数の接触補助部材81、82が形成されている。これらはITOもしくはIZOなどの透明な導電物質、または、アルミニウム、銀、クロム、もしくはこれらの合金などの反射性金属からなりうる。
画素電極191はコンタクトホール185を介してドレイン電極175と物理的、電気的に接続されており、ドレイン電極175からデータ電圧の印加を受ける。データ電圧が印加された画素電極191は、共通電圧の印加を受ける他の表示板200の共通電極270と共に電場を生成することによって、二つの電極191、270間の液晶層3の液晶分子の方向を決定する。このように決定された液晶分子の方向によって液晶層3を通過する光の偏光が変わる。画素電極191と共通電極270は、キャパシタ(以下、液晶キャパシタという)を構成して、薄膜トランジスタが非導通状態になった後にも印加された電圧を維持する。
画素電極191は、維持電極133a、133bをはじめとする維持電極線131と重畳している。画素電極191及びこれと電気的に接続されたドレイン電極175が維持電極線131と重なって構成するキャパシタをストレージキャパシタといい、ストレージキャパシタは液晶キャパシタの電圧維持能力を強化する。
接触補助部材81、82はそれぞれコンタクトホール181、182を介してゲート線121の端部129及びデータ線171の端部179と接続される。接触補助部材81、82は、ゲート線121の端部129及びデータ線171の端部179と外部装置との接着性を補い、これらを保護する。
接続ブリッジ83は、ゲート線121を横切り、ゲート線121を間に置いて反対側に位置するコンタクトホール183a、183bを介して維持電極線131の露出した部分と、維持電極133bの自由端の露出した端部に接続されている。維持電極133a、133bをはじめとする維持電極線131は、接続ブリッジ83と共にゲート線121やデータ線171、または薄膜トランジスタの欠陥修理に用いることができる。
次に、薄膜トランジスタ表示板100と対向する共通電極表示板200について説明する。
透明ガラスまたはプラスチックなどからなる絶縁基板210上に、ブラックマトリックスとも言われる遮光部材220が形成されている。遮光部材220は、画素電極191と対向し画素電極191とほぼ同一の形状を有する複数の開口部を有しており、画素電極191間の光漏れを防ぐ。遮光部材220は、ゲート線121及びデータ線171に対応する部分と、薄膜トランジスタに対応する部分とからなることができる。
また、基板210上には、複数のカラーフィルタ230が形成されている。カラーフィルタ230は遮光部材220で覆われた領域内に存在しており、ある一方向に長く延びることができる。各カラーフィルタ230は、赤色、緑色及び青色などの基本色で着色されている。
カラーフィルタ230上には、ITOまたはIZOなどの透明な導電体からなる共通電極270が形成されている。
表示板100、200の内側面には、配向膜11、21が塗布されており、これらは液晶分子を表示板100、200の表面に並んで配向することができる。
表示板100、200の外側面には、偏光子(図示せず)が備えられているが、二つの偏光子の偏光軸は平行または直交する。反射型液晶表示装置の場合、二つの偏光子のうちの一つが省略可能である。
液晶層3は正の誘電率異方性を有し、液晶層3の液晶分子は電場がない状態で、その長軸が二つの表示板100、200の表面に対してほぼ平行するように配向されている。
以下、本発明の一実施形態に係る配向膜11、21について図4A及び図4Bを参照して詳細に説明する。
図4Aは図2の液晶表示装置のA部分を拡大示した断面図であり、図4Bは図4Aの一部分を拡大示した模式図である。
図4A及び図2に示すように、本発明の一実施形態に係る配向膜11は、液晶層3側に所定領域を占めている第1領域11aと、その他の第2領域11bを含む。第1領域11aと第2領域11bは、配向膜11をなす化合物の構造によって分離されるものであって、第1領域11aは複数のイミド基を含むポリイミド部、第2領域11bは複数のアミック酸基を含むポリアミック酸部である。
下記の化学式は本発明の一実施形態に係る配向膜をなす化合物の構造である。R、R、RII、RIII、RIV、a及びbについては上述したとおりである。
前記化合物は、ブロック共重合体である。ブロック共重合体は、2種以上の複数の単量体が区域を分けて配列している重合体であり、本発明の一実施形態に係るブロック共重合体は、イミド単量体が複数個(a)結合しているポリイミド部とアミック酸単量体が複数個(b)結合しているポリアミック酸部を含み、これらは共有結合している。また、ポリイミドを構成する各イミド単量体の間、並びにポリアミック酸を構成する各アミック酸単量体の間は、脂肪族または芳香族化合物を含む結合基(RIV)で結合される。
このようなブロック共重合体は、一つの重合体鎖に性質が異なる二つ以上の重合体を含有し、二つ以上の重合体が互いに結合されていない場合は、同一種類の重合体どうしが集まり、異なる種類の重合体どうしが集まる。そのために、図4Aのように、重合体の種類によってポリイミドを含む第1領域11aとポリアミック酸を含む第2領域11bに分離される。
図4A及び図4Bを参照すると、第1領域11aには複数のイミド単量体(□)が密集しており、第2領域11bには複数のアミック酸単量体(△)が密集している。
図4Bには、説明上△○□からなる数本のポリマー鎖を記載したが、ポリマー鎖の本数は特に限定されない。
また、上述したようにイミド単量体(□)と、アミック酸単量体(△)とは、脂肪族または芳香族化合物のような結合基(○)で結合される。結合基(○)と、イミド単量体(□)及びアミック酸単量体(△)とは共有結合している。共有結合は、強い結合であって、ラビングのような外部の物理的力によって容易に破壊されない。その結果、配向膜11の一部が剥離したりすることを防止できるので、配向膜破片による配向膜表面の損傷、及び液晶層内に存在する不純物による液晶配向の不良を防止することができる。
この場合、イミド単量体(□)を含む第1領域11aは液晶層3側に位置して液晶を配向し、アミック酸単量体(△)を含む第2領域11bは配向膜11の基礎を形成することで、配向膜11の塗布性を向上させる。また、第2領域11bが配向膜11の基礎を形成することで、密着性を改善し、且つ液晶層内に存在する不純物を吸着することもできる。
次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものではない。
(実施例)
本発明のブロック共重合体を、溶媒に溶解したものを、基材上に塗布、乾燥させた。次に、これをラビングした。結果を図5Aに示す。図5Aは光学顕微鏡写真である。
(比較例)
ポリアミック酸と、ポリイミドとを、溶媒に溶解して単に混合したものを、基材上に塗布、乾燥させた。次に、これをラビングした。結果を図5Bに示す。図5Bは光学顕微鏡写真である。
図5Aからは、本発明の一実施形態に係る配向膜は、ラビングを行った後も配向膜表面に破片が発生しないことが確認できた。
これに対して、図5Bからは、ポリイミドとポリアミック酸が単に混合されている場合は、ラビングによって配向膜の一部が剥離したりして破片が発生することが確認された。このような破片は、液晶表示装置の製造過程中もしくは完成後に、配向膜表面に存在するか、液晶層内に流入して液晶配向に深刻な影響を与えるおそれがある。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。
本発明の一実施形態に係る液晶表示装置の配置図である。 図1に示す液晶表示装置のII−II線に沿った断面概略図である。 図1に示す液晶表示装置のIII−III線に沿った断面概略図である。 図2に示す液晶表示装置のA部分を拡大した断面図である。 図4Aの液晶表示装置の一部分を拡大した模式図である。 本発明の一実施形態によりポリイミドとポリアミック酸がブロック共重合体を構成する配向膜をラビングした後の光学顕微鏡写真である。 ポリイミドとポリアミック酸が単に混合されている配向膜をラビングした後の光学顕微鏡写真である。
符号の説明
3 液晶層、
11 配向膜、
11a 第1領域、
11b 第2領域、
21 配向膜
81 接触補助部材、
82 接触補助部材、
83 接続ブリッジ、
100 薄膜トランジスタ表示板、
110 絶縁基板、
121 ゲート線、
124 ゲート電極、
129 端部、
131 維持電極線、
133a 維持電極、
133b 維持電極、
140 ゲート絶縁膜、
151 半導体、
154 突出部、
161 線状オーミック接触部材、
163 突出部、
165 島状オーミック接触部材、
171 データ線、
173 ソース電極、
175 ドレイン電極、
179 端部、
180 保護膜、
181 コンタクトホール、
182 コンタクトホール、
183a コンタクトホール、
183b コンタクトホール、
184 コンタクトホール、
185 コンタクトホール、
191 画素電極、
200 共通電極表示板、
210 絶縁基板、
220 遮光部材、
230 カラーフィルタ、
270 共通電極、
300 液晶。

Claims (6)

  1. 互いに対向する第1表示板及び第2表示板と、
    前記第1表示板及び前記第2表示板のうちの少なくとも一方の上に形成され、ポリアミック酸部とポリイミド部とが結合されたブロック共重合体を含む配向膜と、
    前記第1表示板及び前記第2表示板により挟持され、液晶分子を含む液晶層と、を備える液晶表示装置であって、
    前記配向膜は、前記ポリイミド部が密集している第1領域と、前記ポリアミック酸部が密集している第2領域と、を含み、
    前記第1領域は前記液晶層側に位置し、前記第2の領域は前記配向膜の基礎を形成する、液晶表示装置。
  2. 前記ポリアミック酸部と前記ポリイミド部とは、二無水物構造を有することを特徴とする請求項に記載の液晶表示装置。
  3. 前記ブロック共重合体は、
    (R、R、RII、RIII及びRIVは、互いに独立に脂肪族基または芳香族基であり、a及びbは互いに独立に10〜500の整数である)で表されることを特徴とする請求項1または2に記載の液晶表示装置。
  4. 前記ポリアミック酸部と前記ポリイミド部とは、共有結合していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
  5. 前記ポリアミック酸部と前記ポリイミド部とは、芳香族基を含む結合基で結合されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
  6. 前記液晶層の液晶分子は前記第1の表示板および前記第2の表示板の表面に並んで配向していることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の液晶表示装置
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