JP5079409B2 - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置及びそのの製造方法に関し、例えばＴＮ（Twisted Nematic）、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）、ＩＰＳ（In-Plane Switching）、ＦＦＳ（Fringe Field Switchng）等の液晶モードに適用することができる。本発明は、配向膜の下面を溝形状として配向膜に特定方向の配向能を付与することにより、従来に比して生産性が高く、液晶に対する十分な配向規制力を有し、高い画質を確保することができるようにする。

従来、ＴＮ、ＥＣＢ、ＳＴＮ、ＩＰＳ、ＦＦＳ等の各種液晶モードの液晶表示パネルでは、配向処理により液晶分子を一定方向に配向させており、この配向処理に種々の手法が提案されている。

この配向処理の１つであるラビング法は、最も頻繁に使用される方法であり、ポリイミド等からなる高分子膜による配向膜を透明電極上に形成した後、表面に布等を取り付けたローラーでこの配向膜を一定方向に擦ることにより、この配向膜に配向能を付与する。しかしながらラビング法では、ラビング屑等が付着して配向膜の表面を汚染する恐れがあり、また静電気の発生によりパネル上のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を破壊する恐れもある。

ラビング法に代わる配向処理方法であるいわゆるグレーティング法は、基板表面を加工してグレーティング（溝）を形成し、このグレーティングによる弾性歪みを利用して液晶分子を配向させる。グレーティング法では、弾性自由エネルギーが最も安定になるグレーティングに沿って平行な方向に液晶分子が配向する。

このグレーティング法に関して、M.Nakamura et al. J. Appl. Phys, 52, 210(1981)には、感光性ポリマーの層に光を照射して一定の間隔で直線状にグレーティングを形成する方法が提案されている。また特開平１１−２１８７６３号公報には、基板上の光重合性モノマーに光を照射してグレーティング状の配向膜を形成する方法が提案されている。また特開２０００−１０５３８０号公報には、転写の手法を適用して、基板表面に形成された樹脂塗布膜にグレーティングの凹凸形状を形成し、グレーティング状の配向膜を形成する方法が提案されている。

このグレーティング法では、グレーティングのピッチと高さとの調節によりアンカリングエネルギーを制御できることが知られている（Y. Ohta et al., J.J.Appl. Phys., 43, 4310(2004)）。

またグレーティング法では、ポリイミド等の配向膜材自体が有する配向規制力を利用してアンカリング強度を向上する方法も提案されている。すなわち特開平５−８８１７７号公報には、フォトリソグラフィー法により感光性ポリイミドをパターニングする方法が提案されており、また特開平８−１１４８０４号公報には、所定方向ではストライプ状であって、この所定方向と直交する方向では表面形状が鋸歯状である凹凸形状を第１配向膜の表面に形成し、この第１配向膜上に、この直交する方向に分子軸が揃った有機物を積層して配向膜を形成する方法が提案されている。また特開平３−２０９２２０号公報には、感光性ガラスをフォトエッチングして表面に凹凸形状を形成した後、配向材を塗布する方法が提案されている。

グレーティング法によれば、ラビング法による配向膜表面の汚染、静電気の発生を防止することができる。
特開平１１−２１８７６３号公報 特開２０００−１０５３８０号公報 特開平５−８８１７７号公報 特開平８−１１４８０４号公報 特開平３−２０９２２０号公報 M. Nakamura et al. J. Appl. Phys, 52, 210(1981) Y. Ohta et al., J.J.Appl. Phys., 43, 4310(2004)

しかしながらグレーティング法により、単に弾性歪み効果のみを利用して液晶分子を配向させる場合には、ラビング法と同等のアンカリング強度にするために、溝のピッチＰと高さＨとの比Ｔ（＝Ｈ／Ｐ）を十分に大きくする必要がある。具体的に、上述のY. Ohta et al., J.J.Appl. Phys., 43, 4310(2004)によれば、ラビング処理を行った配向膜と同等の方位角アンカリング強度（約１×１０^-4〔Ｊ／ｍ² 〕）を得るためには、溝のピッチＰと高さＨとの比Ｔを１以上とする必要がある。

従って実用で想定されるグレーティングのピッチが１〔μｍ〕以上であることから、十分な方位角アンカリング強度を確保するためには、単に弾性歪み効果のみを利用して液晶分子を配向させる場合、グレーティングの深さを１〔μｍ〕以上とすることが必要になる。ここで液晶表示パネルでは、セルギャップが３〜４〔μｍ〕程度であることから、グレーティングの深さを１〔μｍ〕以上とすると、深さが１〔μｍ〕以上の周期的な凹凸がパネル面内に形成されることになり、液晶のリタデーションがパネル面内で変化することになり、コントラスト比を十分に確保することが困難になる。また生産性を考慮すると、グレーティングの深さを１〔μｍ〕未満として、十分なアンカリング強度を確保することが望まれる。
また、ポリイミド等の配向膜の配向規制力を利用する方法に関しても、以下のような問題を有する。例えば、特開平５−８８１７７号、特開平３−２０９２２０号の方法の場合、表面の凸凹による配向規制力と配向膜による配向規制力を比較すると、後者の方が強いため、液晶分子の配向方向は、配向膜の分子長軸の配向方向に向くことになる。しかし、配向膜の分子長軸の方向が制御されていないために、全体として十分な配向規制力が得られるとは言い難い。
また、特開平８−１１４８０４号の方法の場合、表面の凸凹で配向膜の分子軸を制御しているが、配向膜として使用しているのは光重合製の液晶材料で、信頼性、電気的特性に優れた通常の量産で用いられているポリイミドを使用することが出来ないという問題点を有する。また、液晶の配向方向が溝に対して平行となるため、プレチルト角を制御するためには、溝を非常に複雑な形状に制御する必要があるという問題点を有する。すなわち、ストライプ状の凸凹に対してほぼ直角方向に鋸歯状の凸凹を形成する必要があり、スタンプ等の利用による著しく生産性の低い方法によらざるを得ない。

本発明は上述した従来の技術の課題に鑑み、グレーティング法を改善して生産性が高く十分な配向性を有し、高い画質を確保することができる液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明にかかる液晶表示装置は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備え、前記配向層は、複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなり、前記被膜は、主面に対して電圧無印加の状態で該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、各溝は所定の方向に沿って伸びており、且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、該直交方向に沿った前記基層の断面は、各溝の底に対応した凹部と、隣り合う溝の境に対応した凸部とが、交互に繰り返し表われる凹凸構造を有し、前記凸部の幅を該凹部の幅よりも小さくし、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向することを特徴とする。

好ましくは、前記凸部の頂面の平坦性が消失する程度に前記凸部の幅を該凹部の幅よりも小さくする。この場合、前記凸部は頂面の平坦性を完全に失って逆Ｖ字形状を有する一方、前記凹部は底面に平坦性を残すＵ字形状を有するようにすると良い。又前記溝の配列ピッチに対する溝の深さの比率を表すアスペクト比が１未満となるように、各溝を形成することができる。一態様では、前記基層の主面は複数の領域に分割されており、隣り合う領域に与えられる該溝の該所定の方向が互いに異なる。

本発明によれば、液晶分子を配向させるための配向層が、二層構造になっている点に特徴がある。即ち配向層は下側の基層と上側の被膜とからなる。基層はその表面（主面）に複数本の溝（グレーティング）が形成されている。一方被膜はポリイミドなどの高分子配向膜からなり、液晶の分子長軸を主面に対して平行に配向する水平配向能を有する。この様にストライプ状のグレーティングを形成した基層と水平配向能を有する被膜とを組み合わせることで、グレーティングの溝が延びる所定の方向（以下本明細書ではこの所定方向を直線方向と呼ぶ場合がある）と直交する直交方向に液晶の分子長軸を指向して整列させることができる。以下この配向状態を直交配向と呼ぶ場合がある。これに対し、従来の単純なグレーティング方式は溝の直線方向に沿って液晶の分子長軸を平行に整列させたものである。以下この配向状態を平行配向と呼ぶ場合がある。

従来のグレーティング方式は液晶の分子長軸を溝の直線方向と平行に整列させるため、溝のアスペクト比を大きく取る必要があり、表示品質や生産性の上で大きな障害となっていた。これに対し、本発明はグレーティングと水平配向能を有する被膜を組み合わせることで、液晶の分子長軸を溝の直線方向ではなく直交方向に整列させている。この直交配向は基層のグレーティングと高分子被膜の水平配向能とを組み合わせた複合効果もしくは相乗効果により得られるもので、従来はまったく知られていなかったものである。従来の溝に沿った平行整列はグレーティングのみに依存しているため、溝のアスペクト比を大きく取る必要があった。これに対し本発明の直交配向はグレーティングと高分子被膜の複合効果で得られるため、溝のアスペクト比自体は従来の単純なグレーティング法に比較して大きく取る必要が無く、生産性や表示品質の上で優れている。
また本発明では、溝の方向に対して、液晶分子は直交方向に配向しているため、溝の断面形状を非対称にするだけで、容易にチルト角を発現させることが出来るという利点を有する。加えて、本発明では、配向膜として特殊な材料ではなく、長年の実績を有するポリイミドを使用することができ、現有の生産設備でそのまま生産可能であるという利点を有する。

本発明では、特に液晶の分子長軸の直交配向を安定化させるため、グレーティングの断面形状を規定している。グレーティングを形成した基層の直交方向に沿った断面は、各溝の底に対応した凹部と、隣り合う溝の境に対応した凸部とが、交互に繰り返し現れる凹凸構造を有する。本発明の特徴事項として、凸部の幅を凹部の幅よりも小さくすることで、液晶の分子長軸が溝の直線方向と直交する直交方向に指向して安定的に水平配向するようにしている。凸部の頂面の平坦性が消失する程度まで凸部の幅を凹部の幅よりも小さくすることでグレーティングの直交方向に沿った液晶の水平配向を安定化することができる。理想的にはグレーティング断面の凸部が完全に平坦性を失って逆Ｖ字形状を有する一方、凹部は底面に平坦性を有するＵ時形状とすることで、液晶の分子長軸を所望の方向に均一且つ安定的に配向制御することができる。以上により本発明にかかる液晶表示装置は、従来に比して生産性が高く、十分な配向規制力を有し、高い画質を確保することができる。

以下図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかる液晶表示装置の要部を示す模式的な一部斜視図である。本発明にかかる液晶表示装置は、基本的に所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、この間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され液晶に電圧を印加するための電極とを備えている。図１は特に配向層が形成された片方の基板を模式的に表している。なお電極は図を見易くするため図示を省略している。

配向層は、複数本の溝Ｍが平行に形成された主面を有する基層と、溝Ｍの形成された主面を被覆する被膜とからなる。但し、複数本の溝Ｍは幾何学的に厳密に平行である必要は無く、本発明の作用効果を走する範囲で概ね若しくは実質的に平行であればよい。この被膜は例えばポリイミドなどの高分子フィルムからなる。図示の例では、有機高分子被膜を構成する高分子鎖は溝Ｍに沿って整列している。但しこれは高分子鎖の状態を模式的に表したものであり、本発明は必ずしもこの様な高分子鎖配列に限定されるものではない。この被膜は、電圧無印加の状態で液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を主面に対して平行に配向する水平配向能を有する。この様に液晶分子に対する配向能を有する被膜を、以下本明細書では配向膜と称する場合がある。また主面は、複数本の溝Ｍが形成された基層の表面を表しており、基板面と平行である。

各溝Ｍは与えられた直線方向に沿って伸びており、且つ直線方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されている。この直交方向に沿った基層の断面は、各溝Ｍの底に対応した凹部と、隣り合う溝Ｍの境に対応した凸部とが、交互に繰り返し現れる凹凸構造となっている。

本発明の特徴事項として、凸部の幅を凹部の幅よりも小さくし、以って液晶の分子長軸が溝Ｍの直線方向と直交する直交方向に指向して均一且つ安定的に水平配向する。好ましくは、凸部の頂面の平坦性が消失する程度に凸部の幅を凹部の幅よりも小さくする。理想的には図示するように、凸部は頂面の平坦性を完全に失って逆Ｖ字形状を有する一方、凹部は底面に平坦性を有するＵ字形上となっている。なお溝Ｍの配列ピッチに対する溝の深さの比率を表すアスペクト比は、１未満となるように各溝Ｍを形成している。一態様では、液晶が正の誘電率異方性を有するネマティック液晶からなり、一対の基板に設けた電極に電圧が印加されたとき、片方の基板の表面では図示するように液晶の分子長軸が水平配向を保持したまま、一対の基板の間隙の中央部分では液晶の分子長軸が各基板の表面に対して垂直配向する。

本発明では、特に液晶の分子長軸の直交配向を安定化させるため、グレーティングの断面形状を規定している。グレーティングを形成した基層の直交方向に沿った断面は、各溝の底に対応した凹部と、隣り合う溝の境に対応した凸部とが、交互に繰り返し現れる凹凸構造を有する。本発明の特徴事項として、凸部の幅を凹部の幅よりも小さくすることで、液晶の分子長軸が溝の直線方向と直交する直交方向に指向して安定的に水平配向するようにしている。凸部の頂面の平坦性が消失する程度まで凸部の幅を凹部の幅よりも小さくすることでグレーティングの直交方向に沿った水平配向を安定化することができる。理想的にはグレーティング断面の凸部が完全に平坦性を失って逆Ｖ字形状を有する一方、凹部は底面に平坦性を有するＵ時形状とすることで、液晶の分子長軸を所望の方向に均一且つ安定的に配向制御することができる。以上により本発明にかかる液晶表示装置は、従来に比して生産性が高く、十分な配向規制力を有し、高い画質を確保することができる。

図２は液晶表示装置の参考例を示す模式図であり、比較のため図１に示した本発明にかかる液晶表示装置と対応する表記を採用している。異なる点は、基層の主面に形成されたグレーティングの凹凸構造である。参考例では、図示するように凸部の幅と凹部の幅が同程度になっている。この関係で、凸部の頂面の平坦性はある程度残存しており、丁度凹部の断面形状を反転した逆Ｕ時形状となっている。この様なグレーティングの凹凸構造では、凹部の底に沿って高分子鎖は整列する一方、凸部の平坦な頂面では高分子鎖が整列していない。この状態は、従来のラビング方式で平坦な基板表面に配向膜を塗工した状態と同一である。よってラビング処理を施さない限り、液晶の分子長軸は一定の方向に整列せず、ランダムな水平配向状態となっている。従って図示するように、液晶分子は凹部でグレーティングの直交方向に整列するものの、凸部ではランダムな状態にあり、全体としてグレーティングの直交方向に沿ったホモジニアスな水平配向を得ることができない。以上の考察から明らかなように、本発明はグレーティングの凸部の幅を凹部の幅より小さくすることで、液晶の分子長軸が溝の直線方向と直交する直交方向に均一に指向して安定的に水平配向している。

図３は、本発明にかかる液晶表示装置の実施例を示す顕微鏡写真図である。図１に示した基板の断面状態を表している。図示するように実際の基板構造では、基層の上に電極が形成され、その上に被膜（配向膜）が形成されている。基層は例えば感光性樹脂層からなり、その表面（主面）はエッチングによりグレーティングが形成されている。具体的にはストライプ状のマスクを介して基層に紫外線を照射し、露光処理を行った後、現像処理（エッチング）を行って図示の凹凸形状を得ている。その際露光処理のマスクに使うストライプパターンのストライプ幅を狭めるほど、凸部の幅が狭くなり急峻化する。即ち基層がポジティブな感光性樹脂層からなるとき、ストライプパターンの影になる部分が凸部として残される一方、隣り合うストライプパターンの間で紫外線で感光した部分が凹部として除去される。ストライプパターンの幅寸法を狭めることで、所望の逆Ｖ字形状の凸部を備えたグレーティングを得ることができる。

図４は、参考例にかかる液晶表示装置の基板断面を示す顕微鏡写真図である。この参考例も、基層の上に電極が形成され、その上を被膜（配向膜）が覆っている。基層の主面は同じくストライプパターンを用いた露光処理でグレーティングが形成されている。図３に示した実施例と異なる点は、マスクに用いたストライプパターンのストライプ幅を大きく取ってあり、グレーティングの凸部頂面に平坦性が残されていることである。この場合均一且つ安定したホモジニアス配向を得ることができない。

図５は、一対の基板に保持された液晶の配向状態を表した模式図である。図示するように、液晶の分子長軸は、一定の方向に整列して水平配向しており、本明細書ではこの配向状態をホモジニアス配向と呼ぶ場合がある。また液晶の分子長軸の整列方向を本明細書では配向方向と呼ぶ場合がある。よって本発明に固有の直交配向は、配向方向がグレーティングの直交方向に一致するホモジニアス配向である。

液晶表示装置は、配向層を用いて液晶を配向制御し且つ印加電圧を制御して配向状態を切換え、所望の画像表示を行う。配向状態の変化は例えば上下一対の偏光板で輝度変化に変換することができる。（Ａ）は一対の偏光板のクロスニコル配置を表しており、上下の偏光板の透過軸が互いに直交している。入射側になる下側の偏光板の透過軸は液晶の配向方向と平行である。出射側となる偏光板の透過軸は液晶の配向方向と直交している。液晶が理想的なホモジニアス配向にあるとき、入射光は一対の偏光板によって完全に遮断され、漏れ光はゼロになる。よって黒表示が得られる。

（Ｂ）は一対の偏光板のパラニコル配置を表している。このパラニコル条件は上下の偏光板の透過軸が共に液晶の配向方向と平行である。この場合入射光はそのまま吸収を受けることなく出射する。よって白表示が得られる。電圧無印加状態でパラニコル配値を採用したとき、ノーマリホワイト表示となる。逆にクロスニコル配置を採用したとき、電圧無印加状態でノーマリブラック表示となる。

図６は、本発明の効果を示すグラフである。このグラフは、ピッチが３μｍのグレーティングを形成した液晶表示パネルを作成し、図５の（Ａ）に示したクロスニコル条件で透過光量を測定した結果を表している。なおグレーティングはピッチを３μｍに固定する一方、グレーティングの高さを０．１μｍ〜１μｍまで変えたサンプルを作成し、それぞれについてクロスニコル条件で透過率を測定している。なおグレーティングの高さは溝の深さに対応している。

図６のグラフは横軸にグレーティング高さ（μｍ）を取り、縦軸に透過率を示す指標として黒輝度（ｎｉｔ）を取ってある。クロスニコル条件下では液晶のホモジニアス配向が理想状態に近いほど、黒輝度が低くなる。なお図６のグラフは、ストライプパターンの幅を３種類変えたサンプルを作り、それぞれについて黒輝度を測定している。換言すると、ストライプパターン幅をパラメータとして３本の特性カーブを表してある。３μｍのピッチに対し、ストライプパターン幅を０．３μｍとしたサンプルが最も凸部形状が急峻なものになる。その他ストライプパターン幅が０．８μｍのサンプルと１．２μｍのサンプルを用意し、評価を行っている。

ストライプパターンが０．３μｍのとき、グレーティング高さにもよるが、最も良い条件で２．５ｎｉｔの黒輝度を得ている。これにより、液晶はホモジニアス配向し、液晶配向特性は良好であることが分かる。次のストライプパターン幅が０．８μｍのサンプルでは、グレーティング高さが０．４μｍ〜０．７μｍの範囲で、黒輝度が４ｎｉｔ弱であり、ストライプパターン幅が１．２μｍのサンプルでは、グレーティング高さが０．４〜０．７μｍの範囲で、黒輝度が４ｎｉｔ強となっている。このように、ストライプパターン幅の増大に比例して、配向特性が低下していることが分かる。

前述したようにマスクのストライプパターン幅は概ねグレーティングの凸部幅に対応している。よってグレーティングピッチが３μｍでストライプパターン幅が０．３μｍのとき、凸部幅が約０．３μｍで凹部幅は残りの２．７μｍとなる。この様にグレーティングの凹部幅に比べて凸部幅を小さくすることで、グレーティング高さにもよるがほぼ液晶分子をグレーティングの直交方向に沿ってホモジニアス配向することができる。同様にストライプパターン幅が０．８μｍのとき凸部幅は約０．８μｍで凹部幅が２．２μｍとなる。このサンプルでも凹部幅に比べて凸部幅が小さくなっており、所望のホモジニアス配向が得られる。さらにストライプパターン幅が１．２μｍのサンプルでも、凸部幅が１．２μｍで凹部幅が１．８μｍとなり、凸部幅が凹部幅より小さいので、所望のホモジニアス配向が得られる。

一方グレーティング高さについては、これが適切な値を超えて大きくなるとホモジニアス配向が乱れ、黒輝度が急激に上昇している。例えばストライプパターンが０．３μｍのサンプルに着目すると、グレーティング高さが０．７μｍを超えると透過率が急激に上昇し、グレーティングの直交方向に沿ったホモジニアス配向が得られないことが分かる。この様にグレーティングのピッチに対するグレーティングの高さの比（アスペクト比）が高くなると、グレーティング本来の効果が強く現れ液晶分子がグレーティングの直線方向に沿って配向しようとする傾向が強く出る。ある一定値を超えると、グレーティングに対して平行に配向するため、液晶表示装置はホモジニアス配向ではなく、ツイスト配向状態となってしまう。よって配向状態が変化してしまうので、漏れ光が大きくなり、黒輝度の悪化となって現れる。換言すると、グレーティングの直交方向に沿ったホモジニアス配向を得るためには、グレーティングのアスペクト比をある程度低く抑える必要があり、この点で従来の単純なグレーティング方式とは異なる。同様にストライプパターン幅が０．８μｍや１．２μｍのサンプルでも、グレーティング高さが０．８μｍを超えてアスペクト比が上昇すると、液晶分子の配向方向がグレーティングの直交方向からずれて直線方向に変化し、低い黒輝度が得られなくなる。

図７は、本発明の実施例１の液晶表示装置に適用される液晶表示パネル１を部分的に拡大して示す断面図である。この実施例の液晶表示装置は、いわゆる透過型又は反射型であり、この図７において液晶表示パネル１の上側である表側面等に偏光板等が設けられる。また透過型ではこの図７において液晶表示パネル１の下側である背面側にバックライト装置が設けられ、反射型では、この図７において液晶表示パネル１の上側である表面側にフロントライト装置が設けられる。

この液晶表示パネル１は、ＴＦＴアレー基板２とＣＦ基板３とにより液晶を挟持する。ここでＣＦ基板３は、透明の絶縁基板であるガラス基板４上に、カラーフィルタ５、絶縁膜６、透明電極による電極７、配向膜８を順次形成して作成される。ここで電極７は、通常は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を全面に成膜して形成されるものの、画素毎に又はサブ画素毎に、パターニングしてもよい。また配向膜８は、水平配向を誘起する液晶配向材として可溶性ポリイミドとポリアミック酸の混合物を印刷法により塗布した後、２００度の温度で７５分間焼成することにより、ポリイミド薄膜を膜厚５０〔ｎｍ〕で形成し、その後ラビング処理により配向能を付与して作成される。なおラビング処理の方向は、この図において矢印の方向であり、後述する溝Ｍの延長方向（直線方向）と直交する方向である。

これに対してＴＦＴアレー基板２は、図８に示すように、透明の絶縁基板であるガラス基板１０に、ＴＦＴ等を形成して絶縁膜１１を形成し、この絶縁膜１１上に、電極１２、配向膜１３を順次形成して作成される。以上の説明から明らかなように、基板１０の上に順に形成された絶縁膜１１、電極１２及び配向膜１３で本発明の配向層を構成している。この内絶縁膜１１と電極１２が図１で示した基層に相当し、配向膜１３が同じく図１に示した被膜に相当している。

ＴＦＴアレー基板２は、配向膜１３を作成する主面の形状が、所定方向に直線状に延長する溝がこの所定方向と直交する方向に繰り返し形成された溝形状となるように形成されて、この溝形状を高分子膜で被覆して配向膜１３が形成される。またこの実施例では、絶縁膜１１の表面形状がこの溝形状に形成されて、配向膜１３を作成する面が溝形状に形成される。ここで各溝Ｍは与えられた直線方向に沿って伸びており、且つ直線方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチＰで繰り返し配列されている。直交方向に沿った絶縁膜１１の断面は、各溝Ｍの底に対応した凹部と、隣り合う溝Ｍの境に対応した凸部とが互いに繰り返し現れる凹凸構造を有している。特徴事項として、凸部の幅を凹部の幅よりも小さくし、以って液晶分子１５の長軸が溝Ｍの直線方向と直交する直交方向に指向して水平配向する。具体的には、凸部は頂面の平坦性を完全に失って逆Ｖ字形状を有する一方、凹部は底面に平坦性を残すＵ字形状となっており、液晶分子１５を一様且つ均一にホモジニアス配向している。

ここで溝Ｍは、その断面形状が、溝Ｍの頂点を中心とした対称形状の略円弧形状に形成される。また溝Ｍは、ピッチＰが１〔μｍ〕、高さ（深さ）Ｈが４００〔ｎｍ〕により形成され、これによりピッチＰと高さＨとの比Ｔ（＝Ｈ／Ｐ）が１未満の０．４に形成される。

より具体的に、ＴＦＴアレー基板２において、絶縁膜１１は、ノボラック系、アクリル系等の有機物レジスト材料、若しくはＳｉ０₂ 、ＳｉＮ、又はＳｉ０₂ 、ＳｉＮを主成分とする無機系の材料で形成される。

ここで感光性の有機物レジスト材料で絶縁膜１１を形成する場合、ＴＦＴアレー基板２は、感光性の有機物レジスト材料をコートした後、プリベークし、その後、溝Ｍに対応するパターン（ストライプパターン）を有するマスクを用いて紫外線等によりレジスト材料を露光する。また現像、ポストベークし、これによりフォトリソグラフィー法を適用して、絶縁膜１１の表面を溝形状に加工する。なおマスクを使用する代わりに、異なる二方向から照射される光束の干渉を利用して露光処理してもよい。またフォトリソグラフィー法に代えて、ナノインプリント法等の手法を適用してもよい。

また無機系材料で絶縁膜１１を形成する場合、ＴＦＴアレー基板２は、真空蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等により、この無機系材料を所定膜厚で堆積させた後、フォトリソグラフィー法により、感光性有機物レジスト材料を溝状にパターニングし、その後、ウェットエッチング又はドライエッチングして、配向膜１３側面を溝形状とする。また絶縁膜１１は、一般に市販されている無機系材料と有機系材料との混合物で感光性を有する材料を使用して作成することもでき、この場合は、フォトリソグラフィー法によりパターニングした後、焼成等の過程を経ることで、有機物系の成分が雰囲気中に飛散し、主に無機物の成分から絶縁膜１１が形成される。

また電極１２は、透過型では、通常は、ＩＴＯ等の透明電極材料を全面に成膜した後、パターニングして形成される。なお反射型では、アルミニウム、銀等の金属材料を適用するようにしてもよい。

配向膜１３は、一般的に使用されているポリイミド系の材料を、オフセット印刷法によって塗布した後、２００度の温度で７５分間焼成して成膜される。配向膜１３は、この焼成の処理により、配向膜中の高分子鎖が溝Ｍに対して所定の方向に揃い、配向能が付与される。なお配向膜１３の塗布法には、スピンコート法、ガンマブチルラクトン、アセトン等の溶媒で希釈した溶液の槽の中に漬けるディッピング法、スプレーにより噴霧する方法等、種々の手法を適用することができる。

ここで配向膜１３は、下層の表面形状を溝形状とした状態で、配向材の塗布、焼成を行う過程において、配向膜中の高分子鎖の方向が溝に対して所定の方向に揃い、配向能が付与される。これは焼成時における温度上昇、温度降下の過程で、基板１０が膨張、収縮し、この膨張、収縮による応力が溝形状により配向膜１３の特定方向に作用する一軸延伸効果により、配向膜中の高分子鎖が所定の方向に揃うことが、要因の一つとして考えられる。

種々に検討した結果によれば、このような塗布後の焼成により一定の方向に液晶分子軸が揃うためには、配向膜１３の下側面に、この一定方向と直交する方向に延長する溝Ｍが形成されていることが必要であり、単なる突起、凹凸では、各頂点から裾野に向かう方向に配向膜の分子軸が並び、特定方向に配向能を付与できないことが判った。

また溝Ｍについては、ピッチＰと高さＨとの比Ｔ（＝Ｈ／Ｐ）が１未満の場合であっても、十分に配向能を付与することができ、配向膜１３の下側面を溝形状に加工する観点からすると、ピッチＰと高さＨとの比Ｔを１未満として、さらに好ましくは、ピッチＰと高さＨとの比Ｔを０．５未満として、生産性を向上することができる。

液晶表示パネル１は、ＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３をシール材で貼り合わせた後、これらＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３間のギャップに、正の誘電率異方性を有するネマティック液晶が注入されて形成される。なおこの図７においては、液晶分子を符号１５で示し、θ、θ／２は、液晶分子１５のチルト角である。この場合、液晶を注入して液晶分子１５の配向方向を確認したところ、ＴＦＴアレー基板２側面では、溝Ｍの延長方向と直交する方向に液晶分子１５が配向しており、図７に示すように、溝Ｍの延長方向がラビング方向と直交するようにＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３を貼り合わせた場合には、液晶分子１５がホモジニアス配向することが確認された。なお溝Ｍの延長方向がラビング方向と平行となるようにＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３を貼り合わせた場合には、液晶分子１５がツイスティッドネマティック配向することが確認された。

図９は、液晶表示パネル１の１画素分の偏光顕微鏡による観測結果を示す写真図であり、一対の偏光板を前述したクロスニコル配置とし、その間にホモジニアス配向した液晶表示パネル１を配置して観測した場合である。図から明らかなように、クロスニコル条件下本発明にかかる液晶表示パネル１はほぼ完全な黒表示状態にあることが分かる。なお顕微鏡写真図中白点は一対の基板の間隙寸法を一定に維持するためのスペーサーである。

図１０は、従来の単純なグレーティング方式の配向方法を採用した液晶表示パネルの偏光顕微鏡写真である。換言すると、ＴＦＴアレイ基板２側の配向膜１３を省略して、単にグレーティングの弾性歪効果のみを利用して液晶分子を配向させた従来のグレーティング方式の液晶表示パネルである。この液晶表示パネルを同じくクロスニコル条件下で観測した結果が図１０の顕微鏡写真である。

この場合、液晶表示パネル１の光学軸が完全に揃っていれば、偏光子から入射した光に位相変化が生じないことになり、黒として観測されることになる。しかしながら局所的に光学軸がずれていると、グレーあるいは白の模様として観測されることになる。図９及び図１０の観測結果によれば、図９のサンプルの方がより黒く観察されていることから、単に弾性歪効果のみを利用して液晶分子をホモジニアス配向させる従来のグレーティング法による液晶表示パネルに比べて、本発明にかかる液晶表示パネルの方が液晶に対する配向特性が高いと判断することができる。

またこの実施例の液晶表示パネル１では、溝のピッチＰと高さＨとの比Ｔが、１以下の０．２であることから、この比が１以上必要である単に弾性歪み効果のみを利用して液晶分子を配向させる従来のグレーティング法に比して、格段的に溝Ｍの作成工程を簡略化して高い生産性を確保することができる。また種々の特性の優れた材料を適用して生産することができ、さらには簡易かつ確実に配向能を付与できることにより、グレーティング法において、配向膜材自体が有する配向規制力を利用する従来構成の種々の問題点も有効に回避することができる。

また図９及び図１０の観察結果より、この実施例の液晶表示パネル１では、ＴＦＴアレー基板２側で溝Ｍの延長方向と直交する方向に液晶分子が配向しているのに対し、従来のグレーティング法による液晶表示パネルでは、ＴＦＴアレー基板２側で溝Ｍの延長方向と平行方向に液晶分子が配向していることを確認できた。これによりこの実施例の配向膜１３による液晶分子１５の配向が、弾性歪み効果を利用する従来のグレーティング法によるものとは異なることを確認することができた。

またホモジニアス配向している液晶セルのチルト角をクリスタルローテーション法によって測定したところ、約１．５度であった。ここでＴＦＴアレー基板２及びＣＦ基板３を共にラビング処理した場合の液晶セルのチルト角が約３度であることから、この実施例による液晶表示パネル１では、ＣＦ基板３の表面におけるチルト角θが３度であり、ＴＦＴアレー基板２の表面におけるチルト角が０度であると考えられる。

図１１は、この液晶表示パネル１に電圧を印加した場合の模式図である。この液晶表示パネル１は、電圧を印加しても、ＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３の界面近傍では、液晶分子の配向は変化せず、界面から離れるに従って徐々に液晶分子１５のチルト角が大きくなり、ＴＦＴアレー基板２及びＣＦ基板３間の中央部分で、チルト角が約９０度となって最大となる。

この電圧印加時のリタデーションを回転検光子法によって測定し、ＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３を共にラビング処理した液晶セルのリタデーションと比較した。ここでアンカリング強度が弱い場合には、電圧の印加により、ＴＦＴアレー基板２側界面における液晶分子のチルト角が変化することから、ＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３を共にラビング処理した液晶セルに比してリタデーションが小さくなる。しかしながら測定した結果によれば、電圧印加時、この実施例の液晶表示パネル１は、ＴＦＴアレー基板２、ＣＦ基板３を共にラビング処理した液晶セルとほぼ同等のリタデーションが測定され、これによりＴＦＴアレー基板２側の配向膜１３により、十分なアンカリング強度を確保していることを確認することができた。

なお図７に示した実施例１では、ＴＦＴアレー基板２の配向膜１３及びＣＦ基板３の配向膜８にそれぞれ溝形状及びラビング処理により配向能を付与する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これとは逆に、ＴＦＴアレー基板２の配向膜１３及びＣＦ基板３の配向膜８をそれぞれラビング処理及び溝形状により配向能を付与してもよく、またＴＦＴアレー基板２及びＣＦ基板３の配向膜８、１３の双方に溝形状により配向能を付与してもよい。またこの図７の例では、ネマティック液晶を適用する場合について述べたが、スメクティック、コレステリック等、種々の液晶を広く適用することができる。

図１２は、図８との対比により本発明の実施例２に適用される液晶表示パネルのＴＦＴアレー基板を示す斜視図である。このＴＦＴアレー基板２２は、絶縁膜１１の表面形状に代えて、電極１２の表面形状が溝形状に形成されて、配向膜１３を作成する面の形状が溝形状に形成される。この実施例の液晶表示パネルは、この溝形状の加工に関する点が異なる点を除いて、実施例１の液晶表示パネル１と同一に形成される。

すなわちこの実施例に係るＴＦＴアレー基板２２は、実施例１について上述したと同様にしてガラス基板１０上に一定の膜厚により絶縁膜１１が形成される。また続いて、ＩＴＯ、アルミニウム、銀等を成膜した後、フォトリソグラフィー法により感光性レジストを溝状にパターニングし、ウェットエッチング処理又はドライエッチング処理して電極１２に溝形状が形成される。なお実施例１について上述したと同様に、図１２に示す構成をＣＦ基板側に適用してもよい。

この実施例のように、絶縁膜の表面形状に代えて、電極１２の表面形状を溝形状として、配向膜を作成する面の形状を溝形状にしても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１３は、図８との対比により本発明の実施例３の液晶表示装置に適用される液晶表示パネルのＴＦＴアレー基板を示す斜視図である。このＴＦＴアレー基板３２は、絶縁膜１１の表面形状に代えて、絶縁基板であるガラス基板１０の表面形状が直接、溝形状とされて、配向膜１３を作成する面の形状が溝形状に形成される。この実施例の液晶表示パネルは、この溝形状の加工に関する点が異なる点を除いて、実施例１の液晶表示パネル１と同一に形成される。なおこの図１３の例では、絶縁膜が省略されているものの、必要に応じて絶縁膜を設けるようにしてもよい。

すなわちＴＦＴアレー基板３２は、ガラス基板１０の表側面において、フォトリソグラフィー法により感光性レジストを溝状にパターニングした後、ウェットエッチング処理又はドライエッチング処理し、ガラス基板１０の表側面が溝形状に加工される。その後、電極１２、配向膜１３が順次作成される。なお実施例１について上述したと同様に、図１３に示す構成をＣＦ基板側に適用してもよい。なお実施例１〜３では、基層の上に電極を介して配向膜を形成しているが、本発明はこれに限られるものではない。場合によっては、基層の上に直接配向被膜を形成しても良い。

この実施例のように、絶縁膜の表面形状に代えて、絶縁基板の表面形状を溝形状として、配向膜を作成する面の形状を溝形状にしても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１４は、図８との対比により本発明の実施例４の液晶表示装置に適用されるＴＦＴアレー基板４２の構成を示す斜視図である。このＴＦＴアレー基板４２は、一定のピッチＰによる溝Ｍが一定本数以上連続しないようにして、溝Ｍが形成される。より具体的に、ＴＦＴアレー基板４２は、連続する溝ＭにおいてピッチＰがランダムに変化するように設定される。これによりＴＦＴアレー基板４２は、連続する溝Ｍが回折格子として機能しないように設定される。この実施例の液晶表示パネルは、このＴＦＴアレー基板４２におけるピッチＰの設定が異なる点を除いて、上述の各実施例と同一に構成される。

すなわち一定のピッチＰにより溝Ｍを形成した場合には、この周期的な溝Ｍが回折格子として機能するようになり、虹色の干渉縞が見て取られ、画質が著しく劣化する。透過型液晶表示パネルの場合、配向膜が屈折率ほぼ１．５の液晶と接していることから、空気中に溝Ｍが剥き出しになっている場合程では無いものの、ＩＴＯ等の透明電極の屈折率がほぼ２であることから、虹色の干渉縞が発生する。また反射型液晶表示パネルでは、虹色の干渉縞が著しくなる。

しかしながらこの実施例のように、ピッチＰをランダムに変化させて、一定のピッチＰによる溝Ｍが一定本数以上連続しないように設定すれば、このような虹色の干渉縞の発生を防止して画質の劣化を防止することができる。

図１５は、本発明の実施例５の液晶表示装置に適用される液晶表示パネルを示す平面図であり、図１６は、この液晶表示パネル５１をＡ−Ａ線で切り取って示す詳細な断面図である。また図１７は、図１６との対比により、電極に電圧を印加した状態を示す断面図である。この実施例の液晶表示パネル５１において、上述の実施例と同一の構成は、対応する符号を付して示し、重複した説明は適宜省略する。

この液晶表示パネル５１において、ＣＦ基板の配向膜８及びＴＦＴアレー基板の配向膜１３は、溝形状により配向能が付与される。なお溝形状の作成にあっては、実施例１〜３の何れを適用するようにしてよい。

液晶表示パネル５１は、これらＣＦ基板及びＴＦＴアレー基板において、１つの画素の中央から上下方向では、水平方向に延長するように溝Ｍが形成され、また１つの画素の中央から左右方向では、垂直方向に延長するように溝Ｍが形成され、これにより画素の中央を中心とした四角形形状に溝Ｍが形成される。これにより液晶表示パネル５１は、画素中央を基準にした各方向に対称形状に溝Ｍが形成され、画素の中央を向くように、１つの画素の中央から上下方向では、上下方向に液晶分子１５が配向し、１つの画素の中央から左右方向では、水平方向に液晶分子１５が配向するように設定される。

また液晶表示パネル５１は、ＴＦＴアレー基板において、１つの画素の中央に、ＣＦ基板に向けて突出するように四角錐形状の突起が形成される。これによりこの液晶表示パネル５１が、１の画素の中央から周辺に向かうに従ってチルト角が小さくなるように設定される。これにより液晶表示パネル５１において、同一の極角から液晶セルに対して入射された光の位相は、方位角が異なってもほぼ等しくなるように設定され、液晶表示パネル５は、視野角が拡大するように構成される。

この実施例によれば、１つの画素内で、溝の延長する方向を変更することにより、所望の視野角を確保することができる。

すなわち１つの画素の中央を基準にして各方向に対称形状に溝Ｍを形成することにより、視野角を拡大することができる。なお１つの画素を複数のサブピクセルに分割し、各々の中心を基準にして溝を対称形状に形成してもよい。

図１８は、図１５との対比により本発明の実施例６の液晶表示装置に適用される液晶表示パネルを示す平面図である。この液晶表示パネル６１は、同心円状に溝Ｍが形成される点を除いて、実施例５の液晶表示パネル５１と同一に構成される。またこれにより１つの画素の中央には、四角錐形状の突起に代えて、円錐形状の突起が設けられる。

この実施例によれば、同心円状に溝を形成しても、実施例５と同様の効果を得ることができる。

本発明にかかる液晶表示装置の要部を示す模式図である。 参考例にかかる液晶表示装置を示す模式図である。 本発明にかかる液晶表示装置の要部断面顕微鏡写真図である。 参考例にかかる液晶表示装置の要部断面顕微鏡写真図である。 液晶分子の配向状態を示す模式図である。 本発明の効果を示すグラフである。 本発明にかかる液晶表示装置の第１実施例を示す模式的な断面図である。 同じく第１実施例を示す模式的な要部斜視図である。 第１実施例の偏光顕微鏡写真図である。 参考例にかかる液晶表示装置の偏光顕微鏡写真図である。 第１実施例にかかる液晶表示装置の動作説明に供する模式的な断面図である。 本発明にかかる液晶表示装置の第２実施例を示す要部斜視図である。 本発明にかかる液晶表示装置の第３実施例を示す要部斜視図である。 本発明にかかる液晶表示装置の第４実施例を示す要部斜視図である。 本発明にかかる液晶表示装置の第５実施例を示す平面図である。 同じく第５実施例を示す断面図である。 同じく第５実施例を示す断面図である。 本発明にかかる液晶表示装置の第６実施例を示す模式的な平面図である。

符号の説明

１・・・液晶表示パネル、２・・・ＴＦＴアレー基板、３・・・ＣＦ基板、１０・・・ガラス基板、１１・・・絶縁膜、１２・・・電極、１３・・・配向膜、１５・・・液晶分子、Ｍ・・・溝

Claims (6)

1. 所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備え、
   前記配向層は、複数本の溝が平行に形成された主面を有する基層と、該溝の形成された主面を被覆する被膜とからなり、
   前記被膜は、主面の上に塗布されたポリイミド系の材料が焼成されて形成されており、被膜中の高分子鎖が所定の方向に揃うことによって、主面に対して電圧無印加の状態で該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、
   各溝は所定の方向に沿って伸びており、且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列されており、
   該直交方向に沿った前記基層の断面は、各溝の底に対応した凹部と、隣り合う溝の境に対応した凸部とが、交互に繰り返し表われる凹凸構造を有し、
   前記凸部の幅を該凹部の幅よりも小さくし、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する液晶表示装置。
2. 前記凸部の頂面の平坦性が消失する程度に前記凸部の幅を該凹部の幅よりも小さくした請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記凸部は頂面の平坦性を完全に失って逆Ｖ字形状を有する一方、前記凹部は底面に平坦性を残すＵ字形状を有する請求項２記載の液晶表示装置。
4. 前記溝の配列ピッチに対する溝の深さの比率を表すアスペクト比が１未満となるように、各溝を形成した請求項１記載の液晶表示装置。
5. 前記基層の主面は複数の領域に分割されており、隣り合う領域に与えられる該溝の該所定の方向が互いに異なる請求項１記載の液晶表示装置。
6. 所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、該間隙に保持された液晶と、少なくとも片方の基板に形成され該液晶の分子を配向する配向層と、少なくとも一方の基板に形成され該液晶に電圧を印加するための電極とを備えた液晶表示装置の製造方法において、
   前記配向層は、複数本の溝が平行に配された主面を有する基層と、該溝の配された主面を被覆する被膜とで形成し、
   前記被膜は、主面の上に塗布されたポリイミド系の材料が焼成されて形成されており、被膜中の高分子鎖が所定の方向に揃うことによって、主面に対して電圧無印加の状態で該液晶の分子の長手方向を示す分子長軸を平行に配向する水平配向能を有し、
   各溝は所定の方向に沿って伸びており、且つ該所定の方向と直交する直交方向に沿って与えられたピッチで繰り返し配列し、
   該直交方向に沿った前記基層の断面に沿って、各溝の底に対応した凹部と、隣り合う溝の境に対応した凸部とが、交互に繰り返し表われる凹凸構造に形成し、
   前記凸部の幅を該凹部の幅よりも小さくし、以って液晶の分子長軸が該溝の該所定の方向と直交する直交方向に指向して水平配向する液晶表示装置の製造方法。

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