JP5292438B2 - 液晶表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、液晶表示装置に係り、特に配向膜に光の照射で配向制御能を付与した液晶表示装置に関する。
液晶表示装置では画素電極および薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等がマトリクス状に形成されたＴＦＴ基板と、ＴＦＴ基板に対向して、ＴＦＴ基板の画素電極と対応する場所にカラーフィルタ等が形成された対向基板が設置され、ＴＦＴ基板と対向基板の間に液晶が挟持されている。そして液晶分子による光の透過率を画素毎に制御することによって画像を形成している。
液晶表示装置はフラットで軽量であることから、ＴＶ等の大型表示装置から、携帯電話やＤＳＣ（Digital Still Camera）等、色々な分野で用途が広がっている。一方、液晶表示装置では視野角特性が問題である。視野角特性は、画面を正面から見た場合と、斜め方向から見た場合に、輝度が変化したり、色度が変化したりする現象である。視野角特性は、液晶分子を水平方向の電界によって動作させるＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式が優れた特性を有している。
液晶表示装置に使用する配向膜を配向処理すなわち配向制御能を付与する方法として、従来技術としてラビングで処理する方法がある。このラビングによる配向処理は、配向膜を布で擦ることで配向処理を行うものであるが、一方、配向膜に非接触で配向制御能を付与する光配向法という手法がある。ＩＰＳ方式はプレティルト角が必要無いために、光配向法を適用することが出来る。「特許文献１」〜「特許文献７」は光配向膜に関する公知例であり、直線偏光された紫外線を照射することにより、分子の架橋反応や開裂反応、二量化反応を薄膜内で誘起し、薄膜における分子の並びに異方性を付与することが記載されている。
従来の光配向処理は、ラビング処理に比べてＡＣ残像と称する焼付きが生じやすい。ＡＣ残像は、液晶表示装置を長時間動作させた場合、初期配向の方向が液晶表示装置の製造当初からの方向と、ずれてきてしまい、この原因によって生ずる残像である。ＡＣ残像は非可逆的であり、回復はできない。
このようなＡＣ残像は、（１）配向膜の配向秩序性の向上、（２）配向膜の弾性率、硬度等をパラメータとする機械的強度の向上、（３）配向膜と液晶との親和力の向上によって改善することが出来る。中でも配向膜の配向秩序性の向上がＡＣ残像の低減には特に有効である。
しかし、光配向法においては、配向秩序性を向上する有効な方法は見出されていなかった。本発明の課題は、光配向処理において、配向膜の配向秩序性を向上し、ＡＣ残像の発生を抑制することである。
本発明は上記問題を克服するものであり、具体的な手段は次のとおりである。すなわち、画素電極とＴＦＴを有する画素の上に配向膜が形成されたＴＦＴ基板と、前記ＴＦＴ基板に対向し、カラーフィルタの上に配向膜が形成された対向基板と、前記ＴＦＴ基板の配向膜と前記対向基板の配向膜の間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、前記配向膜は光配向処理を受けており、前記配向膜は、（化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物または脱水縮合物をエステル化した配向膜材料と、（化２）で示すパラフェニルジアミンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物または脱水縮合物をエステル化した配向膜材料とを用いていることを特徴とする液晶表示装置である。
前記柔構造の全体に対するｗｔ％は０ｗｔ％よりも大きく８０ｗｔ％以下であり、より好ましくは、６０ｗｔ％以上、８０ｗｔ％以下である。
本発明によれば、光配向膜において、オーダーパラメータ（ＯＰ）を大きくすることが出来、アンカリング強度を上げることが出来るので、ＡＣ残像を抑制した光配向膜を有する液晶表示装置を実現することが出来る。
本発明の実施例を説明する前に、本発明が適用されるＩＰＳ方式の液晶表示装置の構造について説明する。図１はＩＰＳ方式の液晶表示装置の表示領域における構造を示す断面図である。ＩＰＳ方式の液晶表示装置の電極構造は種々のものが提案され、実用化されている。図１の構造は、現在広く使用されている構造であって、簡単に言えば、平面ベタで形成された対向電極１０８の上に絶縁膜を挟んで櫛歯状の画素電極１１０が形成されている。そして、画素電極１１０と対向電極１０８の間の電圧によって液晶分子３０１を回転させることによって画素毎に液晶層３００の光の透過率を制御することにより画像を形成するものである。以下に図１の構造を詳しく説明する。なお、本発明は、図１の構成を例にとって説明するが、図１以外のＩＰＳタイプの液晶表示装置にも適用することが出来る。
図１において、ガラスで形成されるＴＦＴ基板１００の上に、ゲート電極１０１が形成されている。ゲート電極１０１は走査線と同層で形成されている。ゲート電極１０１はＡｌＮｄ合金の上にＭｏＣｒ合金が積層されている。
ゲート電極１０１を覆ってゲート絶縁膜１０２がＳｉＮによって形成されている。ゲート絶縁膜１０２の上に、ゲート電極１０１と対向する位置に半導体層１０３がａ−Ｓｉ膜によって形成されている。ａ−Ｓｉ膜はプラズマＣＶＤによって形成される。ａ−Ｓｉ膜はＴＦＴのチャネル部を形成するが、チャネル部を挟んでａ−Ｓｉ膜上にソース電極１０４とドレイン電極１０５が形成される。なお、ａ−Ｓｉ膜とソース電極１０４あるいはドレイン電極１０５との間には図示しないｎ＋Ｓｉ層が形成される。半導体層とソース電極１０４あるいはドレイン電極１０５とのオーミックコンタクトを取るためである。
ソース電極１０４は映像信号線が兼用し、ドレイン電極１０５は画素電極１１０と接続される。ソース電極１０４もドレイン電極１０５も同層で同時に形成される。本実施例では、ソース電極１０４あるいはドレイン電極１０５はＭｏＣｒ合金で形成される。ソース電極１０４あるいはドレイン電極１０５の電気抵抗を下げたい場合は、例えば、ＡｌＮｄ合金をＭｏＣｒ合金でサンドイッチした電極構造が用いられる。
ＴＦＴを覆って無機パッシベーション膜１０６がＳｉＮによって形成される。無機パッシベーション膜１０６はＴＦＴの、特にチャネル部を不純物４０１から保護する。無機パッシベーション膜１０６の上には有機パッシベーション膜１０７が形成される。有機パッシベーション膜１０７はＴＦＴの保護と同時に表面を平坦化する役割も有するので、厚く形成される。厚さは１μｍから４μｍである。
有機パッシベーション膜１０７には感光性のアクリル樹脂、シリコン樹脂、あるいはポリイミド樹脂等が使用される。有機パッシベーション膜１０７には、画素電極１１０とドレイン電極１０５が接続する部分にスルーホール１１１を形成する必要があるが、有機パッシベーション膜１０７は感光性なので、フォトレジストを用いずに、有機パッシベーション膜１０７自体を露光、現像して、スルーホール１１１を形成することが出来る。
有機パッシベーション膜１０７の上には対向電極１０８が形成される。対向電極１０８は透明導電膜であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を表示領域全体にスパッタリングすることによって形成される。すなわち、対向電極１０８は面状に形成される。対向電極１０８を全面にスパッタリングによって形成した後、画素電極１１０とドレイン電極１０５を導通するためのスルーホール１１１部だけは対向電極１０８をエッチングによって除去する。
対向電極１０８を覆って上部絶縁膜１０９がＳｉＮによって形成される。上部絶縁膜１０９が形成された後、エッチングによってスルーホール１１１を形成する。この上部絶縁膜１０９をレジストにして無機パッシベーション膜１０６をエッチングしてスルーホール１１１を形成する。その後、上部絶縁膜１０９およびスルーホール１１１を覆って画素電極１１０となるＩＴＯをスパッタリングによって形成する。スパッタリングしたＩＴＯをパターニングして画素電極１１０を形成する。画素電極１１０となるＩＴＯはスルーホール１１１にも被着される。スルーホール１１１において、ＴＦＴから延在してきたドレイン電極１０５と画素電極１１０が導通し、映像信号が画素電極１１０に供給されることになる。
図２に画素電極１１０の１例を示す。画素電極１１０は、櫛歯状の電極である。櫛歯と櫛歯の間にスリット１１２が形成されている。画素電極１１０の下方には、平面状の対向電極１０８が形成されている。画素電極１１０に映像信号が印加されると、スリット１１２を通して対向電極１０８との間に生ずる電気力線によって液晶分子３０１が回転する。これによって液晶層３００を通過する光を制御して画像を形成する。
図１はこの様子を断面図として説明したものである。櫛歯状の電極と櫛歯状の電極の間は図１に示すスリット１１２となっている。対向電極１０８には一定電圧が印加され、画素電極１１０には映像信号による電圧が印加される。画素電極１１０に電圧が印加されると図１に示すように、電気力線が発生して液晶分子３０１を電気力線の方向に回転させてバックライトからの光の透過を制御する。画素毎にバックライトからの透過が制御されるので、画像が形成されることになる。
図１の例では、有機パッシベーション膜１０７の上に、面状に形成された対向電極１０８が配置され、上部絶縁膜１０９の上に櫛歯電極１１０が配置されている。しかしこれとは逆に、有機パッシベーション膜１０７の上に面状に形成された画素電極１１０を配置し、上部絶縁膜１０９の上に櫛歯状の対向電極１０８が配置される場合もある。画素電極１１０の上には液晶分子３０１を配向させるための配向膜１１３が形成されている。配向膜１１３は光配向処理が施されている。
図１において、液晶層３００を挟んで対向基板２００が設置されている。対向基板２００の内側には、カラーフィルタ２０１が形成されている。カラーフィルタ２０１は画素毎に、赤、緑、青のカラーフィルタ２０１が形成されており、カラー画像が形成される。カラーフィルタ２０１とカラーフィルタ２０１の間にはブラックマトリクス２０２が形成され、画像のコントラストを向上させている。なお、ブラックマトリクス２０２はＴＦＴの遮光膜としての役割も有し、ＴＦＴに光電流が流れることを防止している。
カラーフィルタ２０１およびブラックマトリクス２０２を覆ってオーバーコート膜２０３が形成されている。カラーフィルタ２０１およびブラックマトリクス２０２の表面は凹凸となっているために、オーバーコート膜２０３によって表面を平らにしている。オーバーコート膜２０３の上には、液晶の初期配向を決めるための配向膜１１３が形成されている。この配向膜１１３にも光配向処理が施されている。
本発明は、図１における光配向膜の配向秩序性を向上してＡＣ残像を低減することである。発明者は、配向膜材料における分子吸光係数、光分解の量子収率等の物性値、並びに、プロセスパラ（加熱温度、加熱時間、露光時間等）と配向秩序性との関係を理論的に解析し、その結果、配向膜材料の分子長軸方向と短軸方向との分子吸光係数比と、偏光露光によるポリイミドの光分解で生成するオリゴマの分子方向変化が、配向秩序性の向上に重要な役割を果たしていることを明らかにした。ここで、分子吸光係数比はεｐ／εｖのことであり、εｐはポリイミドの分子長軸方向の分子吸光比であり、εｖはポリイミドの分子短軸方向の分子吸光比である。
分子長軸方向と分子短軸方向との分子吸光係数比が大きいほど、偏光露光による電界ベクトルと平行方向と、直交方法のポリイミドの濃度差は大きくなるので、配向秩序性の高い配向膜の形成が可能になる。一般に分子長軸方向と短軸方向との分子吸光係数比の大きいポリイミドは分子の直線性が高く、剛直な高分子である。
一方、オリゴマの方向変化量は、柔軟性の高いポリイミド（主鎖にアルキル鎖を有し、偏光露光後の加熱で分子軸回転が誘起されるポリイミド）程大きくなる。このため、光分解での配向秩序性向上と偏光露光での配向秩序性向上を両立させるには、相反するポリイミドの特性を解消する必要があった。
発明者は、光配向膜に要求される剛直性と柔軟性との相反関係は、分子吸光係数比の高いポリイミド（剛直）と、柔軟性の高いポリイミドを混合すれば解消することが出来、高配向秩序性を有する配向膜を実現できることを見出した。以下に実施例を用いて本発明の内容を詳細に説明する。
図３は、光配向処理を用いた配向膜の形成工程を示す図である。図３の工程は、ＴＦＴ基板、対向基板共通である。図１における画素電極が形成されたＴＦＴ基板、あるいは、オーバーコート膜が形成された対向基板に配向膜を塗布する。配向膜の塗布は、スピンコーティング、インクジェット、スプレーコートあるいはロッドコーテティング等が用いられる。
配向膜材料としては、（化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料、並びに、（化２）で示すパラフェニルジアミンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料を重量比で１：１の割合で含むものである。
塗布された配向膜を２３０℃で焼成して配向膜のイミド化を行う。このとき、（化２）で示すパラフェニルジアミンと(化３）で示す１，３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料は剛構造となり（以後剛構造の配向膜）、（化１）で示す１，２−ビス(４−アミノフェニル）エタンと(化３）で示す１，３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料は柔構造となる（以後柔構造の配向膜）。
その後、基板の温度を室温近くにまで低下させる。なお、基板は薄いので、焼成炉から出すと短時間で温度は低下する。この状態で、配向膜に対して光配向のために、直線偏光された紫外線を照射する。直線偏光された紫外線によって、高分子の配向膜が当該偏光方向で主鎖が切断されることによって一軸性が付与される。このとき、ポリマーが切断されることによって揮発性の低分子物質、あるいは、オリゴマが生成される。紫外線は、ウシオ製Deep−UVランプ（超高圧He−Xe）と偏光子を組み合わせた偏光露光装置を用いて、配向膜に3J／cm２照射した。
紫外線照射後、基板を２３０℃に加熱して、揮発性の低分子物質を揮発させる。このとき、剛構造の配向膜における不揮発性のオリゴマは配向膜中で不動である。一方、柔構造の配向膜における不揮発性のオリゴマは配向膜中で回転することが出来、配向秩序性を向上させることが出来る。
図４は、従来例における配向膜構造と本発明における配向膜構造を対比して示した模式図である。上側が従来構造であり、下側が本発明による構造である。従来例における材料は、剛構造の配向膜のみで形成され、本発明における材料は、剛構造と柔構造の混在である。図４では、このような配向膜材料を重量比１：１で混合し、石英基板上に塗布したものである。
図４において、左側の欄は、配向膜を塗布後、２３０℃で１０分間加熱した状態における配向膜の構造の模式図である。従来例は、ポリイミドが格子状に規則正しく形成され、剛構造となっている。これに対して、本発明では、ポリイミドが格子状に形成された剛構造と、フレキシブルなポリイミドがフレキシブルに交差する柔構造とが混在している。
その後、基板を常温付近にまで冷却し、偏光紫外線を用いて露光した状態を、図４の中欄に示す。図４の中欄において、偏光紫外線によって、紫外線の偏光の電界ベクトル方向において、ポリイミドの主鎖が切断され、配向膜の配向秩序性が現出している。これは、従来構造、本発明の構造とも同様である。
その後、２３０℃で１０分間ほど焼成した状態を図４の右欄に示す。従来例は、剛構造のポリイミドのみで形成されているので、オリゴマが不動である。一方、本発明においては、剛構造と柔構造とが混在している状態であり、剛構造におけるオリゴマ、柔構造におけるオリゴマのいずれも回転して、配向秩序性が向上している。
以上の説明をまとめると次の通りである。すなわち、図４の上部に示した従来構造においては、分子長軸方向と短軸方向とで分子吸光係数差が大きい、剛直なポリイミドを配向膜材料として用いることで、配向秩序性をできるだけ大きくすることが行われていた。これは、ポリイミドの光分解速度がポリイミドの分子吸光係数に比例するので、分子吸光係数の差が大きいほど、偏光紫外線照射後のE‖方向とE⊥方向のポリイミドの濃度差が大きくなることを利用して配向秩序性を大きくするという考えに基づいている。ここで、E‖は偏光の電界ベクトルと平行な成分であり、E⊥は偏光の電界ベクトルと垂直な成分である。
しかし、分子吸光係数の差が大きいポリイミドは、一般に、分子の直線性が高く、剛直な高分子である。このため、偏光露光後に加熱しても光分解生成物の分子方向は、光分解で生成したままの方向で固定されているため、配向秩序性は大きくならない。
一方、図４の下部に示した本発明においては、偏光紫外線によって主鎖が切断される柔軟なポリイミドを混合した配向膜材料を用いる。これにより、図５に示すように、それぞれの配向膜材料を単独で用いた配向膜よりもE‖方向とE⊥方向との配向分子の濃度差が大きくなり、配向秩序性を高くできる。
図５は、剛直なポリイミドと柔軟なポリイミドとを混合した場合の、混合比率と配向秩序性との関係を示している。図５からわかるように、混合した配向膜材料を用いたほうが、個々の配向膜材料を単独で用いた場合よりも配向秩序性が高い。
図５は、図４に示したサンプルに対して、次のような測定を行ったものである。加熱して得られた配向膜の偏光紫外線スペクトルを測定し、吸光度から配向秩序性の指標である、UV吸収二色比すなわち、（A⊥―A‖）／（A⊥＋A‖）を求めた。ここで、A‖はE‖方向の配向膜の吸光度であり、A⊥はE⊥方向の配向膜の吸光度である。なお、Aを吸光度とした場合、A＝εCｔの関係がある。εは分子吸光係数であり、Cはポリイミドの特定の方向の分子の濃度であり、ｔはポリイミドの厚さである。
図５において、縦軸は、波長２４５ｎｍの紫外線におけるOP（オーダーパラメータ）であり、横軸は、配向膜における柔構造の配向膜のｗｔ％である。なお、OP（オーダーパラメータ）はUV吸収二色比と同義とする。図５からわかるように、柔構造の割合が５０ｗｔ％のときのOPの値は０．５１である。このときの配向膜による液晶のアンカリング強度を測定したところ、４．１mＪ／ｍ２であることがわかった。
比較例として、配向膜材料に（化２）で示すパラフェニルジアミンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した、剛構造となる配向材料のみを用いた場合の配向膜を形成してOPを測定した結果は、０．４８であった。また、配向膜材料に（化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した柔構造の配向材料のみを用いた場合の配向膜を形成してOPを測定した結果は、０．４４であった。すなわち、本発明のように、柔構造と剛構造の配向膜材料を混合して用いることによって、OPすなわち、UV吸収二色比を向上させることが出来る。
図５において、柔構造の配向膜材料を２０ｗｔ％〜６０ｗｔ％用いることによって、OPすなわち、UV吸収二色比は０．５以上とすることが出来る。また、柔構造の配向膜材料を８０％以下とすることによって、柔構造がゼロの場合におけるOPである０．４８を上回ることが出来る。この場合は、柔構造の材料は０wt%よりも大きく、８０ｗｔ％以下である。
以上のように、本発明によれば、OP（オーダーパラメータ）すなわち、UV吸収二色比を向上させることが出来、配向膜による液晶のアンカリング強度を向上させ、AC残像を抑制することが出来る。
以上の実施例では、柔構造を与える配向膜材料として、（化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料を用いたが、この他に、（化４）で示す４,4‘−ジアミノジフェニルエーテルおよびその誘導体と、(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料を用いて柔構造の配向膜材料を構成することが出来る。
また、以上の実施例では剛構造を与える配向膜材料として、（化２）で示すパラフェニルジアミンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料を用いたが、この他に、（化５）で示すパラフェニレンジアミン誘導体と(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物をエステル化した配向材料を用いて剛構造の配向膜材料を構成することが出来る。またエステル化物だけでなく１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物とジアミンとの縮合物も本発明の配向材として好適に用いることもできる。
１００…ＴＦＴ基板、 １０１…ゲート電極、 １０２…ゲート絶縁膜、 １０３…半導体層、 １０４…ソース電極、 １０５…ドレイン電極、 １０６…無機パッシベーション膜、 １０７…有機パッシベーション膜、 １０８…対向電極、 １０９…上部絶縁膜、 １１０…画素電極、 １１１…スルーホール、 １１２…スリット、 １１３…配向膜、 ２００…対向基板、 ２０１…カラーフィルタ、 ２０２…ブラックマトリクス、 ２０３…オーバーコート膜、 ２１０…表面導電膜、 ３００…液晶層、 ３０１…液晶分子。
Claims (3)
- 画素電極とＴＦＴを有する画素の上に配向膜が形成されたＴＦＴ基板と、前記ＴＦＴ基板に対向し、カラーフィルタの上に配向膜が形成された対向基板と、前記ＴＦＴ基板の配向膜と前記対向基板の配向膜の間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、
前記配向膜は光配向処理を受けており、
前記配向膜は、（化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物または脱水縮合物をエステル化した配向膜材料と、
（化２）で示すパラフェニルジアミンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物または脱水縮合物をエステル化した配向膜材料とを用いていることを特徴とする液晶表示装置。
- （化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物または脱水縮合物をエステル化した配向膜材料は配向膜材料全体の重量に対して０ｗｔ％よりも大きく、かつ８０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
- （化１）で示す１,２−ビス(４−アミノフェニル)エタンと(化３)で示す１,３−ジメチルシクロブタンテトラカルボン酸二無水物の脱水縮合物または脱水縮合物をエステル化した配向膜材料は配向膜材料全体の重量に対して２０ｗｔ％以上、かつ６０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
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