JP6029364B2 - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

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本発明は,液晶表示装置に係り,配向膜のピンホールに起因する液晶分子の配向乱れを対策したIPS方式の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ラビング処理が広くおこなわれている。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。「特許文献1」には、ラビング配向における配向膜の形成すなわち、配向膜の塗布および焼成プロセス等を省略するために、配向膜の下に形成されているオーバーコート膜をラビング処理可能な材料にし、このオーバーコート膜にラビング処理を施し、液晶分子を初期配向させる構成が記載されている。
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、光配向法を容易に適用することが出来る。「特許文献2」には紫外線に代表される光の照射による光分解型の光配向処理が開示されている。
特開平9−281479号公報 特開2004−206091号公報
配向膜はTFT基板側および対向基板側の最上層、すなわち、液晶層と接する場所に印刷等によって塗布される。しかしながら、TFT基板あるいは対向基板等が汚染されていると、配向膜が印刷されない部分が発生する。そうすると、その部分において、液晶が配向されないために、輝点表示不良が発生する。例えば、ノーマリブラックのIPS(In Plane Swiching)方式液晶表示装置においては、黒表示時に光抜けが主ずる。
図12はこの様子を示す模式図である。図12において、TFT基板100に配線層101が形成され、その上に平坦化膜を兼ねた有機パッシベーション膜102が存在し、その上に配向膜105が形成されている。一方、対向基板200には、ブラックマトリクス202とカラーフィルタ201が形成され、その上をオーバーコート膜203が覆っている。そして、オーバーコート膜203を覆って配向膜105が形成されている。図12において、配向膜105はラビング処理によって配向能が付されている。
図12において、配向膜105にピンホール(配向膜欠け部)1051が発生している。そうすると、その部分において、液晶分子1501が正常に配向されず、配向乱れ80が発生する。この配向乱れ80は、黒表示したときに光抜けとなり、輝点が発生する。
本発明の課題は、このような、配向膜105のピンホール1051あるいは配向膜欠け部1051に起因する配向乱れ80を防止し、黒表示時の輝点の発生を防止することである。
本発明は、ラビング処理による配向膜に配向膜欠け部が存在しても、下地の有機膜に光配向可能な材料を所定の量含ませ、配向膜欠け部にスポット状の偏光UVを照射することによって、下地の有機膜に配向能をもたせ、液晶分子の配向乱れを防止する。主な具体的な手段は次のとおりである。
(1)画素電極およびTFTがマトリクス状に形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、前記対向基板にはカラーフィルタが形成され、前記カラーフィルタを覆って第1の有機膜が形成され、前記第1の有機膜を覆ってラビング配向処理された配向膜が形成され、
前記第1の有機膜には偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入していることを特徴とする液晶表示装置。
(2)前記TFT基板には第2の有機膜が形成され、その上にラビング配向処理された配向膜が形成され、前記第2の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入していることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(3)画素電極およびTFTがマトリクス状に形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置の製造方法であって、前記対向基板の前記液晶と接する面にはラビング処理がなされた第1の配向膜が形成され、前記第1の配向膜の下地には第1の有機膜が形成され、前記第1の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入しており、前記液晶表示装置を点灯した後、輝点が発生している場合に、前記輝点の位置に対して、偏光UVを照射することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
(4)画素電極およびTFTがマトリクス状に形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置の製造方法であって、前記対向基板の前記液晶と接する面にはラビング処理がなされた第1の配向膜が形成され、前記第1の配向膜の下地には第1の有機膜が形成され、前記第1の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入しており、前記TFT基板の前記液晶と接する面にはラビング処理がなされた第2の配向膜が形成され、前記第2の配向膜の下地には第2の有機膜が形成され、前記第2の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入しており、前記液晶表示装置を点灯した後、輝点が発生している場合に、前記輝点の位置に対して、偏光UVを照射することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
配向膜は、印刷等によって塗布した場合に、ある割合で配向膜欠け部が生ずる。配向膜をラビング処理する場合にも、配向膜欠け部が存在すると、その部分において、液晶分子の配向乱れが生ずる。本発明によれば、配向膜欠け部が生じても、その部分において露出している有機材料に光配向可能な材料が存在しており、その有機材料にスポット的に偏光UVを照射することによって、配向膜欠け部にも配向能を付与することが出来る。したがって、配向膜欠け部に起因する輝点不良を防止することが出来る。
実施例1の液晶表示装置の概略断面図である。 本発明におけるピンホール輝点修正方法を示す断面模式図である。 実施例1による液晶分子の配向状態を示す断面模式図である。 本発明で用いられるスポット偏光UVを照射するシステムの模式図である。 本発明に用いられる、光配向可能な材料の例を示す表である。 シクロブタン系材料の光反応の例である。 シンナメート系材料の光反応の例である。 IPS−PRO方式の液晶表示装置の断面図である。 IPS−LITE方式の液晶表示装置の断面図である。 実施例2の効果を示す液晶表示装置の断面模式図である。 実施例3の効果を示す液晶表示装置の断面模式図である。 従来例において、配向膜欠け部に液晶分子の配向乱れが発生している例である。
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1は実施例1におけるIPS方式の液晶表示装置の概略断面図である。図1において、ガラス基板であるTFT基板100に配線層101が形成されている。配線層101は、ゲート電極、ゲート絶縁膜、半導体層、ドレイン電極、ソース電極等からなるTFTや、映像信号線、走査線等の総称である。配線層101の最上層にはTFTを保護するための無機パッシベーション膜が形成されている。
配線層101の上には平坦化膜を兼ねる有機パッシベーション膜102が形成されている。本発明では、有機パッシベーション膜102に、光配向処理可能な物質が所定の量混合されている。これによって、後で有機パッシベーション膜102の上に形成される配向膜105に配向膜欠け部1051が生じて有機パッシベーション膜102が露出しても、この部分に対して、スポット状に偏光UVを照射し、有機パッシベーション膜102を光配向することによって、配向乱れを防止している。
有機パッシベーション膜102の上には、櫛歯状あるいは線状の電極である、画素電極103と対向電極104が対向して形成されている。図1では、画素電極103を対向電極104が挟む形で形成されている。画素電極103および対向電極104を覆って配向膜105が形成されている。配向膜105はラビング処理によって配向能を付与されている。先に述べたように、配向膜105にピンホールのような配向膜欠け部1051が生じても、液晶表示パネルが完成した後、この配向膜欠け部1051に対してスポット的に偏光UVを照射することによって、有機パッシベーション膜102によって液晶分子1501を配向し、液晶分子1051の配向乱れを防止することができる。スポット的な光配向のプロセスは後で詳細に説明する。
図1において、対向基板200には、画素毎にカラーフィルタ201が形成され、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。
オーバーコート膜203の上には、ラビング処理が行われる配向膜105が形成されている。本発明では、オーバーコート膜203に、光配向処理可能な物質が所定の量混合されている。これによって、オーバーコート膜203の上に形成される配向膜105に配向膜欠け部1051が生じてオーバーコート膜203が露出しても、オーバーコート膜203を光配向することが出来るために、液晶分子1501の配向乱れを防止することが出来る。
液晶層150がTFT基板100と対向基板200に挟持されている。この液晶層150の液晶分子1501は、TFT基板100と対向基板200に形成された配向膜105によって初期配向されている。図1において、画素電極103と対向電極104との間に電界が印加されると、矢印のような電気力線が発生し、液晶分子1051を回転させ、各画素におけるバックライトからの光の透過率が制御され、これによって画像が形成される。
図2は、TFT基板100側および対向基板200側に配向膜欠け部1051が発生した場合に、光配向処理可能な物質が所定の量混合されている有機パッシベーション膜102、あるいは、オーバーコート膜203にスポット的に偏光UV30を照射することによって、有機パッシベーション膜102およびオーバーコート膜203に配向能を付与している状態を示す断面模式図である。
液晶表示パネルが完成した後、点灯検査を行い、輝点が発生している箇所を特定する。この部分は、配向膜欠け部1051が存在している部分であり、下地膜である有機パッシベーション膜102あるいはオーバーコート膜203が露出している部分である。この輝点が生じている場所に対して、偏光UV30を照射し、有機パッシベーション膜102あるいはオーバーコート膜203に対して光配向を行う。
配向膜105には、ラビングによって配向能を付与する方式と、光配向によって配向能を付与する方式がある。本発明が対象とする配向膜105は、ラビング方式の配向膜105である。ただし、配向膜欠け部1051において、露出している有機パッシベーション膜102あるいはオーバーコート膜203に対する配向能の付与は、光配向によって行う。
光配向方式の配向膜に対して配向能を付与する場合は、波長が250nm程度の偏光UV30が使用される。しかしながら、本発明においては、有機パッシベーション膜102あるいはオーバーコート膜203に対する光配向は、ガラス基板であるTFT基板100を通して行われる。ガラスは、波長が250nm程度の紫外線(UV)は吸収してしまうので、この領域の波長のUVを使用することは能率が悪い。
そこで、本発明においては、有機パッシベーション膜102あるいはオーバーコート膜203に含まれる光配向処理可能な物質は、300nm〜450nmの紫外線(UV)に感光波長を持つ物質が選ばれる。しかしながら、波長が300nm〜450nm程度のUVは、対向基板200に形成されたカラーフィルタ201によって吸収されるので、配向膜欠け部1051に対する紫外線の照射は、TFT基板100側から行われる。
図2において、TFT基板100側に配置された光源10からUVを放射し、偏光子20によって、偏光UV30を形成する。この偏光UV30をTFT基板100側から配向膜欠け部1051に照射し、配向膜欠け部1051において露出しているTFT基板100における有機パッシベーション膜102、あるいは、対向基板200におけるオーバーコート膜203に対して光配向を行う。
UV照射後、液晶のN−I(ネマチックーアイソトロピック)相転移温度以上に液晶表示パネルを加熱し、その後冷却する。そうすると、図3に示すように、配向膜欠け部1051が存在している部分においても、液晶分子1501を、配向膜105が存在している部分と同様に配向させることが出来る。
このようにして配向処理される有機パッシベーション膜102あるいはオーバーコート膜203には弱い配向性しか付与できない。配向膜105とは異なり、光配向可能な物質は、所定の分量しか含まれていないからである。配向性が弱くとも、配向膜欠け部1051の径が100μm以下であれば図3に示すように、初期配向を付与することが出来る。
図4は、本発明におけるスポット的光配向による配向膜欠け部1051における輝点修正を行うための装置の概略図である。図4において、スポットUV照射装置40からUVを発生させ、光ファイバケーブル等によって、UVをレンズ50に導く。レンズ50によって、UVを所定のスポット径に調整し、このUVを偏光生成装置60に導き、偏光UV30として、液晶表示パネル70の輝点発生部分71(以後ピンホール輝点部分)に照射する。
ピンホール輝点部分71に対し、TFT基板100側から300nm〜450nmの波長を含む偏光UV30を300nm〜365nmの積算照射量として1〜10J/cmの強度で照射した。光源にはウシオ電機製のスポットUV照射装置40を使用し、出射光にグランレーザープリズム(シグマ光機GLPO−10−15AN)を配置して偏光を得た。偏光角は液晶表示パネル70における配向方向に対して90度直交する方向にプリズムを配置した。UV照射後、液晶のN−I(ネマチックーアイソトロピック)相転移温度以上に液晶表示パネル70を加熱し、その後冷却することによって、輝点は消失した。
図3に戻り、対向基板100側のオーバーコート膜203又はTFT基板100側の有機パッシベーション膜102は光配向可能な材料を5%以上、50%以下含むポリマーである。光配向可能な材料としては、図5の表1に示すように、(A)光分解型と(B)光二量化・架橋型の材料が存在する。(A)の光分解型としては、シクロブタンまたはその誘導体である。具体的な例としては、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物と、例えば、ナフラテン、アントラセン、フルオレン等の300nm〜450nmの光吸収波長を有するジアミンからなるポリアミド酸である。
図6はシクロブタンに偏光UVを照射した場合の、偏光UVの偏光方向1000と、液晶分子の配向方向2000の関係を示す構造式である。図6において、シクロブタンが偏光UVによって分解し、偏光UVの偏光方向10と直角方向に液晶分子が配向する方向が生ずることを示している。
(B)の光二量化・架橋型の例としては、シンナメート基またはその誘導体を含む材料である。具体的な例としては、ポリビニルシンナメート等の、側鎖にケイ皮酸誘導体を有する重合性モノマーである。図7は、シンナメート系材料の光反応の例である。シンナメート系材料が偏光UVを受けて架橋し、偏光UVの偏光方向10と直角方向に液晶の配向方向20が発現する様子を示している。
このような、光配向可能な材料を含むオーバーコート膜203の形成方法は次のとおりである。光配向可能な材料を含む対向基板200のカラーフィルタ201およびブラックマトリクス202の上に、オーバーコート膜203材料を溶媒、例えば、NMP(N−メチルピリドン)に溶解させた材料をスピンコート等で塗布する。その後、230℃で15分間加熱して膜形成をおこなった。
TFT基板100における、光配向可能な材料を含む有機パッシベーション膜102の形成方法も同様である。すなわち、TFT基板100の配線層101の上に、光配向可能な材料を含む有機パッシベーション膜材料を溶媒、例えば、NMP(N−メチルピリドン)に溶解させた材料をスピンコート等で塗布する。その後、230℃で15分間加熱して膜形成をおこなった。
対向基板200側のオーバーコート膜203、TFT基板側の有機パッシベーション膜102はこのような光配向可能な材料をポリマー中に50%以下、5%以上の割合で含有したポリマーである。したがって、配向膜105のように、配向能は強くはないが、配向膜欠け部1051の径が100nm以下であれば、液晶分子1501に初期配向をさせることが出来、配向膜欠け部1051に起因する輝点の発生を防止することが出来る。
実施例1は、TFT基板100と対向基板200の両方の有機膜に光配向性ポリマーを混入させた例である。しかし、液晶表示装置によっては、TFT基板100において、配向膜105の直下に有機パッシベーション膜102が存在しない製品が存在する。そのような製品の断面模式図を図8に示す。
図8はIPS−PROと呼ばれているIPS方式の製品である。図8において、ガラスで形成されたTFT基板100の上に配線層101が形成されている。配線層101の上には平坦化膜を兼ねた有機パッシベーション膜102が形成されている。有機パッシベーション膜102の上には、平面ベタで形成された対向電極104が形成され、その上にSiN等で形成された層間絶縁膜110が形成され、その上に櫛歯状の画素電極103が形成されている。また、製品によっては、有機パッシベーション膜102の上に、平面ベタで形成された画素電極103が形成され、その上にSiN等で形成された層間絶縁膜110が形成され、その上に櫛歯状の対向電極104が形成される場合もある。
すなわち、図8におけるTFT基板100側では、配向膜105の直下には有機膜は存在していないので、光配向性ポリマーを混入した有機膜を形成しても液晶分子の配向乱れを対策することは出来ない。
一方、対向基板200側に形成されたカラーフィルタ201あるいはブラックマトリクス202の上にはオーバーコート膜203が形成されているので、このオーバーコート膜203に光配向性ポリマーを混入させることによって実施例1で述べたような、配向膜欠け部1051を補うように、オーバーコート膜203に光配向特性を発現させ、液晶分子1501の配向乱れを防止することができる。
図9は、TFT基板100において、配向膜105の直下に有機膜102が存在しない製品の他の例である。図15はIPS−LITEと呼ばれているIPS製品である。図15のTFT基板100上の配線層101の上に平面ベタで形成された画素電極103が存在している。実際には、画素電極103はゲート絶縁膜の上に形成されている場合が多い。平面ベタで形成された画素電極103を覆って、SiN等で形成された層間絶縁膜110が形成され、その上に櫛歯電極状の対向電極104が形成されている。対向電極104を覆って光配向されている配向膜105が形成されている。この製品においては、TFT基板100側には有機膜が形成されていないので、光配向性ポリマーを混入する構成は存在しない。
一方、対向基板200側は、実施例1あるいは、上記で説明したIPS−PROの場合と同様な構成であり、ガラスで形成された対向基板200の上にカラーフィルタ201、あるいは、ブラックマトリクス202が形成され、その上にオーバーコート膜203が形成されている。オーバーコート膜203を覆ってラビング配向処理をされる配向膜105が形成されている。実施例1あるいは、IPS−PROの場合に説明したように、オーバーコート膜203に光配向性ポリマーを所定量混入させ、その部分に偏光UVを照射することにより、オーバーコート膜に配向能を与えることによって、配向膜欠け部1051における液晶分子1501の配向乱れを防止することができる。
図10は図8、図9で述べた構成における本実施例の効果を示す断面模式図である。図10には、対向基板200側に配向膜欠け部1051が存在した場合であっても、この配向膜欠け部1051に偏光紫外線30をスポット的に照射することによって下地のオーバーコート膜203に光配向能を生じさせ、配向膜欠け部1051においても、液晶分子1501を配向膜105が存在している部分と同様に配向させている状態を示している。図10のTFT基板100において、配向膜105と配線層101の間の層構造は省略されている。
本実施例においても、光配向可能な材料、オーバーコート膜203における光配向可能な材料の割合、光配向可能な材料を含むオーバーコート膜203の形成方法は、実施例1で説明したのと同様である。配向膜105のピンホール等による配向膜欠け部1051はTFT基板100側と対向基板200側の両方に発生するので、対向基板200側にのみ本発明を適用することによっても、配向乱れによる不良を半分にすることが出来る。
本実施例は、実施例2とは逆に、対向基板200側においては、配向膜105の直下にオーバーコート膜203は存在しない、あるいは、オーバーコート膜203に光配向性の材料を混入できないが、TFT基板100側において、配向膜の直下に有機パッシベーション膜102に光配向性材料を混入した例である。
図11は本実施例を示す断面図である。図11において、TFT基板100側に配向膜欠け部1051が存在していても、この部分の光配向可能な材料を含む有機パッシベーション膜102に対してスポット的に偏光紫外線30を照射することによって、液晶分子1501の初期配向を他の部分と同様に行うことが出来る。これによって、配向膜欠け部1051に起因する輝点を防止することが出来る。
有機パッシベーション膜102に混入する、光配向可能な材料の種類、有機パッシベーション膜102における光配向可能な材料の混入比率、光配向可能な材料を含む有機パッシベーション膜102の形成方法は実施例1と同様である。配向膜105のピンホール等による配向膜欠け部1051はTFT基板100側と対向基板200側の両方に発生するので、対向基板100側にのみ本発明を適用することによっても、配向乱れによる不良を半分にすることが出来る。
10…光源、 20…偏光子、 30…偏光UV、 40…スポットUV照射装置、 50…レンズ、 60…偏光生成装置、 70…液晶表示パネル、 71…ピンホール輝点部、 80…配向乱れ、 100…TFT基板、 101…配線層、 102…有機パッシベーション膜、 103…画素電極、 104…対向電極、 105…配向膜、 110…層間絶縁膜、 150…液晶層、 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、 300…光配向性ポリマー、 310…非光配向性ポリマー、 1000…UV偏光方向、 1051…配向膜欠け部、 1501…液晶分子、 2000…液晶分子の配向方向

Claims (10)

  1. 画素電極およびTFTがマトリクス状に形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、
    前記対向基板にはカラーフィルタが形成され、前記カラーフィルタを覆って第1の有機膜が形成され、前記第1の有機膜を覆って配向処理された配向膜が形成され、
    前記第1の有機膜には偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入していることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記TFT基板には第2の有機膜が形成され、その上に配向処理された配向膜が形成され、前記第2の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入していることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記第1の有機膜に混入されている光配向性ポリマーは、シンナメート基を含む材料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。
  4. 前記第2の有機膜に混入されている光配向性ポリマーは、シンナメート基を含む材料であることを特徴とする請求項2に記載の液晶表示装置。
  5. 前記第1の有機膜に混入されている光配向性ポリマーは、シクロブタンを含む材料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。
  6. 前記第2の有機膜に混入されている光配向性ポリマーは、シクロブタンを含む材料であることを特徴とする請求項2に記載の液晶表示装置。
  7. 画素電極およびTFTがマトリクス状に形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置の製造方法であって、
    前記対向基板の前記液晶と接する面には配向処理がなされた第1の配向膜が形成され、前記第1の配向膜の下地には第1の有機膜が形成され、前記第1の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入しており、
    前記液晶表示装置を点灯した後、輝点が発生している場合に、前記輝点の位置に対して、偏光UVを照射することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  8. 前記偏光UVは、300nm〜450nmの波長を含み、300nm〜365nmの積算照射量として1〜10J/cmの強度で前記TFT基板側から照射することを特徴とする請求項7に記載の液晶表示装置の製造方法。
  9. 画素電極およびTFTがマトリクス状に形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置の製造方法であって、
    前記対向基板の前記液晶と接する面には配向処理がなされた第1の配向膜が形成され、前記第1の配向膜の下地には第1の有機膜が形成され、前記第1の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入しており、
    前記TFT基板の前記液晶と接する面には配向処理がなされた第2の配向膜が形成され、前記第2の配向膜の下地には第2の有機膜が形成され、前記第2の有機膜には、偏光UVによって配向可能な光配向性ポリマーが50%以下で、5%以上混入しており、
    前記液晶表示装置を点灯した後、輝点が発生している場合に、前記輝点の位置に対して、偏光UVを照射することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  10. 前記偏光UVは、300nm〜450nmの波長を含み、300nm〜365nmの積算照射量として1〜10J/cmの強度で前記TFT基板側から照射することを特徴とする請求項9に記載の液晶表示装置の製造方法。
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