JP6147148B2 - 配向膜材料およびそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

配向膜材料およびそれを用いた液晶表示装置 Download PDF

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Description

本開示は、配向膜材料に関し、例えば光配向膜を備えた液晶表示装置に適用可能である。
液晶表示装置の表示は、一対の基板間に挟まれた液晶層の液晶分子に電界を印加することにより液晶分子の配向方向を変化させ、それにより生じた液晶層の光学特性の変化により行われる。液晶表示装置では、液晶層を挟持する一対の基板の当該液晶層との界面には液晶配向制御能を付与した配向制御膜が形成される。配向制御膜はポリイミド等の有機膜からなり、配向膜ともいう。
特許文献１には、配向膜を光配向膜と高膜強度配向膜の２層構造とする。光配向膜はシクロブタンを有するポリアミド酸エステルを８０％以上含むポリアミド酸エステルを前駆体として形成し、高膜強度配向膜はポリアミド酸を前駆体として形成する、ことが開示されている。
特開２０１１−１７００３１号公報
ポリアミド酸エステルは、光配向性を有し、液晶トルク負荷による残像を対策している。一方、ポリアミド酸は、低抵抗性を有し、配向膜への電化蓄積による残像を対策している。ポリアミド酸エステルとポリアミド酸の組み合わせにより様々な層分離状態が発生し、単純に組み合わせただけでは長残像特性の更なる向上ができないことを、本願発明者らは見出した。
その他の課題と新規な特徴は、本開示の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
液晶表示装置は、２成分以上のポリイミド前駆体を含む配向膜を具備する。ポリイミド前駆体において、オクタノール／水分配係数をｌｏｇＰとし、ｌｏｇＰが最も離れた２成分のｌｏｇＰの差（ΔｌｏｇＰ）を所定の範囲内にするようにされる。
上記液晶表示装置によれば、長残像特性を改善することができる。
実施例に係る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。 画素電極示す平面図である。 配向膜の断面模式図である。
図３は配向膜の断面模式図である。ポリアミド酸エステルとポリアミド酸をブレンドワニスした光配向膜材料を基板１０上（実際は配線や電極、絶縁膜等が形成されているがここでは省略）に印刷し、上下に２層分離、光照射、加熱イミド化等の処理を施して光配向膜２０が成膜される。なお、ポリアミド酸はポリアミド酸エステルに比較して極性が高くＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）や有機パッシベーション膜と馴染みやすいので、常にポリアミド酸２２が下層、ポリアミド酸エステル２１が上層となる。なお、配向膜の上には液晶層３０が形成されている。
ポリアミド酸エステルとポリアミド酸の組み合わせにより様々な層分離状態が発生し、単純に組み合わせただけでは長残像特性を向上させることができない。そこで、ポリアミド酸エステルの表層移行割合を向上することにより、長残像特性を改善することを検討した。その結果、ポリアミド酸エステルのｌｏｇＰ（Ｅ）とポリアミド酸のｌｏｇＰ（Ａ）の差、ΔｌｏｇＰ＝ｌｏｇＰ（Ｅ）−ｌｏｇＰ（Ａ）を所定の範囲内にすることにより、長残像特性を改善することができることを見出した。ここで、ｌｏｇＰ値（オクタノール／水分配係数）は化学物質の疎水性や移行性を表す指標となる無次元数である。ｌｏｇＰが小さいときは親水性であり、基板の表面にＩＴＯやＳｉＮ（窒化シリコン）が形成されている場合、ＩＴＯやＳｉＮは親水性であるため、下層（基板）側にポリアミド酸がくる。ｌｏｇＰが大きいものは疎水性であり、上層（基板と反対）側にポリアミド酸エステルがくる。
ポリアミド酸エステルとポリアミド酸の２成分の材料のｌｏｇＰの差（ΔｌｏｇＰ）が所定の範囲内にあるとき、良好な層分離状態となる。ΔｌｏｇＰが所定の範囲よりも小さいときは、ポリアミド酸エステルとポリアミド酸の２成分が完全に混ざってしまう。ΔｌｏｇＰが所定の範囲よりも大きいときは表面凹凸が発生してしまい、上下層ではなく、別の相分離状態になる。
＜オクタノール／水分配係数＞
オクタノール/水分配係数（ｌｏｇＰ値）の測定は、ＪＩＳ日本工業規格Ｚ７２６０−１０７（２０００）に記載のフラスコ浸とう法により実施することができる。また、オクタノール／水分配係数（ｌｏｇＰ値）は、ＪＩＳ日本工業規格Ｚ７２６０−１１７（２００６）に記載のように、計算化学的手法により見積もることも可能である。
本開示では、技術文献１に記載の有機性（ｉ）と無機性（ｏ）を基に、技術文献２に記載の次式で計算されるｌｏｇＰの値を用いた。
ｌｏｇＰ＝０．０１１Σｏ−０．０００６７Σｉ
−０．９０５（Σｉ／Σｏ）＋０．９９５
技術文献１：佐藤四郎、静岡県衛生環境センター技術情報、５（３）、１（１９８７）
技術文献２：「新版 有機概念図 基礎と応用」三共出版（２００８）
下記化学式（１）のＡ部の分配係数をＰＡ、Ｂ部の分配係数をＰＢとすると、ポリマーの分配係数はＰＡ＋ＰＢとなる。
Figure 0006147148
ただし、Ｘは水素原子またはアルキル基、Ｙは２価の有機基、Ｚは４価の有機基である。
Ｙの構造がＹ１（ｍ１モル％）とＹ２(ｍ２モル％)の２成分からなり、Ｚの構造がＺ１（ｎ１モル％）とＺ２(ｎ２モル％)の２成分からなる共重合ポリマーにおいて、そのポリマーのｌｏｇＰ値は次式で表される。
ｌｏｇＰ＝（ｍ１／１００）＊ＰＡ１＋（ｍ２／１００）＊ＰＡ２
＋（ｎ１／１００）＊ＰＢ１＋（ｎ２／１００）＊ＰＢ２
ただし、
ｍ１＋ｍ２＝１００
ｎ１＋ｎ２＝１００
ＰＡ１：Ｙの構造がＹ１のときのｌｏｇＰ
ＰＡ２：Ｙの構造がＹ２のときのｌｏｇＰ
ＰＢ１：Ｙの構造がＺ１のときのｌｏｇＰ
ＰＢ２：Ｙの構造がＺ２のときのｌｏｇＰ
Ｙの構造がＹｉ（ｍｉモル％）・・・のｕ成分からなり、Ｚの構造がＺｉ（ｎｉモル％）・・・のｖ成分からなる共重合ポリマーにおいて、そのポリマーのｌｏｇＰ値は次式で表される。
Figure 0006147148
ただし、
Figure 0006147148
ＰＡｉ：Ｙの構造がＹｉのときのｌｏｇＰ
ＰＢｉ：Ｙの構造がＺｉのときのｌｏｇＰ
＜ポリアミド酸＞
ポリアミド酸の分子式は下記の化学式（２）によって表される。
Figure 0006147148
ただし、Ｘは水素原子（−Ｈ）である。また、例えば、Ｙは下記の化学式（Ｙ１）（Ｙ２）にて示されるものであり、Ｚは下記の化学式（Ｚ１）（Ｚ２）にて示されるものである。
Figure 0006147148
上記の化学式（２）と上記の化学式（Ｙ１）（Ｙ２）と上記の化学式（Ｚ１）（Ｚ２）とを組み合わせたポリアミド酸のΔｌｏｇＰを算出した結果を表１に示す。
Figure 0006147148
＜ポリアミド酸エステル＞
ポリアミド酸エステルの分子式は上記の化学式（２）によって表される。ただし、Ｘはアルキル基（−ＣＨ３）である。また、例えば、Ｙは下記の化学式（Ｙ３）（Ｙ４）にて示されるものであり、Ｚは下記の化学式（Ｚ３）（Ｚ４）にて示されるものである。
Figure 0006147148
上記の化学式（２）と上記の化学式（Ｙ３）（Ｙ４）と上記の化学式（Ｚ３）（Ｚ４）とを組み合わせたポリアミド酸エステルのΔｌｏｇＰを算出した結果を表２に示す。
Figure 0006147148
実施の形態に係る液晶表示装置は、基板と、液晶層と、基板と液晶層の間に配置された配向膜と、を具備する。配向膜は２成分以上のポリイミド前駆体からなり、前駆体においてｌｏｇＰ値が最も離れた２成分のｌｏｇＰの差をΔｌｏｇＰとすると、１．２０＜ΔｌｏｇＰ＜２．５０の関係式を満たすようにされる。
１．３０＜ΔｌｏｇＰ＜２．００の関係式を満たすようにされるのが好ましい。１．４０＜ΔｌｏｇＰ＜１．８０の関係式を満たすようにされるのがより好ましい。
ポリイミド前駆体はポリアミド酸エステルとポリアミド酸を含むのが好ましい。配向膜は、偏光紫外線を照射することにより液晶配向能を付与されるのが好ましい。ポリアミド酸エステルは、シクロブタン環を含むのが好ましい。
実施の形態に係る配向膜材料、つまり配向膜組成物は、ポリアミド酸およびポリアミド酸エステルを含む２成分以上のポリイミド前駆体からなり、前駆体においてｌｏｇＰ値が最も離れた２成分のｌｏｇＰの差ΔｌｏｇＰとすると、１．２０＜ΔｌｏｇＰ＜２．５０の関係式を満たすようにされる。
１．３０＜ΔｌｏｇＰ＜２．００の関係式を満たすようにされるのが好ましい。１．４０＜ΔｌｏｇＰ＜１．８０の関係式を満たすようにされるのがより好ましい。
実施の形態に係る液晶表示装置および配向膜組成物では、ポリアミド酸エステルとポリアミド酸が良好な層分離状態となるため、長残像特性を向上することができる。
以下、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。なお、実施例ではＩＰＳ方式の液晶表示装置を例にとって説明するが、それに限定されるものではなく、配向膜を有する液晶表示装置であればよい。
図１は実施例に係る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。液晶表示装置１はＩＰＳ方式の液晶表示装置であり、その構造は、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、本実施例では、図１の構成を例にとって説明するが、図１以外の液晶表示装置にも適用することができる。
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は走査線と同層の金属層で形成されている。ゲート電極１０１はＳｉＮで形成される絶縁膜１０２に覆われている。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が形成されている。半導体層１０３はＴＦＴのチャネル部を形成するが、チャネル部を挟んで半導体層１０３上にソース電極１０４とドレイン電極１０５が形成される。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も同層の金属層で同時に形成される。
ＴＦＴはＳＩＮで形成される無機パッシベーション膜１０６に覆われている。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から保護する。無機パッシベーション膜１０６の上にはポリイミド樹脂等の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。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ＳｉＮで形成される絶縁膜１０９に覆われている。絶縁膜１０９およびスルーホール１１１を覆うように画素電極１１０が形成される。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。対向電極１０８および画素電極１１０は透明導電膜であるＩＴＯで形成される。
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との間に生ずる電界によって液晶分子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、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、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。本実施例においては、配向膜１１３は、液晶層３００と接する光配向膜１１３１と、光配向膜１１３１の下層（各基板側）に形成される高膜強度配向膜１１３２の２層構造となっている。光配向膜１１３１がポリアミド酸エステルで、高膜強度配向膜１１３２がポリアミド酸で構成される。尚、１１３２で示す低抵抗配向膜は、液晶に直接は接しない有機膜であり、液晶の初期配向に直接的に関係するものではないが、本明細書では便宜上配向膜と称する。
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。対向基板側の配向膜１１３もＴＦＴ基板側の配向膜１１３と同様に、液晶層３００と接する光配向膜１１３１と、光配向膜１１３１の下層に形成される低抵抗配向膜１１３２の２層構造となっている。なお、液晶表示装置１はＩＰＳ方式であるから、対向電極１０８はＴＦＴ基板１００側に形成されており、対向基板２００側には形成されていない。
図１に示すように、ＩＰＳでは、対向基板２００の内側には導電膜が形成されていない。そうすると、対向基板２００の電位が不安定になる。また、外部からの電磁ノイズが液晶層３００に侵入し、画像に対して影響を与える。このような問題を除去するために、対向基板２００の外側に表面導電膜２１０が形成される。
表１に示したポリアミド酸と表２に示したポリアミド酸エステルを５０／５０の割合でブレンドする。ポリアミド酸とポリアミド酸エステルを有機溶媒でブレンドワニスした配向膜材料を印刷し、乾燥して上下に２層分離、光照射、加熱イミド化を施して配向膜を成膜する。この配向膜を用いて液晶表示装置を作成し、長残像特性を評価した。
本実施例による液晶表示装置の画像の焼き付け、残像を定量的に測定するため、ホトダイオードを組合せたオシロスコープを用いて評価した。まず、画面上に最大輝度でウインドウパターンを２００時間表示し、その後、残像が最も目立つ中間調表示、ここでは、輝度が最大輝度の１０％となるように全面を切り換え、ウインドウパターンのエッジ部のパターンが消えるまでの時間を残像消失時間として評価した。ただし、ここで許容される残像消失時間は５分以下である。その結果を表３に示す。
Figure 0006147148
配向膜３、４、８、９、１３、１４、１８、１９、２３、２４において、良好な長残像特性が得られた。残像消失時間が５分以下の長残像特性が得られた配向膜のΔｌｏｇＰは、１．２２〜２．４８（尚、１．２〜２．５の範囲であってもほぼ同様な結果は得られる）である。また、残像消失時間が３分以下の長残像特性が得られた配向膜のΔｌｏｇＰは、１．３５〜１．９７（尚、１．３〜２．０の範囲であってもほぼ同様な結果は得られる）である。残像消失時間が１分以下の長残像特性が得られた配向膜のΔｌｏｇＰは、１．４７〜１．７３（尚、１．４〜１．８の範囲であってもほぼ同様な結果は得られる）である。良好な長残像特性が得られた配向膜は、ポリアミド酸エステルとポリアミド酸の層分離状態が良好で、ポリアミド酸エステルが光配向膜１１３１を、ポリアミド酸が低抵抗配向膜１１３２を構成している。
なお、１種類のポリアミド酸と１種類のポリアミド酸エステルからなる配向膜組成に対し他の配向膜成分をブレンドした場合の長残像特性は、混合された３種類におけるｌｏｇＰ（Ａ）とｌｏｇＰ（Ｅ）の中で最も離れた２成分のΔｌｏｇＰに依存することも見出された。
例えば、配向膜３の配向膜組成（Ａ−３、Ｅ−１）に第３の配向膜成分であるＥ−３をブレンドすると、残像消失時間は１分となった。
本実施例ではポリアミド酸とポリアミド酸エステルのブレンド比が５０／５０について例示したが、その他ブレンド比（１０／９０〜９０／１０）においても同様の効果が確認された。また、本実施例では、配向処理方法を光配向処理としたが、本願発明の配向膜材料で形成した配向膜をラビング配向処理した場合であっても同様の効果が確認された。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
１０・・・基板
２０・・・配向膜
２１・・・ポリアミド酸エステル
２２・・・ポリアミド酸
１００・・・ＴＦＴ基板
１０１・・・ゲート電極
１０２・・・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・・・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
１１３１・・・光配向膜
１１３２・・・高膜強度配向膜

Claims (13)

  1. 液晶表示装置は、
    基板と、
    液晶層と、
    前記基板と前記液晶層の間に配置された配向膜と、
    を具備し、
    前記配向膜は２成分以上のポリイミド前駆体から形成されたポリイミドであり、
    前記ポリイミド前駆体はポリアミド酸エステルとポリアミド酸を含み、
    前記ポリイミド前駆体において、オクタノール／水分配係数をｌｏｇＰとし、前記ｌｏｇＰが最も離れた２成分のｌｏｇＰの差をΔｌｏｇＰとすると、１．２０＜ΔｌｏｇＰ＜２．５０の関係式を満たすようにされる。
  2. 請求項１の液晶表示装置において、
    １．３０＜ΔｌｏｇＰ＜２．００の関係式を満たすようにされる。
  3. 請求項２の液晶表示装置において、
    １．４０＜ΔｌｏｇＰ＜１．８０の関係式を満たすようにされる。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶表示装置において、
    前記配向膜は、偏光紫外線を照射することにより液晶配向能を付与されている。
  5. 請求項４の液晶表示装置において、
    前記ポリアミド酸エステルは、シクロブタン環を含む。
  6. 請求項５の液晶表示装置において、
    前記シクロブタン環は以下の式（Ｚ４）で表わされる。
    Figure 0006147148
  7. 請求項１の液晶表示装置において、
    前記液晶層に電界を印加するための電極群と、
    前記電極群に接続された複数のアクティブ素子と、
    を備える。
  8. ポリアミド酸およびポリアミド酸エステルを含む２成分以上のポリイミド前駆体からなり、偏光紫外線が照射されることにより液晶配向能が付与される配向膜材料であって、
    前記ポリイミド前駆体において、オクタノール／水分配係数をｌｏｇＰとし、ポリアミド酸のｌｏｇＰをｌｏｇＰ（Ａ）とし、ポリアミド酸エステルのｌｏｇＰをｌｏｇＰ（Ｅ）とした場合、ｌｏｇＰ（Ａ）とｌｏｇＰ（Ｅ）との差をΔｌｏｇＰとすると、１．２０＜ΔｌｏｇＰ＜２．５０の関係式が満たされていることを特徴とする配向膜材料。
  9. 請求項８の配向膜材料において、
    １．３０＜ΔｌｏｇＰ＜２．００の関係式を満たすようにされる。
  10. 請求項９の配向膜材料において、
    １．４０＜ΔｌｏｇＰ＜１．８０の関係式を満たすようにされる。
  11. 請求項８乃至１０のいずれか１項の配向膜材料において、
    前記ポリアミド酸エステルは、シクロブタン環を含む。
  12. 請求項１１の配向膜材料において、
    前記シクロブタン環は以下の式（Ｚ４）で表わされる。
    Figure 0006147148
  13. 請求項８乃至１２のいずれか１項の配向膜材料において、
    前記ポリアミド酸と前記ポリアミド酸エステルのブレンド比が１０／９０〜９０／１０である。
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