JPWO2012144464A1 - 液晶表示装置および液晶表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明による液晶表示装置（１００）は、液晶材料を含む液晶層（１）と、液晶層（１）を介して互いに対向するように配置された第１および第２基板（２、３）と、第１および第２基板（２、３）の少なくともいずれか一方に形成され、液晶分子を第１の方向に配向させるように処理された水平配向膜（５ａ、５ｂ）と、水平配向膜（５ａ、５ｂ）の液晶層（１）側の表面に形成された、重合体を含む配向維持層（７ａ、７ｂ）とを有し、液晶層（１）に電圧が印加されていないとき、配向維持層（７ａ、７ｂ）は、液晶層（１）に含まれ、かつ配向維持層（７ａ、７ｂ）に接する液晶分子の配向方向を、第１の方向に規定する。

Description

本発明は、水平配向層を備えた水平配向型の液晶表示装置およびその製造方法に関する。

近年、パーソナルコンピュータのディスプレイや携帯情報端末機器の表示部に用いられる表示装置として、薄型軽量の液晶表示装置が利用されている。しかしながら、従来のツイストネマチック型（ＴＮ型）やスーパーツイストネマチック型（ＳＴＮ型）の液晶表示装置は、視野角が狭いという欠点を有しており、それを解決するために様々な技術開発が行われている。

視野角特性が改善された液晶表示装置として、水平配向型の液晶層を備えたＩＰＳ（In-Plain Switching）型の液晶表示装置が知られている（例えば、特許文献１）。ＩＰＳ型の液晶表示装置では、液晶層を介して対向する一対の基板の一方に、櫛歯状の電極が設けられ、横電界により液晶分子の配向を規制している。また、特許文献１に開示のＩＰＳ型の液晶表示装置は、配向膜として熱分解の少ない光配向膜を有している。このような配向膜を用いることで、熱分解による分子量の低下を防ぎ、液晶分子の配向の安定性が低下することを防止できる。

一方、液晶分子の配向方向を規定するための配向維持層として、重合体を形成する方式が、特許文献２〜４に提案されている。この方式はＰＳＡ（Polymer-Sustained Alignment）方式と呼ばれる。重合体は、予め液晶層に混入しておいた重合性樹脂を光重合や熱重合することによって形成される。このような重合体を垂直配向型の液晶表示装置に設けることにより、配向の安定性や応答特性を向上させることができる。

特開２００９−０７５５６９号公報 特開２０１０−２８５４９９号公報 特開２００２−２３１９９号公報 特開２００３−１４９６４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているＩＰＳ型の液晶表示装置では、光を用いて配向処理を行っており、光による配向処理では強い配向規制力を付与することが難しく、むらの発生や焼き付きが発生しやすい。さらに、応答特性も悪くなりやすい傾向がある。また、光架橋性を有する配向膜を用いるので、配向膜材料そのものの信頼性の確保も難しい。特に、大型の基板に形成された光配向膜に光を照射して配向処理を行うとき、大型の露光装置を用いるので、装置の費用が増大し、さらに均一な配向処理を施すことが難しくなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な方法で、高品位の表示が得られる液晶表示装置を提供することにある。

本発明による実施形態における液晶表示装置は、液晶材料を含む液晶層と、前記液晶層を介して互いに対向するように配置された第１および第２基板と、前記第１および第２基板の少なくともいずれか一方に形成され、液晶分子を第１の方向に配向させるように配向処理された水平配向膜と、前記水平配向膜の前記液晶層側の表面に形成された、重合体を含む配向維持層とを有し、前記液晶層に電圧が印加されていないとき、前記配向維持層は、前記液晶層に含まれ、かつ前記配向維持層に接する液晶分子の配向方向を、前記第１の方向に規定する。

ある実施形態において、前記配向維持層は液晶分子をさらに含み、前記配向維持層に含まれ前記水平配向膜の近傍に位置する第１液晶分子および前記配向維持層に含まれ前記液晶層の近傍に位置する第２液晶分子は、前記液晶層に電圧が印加されていないとき、いずれも前記第１の方向に配向している。

ある実施形態において、上記液晶表示装置は、横電界モードで駆動されるように構成されている。

本発明による実施形態における液晶表示装置の製造方法は、第１基板および第２基板を用意する工程と、前記第１および第２基板の少なくともいずれか一方に水平配向膜を形成する工程と、前記水平配向膜に、液晶分子を第１の方向に配向させるように配向処理を施す工程と、前記第１基板と前記第２基板との間に、液晶材料と、硬化性樹脂とを含む液晶層を有する液晶セルを作製する工程と、前記液晶層に電圧を印加しない状態で、前記硬化性樹脂を硬化させることによって、前記水平配向膜の前記液晶層側の表面に重合体を含む配向維持層を形成する工程とを包含する。

ある実施形態において、前記配向処理はラビング処理である。

本発明によると、簡便な方法で、高品位の表示が得られる液晶表示装置が提供される。

（ａ）は、本発明による実施形態における液晶表示装置１００の模式的な図であり、（ｂ）は、ネマチック液晶分子１ａ〜１ｃの配向状態を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、配向処理と表示不良との関係を説明する図である。 評価サンプルにおける、ラビングロール回転数と焼き付き指数との関係を説明するグラフである。 評価サンプルにおける、ラビングロール回転数と不良発生率との関係を説明するグラフである。 評価サンプルにおける、トルクと焼き付き指数との関係を説明するグラフである。 評価サンプルにおける、トルクと不良発生率との関係を説明するグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、液晶表示装置１００の製造方法を説明する図である。 液晶表示装置１００における、ラビングロール回転数と焼き付き指数との関係を説明するグラフである。 液晶表示装置１００における、ラビングロール回転数と不良発生率の関係を説明するグラフである。 液晶表示装置１００における、トルクと焼き付き指数との関係を説明するグラフである。 液晶表示装置１００における、トルクと不良発生率との関係を説明するグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態におけるＩＰＳ型の液晶表示装置１００の構造を模式的に示す。図１（ａ）は、液晶表示装置１００の模式的な断面図であり、図１（ｂ）は、ネマチック液晶分子（単に、「液晶分子」という場合がある）１ａ〜１ｃの配向状態を模式的に示す図である。

図１（ａ）に示すように、液晶表示装置１００は、液晶材料（例えば、ネマチック液晶材料）を含む液晶層１と、液晶層１を介して互いに対向するように配置された第１および第２基板２および３と、第１および第２基板２および３の少なくともいずれか一方に形成され、液晶分子を第１の方向（例えば、配向処理方向）にプレチルトさせる（配向させる）ように配向処理された水平配向膜５ａまたは／および５ｂと、水平配向膜５ａまたは／および５ｂの液晶層１側の表面に形成された重合体を含む配向維持層７ａまたは／および７ｂとを有する。液晶層１に電圧が印加されていないとき（電圧無印加時）、配向維持層７ａまたは／および７ｂは、液晶層１に含まれ、かつ、配向維持層７ａまたは／および７ｂに接する液晶分子のチルト方向を、第１の方向（ここでは図中右向き）に規定している。なお、水平配向膜によるプレチルト角は、１度から１０度程度である。

図１（ｂ）に示すように、第１基板２上に形成された配向維持層７ａは、重合体１７と液晶分子１ａおよび１ｂとを含む。電圧無印加時において、水平配向膜５ａの近傍に位置する液晶分子１ａと、液晶層１の近傍に位置する液晶分子１ｂとは、水平配向膜５ａの配向処理方向に配向している（チルトしている）。さらに、電圧無印加時において、液晶層１の配向維持層７ａ近傍に位置する液晶分子１ｃも、水平配向膜５ａの配向処理方向に配向している。第２基板３上に形成された配向維持層７ｂの付近の液晶分子も同様である。

液晶表示装置１００は配向維持層７ａまたは／および７ｂを有し、液晶分子の配向を規制する力（配向規制力）が強いので、液晶分子の配向が安定し、焼き付き等の不良が発生しにくい。さらに、詳細は後述するが、水平配向膜５ａまたは／および５ｂの配向処理（例えば、ラビング処理）を強く行わなくてもよいので、配向処理に起因する不良が発生しにくい。また、液晶表示装置１００は、電圧を印加することなく配向維持層７ａ（または／および７ｂ）を形成できるので、液晶表示装置の製造が簡便になる。

液晶表示装置１００は、第１基板２に形成された一対の櫛歯電極８ａおよび８ｂ（８）を有し、電極８上には水平配向膜５ａが形成されている。さらに、第２基板３と水平配向膜５ｂとの間には、カラーフィルタ層９が形成されている。なお、本発明は、ＩＰＳ型の液晶表示装置の他、ＴＮ（Twisted Nematic）型、ＯＣＢ（Optically Compensated Bend）型、ＳＴＮ（Super-Twisted Nematic）型、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）型、またはＦＦＳ（Frings Field Switching）型の液晶表示装置などの配向膜に配向処理が必要とされる液晶表示装置に好適に適用され得る。ＩＰＳ型の液晶表示装置やＦＦＳ型の液晶表示装置は、横電界モードで駆動されるように構成されている。

次に、図２を参照しながら、配向処理と表示不良（例えば、焼き付き）との関係を説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、配向処理方向（例えば、ラビング方向）Ｌと液晶分子７１の配向方向との関係を説明する図である。図２（ｃ）は、焼き付きの不良表示を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、水平配向膜にラビング処理を施すと、ラビング方向Ｌに沿って液晶分子７１が配向する。強いラビング処理を施すほど、液晶分子７１はラビング方向Ｌに沿って配向している状態を維持しやすい。しかしながら、強いラビング処理を施すと、水平配向膜にラビングすじなどの不良が発生しやすくなり、表示不良の原因となり得る。

一方、図２（ｂ）に示すように、ラビング処理が弱いと、液晶分子７１がラビング方向Ｌに沿って配向している状態を維持しにくくなる。これは、ラビング処理が弱いので水平配向膜の配向規制力が時間とともに弱まるからである。液晶分子７１がラビング方向Ｌに沿って配向しないと、静止画表示状態において焼き付きの表示不良が生じる。具体的には、図２（ｃ）に示すように、黒表示を行いたい場合において、液晶分子７１がラビング方向Ｌに沿って配向している領域５１では、黒表示となるが、液晶分子７１がラビング方向Ｌに沿って配向していない領域５２は、白っぽい表示となり、所望の黒表示が得られない。

しかしながら、液晶表示装置１００では、配向維持層７ａまたは／および７ｂを形成しているので、水平配向膜５ａまたは／および５ｂに弱いラビング処理を施しても、液晶分子の配向不良は生じにくくなる。これは、配向維持層７ａまたは／および７ｂが、液晶分子の配向を規制し続けるからである。さらに、配向維持層７ａまたは／および７ｂの配向規制力が強いので、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への応答速度も早くなる。また、水平配向膜に強いラビング処理を施さなくてもよいので、ラビングすじなどの不良も発生しにくい。

第１基板２は、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が形成されているＴＦＴ基板である。第２基板３は、例えばカラーフィルタ層９が形成されているカラーフィルタ基板である。

配向維持層７ａまたは／および７ｂは、重合体１７から形成されている。重合体１７は、液晶層１を構成する液晶材料に重合性組成物（重合性を有するモノマーやオリゴマー）を予め混入しておき、この重合性組成物を光重合することによって水平配向膜５ａまたは／および５ｂ上に形成される。重合体１７は、液晶分子を配向処理方向（例えば、ラビング方向）に配向させる配向規制力を有しており、それによって配向維持層７ａまたは／および７ｂ周辺の液晶分子は、電圧無印加状態において、配向処理方向と同じ方向に配向している。また、配向維持層７ａまたは／および７ｂは、液晶分子を配向させる配向規制力が強いので、液晶分子の配向の安定性や応答特性が向上する。

次に、図３〜図６を参照しながら、水平配向膜への配向処理の条件と不良との関係を説明する。

水平配向膜への配向処理の条件と不良との関係の評価に用いたサンプルは以下のように作製した。なお、以下に説明するサンプルには上述の配向維持層は形成されていない。

第１および第２基板２および３上にポリイミド系の水平配向膜５ａおよび５ｂを、厚さが７０ｎｍとなるように形成した。その後、コットン（綿）製の布を用い、ラビング処理を行った。簡単のため、第２基板３上に形成した水平配向膜５ｂに施されるラビング条件は一定に保ち、第１基板２上に形成した水平配向膜５ａに施されるラビング条件を変更して評価した。これは、発明者の知見により、第２基板（カラーフィルタ基板）３に施されるラビングの条件は比較的プロセスウィンドウが広く、第１基板（ＴＦＴ基板）２に施されるラビングの方が、ラビング条件に対して、焼き付きやラビングに起因する不良の発生と強い相関があることが予めわかっていたからである。

第２基板３に対しては、基板搬送速度が２０ｍｍ／ｓ、ラビングロール回転数が１０００ｒｐｍ、およびトルクが０．０２０ｋｇｆｍの条件でラビング処理を行った。一方、第１基板２に対しては、基板搬送速度を２０ｍｍ／ｓにし、ラビングロール回転数とトルクを変化させて、検討を行った。

まず、トルクを０．０２０ｋｇｆｍに固定して、ラビングロール回転数を、６００ｒｐｍから１４００ｒｐｍまで変化させたときの評価サンプルの評価結果を、図３および図４に示す。図３は、ラビングロール回転数と焼き付きとの関係を示すグラフである。

それぞれの条件で製造された評価サンプルを画面の大きさの縦１／３、横１／３に相当する部分は黒表示させ、残りの部分は白表示させた状態で、常温において６時間保持した。この後、画面の全体に焼き付きが比較的視認されやすい暗めの中間調である３１／２５５階調（０〜２５５階調の内の３１階調）を表示させた状態で３０分放置した後、目視観察を行った。焼き付きが発生している場合には、画面全体に中間調を表示させているとき、白表示させていた部分と黒表示させていた部分との境界で、液晶分子の配向不良または残留ＤＣ（Direct Current）成分による輝度差が生じて残像として見えることになる。これらを、見え方のレベルに応じて、次のように分類した（以下、「焼き付き指数」という）。

レベル１：裸眼（ＮＤ（Neutral Density）フィルタなし）で視認されない。
レベル２：目とパネルの間にＮＤフィルタ１０％を挿入すると見えなくなる。
レベル３：目とパネルの間にＮＤフィルタ５％を挿入すると見えなくなる。
レベル４：目とパネルの間にＮＤフィルタ２％を挿入すると見えなくなる。
レベル５：目とパネルの間にＮＤフィルタ２％を挿入しても見える。

焼き付き指数は、レベルが大きいほど焼き付きの度合いが著しい。

なお、評価する際、評価サンプルの表示領域の輝度は、白表示時に５００ｃｄ／ｍｍ²となるようにバックライト輝度を調整し、評価する環境の照度は１５０ｌｘ（ルクス）とした。また、評価サンプル数は各条件ともに８とした。

図３からわかるように、ラビングロール回転数を上げれば上げるほど焼き付きのレベルは小さくなる。逆に、１０００ｒｐｍより低い回転数で処理した場合には、極端に焼き付きレベルが大きくなる。

次に、ラビングロール回転数と、ラビングに起因する不良発生率との関係を図４に示す。図４に示す曲線Ｃ１は、異物欠陥の不良発生率とラビングロール回転数との関係を示すグラフであり、曲線Ｃ２は、ラビングむらの不良発生率とラビングロール回転数との関係を示すグラフである。評価する条件は、上述の焼き付き評価と同じバックライト輝度および照度とし、むらの評価を行うのに際し、表示階調は３１／２５５階調にした。むら評価基準を一定に保つため、予め、ＮＤフィルタ１０％でむらが視認されるぎりぎりの液晶表示パネルを限度サンプルとして設定し、そのサンプルと比較して濃いむらが見えるものをＮＧとした。また、異物欠陥は、１画素より小さく光る点を対象とし、黒表示で見えるもののうち、ＮＤフィルタ１０％を介しても視認されるものがあった場合にＮＧとした。

図４に示すとおり、ラビングロール回転数を上げるに従い不良発生率が上昇し、特に、異物欠陥の不良発生率は、ラビング回転数が１０００ｒｐｍを超えたあたりから極端に増大することがわかった。解析の結果、ラビング処理の激しい摩擦により、配向膜が傷つき微小な剥がれが生じて、異物として液晶層１内に浮遊したり、配向膜に固着したりしていることがわかった。

なお、基板を設置せずにラビングロールを空転させた状態で、ラビングロールが安定的に回転しているかどうかを固定点からロール表面までの位置測定によって観察した結果、１３００ｒｐｍを超えたあたりからロールの揺らぎが確認され、装置管理上も、ロールを高速回転させることはリスクが高いことが確認された。

次に、ラビングロール回転数を１０００ｒｐｍに固定して、ラビングのトルクと焼き付きおよび不良発生率との関係を調べた。図５は、トルクと焼き付き指数との関係を示すグラフである。図６は、トルクと不良発生率との関係を示すグラフである。図６に示す曲線Ｃ１は、異物欠陥の不良発生率とトルクとの関係を示すグラフであり、曲線Ｃ２は、ラビングむらの不良発生率とトルクとの関係を示すグラフである。それぞれの評価条件は、上述したとおりである。

図５および図６からわかるように、トルクを大きくすればするほど焼き付きのレベルは低下するが、不良発生率は上昇し、特に、トルクを０．０２ｋｇｆｍよりも強くするとラビングむらの不良が、顕著になることがわかった。

以上より、ラビングロール回転数を上げたり、トルクを大きくしたりすれば、焼き付きは低減するが、ラビングむらや異物欠陥といった不良発生率が高くなる。一方、ラビングロール回転数を下げたりトルクを小さくしたりすると、ラビングむらや異物欠陥といった不良発生率は低下するが、焼き付きが顕著になる。

次に、図７を参照しながら、本実施形態の液晶表示装置１００の製造方法を説明する。図７（ａ）および図７（ｂ）は、液晶表示装置１００の製造方法を説明する図である。

まず、第１基板２および第２基板３を用意する。

次に、第１基板２上および第２基板３上の少なくともいずれか一方に、水平配向膜５ａまたは／および５ｂを公知の方法で形成する。本実施形態において、第１基板２上に水平配向膜５ａを形成し、第２基板３上に水平配向膜５ｂを形成する。

次に、水平配向膜５ａまたは／および５ｂに、液晶分子を第１の方向（例えば、配向処理方向）にプレチルトさせる（配向させる）ように配向処理（例えば、ラビング処理）を施す。ラビング処理の条件については、詳細は後述するが、ラビングロール回転数は１０００ｒｐｍ以下が好ましく、トルクは０．０２ｋｇｆｍ以下が好ましい。なお、本実施形態の液晶表示装置１００の製造方法では、配向処理として、ラビング処理を行っているが、ラビング処理の代わりに光配向処理を行ってもよい。

次に、図７（ａ）に示すように、第１基板２と第２基板３との間にネマチック液晶材料と硬化性樹脂（重合性組成物）とを含む液晶層１を有する液晶セル１００ａを作製する。硬化性樹脂としては、ＰＳＡ方式の重合体の形成に用いられる種々の材料（例えば特許文献２から４に開示されている材料）を用いることができる。

次に、図７（ｂ）に示すように、液晶セル１００ａの液晶層１に電圧を印加することなく、液晶層１中の硬化性樹脂を硬化させる。その結果、図１に示したような重合体を含む配向維持層７ａおよび７ｂが形成される。典型的には、硬化性樹脂は、光重合性を有しており、重合は、液晶層１に光（具体的には、紫外光ＵＶ）を照射することによって行われる。光の照射強度および照射時間は、用いる重合性組成物に応じて適宜設定される。なお、重合性組成物が熱重合性を有している場合には、加熱によって重合を行ってもよい。

本実施形態の液晶表示装置１００の製造方法では、ＰＳＡ化工程において液晶層１に電圧を印加することなくＰＳＡ化を行うことができるので、液晶表示装置１００の製造が簡便になる。さらに、歩留まりも向上する。

次に、図８〜図１１を参照しながら、本実施形態における液晶表示装置１００の評価結果を説明する。図８は、液晶表示装置１００における、ラビングロール回転数と焼き付き指数との関係を説明するグラフである。図９は、液晶表示装置１００における、ラビングロール回転数と、ラビングに起因する不良の発生率との関係を示すグラフである。図９に示す曲線Ｃ１は、異物欠陥の不良発生率とラビングロール回転数との関係を示すグラフであり、曲線Ｃ２は、ラビングむらの不良発生率とラビングロール回転数との関係を示すグラフである。図１０は、トルクと焼き付き指数との関係を示すグラフである。図１１は、トルクと不良発生率との関係を示すグラフである。図１１に示す曲線Ｃ１は、異物欠陥の不良発生率とトルクとの関係を示すグラフであり、曲線Ｃ２は、ラビングむらの不良発生率とトルクとの関係を示すグラフである。

図８〜図１１に示すように、上述した評価サンプルの評価結果と比べて、特に、ラビングロール回転数が１０００ｒｐｍ以下、およびトルクが０．０２ｋｇｆｍ以下の場合において、焼き付き指数のレベルが小さくなっている。これにより、液晶表示装置１００の製造マージンが広がり、液晶表示装置１００の製造が簡便になる。さらに、歩留まりも向上する。

以上、本発明により、簡便な方法で、高品位の表示が得られる液晶表示装置が提供される。

本発明による液晶表示装置は、携帯電話、ＰＤＡ、ノートＰＣ、モニタおよびテレビジョン受像機などの小型から大型までの液晶表示装置として好適に用いられる。

１ 液晶層
１ａ、１ｂ、１ｃ 液晶分子
２、３ 基板
５ａ、５ｂ 水平配向膜
７ａ、７ｂ 配向維持層
８、８ａ、８ｂ 櫛歯電極
９ カラーフィルタ層
１７ 重合体
１００ 液晶表示装置

Claims (5)

1. 液晶材料を含む液晶層と、
   前記液晶層を介して互いに対向するように配置された第１および第２基板と、
   前記第１および第２基板の少なくともいずれか一方に形成され、液晶分子を第１の方向に配向させるように配向処理された水平配向膜と、
   前記水平配向膜の前記液晶層側の表面に形成された、重合体を含む配向維持層と
   を有し、
   前記液晶層に電圧が印加されていないとき、前記配向維持層は、前記液晶層に含まれ、かつ前記配向維持層に接する液晶分子の配向方向を、前記第１の方向に規定する、液晶表示装置。
2. 前記配向維持層は液晶分子をさらに含み、
   前記配向維持層に含まれ前記水平配向膜の近傍に位置する第１液晶分子および前記配向維持層に含まれ前記液晶層の近傍に位置する第２液晶分子は、前記液晶層に電圧が印加されていないとき、いずれも前記第１の方向に配向している、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 横電界モードで駆動されるように構成されている、請求項１または２に記載の液晶表示装置。
4. 第１基板および第２基板を用意する工程と、
   前記第１および第２基板の少なくともいずれか一方に水平配向膜を形成する工程と、
   前記水平配向膜に、液晶分子を第１の方向に配向させるように配向処理を施す工程と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に、液晶材料と、硬化性樹脂とを含む液晶層を有する液晶セルを作製する工程と、
   前記液晶層に電圧を印加しない状態で、前記硬化性樹脂を硬化させることによって、前記水平配向膜の前記液晶層側の表面に重合体を含む配向維持層を形成する工程と
   を包含する、液晶表示装置の製造方法。
5. 前記配向処理はラビング処理である、請求項４に記載の液晶表示装置の製造方法。

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