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JP2006139047A - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

液晶表示装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性が高く、白線によるコントラストの低下がなくまたは少ない優れた品質の液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶分子1と重合性官能基38とダイレクタ方向を規制することが可能な分子構造部分35とからなる重合性化合物31を含む液晶組成物32を基板で挟持した状態の後、たとえば紫外線照射により重合性化合物を重合させ、液晶層と樹脂膜とを形成して液晶表示装置を製造するに当たり、重合性化合物が、単官能重合性化合物を含み、単官能重合性化合物の双極子モーメントが4debye以下であるようにする。
【選択図】図3−A

Description

本発明は液晶表示装置および液晶表示装置の製造方法に関する。特に電圧無印加時に液晶分子が垂直配向している状態を利用する液晶表示装置とその製造方法に関する。
従来、アクティブマトリクスを用いた液晶ディスプレイ(LCD)としては、正の誘電率異方性を持つ液晶材料を基板面に水平に、かつ対向する基板間で90度ツイストするように配向させたTNモードの液晶表示装置が広く用いられている。しかし、このTNモードは視野角特性が悪いという問題を有しており、視野角特性を改善すべく種々の検討が行われている。
これに代わる方式としては、負の誘電率異方性を持つ液晶材料を垂直配向させ、かつ基板表面に設けた突起や電極の抜き(スリット)により電圧印加時の液晶分子の傾斜方向を規制するMVA(Multi−domain Vertical Alignment)方式が開発され、視野角特性を大幅に改善することに成功している(たとえば特許文献1参照。)。
MVA方式の液晶パネルを図1−A,Bおよび図2を例にして説明する。図1−A,1−BはMVA方式の液晶表示装置の液晶パネルにおける液晶分子の配向を示す模式的斜視図であり、図2はMVA方式の液晶表示装置の液晶パネルにおける液晶分子の配向方向を示す模式的平面図である。
このMVA方式の液晶表示装置の液晶パネルでは、2枚のガラス基板の間にある誘電率異方性が負の液晶分子1が、電圧無印加時には、図1−Aに示すように垂直配向されている。一方のガラス基板2には、TFT(thin film transistor、図示されていない)に接続された画素電極が形成されており、他方のガラス基板3には対向電極が形成されている。そして、画素電極上および対向電極上に、それぞれ凹凸部(突起)4が交互に形成されている。
TFTがオフ状態の場合、すなわち電圧無印加時には、図1−Aに示すように、液晶分子は基板界面と垂直な方向に配向されている。そして、TFTをオン状態にした場合、すなわち電圧印加時には、電界の影響により液晶分子が水平方向に傾斜するとともに、凹凸部の構造によって液晶分子1の傾斜方向が規制される。これにより液晶分子は図1−Bに示すように、一画素内において複数の方向に配向する。たとえば、図2のように凹凸部4が形成されている場合には、液晶分子1はA、B、CやDの方向にそれぞれ配向する。このようにMVA方式の液晶表示装置では、TFTをON状態にした際に液晶分子が複数の方向に配向されるので、良好な視野角特性を得ることができる。
上記MVA方式は、配向制御膜が液晶分子の傾斜方向を規制する訳ではない。従って、TNを代表とする水平配向方式では必ずといっていいほど必要である、ラビングに代表される配向処理工程を必要としない。これは、プロセス的にはラビングによる静電気やゴミの問題を無くし、配向処理後の洗浄工程も不要である。また、配向的にもプレティルトのバラツキによるムラの問題等も無く、プロセスの簡便化、歩留まりの向上により、低コスト化が可能という利点もある。
特許第2947350号公報(特許請求の範囲) 特開平11−95221号公報(特許請求の範囲)
本発明は、上記技術を一層発展させ、液晶表示装置の信頼性をより向上させると共に、白線とよばれる垂直配向領域に水平配向したドメインが残る現象を減少もしくはゼロにすることを目的としている。本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
本発明の一態様によれば、一対の電極の形成された2枚の平行基板の間隙に、液晶と、光、熱またはそれらの組み合わせにより重合し得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後重合性化合物を重合させ、液晶層と樹脂膜とを形成する、液晶表示装置の製造方法であって、重合性化合物が、単官能重合性化合物を含み、単官能重合性化合物の双極子モーメントが4debye以下である、液晶表示装置の製造方法が提供される。
本発明態様により、信頼性が高く、白線が生じがたく、または生じない、優れた品質の液晶表示装置を製造することができる。
重合性化合物が多官能重合性化合物を含むこと、液晶分子が負の誘電率異方性を有し、単官能重合性化合物の双極子モーメントのベクトルについて、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも大きいこと、または、液晶分子が正の誘電率異方性を有し、単官能重合性化合物の双極子モーメントのベクトルについて、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも小さいこと、多官能重合性化合物の双極子モーメントが5debye以下であること、液晶組成物の配置を滴下注入法によって行うこと、が好ましい形態である。
本発明の他の一態様によれば、上記の製造方法によって製造された液晶表示装置が提供される。本発明態様により、信頼性が高く、白線が生じがたく、または生じない、優れた品質の液晶表示装置が得られる。
液晶分子が負の誘電率異方性を有し、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜きにより方向を規制されながら傾斜する性質を有することおよび配向制御膜を有さないことが好ましい形態である。
本発明により、信頼性が高く、白線が生じがたく、または生じない、優れた品質の液晶表示装置を実現することができる。
以下に、本発明の実施の形態を図、表、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、表、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
本発明に係る液晶表示装置の製造方法においては、一対の電極の形成された2枚の平行基板の間隙に、液晶と、光、熱またはそれらの組み合わせにより重合し得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後重合性化合物を重合させ、樹脂膜を、液晶層に接して形成する。光、熱またはそれらの組み合わせにより処理した後(反応後)に初めて所望の配向状態が得られるものであり、単に物理吸着しやすい物質を液晶中に添加し、配向制御をするものとは全く異なるものである(たとえば特許文献2参照。)。
この重合性化合物は、樹脂膜を形成した場合に、液晶分子のダイレクタ方向を規制することが可能な分子構造と、光、熱またはそれらの組み合わせにより重合し得る重合性官能基を有する。このようなダイレクタ方向を規制することが可能な分子構造としてはアルキル鎖が一般的である。また、重合性官能基としては、アクリレート基、メタクリレート基、ビニル基、アリル基、不飽和二重結合等の光官能性を有する基を挙げることができる。
図3−A,Bに本発明の基本原理を例示する。液晶分子1と重合性官能基38とダイレクタ方向を規制することが可能な分子構造部分35とからなる重合性化合物31を含む液晶組成物32を基板で挟持した状態(図3−A)の後、たとえば紫外線照射により重合性化合物を重合させ、図3−Bに示すように所望の厚さの樹脂膜33を液晶層36に接して形成させる。樹脂膜33の構造としては、ポリマー主鎖34が基板37に付着し、液晶分子のダイレクタ方向を規制する分子構造部分35が、液晶分子を垂直配向させるように立ち上がる構造が想定されている。
この構造は、従来からある高分子分散液晶(PDLC)と呼ばれるものとは異なり、液晶層全体に渡ってポリマーを形成するものではなく、配向制御膜のように液晶層に接して形成された薄膜状の樹脂膜により配向制御を行うものである。
ここで、単官能重合性化合物(一分子中に重合性官能基を一つ有する化合物)のみで樹脂膜を形成した場合には、ポリマーの主鎖は図3−Bに示すように直列した構造になり、樹脂膜としてはそのポリマーが堆積し、絡み合ったものとなる。
このような構造を採用した場合でも、樹脂膜を形成する過程において、液晶分子のダイレクタ方向を規制する効果を十分発揮させ、高い信頼性を実現するとともに白線の発生を防止するといったニーズを同時に満たすことが困難な場合がある。
重合性化合物の双極子モーメントを適宜選択することでこの問題を解決できることが見出された。すなわち、重合性化合物の分子構造として、双極子モーメントの向きと大きさが重要な役割を果たし、適切な分子構造を選択することにより、信頼性が高く、白線の発生を抑えることのできる液晶表示パネルを有する液晶表示装置が製造可能である。
本発明に係る液晶表示装置は、一対の電極の形成された2枚の平行基板の間隙に、液晶と、光、熱またはそれらの組み合わせにより重合し得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後この重合性化合物を重合させ、液晶層と樹脂膜とを形成する、液晶表示装置の製造方法により製造することができる。
重合性化合物の重合には、光、熱またはそれらの組み合わせを使用するが、これらは前後して行っても、複数回組み合わせてもよい。光としては紫外線(UV)が好ましい。
本発明に係る重合性化合物としては、本発明の趣旨に反しない限り、公知のどのようなものでも使用することができる。一般的には、モノマーやオリゴマーと呼ばれるものの中から選択できる。たとえば、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等のアクリレート基、メタクリレート基やエポキシ基、ビニル基、アリル基などの重合性官能基を持つ化合物を例示することができる。
本発明においては、単官能重合性化合物を使用することも、多官能重合性化合物(一分子中に重合性官能基を二つ以上有する化合物)を使用することも可能であるが、樹脂膜が形成された場合に、液晶分子のダイレクタ方向を規制する機能を効果的に発揮させるためには、単官能重合性化合物を使用することが好ましい。本発明に係る重合性化合物には、いわゆるモノマーやオリゴマーを含めることができる。
本発明において、この単官能重合性化合物の双極子モーメントが小さいことが重要である。双極子モーメントが大きくなると液晶表示装置の信頼性が低下するとともに白線が生じやすくなることが見出された。
液晶表示装置の信頼性は液晶組成物中のイオン性の不純物が影響し、双極子モーメントが大きいと、重合性化合物がイオン性の不純物を引き寄せ、その結果、液晶表示装置の信頼性が低下するのではないかと考えられている。
双極子モーメントが大きくなると白線が生じやすくなるのは、液晶分子のダイレクタ方向を規制する機能が低下するためであろうと考えられている。模式的に言えば、図3−A,Bおよび後述する図4−A,Bにおいて、双極子モーメントが大きくなると共に液晶分子のダイレクタ方向を規制する分子構造部分35が、液晶分子を垂直配向させるように立ち上がる構造を取りにくくなるためと推定される。なお、単官能重合性化合物の双極子モーメントが重要であるのは、主に単官能重合性化合物が液晶分子のダイレクタ方向を規制する分子構造部分を有するからである。
双極子モーメントの具体的な値としては、4debye以下であることが重要である。双極子モーメントが4debyeを超えると液晶表示装置の信頼性が低下するとともに白線が生じやすくなる。
この双極子モーメントは、分子シミュレーションによる計算値である。単官能重合性化合物が複数存在する場合には、それらの個々の双極子モーメントの重み付けした合成値を使用する。
単官能重合性化合物の双極子モーメントは、その主鎖方向とその法線方向の成分に分けることのできるベクトル値である。この観点からは、液晶分子が負の誘電率異方性を有する場合には、主鎖方向成分が法線方向成分よりも大きいことが好ましい。これは、図6に模式的に示すように、主鎖方向成分が法線方向成分よりも大きければ、単官能重合性化合物61が樹脂膜面上に立ち上がりやすくなり、したがってこの状態で重合が進めば、ダイレクタ方向を規制する分子構造部分が樹脂膜面上に立ち上がった構造を実現しやすくなり、逆に、主鎖方向成分が法線方向成分よりも小さければ、単官能重合性化合物62が樹脂膜面上に寝た状態になりやすくなり、したがってこの状態で重合が進めば、ダイレクタ方向を規制する分子構造部分が樹脂膜面上に寝た構造となり易くなるからであろうと推察される。
従って、この効果は、記液晶分子が正の誘電率異方性を有する場合には逆になり、主鎖方向成分が法線方向成分よりも小さいほうが好ましいことになる。
本発明に係る液晶組成物は、単官能重合性化合物と共に、多官能重合性化合物を含むことが好ましい。この様子を図4−A,Bで説明する。
図4−A,Bは、単官能だけでなく二官能もしくはそれ以上の官能基を有する重合性化合物を用いた場合における本発明の基本原理を示す。液晶分子1と二種類の重合性化合物31を含む液晶組成物41を基板で挟持した状態(図4−A)の後、たとえば紫外線照射により重合性化合物を重合させ、図4−Bに示すように所望の厚さの樹脂膜42を液晶層に接して形成させる。この場合には、多官能重合性化合物により、図4−Bに示すように立体的な網目状のポリマーが形成される。この場合の方が、単官能重合性化合物のみの場合より強固で信頼性の高い樹脂膜となる。
多官能重合性化合物は、通常少量成分(たとえば10重量%)であるので、その双極子モーメントは、それほど影響を及ぼさないが、やはり、あまり高い値であることは好ましくない。検討の結果、5debye以下であることが好ましいことが判明した。
単官能重合性化合物と多官能重合性化合物とを共に使用する場合、単官能重合性化合物と多官能重合性化合物との構成比については特に制限はないが、実際に必要とされる液晶分子のダイレクタ方向を規制する度合いや、樹脂膜が付着する対象物との付着安定性等を考慮して実験等により決定することが好ましい。
このようにして、本発明により、信頼性の高い液晶表示装置を実現することが可能となる。さらに、白線によるコントラストの低下がなくまたは少ない、優れた品質の液晶表示装置を実現することができる。
このような液晶表示装置は、液晶分子が負の誘電率異方性を有し、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜きにより方向を規制されながら傾斜する性質を有するものであることが、MVA方式として、優れた視野角特性と上記の種々の効果とを同時に実現することができるため、好ましい。
また、上記樹脂膜が液晶分子のダイレクタ方向を規制する働きを十分発揮するため、本発明に係る液晶表示装置では配向制御膜の設置を不要とすることができる。もちろん配向制御膜を併設しても構わない。
配向制御膜形成工程が不要となると、大幅なコストダウンを実現できる。従来の配向制御膜印刷装置では対応しきれない超大型のマザーガラスにおいても、その大きさに影響を受けることなく、容易に液晶表示装置を形成可能となる。さらに、凹凸の大きな基板や、曲面の基板といった印刷が困難な基板を用いた液晶表示装置の実現も可能となる。
なお、液晶組成物の注入は、真空注入方式によるよりも、滴下注入法による方が、製造工程が簡略化し低コスト化に寄与する。また、真空注入工程と比較して、液晶の材料選択性が大となり、垂直配向性の向上に寄与する。この場合、配向制御膜を採用すると、滴下痕が発生することがあるが、これは、配向制御膜を採用しないことで防止することが可能である。
次に本発明の実施例を詳述する。なお、各特性は次の方法で求めた。
(双極子モーメント)
富士通株式会社製分子軌道計算ソフトWinMOPACCを使用して、計算により分子の双極子モーメントを求めた。
(信頼性)
(東洋テクニカ社製VHR−1を使用して、初期印加電圧を5Vとし、保持時間1667ms後の電圧の初期電圧に対する割合を電圧保持率として求めた。
[実施例1]
CH2の個数が6〜18個のアルキル鎖とアクリレート基とを有する単官能モノマと、環構造を有するジアクリレート系の二官能モノマと、重合開始剤とをメルク社製の負の誘電率異方性を有する液晶Aに溶かして液晶組成物(単官能モノマ:二官能モノマ(重量比)=10:1)とし、配向制御膜を形成せず、セル厚4.25μmとなるように張り合わせて15型の実液晶表示パネルを作成した。単官能モノマとしては、表1に示す5種のものを使用した。
作製直後の液晶表示パネルの配向状態を観察したところ、流動性配向が見られ、水平配向と垂直配向とが混在した状態であった。
その後、液晶表示パネルを90℃、30分アニール処理し、冷却後、300〜400nmの波長を含む無偏光の紫外線を9000mJ照射した。配向を観察した結果、液晶表示パネルの全領域で垂直配向が得られた。
表1に単官能モノマの双極子モーメントの大きさと信頼性の関係を示す。双極子モーメントの大きさが4debyeより大きいと信頼性が低く、4debye以下の単官能モノマを用いた場合は信頼性が高い液晶表示パネルが得られた。なお、このときの二官能モノマの双極子モーメントは2debyeであった。
Figure 2006139047
[実施例2]
実施例1と同様の実験において、単官能モノマの双極子モーメントのベクトルを、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも大きい場合と小さい場合についての白線発生状況を調べた。図5−A,Bは、作製した液晶表示パネルにおける、単官能モノマの双極子モーメントの方向の違いによる白線発生状況を示す。図5−Aは、双極子モーメントの主鎖方向成分がその法線方向成分の約1/5倍、図5−Bは、双極子モーメントの主鎖方向成分がその法線方向成分の約5倍の条件における液晶表示パネルの画素画面を示している。図5−A,Bの下には100μmに相当する長さが示されている。
図5−Aには双極子モーメントの主鎖方向成分がその法線方向成分より小さい場合、図5−Bには主鎖方向成分がその法線方向成分より大きい場合の白線発生状況を示す。図5−Bに示すように主鎖方向成分がその法線方向成分より大きい場合では白線発生が少ない液晶表示パネルを作成することができた。このような差異は、実施例1で使用した単官能モノマのすべてにおいて見出された。
[実施例3]
実施例1と同様の実験において、単官能モノマを約3debyeのものに固定し、多官能モノマを種々変更し、多官能モノマの双極子モーメントの大きさと信頼性の関係を調べた。表2に多官能モノマの双極子モーメントの大きさと信頼性の関係を示す。双極子モーメントの大きさが5debyeより大きいと信頼性が低く、5debye以下の単官能モノマを用いた場合は信頼性が高い液晶表示パネルが得られた。
Figure 2006139047
[実施例4]
実施例1と同様の実験を行い、滴下注入法により液晶表示パネルを作製した。この結果、信頼性と垂直配向性が良好な液晶表示パネルを得ることができた。
比較のため、配向制御膜を使用した液晶表示パネルについても滴下注入法を採用したところ、配向制御膜が付いている状態で滴下注入を行うと滴下痕が発生するが、本発明の方法では発生しなかった。なお、滴下痕とは液晶を滴下したポイントで、表示したときに円状の痕が見えるものである。
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
(付記1)
一対の電極の形成された2枚の平行基板の間隙に、液晶と、光、熱またはそれらの組み合わせにより重合し得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後当該重合性化合物を重合させ、液晶層と樹脂膜とを形成する、液晶表示装置の製造方法であって、
当該重合性化合物が、単官能重合性化合物を含み、
当該単官能重合性化合物の双極子モーメントが4debye以下である、
液晶表示装置の製造方法。
(付記2)
前記重合性化合物が多官能重合性化合物を含む、付記1に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記3)
前記液晶分子が負の誘電率異方性を有し、
前記単官能重合性化合物の双極子モーメントのベクトルについて、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも大きい、付記1または2に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記4)
前記液晶分子が正の誘電率異方性を有し、
前記単官能重合性化合物の双極子モーメントのベクトルについて、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも小さい、付記1または2に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記5)
前記多官能重合性化合物の双極子モーメントが5debye以下である、付記1〜4のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記6)
前記液晶組成物の配置を滴下注入法によって行う、付記1〜5に記載の液晶表示装置の製造方法。
(付記7)
付記1〜6のいずれかに記載の製造方法によって製造された液晶表示装置。
(付記8)
付記1,2,3,5,6のいずれかに記載の製造方法によって製造された液晶表示装置であって、前記液晶分子が負の誘電率異方性を有し、電圧無印加時にほぼ垂直配向し、電圧印加時に基板上に形成された突起または電極の抜きにより方向を規制されながら傾斜する性質を有する、液晶表示装置。
(付記9)
配向制御膜を有さない、付記7または8に記載の液晶表示装置。
MVA方式の液晶パネルにおける液晶分子の配向を示す模式的斜視図である。 MVA方式の液晶パネルにおける液晶分子の配向を示す模式的斜視図である。 MVA方式の液晶表示装置の液晶パネルにおける液晶分子の配向方向を示す模式的平面図である。 液晶分子と重合性化合物を含む液晶組成物を基板で挟持した状態を示す模式図である。 紫外線照射後の液晶層と樹脂膜とを示す模式図である。 液晶分子と重合性化合物を含む液晶組成物を基板で挟持した状態を示す模式図である。 紫外線照射後の液晶層と樹脂膜とを示す模式図である。 白線発生状況を示す液晶表示パネルの画素画面の写真である。 白線発生状況を示す液晶表示パネルの画素画面の写真である。 単官能重合性化合物が樹脂膜面上に立ち上がる構造を取る場合と寝る構造を取る場合とを示す模式図である。
符号の説明
1 液晶分子
2 ガラス基板
3 ガラス基板
4 凹凸部
31 重合性化合物
32 液晶組成物
33 樹脂膜
34 ポリマー主鎖
35 液晶分子のダイレクタ方向を規制する分子構造部分
36 液晶層
37 基板
38 重合性官能基
41 液晶組成物
42 樹脂膜
61 単官能重合性化合物
62 単官能重合性化合物

Claims (7)

  1. 一対の電極の形成された2枚の平行基板の間隙に、液晶と、光、熱またはそれらの組み合わせにより重合し得る重合性化合物とを含む液晶組成物を配置し、その後当該重合性化合物を重合させ、液晶層と樹脂膜とを形成する、液晶表示装置の製造方法であって、
    当該重合性化合物が、単官能重合性化合物を含み、
    当該単官能重合性化合物の双極子モーメントが4debye以下である、
    液晶表示装置の製造方法。
  2. 前記重合性化合物が多官能重合性化合物を含む、請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法。
  3. 前記液晶分子が負の誘電率異方性を有し、
    前記単官能重合性化合物の双極子モーメントのベクトルについて、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも大きい、請求項1または2に記載の液晶表示装置の製造方法。
  4. 前記液晶分子が正の誘電率異方性を有し、
    前記単官能重合性化合物の双極子モーメントのベクトルについて、主鎖方向とその法線方向に成分を分けたときに、主鎖方向成分が法線方向成分よりも小さい、請求項1または2に記載の液晶表示装置の製造方法。
  5. 前記多官能重合性化合物の双極子モーメントが5debye以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の液晶表示装置の製造方法。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法によって製造された液晶表示装置。
  7. 配向制御膜を有さない、請求項6に記載の液晶表示装置。
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