JP4053621B2 - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に係り、特に樹脂で囲まれた穴の中に液晶を封入する構造を用いて視野角を拡大する液晶表示装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、視野角を拡大するために種々の改善がなされてきた。その技術の一つとして、樹脂で囲まれた穴の中に液晶を封入する構造を用いるものがあり、その構造と特性が特開平７−１２０７２８号公報に詳述されている。その基本的な構造と製造方法について、図９〜図１０を参照して説明する。
【０００３】
図９において、ガラス基板１０，１１の内面に透明電極２０，２１が配設され、その間隙部に樹脂層１４０が形成されている。この樹脂層１４０の内部に、表示セルに対応して複数の穴１４１が形成され、その中に液晶１５０が封入されている。
【０００４】
この液晶１５０としては、通常、カイラル剤が添加されたネマチック液晶が用いられ、樹脂としては光硬化性樹脂が用いられる。このような液晶１５０を含む穴１４１は、次のようにして形成される。
【０００５】
上記の液晶材料と樹脂材料とを混合した材料を基板間に封入し、表示セルに対応する穴の部分を遮光するホトマスクを用いて紫外線を照射する。この紫外線照射により、穴の外側の部分で、樹脂が重合反応を起こして液晶材料と樹脂材料とが相分離する。この重合反応と相分離とが進むことにより、穴の外側には樹脂が凝集し、穴の部分には液晶が凝集して固化する。その結果、図９に示したように、穴１４１の中に液晶１５０が充填された樹脂層１４０が形成される。
【０００６】
このように樹脂層の穴１４１に封入された液晶１５０は、図１０に示すように配向する。図中、１５１，１５２，１５３は、図９のＳ１５１（上層），Ｓ１５２（中層），Ｓ１５３（下層）に対応する面の液晶の配向状態を示す平面図である。上層と下層においては、液晶分子が渦巻状に配向し、中層においては液晶分子が同心円状に配向している。このような配向は、まず、液晶１５０を包み込む樹脂層の穴１４１の全壁面が水平配向特性を有することによるものであり、次に、液晶分子が、カイラル剤の添加により回転方向に配向しやすくなっていることによるものである。上記の渦巻状または同心円状の配向は、いずれの場合も、その渦巻または同心円のほぼ中心となる点を軸として、軸対称の配向をするものとなっている。
【０００７】
なお、上記の配向状態は、電圧が印加されない場合を示すものである。一方、電圧が印加された場合は、その電圧が高くなると共に液晶分子は電極に垂直になる方向に立つことになるが、どのような電圧レベルにおいても、液晶分子は軸対称に配向するものとなっている。このように、液晶分子が軸対称に配向することにより、液晶表示装置は視野角の広い良好な表示を実現することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の液晶表示装置は、樹脂層の穴を形成する３種類の面（図９における上面１４１Ｕ、下面１４１Ｄ、側面１４１Ｗ）が全て水平配向特性を有する同一の材料からなるものである。しかも、この樹脂は光硬化性の樹脂であり、製造工程において液晶材料と混合して用いられ、紫外線照射により適度な凝集と相分離とを生起することができるものでなければならない。ところが、これらの条件を全て満足するような樹脂を選定するに際して、必ずしも水平配向特性の良好な樹脂を選定できるとは限らないという問題がある。
【０００９】
液晶分子を軸対称に配向させるためには、上記３種類の面の内、特に電極を被覆する上下の面１４１Ｕ，１４１Ｄが、良好な水平配向特性を有するものであることが重要である。しかし、上記のように水平配向特性の良好な樹脂を選定できなかった場合には、図１０に示したような軸対称の配向が不十分なものとなることがあり、その結果、コントラストや視野角等の表示特性が劣化するという問題が発生する。
【００１０】
従って、少なくとも電極を被覆する上下の面１４１Ｕ，１４１Ｄが、良好な水平配向特性を有するように構成された液晶表示装置を実現することが、本発明の課題である。
【００１１】
即ち、本発明は、樹脂で囲まれた穴の中に液晶を封入する構造の液晶表示装置において、少なくとも穴の上下の面を構成する樹脂層（即ち、電極を被覆する樹脂層）の表面が良好な水平配向特性を有するものとなる構造を提供し、しかも、その液晶表示装置を簡便に製造する製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の液晶表示装置は、対向して配置された一対の基板の内面上に配設された配向膜と、前記一対の基板に挾持された樹脂層を貫通する複数の孔と、前記孔に充填される液晶とを備え、前記配向膜は、液晶分子を水平に配向させる水平配向膜であり、前記孔の壁面は、前記水平配向膜で被覆され、前記液晶は、前記水平配向膜に接していることを特徴とする。
【００１３】
この構造を用いることにより、液晶が封入される「穴」は、上下の面が水平配向膜からなる面であり、他の面（側面）が樹脂層に形成された「孔」の壁面からなるものである。なお、ここでは「穴」と「孔」とを区別して説明している。「孔」は開口部を持つ開いた形状のものであり、「穴」は開口部を持たない閉じた形状のものを示すものとした。
【００１４】
この構造により、穴の上下の面を構成する水平配向膜は、穴の側面を構成する樹脂層とは独立に形成することができる。従って、電極を被覆する水平配向膜は、良好な水平配向特性を有するものを自由に選定することができる。その結果、以下に示すように、液晶分子が安定にかつ十分に軸対称の配向（渦巻状・同心円状、または放射状の配向）をすることができるため、視野角の広い液晶表示装置を実現することができる。
【００１５】
ここで、樹脂層の孔の壁面は、水平配向特性を有するもの、または垂直配向特性を有するもののいずれかを用いることができる。それらに対応して、液晶材料も別のものを選定することが望ましい。それぞれの構成と作用は、次の通りである。
【００１６】
第１に、樹脂層の孔の壁面に水平配向特性を有するものを用いる場合、液晶材料としてはカイラル剤を添加したものを用いることが望ましい。（添加されていなくてもよい。）この構成により、液晶分子は、その上下の面と側面とが全て水平配向特性を持つ面で囲まれているため、渦巻状や同心円状に回転する軸対称の配向をするものとなる。ここで、カイラル剤が添加されている場合には、液晶分子の回転が容易になると共に、回転角度の調節をすることも可能になる。
【００１７】
なお、この壁面の水平配向特性は水平配向膜ほど良好なものでなくてもよい場合が多い。従って、樹脂層の材料は、水平配向特性を有する樹脂の中から、孔の形成しやすさ・表示特性・経時変化特性等を考慮して、所望の樹脂を選定することができる。
【００１８】
さらに、この樹脂層の孔の壁面は、上記のように樹脂層そのものを露出させた壁面とすることができることは勿論、その壁面に水平配向膜を塗布し水平配向特性の優れた壁面とすることもできる。これにより、一層、軸対称の配向特性を改善または安定化することができる。
【００１９】
第２に、樹脂層の孔の壁面に垂直配向特性を有するものを用いる場合、液晶材料としてはカイラル剤を添加しないものを用いる。垂直配向特性を有する壁面と水平配向膜で囲まれた穴の中に、カイラル剤を含まない液晶を封入することにより、液晶分子は放射状に配向する。（具体例を図４に示したが、その内容は後述する。）この場合も軸対称の配向であり、上記の場合と同様に、視野角の広い液晶表示装置を実現することができる。
【００２０】
このように、請求項１記載の発明によれば、穴の上下の面を構成する樹脂層として、良好な水平配向特性を有する水平配向膜を用いる構造を実現することができる。その結果、穴の中の液晶が、安定にかつ十分に軸対称（渦巻状・同心円状または放射状）の配向を行うことができるものとなる。
【００２１】
なお、請求項１記載の発明は、次に示すように、工程を簡略化できるという特徴を派生するものである。まず、水平配向膜はラビングの必要がないためラビング工程が不要であり、さらに、樹脂層がスペーサとして作用するためスペーサ散布の工程が不要である。
【００２２】
次に、請求項５記載の液晶表示装置の製造方法は、一対の基板の内、複数の孔を有する樹脂層と、水平配向膜と、電極とを備えた一方の基板を形成するに際し、電極を有する基板に前記樹脂層を形成する工程と、前記樹脂層に前記複数の孔を形成し、前記孔の底部に前記基板を露出させる工程と、前記孔の壁面と前記底部に露出された前記基板とに前記水平配向膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２４】
上記の製造方法によれば、穴の全壁面（上下の面および側面）が良好な水平配向特性を有する穴を形成できるため、軸対称の配向に対して極めて適した構造を実現できる。
【００２５】
このように、請求項５記載の製造方法を用いて一方の基板を形成することにより、請求項１記載の液晶表示装置を簡便にかつ適正に製造することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
〔第１参考例〕第１参考例を、図１〜図３を参照して説明する。
【００２７】
図１において、ガラス基板１０，１１の上にＩＴＯからなる透明電極２０，２１が配設され、それらの透明電極２０，２１を配向膜３０，３１が被覆している。この配向膜 ３０，３１は、ＡＬ１０５１（日本合成ゴム製）からなる水平配向膜で、そのプレチルト角は約０．８°である。（プレチルト角は１°以下のものを用いることが望ましい。）
図中４０は、ＰＣ３０２（日本合成ゴム製）からなる層厚５μｍの樹脂層であり、図２に示すように、約１００μｍの正方形の孔を有するものである。
【００２８】
図１〜図２において４０が樹脂層、５０がその樹脂層４０に形成された穴４１の中に封入された液晶である。この液晶は、ＦＴ５０１７（メルク製）のネマチック液晶にカイラル剤ＣＭ−３３（チッソ製）を添加したものであり、このカイラル剤により、液晶分子が約９０°ツイストするように調整したものである。このように液晶分子を約９０°ツイストさせることにより、クロスニコルに配設した偏光板（後述）との組合せによりコントラストの向上を図ることができる。なお、液晶材料としては、誘電率異方性が正の液晶であれば、ＦＴ５０１７（メルク製）以外のものを用いることもできる。
【００２９】
また、液晶の屈折率異方性Δｎと液晶の厚み（即ち、樹脂層の厚み）ｄとの積Δｎ・ｄが０．３〜０．６μｍの範囲のものとすることにより、表示の色付を防ぎ、しかもＴＮ型の液晶表示装置と同等の輝度となる明るい表示を得ることができる。
【００３０】
このように構成された液晶パネルのガラス基板１０，１１の外側に、クロスニコルに組み合わされた一対の偏光板（図示せず）が配設されて液晶表示装置が構成されている。
【００３１】
この液晶表示装置を顕微鏡（偏光顕微鏡）で観察したところ、正方形の穴の中に黒い十字型のシュリーレン構造（模様）が観察された。しかも、このシュリーレン構造（模様）は液晶表示装置を回転させても変化がなかった。このことから、液晶分子が軸対称（渦巻状や同心円状）に配向していることが推測される。
【００３２】
このような液晶分子の配向状態を示したものが図３である。図中５０が、樹脂の孔と水平配向膜とで囲まれた穴に封入された液晶（図１〜図２の符号５０に対応する液晶）である。図中５１，５２，５３は、穴に封入された液晶５０の上層、中層、下層に対応する液晶層の配向状態を示すものである。上層５１と下層５３では渦巻状に配向し、中層５２では同心円状に配向している。
【００３３】
また、どのような電圧を印加した状態であっても、液晶分子の立上がり方の違いはあるが、このような軸対称の配向は、安定に形成され安定に維持されるものとなっている。
【００３４】
この液晶表示装置の視角特性を図８に示した。横軸と縦軸は、それぞれ左右方向と上下方向の視角を示し、それらの軸の中間部分は中間方向の視角を示すものである。そして、符号ＣＲ１０で示す曲線はコントラストが１０となる視角を示す線であり、この線で囲まれた内側の領域はコントラストが１０以上の領域となっている。
【００３５】
この図から明らかなように、この液晶表示装置は、特に上下および左右方向の視野角が対称な特性となり、±７０°の範囲でコントラストが１０以上となるものである。従って、通常のＴＮ型液晶表示装置よりもはるかに広い視野角を有するものである。
【００３７】
なお、本参考例においては、水平配向膜はラビングの必要がないためラビング工程が不要であり、樹脂層がスペーサとして作用しスペーサ散布の工程が不要であるため、製造工程を簡略化できるという特徴を持つものである。
【００３８】
〔第１参考例の変形例〕第１参考例の約１００μｍの正方形の孔の代わりに、直径約１００μｍの円形の孔を用いた液晶表示装置を試作した。
【００３９】
本変形例においても、第１参考例の場合と同様に、液晶分子が軸対称（渦巻状や同心円状）に配向していることを示すシュリーレン構造（模様）が観察され、図８と同等の広い視角特性を確認することができた。
【００４０】
なお、孔の形状としては、三角形、四角形、五角形・・・等の形状を用いることもできる。
〔第２参考例〕第２参考例を、図４を参照して説明する。本参考例は、液晶分子の配向状態が第１参考例とは異なるものとなる。
【００４１】
本参考例においては、図１〜図２に示したガラス基板１０，１１、透明電極２０，２１、水平配向膜３０，３１を、第１参考例と同様に構成し、樹脂層４０を垂直配向特性を有する樹脂で構成する。この垂直配向特性を有する樹脂としてはポリイミド系の樹脂ＲＮ７８３（日産化学製）を用いた。さらに、液晶材料として、カイラル剤を添加しないネマチック液晶ＦＴ５０１７（メルク製）を用いた。
【００４２】
このような液晶表示装置を構成することにより、液晶分子６２を図４に示すように、放射状に配向させることができる。この液晶表示装置の表示特性は、第１参考例とほぼ同様である。
【００４３】
〔一実施形態〕本発明の液晶表示装置の製造方法を具体化した一実施形態を、図５を参照して説明する。図中の（ａ）〜（ｅ）は、各工程を示す図である。
【００４４】
（ａ）ＩＴＯの透明電極（図示せず）を形成したガラス基板１０上に、ポジ型感光性樹脂オプトマーＰＣ３０２（日本合成ゴム製）４０１を、５００ｒｐｍ、３０秒の条件でスピンコートし、８０°Ｃのホットプレート上で１分間プレベークを行う。なお、ガラス基板としてはＯＡ２（日本電気硝子製）を用いた。
【００４５】
（ｂ）一辺が１００μｍの正方形のパターンを有する合成石英マスク（ＨＯＹＡ製）４０２を用いて、８００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線により露光を行う。
（ｃ）その後、ＣＤ７０２ＡＤ（日本合成ゴム製、０．２％ＴＭＡＨａｑ）の現像液で３分間現像を行う。そして、純水で２分間洗浄後、８００ｍＪ／ｃｍ² の紫外線によりポスト露光を行う。次に、２００°Ｃのオーブンの中で１時間放置してポストベークを行い、孔が形成された樹脂層４０を形成する。この樹脂層４０の厚みは５μｍである。
【００４６】
（ｄ）この孔が形成された樹脂層４０を備えたガラス基板１０を被覆するように、水平配向膜ＡＬ１０５１（日本合成ゴム製、プレチルト角は０．８°）を、２０００ｒｐｍ、３０秒の条件でスピンコートし、１８０°Ｃのオーブンに１時間放置して、配向膜３２を形成する。このスピンコートにより、この配向膜３２は、樹脂層の頂面と、孔の側面と、孔の底面に対応するガラス基板の面（ここでは電極（図示せず）の表面）とを含む全ての面に形成される。以上の工程により、配向膜３２と、孔を有する樹脂層４０と、電極とを備えた一方の基板１０ＡＳが完成する。
【００４７】
（ｅ）次に、電極（図示せず）のみを有する他方の基板１１の表面に、上記の配向膜３２と同様の方法により、配向膜３１を形成して、基板１１ＡＳを完成する。そして、完成した二つの基板１０ＡＳ，１１ＡＳを、組み合わせて周辺部（図示せず）を封止する。これで、液晶を封入する前の液晶パネルが完成する。樹脂層４０と、配向膜３１，３２とにより、閉じた穴５０Ｈが形成されたものとなる。
【００４８】
（ｆ）次に、この液晶パネルの穴５０Ｈに液晶を封入する工程を実施するが、この工程は図示していない。なお、この穴５０Ｈは、閉じた穴であるため液晶を封入することができないように思われるが、実際はそうではない。その内容を次に説明する。
【００４９】
工程（ｅ）で構成された液晶パネルは、二つの基板１０ＡＳ，１１ＡＳが反りを有するものであり、通常は外側に反っているため、樹脂層４０の頂面と、対向する基板の配向膜とは、わずかなギャップがあり、離れた状態にある。従って、この工程では穴は閉じたものではなく、そのギャップを通じて連結した状態になっている。この状態の液晶パネルに対して、注入口（図示せず）から液晶を注入し、その後一対のガラス基板を両側から押圧して余分な液晶を排出して封口する。その結果、当初外側に反っていた一対のガラス基板は互いに平行な状態に矯正されて密着し、穴５０Ｈは閉じたものとなり、所望の液晶パネルが完成する。
【００５０】
この実施形態の方法により製造した液晶パネルは、穴の側壁にも配向膜があるため、穴の全壁面が良好な水平配向膜からなるものとなっている。従って、カイラル剤を含んだ液晶材料を穴に封入することにより、液晶分子が渦巻状や同心円状に配向する状態を、安定かつ確実に実現することができる。第１参考例は、図１に示すように水平配向膜３０，３１が透明電極２０，２１の面のみを被覆する構成のものであるが、本実施の形態のように、水平配向膜が樹脂層４０に形成された孔の壁面（即ち、穴４１の側面）４１Ｗをも被覆する構成を用いることができる。この構成は、構造上少し複雑なものとなるが、穴４１の側面４１Ｗの水平配向特性をさらに良好なものとすることができるため、軸対称の配向を一層安定なものとすることができるという特徴がある。勿論、穴４１の側面４１Ｗの水平配向特性が所定のレベルのものであれば、この面を水平配向膜で被覆する必要はない。
【００５１】
〔一実施形態の変形例〕一実施形態の変形例を、図６を参照して説明する。図６（ａ），（ｂ）は、一実施形態の工程を示す図５の（ｃ），（ｄ）に対応するものであり、一実施形態の（ｄ）までの工程と同じ方法で、図６（ｂ）に示す基板１０ＡＳ（水平配向膜３２と、孔を有する樹脂層４０とを備えたガラス基板１０）を形成する。
【００５２】
さらに、この基板１０ＡＳと同じ構成の基板１０ｂＡＳを準備し、これら二つの基板１０ＡＳ，１０ｂＡＳを、図６（ｃ）に示すように組み合わせて周辺部（図示せず）を封止する。このように構成した空の（液晶を封入していない）液晶パネルに液晶を封入する工程は、一実施形態の工程（ｆ）と同様である。
【００５３】
ここで、一実施形態と異なる点は、第１に樹脂層４０の厚みであり、本実施形態では２．５μｍ（一実施形態の１／２）に設定している。そして、異なる点の第２は、この樹脂層４０，４０ｂを有する二つのガラス基板を組み合わせることである。これにより、穴５０Ｈの形状は一実施形態と同じものとなる。
【００５４】
本変形例は、樹脂層４０の厚みを薄くすることができるため、孔のピッチを小さくする場合に有利であること、孔の側面にも水平配向膜を塗布する場合に塗布性を良好なものとすることができること、の２点において一実施形態よりも優れている。（他方、一実施形態の方が、構造が簡単であるという特徴がある。）
〔第３参考例〕液晶表示装置の他の製造方法を、第３参考例として、図７を参照して説明する。図中の（ａ）〜（ｃ）は、各工程を示す図である。
【００５５】
（ａ）電極（図示せず）を有するガラス基板１０の表面に、一実施形態（ｄ）の工程と同様の方法により、配向膜３０を形成して、基板１０ＡＳを完成する。
【００５６】
（ｂ）その配向膜３０を備えたガラス基板１０の上に、一実施形態の（ａ）〜（ｃ）の工程と同様の方法により、孔を有する樹脂層４０を形成する。この工程で、孔を有する樹脂層４０と配向膜３０とを備えた基板１０ＡＳが完成する。
【００５７】
（ｃ）上記（ａ）と同様の工程により、配向膜３１を有する他方の基板１１ＡＳを準備し、これら二つの基板１０ＡＳ，１１ＡＳを、図７（ｃ）に示すように組み合わせて周辺部（図示せず）を封止する。このように構成した空の（液晶を封入していない）液晶パネルに液晶を封入する工程は、一実施形態の工程（ｆ）と同様である。
【００５８】
本参考例は、孔の側面に配向膜を塗布しない構造となるため、一実施形態よりも構造と製造方法が簡単であるという特徴を有する。この樹脂層を、水平配向特性を有する樹脂で形成する場合、孔の壁面の水平配向特性は一実施形態よりも劣るものとなるが、液晶が渦巻状または同心円状に配向する液晶パネルとするためにはこの構成で良い場合が多い。
【００５９】
また、この樹脂層を、垂直配向特性を有する樹脂で形成する場合には、液晶材料としてはカイラル剤を添加しない液晶を封入する。そして、この液晶は放射状の軸対称配向をすることができる。この場合の表示特性は一実施形態とほぼ同等であるが、カイラル剤を添加しない分液晶材料を安価なものとすることができる。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１乃至４記載の発明によれば、樹脂で囲まれた穴の中に液晶を封入する構造の液晶表示装置において、電極を被覆する樹脂層として、良好な水平配向特性を有する水平配向膜を用いる構造を実現することができる。従って、穴に封入された液晶を軸対称（渦巻状・同心円状または放射状）に安定かつ確実に配向させることができるため、視野角の広い液晶表示装置を実現することができる。
【００６１】
請求項５記載の発明によれば、上記の液晶表示装置を簡便にかつ適正に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例を示す断面図
【図２】 第１参考例を示す斜視図
【図３】 第１参考例の液晶の配向状態を示す図
【図４】 第２参考例を示す平面図
【図５】 一実施形態を示す図
【図６】 一実施形態の変形例を示す図
【図７】 第３参考例を示す図
【図８】 液晶表示装置の視角特性を示す図
【図９】 樹脂で囲まれた穴の中に液晶を封入する従来の液晶表示装置を示す断面図
【図１０】 図９の液晶表示装置の液晶の配向状態を示す平面図
【符号の説明】
１０，１１，１０ｂ ガラス基板
１０ＡＳ，１１ＡＳ，１０ｂＡＳ 基板
２０，２１ 透明電極
３０，３１ 配向膜、水平配向膜
３２，３２ｂ 配向膜
４０，４０ｂ 樹脂層
４１ 穴
４１Ｗ 壁面、側面
４１Ｕ，４１Ｄ 面
５０ 液晶
５０Ｈ 穴
５１ 上層
５２ 中層
５３ 下層
４０１ 樹脂
４０２ マスク

Claims (5)

1. 対向して配置された一対の基板の内面上に配設された配向膜と、前記一対の基板に挾持された樹脂層を貫通する複数の孔と、前記孔に充填される液晶とを備えた液晶表示装置であって、
   前記配向膜は、液晶分子を水平に配向させる水平配向膜であり、
   前記孔の壁面は、前記水平配向膜で被覆され、
   前記液晶は、前記水平配向膜に接していることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記水平配向膜は、プレチルト角が１°未満である請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記液晶は、屈折率異方性Δｎと厚みｄとの積Δｎ・ｄが０．３〜０．６μｍの範囲のものである請求項１記載の液晶表示装置。
4. 前記液晶は、カイラル剤が添加されたネマチック液晶であり、前記一対の基板の間隙で９０°ツイストする請求項１記載の液晶表示装置。
5. 複数の孔を有する樹脂層と、水平配向膜とを備えた一対の基板の内の一方の基板を形成するに際し、
   電極を有する基板に前記樹脂層を形成する工程と、
   前記樹脂層に前記複数の孔を形成し、前記孔の底部に前記基板を露出させる工程と、
   前記孔の壁面と前記底部に露出された前記基板とに前記水平配向膜を形成する工程とを含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。