JP4610368B2

JP4610368B2 - 液晶表示装置用光学素子の製造装置

Info

Publication number: JP4610368B2
Application number: JP2005045659A
Authority: JP
Inventors: 上佳奈美池
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP2006234913A

Description

本発明は、偏光光を照射して基材上の光配向膜に対して所望の分子方向配列をもたせる液晶表示装置用光学素子の製造装置に関する。

近年、フラットパネルディスプレイとして注目されている液晶表示装置（ＬＣＤ）は液晶の電気光学的変化を利用した表示素子であり、薄型、軽量、低消費電力という特性から、ノート型PCなどの用途で市場が拡大してきた。さらに最近では従来のＣＲＴ−ＴＶに替わり、ＴＶ用途の大型ディスプレイとして液晶表示装置の需要が急速に求められている。

液晶表示装置は、一般に正の誘電異方性を有するネマティック液晶と、対向する一対の電極基材とを有している。そして対向する一対の電極基材のそれぞれの界面で、液晶分子が基材に対して平行に配列したホモジニアス配向をもつようにし、かつ液晶分子の配向方向が互いに直交するようにしている。このような液晶表示装置は、ＴＮ（Twisted Nematic）モードの液晶表示装置といわれている。しかしながら、大型ＬＣＤ用途が高まるにつれて、より広い視野角が求められ、種々の視野角改善モードが開発されている。

例えば、他の液晶表示装置として、負の誘電異方性を有するネマティック液晶を有し、対向する一対の電極基材のそれぞれの界面で、液晶分子が基材に対して垂直に配列したホメオトロピク配向をもつようにするとともに、電圧を印加させた際に液晶の複屈折の変化を利用したＶＡ（Vertically Aligned）モードがある。このモードの液晶表示装置は、ＴＮモードの液晶表示装置に比較して表示のコントラストが高く、黒表示に応答速度も速いことからも注目されている。

他方、基材のみに形成された櫛歯電極により液晶を応答させるＩＰＳ（In Plane Switching）モードの液晶表示装置は、基材に対し垂直方向への液晶分子の傾斜はほとんど発生しないため、視野角特性が改善されている。

しかしながら、このようなＶＡモードやＩＰＳモードの液晶表示装置でも、特定の斜め方向から見た場合に、光漏れや階調反転の現象あるいは着色が生じ、視野角が小さくなる。その改善の為に、液晶を特定軸方向に配列させた光学補償部材（光学補償層）の開発が進んでいる。

光学補償層の光学的性質は、表示モードの違いに応じて決定する。例えば、ＴＮモード用光学補償層は、電圧印加により液晶分子のねじれ構造を解消しつつ基板面に傾斜した配向状態の光学補償を行い、黒表示時の斜め方向の光漏れ防止によるコントラストの視角特性を向上させている。ＩＰＳモード用光学補償層は、電圧無印状態の黒表示時において、基板面に平行配向した液晶分子の光学補償および偏光板の直交透過率の視野角特性向上を兼ねている。さらにＶＡモード用光学補償層は、電圧無印加状態で液晶分子が基板面に対して垂直配向した状態の黒表示の視野角特性を改善している（特許文献１）。

上述のように液晶表示装置は一対の対向する基材と、基材間に設けられた液晶とを有するが、基材上には所望の液晶分子の方向配列を有する光配向膜が形成されている。

またＴＮモード、ＩＰＳモードの光補償層においても通常所望の液晶分子の方向配列を有する光配向膜を形成する場合が多い。この場合、液晶分子の配向方向は、配向膜を布又は他の繊維質材料でバフ加工したり、機械的ラビング処理することにより定められる。またラビング処理された表面と接触した液晶分子は、ラビング方向と平行する方向または垂直方向に配向する。

しかしながら、ラビング処理を行なった場合、ゴミや静電気発生などが問題となっている。さらに近年の基材の大型化により、ラビング処理は装置・コスト面でも困難になりつつあり、非接触の手法が求められている。

非接触により光配向層の配向方向を定める代表的な手法として、異方性吸収分子からなる配向膜に対して偏光光を照射し、液晶分子を配向させる方法がある（特許文献２および３）。このような方法を用いた場合、非接触にて大領域の光配向膜に異方性を付与させることができる。

また、光源側に偏光軸の回転が可能な偏光素子を設置することにより、光配向材料に所望の異方性を容易に与えることができる。(特許文献４)。

偏光露光装置としては、例えば偏光光を照射して配向膜の光配向を行うものがある。ランプから放出される紫外線を含む光は楕円集光鏡で集光され、第１平面鏡で反射してインテグレータレンズに入射する。インテグレータレンズから出射した光は、シャッタ、第２平面鏡を介してコリメータレンズに入射し、コリメータレンズにより平行光にされ、偏光素子に入射する。そして、偏光素子から出射する偏光光は配向層を有する基板上に入射する（特許文献５）。
特開２００４−２２６５９１号公報米国特許第５，０３２，００９号公報米国特許第４，９７４，９４１号公報特開２０００−２０６５２５号公報特開平１０−１９４３４５号公報

例えば特許文献５において、コリメータミラーなどを用いて光を平行光化した場合、ミラーの折り返しにより、ある透過軸を持つ偏光素子を出射した偏光光が透過軸に対してズレた軸を生じながら基板に照射される場合がある。また、コリメータミラーなどを用いず、発散光を偏光素子に入射した場合も、光の入射角度依存性によって軸ずれが発生する場合がある。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、偏光素子を通過した偏光光を用いて、基材と、基材上に設けられ光学設計に基づいた所望の分子方向配列をもつ光配向膜とを有する液晶表示装置用光学素子を精度良く製造することができる液晶表示装置用光学素子の製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、表面に光配向性材料を含む光配向膜が形成された基材を載置するステージと、ステージ上方に配置され、光を照射する光源と、回転自在に配置され、光源からの光を偏光光としこの偏光光によりステージ上の基材の光配向膜を照射して光配向膜に所望の分子方向配列をもたせる第１偏光素子と、ステージ側に設けられ、光配向膜および基材を透過した偏光光が到達する第２偏光素子と、第２偏光素子の裏面に設けられた受光器と、受光器に接続され、第１偏光素子を回動させる駆動制御部とを備え、駆動制御部は受光器からの信号に基づいて、第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子の透過軸との間の角度差が所定値をもつよう第１偏光素子を回転させることを特徴とする液晶表示装置用光学素子の製造装置である。

本発明は、駆動制御部は第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子の透過軸との間の角度差が９０°となるよう第１偏光素子を回転させることを特徴とする液晶表示装置用光学素子の製造装置である。

本発明は、駆動制御部は第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子の透過軸との間の角度差が０°となるよう第１偏光素子を回転させることを特徴とする液晶表示装置用光学素子の製造装置である。

本発明は、第２偏光素子はステージに、回転自在に取付けられていることを特徴とする液晶表示装置用光学素子の製造装置である。

本発明は、基材および光配向膜は、有効領域と非有効領域とを有し、第２偏光素子および受光器はこの非有効領域に対応する位置に設けられていることを特徴とする液晶表示装置用光学素子の製造装置である。

以上のように本発明によれば、基材と基材上に設けられた光配向膜とを有し、かつこの配向膜が光学設計に基づいた所望の分子方向配列をもつ液晶表示装置用光学素子を精度良く確実に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１乃至図４は本発明による液晶表示装置用光学素子の製造装置を示す図であり、まず、図２により一般的な垂直配向モードの液晶表示装置を示す。図２（ａ）（ｂ）に示すように、液晶表示装置１５は一対の液晶表示装置用光学素子１６ａ，１６ｂと、この一対の液晶表示装置用光学素子１６ａ，１６ｂ間に設けられた液晶１７とを備えている。

このうち一方（下方）の光学素子１６ａは、ガラス基板等の基材３と、基材３の一方の面に設けられた光配向性材料を含む光配向膜７と、基材３の他方の面に設けられた偏光板１８とを有している。

また他方（上方）の光学素子１６ｂは、ガラス基板等の基材３と、基材３の一方の面に設けられた光配向性材料を含む光配向膜７と、基材３の他方の面に設けられた光学補償層８とを有している。

さらに光学素子１６ｂは、光学補償層８上に設けられた偏光板１８を有している。

次に図２（ｂ）により光学素子１６ｂの光学補償層８について説明する。図２（ｂ）に示すように、光学補償層８はガラス基板等の基材８ｄと、基材８ｄ上に設けられ一定の分子配向配列を有する光配向膜８ａと、光配向膜８ａ上に設けられた液晶層８ｂと、液晶層８ｂ上に設けられた液晶層８ｃとを有している。

各光学素子１６ａ，１６ｂを作製する場合、基材３の一方の面に例えばカルコン、クマリン、ポリビニルシンナメート、ポリイミド、アゾベンゼン等の光配向性材料を含む光配向膜（文献名、ＬＣＤにおける最新配向技術）７を形成し、この光配向膜７に対して後述する液晶表示装置用光学素子の製造装置により偏光光を照射している。

また図２（ａ）において、液晶１７を挟んで上方の基材３および光配向膜７から下方の光配向膜７および基材３まで、すなわち、上方から順に基材３、光配向膜７、液晶１７、光配向膜７および基材３により液晶セル１７ａが構成されている。

次にこのような光学素子１６を製造するための液晶表示装置用光学素子１６の製造装置について説明する。図１に示すように、液晶表示装置用光学素子の製造装置は、表面に光配向性材料を含む光配向膜７が形成されたガラス基板等の基材３を載置するステージ４と、ステージ４上方に配置され光を照射する光源１と、光源１とステージ４との間に回転自在に配置された第１偏光素子２と、ステージ４上であって光配向膜７および基材３の下方に配置された第２偏光素子５とを備えている。

このうち、第１偏光素子２と第２偏光素子５は、いずれもフィルム状偏光素子、偏光ビームスプリッター、ＰＢＳ（プルースター角の一つまたはそれ以上のプレートからなる）、異方性吸収媒体、反射面、または散乱媒体からなるが、その他、第１偏光素子２および第２偏光素子５として、ワイヤーグリッドのようなものが挙げられる。

また第１偏光素子２は、光源１からの光を偏光光とし、この偏光光によりステージ４上の基材３の光配向膜７を照射して、光配向膜７に所望の分子方向配列をもたせるようになっている。さらにこの第１偏光素子２は、駆動制御部９により回転するようになっている。

さらに第２偏光素子５の裏面側に受光器６が設けられ、この受光器６は駆動制御部９に接続されている。駆動制御部９は、受光器６からの信号に基づいて第１偏光素子２の透過軸と第２偏光素子５の透過軸との間の角度差が所定値、例えば９０°または０°となるよう第１偏光素子２を回転駆動するようになっている。

さらにまた、ステージ４上に設けられた第２偏光素子２も、ステージ４上において回転するようになっている。

なお、図３および図４に示すように、ステージ４上に設けられた基材３および光配向膜７は、最終的にディスプレイとなったとき画像表示される有効領域１１と、それ以外の非有効領域１２とを有している。ここで図３は基材３および光配向膜７が１つの有効領域１１をもつ一面付けの基材３および光配向膜７の例を示す平面図であり、図４は基材３および配向膜７が２つの有効領域１１をもつ二面付けの基材３および光配向膜７の例を示す平面図である。

図３および図４に示すように、第２偏光素子５および受光器６は、平面において、基材３および光配向膜７のうち、非有効領域１２に対応する位置に設けられていることが好ましい。

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

まず、ステージ４上に、一方の面に光配向膜７が形成された基材３を載置する。次にステージ４側の第２偏光素子５を回転させ、この第２偏光素子５の透過軸の方向が基材３上に設けられた光配向膜７に形成される所望の分子方向配列に対して０°または９０°となるように調整する。

次に光源１からの光を照射し、光源１からの光を第１偏光素子２を通して偏光光とする。次に第１偏光素子２からの偏光光を、ステージ４上に配置された基材３上の光配向膜７に向って照射する。このとき、第１偏光素子２からの偏光光は、光配向膜７および基材３を経て第２偏光素子５に到る。

第２偏光素子５の背面には受光器６が設けられており、受光器６からの信号が駆動制御部９に送られる。

駆動制御部９は、受光器６で受光した光の強度が最小のとき、すなわち受光器６によりほとんど光を受光しないとき、第１偏光素子２の透過軸と第２偏光素子５の透過軸との間の角度差が９０°であると判断し、受光器６で受光した光の強度が最大のとき、第１偏光素子２の透過軸と第２偏光素子５の透過軸との間の角度差が０°であると判断する。

駆動制御部９は、第１偏光素子２の透過軸と第２偏光素子５の透過軸との間の角度差が、９０°または０°となるよう、第１偏光素子２を回転させる。

この状態で第１偏光素子２からの偏光光を基材３上の光配向膜７に対して照射することにより、光配向膜７に所望の分子方向配列をもたせることができる。

このようにして上記光学素子の製造装置を用いて、偏光光により基材３上の光配向膜７を照射して光配向膜７に所望の分子方向配列をもたせる。その後、基材３の他方の面に偏光板１８を形成する。このようにして液晶表示装置用光学素子１６ａを得ることができる。

同様にして基材３の一方の面に形成された光配向膜７を照射して光配向膜７に所望の分子方向配列をもたせ、基材３の他方の面に光学補償層８および偏光板１８を順次設けて液晶表示装置用光学素子１６ｂを得る。

次に本発明の実施例について述べる。

まずステージ４と、第１偏光素子２と、光源１とを有する自動露光機（ＫＰ−５００２型、ウシオ電機製）を準備する。次にこのステージ４上に第２偏光素子５となるフィルム状偏光素子をその透過軸がＸ軸方向（⇔、９０°方向とする）になるように設置した。

本実施例において、第１偏光素子２の透過軸が０°方向を向くとき、第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子５の透過軸との角度差は９０°となる。

この間、第２偏光素子５の裏面に設けられた受光器６としての照度計により３６５ｎｍの波長の照度を測定して透過強度を求めた。そして照度が０ｍＷ／ｃｍ^２となるよう駆動制御部９により第１偏光素子２を１°ずつ回転させた。

この状態で第１偏光素子２からの偏光光をステージ４上に設けた基材３の一方の面に形成された光配向膜７に照射する。このことにより光配向膜７に所望の分子方向配列をもたせることができる。次に基材３の他方の面に光学補償層８および偏光板１８を設けた。このようにして光学素子１６ｂを作製した。

他方、第１偏光素子２を回転調整することなく第１偏光素子２からの偏光光を基材３の一方の面に形成された光配向膜７に照射した後、基材３の他方の面に光学補償層８および偏光板１８を設けて比較例としての光学素子を作製した。

（基材および配向膜）
適当な洗浄処理をほどこした基材３としてのガラス基板（１７３７材、コーニング社製）上に、フレキソ印刷により配向膜７を６００Åの厚さで形成した。次に光配向膜７に対して本発明による場合と、比較例による場合にわけて、偏光光を５Ｊ／ｃｍ^２照射し、光配向膜７に一軸性の異方性を付与した。

本発明では基材３としてガラス基板を用いているが、本発明はガラス基板にのみ限定されるものではない。基材３としてポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、トリアセチルセルロールなどからなるプラスチック基板を用いてもよく、またポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリプロプレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルケトンなどのフィルムを用いることもできる。

（光学補償層の形成）
光学補償層８は上述のように光配向膜８ａ、液晶層８ｂ、８ｃを含む多層構造となっている。このうち光配向膜８ａは以下のようにして作製される。

インキの調整
液晶材料として、紫外線照射により硬化が可能なアクリレート基を有するＲＭＭ３４（メルク社製）を用いた。溶剤としてプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートに２０重量部のＲＭＭ３４を溶解し、位相差層用インキとした。

光学補償層の光配向膜８ａ
調整したインキを、スピンコーティング法を用いて基材８ｄ上に塗布した。なお本実施例ではスピンコーティング法を適用したが、基材８ｄ上に均一に塗布が可能であればこれに限られる訳ではなく、ダイコーティング、スリットコーティング、およびこれらを組み合わせた手法であってもよく、特に限定されない。

続いて調整インキが塗布された基材８ｄが、ホットプレート上で１００℃、５分間加熱され、残存溶剤を除去し液晶構造を発現させた。紫外線照射を行い（５００ｍＪ／ｃｍ２、３６５ｎｍ）、液晶構造を固定化して光学補償層８の配向膜８ａを形成した。

（測定）
上述のようにして得られた本発明による光学素子と、比較例としての光学素子の透過軸のズレをアペック製スゴニオフォトメーター（変角光度計自動測定装置）を用いて測定した。この測定方法は具体的には２枚のＴ字状に配置した偏光子の間でサンプルを回転したときの透過強度を測定するものである。

この結果、本発明により製造された光学素子はほとんど透過軸のズレがみられなかった。

なお、上記実施の形態において、本発明による液晶表示装置用光学素子の製造装置１０を用いて、基材３の一方の面に形成された光配向膜７に対して光を照射することにより、光配向膜７に対して所望の分子方向配列をもたせた例を説明した。

しかしながら、この液晶表示装置用光学素子の製造装置１０を用いて、光学補償層８の基材８ｄに光配向膜８ａを形成しておき、この配向膜８ａに対して光を照射することにより、光配向膜８ａに対して所望の分子方向配列をもたせてもよい。

また、基材３の一方の面に形成された光配向膜７に対して光を照射することにより光配向膜７に対して所望の分子方向配列をもたせた例を説明したが、基材３の一方の面にカラーフィルタを介して光配向膜７を形成し、この光配向膜７に対して光を照射して所望の分子方向配列をもたせてもよい。

本発明による液晶表示装置用光学素子の製造装置の一実施の形態を示す図。液晶表示装置を示す概略図。第２偏光素子および受光器の配置位置を示す平面図。第２偏光素子および受光器の配置位置を示す平面図。

符号の説明

１光源
２第１偏光素子
３基材
４ステージ
５第２偏光素子
６受光器
７光配向膜
８光学補償層
９駆動制御部
１０光学素子の製造装置
１５液晶表示装置

Claims

表面に光配向性材料を含む光配向膜が形成された基材を載置するステージと、
ステージ上方に配置され、光を照射する光源と、
回転自在に配置され、光源からの光を偏光光としこの偏光光によりステージ上の基材の光配向膜を照射して光配向膜に所望の分子方向配列をもたせる第１偏光素子と、
第１偏光素子に対してステージ側に設けられ、基材上に設けられた光配向膜に形成される分子方向配列に対して０°または９０°の方向を向く透過軸を有し、光配向膜および基材を透過した偏光光が到達する第２偏光素子と、
第２偏光素子の裏面に設けられた受光器と、
受光器に接続され、第１偏光素子を回動させる駆動制御部とを備え、
駆動制御部は受光器からの信号に基づいて、第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子の透過軸との間で角度差をもつよう第１偏光素子を回転させ、駆動制御部は受光器で受光した光の強度が最小のとき、第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子の透過軸との間の角度差が９０°と判断し、受光器で受光した光の強度が最大のとき、第１偏光素子の透過軸と第２偏光素子の透過軸との間の角度差が０°であると判断することを特徴とする液晶表示装置用光学素子の製造装置。
第２偏光素子はステージに、回転自在に取付けられていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置用光学素子の製造装置。
基材および光配向膜は、有効領域と非有効領域とを有し、第２偏光素子および受光器はこの非有効領域に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置用光学素子の製造装置。