JP4603387B2 - 液晶表示装置用光学素子の製造装置 - Google Patents

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、一対の光学素子と、一対の光学素子間に設けられた液晶セルとを備えている。このうち光学素子は基材と、基材の一方の面に設けられた光配向膜と、基材の他方の面に設けられ液晶表示素子補償板、液晶表示素子用視野角改良板、光学位相差板、旋光子、λ／４板、λ／２板などを含む光補償層とを有し、このことにより、より広視野角を得ることができる。特に広視野角を必要とするＴＶ用途の大型ディスプレイにおいては光学素子は不可欠な部材である。これらの光学素子は液晶分子を特定の方向に配向・固定化させて作製するものであり、基材に塗膜した光配向膜上を配向処理する必要がある。

通常配向処理としては、ガラスなどの基板にポリイミドなどの高分子膜を設け、これを布などで一方向に摩擦するラビング法が用いられる。これにより、基板に接する液晶分子は、その長軸（ダイレクタ）がラビングの方向に平行又は垂直になるように配列される。ラビング法は製造工程において静電気や埃が発生するため、配向処理後に洗浄工程が必要となるとともに、特に近年多く用いられているＴＦＴ（薄層トランジスタ）方式の液晶セルでは静電気によりＴＦＴ素子が破壊され、製造における歩留まりを下げる原因になっている。

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光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１および２）。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３)。

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４）。
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４において、光の入射角が０°に近い光軸近傍では所望の偏光光が得られるが、光照射領域の外周部に向かうに従って入射角度が小さくなり、光の入射角度によっては、外周部では無偏光光の光の成分が多くなり、光配向膜において特定方向以外のポリマも反応する為、照射面内の中心部と外周部で軸ズレが生じる。さらに、偏光素子の構成条件や光の入射角度により偏光素子の外周部で偏光方向が変化する場合がある。例えば、１５枚の石英ガラスから構成される偏光素子に発散光が入射した場合、光照射領域の両側においては、最大６°偏光方向が傾くことがある。

ここで、光配向膜に光学異方性付与する場合について説明する。液晶表示装置用光学素子の製造にあたって、液晶表示装置の１画面分のサイズに応じて、また製造コスト削減の為に、１枚の大型ガラス基板に配向処理済の光配向膜を多面付けで形成することがある。特に近年のＬＣＤ画面の大型化に伴い、大型基板上にさらなる多面付けにより配向処理済の光配向膜を形成して効率向上を図っている。第６世代といわれる基板サイズは１６００×１８００ｍｍ、第７世代では２０００×２０００ｍｍの大きさになる。大型基板は通常、その面付け数や位置によって、Ｘ軸またはＹ軸方向の１軸又は２軸方向に基板を移動させている。

しかしながら基板サイズを大型化すると、一枚の基板内で配向処理済の光配向膜を均一に多数形成することはむずかしい。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、一枚の基材内に配向処理済光配向膜を多面付けで形成することができ、かつ各配向処理済光配向膜が同一の配向方向をもった液晶表示装置用光学素子を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、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配向膜に所望の分子方向配向をもたせる偏光素子と、ステージと偏光素子との間に配置された開口を有するマスクとを備え、マスクの開口の中心は偏光素子からの偏光光の中心に一致し、ステージはステージ駆動部によりマスクの開口に対して相対的に移動し、ステージ上の基材の所望位置に配向処理済光配向膜を多面付けで複数形成し、ステージ側に、光配向膜および基材を透過した偏光光が到着する追加偏光素子を設けるとともに、追加偏光素子の裏面に受光器を設け、受光器に偏光素子を回動させる駆動制御部を接続し、この駆動制御部は受光器からの信号に基づいて、偏光素子の透過軸と追加偏光素子の透過軸との間の角度差が所定値をもつよう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、駆動制御部は偏光素子の透過軸と、追加偏光素子の透過軸との間の角度差が９０°となるよう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、駆動制御部は偏光素子の透過軸と、追加偏光素子の透過軸との間の角度差が０°となるよう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、追加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。

以上のように本発明によれば、基板上に多面付けにて配向処理済配向膜を形成することができ、かつ各配向処理済配向膜が同一の配向方向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９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（ａ）（ｂ）に示すように、垂直配向モードの液晶表示装置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、アド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偏光素子（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追加偏光素子（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。

また、ステージ４と第１偏光素子２との間には、開口２０ａを有するマスク２０が配置されている。この場合、マスク２０の開口２０ａの中心は、第１偏光素子２からの偏光光の中心に一致している。さらにステージ４はステージ駆動部４ａにより、マスク２０の開口２０ａに対して平面からみてＸ方向およびＹ方向に相対的に移動することができる（図３乃至図９参照）。

図３乃至図９において、Ｙ方向は基材３の搬送方向に一致し、Ｘ方向は基材３の搬送方向に直交する方向となっている。

光源１からの光が第１偏光素子２を透過して得られる偏光光は、ステージ４上において、有効照射エリア２１を有する。有効照射エリア２１のうち中央部分は偏光光の軸ずれが少ない中央エリア２１ａとなっている（図９参照）。ここで、図９は偏光光の軸分布を示す図である。

ステージ４は上述のようにステージ駆動部４ａによって平面からみてＸ方向およびＹ方向に移動し、このことにより光源１、第１偏光素子２、およびマスク２０の開口２０ａに対して相対的にＸ方向およびＹ方向に移動する。

このようにして、第１偏光素子２およびマスク２０の開口２０ａを透過した偏光光の中央エリア２１ａをステージ４上の基材３の所望位置にもってくることができ、基材３の所望位置において偏光光の中央エリア２１ａを利用して光配向膜７に対して後述する配向処理を施して配向処理済光配向膜７ａを形成することができる。

本実施の形態において、ステージ４をＸ方向およびＹ方向に移動させることにより、ステージ４上に載置された１枚の基材３上の光配向膜７に、Ｘ方向およびＹ方向に各々複数並んだ配向処理済光配向膜７ａを形成することができる。この場合、各配向処理済光配向膜７ａの分子方向配向は互いに同一方向を向くことになる。

このようにして、基材３上の光配向膜７に複数の配向処理済光配向膜７ａを多面付けにて形成することにより、多面付けされた多面付け光学素子１６Ａが得られる。このようにして形成された多面付け光学素子１６Ａは、後工程において配向処理済光配向膜７ａ毎に切断されて光学素子１６ａが得られる。

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、マスク２０の開口２０ａを経てステージ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からの偏光光をマスク２０の開口２０ａを経て基材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に対して配向処理を施し、配向膜７に所望の分子方向配列をもった配向済光配向膜７ａを形成することができる。

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の所望位置に所望の分子方向配列をもった複数の多面付けされた配向処理済光配向膜７ａを形成する。その後、基材３の他方の面に光学補償層８を形成して多面付け光学素子１６Ａを形成する。次に多面付け光学素子１６Ａを各々の配向処理済光配向膜７ａ毎に切断することにより光学素子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を照射して配向処理済光配向層７ａを形成し、基材３の他方の面に光補償層８および偏光板１８を順次設けて多面付け光学素子１６Ａを形成し、配向処理済光配向膜７ａ毎に切断して光学素子１６ｂを得る。

次に光配向膜７に対して偏光光を照射することにより光配向膜７の所望位置に複数の配向処理済光配向膜７を形成する作用について詳述する。

上述のように第１偏光素子２およびマスク２０の開口２０ａを透過した偏光光はステージ４上において有効照射エリア２１を有し、また有効照射エリア２１の中央部分は偏光光の軸ずれが少ない中央エリア２１ａとなる（図３）。

そこでステージ４上に載置された基材３の所望位置がこの中央エリア２１ａに対応する位置にくるようステージ駆動部４ａによりステージ４をＸ方向およびＹ方向に移動させる。

まず基材３上にＸ方向に２つの配向処理済配向膜７ａを形成する場合について述べる。

はじめにステージ４上の基材３は、その中央部分が中央エリア２１ａに対応する位置にある（図４）。

次にステージ４をＸ方向左方に移動させ、基材３の右側部分が中央エリア２１ａに対応する位置にくるようにし、この状態で偏光光を照射して基材３の右側部分に配向処理済光配向膜７ａを形成する（図５（ａ））。

次にステージ４をＸ方向右方に移動させ、基材３の左側部分が中央エリア２１ａに対応する位置にくるようにし、この状態で偏光光を照射して基材３の左側部分に配向処理済光配向膜７ａを形成する（図５（ｂ））。

このようにして基材３上にＸ方向に並んだ２つの配向処理済光配向膜７ａを形成することができる。

次に基材３上にＹ方向に２つの配向処理済光配向膜７ａを形成する場合について述べる。

まずステージ４がＹ方向の後方にあって、基材３の前方部分が中央エリア２１ａに対応する位置にくるようにし、この状態で偏光光を照射して基材３の前方部分に配向処理済光配向膜７ａを形成する（図６（ａ））。

次にステージ４をＹ方向前方に移動させ、基材３の後方部分が中央エリア２１ａに対応する位置にくるようにし、この状態で偏光光を照射して基材３の後方部分に配向処理済光配向膜７ａを形成する（図６（ｂ））。

このようにして基材３上にＹ方向に並んだ２つの配向処理済光配向膜７ａを形成することができる。

次に基材３上にＸ方向に２つ、Ｙ方向に３つの配向処理済光処理膜７ａを形成する場合について述べる。

図７（ａ）（ｂ）に示すように、第１偏光素子２およびマスク２０の開口２０ａを透過した偏光光は、中央に中央エリア２１ａを有する有効照射エリア２１をもっている。そこで、ステージ４をＸ方向およびＹ方向に順次移動させ、基材３の所望位置を中央エリア２１ａに対応する位置までもってきて、基材３上の光配向膜７に対して偏光光を照射させることにより、基材３上にＸ方向に２つ、Ｙ方向に３つ並んだ配向処理済光配向膜７ａを形成することができる。

同様にして、図８に示すように、基材３上にＸ方向に３つ、Ｙ方向に２つ並んだ配向処理済光配向膜７ａを形成することができる。

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からの偏光光をマスク２０の開口２０ａを経てステージ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の所望位置に所望の分子方向配列をもった複数の配向処理済光配向膜７ａを多面付けで形成する。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。このようにして多面付けの光学素子１６Ａ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多面付け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、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させ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配向膜７に対して光を照射することにより、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、光補償層８の基材８ｄに光配向膜８ａを形成しておき、この光配向膜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。 偏光光の有効照射エリアを示す平面図。 偏光光の有効照射エリアと基材との配置関係を示す平面図。 基材にＸ方向に並んだ配向処理済配向膜を形成する平面図。 基材にＹ方向に並んだ配向処理済配向膜を形成する平面図。 基材にＸ方向およびＹ方向に並んだ配向処理済配向膜を形成する平面図。 基材にＸ方向およびＹ方向に並んだ配向処理済配向膜を形成する平面図。 偏光光の有効照射エリア内の軸分布を示す図。

符号の説明

１ 光源
２ 第１偏光素子
３ 基材
４ ステージ
４ａ ステージ駆動部
５ 第２偏光素子
６ 受光器
７ 光配向膜
７ａ 配向処理済光配向膜
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
１６ 光学素子
１６ａ 多面付け光学素子
２０ マスク
２０ａ 開口
２１ 有効照射エリア
２１ａ 中央エリア

Claims (4)

1. 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、
   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配向膜に所望の分子方向配向をもたせる偏光素子と、
   ステージと偏光素子との間に配置された開口を有するマスクとを備え、
   マスクの開口の中心は偏光素子からの偏光光の中心に一致し、
   ステージはステージ駆動部によりマスクの開口に対して相対的に移動し、ステージ上の基材の所望位置に配向処理済光配向膜を多面付けで複数形成し、
   ステージ側に、光配向膜および基材を透過した偏光光が到着する追加偏光素子を設けるとともに、追加偏光素子の裏面に受光器を設け、
   受光器に偏光素子を回動させる駆動制御部を接続し、
   この駆動制御部は受光器からの信号に基づいて、偏光素子の透過軸と追加偏光素子の透過軸との間の角度差が所定値をもつよう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。
2. 駆動制御部は偏光素子の透過軸と、追加偏光素子の透過軸との間の角度差が９０°となるよう偏光素子を回転させ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。
3. 駆動制御部は偏光素子の透過軸と、追加偏光素子の透過軸との間の角度差が０°となるよう偏光素子を回転させ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。
4. 追加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。

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