JP2001142076A

JP2001142076A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2001142076A
Application number: JP32426199A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Manabe; 敦行真鍋; Takeshi Yamamoto; 武志山本; Natsuko Maya; 奈津子磨矢; Hitoshi Hado; 仁羽藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】表示品位の低下を防止することが可能な液晶表
示装置を提供することを目的とする。【解決手段】一主面上に形成された配線部を有するアレ
イ基板１００と、アレイ基板１００に対向配置された対
向基板２００と、アレイ基板１００と対向基板２００と
の間に所定のギャップを形成する柱状スペーサ１４０
と、柱状スペーサ１４０によって形成された所定のギャ
ップに配置された液晶層３００と、を備えた液晶表示装
置において、液晶表示装置に荷重を加えたときにギャッ
プムラが発生する耐荷重が２ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であっ
て、且つ、液晶表示装置を−４０℃に冷却して衝撃を加
えた際に柱状スペーサ１４０周辺に発生した空隙が消滅
するまでの所要時間が４０秒以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液晶表示装置に
係り、特に、一対の基板間に所定のギャップを形成する
ための柱状スペーサの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は、電極を有する一対のア
レイ基板と対向基板との間に挟持された液晶組成物を備
えている。この一対の基板間の距離を一定に保持するた
めに、粒径の均一なプラスティックビーズをスペーサと
して基板間に散在させている。

【０００３】このような液晶表示装置では、スペーサを
基板上に散布して製造するため、スペーサが製造ライン
を汚染するパーティクルとなり、不良発生の原因とな
る。また、画素部に存在するスペーサは、配向不良発生
の原因となる。さらに、凝集したスペーサ塊または散布
密度の不均一は、一対の基板間に形成されるギャップを
不均一化する不具合を生じさせる。

【０００４】このため、アレイ基板上の所定位置に柱状
のスペーサをフォトリソグラフィ工程によって形成する
ことが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】柱状スペーサは、その
硬さが軟らかい場合、液晶表示装置としてモジュール化
した際に荷重に対して塑性変形しやすく、ギャップムラ
を生じやすい。すなわち、柱状スペーサは、その高さ方
向から所定の荷重を加られた場合、高さ方向に収縮する
ように変形し、荷重が開放されると、ある程度の弾性に
よって変形が回復する。しかし、軟らかい柱状スペーサ
の場合、回復しきれない塑性変形が生じる。このような
柱状スペーサを有する液晶表示装置では、ギャップが不
均一となり、表示品位が低下する。

【０００６】一方、柱状スペーサは、その硬さが硬い場
合、モジュール化された液晶表示装置を所定の温度に冷
却した後に衝撃を加えると、液晶組成物の体積減少に瞬
時に追従できず、柱状スペーサの近傍に低温泡、すなわ
ち真空な空隙が形成される。この低温泡は、時間の経過
とともに、次第に柱状スペーサが液晶組成物の体積減少
分に対応して変形するため、消滅する。この低温泡の発
生から消滅までの所要時間は、短いことが望ましく、こ
の所要時間が長い場合には、表示品位が低下する。

【０００７】このように、柱状スペーサの硬さが軟らか
いほど、小さな荷重に対してギャップムラが生じやす
く、また、硬さが硬いほど、低温泡の発生から消滅まで
の時間が長くなる。

【０００８】また、画面の総面積に対する柱状スペーサ
の密度についても同様であって、密度が小さいほど、小
さな荷重に対してギャップムラが生じやすく、また、密
度が大きいほど、低温泡の発生から消滅までの時間が長
くなる。

【０００９】この発明は、上述した問題点に鑑みなされ
たものであって、その目的は、表示品位の低下を防止で
きる液晶表示装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、請求項１に記載の液晶表示装置は、第
１基板と、前記第１基板に対向配置された第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に所定のギャップを
形成する柱状スペーサと、前記柱状スペーサによって形
成された前記第１基板と前記第２基板との間の所定のギ
ャップに配置された液晶組成物と、を備えた液晶表示装
置において、前記液晶表示装置に荷重を加えたときにギ
ャップムラが発生する耐荷重が２ｋｇｆ／ｃｍ^２以上で
あって、且つ、前記液晶表示装置を−４０℃に冷却して
衝撃を加えた際に前記柱状スペーサ周辺に発生した空隙
が消滅するまでの所要時間が４０秒以下であることを特
徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の液晶表示装置の
一実施の形態について図面を参照して説明する。

【００１２】図１乃至図３に示すように、第１の実施の
形態にかかる液晶表示装置は、第１基板としてのアレイ
基板１００と、アレイ基板１００に対して所定の間隔を
おいて対向配置された第２基板としての対向基板２００
と、アレイ基板１００と対向基板２００との間の所定の
ギャップに保持された液晶組成物を含む液晶層３００と
を有している。

【００１３】アレイ基板１００は、透明な絶縁性基板、
すなわちガラス基板１０１上に配置された複数の走査線
１０３、これらの走査線１０３に直交するように配置さ
れた信号線１０５、走査線１０３と信号線１０５との交
差部近傍に配置されたスイッチング素子としての薄膜ト
ランジスタすなわちＴＦＴ１１０などの配線部を備えて
いる。また、アレイ基板１００は、走査線１０３及び信
号線１０５等の配線部によって区画された画素領域に設
けられているとともに、ＴＦＴ１１０を介して信号線１
０５に接続された透明導電性部材としてのＩＴＯによっ
て形成された画素電極１２０を備えている。

【００１４】走査線１０３及び信号線１０５の配線部
は、アルミニウムやモリブデン−タングステンなどの遮
光性を有する低抵抗材料によって形成されている。

【００１５】ＴＦＴ１１０は、ガラス基板１０１上に配
置された、チャネル領域１１２Ｃ、ソース領域１１２
Ｓ、及び、ドレイン領域１１２Ｄを有するポリシリコン
薄膜１１２と、ゲート絶縁膜１１３を介して走査線１０
３からチャネル領域１１２Ｃ上に延出されたゲート電極
１１４と、ゲート絶縁膜１１３及び層間絶縁膜１１５を
貫通してポリシリコン薄膜１１２のソース領域１１２Ｓ
にコンタクトするとともに信号線１０５と一体に形成さ
れたソース電極１１６Ｓと、ゲート絶縁膜１１３及び層
間絶縁膜１１５を貫通してポリシリコン薄膜１１２のド
レイン領域１１２Ｄにコンタクトするドレイン電極１１
６Ｄと、を備えている。

【００１６】アレイ基板１００は、さらに、層間絶縁膜
１１５上、及びＴＦＴ１１０などの配線部上に、各画素
領域毎に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）にそれぞれ着
色されたカラーフィルタ層１３０（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を備え
ている。

【００１７】ドレイン電極１１６Ｄは、カラーフィルタ
層１３０に形成されたスルーホール１１８を介して画素
電極１２０に電気的に接続されている。アレイ基板の表
面には、ＴＦＴ１１０や画素電極１２０を覆うように配
向膜１６０が設けられている。

【００１８】図２及び図３に示すように、対向基板２０
０は、透明な絶縁性基板、すなわちガラス基板２０１上
に配置された透明導電性部材としてのＩＴＯによって形
成された対向電極２０３を備えている。対向電極２０３
の表面は、液晶分子３１０を基板に対して垂直な方向に
配向する配向膜２０７によって覆われている。

【００１９】これらのアレイ基板１００及び対向基板２
００は、柱状のスペーサ１４０によって所定の間隙を形
成した状態で図示しないシール材によって貼り合わされ
る。液晶層３００は、このアレイ基板１００と対向基板
２００との間に形成された所定のギャップに封入され
る。

【００２０】また、アレイ基板１００及び対向基板２０
０の外表面には、偏光方向が互いに直交するように配置
された偏光板１７０、２１０がそれぞれ配置されてい
る。

【００２１】図１及び図３に示すように、遮光性を有す
る配線部上には、顔料を含有する感光性のカーボンレス
黒色樹脂によって形成された柱状のスペーサ１４０が設
けられている。

【００２２】次に、この液晶表示装置の製造方法につい
て説明する。

【００２３】すなわち、厚さ０．７ｍｍのガラス基板１
０１上に、成膜とパターニングとを繰り返し、走査線１
０３と、信号線１０５と、ポリシリコン薄膜１１２の半
導体層を有するＴＦＴ１１０と、を形成する。

【００２４】続いて、スピンナーにより、赤色の顔料を
分散させた紫外線硬化性アクリル樹脂レジストを基板全
面に塗布し、赤色画素に対応した部分に光が照射される
ようなフォトマスクを介して３６５ｎｍの波長で１００
ｍＪ／ｃｍ^２照射し、所定の現像液によって５０秒間現
像し、赤色のカラーフィルタ層１３０Ｒを形成する。

【００２５】続いて、同様に、緑色のカラーフィルタ層
１３０Ｇ、青色のカラーフィルタ層１３０Ｂを形成し、
それぞれ２３０℃で１時間焼成する。このときのカラー
フィルタ層１３０（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の膜厚は、それぞれ３
μｍである。このカラーフィルタ層１３０の形成工程で
は、ＴＦＴ１１０と画素電極１２０とをコンタクトする
スルーホール１１８も同時に形成する。

【００２６】続いて、スパッタリング法により、ＩＴＯ
を成膜し、所定の画素パターンにパターニングすること
により、ＴＦＴ１１０にコンタクトした画素電極１２０
を形成する。

【００２７】続いて、スピンナーにより、この基板表面
に、０．０５乃至０．２μｍの粒径の顔料粒子を含有す
る感光性のカーボンレス黒色樹脂を６μｍの厚さに塗布
する。そして、９０℃で１０分間乾燥した後、所定のパ
ターン形状フォトマスクを用いて、３６５ｎｍの波長
で、５００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量で露光する。そして、
ｐＨ１１．５のアルカリ水溶液により現像することによ
って、柱形状を形成する。そして、昇温速度２００℃／
ｍｉｎで２２０℃に昇温することで、柱をメルトさせ、
さらにこの温度を６０分間維持することによって完全に
硬化させる。これにより、遮光性の配線部上の所定位置
に、高さ５μｍの遮光性の柱状スペーサ１４０を形成す
る。柱を硬化させる際に、例えば、昇温速度を制御する
ことにより、柱のメルト性を制御することが可能とな
る。

【００２８】続いて、基板全面に、配向膜材料を５００
オングストロームの膜厚で塗布し、焼成した後、ラビン
グ処理を行い、配向膜１６０を形成する。

【００２９】一方、厚さ０．７ｍｍのガラス基板２０１
上に、対向電極２０３と、配向膜２０７とを備えた対向
基板２００を形成する。

【００３０】続いて、対向基板２００の配向膜２０７の
周辺に沿って接着剤を注入口を除いて印刷し、アレイ基
板１００から対向電極２０３に電圧を印加するための電
極転移材を接着剤の周辺の電極転移電極上に形成する。

【００３１】続いて、それぞれの配向膜１６０及び２０
７が対向するように、且つ、それぞれのラビング方向が
９０度となるように、アレイ基板１００及び対向基板２
００を配置し、加熱して接着剤を硬化させ、両基板を貼
り合わせる。

【００３２】続いて、注入口から液晶組成物を注入し、
この注入口を紫外線硬化樹脂によって封止する。

【００３３】以上のような製造方法によって液晶表示装
置が形成される。

【００３４】ところで、この液晶表示装置に適用される
柱状スペーサ１４０は、以下のようにして規定された硬
さ及び密度で配置されている。

【００３５】この実施の形態では、柱状スペーサ１４０
の硬さを塑性変形量で規定している。この塑性変形量
は、以下のような測定方法によって計測される。すなわ
ち、図４の（ａ）に示すように、高さが５μｍ、底面が
直径１８μｍの円形、及び上面が直径１２μｍの円形の
略円錐台形の柱状スペーサ１４０に対して、その高さ方
向から直径５０μｍの円板４０１により荷重を加える。
このとき、円板４０１により、１個の柱状スペーサ１４
０に対して加える荷重を図４の（ｂ）に示すように増加
させ、３ｇｆ／ｃｍ^２で１５乃至２０秒間保持した後、
荷重を開放する。

【００３６】このときの柱状スペーサ１４０の変形量、
すなわちその高さ方向の収縮量は、荷重を増加させた時
に増大し、所定時間保持している間に飽和する。そし
て、開放された際に、柱状スペーサ１４０の弾性によ
り、ある程度の変形量Ａは回復するが、回復しきれない
変形量Ｂが存在する。この変形量Ｂを塑性変形量として
定義する。

【００３７】塑性変形量が大きい場合、柱状スペーサ１
４０の硬さが軟らかいことを示し、塑性変形量が小さい
場合、柱状スペーサ１４０の硬さが硬いことを示す。

【００３８】次に、所定の塑性変形量を有する柱状スペ
ーサを用いた液晶表示装置において、２つの試験を試み
た。

【００３９】第１の試験では、柱状スペーサの密度
（％）に対する液晶表示装置の耐荷重（ｋｇｆ／ｃ
ｍ^２）の関係を測定した。図５に、この試験結果を示
す。ここで、柱状スペーサの密度は、液晶表示装置の画
面の総面積に対する柱状スペーサが占める面積の割合で
あり、耐荷重は、液晶表示装置の画面を押したときにギ
ャップムラが生じる単位面積当たりの荷重である。な
お、耐荷重は、３ｋｇｆ／ｃｍ^２を測定限度とした。ま
た、この発明でいうギャップムラとは、表示の乱れが視
認される程度のものをいう。

【００４０】図５において、Ｘ１は、塑性変形量が０．
１５μｍの場合の測定結果を示し、Ｙ１は、塑性変形量
が０．６μｍの場合の測定結果を示している。これらの
測定結果から、塑性変形量が小さくなるほど、すなわち
柱状スペーサの硬さが硬くなるほど、同一の柱状スペー
サ密度における耐荷重が増加する傾向にある。また、柱
状スペーサ密度が大きくなるほど、耐荷重が増加する傾
向にある。

【００４１】この測定結果から、耐荷重の許容値を２ｋ
ｇｆ／ｃｍ^２以上としたとき、塑性変形量が０．１５μ
ｍの場合、必要な柱状スペーサ密度は、約０．１１％以
上であり、塑性変形量が０．６μｍの場合、必要な柱状
スペーサ密度は、約０．１８％以上である。つまり、軟
らかい柱状スペーサを用いた場合には、柱状スペーサの
密度は大きくすることで、十分な耐荷重を確保すること
ができる。

【００４２】第２の試験では、柱状スペーサの密度
（％）に対する液晶表示装置の低温泡消滅時間（ｓｅ
ｃ）の関係を測定した。図６に、この試験結果を示す。
ここで、低温泡消滅時間は、液晶表示装置を−４０℃ま
で冷却し、この温度を保持した状態で所定の衝撃を与え
た際に、液晶組成物の体積減少による柱状スペーサ近傍
に低温泡、すなわち真空の空隙が発生してから消滅する
までの時間である。

【００４３】図６において、Ｘ２は、塑性変形量が０．
１５μｍの場合の測定結果を示し、Ｙ２は、塑性変形量
が０．６μｍの場合の測定結果を示している。これらの
測定結果から、塑性変形量が小さくなるほど、すなわち
柱状スペーサの硬さが硬くなるほど、同一の柱状スペー
サ密度における低温泡消滅時間が長くなる傾向にある。
また、柱状スペーサ密度が大きくなるほど、液晶組成物
の体積減少に追従しにくくなり、低温泡消滅時間が長く
なる傾向にある。

【００４４】この測定結果から、低温泡消滅時間の許容
値を４０ｓｅｃ以下としたとき、塑性変形量が０．１５
μｍの場合、必要な柱状スペーサ密度は、約０．２３％
以下であり、塑性変形量が０．６μｍの場合、必要な柱
状スペーサ密度は、約０．３７％以上である。つまり、
軟らかい柱状スペーサを用いた場合には、耐荷重を十分
に確保するために柱状スペーサの密度は大きくしても、
十分に低温泡消滅時間を短縮することができる。

【００４５】以上のような測定結果から、塑性変形量が
０．１５μｍの硬い柱状スペーサを用いた場合、柱状ス
ペーサの密度を、約０．１％以上、約０．２％以下と
し、塑性変形量が０．６μｍの軟らかい柱状スペーサを
用いた場合、柱状スペーサの密度を、約０．２％以上、
約０．４％以下とすることによって、十分な耐荷重を確
保しつつ、低温泡消滅時間を短縮することが可能とな
る。

【００４６】したがって、上述したような条件を満足す
るように柱状スペーサの硬さと配置密度を規定したこと
により、表示品位の低下を防止することが可能となる。

【００４７】上述した実施の形態では、アレイ基板１０
０にカラーフィルタ層１３０を備えた構造について説明
したが、この発明は、対向基板２００にカラーフィルタ
層を備えた構造の液晶表示装置に適用できることは言う
までもない。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、表示品位の低下を防止することが可能な液晶表示装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の液晶表示装置に適用される
アレイ基板の構造を概略的に示す平面図である。

【図２】図２は、この液晶表示装置を図１に示したＡ−
Ａ線で切断したときの断面図である。

【図３】図３は、この液晶表示装置を図１に示したＢ−
Ｂ線で切断したときの断面図である。

【図４】図４の（ａ）及び（ｂ）は、この液晶表示装置
に適用される柱状スペーサの塑性変形量を説明するため
の図である。

【図５】図５は、この液晶表示装置に適用される柱状ス
ペーサの硬さと配置密度とを規定するための第１の試験
結果を示す図である。

【図６】図６は、この液晶表示装置に適用される柱状ス
ペーサの硬さと配置密度とを規定するための第２の試験
結果を示す図である。

【符号の説明】

１００…アレイ基板１１０…薄膜トランジスタ１１８…スルーホール１２０…画素電極１３０（Ｒ、Ｇ、Ｂ）…カラーフィルタ層１４０…柱状スペーサ１６０…配向膜２００…対向基板２０３…対向電極２０７…配向膜２３０（Ｒ、Ｇ、Ｂ）…カラーフィルタ層３００…液晶層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者磨矢奈津子埼玉県深谷市幡羅町１丁目９番２号株式会社東芝深谷工場内 (72)発明者羽藤仁埼玉県深谷市幡羅町１丁目９番２号株式会社東芝深谷工場内Ｆターム(参考） 2H089 LA09 LA12 LA20 MA04X NA05 NA13 PA02 PA06 QA04 QA16 TA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１基板と、前記第１基板に対向配置された第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に所定のギャップを
形成する柱状スペーサと、前記柱状スペーサによって形成された前記第１基板と前
記第２基板との間の所定のギャップに配置された液晶組
成物と、を備えた液晶表示装置において、前記液晶表示装置に荷重を加えたときにギャップムラが
発生する耐荷重が２ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であって、且
つ、前記液晶表示装置を−４０℃に冷却して衝撃を加え
た際に前記柱状スペーサ周辺に発生した空隙が消滅する
までの所要時間が４０秒以下であることを特徴とする液
晶表示装置。
【請求項２】前記柱状スペーサは、前記柱状スペーサ１
個当たり３ｇｆ／ｃｍ^２の荷重をその高さ方向から加え
て所定時間保持した後の塑性変形量が０．５乃至０．７
μｍの硬さを有するとともに、且つ、画面の総面積に対
して０．２乃至０．４％の密度で配置されたことを特徴
とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】前記柱状スペーサは、遮光性の樹脂によっ
て形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表
示装置。
【請求項４】前記第１基板は、一主面上に形成された配
線部と、スイッチング素子と、カラーフィルタと、前記
カラーフィルタ上に形成された画素電極と、を備え、前記画素電極は、前記カラーフィルタに形成されたスル
ーホールを介して、前記スイッチング素子と電気的に接
続されたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装
置。
【請求項５】前記配線部は、遮光性を有し、前記柱状スペーサは、前記配線部上に配置されたことを
特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。