JP2003043493A

JP2003043493A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2003043493A
Application number: JP2001232212A
Authority: JP
Inventors: Hikari Nakagawa; 光中川; Kazuhiro Monzen; 和博門前
Original assignee: Kyocera Display Corp
Current assignee: Kyocera Display Corp
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】水分が柱状スペーサに凝着することにより発
生する上下電極間のショートや発泡現象を防止する。【解決手段】柱状スペーサ５を形成した後に撥水材料
８を柱状スペーサ５の表面に塗布することにより、柱状
スペーサ５に撥水効果を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、柱状スペーサを利
用した液晶表示装置に係り、特に、駆動に高電圧を必要
とする液晶材料を使用した液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の液晶表示装置の断面構造
の概略図である。従来の液晶表示装置として、一方の表
面に電極１２、絶縁膜１３および配向膜１４をそれぞれ
設けた２枚の基板１１，１１を用意し、互いの電極１
２，１２が向き合うように基板１１，１１を対向させた
状態で両基板１１，１１の周囲をシール材１６により囲
繞し、その空間に液晶材料１７を封入した構造のものが
知られている。さらに両基板１１，１１の間には、その
間隔（セルギャップ）を一定の距離に保つためスペーサ
が散布されている。

【０００３】従来、スペーサには球状のものが使用され
てきたが、球状のスペーサにおいては基板面内の分布を
制御することができないため、スペーサが電極上に配置
され表示コントラストを低下させたり、スペーサの疎密
によりセルギャップを不均一なものとしていた。そこ
で、スペーサの位置を制御するため、フォトリソグラフ
ィー技術を利用して薄膜をパターニングすることによ
り、スペーサを形成しようとする試みがなされている。
このスペーサは、球状のスペーサに対して柱状スペーサ
１５と呼ばれている。

【０００４】また、液晶材料１７には、ネマティック液
晶、カイラルネマティック液晶、強誘電性液晶、反強誘
電性液晶等が用いられている。ネマティック液晶を利用
したＴＮ（ツイステッドネマティック）型やＳＴＮ（ス
ーパーツイステッドネマティック）型の液晶表示装置
は、液晶の駆動電圧を１０ボルト以下、通常は数ボルト
と低くすることができる。一方、カイラルネマティック
液晶、強誘電性液晶または反強誘電性液晶等（以下、カ
イラルネマティック液晶等という）は、ネマティック液
晶に比べて液晶の駆動電圧が高く、十数ボルト〜数十ボ
ルトも必要である。カイラルネマティック液晶等は、液
晶分子が螺旋構造や層構造を形成しており、外部からの
衝撃や圧力により螺旋構造や層構造が容易に破壊され、
配向が乱れて表示品位が低下してしまう。そのため、前
述した柱状スペーサを利用して耐衝撃性を向上させてい
た。

【０００５】これらの液晶表示装置を製品化する際に
は、完成した液晶表示装置の信頼性を検査するために様
々な試験が行われる。その一つに、高温、高湿度の恒温
槽に長時間、液晶表示装置を放置する耐湿試験があっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、本発明者ら
が、柱状スペーサを使用したカイラルネマティック液晶
表示装置に対して、耐湿試験を行った後に液晶表示装置
を駆動させたところ、気泡が発生する現象（以下、発泡
現象という）や基板間のショートが発生した。

【０００７】そこで、本発明者らが、発泡現象はどのよ
うな原因で発生するのかを研究した結果、第一に、耐湿
試験前は発泡現象が発生しなかった液晶表示装置が、耐
湿試験後に発泡現象が観察されること、第二に、柱状ス
ペーサの周辺から発泡現象が生じていること、第三に、
ＴＮ型やＳＴＮ型の液晶表示装置において発泡現象が観
察されず、カイラルネマティック液晶を使用した液晶表
示装置において観察されることが判明した。

【０００８】これらの点から、発明者らは、耐湿試験中
に恒温槽中の水分がシール材を通じて液晶に混入し、そ
の水分が柱状スペーサに凝着し、その水分が高電圧によ
る放電あるいは加熱により気泡となると推察した。

【０００９】つまり、図４に示すように、シール材１６
を通じて混入した水分１９は、多量の不純物イオンを含
有しており、柱状スペーサ１５に凝着することにより、
絶縁されていたセルギャップ間に電流を流れ易くするの
である。この電流により放電あるいは加熱が発生し、ス
ペーサ周辺の電極１２、絶縁膜１３および配向膜１４を
破壊したり、発泡現象を発生させたりするのである。

【００１０】ＴＮ型やＳＴＮ型の液晶表示装置におい
て、発泡現象が観察されなかったのは、駆動電圧が低い
ため放電に至らなかったものと考えられる。ただし、こ
れらの液晶表示装置においても、不良の要素は潜在して
いるのである。

【００１１】本発明は、前述した発泡現象や基板間のシ
ョートを防止するようにした液晶表示装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため本発明は、２枚の基板とシール材とからなる空間に
柱状スペーサと液晶材料を有する液晶表示装置におい
て、前記柱状スペーサに撥水効果を持たせる処理を施し
たことを特徴とする。そして、このような構成を採用し
たことにより、柱状スペーサに水分が凝着することを防
止し、ひいては水分によって発生する発泡現象およびシ
ョートを回避するという作用効果を有する。

【００１３】また、前記柱状スペーサは、撥水効果を有
する材料（以下、撥水材料という）を含有していること
を特徴とする。そして、このような構成を採用したこと
により、新たに工程を付加することなしに上記の作用効
果を得ることができる。

【００１４】また、前記柱状スペーサの表面および柱状
スペーサが形成された基板の表面に撥水効果を有するシ
ランカップリング剤が塗布されていることを特徴とす
る。そして、このような構成により上記の作用効果を得
た場合は、柱状スペーサが形成された基板の表面に塗布
されたシランカップリング剤が、液晶材料中の液晶分子
を基板に対し垂直に配向させる作用を持つため、従来の
配向膜の作製工程を省略することもできるという効果を
有する。

【００１５】また、前記液晶材料は、カイラルネマティ
ック液晶、強誘電性液晶または反強誘電性液晶であるこ
とが好ましい。これらの液晶材料を使用した液晶表示装
置は、高電圧駆動が必要であり発泡現象が生じやすいた
め、本発明の効果が顕著である。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、第一の実施の形態を図１を
用いて説明する。図１は、液晶表示装置の断面構造の概
略図である。柱状スペーサ５が形成される一方の基板１
には、液晶を駆動するための電極２およびショートを防
止するための絶縁膜３が設けられている。他方の基板１
には、電極２、絶縁膜３および配向膜４が設けられてい
る。これら２枚の基板１，１間は、互いの電極２，２が
向き合うように対向させた状態でシール材６で囲繞され
ている。２枚の基板１，１とシール材６とからなる空間
に柱状スペーサ５と液晶材料７とを有している。更に、
柱状スペーサ５の表面および柱状スペーサ５が形成され
た一方の基板１の表面には撥水材料８が塗布されてい
る。

【００１７】撥水材料８として、シランカップリング剤
または炭素数５以上のアルコール類、さらにはパーフル
オロ若しくはポリフルオロアルキル基含有化合物類が使
用できる。

【００１８】シランカップリング剤としては、Ｎ−β
（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラ
ン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリエ
トキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラ
ン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン等が例示さ
れる。また、炭素数５以上のアルコール類としては、ヘ
キシルアルコール、オクチルアルコール等が例示され
る。

【００１９】この撥水材料８により、外部からシール材
６を通じて混入した水分９が柱状スペーサ５に凝着する
ことを防止でき、凝着した水分による発泡現象およびシ
ョートを回避することができた。図１に示す液晶表示装
置は、撥水材料８としてシランカップリング剤を用いて
いるので、柱状スペーサに撥水効果を持たせることと同
時に、一方の基板１の表面に塗布されたシランカップリ
ング剤が液晶分子を基板に対し垂直に配向させる機能を
持つため、基板１の配向膜を省略できた。ただし、撥水
材料８によっては、配向膜を設ける必要がある。

【００２０】図１に示す液晶表示装置は次のように作製
される。まず、液晶を駆動するための電極２，２を形成
した基板１，１を用意する。基板１，１としては、ガラ
ス基板、プラスティック基板等が使用される。電極２，
２として、画像が表示される側の基板には透明導電膜、
例えばＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）、ＩＺＯ（イ
ンジウム・亜鉛酸化物）等が設けられる。他方の基板に
おいては、透過型の表示装置を作製する場合は透明導電
膜を、反射型の表示装置を作製する場合は金属膜、例え
ばアルミニウム、クロム、チタン、タンタル等を電極と
して用いてもよい。必要があれば、電極の上にショート
防止用の絶縁膜３，３、配向膜４およびカラーフィルタ
等を形成する。

【００２１】そして、一方の基板１の上に柱状スペーサ
５を形成する。有機樹脂を材料として用いる場合は、ス
ピンコート法、転写法、印刷法等により有機樹脂膜を形
成し、それをパターニングして柱状スペーサ５を形成す
る。パターニングは半導体や液晶表示装置の分野で慣用
されてきた手法を用いた。

【００２２】特に、有機樹脂の中でも感光性樹脂を柱状
スペーサ５の材料に使用すれば、感光性樹脂を露光して
現像することにより、そのまま柱状スペーサのパターン
となるので、膜のエッチング工程を省略することができ
る。感光性樹脂は、ネガ型でもポジ型でもよいが、好適
にはネガ型の方が好ましい。

【００２３】柱状スペーサ５のパターン形状は特に限定
されるものではなく、円形、楕円形、長方形、十字状等
その表示装置の特徴に合わせて作製可能であるが、好適
には円形である。なお、本明細書において、柱状には半
球状も含むものとする。

【００２４】柱状スペーサ５の位置は、電極２，２と重
なると、スペーサによる光の散乱が生じ表示コントラス
トを下げるため、電極２，２に重ならないように設ける
ことが好ましい。また、柱状スペーサ５の高さは、表示
装置の特徴に合わせて必要なセルギャップが得られる高
さとする。一般的には、１．５〜１０μｍの範囲であ
る。

【００２５】つぎに、柱状スペーサ５に撥水効果を持た
せる処理を施す。本実施の形態における撥水効果を持た
せる処理は、柱状スペーサ５を形成した後に、撥水材料
８を有機溶媒に溶解した溶液をスピンコート法等で柱状
スペーサ５の表面に塗布するものである。この工程で同
時に柱状スペーサが形成されている基板１の表面（より
正確には基板上に形成された被膜の表面）にも撥水材料
８が塗布される。有機溶媒には、低級アルコール、エー
テル、ベンゼン等が使用できる。溶液中の撥水材料８の
濃度は０．０１〜３ｗｔ％、特に好ましくは０．５〜１
ｗｔ％とする。

【００２６】撥水材料８として上記のシランカップリン
グ剤を用いた場合は、スペーサに撥水効果を持たせるこ
とと同時に、基板１の表面に塗布されたシランカップリ
ング剤が液晶分子を基板に対し垂直に配向させる機能を
持つため、一方の基板１の配向膜を省略することもでき
る。

【００２７】こうして、一方の基板１上に撥水効果を持
つ柱状スペーサ５が形成される。この基板１に他方の基
板１を互いの電極２，２が向き合うように対向させた状
態でシール材６によって囲繞し、その空間に液晶材料７
を封入して液晶表示装置が完成する。

【００２８】次に、柱状スペーサに撥水効果を持たせる
処理が第一の実施の形態と異なる第二の実施の形態を図
３を用いて説明する。図３は、液晶表示装置の断面構造
の概略図である。基板１，１は、一方の表面に電極２，
２、絶縁膜３，３および配向膜４，４がそれぞれ設けら
れている。これら２枚の基板１，１間は、互いの電極
２、２が向き合うように対向させた状態でシール材６で
囲繞されている。シール材６の内側に撥水材料８を含有
する柱状スペーサ５ａと液晶材料７を有している。撥水
材料８は、上記の材料を使用することができ、０．０１
〜３ｗｔ％、特に好ましくは０．５〜１ｗｔ％の濃度で
含有させる。

【００２９】この撥水材料８により、外部からシール材
６を通じて混入した水分９が柱状スペーサ５ａに凝着す
ることを防止でき、凝着した水分による発泡現象および
ショートを回避することができた。

【００３０】第二の実施の形態における撥水効果を持た
せる処理は、撥水材料８を混入させた材料を用いて柱状
スペーサ５ａを形成するものである。つまり、柱状スペ
ーサ５ａの材料である有機樹脂中に、上記の撥水材料８
を０．０１〜３ｗｔ％、特に好ましくは０．５〜１ｗｔ
％の濃度で含有させた混合材料をスピンコート法等によ
り成膜し、それをパターニングして柱状スペーサ５ａを
形成すればよい。この処理を用いれば、従来の作製工程
を変えることなく本発明を実施することが可能である。

【００３１】以上の説明では、撥水効果を持たせる処理
をそれぞれ単独で使用しているが、より確実に撥水効果
を持たせるために２つの処理を併用してもよい。つま
り、撥水材料を混入させた材料を用いて柱状スペーサ５
ａを形成した後に、撥水材料８を有機溶媒に溶解した溶
液をスピンコート法等で柱状スペーサの表面に塗布して
もよい。

【００３２】液晶材料７としてカイラルネマティック液
晶等を用いた場合、完成した液晶表示装置は高電圧で駆
動する必要があるため、凝着した水分による発泡現象お
よびショートを回避することは特に有効である。

【００３３】以上、単純マトリクス型の液晶表示装置に
ついて説明したが、本発明は、液晶表示装置の駆動方式
が単純マトリクス型またはアクティブマトリクス型のい
ずれであっても、また液晶表示装置の採光方式が反射
型、透過型または半透過型のいずれであっても適用する
ことができる。

【００３４】なお、本発明は、前述した実施の形態に限
定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能
である。

【００３５】

【実施例】［実施例１］本実施例では、第一の実施の形
態において示す処理方法を用いて柱状スペーサに撥水効
果を持たせた液晶表示装置を作製した。図２は各工程に
おける基板の断面構造の概略図である。まず、ガラス製
の基板１にスパッタ法によりＩＴＯを成膜し、パターニ
ングして電極２を形成する。そして、酸化珪素からなる
絶縁膜３を成膜する。本実施例においては、後の工程で
使用する撥水材料が配向機能を有するため、基板１の配
向膜は省略した。こうして、図２Ａに示す構造を得た。

【００３６】次に、柱状スペーサを形成するため、スピ
ンコート法により日立化成社製のネガ型感光性樹脂ＣＲ
−４１０を膜厚５μｍとなるように塗布した。その後１
００℃にて仮乾燥を行い、１５０ｍＪ／ｃｍ² の強度で
ＵＶ照射を行い感光性樹脂を露光する。そして、現像し
て２３０℃でアニールすることにより柱状スペーサ５を
形成した。柱状スペーサ５は直径約２０μｍ、高さ５μ
ｍの円柱状であり、３００μｍ間隔で配置した。こうし
て、図２Ｂに示す構造を得た。

【００３７】続いて、基板１に対して、Ｎ−β（アミノ
エチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシランを撥水
材料８として、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）中に
０．８ｗｔ％の割合で溶解させた溶液をスピンコート法
により塗布する。そして、１００℃にてＩＰＡを乾燥さ
せ、柱状スペーサ５の表面および基板１の表面（より正
確には基板上に形成された絶縁膜の表面）に撥水材料８
が塗布される。こうして、図２Ｃに示す構造を得た。

【００３８】そして、ＩＴＯからなる電極２、絶縁膜３
および配向膜４が設けられた他方の基板１をシール材６
で貼り合わせ、液晶材料７として選択波長が５７０ｎｍ
のカイラルネマティック液晶を封入し、液晶表示装置を
完成させ、図２Ｄに示す構造を得た。

【００３９】この液晶表示装置に、温度８５℃、湿度８
５％の環境下に５００時間放置するという条件の耐湿試
験を行った後、４０Ｖの電圧を１００ｍｓ印加したが、
発泡現象の発生もなく、試験前と表示品位の変わらない
良好な結果が得られた。

【００４０】また、基板１には、配向膜が設けられてい
ないが、基板１の表面に撥水材料８としてＮ−β（アミ
ノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシランが塗
布されているため、液晶材料を基板１に対して垂直な方
向に配向させることができた。もし、撥水材料として、
配向機能を有していない材料若しくは配向機能を有して
いるが十分でない材料を使用した場合には、基板１に配
向膜を形成すればよい。

【００４１】［実施例２］本実施例では、第二の実施の
形態において示す処理方法を用いて柱状スペーサに撥水
効果を持たせた液晶表示装置を作製した。まず、ガラス
基板にスパッタ法によりＩＴＯを成膜し、パターニング
して電極を形成する。そして、絶縁膜および配向膜を成
膜する。

【００４２】次に、柱状スペーサを形成するために、ス
ピンコート法により日立化成社製のネガ型感光性樹脂Ｃ
Ｒ−４１０を膜厚５μｍとなるように塗布した。本実施
例においては、予め、このネガ型感光性樹脂の中に撥水
材料としてＮ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピル
トリメトキシシランを０．８ｗｔ％の割合で混合してお
いた。その後１００℃にて仮乾燥を行い、１５０ｍＪ／
ｃｍ² の強度でＵＶ照射を行い感光性樹脂を露光する。
そして、現像して２３０℃でアニールすることにより柱
状スペーサを形成した。柱状スペーサは直径約２０μ
ｍ、高さ５μｍの円柱状であり、３００μｍ間隔で配置
した。

【００４３】そして、もう１枚の基板を貼り合わせ、液
晶材料として選択波長が５７０ｎｍのカイラルネマティ
ック液晶を封入し、液晶表示装置を完成させた。

【００４４】この液晶表示装置に、温度８５℃、湿度８
５％の環境下に５００時間放置するという条件の耐湿試
験を行った後、４０Ｖの電圧を１００ｍｓ印加したが、
発泡現象の発生もなく、試験前と表示品位の変わらない
良好な結果が得られた。

【００４５】また、本実施例の作製工程は、実施例１に
比べ撥水材料を塗布する工程を省略することが可能であ
り、従来の液晶表示装置の作製工程と同じ工程を使用で
きる。

【００４６】［比較例］上記実施例と比較するため、従
来技術を用いて実施例２と同様の構造の液晶表示装置を
作製した。つまり、柱状スペーサの材料として、撥水材
料を加えていない日立化成社製のネガ型感光性樹脂ＣＲ
−４１０を使用して柱状スペーサを形成した。

【００４７】この液晶表示装置に、温度８５℃、湿度８
５％の環境下に５００時間放置するという条件の耐湿試
験を行った後、４０Ｖの電圧を１００ｍｓ印加したとこ
ろ、上下の基板間に電流が流れ、配向膜および絶縁膜が
破壊され、発泡現象が発生し、表示品位を著しく低下さ
せた。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、柱
状スペーサに水分が凝着することを防止し、発泡現象お
よびショートを回避することができ、信頼性の高い液晶
表示装置を提供できる。

【００４９】また、撥水材料を含有した材料で柱状スペ
ーサを作製すれば、従来の作製工程を変えることなく本
発明を実施することが可能である。

【００５０】また、柱状スペーサの表面と同時に、柱状
スペーサが形成された基板の表面に撥水効果を有するシ
ランカップリング剤を塗布することにより、基板表面に
塗布されたシランカップリング剤が液晶分子を基板に対
し垂直に配向させる配向膜の機能を持つため、従来の配
向膜の作製工程を省略することもできる。

【００５１】また、カイラルネマティック液晶等を使用
した液晶表示装置は、高電圧駆動が必要であり発泡現象
が生じやすいため、本発明の効果が顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を利用した液晶表示装置の断面構造の
概略図

【図２】本発明を利用した液晶表示装置の作製工程の
断面構造の概略図

【図３】本発明を利用した液晶表示装置の断面構造の
概略図

【図４】従来の液晶表示装置の断面構造の概略図

【符号の説明】

１、１１基板２、１２電極３、１３絶縁膜４、１４配向膜５、５ａ、１５柱状スペーサ６、１６シール材７、１７液晶材料８撥水材料９、１９水分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２枚の基板とシール材とからなる空間に
柱状スペーサと液晶材料を有する液晶表示装置におい
て、前記柱状スペーサに撥水効果を持たせる処理を施し
たことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】請求項１において、前記柱状スペーサ
は、撥水効果を有する材料を含有していることを特徴と
する液晶表示装置。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記
柱状スペーサの表面および柱状スペーサが形成された基
板の表面に撥水効果を有するシランカップリング剤が塗
布されていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項
において、前記液晶材料は、カイラルネマティック液
晶、強誘電性液晶または反強誘電性液晶であることを特
徴とする液晶表示装置。