JP2003222876A - 液晶表示素子と液晶表示装置及び液晶中の不純物分析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶の特性の劣化を回避して高品質の確保す
ることができる液晶表示素子と液晶表示装置及び吸着さ
せた不純物を取り出してその成分を分析することにより
表示不良の原因を特定することができる液晶中の不純物
分析方法を提供すること。 【構成】 本発明に係る液晶表示素子及び液晶表示装置
は、多孔質材料から成るスペーサを用いることを特徴と
する。このように構成された液晶表示装置は、液晶材料
中存在するイオン性不純物や、ＵＶ等により発生する液
晶劣化物を多孔質に吸着させて除去することにより、液
晶の特性の劣化を回避して高品質の液晶表示装置を提供
することが可能となる。更に、吸着させた不純物を取り
出してその成分を定性・定量分析することが可能とな
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、液晶表示素子と液
晶表示装置及び液晶中の不純物分析方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子は、その種類に拘わらず、
液晶を介して互いに対向配置させるガラスから成る透明
基板を外囲器として、該液晶の広がり方向に多数の画素
が配列されて表示部が形成された構成となっている。透
明基板上には透明電極が形成され、その上にポリイミド
から成る配向膜がラビング処理されている。

【０００３】そして、各透明基板に介在される液晶は、
該透明基板の間にあって表示部を囲むように形成された
シール材の内部に封入されるようになっている。この場
合、シール材の一部には予め液晶封入孔が形成されてお
り、この液晶封入孔を通して液晶を封入した後に、該液
晶封入孔を封止剤によって塞ぐようになっている。そし
て、この封止剤としては、所謂光硬化性の樹脂が用いら
れ、シール材の液晶封入孔をこの樹脂によって塗布して
塞いだ後に、紫外線（ＵＶ光）を照射することによって
硬化させている。

【０００４】このようにして作製された液晶表示素子
は、その基板上に形成された配向膜とシール材の表面等
に種々のイオン性不純物が存在している。そのため、こ
のイオン性不純物が液晶中に溶出して、表示特性及び信
頼性に悪影響を及ぼすという問題がある。即ち、液晶中
にイオン性不純物が存在すると液晶の比抵抗が低下して
リーク電流が流れ易くなるため、液晶の保持特性が低下
して液晶表示素子の表示特性が悪くなる。

【０００５】又、前記リーク電流により、液晶の劣化が
進み信頼性も悪くなる。前記のようなＵＶ光により液晶
化合物の劣化による生成物も、表示不良等のトラブルの
原因になる可能性もある。

【０００６】従って、液晶中の不純物の種類と量を知る
ことは液晶表示素子の表示特性及び信頼性を向上する上
で重要であり、汚染源の特定も可能となり、これら不純
物汚染のない材料及びプロセスを選定して、表示特性及
び信頼性の高い液晶表示素子を得ることができる。

【０００７】以上述べたように、液晶中の不純物は、
前記のような形成された配向膜とシール材の表面等に存
在しているもの、前記のようなＵＶ光による液晶化合
物の劣化生成物に大別される。この劣化物は、ＵＶ照射
により封止剤近傍の液晶が分解することにより発生する
ものや、液晶表示装置の使用環境（カーナビゲーション
システム、モバイルコンピュータ等）によって強い太陽
光に晒された場合にも発生する。このうち、のような
イオン性不純物の分析については、特開２０００−２８
４３００号公報において、表示エリアの外側の領域に多
孔質膜を設け、液晶注入口付近の配向不良の原因となる
液晶中不純物イオンを前記多孔質膜に吸着させる方法が
開示されている。

【０００８】又、のような劣化生成物の分析について
は、特開２０００−３２１５８３号公報において、液晶
の封入空間を画する面（例えばスペーサ等の表面）に劣
化物を吸着させる吸着剤を付着させる方法が開示されて
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は前記２種類の不純物を同時にまとめて分析する
ことは難しい。即ち、特開２０００−２８４３００号公
報の方法は表示エリアの外側の領域に多孔質膜を設ける
ため、表示エリア内でＵＶ照射により生じた不純物の吸
着は効率が悪く、又、特開２０００−３２１５８３号公
報の方法は、液晶の分解物をフェノールと特定し、フェ
ノールを吸着する吸着剤をスペーサ表面に付着（修飾）
したものであるため、汎用性に欠ける。

【００１０】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、その目的とする処は、液晶の特性の劣化を回避し
て高品質の確保することができる液晶表示素子と液晶表
示装置及び吸着させた不純物を取り出してその成分を分
析することにより表示不良の原因を特定することができ
る液晶中の不純物分析方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による液晶表示素子及び液晶表示装置は、多
孔質材料から成るスペーサを用いることを特徴とするも
のである。このように構成された液晶表示装置は、液晶
材料中存在するイオン性不純物や、ＵＶ等により発生す
る液晶劣化物を多孔質に吸着させて除去することによ
り、液晶の特性の劣化を回避して高品質の液晶表示装置
を提供することが可能となる。更に、吸着させた不純物
を取り出してその成分を定性・定量分析することが可能
となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１３】本装置の構成は、図１に示すように上側透
明基板と下側透明基板とから成る。これら各透明基板１
はそれぞれ液晶側の面において、所謂フォトリソグラフ
ィ技術による選択エッチング方法によって絶縁膜及び導
電膜の所望パターンの積層構造によって電子回路が組み
込まれている。この電子回路は、例えばマトリックス状
に配置される各画素に電界を発生させる透明電極２、こ
れら電極２に信号線を供給するためのスイッチング素子
（不図示）及び信号線（不図示）等から構成されてい
る。

【００１４】又、各画素のコントラストの向上を図るた
めにブラックマトリックス（不図示）が、又、カラー表
示させるためのカラーフィルタ（不図示）等が例えば上
側透明基板の液晶層４の面に形成されている。そして、
これら各透明基板それぞれの液晶側の面にはその最上層
において液晶と接触するように配向膜３が形成されてい
る。この配向膜３は液晶の初期配向方向を決定させるた
めの膜である。これら各透明基板１は液晶層４を介して
互いに対向配置されているとともに、該液晶は各画素の
集合体である表示部を囲むようにして形成されたシール
材７によって封入されている。

【００１５】次に、本発明の特徴となる多孔質スペーサ
５について述べる。

【００１６】前記表示部の領域内の液晶層４中や（面内
スペーサ）、シール材７中にはスペーサが含有されてお
り（シール部用スペーサ）、各透明基板を所定のギャッ
プに保持できるようになっている。本発明のスペーサに
用いられる多孔質材料としては、特に特定の材料に限定
されるものではなく無機材料や有機材料の何れでも使用
されるが、基板間の間隔を一定に保持できるだけの適切
な硬度及び弾性率を有するものであることが必要であ
る。

【００１７】即ち、硬過ぎるスペーサを用いると、基板
を加圧する際にその内面に設けられた配向膜を傷付けて
液晶の配向特性の変調の原因となり、温度変化による液
晶の膨張・収縮に追随できないために、低温発泡を引き
起こして表示不良の原因となる等の問題がある。又、弾
性率が低く硬度が不十分であると、基板間のギャップを
制御することが困難であるため、ギャップを一定に保持
するために単位面積当たりのスペーサ散布個数を多くす
ることが必要となり、コントラストが低下してしまうと
いう問題がある。

【００１８】一般的にスペーサのような球体の硬さを定
量的に、一義的に表わすものとして、Ｋ値が用いられる
（ラウンダウーリフシッツ理論物理学教程「弾性理論」
東京図書1972年発行による）。Ｋ値は、１０％圧縮変形
で５００ｋｇｆ／ｍｍ２ 以上１５００ｋｇｆ／ｍｍ２
以下であるのが好ましく、更に好ましくは６００ｋｇｆ
／ｍｍ２以上１０００ｋｇｆ／ｍｍ２以下である。

【００１９】次に、スペーサのもう１つの重要な性質で
ある弾性率は、圧縮変形後の回復率により定量的、一義
的に表わされており、２０℃において３０％以上９０％
以下であるのが好ましく、更に好ましくは４０％以上８
０％以下である。又、本発明の多孔質スペーサ５の平均
粒径は、目的とするスペーサ間隔に適したものを用いる
が、一般的には数μｍ〜数十μｍである。又、その比表
面積は１００ｍ２／ｇ〜１０００ｍ２／ｇが好ましく、
更に好ましくは１５０ｍ２／ｇ〜５００ｍ２／ｇであ
る。

【００２０】次に、細孔については、吸着させる不純物
のサイズに応じて、ミクロ孔（細孔直径２ｎｍ以下）か
らメソ孔（細孔直径２〜５０ｎｍ）、更にマクロ孔（細
孔直径５０ｎｍ以上）までの広い範囲のものが使用され
得るが、細孔が大きくなるとスペーサ硬度が低下し、
又、スペーサ周辺で液晶の並びが乱れて余分な光が通過
することがあるため、細孔直径は２〜５０ｎｍが好まし
い。

【００２１】イオン性不純物や低分子の液晶劣化物は液
晶中を漂っているため、このスペーサ５の孔に吸着され
る訳であるが、電圧印加時には、より効果的に多孔質ス
ペーサ５中に不純物が吸着される。又、液晶の一部も多
孔質中に含浸されるが、後述のように吸着物を取り出し
てから、分離分析することにより混合物でも不純物の定
性・定量分析は可能である。

【００２２】次に、スペーサを取り出す方法であるが、
表示素子の周囲を切断して上側基板を剥がして液晶と共
にスペーサを掻きとる。このスペーサを含んだ液晶を、
ろ過装置を用いてろ過し、スペーサを液晶から分離す
る。このとき、フィルターは、スペーサの粒径よりも小
さいメッシュのものを用いる。ろ過の方式は、吸引（減
圧）方式及び加圧方式の何れかでも良い。吸引方式は、
ポンプによって液晶を吸引し、加圧方式は、ろ過装置全
体を加圧容器内に収容し、加圧容器内を加圧するもので
ある。

【００２３】次に、スペーサ中に吸着された液晶不純物
を取り出す方法であるが、スペーサを適当な溶媒又は純
水に浸漬して、液晶不純物を抽出する。このとき、超音
波により抽出効率を高めることも可能である。溶媒の種
類は、液晶不純物が溶解する可能性のあるものを用いる
が、スペーサが有機物である場合は、スペーサ自体を溶
解させないものを選択することが必要である。この抽出
液は、その後、ガスクロマトグラフ−質量分析計（ＧＣ
−ＭＳ）又は液体クロマトグラフ−質量分析計（ＬＣ−
ＭＳ）等を用いて不純物の成分分析を行う。

【００２４】又、イオン性不純物の場合は、イオンクロ
マトグラフやキャピラリ−電気泳動クロマトグラフ等で
分析することも可能である。このような分離分析装置に
より、この抽出液中に液晶自体が含まれている場合で
も、分離分析することにより不純物の定性・定量分析は
可能である。

【００２５】［実施例］以下、本発明の実施例を図１及
び図２に基づいて説明する。 ［実施例１］本実施例では、多孔質スペーサとして下記
のような多孔質シリカゲル製スペーサを用いた。

【００２６】平均粒径 ３．５μｍ 比表面積 ２５０ｍ２ ／ｇ 細孔平均径 １５ｎｍ 先ず、液晶表示装置の液晶素子に用いられる一対の透明
電極付基板１を準備した。この透明電極付透明基板は、
ガラス基板の片面に透明電極としてのＩＴＯ薄膜２が形
成され、このＩＴＯ薄膜表面に、更に液晶材料に含まれ
ている液晶化合物分子を所定方向に配向させる配向膜３
が形成されている。

【００２７】次に、純水３５０ｃｃ、イソプロピルアル
コール１２０ｃｃ、エチルアルコール３０ｃｃの混合溶
媒中に、濃度が１重量％となるように上記多孔質シリカ
ゲル微粒子を、攪拌しながら超音波を照射しながら分散
させて散布液を調整した。この散布液を、ノズル径０．
５ｍｍφの散布ノズル（ルミナＰＲ−１０）を用い、透
明電極付透明基板表面の配向膜面に、ノズルと配向膜面
の距離を８０ｃｍにし、圧力３．５Ｋｇ／ｃｍ２で噴霧
し、平均粒子散布密度が約１３０個／ｍｍ２となるよう
に、一方の透明電極付透明基板に形成された配向膜面に
散布した。散布した多孔質シリカゲル微粒子上に、他方
の透明電極付透明基板に形成された配向膜面を接触さ
せ、両透明電極付基板を重ね合わせた。

【００２８】こうして両透明電極付透明基板の配向膜間
に形成された隙間に液晶材料を充填し、両基板の周縁部
を、上記多孔質シリカゲル微粒子を２．５重量％含むシ
ール用樹脂７で貼り合わせ、密閉することにより図１及
び図２に示すような液晶表示素子を作製した。尚、こう
して作製した液晶表示素子はＳＴＮモードで駆動される
ようになっている。

【００２９】このようにして作製した液晶表示素子を液
晶表示装置に取り付けて駆動させたところ、画像の表示
ムラは観察されなかった。更に、長時間駆動後も表示不
良は見られなかった。

【００３０】次に、この液晶表示素子の周囲を切断して
上側基板を剥がして液晶と共にスペーサを掻き取った。
このスペーサを含んだ液晶をろ過し、スペーサを液晶か
ら分離した。このとき、フィルターは、スペーサのメッ
シュは粒径よりも小さい２μｍのものを用いた。ろ過は
吸引方式により行った。

【００３１】次に、ろ過したスペーサをメタノールに浸
漬して、超音波を照射しながら液晶不純物を抽出した。
この抽出液を、下記のような条件で、イオンクロマトグ
ラフ（ＤＩＯＮＥＸ Ｄ Ｘ−５００）により陽イオ
ン、陰イオン、有機酸について定性分析を行なった。

【００３２】その結果、ＮＨ４＋、Ｎａ＋ 、Ｃａ２
＋、Ｃｌ−、酢酸、ギ酸が検出された。この結果より、
多孔質スペーサ中に液晶中のイオン性不純物が吸着さ
れ、液晶の特性を劣化させることなく高品質の液晶表示
装置を作製することが確認できた。

【００３３】＜分析条件＞ １）陽イオン分析条件 カラム：ＩｏｎＰａｃ ＣＳ１２Ａ 溶離液：２０ｍＭ メタンスルホン酸 検出器：電気伝導度 ２）陰イオン、酢酸分析条件 カラム：ＩｏｎＰａｃ ＡＳ１４ 溶離液：３．５ｍＭ Ｎａ２ ＣＯ３ 、１．０ｍＭ Ｎ
ａＨＣＯ３ 検出器：電気伝導度 ［施例２］本実施例では、多孔質スペーサとして下記の
ような多孔質ポリイミド製スペーサを用いた。

【００３４】平均粒径 ５．５μｍ 比表面積 ６００ｍ２ ／ｇ 細孔平均径 ３０ｎｍ このスペーサを用いて、実施例１と同様に液晶表示素子
を作製した。又、本実施例では、芳香族エステル系の液
晶を用いた。このようにして作製した液晶表示素子にＵ
Ｖ光を４時間照射した。一般に芳香族エステル系液晶
は、ＵＶにより分解されてフェノールが生成することが
指摘されている。液晶中にフェノールが生成すると、液
晶の抵抗値、誘電特性、電圧保持特性等が変化してしま
い、所望の液晶表示特性が得られなくなってしまうとい
う不都合が起こる。

【００３５】しかしながら、この素子を液晶表示装置に
取り付けて駆動させたところ、画像の表示ムラは観察さ
れなかった。更に、長時間駆動後も表示不良は見られな
かった。

【００３６】次に、実施例１と同様にこの液晶表示素子
の周囲を切断して上側基板を剥がして液晶と共にスペー
サを掻き取った。このスペーサを含んだ液晶を、図３に
示すようなろ過装置を用いてろ過し、スペーサを液晶か
ら分離した。このとき、フィルターは、スペーサのメッ
シュは粒径よりも小さい２μｍのものを用いた。ろ過は
吸引方式により行った。

【００３７】次に、ろ過したスペーサをクロロホルムに
浸漬して、超音波を照射しながら液晶不純物を抽出し
た。この抽出液を下記に示すような条件で、ＧＣ／ＭＳ
（ＪＥＯＬ ＤＸ３０３）により分析した。その結果、
元の液晶化合物以外に４種類の劣化物が生成しているこ
とが分った。これらの劣化生成物は、それぞれのマスス
ペクトルの分子イオンピークとフラグメントピークか
ら、同定することができた。この結果より、多孔質スペ
ーサ中に液晶中のＵＶ劣化物が吸着され、液晶の特性を
劣化させることなく高品質の液晶表示装置を作製するこ
とが確認できた。

【００３８】＜分析条件＞ １）ＧＣ（ガスクロマトグラフ）の条件 カラム液相：ＤＢ−５ キャピラリーカラム：０．２５ｍｍΦ×３０ｍ キャリアガス：ヘリウム 注入口温度：２６０℃ カラム温度：１００℃〜５℃／分昇温〜２８０℃ ２）ＭＳ（質量分析計）の条件 測定質量数範囲：Ｍ／Ｚ＝３５〜５００ イオン化方式：ＥＩ（電子衝撃）法 イオン源温度：２３０℃ ＜比較例＞本比較例では、Ｓｉ（ＯＲ）４の加水分解で
合成される球状シリカ粒子を用いた。この平均粒径は４
μｍ、比表面積は１５ｍ２／ｇであった。この微粒子を
用いて、実施例１と同様にして液晶表示素子を作製し、
液晶表示装置に取り付けて液晶表示装置を駆動させたと
ころ、画像一部に表示ムラが観察された。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る液晶
表示装置は、液晶材料中に存在するか又はＵＶ等により
劣化生成する不純物を多孔質スペーサに吸着させて除去
することにより、液晶の特性の劣化を回避して高品質の
液晶表示装置を提供することができる。又、吸着させた
不純物を取り出してその成分を分析することにより表示
不良の原因を特定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶表示装置の実施例を示す模式
的断面図である。

【図２】本発明による液晶表示装置の実施例を示す模式
的平面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 透明電極 ３ 配向膜 ４ 液晶層 ５ 多孔質スペーサ ６ 液晶材料注入口 ７ シール材 ８ 表示部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スペーサに多孔質材料を用いたことを特
   徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の液晶表示素子を用いたこ
   とを特徴とする液晶表示装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のスペーサを取り出して、
   吸着された不純物を分析することを特徴とする液晶中の
   不純物分析方法。
4. 【請求項４】 前記不純物は、液晶材料中に含まれるイ
   オン性不純物或は液晶表示素子及び装置製造工程で混入
   するイオン性不純物であることを特徴とする請求項３記
   載の液晶中の不純物分析方法。
5. 【請求項５】 前記不純物は、液晶表示素子中の液晶が
   ＵＶ照射により劣化した際に生成する劣化物であること
   を特徴とする請求項３記載の液晶中の不純物分析方法。
6. 【請求項６】 前記スペーサを取り出す方法として、ス
   ペーサを含む液晶を吸引（減圧）ろ過することを特徴と
   する請求項３記載の液晶中の不純物分析方法。
7. 【請求項７】 前記スペーサを取り出す方法として、ス
   ペーサを含む液晶を加圧ろ過することを特徴とする請求
   項３記載の液晶中の不純物分析方法。
8. 【請求項８】 前記スペーサ中に吸着された液晶不純物
   を取り出す方法として、溶媒又は純水抽出を行うことを
   特徴とする請求項３記載の液晶中の不純物分析方法。