JP2005156752A - 液晶表示素子および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタ等のライトバルブに用いる液晶パネルが高温高湿環境下に置いて動作されても、液晶パネルの劣化等を防止でき、高品質の液晶表示素子およびその液晶表示装置を用いた投射型表示装置を提供する。
【解決手段】ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２が所定間隙で対向するようにシール材１５で貼り合わせた一対の基板間に液晶層１６が挟持され、シール材１５は、平均粒子径が０．５μｍ未満の非導電性の充填剤（フィラー）を含有し、液晶層１６に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性Δｎが０．１６以上に設定され、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２との間隔であるセルギャップｄが３μｍ以下に設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、配向膜が所定間隙で対向するようにシール材で貼り合わせた一対の基板間に液晶層が挟持された液晶表示素子およびこの液晶表示素子を用いた投射型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタ等の投射型表示装置では、光源から出射される光を赤、緑、青に分離し、各色光を液晶表示素子（以下、ＬＣＤという）により構成される３つのライトバルブにより変調し、変調された後の色光束を再び合成して、投射面に拡大投射している。
そして、液晶プロジェクタ等に搭載されるライトバルブとしては、一般に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴという）駆動によるアクティブマトリクス駆動方式のＬＣＤが用いられる。

アクティブマトリクス駆動方式のＬＣＤのほとんどには、ネマティック液晶が用いられており、主な表示方式としては、旋光モードのＬＣＤがある。
旋光モードのＬＣＤで用いられるネマティック液晶は、９０度捩れた分子配列を持つツイステッドネマティック（ＴＮ型）液晶であり、原理的に白黒表示で、高いコントラスト比と良好な階調表示性を示す。

アクティブマトリクス駆動方式のＬＣＤの表示を均一に行うためには、基板表面全面に液晶分子を均一に配向させることが必要である。
配向膜が形成された２枚の電極が形成された基板は、各基板の配向膜が対向して配置されており、実際に画像が表示される画素表示領域の周囲に位置するシール領域において、シール材により貼り合わされる。基板間隙を制御するために、前述した貼り合わせ前にミクロパールとよばれる球状のスペーサが用いられる、もしくは、レジストにより形成される柱状スペーサが用いられる。
これらの工程を経ることで、空セルが製造される。その後、この空セル内に液晶が封入されて、液晶セルが製造される。
なお、前述した液晶は、数種類の単体液晶材料からなり、液晶組成物ともよばれる。製造された液晶セルに偏光板が取り付けられて液晶表示素子が製造される。

これらの液晶パネルにおいては、シール形成時に、配向膜の一部とシールが重なると遮蔽性が低下し、シール剥がれなど問題が発生したり、配向膜とシールの界面を通じて水分が液晶中に侵入し、液晶を劣化させるという問題があった。特に膜をスピンコートで形成する場合は、基板端部にまで膜が形成されるため問題発生が顕著である。

さらに、プロジェクタに用いる投射型ＬＣＤにおいては、拡大投影するため画質異常が目立ちやすい。またパネルに入射する光の量が直視型に比べ非常に多いのでパネルが高温になり、微量の水分進入による劣化も見えやすい方向にある。

これらの問題を解決するために、たとえば、シール材にフィラーと呼ばれる充填剤を添加することにより水分の浸入をせき止めるといった方法は一般的に行われてきた（たとえば特許文献１、特許文献２参照）。
特許文献１のＬＣＤにおいては、平均粒子径が２μｍ程度でシールの粘度調整を目的にフィラーが添加されている。
また、特許文献２のＬＣＤにおいては、トランスファー材として６．０μｍあるいは６．５μｍの導電性ビーズを混合し、導電性ビーズを介して対向電極間の導通をとるために平均粒径が０．１〜０．５μｍの導電性フィラーが添加されている。
特開平１１−１５００５号公報 特開平１１−９５２３２号公報

ところで、投射型表示装置のライトバルブとして用いられるアクティブマトリクス駆動方式のＬＣＤは、液晶プロジェクタ等の投射型表示装置の小型化にともなって小型化され、一方では画素の高精細化、高輝度化が進展している。高精細化に伴い、液晶表示素子の画素ピッチ間は小さくなっている。
たとえば、基板サイズが２２．９ｍｍ（０．９インチ）ＸＧＡ（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｒｒａｙ）タイプの場合、画素数は1024×768であり、ピクセルピッチは１８μｍとなっている。

高精細化が進むことで、各画素の透明電極（たとえばＩＴＯ：酸化インジウム）間隔がますます狭くなり、各画素における電位が反転した場合において、横方向の電界が発生する。
この横方向の電界の発生により、透明電極境界部の液晶分子の配向は乱れ、乱れた部分と正常な部分の境界に境界線（ディスクリネーションラインともいう）が表示欠陥として発生し、コントラストが低下するといった問題が起こる。さらに、高輝度化に伴い、この表示欠陥は目立つ方向に進んでいる。
したがって、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）などのスイッチング素子を備えたマトリクス型液晶表示装置においては、高開口率と高コントラスト比とを両立させることが困難である。

また、特許文献１または２に記載のＬＣＤにおいては、平均粒径が２μｍ程度のフィラーを用いたり、６．０μｍあるいは６．５μｍの導電性ビーズを混合し、かつ平均粒径が０．１〜０．５μｍの導電性フィラーを用いると、プロジェクタのようなセルギャップを狭くする傾向にある狭ギャップの液晶パネルにおいては、ギャップ不良が発生し、信頼性不良が多発するという不利益がある。

本発明の目的は、プロジェクタ等のライトバルブに用いる液晶パネルが高温高湿環境下に置いて動作されても、液晶パネルの劣化等を防止でき、高品質の液晶表示素子およびその液晶表示装置を用いた投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点は、２枚の基板上に、液晶を所定方向に配向させるための配向膜が形成されており、上記配向膜が所定間隙で対向するようにシール材で貼り合わせた一対の基板間に液晶層が挟持された液晶表示素子であって、上記シール材は、平均粒子径が０．５μｍ未満の充填剤を含有し、上記液晶層に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性が０．１６以上であり、セルギャップが３μｍ以下である。

好適には、上記シール材に含まれる充填剤の含有量が１５〜４０ｗｔ％の範囲である。

好適には、上記シール材に含まれる充填剤の最大粒子径は１．５μｍ以下である。

好適には、上記シール材に含まれる充填剤の比表面積が３０m²/g以下である。

好適には、少なくとも一方の基板のシール下に配向膜がある。

また、好適には、上記配向膜材料は無機系配向膜である。

本発明の第２の観点は、光源と、上記光源から出射された光を液晶表示素子に導く集光光学系と、上記液晶表示素子で光変調した光を拡大して投射する投射光学系と、を有し、上記液晶表示素子は、２枚の基板上に、液晶を所定方向に配向させるための配向膜が形成されており、上記配向膜が所定間隙で対向するようにシール材で貼り合わせた一対の基板間に液晶層が挟持され、上記シール材は、平均粒子径が０．５μｍ未満の充填剤を含有し、上記液晶層に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性が０．１６以上であり、セルギャップが３μｍ以下である。

本発明によれば、たとえば水分進入等の信頼性を目的とした充填剤の径は、より細かい方が効果がある。実験によれば、フィラーの平均粒子径は０．５μｍ未満、望ましくは０．３μｍ以下のものを用いないと水分進入により発生する信頼性不良が多発し、効果が全く見られない。
また、充填剤の含有量が１５ｗｔ％未満の場合、水分進入により発生する信頼性不良に効果が全く見られず、４０ｗｔ％よりも多い場合は、粘度が上昇してしまい作業性が悪化してしまう。
また、シール材に含まれる充填剤の最大粒子径は１．５μｍ以下である根拠としては、大きな粒子径が混在したフィラーを用いるとプロジェクターのようなセルギャップ３μｍ以下の狭ギャップの液晶パネルにおいては、ギャップ不良が発生してしまうためである。
また、比表面積は単位重さあたりの表面積であるが、大きくなりすぎると微小粒子の割合が大きくなり、シール剤の粘度が急激に上昇する。実験によれば、３０m²/g以下において、作業性に問題のないシール剤を得ることがた。これら充填剤のそれぞれの形状は球状が好ましい。理由は、球の比表面積が一番小さくシール剤に混合したときの粘度上昇が少ないからである。
また、配向膜とシールの一部が重なってしまうと、遮蔽性が低下し様々な問題が発生する。近年、スピンコートによる配向膜形成は、タクトタイムの縮小及び材料低減による低コストを目的として採用されているが、この場合、基板端部にまで膜が形成されるため、シールと配向膜が完全に重なってしまい、信頼性の低下は大きな問題となっている。本発明では、特にスピンコートにより形成した配向膜を採用した液晶表示素子に非常に有効である。
また、液晶層に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性が0.16以上であり、セルギャップが３μｍ以下であることを特徴とする。
今後、高精細化が進展し、画素サイズが小さくなるに従い、狭セルギャップ化は進むと考えられる。特に０．５μｍ未満の微少なフィラーは非常に効果的であると考えられる。
投射型ＬＣＤにおいては、拡大投影するため画質異常が目立ちやすく、パネルが高温になり、微量の水分進入による劣化も見えやすい方向にある。本発明では、特に投射型の液晶表示素子に非常に有効である。

本発明によれば、耐湿性の向上による高画質化の実現でき、高精細化に伴う高屈折率異方性液晶、狭セルギャップによる高コントラスト化を実現できる利点がある。
また、シール幅縮小が可能となり、パネル小型化もしくは有効画素領域拡大による高開口率化を実現できる。
また、プロジェクター等の投射型ＬＣＤにおいては、ランプ高照射量可能による高輝度化を実現でき、作業性の向上、セルギャップ異常防止による高生産性、高歩留まり化を実現できる利点がある。更に、狭セルギャップにより、応答速度が改善でき動画特性に有利であるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に関連付けて説明する。

図１は、本発明の係るアクティブマトリクス型液晶表示素子の概略構成を示す断面図である。

本実施形態に係る液晶表示素子１０は、図１に示すように、対向配置された２枚の基板、すなわち、ＴＦＴアレイ基板１１と、ＴＦＴアレイ基板１１に対向配置される透明な対向基板１２とを備えている。
ＴＦＴアレイ基板１１は、たとえば石英基板からなり、対向基板１２は、たとえばガラス基板や石英基板からなる。ＴＦＴアレイ基板１１には、画素電極１３が設けられており、たとえばＩＴＯ膜（インジウム・ティン・オキサイド膜）などの透明導電性薄膜からなる。対向基板１２には、ＩＴＯ膜１４がＴＦＴアレイ基板１１との対向面側の全面に形成されている。
ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２とには、後述するように液晶を所定方向に配向させるための図示しない配向膜が形成されており、配向膜が所定間隙で対向するようにシール材１５で貼り合わせた一対の基板間に液晶層１６が挟持されている（封入されている）。
そして、本実施形態に係る液晶表示素子１０において、シール材１５は、平均粒子径が０．５μｍ未満の非導電性の充填剤（フィラー）を含有している。
また、本実施形態に係る液晶表示素子１０において、液晶層１６に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性Δｎが０．１６以上、たとえば０．１６、０．１７、０．１８、０．２０等に設定され、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２との間隔（実際には配向膜と配向膜の間隔）とであるセルギャップｄが３μｍ以下に設定される。

以下に、本実施形態に係る液晶表示素子１０の特徴である、液晶材料の屈折率異方性Δｎ、セルギャップｄ、およびシール材１５に含有するフィラーの各設定値についてさらに詳細に説明する。

このような構成を有する液晶表示素子１０は、たとえば、投射型表示装置のライトバルブとして用いられる。
液晶プロジェクタ等のライトバルブとして用いられる液晶表示素子１０は、投射型表示装置の小型化に伴って小型化され、ピクセルピッチは２０μｍ以下、たとえばＸＧＡタイプで１８μｍと、高精細化が進んでいる。
このように、液晶プロジェクタ等の２０μｍ以下の狭ピッチのデバイスにおいては、横電界によるリバースチルトドメイン（ＲＴＤ）等の課題があり、この対策としては、狭ギャップ化、すなわちセルギャップを薄くして、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２の上下方向の電界を強め、横方向の電界の影響を防止することが効果的である。

図２は、セルギャップとコントラストとの関係を示す図である。
図２において、横軸がセルギャップｄを、縦軸が相対コントラスト比をそれぞれ表している。また、測定は、白黒表示の３板式プロジェクタを使用し、暗室で、パネル中央の一点という条件で行った。

図２に示すように、相対コントラスト比が１以上を満足するには、セルギャップｄは３μｍ以下が望ましい。
すなわち、狭ギャップ化を実現すると、実効的な印加電圧が上昇することで、高コントラスト値を得ることが可能となり、応答速度の向上も図ることが可能となる。

次に、セルギャップｄと屈折率異方性Δｎとの関係について考察する。

液晶表示素子１０の適用したライトバルブにおいて、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、偏光板ＰＬと検光板ＤＬが直交配置で、非点灯時において白表示であるノーマリホワイト（ＮＷ）モードに場合、下記のＧｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙ式により、高透過率を得るΔｎｄは決まっている。

換言すれば、電圧オフでの透過率は、光の波長とリタデーション（Δｎｄ）に依存し、上記Ｇｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙ式の関係が成り立つ。

図４は、リタデーション（Δｎｄ）と透過率との関係を示す図である。
図４において、横軸がリタデーション（Δｎｄ）を、縦軸が透過率をそれぞれ表している。また、図４において、Ａで示す曲線が波長４５０ｎｍの青（Ｂｌｕｅ）色光の特性を、Ｂで示す曲線が波長５５０の緑（Ｇｒｅｅｎ）色光の特性を、Ｃで示す曲線が波長６５０ｎｍの赤（Ｒｅｄ）色光の特性を示している。

セル設計を行う場合、上記Ｇｏｏｃｈ−Ｔａｒｒｙ式に基づいて緑色光の透過率の最大値のΔｎｄを用いる。図４の例では、緑色光の透過率のリタデーション（Δｎｄ）の最大値は、０．４８μｍと１．０７μｍとの２つが存在するが、応答速度の関係で通常第１最大値である０．４８μｍを採用する。
すなわち、液晶材料の屈折率異方性Δｎ×セルギャップｄ＝０．４８μ（４８０ｎｍ）のときに最大の透過率が得られる設計となる。
この最大透過率を得るには、前述したセルギャップを薄くするといった対策を施した場合、液晶の屈折率異方性Δｎを高くする必要がある。
すなわち、狭セルギャップｄを実現するには、液晶の高Δｎ化が必要となる。

ところが、液晶は、一般的に屈折率異方性Δｎが高くなるに従い、耐湿性、耐熱性が悪化する方向にあり、液晶材料として選択幅が少なくなる傾向にある。

表１に、Δｎと環境試験化における表示異常との関係を示す。
表１は、従来の液晶表示素子を環境試験機を用いて６０°Ｃ，９０％の環境下にて加速駆動試験を行った結果を示す。

表１からわかるように、屈折率異方性Δｎが０．１６以上で、経時変化に伴い、表示異常が発生しだし、０．１８、０．２０となると、表示異常が発生する確率が高くなる。

そこで、この高Δｎであっても表示異常の発生を抑止するために、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２との間隔であるセルギャップｄを３μｍ以下に設定し、液晶層１６に用いる液晶材料の室温での屈折率異方性Δｎを０．１６以上に設定し、さらに、シール材１５に平均粒子径が０．５μｍ未満の非導電性のフィラーを含有（添加）させている。
このように、平均粒子径が０．５μｍ未満の非導電性のフィラーを添加させた本実施形態に係る液晶表示素子１０に対して環境試験機を用いて６０°Ｃ，９０％の環境下にて加速駆動試験を行った結果を表２に示す。

表２に示すように、本実施形態に係る液晶表示素子１０は、高Δｎにもかかわらず、経時変化に伴う表示異常の発生が抑止されている。
なお、表２の結果は、後で詳述する具体的な実施例に基づくものである。

液晶表示素子のプロジェクタ用途の場合においては、２０００万ＬＸ以上の光が照射され、かつ、動作温度も６０度以上になる。
したがって、表２の結果で示すように、本実施形態に係る液晶表示素子１０は、実際の厳しい条件下において使用されたとしても、経時変化に伴う表示異常が発生するおそれがない。
たとえば、高Δｎ液晶であるトラン系などは、Δｎ＝０．２であるが、本実施形態に係る液晶表示素子１０によれば、表２に示すように、Δｎ＝０．２であっても経時変化に伴う表示異常が発生するおそれがないことから、液晶材料の選択幅が広がり、その結果、高Δｎ材料マージンが達成できる。
月刊ディスプレイ'02 1月号 高屈折率異方性液晶 住友化学工業 関根ら

以上のように、狭ギャップ化に伴い、高屈折率異方性（Δｎ）化が必要であり、これを達成するためにシール材１５に平均粒子径が０．５μｍ未満の非導電性のフィラーを添加させている。
逆にいうと、本実施形態のように、高Δｎ化が達成できると、狭ギャップ化が実現できるとこになり、リバースチルトドメイン（ＲＴＤ）対策ができ、高画質化、高精度化を達成することが可能となる。
これにより、実効的な印加電圧が上昇し、電界強度が上昇し、より高いコントラストを達成できる。
今後、高精細、小型化の一層の進展により、ピクセルピッチが小さくなるに従い、リバースチルトドメイン（ＲＴＤ）の影響がさらに厳しくなるが、本実施形態に係る液晶表示素子１０は、これに十分に対応し得る。さらに、応答速度の向上も図ることができる。

シール材１５に添加するフィラー、たとえばシリカなどの大きさなばらつきが少なく、均一性のよい、小径の粒度である必要があり、本実施形態では、平均粒子径が０．５μｍ未満としている。
本実施形態においては、シール材１５に添加するフィラーについては、以下に示すような条件を設定している。なお、以下に示す条件は、後で詳述する複数の実施例により選択した理由（根拠）が明確に裏付けされる。

すなわち、シール材１５に含まれるフィラー（充填剤）の含有量が１５〜４０ｗｔ％の範囲である。
また、シール材１５に含まれるフィラー（充填剤）の最大粒子径は１．５μｍ以下である。
また、シール材１５に含まれるフィラー（充填剤）の比表面積が３０m²/g以下である。
また、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２には、液晶を所定方向に配向させるための配向膜が形成されるが、本実施形態におていは、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２の少なくとも一方の基板のシール材下に配向膜が形成されている。

ここで、フィラー（充填剤）の平均粒子径とは、たとえば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による測定でもかまわないし、レーザー散乱光法による累積重量平均粒子径でもかまわない。また、比表面積とはＢＥＴ法により測定したものである。
水分進入等の信頼性を目的としたフィラー（充填剤）の径は、より細かい方が効果がある。実験によれば、フィラーの平均粒子径は０．５μｍ未満、望ましくは０．３μｍ以下のものを用いないと水分進入により発生する信頼性不良が多発し、効果が全く見られなくなるおそれがあることがわかっている。
また、フィラーの含有量が１５−４０ｗｔ％の範囲に設定したのは、フィラー（充填剤）の含有量が１５ｗｔ％未満の場合、水分進入により発生する信頼性不良に効果が全く見られず、４０ｗｔ％よりも多い場合は、粘度が上昇してしまい作業性が悪化してしまう。
また、シール材１５に含まれるフィラー（充填剤）の最大粒子径は１．５μm以下である根拠としては、大きな粒子径が混在したフィラーを用いるとプロジェクターのようなセルギャップ３μｍ以下の狭ギャップの液晶パネルにおいては、ギャップ不良が発生してしまうためである。

また、シール材１５に含まれるフィラー（充填剤）の比表面積が３０m²/g以下である根拠は以下の通りである。
比表面積は単位重さあたりの表面積であるが、大きくなりすぎると微小粒子の割合が大きくなり、シール材の粘度が急激に上昇する。実験によれば、３０m²/g以下において、作業性に問題のないシール材を得ることができた。
これらフィラー（充填剤）のそれぞれの形状は球状が好ましい。理由は、球の比表面積が一番小さくシール剤に混合したときの粘度上昇が少ないからである。

また、本実施形態においては、ＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２の少なくとも一方の基板のシール材下に配向膜が形成されている理由は以下の通りである。
配向膜とシール材の一部が重なってしまうと、遮蔽性が低下し様々な問題が発生する。近年、スピンコートによる配向膜形成は、タクトタイムの縮小および材料低減による低コストを目的として採用されているが、この場合、基板端部にまで膜が形成されるため、シールと配向膜が完全に重なってしまい、信頼性の低下は大きな問題となっている。
本実施形態においては、特にスピンコートにより形成した配向膜を採用した液晶表示素子に非常に有効である。

さらにまた、配向膜材料は無機系配向膜である。
無機配向膜は、代表的に蒸着で形成されるシリコン酸化物等があげられるが、蒸着可能な酸化物CaF2、MｇF2などでも可能である。 その他に、印刷やスピンコート、インクジェット法で形成されるシロキ酸骨格を有する材料などもあげられる。

以上の構成を有する液晶表示素子１０のより具体的な構成について図５および図６に関連付けて説明する。

図５は、本実施形態に係るアクティブマトリクス型液晶表示素子の画素部の模式図であり、図６は、本実施形態のアクティブマトリクス型液晶表示素子の断面図の一例である。

液晶表示素子１０は、図１に関連付けて説明したように、ＴＦＴアレイ基板１１と、これに対向配置される透明な対向基板１２とを備えている。ＴＦＴアレイ基板１１は、たとえば石英基板からなり、対向基板１２は、たとえばガラス基板や石英基板からなる。ＴＦＴアレイ基板１１には、画素電極１３が設けられており、たとえばＩＴＯ膜（インジウム・ティン・オキサイド膜）などの透明導電性薄膜からなる。対向基板１２には、前述した全面ＩＴＯ膜（対向電極）１４が全面に設けられている。前述した対向基板１２には、さらに、各画素部の開口領域以外の領域に遮光膜１７が設けられている。
そして、画素電極１３と保護膜１９上、並びにこれと対向する対向電極１４上に、液晶１６を所定方向に配向させるための配向膜２０，２１が液晶パネル製造時に形成される。

ここで、ＴＦＴアレイ基板１１の構成について簡単に説明する。
液晶表示素子１０の画像表示領域を構成するマトリクス状に複数形成された画素電極１３には、隣接する位置に各画素電極１３をスイッチング制御する画素スイッチング用ＴＦＴ２２が設けられている。
画素信号が供給される信号線２３が前述したＴＦＴ２２のソース２４に電気的に接続されている。信号線２３に書き込む画素信号を供給している。
また、ＴＦＴ２２のゲートに走査線２５が電気的に接続されており、所定のタイミングで、走査線２５にパルス的に走査信号を印加するように構成されている。

画素電極１３は、ＴＦＴ２２のドレイン２６に電気的に接続されており、スイッチング素子であるＴＦＴ２２を一定期間だけそのスイッチを導通させることにより、信号線２３から供給される画素信号を所定のタイミングで書き込む。
画素電極１３を介して液晶に書き込まれた所定レベルの画素信号は、対向基板１２に形成された対向電極１４との間で一定期間保持される。

液晶１４は、印加される電圧レベルにより分子集合の配向や秩序が変化することにより、光を変調し、階調表示を可能にする。ノーマリホワイト表示であれば、印加された電圧に応じて入射光がこの液晶部分を通過可能とされ、全体として液晶表示素子から画素信号に応じたコントラストを持つ光が出射する。
ここで、保持された画素信号がリークされるのを防ぐために、画素電極１３と対向電極１４との間に形成される液晶容量と並列に蓄積容量２７を付加する。これにより、保持特性はさらに改善され、コントラスト比の高い液晶表示素子が実現できる。また、このような蓄積容量２７を形成するために、抵抗化されたＣｓ線２８が設けられている。なお、２９は層間絶縁膜を、３０は半導体層を示してている。
次いで、前述した対向基板１２に対して、図示しない柱状スペーサとなる透明レジスト層を形成した。
基板上にフォトレジストとして、PMER（東京応化工業株式会社製）をスピンコート法により３μｍの厚さに塗布した後、フォトマスクを用いて紫外線照射による露光処理を行い、次いで現像して、図示しない柱状スペーサを形成した。

以下、上記した構成を有するＴＦＴアレイ基板１１と対向基板１２とをシール材１５で貼り合わせるプロセス、およびデバイス特性について、具体的な実施例１〜実施例５として説明する。

（実施例１）
次に、本実施形態で作製したセルのプロセス（液晶パネルの製造プロセス）について、図７（Ａ）〜（Ｆ）に関連付けて説明する。
まず、図７（Ａ）に示すように、ＴＦＴアレイ基板１１および対向基板１２を中性洗剤または純水を用いて洗浄後１２０℃で２０分間乾燥させた。基板の材質はともに石英基板を用いた。
次いで、図７（Ｂ）に示すように、各基板の配向膜形成を行った。ポリイミドからなる配向膜をスピンコート法により約５０ｎｍの厚さに塗布した後、１００℃で１分間乾燥させた（仮焼成）。ポリイミドとしては、たとえば可溶性ポリイミド（日本合成ゴム（株）製）を用いた（スピンナーは２０００ｒｐｍで３０秒）
なお、本実施例においては、配向膜形成にスピンコート法を用いたが印刷法でもかまわないし、インクジェット法でもかまわない。また、配向膜材料の種類は、ポリイミドのような有機材料に限らず、シリコンのような無機材料を用いてもかまわない。無機材料の場合は、形成方法に蒸着を用いてもかまわない。
１８０℃で１時間ポストベークを行い、溶媒を乾燥させた。
その後、図７（Ｃ）に示すように、ラビング処理を行った。ラビングは、レーヨン布を用い、ラビング角度９０°、ラビング回数２回の条件で行った。
ラビング後には、ラビングで使用した布のゴミやPIの削れたものを除去するために水による洗浄を行った。

次いで、注入口を除いて形成されるシールパターンを形成した。
本実施例で使用したシール材の一例としては、エポキシ樹脂を主成分とするシール材にシリカ充填剤（以下フィラー）を添加したものと、しないもの、とを用いた。
充填剤の例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等が好ましく、異なる種類の充填剤が混合されていてもかまわない。
フィラーは平均粒子径が０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍの４条件、比表面積を各々２０m²/g以下にし、含有量を２０ｗｔ％、最大粒子径１．０μｍ以下の球状のシリカを用いた。
平均粒子径は、ＳＥＭによる１００個の抜き取り測定、比表面積はＢＥＴ法による測定、含有率は電子天秤により測定し、最大粒子径は、倍率３万倍により最大粒径の粒子を確認した。これらのシール剤の粘度はコーンプレート型粘度計で室温にて測定したところ約２０万ｍＰａ・ｓであった。

図７（Ｄ）に示すように、調整したシール材を対向基板の周辺部に、注入口を除くパターンでディスペンサーにより形成し、図７（Ｅ）に示すように、ＴＦＴアレイ基板１と対向基板２を重ね合わせ、セルギャップを３．０μｍとした。シール幅は約０．７mmであった。
その後、図７（Ｆ）に示すように、液晶材料（Δｎ＝０．１６）を封入し、注入口を紫外線硬化樹脂により封止（図示せず）した。

液晶材料は、屈折率異方性Δｎの高い単体を新たに微量添加したものを用いた。
本実施例の液晶表示素子を環境試験機を用いて６０°Ｃ，９０％の環境下にて加速駆動試験を行った。結果を表３に示す。

５０時間経過後に観察したところ、フィラーなし、平均粒子径１．０μｍ、２．０μｍにおいて、水分浸入による表示異常が発生した。傾向は、時間の経過とともに酷くなったが、平均粒子径０．５μｍ、０．３μｍにおいては、１００時間駆動後においても表示異常は発生しなかった。
このように、本実施形態の液晶表示素子を用いることにより、より信頼性のよい高品質の液晶表示素子を得ることができる。

（実施例２）充填剤含有量と信頼性表示異常の関係
ラビングまでは、実施例１と同様に作成し、次いで注入口を除いて形成されるシールパターンを形成した。
本実施例で使用したシール材の一例としては、エポキシ樹脂を主成分とするシール材にシリカ充填剤（以下フィラー）を添加したものを用いた。
フィラーは平均粒子径が０．３μｍ、比表面積を各々２０m²/g、含有量を１０ｗｔ％、１５ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％、４０ｗｔ％、４５ｗｔ％の６条件、最大粒子径１．０μｍ以下の球状のシリカを用いた。
平均粒子径は、ＳＥＭによる１００個の抜き取り測定、比表面積はＢＥＴ法による測定、含有率は電子天秤により測定し、最大粒子径は、倍率３万倍により最大粒径の粒子を確認した。
調整したシール材を対向基板の周辺部に、注入口を除くパターンでディスペンサーにより形成し、ＴＦＴアレイ基板１と対向基板２を重ね合わせ、セルギャップを３．０μｍとした。シール幅は約０．７mmであった。
その後、液晶材料（Δｎ＝０．１６）を封入し、注入口を紫外線硬化樹脂により封止（図示せず）した。

本実施例の液晶表示素子を観察した。含有量４５ｗｔ％のものは作業性が悪く、粘度上昇によりシール切れが発生した。
次いで、本実施例の液晶表示素子を環境試験機を用いて６０°Ｃ，９０％の環境下にて加速駆動試験を行った。
結果を表３に示す。５０時間経過後に観察したところ、含有量が１０ｗｔ％において水分浸入による表示異常が発生した。１５ｗｔ％以上のものは発生しなかった。傾向は、時間の経過とともに酷くなったが、１５ｗｔ％以上のものは、１００時間駆動後においても表示異常は発生しなかった。
このように、本実施例の液晶表示素子を用いることにより、より信頼性のよい高品質の液晶表示素子を得ることができる。

（実施例３）最大粒子径とギャップ異常
ラビングまでは、実施例１と同様に作成し、次いで注入口を除いて形成されるシールパターンを形成した。
本発明で使用したシール材の一例としては、エポキシ樹脂を主成分とするシール材にシリカ充填剤（以下フィラー）を添加したものを用いた。フィラーは平均粒子径が０．３μｍ、比表面積を各々２０m²/g、含有量を２０ｗｔ％、最大粒子径を各々０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ以下の５条件の球状のシリカを用いた。
平均粒子径は、ＳＥＭによる１００個の抜き取り測定、比表面積はＢＥＴ法による測定、含有率は電子天秤により測定し、最大粒子径は、倍率３万倍により最大粒径の粒子を確認した。
調整したシール材を対向基板の周辺部に、注入口を除くパターンでディスペンサーにより形成し、ＴＦＴアレイ基板１と対向基板２を重ね合わせ、セルギャップを３．０μｍとした。シール幅は約０．７mmであった。
その後、液晶材料（Δｎ＝０．１６）を封入し、注入口を紫外線硬化樹脂により封止（図示せず）した。

本実施例の液晶表示素子を観察した。結果を表４に示す。

最大粒子径が２．０μｍ以下、３．０μｍ以下のフィラーを用いたものはセルギャップ異常が見られた。最大粒子径０．５μｍ以下、１．０μｍ以下、１．５μｍ以下の液晶表示素子においては、セルギャップ異常が見られなかった。
このように、本実施例の液晶表示素子を用いることにより、より信頼性のよい高品質の液晶表示素子を得ることができる。

（実施例４）比表面積と作業性
ラビングまでは、実施例１と同様に作成し、次いで注入口を除いて形成されるシールパターンを形成した。
本実施例で使用したシール材の一例としては、エポキシ樹脂を主成分とするシール材にシリカ充填剤（以下フィラー）を添加したものを用いた。フィラーは平均粒子径が０．３μｍ、比表面積を４０m²/g、３０m²/g、２０m²/gの３条件、含有量を２０ｗｔ％、最大粒子径を１．０μｍ以下の球状のシリカを用いた。
平均粒子径は、ＳＥＭによる１００個の抜き取り測定、比表面積はＢＥＴ法による測定、含有率は電子天秤により測定し、最大粒子径は、倍率３万倍により最大粒径の粒子を確認した。
調整したシール材を対向基板の周辺部に、注入口を除くパターンでディスペンサーにより形成し、作業性を評価した。
比表面積を４０m²/gでは作業性が悪く、粘度上昇によりシール切れが発生した。３０m²/g、２０m²/gでは問題なく塗布することができた。
このように、本実施例の液晶表示素子を用いることにより、より信頼性のよい高品質の液晶表示素子を得ることができる。

（実施例５） Δｎ＝0.18, 0.20液晶使用
ラビングまでは、実施例１と同様に作成し、次いで注入口を除いて形成されるシールパターンを形成した。
本実施例で使用したシール材の一例としては、エポキシ樹脂を主成分とするシール材にシリカ充填剤（以下フィラー）を添加したものと、しないものとを用いた。フィラーは平均粒子径が０．３μｍ、比表面積を各々２０m²/g、含有量を２０ｗｔ％、最大粒子径１．０μｍ以下の球状のシリカを用いた。
平均粒子径は、ＳＥＭによる１００個の抜き取り測定、比表面積はＢＥＴ法による測定、含有率は電子天秤により測定し、最大粒子径は、倍率３万倍により最大粒径の粒子を確認した。
調整したシール材を対向基板の周辺部に、注入口を除くパターンでディスペンサーにより形成し、ＴＦＴアレイ基板１と対向基板２を重ね合わせ、セルギャップは、２．６５μｍ、２．４μｍとした。シール幅は約０．７mmであった。
その後、液晶材料を２種類（Δｎ＝０．１８，０．２０）の注入を行った。セルギャップ２．６５μｍのものにはΔｎ＝０．１８の液晶材料、セルギャップ２．４μｍのものにはΔｎ＝０．２０の２種類を封入し、注入口を紫外線硬化樹脂により封止（図示せず）した。なお、Δｎを上昇させる液晶単体の液晶組成物全体に占める割合は、０．１６＜０．１８＜０．２０の順で大きくなる。

本実施例の液晶表示素子を環境試験機を用いて６０°Ｃ、９０％の環境下にて加速駆動試験を行った。結果を前述した表１、表２に示す。
１０時間経過後に観察したところ、フィラー無しの（従来例）かつΔｎ＝０．２０の液晶材料において、表示異常発生した。３０時間経過後に観察したところ、フィラー無しの（従来例）かつΔｎ＝０．１８の液晶材料において、表示異常が発生した。表示異常発生時間は、Δｎを上昇させる単体の量に依存すると考えられる。なお、傾向は、時間の経過とともに酷くなった。
フィラーを添加した本実施例の液晶表示素子においては、１００時間駆動後においても表示異常は発生しなかった。
このように、本実施例の液晶表示素子を用いることにより、より信頼性のよい高品質の液晶表示素子を得ることができる。

以下に上述した特徴を有する液晶表示素子を用いた電子機器の一例として、投射型表示装置の構成について、図８の概略構成図によって説明する。
図８に示すように、投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）３００は、光軸Ｃにそって光源３０１と透過型の液晶表示素子３０２と投射光学系３０３とが順に配設されて構成されている。
光源３０１を構成するランプ３０４から射出された光はリフレクタ３０５によって後方に放射される成分が前方に集光され、コンデンサレンズ３０６に入射される。コンデンサレンズ３０６は、光をさらに集中して、入射側偏光板３０７を介し液晶表示素子３０２へ導く。
導かれた光は、シャッタもしくはライトバルブの機能を有する液晶表示素子３０２および射出がエア偏光板３０８により画像に変換される。表示された画像は、投射光学系３０３を介してスクリーン３１０上に拡大投影される。
なお、光源３０１とコンデンサレンズ３０６との間にはフィルタ３１４が挿入されており、光源に含まれる不用な波長の光、たとえば赤外光および紫外光を除去する。

次に、上記の液晶表示素子を用いた電子機器の一例として、投射型表示装置の構成について、図９に関連付けて説明する。
図９に示す投射型表示装置５００は、上述した液晶表示素子を３個用意し、各々ＲＧＢ用の液晶表示素子５６２Ｒ、５６２Ｇおよび５６２Ｂとして用いた投射型液晶装置の光学系の概略構成図を示す。

投射型表示装置５００は、光学系として、光源装置５２０と、均一照明光学系５２３が用いられている。
この均一照明光学系５２３から出射される光束Ｗを赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）に分離する色分離手段である色分離光学系５２４と、各色光束Ｒ、Ｇ、Ｂを変調する変調手段である３つのライトバルブ５２５Ｒ、５２５Ｇ、５２５Ｂと、変調された後の色光束を再合成する色合成手段である色合成プリズム５１０と、合成された光束を投射面６００の表面に拡大投射する投射手段である投射レンズユニット５０６とを備えている。さらに、青色光束Ｂを対応するライトバルブ５２５Ｂに導く導光系５２７を備えている。

均一照明光学系５２３は、２つのレンズ板５２１、５２２と反射ミラー５３１を備えており、反射ミラー５３１を挟んで２つのレンズ板５２１、５２２が直交する状態に配置されている。均一照明光学系５２３の２つのレンズ板５２１、５２２は、それぞれマトリクス状に配置された複数の矩形レンズを備えている。

光源装置５２０から出射された光束は、第１のレンズ板５２１の矩形レンズによって複数の部分光束に分割される。
そして、これらの部分光束は、第２のレンズ板５２２の矩形レンズによって３つのライトバルブ５２５Ｒ、５２５Ｇ、５２５Ｂ付近で重なる。 したがって、均一照明光学系５２３を用いることにより、光源装置５２０が出射光束の断面内で不均一な照度分布を有している場合でも、３つのライトバルブ５２５Ｒ、５２５Ｇ、５２５Ｂを均一な照明光で照明することが可能となる。
各色分離光学系５２４は、青緑反射ダイクロイックミラー５４１と、緑反射ダイクロイックミラー５４２と、反射ミラー５４３から構成される。
まず、青緑反射ダイクロイックミラー５４１では、光束Ｗに含まれている青色光束Ｂおよび緑色光束Ｇが直角に反射され、緑反射ダイクロイックミラー５４２の側に向かう。赤色光束Ｒは、この青緑反射ダイクロイックミラー５４１を通過して、後方の反射ミラー５４３で直角に反射されて、赤色光束Ｒの射出部５４４からプリズムユニット５１０の側に射出される。

次に、緑反射ダイクロイックミラー５４２では、青緑反射ダイクロイックミラー５４１で反射された青色光束Ｂおよび緑色光束Ｇのうち、緑色光束Ｇのみが直角に反射されて、緑色光束Ｇの射出部５４５から色合成光学系の側に射出される。緑反射ダイクロイックミラー５４２を通過した青色光束Ｂは、青色光束Ｂの射出部５４６から導光系５２７の側に射出される。
ここでは、均一照明光学系５２３の光束Ｗの射出部から、色分離光学系５２４における各色光束の射出部５４４、５４５、５４６までの距離がほぼ等しくなるように設定されている。色分離光学系５２４の赤色光束Ｒの出射部５４４および緑色光束Ｇの出射部５４５の各射出側には、それぞれ集光レンズ５５１および集光レンズ５５２が配置されている。したがって、各射出部から射出した赤色光束Ｒ、緑色光束Ｇは、これらの集光レンズ５５１、集光レンズ５５２に入射して平行化される。

このように平行化された赤色光束Ｒおよび緑色光束Ｇは、それぞれライトバルブ５２５Ｒおよびライトバルブ５２５Ｇに入射して変調され、各色光に対応した画像情報が付加される。すなわち、これらの液晶表示素子は、図示していない駆動手段によって画像情報に応じてスイッチング制御されて、これにより、ここを通過する各色光の変調が行われる。一方、青色光束Ｂは、導光系５２７を介して対応するライトバルブ５２５Ｂに導かれ、ここにおいて、同様に画像情報に応じて変調が施される。

なお、本例のライトバルブ５２５Ｒ、５２５Ｇ、５２５Ｂは、それぞれさらに入射側偏光手段５６１Ｒ、５６１Ｇ、５６１Ｂと、これらの間に配置された液晶表示素子５６２Ｒ、５６２Ｇ、５６２Ｂとからなる液晶ライトバルブである。

導光系５２７は、青色光束Ｂと射出部５４６の射出側に配置した集光レンズ５５４と、入射側反射ミラー５７１と、射出側反射ミラー５７２と、これらの反射ミラーの間に配置した中間レンズ５７３と、ライトバルブ５２５Ｂの手前側に配置した集光レンズ５５３とから構成されている。
集光レンズ５４６から射出された青色光束は、導光系５２７を介して液晶表示素子５６２Ｂに導かれて変調される。各色光束の光路長、すなわち、光束Ｗの射出部から各液晶表示素子５６２Ｒ、５６２Ｇ、５６２Ｂまでの距離は青色光束Ｂが最も長くなり、したがって、青色光束の光量損失が最も多くなる。

しかし、導光系５２７を介在させることにより、光量損失を抑制することができる。各ライトバルブ５２５Ｒ、５２５Ｇ、５２５Ｂを通って変調された各色光束Ｒ、Ｇ、Ｇは、色合成プリズム５１０に入射され、ここで合成される。
そして色合成プリズム５１０におよって合成された光が投射レンズユニット５０６を介して所定の位置にある投射面６００の表面に拡大投射されるようになっている。

なお、本発明は単純マトリクス方式だけでなく、ＴＦＴＦアクティブマトリクス方式や、ＴＦＤアクティブマトリクス方式、パッシブマトリクス駆動方式、旋光モード、複屈折モードなど、いずれの方式の液晶表示素子に適用しても、上述した効果が期待できる。更に、駆動内蔵型の液晶装置のみならず、駆動回路を外付けする形の液晶表示素子や対角１インチから１５インチ程度あるいはそれ以上のさまざまなサイズの液晶表示素子、投射型の液晶表示素子などに、本発明の液晶注入装置を適用しても効果が期待できる。

なお、本発明は投射型の液晶表示素子だけでなく、反射型液晶表示素子、ＬＣＯＳ、有機ＥＬ、いずれの方式のデバイスに適用しても上述した効果が得られる。
また、駆動内蔵型の液晶装表示素子、駆動回路を外付けする形の液晶表示素子、単純マトリクス方式、ＴＦＤアクティブマトリクス方式、パッシブマトリクス駆動方式、旋光モード、複屈折モードなど、いずれの方式の液晶表示素子に適用しても、上述した効果が期待できる。

本発明の係るアクティブマトリクス型液晶表示素子の概略構成を示す断面図である。 セルギャップとコントラストとの関係を示す図である。 セルギャップｄと屈折率異方性Δｎとの関係について説明するための図であある。 リタデーション（Δｎｄ）と透過率との関係を示す図である。 本実施形態に係るアクティブマトリクス型液晶表示素子の画素部の模式図である。 本実施形態のアクティブマトリクス型液晶表示素子の断面図の一例である。 本実施形態で作製したセルのプロセス（液晶パネルの製造プロセス）について説明するための図である。 本実施形態に係る液晶表示素子を用いた電子機器である投射型表示装置の一例を示す概略構成図である。 本実施形態に係る液晶表示素子を用いた電子機器である投射型表示装置の他例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０…液晶表示素子、１１…ＴＦＴアレイ基板、１２…対向基板、１３…画素電極、１４…対向電極、１５…シール材、１６…液晶層、２０，２１…配向膜、３００，５００…投射型表示装置、３０１，５２０…光源、３０３，５０６…投射光学系、３１０，６００…投射面。

Claims (16)

1. ２枚の基板上に、液晶を所定方向に配向させるための配向膜が形成されており、上記配向膜が所定間隙で対向するようにシール材で貼り合わせた一対の基板間に液晶層が挟持された液晶表示素子であって、
   上記シール材は、平均粒子径が０．５μｍ未満の充填剤を含有し、
   上記液晶層に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性が０．１６以上であり、セルギャップが３μｍ以下である
   液晶表示素子。
2. 上記液晶層に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性が０．１８以上である
   請求項１記載の液晶表示素子。
3. 上記シール材に含まれる充填剤の含有量が１５〜４０ｗｔ％の範囲である
   請求項１記載の液晶表示素子。
4. 上記シール材に含まれる充填剤の最大粒子径は１．５μｍ以下である
   請求項１記載の液晶表示素子。
5. 上記シール材に含まれる充填剤の比表面積が３０m²/g以下である
   請求項１記載の液晶表示素子。
6. 少なくとも一方の基板のシール下に配向膜がある
   請求項１記載の液晶表示素子。
7. 上記配向膜材料は無機系配向膜である
   請求項１記載の液晶表示素子。
8. 上記配向膜材料は無機系配向膜である
   請求項３記載の液晶表示素子。
9. 上記配向膜材料は無機系配向膜である
   請求項４記載の液晶表示素子。
10. 上記配向膜材料は無機系配向膜である
    請求項５記載の液晶表示素子。
11. 光源と、
    上記光源から出射された光を液晶表示素子に導く集光光学系と、
    上記液晶表示素子で光変調した光を拡大して投射する投射光学系と、を有し、
    上記液晶表示素子は、
    ２枚の基板上に、液晶を所定方向に配向させるための配向膜が形成されており、上記配向膜が所定間隙で対向するようにシール材で貼り合わせた一対の基板間に液晶層が挟持され、
    上記シール材は、平均粒子径が０．５μｍ未満の充填剤を含有し、
    上記液晶層に用いる液晶材料は室温での屈折率異方性が０．１６以上であり、セルギャップが３μｍ以下である
    投射型表示装置。
12. 上記シール材に含まれる充填剤の含有量が１５〜４０ｗｔ％の範囲である
    請求項１１記載の投射型表示装置。
13. 上記シール材に含まれる充填剤の最大粒子径は１．５μｍ以下である
    請求項１１記載の投射型表示装置。
14. 上記シール材に含まれる充填剤の比表面積が３０m²/g以下である
    請求項１１記載の投射型表示装置。
15. 少なくとも一方の基板のシール下に配向膜がある
    請求項１１記載の投射型表示装置。
16. 上記配向膜材料は無機系配向膜である
    請求項１１記載の投射型表示装置。
    

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