JP2006178310A - スペーサ形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペーサ形成位置精度の確保及び１箇所のスペーサ形成位置につき必要個数のスペーサを確保するために１箇所のスペーサ形成位置にスペーサ濃度を抑えたインク液滴を複数滴滴下するにあたってそれに要する時間を短くできるスペーサ形成方法及び装置を提供すること。
【解決手段】 先に吐出されるインク液滴の吐出圧力よりも後に吐出されるインク液滴の吐出圧力を大きくすることで後から吐出されるインク液滴ほど吐出速度が速くなるように複数滴のインク滴ｄを吐出口６から吐出させ、先に吐出されたインク液滴が基板３上のスペーサ形成位置に到達する前に、後から吐出されたインク液滴を先に吐出されたインク液滴に飛翔中に追いつかせて、吐出口６から吐出された複数滴のインク液滴が一体となってスペーサ形成位置に滴下されるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶パネルに用いられる一対の基板間の液晶封入間隙を一定に保つためのスペーサの形成方法及び装置に関し、詳しくは、スペーサを溶媒中に分散させたインクを基板上のスペーサ形成位置に滴下するインクジェット法（液滴吐出法）を用いたスペーサ形成方法及び装置に関する。

液晶パネルに要求される応答特性、コントラスト、視野角は、液晶層の厚みに依存するところが大きい。このため、液晶が封入される一対の基板間の間隙にスペーサを介在させて液晶層の厚みを一定に保つよう制御している。スペーサの形成方法としては、一方の基板に柱状に形成する方法、ボール状のスペーサを散布する方法等が知られている。

スペーサを柱状に形成する方法は、フォトリソグラフィによる膜の形成およびエッチング等の工程が必要となり、工程数が多くコストと手間がかかる。また、ボール状のスペーサを基板上に散布する方法としては、スプレー噴霧する湿式散布法と、圧搾ドライ窒素などの気流で粉体状スペーサを基板上に直接散布する乾式散布法とがあるが、何れも画素領域にもスペーサが散布され、輝度の低下や輝度のむらが発生したり、基板上におけるスペーサ分布が不均一になり、基板間ギャップが不均一になる場合がある。

そこで、カラーフィルタの非画素領域であるブラックマトリクスに局所的にインクジェット法で簡便にスペーサを形成する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法は、溶媒にボール状のスペーサを分散させたスペーサ含有インクを、ノズルからブラックマトリクス上に滴下して、溶媒を蒸発させることにより、ブラックマトリクス上にスペーサを残存させる。
特開平１１−２４０８３号公報

インクジェット法によるスペーサ形成において、インク中のスペーサ濃度が小さいと１滴あたりにスペーサが１つも含まれない、あるいは安定したギャップ確保に必要な個数が含まれないことになる。スペーサ濃度を上げれば１液滴あたりに含まれるスペーサ数を増加させることができるが、スペーサ濃度を上げていくと吐出速度のバラツキが大きくなってしまう。一般に、インクジェット法ではラインヘッドを基板に対してある一方向の走査方向に移動させつつインク液滴の吐出を行うので、各吐出口からの吐出速度のバラツキが大きくなると、吐出速度の遅い液滴では吐出されて基板に到達する前に、ヘッドと基板との相対位置がずれて、基板上への到達位置の精度が悪くなるという問題がある。インクの位置精度が悪くなるとそのインクに含まれるスペーサが画素領域にはみ出して形成されてしまうおそれがある。

また、吐出速度の安定性に優れる低スペーサ濃度インクを用いて、１箇所のスペーサ形成位置に複数滴滴下して重ねることで、スペーサ濃度を低くしても１箇所のスペーサ形成位置に必要個数のスペーサを形成することが可能となるが、１箇所のスペーサ形成位置ごとに複数滴のインク滴下を行うと、その滴下数に応じてスペーサ形成工程に要する時間が長くなり、現在液晶パネル製造装置に求められている高速タクトの要求に応えられないという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、スペーサ形成位置精度の確保及び１箇所のスペーサ形成位置につき必要個数のスペーサを確保するために１箇所のスペーサ形成位置にスペーサ濃度を抑えたインク液滴を複数滴滴下するにあたってそれに要する時間を短くできるスペーサ形成方法及び装置を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するため以下の構成を採用した。
すなわち、本発明のスペーサ形成方法は、先に吐出されるインク液滴の吐出圧力よりも後に吐出されるインク液滴の吐出圧力を大きくすることで後から吐出されるインク液滴ほど吐出速度が速くなるように複数滴のインク滴をインクジェットヘッドの吐出口から吐出させ、先に吐出されたインク液滴がスペーサ形成位置に到達する前に、後から吐出されたインク液滴を先に吐出されたインク液滴に飛翔中に追いつかせて、吐出口から吐出された複数滴のインク液滴が一体となってスペーサ形成位置に滴下されるようにする。

また、本発明のスペーサ形成装置は、内部に生じる圧力変化によりスペーサ含有インクを取り込んで液滴として吐出させる圧力室を有し、基板に対して相対的に移動可能なスペーサ吐出ヘッドと、
一箇所のスペーサ形成位置毎に、圧力室内のスペーサ含有インクに複数回圧力をかけて複数の液滴を吐出させ、かつ、それら複数液滴の内、後に吐出された液滴が先に吐出された液滴に飛翔中に追いついて一体になるようにスペーサ含有インクに複数回圧力をかけ着弾液滴中のスペーサ個数を制御する駆動部と、を備えることを特徴としている。

本発明では、スペーサ含有インクの１滴あたりの吐出速度を安定させてスペーサ形成位置精度を高めるためにスペーサ濃度を低くしても１箇所のスペーサ形成位置に複数滴のインク滴下を行っているので１箇所のスペーサ形成位置に必要な数のスペーサを確実に形成することができる。さらに、その複数滴のインク滴下は、後から吐出されるインクほど吐出速度を逐次大きくして先に吐出されたインク液滴が基板に到達する前にそれに追いつかせて飛翔中に合体させて基板に着弾させるので、１滴１滴を順に基板に着弾させて重ねていく場合に比べて、１箇所のスペーサ形成位置に必要な全液滴（複数滴）の滴下に要する時間を短くできる。

吐出速度のばらつきを抑えて安定させるためには、インク中におけるスペーサの濃度を２.５重量％以下にすることが好ましい。

本発明によれば、後から吐出されるインク液滴ほど吐出速度が速くなるように、複数滴のインク滴をインクジェットヘッドの吐出口から吐出させ、先に吐出されたインク液滴がスペーサ形成位置に到達する前に、後から吐出されたインク液滴を先に吐出されたインク液滴に飛翔中に追いつかせて、吐出口から吐出された複数滴のインク液滴が一体となってスペーサ形成位置に滴下されるようにするので、１箇所のスペーサ形成位置に必要な全液滴（複数滴）の滴下に要する時間を短くでき、この結果、基板全体におけるスペーサ形成工程、さらには液晶パネル製造工程に要する時間の短縮化を図れる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

液晶パネルは、一対の基板の間に形成された数μｍほどの間隙に液晶を封入して構成される。一対の基板のうち一方は、ガラス基板に、偏光板、カラーフィルタ、対向電極、配向膜などが形成されて構成される。他方は、ガラス基板に、偏光板、画素電極、駆動トランジスタ、配向膜などが形成されて構成される。

両基板は互いの配向膜どうしを対向させて貼り合わせられる。両基板を一体に貼り合わせるためのシール材が一方の基板に塗布され、シール材が塗布されていない他方の基板にスペーサが形成される。

通常、スペーサはカラーフィルタを有するカラーフィルタ側基板に形成される。カラーフィルタは、図５に示すように、格子状のブラックマトリクス１と、この格子の目のそれぞれに形成された赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ、青色画素Ｂとを有する。ブラックマトリクス１は、ＲＧＢの各画素の周りを黒く縁取るように囲み、液晶セルへの印加電圧のオン／オフに関係なく常時バックライトからの光を遮光する非画素領域である。

スペーサ含有インクはインクジェット法により、格子状のブラックマトリクス１の交差部に位置する滴下領域２（図中○で示す）に滴下される。なお、スペーサ含有インクはブラックマトリクス１上に直接滴下されるわけではなく、スペーサが形成される基板が他方の基板と対向する部分（配向膜）におけるブラックマトリクス交差部に対応する位置（重なる位置）に滴下される。

スペーサは、例えば水やアルコール系などの溶媒に分散されている。スペーサは、両基板間のギャップ（液晶封入間隙）に相当する直径（例えば４〜５μｍ）をもつ球状のプラスチック、ガラス、シリカなどである。

スペーサ含有インクは、図１に示すように、複数の圧力室５とこれに対応する吐出口６を有するスペーサ吐出ヘッド（インクジェットヘッド）４を用いて基板３上のスペーサ形成位置（図５に示す領域２）に滴下される。そして、本実施形態では、１箇所のスペーサ形成位置ごとに、そのスペーサ形成位置に対向して位置された吐出口６から複数滴の液滴ｄ（図１には２滴と３滴の場合を例示）を続けて吐出させ、これら吐出された複数滴の液滴ｄが基板３上のスペーサ形成位置に到達する前の飛翔中に１つに合体させて、その合体した液滴Ｄがスペーサ形成位置に滴下されるようにしている。スペーサ形成位置に滴下された液滴Ｄ中の溶媒は自然蒸発し又は加熱蒸発され、スペーサ形成位置にはスペーサが残存する。

各圧力室５に対応して設けられた圧電部材を変位させ、この圧電部材の変位により各圧力室５が変形することで各液液ｄが吐出口６から吐出される。図２（Ａ）は、２滴の液滴ｄを続けて吐出させる場合に、駆動部から圧電部材に印加する電圧波形の一例を示す。先ず、圧電部材に−Ｖの電圧を時間Ｔ１だけ印加すると、圧力室５は容積を拡大するように変形する。この容積拡大により圧力室５内の圧力が低下し、各圧力室５に通じる共通インク室から各圧力室５内にインクが取り込まれる。続いて、圧電部材に＋Ｖの電圧を時間Ｔ２だけ印加すると、圧力室５は容積を縮小するように変形する。この容積縮小により圧力室５内の圧力が増大し、吐出口６から１滴目のインク液滴ｄを吐出させる。そして、時間Ｔ３を経た後、上記と同様のことが繰り返されて２滴目の液滴ｄが吐出される。時間Ｔ４は、次のスペーサ形成位置に対するインク滴下が開始されるまでの時間間隔である。

さらに、本実施形態では、最初の液滴ｄの吐出時よりも後になるほど吐出時の圧力室５内圧力が徐々に高まるようにして、吐出口６から吐出される各液滴ｄの吐出速度を逐次高めている。すなわち、後から吐出される液滴ｄほど吐出速度が速くなるようにして、これにより、先に吐出された液滴ｄが基板３に到達する前に、後から吐出された液滴ｄが先に吐出された液滴ｄに途中で（飛翔中に）追いついて合体するようにしている。合体して一体となった液滴Ｄが基板３に着弾する。これにより、複数滴の液滴ｄを１滴ずつ基板３に着弾させていく方法に比べて、全液滴の滴下に要する時間を短くできる。結果としてスペーサ形成工程全体の時間短縮が図れる。

以上のように吐出時の圧力室５内圧力が徐々に高まるようにする第１の方法としては、各液滴ｄを吐出させるために駆動部から圧電部材に印加するパルス電圧＋Ｖ、−Ｖ（図２）の大きさが後のパルスほど順次大きくなるようにする方法がある。

また、第２の方法としては、パルス電圧＋Ｖ、−Ｖの大きさは一定にして、図２に示す時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の調整により、圧力室５内の圧力振動の振幅を徐々に増大させるようにして吐出時の圧力を徐々に高めてもよい。例えば、時間Ｔ１及びＴ２を、圧力室５内に生じた圧力波が圧力室５の一端（共通インク室側の端）から、圧力室５の他端（吐出口６側の端）まで伝播する時間に設定することで、圧力室５内の圧力振動の振幅を徐々に増大するようにできる。

なお、図２（Ｃ）は連続して吐出される液滴数が３滴の場合の圧電部材への印加電圧波形を、図２（Ｅ）は４滴の場合の印加電圧波形を示す。５滴以上の吐出についてもその吐出液滴数に応じてパルスが繰り返される。また、印加電圧波形は、矩形パルスに限らず、図２（Ｂ）、（Ｄ）に示すようなスロープを持たせた矩形パルスでもよい。さらには、三角状のパルスでも、三角関数状のパルス波形でも、またそれらを組み合わせたものでもよい。

次に、スペーサ濃度を様々に変えて吐出速度のバラツキ評価を行った結果について説明する。１滴の平均吐出液滴容量が１５plのスペーサ吐出ヘッド（インクジェットヘッド）を使用し、スペーサは直径４μｍのものを用いた。この結果、スペーサ濃度を２.５重量％よりも大きくすると吐出速度のバラツキが２０％に達してしまった。したがってスペーサ濃度は２.５重量％以下とすることが望ましい。さらに、吐出速度のバラツキを１０％以下に抑えるためにはスペーサ濃度を２.０重量％以下に、さらに吐出速度のバラツキを５％以下に抑えるためにはスペーサ濃度を１.５重量％以下にすればよいことが実験的に得られた。

表１は、スペーサ濃度を１.０重量％としたインクを用い、上述した第２の方法の吐出方法により複数滴吐出を行った場合における、液滴ｄの吐出数と、１吐出あたりの平均液滴容量と、平均吐出速度と、合体された液滴Ｄの着弾位置に形成される平均スペーサ数との関係を示す。

また、この表１に基づいて、図３に吐出数と平均吐出速度と着弾される平均スペーサ数との関係をグラフに示し、図４に吐出数と１吐出あたりの平均液滴容量と着弾される平均スペーサ数との関係をグラフに示した。

平均吐出速度及び平均液滴容量は、吐出数が１〜３までの間では次第に増加する傾向にあるが、吐出数が３以上ではほぼ一定に安定する。すなわち、スペーサ濃度１.０重量％で３滴以上の吐出において、１滴１滴の吐出速度及び液滴容量のバラツキを抑えることができる。この結果、スペーサ吐出ヘッドと基板とが位置を相対的に変えながら、次々と複数のスペーサ形成位置にスペーサ含有インクの吐出を行っていくに際して、着弾位置のずれを抑えることができ、スペーサ形成位置の精度を高められる。また、着弾位置に形成されるスペーサ数は吐出数に比例しているので、吐出数の制御により、１箇所に形成されるスペーサ数の制御を容易に行える。

また、吐出数は８以上であってもよいが、あまり吐出数を増やすと、例えばスペーサ吐出ヘッドとして１滴の吐出液滴容量が１０plの標準的なインクジェットヘッドを使用した場合には、基板に着弾される全液滴容量が８０plに達してしまい、スペーサ形成領域から大きくはみ出してしまうおそれがある。こうなると、画素領域にスペーサが及んだり、また下地となる配向膜の種類にもよるが配向特性に溶媒が悪影響を及ぼす可能性もある。このため、着弾される全液滴容量は７５pl以下に抑える必要がある。また、着弾される全液滴容量が１５plより少なくなるとそれに含まれるスペーサ数が少なくなり、１箇所のスペーサ形成領域内に通常必要とされる２〜８個のスペーサを確保することが難しくなる。以上のことより、目的とする液晶表示素子の設計により最適範囲は多少異なるが、１箇所のスペーサ形成位置に着弾される全液滴容量は１５〜７５plの範囲に制御する必要がある。

以上述べたように本実施形態によれば、スペーサ濃度を所定濃度以下に抑えることで複数の吐出口のそれぞれから吐出される１滴１滴の吐出速度及び吐出液滴量のばらつきを抑えて、吐出開始時から安定してスペーサ含有インクを吐出できるので、スペーサ形成位置の精度を高めることができ、この結果液晶パネル製造の歩留まり向上が可能となる。また、スペーサ濃度を低くしても１箇所のスペーサ形成位置に複数滴のインク滴下を行っているので１箇所のスペーサ形成位置に必要な数のスペーサを確実に形成することができる。さらに、その複数滴のインク滴下は、後から吐出されるインクほど吐出速度を逐次大きくして先に吐出されたインク液滴が基板に到達する前にそれに追いつかせて飛翔中に合体させて基板に着弾させるので、１滴１滴を順に基板に着弾させて重ねていく場合に比べて、１箇所のスペーサ形成位置に必要な全液滴（複数滴）の滴下に要する時間を短くできる。この結果、基板全体におけるスペーサ形成工程、さらには液晶パネル製造工程に要する時間の短縮化を図れる。

なお、基板面方向に関して均一な安定した基板間ギャップを保持できるのであれば、ブラックマトリクス１のすべての交差部にスペーサを形成する必要はない。また、基板全体でのスペーサの必要個数は基板平面寸法の大きさによって異なってくる。また、インクをブラックマトリクス１の交差部以外のライン状部分に滴下してその部分にスペーサを形成してもよい。

本発明の実施形態において、スペーサ吐出ヘッドの各吐出口から複数滴のスペーサ含有インクが続けて吐出され、それらが１つに合体されて基板に着弾することを示す図である。 本発明の実施形態において、圧力室に圧力変化を生じさせる駆動部への印加電圧の波形図である。 本発明の実施形態において、スペーサ含有インクの吐出数と、平均吐出速度と、平均スペーサ数との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態において、スペーサ含有インクの吐出数と、１吐出当りの平均液滴容量と、平均スペーサ数との関係を示すグラフである。 ブラックマトリクス上におけるスペーサ含有インクの滴下領域を示す平面図である。

符号の説明

１…ブラックマトリクス、２…スペーサ含有インクの滴下領域、４…スペーサ吐出ヘッド、５…圧力室、６…吐出口。

Claims (3)

1. 一対の基板間に形成される液晶封入間隙を一定に保つための粒状のスペーサを溶媒中に分散させたスペーサ含有インクを、前記一対の基板の内の一方の基板上のスペーサ形成位置に対向して位置されるスペーサ吐出ヘッドの吐出口から吐出させて前記スペーサ形成位置に滴下するスペーサ形成方法において、
   先に吐出されるインク液滴の吐出圧力よりも後に吐出されるインク液滴の吐出圧力を大きくすることで後から吐出されるインク液滴ほど吐出速度が速くなるように複数滴のインク滴を前記吐出口から吐出させ、先に吐出されたインク液滴が前記スペーサ形成位置に到達する前に、後から吐出されたインク液滴を先に吐出されたインク液滴に飛翔中に追いつかせて、前記吐出口から吐出された複数滴のインク液滴が一体となって前記スペーサ形成位置に滴下されるようにすることを特徴とするスペーサ形成方法。
2. 前記インク中における前記スペーサの濃度を２.５重量％以下にすることを特徴とする請求項１に記載のスペーサ形成方法。
3. 一対の基板間に形成される液晶封入間隙を一定に保つための粒状のスペーサを溶媒中に分散させたスペーサ含有インクを、前記一対の基板の内の一方の基板上のスペーサ形成位置に滴下するスペーサ形成装置であって、
   内部に生じる圧力変化により前記スペーサ含有インクを取り込んで液滴として吐出させる圧力室を有し、前記基板に対して相対的に移動可能なスペーサ吐出ヘッドと、
   一箇所のスペーサ形成位置毎に、前記圧力室内のスペーサ含有インクに複数回圧力をかけて複数の液滴を吐出させ、かつ、前記複数液滴の内、後に吐出された液滴が先に吐出された液滴に飛翔中に追いついて一体になるように前記スペーサ含有インクに複数回圧力をかけて着弾液滴中のスペーサ個数を制御する駆動部と、
   を備えることを特徴とするスペーサ形成装置。

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