JP2007047451A - 液晶表示セルの製造方法及び液晶表示セル - Google Patents

Abstract

【課題】 インクジェット方式で基板の表面全体に均一に、しかも所望の位置にスペーサを散布することができ、液滴供給後にスペーサを確実に凝集させ、かつ基板の配向膜にダメージを与えないようにして乾燥する。
【解決手段】 インクジェットステージ１０で透明基板２にインクジェット手段２１により透明基板２にスペーサインクの液滴を供給した後、透明基板２を凝集・乾燥ステージ１１に移行させて液滴を乾燥させるが、このために真空チャンバ４０に透明基板２を導入して、この真空チャンバ４０の内部を真空にすることにより乾燥させ、かつその間にスペーサ８をブラックマトリックス領域Ｓに向けて凝集させるが、真空チャンバ４０の内部は、真空ポンプユニット４１を駆動することによって中真空状態である１００〜０．１Ｐａの圧力状態に保たれる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、相互に重ね合わせられる２枚の透明基板間に、液晶封入空間となるセルギャップを形成するために、配向膜を積層させた一方の透明基板の表面にスペーサをインクジェット方式により供給した液晶表示セルの製造方法及びこの製造方法により製造された液晶表示セルに関するものである。

液晶表示装置として、例えばカラーＴＦＴ液晶表示セルは、共にガラス等の透明基板からなるＴＦＴ基板とカラーフィルタ基板とを接合させたものから構成されるが、これらＴＦＴ基板とカラーフィルタ基板とは密着状態ではなく、所謂セルギャップと呼ばれる微小な隙間を介して接合されるものであり、この隙間からなるセルギャップには液晶が封入される。この液晶封入空間を形成する微小隙間はスペーサにより確保されることになる。スペーサは球状の微小粒子からなるものであって、ＴＦＴ基板またはカラーフィルタ基板のいずれか、例えばカラーフィルタ基板を被処理基板として、その表面に分散配置されることになる。

ここで、カラーフィルタ基板には、ＴＦＴ基板の画素に対応するように、ＲＧＢのカラーフィルタが設けられ、これら各色の画素間はブラックマトリックスにより区画形成される。スペーサは不透明な粒子であり、液晶表示セルにおける画像の画質低下を防止するために、このスペーサは各色のフィルタが形成されている画素領域を避けて、画素間の領域となるブラックマトリックス領域または画像が表示される際に影響のない部位に配置しなければならない。しかも、スペーサは基板の全体にわたって均一に分散させなければならない。

このように確実に基板全面にわたってブラックマトリックス領域に均一にスペーサを分散させるのに適した散布方式として、インクジェット方式によるものが開発されている。インクジェット方式は、溶剤を含むインクにスペーサを分散させた懸濁液をスペーサインクとして、このスペーサインクをインクジェットノズルから基板に向けて噴射させて、基板上に液滴として付着させるものである。そして、液滴が基板に着弾した後にはこの液滴を乾燥させて、溶剤等を揮発させることにより、基板上にスペーサのみを残存させるようにする。このインクジェットノズルは液滴の志向性が良好であり、液滴をブラックマトリックス領域に正確に着弾させることができ、しかもスペーサは基板全体にわたって均一に散布される。

そして、インクジェットノズルは基板から所定距離だけ離れた位置からスペーサインクを噴射させることから、インクジェットノズルから噴射されたスペーサインクは、基板に液滴として着弾するまでの間にある程度の広がりを持つことになる。ただし、液滴は周囲に大きく飛散することがなく、しかもほぼ一定の広がりとなるように制御する必要がある。また、この液滴には少なくとも数個のスペーサが含まれていなければならない。

ここで、液晶表示セルにおいては、基板に形成されているブラックマトリックス領域は、その幅が概略１０〜３０μｍ程度の極めて細い帯状となっている。スペーサの粒径はこのブラックマトリックス領域の幅寸法より十分小さい約５μｍ以下の微小な球形状のものが一般に用いられる。そして、スペーサインクは、溶剤を主成分とする混合液中にスペーサを濃度管理された状態にして懸濁させたスペーサ分散液であるが、このスペーサインクを噴射するためのインクジェットノズルは、目詰まり発生防止の観点から、その孔径は最小限で２０μｍ程度の大きさが必要となる。

従って、使用されるスペーサ分散液の粘度管理を厳格に行い、かつ基板の接触角及びスペーサ分散液の表面張力の度合い等を調整し、さらにインクジェットノズルからの噴射圧を的確に制御することによって、液滴が基板に着弾したときの広がり状態を制御する。基板上に着弾した液滴は、具体的には４０〜２００μｍ程度にまで拡散することになる。従って、基板に供給されたときに、スペーサインクの液滴が正確にブラックマトリックスの領域に志向したとしても、この領域からはみ出すことになる。そこで、液滴が乾燥して溶剤等が蒸発するまでに、この液滴に含まれるスペーサをブラックマトリックス領域における所定の位置に凝集させるようにする。つまり、スペーサ分散液を乾燥させている間にスペーサの凝集を行わせる。

特許文献１には、溶剤にスペーサを懸濁させることにより製造されるスペーサ分散液の沸点及び粘度を所定の値となるように設定し、このスペーサ分散液をスペーサインクとしてインクジェットノズルから噴射させて基板に着弾させて、この基板を所定の温度に加熱して乾燥させることによって、基板上の所定の位置にスペーサを凝縮させる方法が開示されている。また、特許文献２においては、基板に着弾した液滴を乾燥させる間にスペーサを正確に凝集させるには、溶剤の沸点、乾燥温度、乾燥時間、液滴の表面張力、接触角、スペーサの濃度等を厳格に管理すべきであるとしており、この特許文献２では特に溶剤の沸点温度と基板の表面温度との温度差を正確に制御している。このために、基板に液滴を供給した後に、この基板をホットプレート上に載置して、このホットプレートの温度を正確に管理することによって、溶剤の乾燥とスペーサの凝集とを正確に行うようにしている。
特開２００４−９４１９３号公報 特開２００３−２７９９９９号公報

ところで、液晶表示セルを構成する基板の表面に配向膜が形成されているが、この配向膜は通常ポリイミド樹脂が用いられ、この配向膜の表面をラビング処理することによって、液晶の配向が制御される。この配向膜が汚染されると、液晶の配向特性が悪くなり、光抜けによるコントラストや色調の低下等が生じて、液晶表示セルとしての画質低下を来たすことになる。既に説明したように、インクジェット方式によって基板表面にスペーサインクの液滴を着弾させたときに、スペーサインクは画素領域にも広がるようになり、このスペーサインクに含まれる溶剤が基板表面に付着することにより配向膜の汚染が発生する。このために、スペーサインクに含まれる溶剤は、スペーサの凝集作用を損なわない範囲で、できるだけ速やかに揮発させる必要がある。特許文献１及び特許文献２では、スペーサインクとして用いられるスペーサ分散液の溶剤として低沸点のものを用い、しかも基板を加熱乾燥することによって、スペーサの凝集を確実に行わせると共に、乾燥時間を短縮している。

このように、基板を加熱すれば、この基板に付着した液体を迅速に揮発乾燥させることができる。ただし、スペーサの散布を行うに当っては、乾燥時間を短縮すれば良いというのではなく、スペーサの凝縮作用が要求されるので、溶剤の組成，粘度やスペーサの材質等を工夫して、スペーサの移動を促進するようにしても、なお乾燥時間は少なくとも数分程度必要となり、この間は基板の加熱が継続される。このように、基板を加熱すると、溶剤及び配向膜を活性化させることになり、このように活性化した溶剤によって配向膜の汚染及びダメージを生じさせることになる。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、インクジェット方式でスペーサの散布を行うに当って、基板の配向膜に溶剤による汚染を生じさせないようにすることにある。

前述した目的を達成するために、本発明の液晶表示セルの製造方法は、２枚の透明基板間に微小粒子からなるスペーサを介在させることによって所定の隙間をもって接合させた液晶表示セルを形成する方法であって、スペーサを溶剤に分散させたスペーサインクの液滴を基板の配向膜積層面に供給するインクジェット工程と、前記基板を真空状態にして、前記インクジェット工程で供給されたスペーサインクに含まれるスペーサを前記基板上の所定の位置に凝集させ、かつその間にインクを乾燥させる凝集・乾燥工程とを含むことをその特徴とするものである。

以上の各工程において、インクジェット工程では、インクジェットノズルを基板と対向配設して、基板またはインクジェットノズルのうちの少なくともいずれか一方を移動させながらインクジェットノズルからスペーサインクを基板に供給する。例えば、基板を一方向に移動させるようになし、インクジェットノズルをこれと直交する方向に移動させることにより基板の全面にむらなく液滴を供給することができる。従って、インクジェット工程を実行するために、インクジェットノズルが配設され、かつ基板の駆動手段を備えたインクジェットステージが設けられる。一方、凝集・乾燥工程では、基板を真空チャンバ内に導入することになり、従って凝集・乾燥工程はインクジェットステージとは別のステージで実行される。

真空チャンバ内における真空の度合いは１００〜０．１Ｐａの範囲の中真空とするのが最も望ましい。これより真空度を高くすると、つまり高真空状態にすると、乾燥時間が速くなり過ぎてしまい、スペーサの凝集度合いが十分でなくなり、またより真空度が高いと、溶剤及びインクに含まれる水分の乾燥を十分に行うことができないまま凍結する場合もある。一方、低真空にすると、乾燥時間が長くなり、溶剤が長時間にわたって基板に形成した配向膜と接触した状態に保たれるので、この配向膜に対してダメージが発生する可能性がある。

本発明のより具体的な方法としては、２枚の透明基板のそれぞれの表面に配向膜を形成し、これら各透明基板の一方の配向膜形成面のほぼ全面に、スペーサを溶剤に分散させたスペーサインクの液滴をインクジェット手段によって所定のスペーサ配置領域に志向するように供給し、次いでこの基板を中真空状態にして乾燥させる間に、スペーサインクに含まれるスペーサをスペーサ配置領域に向けて凝集させ、さらにこの基板を加熱することによりスペーサを定着させた後に他方の基板をこのスペーサにより形成されるギャップを介して重ね合わせ、このギャップに液晶を封入することを特徴とする。

インクジェット方式で基板の表面全体に均一に、しかも所望の位置にスペーサを散布することができ、液滴供給後にスペーサを確実に凝集させ、かつ基板の配向膜にダメージを与えないようにして乾燥できるようになる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１に液晶表示セルの構成の一例を示す。図中において、１，２は透明基板であり、透明基板１の表面には透明電極３及び配向膜４が形成されている。また、透明基板２の表面にはカラーフィルタ５及び透明電極６が形成されており、かつ配向膜７が積層されている。これら透明基板１，２は配向膜４と配向膜７を対向させるようにして貼り合わせられるが、その間にセルギャップを形成するために、微小球からなるスペーサ８が介装されている。そして、このスペーサ８により形成した隙間には液晶が封入される。なお、透明基板１，２の反対側の面には、それぞれ偏光膜９が形成されている。

透明基板２に形成したカラーフィルタ５は、図２に示したように、画素を構成する３種類の領域Ｒ，Ｇ，Ｂが順次繰り返し形成されており、それらの間にはブラックマトリックス領域Ｓが介装されている。ブラックマトリックス領域Ｓは縦横に形成した帯状の領域であり、スペーサ８はこのブラックマトリックス領域Ｓに所定の間隔をもって分散配置されている。このように、ブラックマトリックス領域Ｓをスペーサ配置領域とするが、スペーサ配置領域は必ずしもこれに限定されない。

図３にこのスペーサ８を散布する工程を示す。即ち、透明電極６，カラーフィルタ５及び配向膜７を形成した透明基板２は、洗浄等の前処理を経てインクジェットステージ１０に搬入されて、この配向膜６の形成面上に、そのほぼ全面にわたってスペーサインクの液滴が供給される。次いで、凝集・乾燥ステージ１１に移載されて、スペーサインク中のスペーサ８を所定の位置に凝集させると共にインクを乾燥させる。そして、インクが乾燥して、溶剤が揮発した後には、透明基板２は加熱ステージ１２に移行して、所定の温度にまで加熱することによりスペーサ８を定着させる。その後に、透明基板１を貼り合わせて、液晶を封入する等の処理を経て、電子回路を接続することにより液晶表示セルが形成される。なお、透明基板１，２の貼り合わせ及び液晶の封入は、これら透明基板１，２の一方に液晶を滴下した後に、他方の透明基板を重ね合わせるようにする等の手法を用いることもできる。

インクジェットステージ１０においては、図４に示したように、透明基板２は搬送テーブル２０に載置されており、この搬送テーブル２０に真空吸着等の手段で固定的に保持されている。そして、搬送テーブル２０は図中のＸ方向に搬送され、この間に透明基板２に対してスペーサインクが散布される。インクジェットステージ１０には、インクジェット手段２１が透明基板２に対面するように配設されており、このインクジェット手段２１は搬送テーブル２０の搬送方向と直交するＹ方向に移動可能となっている。これによって、透明基板２の全面にほぼ均一にスペーサインクが液滴として供給されるようになっている。

インクジェット手段２１を構成するインクジェットヘッド２２は多数の微小ノズルを所定のピッチ間隔で配列したものから構成され、各微小ノズルから一定量のスペーサインクを間欠的に噴射できるようにしたものである。スペーサインクの噴射は、図５に示したように、微小な孔径を有する微小ノズル３０から行われるものであり、この微小ノズル３０にはチャンバピース３１が連通している。チャンバピース３１には圧電素子からなるアクチュエータ３２が装着されており、このアクチュエータ３２に電圧を印加すると、図５に二点鎖線で示したように、アクチュエータ３２が変形して、チャンバピース３１が拡張することになる。その結果、このチャンバピース３１に接続したインクボトル（図示せず）からスペーサインクがチャンバピース３１内に吸い込まれる。この状態からアクチュエータ３２への電圧の印加を遮断すると、元の状態に復元することになり、チャンバピース３１の容積が減少し、その分のスペーサインクが微小ノズル３０から噴射される。

今、透明基板２に形成されているブラックマトリックス領域Ｓは、その幅が概略２０μｍ程度の極めて細い帯状のものである。スペーサ８は透明基板２のブラックマトリックス領域Ｓに向けて噴射されるが、インクジェット手段２１のインクジェットヘッド２２から噴射されるスペーサインクに含まれるスペーサ８の粒径は微小球形であって、具体的には粒径はブラックマトリックス領域Ｓの幅寸法より十分小さい約５μｍ以下である。ただし、インクジェットヘッド２２の目詰まり防止の観点から、このインクジェットヘッド２２の孔径は３０μｍ程度とする。そして、このインクジェットヘッド２２から透明基板２は所定距離だけ離れているので、図６に仮想線で示したように、透明基板２に着弾したときにおける液滴Ｄの直径は１００〜１５０μｍ程度となる。また、この液滴には８個程度のスペーサ８が含まれている。従って、インクジェットヘッド２２からブラックマトリックス領域Ｓを狙撃しているが、着弾時には液滴Ｄ及びこの液滴Ｄに含まれているスペーサ８はブラックマトリックス領域Ｓからはみ出すようになり、ＲＧＢの画素領域を含む範囲に及ぶことになる。

そこで、凝集・乾燥ステージ１１で液滴を乾燥させる際に、散乱しているスペーサ８をブラックマトリックス領域Ｓに向けて図６に矢印で示したように凝集させるようにする。そして、この凝集及び乾燥を迅速に行うために、図４に示したように、真空チャンバ４０に透明基板２を導入して、この真空チャンバ４０の内部を真空にすることにより乾燥させる。このために、真空チャンバ４０には真空ポンプユニット４１が設けられており、この真空ポンプユニット４１により真空チャンバ４０の内部圧力を一定に保持するようにしている。そして、インクジェットステージ１０でスペーサインクの液滴が供給された透明基板２は、シャッタを備えた導入部４２から真空チャンバ４０内に導入して、所定時間だけこの真空チャンバ４０に滞留させる間に液滴を乾燥させ、かつスペーサ８を凝集させる。この液滴の凝集・乾燥が終了すると、シャッタを備えた導出部４３から取り出されて、次の工程に搬出される。

インクジェットステージ１０において、インクジェット方式で透明基板２の表面、つまり配向膜７を形成した面にスペーサインクの液滴が供給された後に、直ちに搬送テーブル２０から図示しないハンドリング手段により透明基板２を取り出して、導入部４２から真空チャンバ４０内に導入される。ここで、真空チャンバ４０の内部は、真空ポンプユニット４１を駆動することによって中真空状態である１００〜０．１Ｐａの圧力状態に保たれている。このように、真空状態にすることによって、スペーサインクの沸点が低下することになり、溶剤が迅速に揮発することになる。そして、透明基板２は加熱しない。むしろ、真空状態としているので、透明基板２の温度は低下する。

ここで、真空チャンバ４０を中真空状態にするが、具体的な真空度は、スペーサインクの沸点温度及びスペーサ８の濃度、粘度等や、透明基板２の表面状態、つまり配向膜７の表面における液滴の接触角、その他の要素を総合勘案して、スペーサ８が迅速に凝集し、しかもこの凝集機能を発揮した上で、溶剤が確実に揮発するように設定する。つまり、中真空の範囲内において、スペーサインクの組成に応じて最も迅速にスペーサ８がブラックマトリックス領域Ｓにおいて凝集し、かつ溶剤を含むインクが乾燥するように真空度の調整を行う。そして、真空ポンプユニット４１を作動させることによって、真空チャンバ４０の内部の圧力が常に所定の値となるように管理する。なお、高真空状態及び低真空状態とはしない。高真空状態にすると、インク乾燥時におけるスペーサの凝集度合いが不完全になり、また極めて高い真空度にすると、インクが乾燥する前に凍結してしまう。一方、低真空では、インクの乾燥時間が長くなり、効率の点で好ましくないだけでなく、透明基板２の配向膜７が汚染される可能性もある。

このように、スペーサインクの乾燥を真空状態で行うと、雰囲気温度が低下することになるので、溶剤等が不活性化することになる。その結果、透明基板２の配向膜７が汚染されるのをさらに抑制することができ、その安定化が図られる。しかも、インクジェット方式でスペーサ８を散布していることから、スペーサ８は画素領域には入り込まず、ブラックマトリックス領域において、所望の位置に分散されることになる。

スペーサ８の散布及び乾燥が行われると、透明基板２は真空チャンバ４０の導出部４３から導出されて、加熱ステージ１２に搬送されて、この透明基板２を所定の温度にまで加熱することによって、スペーサ８を定着させる。なお、この加熱ステージ１２に透明基板２が搬送されたときには、スペーサインクのインクは少なくとも画素領域においては完全に乾燥しているので、配向膜７に対してダメージが生じることはない。従って、この透明基板２に透明基板１を重ね合わせて得られる液晶表示セルは極めて高い品質となる。

液晶表示セルの断面図である。 スペーサが散布される被処理基板の構成説明図である。 透明基板のスペーサ散布のための工程を示す説明図である。 インクジェットステージ及び凝集・乾燥ステージの構成説明図である。 インクジェットヘッドの先端部の断面図である。 スペーサインクが透明基板に着弾した後、スペーサが凝集する過程を示す説明図である。

符号の説明

１，２ 透明基板 ３，６ 透明電極
４，７ 配向膜 ５ カラーフィルタ
１０ インクジェットステージ
１１ 凝集・乾燥ステージ
２１ インクジェット手段
２２ インクジェットヘッド
４０ 真空チャンバ
４１ 真空ポンプユニット
Ｒ，Ｇ，Ｂ 画素領域
Ｓ ブラックマトリックス領域

Claims (4)

1. ２枚の透明基板間に微小粒子からなるスペーサを介在させることによって所定の隙間をもって接合させた液晶表示セルを形成する方法であって、
   スペーサを溶剤に分散させたスペーサインクの液滴を基板の配向膜積層面に供給するインクジェット工程と、
   前記基板を真空状態にして、前記インクジェット工程で供給されたスペーサインクに含まれるスペーサを前記基板上の所定の位置に凝集させ、かつその間にインクを乾燥させる凝集・乾燥工程と
   を含む液晶表示セルの製造方法。
2. 前記凝集・乾燥工程は、前記基板を中真空状態にした真空チャンバ内に所定時間滞留させることにより行うことを特徴とする液晶表示セルの製造方法。
3. ２枚の透明基板のそれぞれの表面に配向膜を形成し、これら各透明基板の一方の配向膜形成面のほぼ全面に、スペーサを溶剤に分散させたスペーサインクの液滴をインクジェット手段によって所定のスペーサ配置領域に志向するように供給し、次いでこの基板を中真空状態にして乾燥させる間に、前記スペーサインクに含まれるスペーサを前記スペーサ配置領域に向けて凝集させ、さらにこの基板を加熱することにより前記スペーサを定着させた後に他方の基板をこのスペーサにより形成されるギャップを介して重ね合わせ、このギャップに液晶を封入することを特徴とする液晶表示セルの製造方法。
4. 請求項１または請求項３の方法により製造した液晶表示セル。
   
   
   
   
   

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