JP2007047524A

JP2007047524A - スペーサ粒子分散液、液晶表示装置の製造方法、及び液晶表示装置

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Publication number: JP2007047524A
Application number: JP2005232770A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kurozumi; 幸生黒住; Hitoshi Sato; 仁佐藤; Yasuo Minami; 泰雄南
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためスペーサ粒子をインクジェット方式により基板上に配置するのに好適に用いられるスペーサ粒子分散液を提供すること、また配向膜にダメージを与えずに表示画質の優れた液晶表示装置を提供すること、更にそのような液晶表示装置を製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板３、１１間の間隔を一定に保持するためスペーサ粒子をインクジェット方式により吐出するのに用いられるスペーサ粒子分散液として、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子を分散して構成し、基板３の配向膜５表面にスペーサ粒子分散液を吐出し、常温で減圧乾燥して液滴Ｄを収縮させた後、基板３を加熱してスペーサ粒子Ｐを配向膜５の表面に固着して、スペーサ粒子Ｐを基板３上に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の基板間に液晶が封入された液晶セルの間隔を一定に保持するためのスペーサ粒子が配置されてなる液晶表示装置において、スペーサ粒子の配置をインクジェット方式により行う際に用いられるスペーサ粒子分散液、該スペーサ粒子分散液を用いた液晶表示装置の製造方法、及び液晶表示装置に関する。

一般に液晶表示装置は、一対の基板の間に形成される隙間に液晶が封入されてなる液晶セルを備えている。液晶セルは、一対の基板の間に、その隙間を一定に保持するためのスペーサ粒子が配置されている。近年、スペーサ粒子は、液晶表示装置の表示部となる画素領域に配置されると、画質が低下することから、遮光領域のみに配置されるようになってきた。例えば、基板がカラーフィルター基板の場合、スペーサ粒子はブラックマトリックスの上に配置される。

スペーサ粒子を基板上の所定の位置に正確に配置する方法として、インクジェット装置を用いてスペーサ粒子を分散媒に分散させたスペーサ粒子分散液を基板に吐出させて、基板表面の任意の位置にスペーサ粒子を配置する方法が公知である（例えば特許文献１、特許文献２等参照）。

図１（ａ）〜（ｃ）はスペーサ粒子を基板表面に配置する場合の説明図である。スペーサ粒子を基板に配置する場合、図１（ａ）に示すように、インクジェット装置１のノズル２からスペーサ粒子分散液を、カラーフィルター基板３のブラックマトリックス４の位置となる配向膜５の表面に吐出する。配向膜５の上に吐出されたスペーサ粒子分散液の液滴Ｄは、ブラックマトリックス４の幅よりも大きな径で着弾して、ブラックマトリックスをはみ出して画素６の上にも液滴が載った状態となる。

次いで図１（ｂ）に示すように、基板を乾燥してスペーサ粒子分散液の液滴Ｄの分散媒を揮発させて液滴Ｄを縮小させてブラックマトリックス４上に集める。最後に図１（ｃ）に示すように、基板を１００℃以上に加熱してスペーサ粒子Ｐの表面の一部を溶融させ、配向膜５に固着させることで、スペーサ粒子Ｐは基板上の所定の位置に配置される。

上記スペーサ粒子分散液は、水、低沸点親水性有機溶媒、及び高沸点親水性有機溶媒等の分散媒中にスペーサ粒子を分散してなる。例えば、特許文献１の段落［０１２８］の表１には、スペーサ粒子、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、イオン交換水からなるスペーサ粒子分散液の組成が記載されている。また特許文献２の段落［０１６６］の実施例１には、スペーサ粒子０．１５ｇ、イソプロピルアルコール１５．０ｇ、エチレングリコール４０．０ｇ、水４５．０ｇからなるスペーサ粒子分散液の組成が記載されている。

特開２００５−４０９４号公報特開２００５−３７７２１号公報

図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１（ａ）、（ｂ）の平面図である。スペーサ粒子の配置は、図２（ａ）に示すようにポリイミド樹脂からなる配向膜５の上にインクジェット方式によりスペーサ粒子分散液を吐出して液滴Ｄを形成し、図２（ｂ）に示すように基板を加熱して溶媒を揮発させ液滴Ｄを収縮させた後、さらに高温で加熱してスペーサ粒子Ｐの表面を溶融させて基板上の配向膜５に固着する。このとき、配向膜５に接触したスペーサ分散液の液滴Ｄの痕跡部分（図２（ｂ）中の点線Ｓで示した部分）に白い不透明なインクシミが発生するという問題があった。

インクジェット装置のノズルから吐出されて配向膜５の表面に接触した液滴Ｄは、ブラックマトリックス４の上をはみ出して画素６の上にも載っている。従って図２（ｂ）に示すように、白い不透明なインクシミが画素６の上に大きく形成されてしまう。インクシミが画素６の上に形成されると、インクシミが光透過率を低下させたり散乱光を発生させる等、光学特性に悪影響を与える。またインクシミが発生している部分は、配向膜４がダメージを受けて、液晶の配向性を低下させる虞がある。このようにインクシミの発生が、液晶表示装置の画質低下を引き起こしているという問題があった。

上記実状に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、スペーサ粒子分散液によるインクシミが発生せずに配向膜にダメージを与えることのないスペーサ粒子分散液を提供すること、配向膜にダメージを与えることなくスペーサ粒子を配置して液晶表示装置を製造する方法を提供すること、及びスペーサ粒子の配置の際に配向膜にダメージを与えずに表示画質の優れた液晶表示装置を提供することにある。

このような課題を解決するため、本発明のスペーサ粒子分散液は、液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためインクジェット方式によりスペーサ粒子を配置するのに用いられるスペーサ粒子分散液において、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子が分散しているものである。

本発明の液晶表示装置の製造方法は、液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためインクジェット方式によりスペーサ粒子を配置する液晶表示装置の製造方法において、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり、高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子が分散しているスペーサ粒子分散液を用い、インクジェット方式により基板上にスペーサ粒子分散液を吐出し、該基板を乾燥させて基板上に吐出された液滴を収縮させてスペーサ粒子を基板上に配置するものである。

本発明の液晶表示装置は、液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためインクジェット方式によりスペーサ粒子が配置され一対の基板間に液晶が封入されている液晶表示装置において、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり、高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子が分散しているスペーサ粒子分散液を用い、インクジェット方式により基板上にスペーサ粒子分散液が吐出されてスペーサ粒子が配置されているものである。

本発明によれば、スペーサ粒子分散液の溶媒を低沸点親水性溶媒及び水のみから構成したことにより、従来の高沸点極性溶媒や双極性非プロトン性溶媒を含むスペーサ粒子分散液のように、インクジェット方式で吐出したスペーサ粒子分散液が配向膜にダメージを与える虞がない。その結果、高沸点極性溶媒や双極性非プロトン性溶媒を含む液滴が配向膜に接触することによるインクシミが発生せず、インクシミによる液晶表示装置の表示画質の低下を防止して、表示画質の良好な液晶表示装置が得られる。

スペーサ粒子分散液の液滴の溶媒を揮発させる乾燥工程において、従来のスペーサ粒子分散液に含まれていた高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン系溶媒を短時間で揮発させる為には、基板の加熱は必須であった。そして加熱された高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン系溶媒は、配向膜に常温の時よりも大きなダメージを与えて、白いインクシミの発生が更に顕著となる。これに対し本発明によれば、低沸点アルコール系溶媒と水は、自然乾燥或いは減圧乾燥で揮発可能であり、乾燥工程を常温で行うことができる。そもそも低沸点アルコール系溶媒は配向膜に対してダメージを与える虞は小さいが、常温で乾燥させることで、加熱された溶媒が配向膜にダメージを与える虞を更に小さくできる。更に、高沸点極性溶媒や双極性非プロトン性溶媒を全く含まないので当然であるが、加熱された高沸点極性溶媒や双極性非プロトン性溶媒が配向膜にダメージを与える虞は全くない。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明のスペーサ粒子分散液は、水及び低沸点アルコール系溶媒からなる分散媒にスペーサ粒子が分散されてなる。そしてスペーサ分散液は、エチレングリコール、グリコールエーテル等の高沸点極性溶媒や、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の双極性非プロトン性溶媒を一切含まない。

高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒は、ポリイミド樹脂を溶解したり膨潤させる性質がある。配向膜にスペーサ粒子分散液が接触した場合、スペーサ粒子分散液に上記溶媒が含まれていると、ポリイミド樹脂が溶媒によりダメージを受け、配向膜表面にインクシミを発生させる原因となる。本発明は上記高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン系溶媒を含有しないので、これらの溶媒が配向膜にダメージを与えるのを防止できる。

スペーサ粒子分散液の分散媒に用いられる水は、イオン交換水、純水等が挙げられる。また分散媒として用いられる低沸点アルコール系溶媒は、沸点が１２０℃未満のアルコール系溶媒が用いられる。このようなアルコール系溶媒は、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、イソブチルアルコール、第２ブチルアルコール、第３ブチルアルコール等が挙げられる。これらは単独で使用しても、混合して使用してもいずれでもよい。低沸点アルコール系溶媒は、特に沸点が１００℃未満のアルコール系溶媒が好ましい。中でも適度な沸点を持つことから、イソプロピルアルコールが好ましい。

分散媒の水と低沸点アルコール系溶媒との混合比率は、例えば低沸点アルコール系溶媒としてイソプロピルアルコールを用いた場合、重量比で、水：イソプロピルアルコール＝１０：９０〜６０：４０が好ましい。分散媒の水の配合量が、上記範囲を外れて少なくなると、イソプロピルアルコールの含有量が大きくなって揮発性が高くなり、インクジェット装置におけるノズル詰まりが発生しやすくなる。また水の配合量が上記範囲を越えて多くなりすぎると、乾燥に時間が掛かり作業性が低下する。

スペーサ粒子分散液に用いられるスペーサ粒子は、シリカ微粒子等の無機系微粒子や有機高分子系微粒子（ポリマービーズとも云うこともある）が用いられる。ポリマービーズは、適度な硬度を有し、液晶セルの熱膨張や熱収縮に追随し易く、加熱により表面の一部を融着させて基板表面に容易に固着させることができる。ポリマービーズは、単官能モノマーや多官能モノマーからなる混合モノマーを懸濁重合、シード重合、分散重合等の適宜の手段で重合することで得られる。またスペーサ粒子の表面には、接着層を設けたり、各種の表面処理を施すことができる。

スペーサ粒子の粒子径は、通常、１〜１０μｍ程度である。またスペーサ粒子分散液中のスペーサ粒子の含有量は、インクジェット装置からの吐出が可能であり、吐出後のスペーサ粒子の基板表面における配置量（粒子密度）等に応じて、適宜選択すればよいが、通常、０．０１〜５重量％程度である。

本発明のスペーサ粒子分散液には、配向膜上にスペーサ粒子分散液が吐出された際に配向膜に悪影響を与えない範囲であれば、各種の添加剤を添加することができる。このような添加剤としては、分散剤、粘着付与剤、界面活性剤（乳化剤）、粘性調整剤、ｐＨ調整剤、消泡剤、酸化防止剤、熱安定剤、光安定剤、紫外線吸収剤、着色剤等が挙げられる。

図３は本発明の液晶表示装置の一例を示す断面図である。本発明の液晶表示装置８は、図３に示すように、配向膜５、透明電極(図示せず）、カラーフィルター６、ブラックマトリックス４等が内側に配置されたカラーフィルター基板３と、ＴＦＴ(図示せず）や表示電極９、配向膜１０等が内側に配置されたアレイ基板１１とを対向させ一対の基板とし、これらの基板の周囲にシール剤１４を設けて一対の基板同士の間に空隙を形成し、この空隙に液晶Ｌを充填し、充填口を封止剤で封止して、一対の基板３、１１の間に液晶Ｌが封入された液晶セルを備えている。さらに液晶セルを構成する一対の基板３、１１の外面側に、偏光板１２や位相差板１３等の光学部品が積層されて、液晶表示装置が形成される。

一対の基板の間には、基板の間隔（セルギャップ）を一定に保持するためのスペーサ粒子Ｐが配置されている。スペーサ粒子Ｐは、スペーサ粒子分散液をインクジェット方式により吐出して、乾燥し固着することで、基板の配向膜の上に配置される。前述したように、スペーサ粒子分散液は、分散媒が水及び低沸点アルコール系溶媒からなり、高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない。

スペーサ粒子Ｐを固着する配向膜５、１０は、ポリイミド樹脂が用いられる。配向膜は初めからイミド化している可溶性ポリイミドを塗布形成したもの、或いはポリアミック酸を塗布後加熱してイミド化したもののいずれでもよい。ポリアミック酸をイミド化した配向膜の方が、スペーサ粒子分散液の液滴の接触によるインクシミが発生し難いが、本発明では、配向膜にどちらのタイプのポリイミド樹脂を用いても、インクシミの発生を防止できる。

本発明の液晶表示装置の製造方法は、上記スペーサ粒子分散液を用いて基板上にスペーサ粒子をインクジェット方式で配置するスペーサ粒子配置方法を有していればよい。このスペーサ粒子配置方法は、インクジェット方式のスペーサ粒子分散液塗布装置（以下、インクジェット装置という）を用いて上記スペーサ粒子分散液を吐出して、スペーサ粒子分散液の液滴を基板上の所定の位置に着弾させる吐出工程と、吐出した液滴の溶媒を揮発させて該液滴を収縮させる乾燥工程と、基板を加熱してスペーサ粒子を固着させる固着工程とからなる。

スペーサ粒子配置方法の一例を以下に示す。図１（ａ）に示すように、吐出工程は、インクジェット装置１のノズル２から、表面に配向膜５を形成したカラーフィルター基板３に、スペーサ粒子分散液を所定の位置に吐出する。スペーサ粒子分散液の吐出位置は、ブラックマトリックス４の部分を目標とする。ブラックマトリックス４の線幅は通常１０〜３０μｍ程度に形成される。スペーサ粒子分散液の液滴は、約３０〜１５０μｍ、好ましくは５０〜１００μｍ程度に形成される。なお図中、配向膜５の下に形成されているのは共通電極７である。

乾燥工程は、カラーフィルター基板３を常温で減圧乾燥し、スペーサ分散液の液滴Ｄの溶媒を揮発させる。図１（ｂ）に示すように、液滴Ｄは溶媒が揮発して収縮し、ブラックマトリックス４の上に配置される。上記スペーサ分散液には水と低沸点アルコール系溶媒しか含まれていない為、溶媒乾燥後にスペーサ分散液の液滴Ｄの部分にインクシミが発生しない。

乾燥工程は、加熱して行ってもよいが、配向膜へダメージを与える虞を更に小さくできる点から、常温で行うのが好ましい。スペーサ分散液は低沸点アルコール系溶媒と水であり、常温で乾燥することが可能である。また乾燥の際に減圧することで、乾燥時間を短縮することができる。

固着工程は、１００℃以上の温度で数分間加熱を行う。この工程では、完全に溶媒を揮発させると共に、図１（ｃ）に示すように、スペーサ粒子の表面を一部溶融させて、カラーフィルター基板３の配向膜５の表面にスペーサ粒子Ｐを固着させる。上記加熱温度及び加熱時間等の加熱条件は、スペーサ粒子が溶融して基板に固着可能であればよく、スペーサ粒子の種類等に応じて、温度、時間等を適宜選択することができる。

スペーサ粒子Ｐを配置したカラーフィルター基板３は、周辺部にシール剤１４を設けてアレイ基板１１を積層して加圧及び加熱すると、カラーフィルター基板３とアレイ基板１１との間に間隙が形成される。この間隙はスペーサ粒子Ｐによって間隔が一定に保持されている。この一対の基板の間隙に液晶Ｌを注入し、注入口を封止剤で封入することで一対の基板の間に液晶が封入された液晶セルが形成される。液晶セルの一対の基板の上に、偏光板や位相差板等が積層されて液晶表示装置が構成される。

スペーサ粒子分散液を吐出しスペーサ粒子を配置する基板は、カラーフィルター基板及びアレイ基板のどちらか一方でよい。またスペーサ粒子分散液が吐出される液晶表示装置の基板は、上記したカラーフィルター基板又はアレイ基板以外に、配向膜が表面に形成されたものであれば特に限定されず、従来一般に用いられている液晶表示装置の基板を用いることができる。

スペーサ粒子分散液を吐出するためのインクジェット装置としては、ピエゾ方式、サーマル方式、バブルジェット（登録商標）方式の装置が用いられる。インクジェット装置のノズル口径は、通常、２０〜１５０μｍ程度である。

スペーサ粒子を基板上に配置する場合、液晶表示装置の表示部となる画素領域に配置されると画質が低下することから、スペーサ粒子は遮光領域のみに配置するのが好ましい。例えば、基板がカラーフィルター基板の場合、スペーサ粒子はブラックマトリックスの上に配置し、また基板がアレイ基板の場合は、スペーサ粒子は配線部の上に配置する。

スペーサ粒子を基板上の所定の位置に集める方法として、例えば基板表面に凹部又は凸部を設けてスペーサ粒子分散液を吐出する方法がある。このようにすると、液滴が乾燥する際にスペーサ粒子が凹部又は凸部に集まってくる。ブラックマトリックス或いは配線部等による凹凸部を上記凹部又は凸部として利用すれば、別に凹部又は凸部を形成することなく選択的に遮光領域のみにスペーサ粒子を配置できる。

（ａ）〜（ｃ）は、スペーサ粒子を基板表面に配置する場合の説明図である。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）、（ｂ）の平面図である。本発明の液晶表示装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１インクジェット装置
２ノズル
３カラーフィルター基板
４ブラックマトリックス
５配向膜
６画素（カラーフィルター）
７共通電極
８液晶表示装置
９表示電極
１０配向膜
１１アレイ基板
１２偏光板
１３位相差板
１４シール剤
Ｄスペーサ分散液の液滴
Ｐスペーサ粒子

Claims

液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためインクジェット方式によりスペーサ粒子を配置するのに用いられるスペーサ粒子分散液において、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子が分散していることを特徴とするスペーサ粒子分散液。
液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためインクジェット方式によりスペーサ粒子を配置する液晶表示装置の製造方法において、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり、高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子が分散しているスペーサ粒子分散液を用い、インクジェット方式により基板上にスペーサ粒子分散液を吐出し、該基板を乾燥させて基板上に吐出された液滴を収縮させてスペーサ粒子を基板上に配置することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
液晶表示装置の液晶が封入される一対の基板間の間隔を一定に保持するためインクジェット方式によりスペーサ粒子が配置され一対の基板間に液晶が封入されている液晶表示装置において、水及び低沸点アルコール系溶媒からなり、高沸点極性溶媒及び双極性非プロトン性溶媒を含まない分散媒にスペーサ粒子が分散しているスペーサ粒子分散液を用い、インクジェット方式により基板上にスペーサ粒子分散液が吐出されてスペーサ粒子が配置されていることを特徴とする液晶表示装置。