JP2008164954A - 液晶表示素子およびその製造方法、液晶表示素子のためのカラーフィルタ基板 - Google Patents

液晶表示素子およびその製造方法、液晶表示素子のためのカラーフィルタ基板 Download PDF

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Abstract

【課題】複雑なプロセスや光学補償フィルムを省略可能とした、高視野角化を図った液晶表示素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも一方が透明である対向する一対の基板１，２と、これらの基板間に形成され基板の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状を有するウォールスペーサ部４を含むスペーサ３４と、前記ウォールスペーサ部で分割された領域毎に充填されたそれぞれ物性の異なる液晶とを備えた液晶表示素子。また、一方の基板上に基板周縁部に渡って延びかつ充填する液晶毎の注入口を含むスペーサ部とこれの内側の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状のウォールスペーサ部からなるスペーサを形成し、スペーサ上部に他方の基板を固定し、真空チャンバ内で大気圧より低い気圧状態にした後に大気開放して分割された領域に物性の異なる別々の液晶を同時に充填する製造方法。
【選択図】図１

Description

この発明は液晶表示素子およびその製造方法、特に液晶表示素子の高視野角化に関する。
従来、特にＴＮ液晶表示素子において強く要求される高視野角化については様々な技術が提案されている。その中の１つは、一画素に複数の領域を設定してそれぞれ異なる配向処理を行う配向分割法である(例えば特許文献１参照)。また、光学補償フィルムをガラス基板上に貼り付けることにより高視野角化を図るものもある(例えば特許文献２参照)。
特開平７−３６０４４号公報 特開平６−１９４６４６号公報
従来のマスクラビング法と呼ばれている、一画素に複数の領域を設定してそれぞれ異なる配向処理を行う配向分割法での最大の課題は、ラビング工程が複雑になり、ラビング工程に新たな追加投資が必要な上、タクトタイムも長くなってしまうことにある。また、光学補償フィルムをガラス基板上に貼り付けた場合、光学補償フィルムの部材が追加されるため、余計なコストがかかってしまうという課題があった。
この発明は、複雑なプロセスや光学補償フィルムを省略可能とした、高視野角化を図った液晶表示素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
この発明は、少なくとも一方が透明である対向する一対の基板と、これらの基板間に形成され基板の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状を有するウォールスペーサ部を含むスペーサと、前記ウォールスペーサ部で分割された領域毎に充填されたそれぞれ物性の異なる液晶と、を備えたことを特徴とする液晶表示素子にある。
また、一対の基板を準備する工程と、一対の基板の一方の基板上に、基板周縁部に渡って延びかつ充填する液晶毎の注入口を有するスペーサ部とこれの内側の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状のウォールスペーサ部からなるスペーサを形成する工程と、スペーサの上部に他方の基板を、間に前記スペーサを挟んで一方の基板と重なるように固定する工程と、真空チャンバ内で大気圧より低い気圧状態にした後に大気開放して前記注入口を介して分割された領域にそれぞれ物性の異なる別々の液晶を同時に充填する工程と、を備えたことを特徴とする液晶表示素子の製造方法にある。
この発明においては、高視野角化のための複雑なプロセスや光学補償フィルム無しに、高視野角化を図った液晶表示素子およびその製造方法を提供することができる。
この発明では、基板間に基板単位で領域を分割するウォールスペーサ部を含むスペーサを形成し、それぞれの分割された領域に、広義には物性が異なる液晶、より具体的には、例えば光学特性が互いに異なる液晶を充填することで、高視野角化を実現する。さらに具体的には、光学特性が異なる液晶は階調反転領域が互いに補償し合う電圧−輝度特性(視野角特性)を有する。１つの実施の形態では、２種類の左右カイラル方向の異なる液晶が注入され、別の実施の形態では、２種類の誘電異方性Δεの異なる液晶が注入される。さらにこのような液晶表示素子の製造方法も含む。以下、この発明が特に有効なＴＮ(Twisted Nematic)液晶表示素子に関する各実施の形態について説明するが、この発明はこのＴＮ型、さらにＳＴＮ(Super Twisted Nematic)型、ＩＰＳ(In-Place-Switching)型などからなるホモジニアス配向を有する液晶表示素子、さらにその他のタイプの液晶表示素子にも適用可能である。
実施の形態１．
図１はこの発明によるＴＮ液晶表示素子の構成の一例を概略的に示す図であり、(ａ)は平面図、(ｂ)は(ａ)のＩ−Ｉ線に沿った断面図を示す。ＴＮ液晶表示素子は、一方がＴＦＴ−アレイ基板、他方がカラーフィルタ基板である一対のガラス基板からなる第１及び第２の基板１，２を有し、第１の基板１上にこれの周縁部に沿って一周に渡って延びるスペーサ部３とこのスペーサ部３の内側の表示エリアに延びるウォールスペーサ部４からなるポリマ製のスペーサ３４が形成され、スペーサ３４の上部に接着剤７により第２の基板２が、間にスペーサ３４を挟んで第１の基板１と対向して重なるように固定される。スペーサ３４のスペーサ部３とウォールスペーサ部４は一体に形成されている。
表示エリアに配置されたウォールスペーサ部４は例えば各画素Ｐを、一方が右カイラル液晶画素領域(第１の領域)４１、他方が左カイラル液晶画素領域４２(第２の領域)の２つの領域からなるように分ける形状を有し、それぞれに左右のカイラル方向の異なる第１の液晶５、第２の液晶６が充填される。各画素の右カイラル液晶画素領域４１同士、左カイラル液晶画素領域４２同士は連結している。スペーサ部３には第１及び第２の樹脂５，６を右カイラル液晶画素領域４１と左カイラル液晶画素領域４２にそれぞれ充填させるための注入口３ａ，３ｂが形成されている。
すなわち、表示エリア内のウォールスペーサ部４が画素単位で、右カイラル液晶画素領域４１、左カイラル液晶画素領域４２からなる透過画素領域と反射画素領域に分割してお互いが交じり合わないようになっている。そしてＴＮ液晶表示素子において視野角特性を向上させるために２種類のカイラル方向の異なる第１の液晶５、第２の液晶６が使用されている。
これにより、従来ではＴＮ液晶表示素子の高視野角化のために必須のＷＶ(wide view)フィルムが不要となりコストが削減できる。
図１に示すように、例えば注入口３ａ，３ｂを２つ設けてウォールスペーサ部４を画素単位で仕切られるように配置して、カイラル方向が左右異なる２種類の第１の液晶５、第２の液晶６をそれぞれに注入することにより、視野角特性の異なる領域を画素単位で混在させることが可能となる。
従来のＴＮ液晶表示素子では１種類の液晶しか注入できなかった。これは２種類以上の液晶を注入すると液晶が持つ液体の性質により両者が混じり合ってしまうためである。しかし、この発明によるＴＮ液晶表示素子ではその問題は無い。
次に、カイラル方向が左右異なると視野角特性が異なる理由を説明する。図２は１つの画素におけるラビング方向、液晶分子、ツイスト方向を模式的に示した平面図である。ＲＤ１，ＲＤ２が下側の第１の基板１と上側の第２の基板２のそれぞれのラビング方向、ＣＤがツイスト方向、Ｅが電界の方向を示す。そして図２の上半分は右カイラルの電界ＯＦＦの場合とＯＮの場合における中間層の液晶分子(灰色)が電界により立ったり寝たりしている様子を示している。また下半分は左カイラルの場合の様子を示している。ここで両者を比較すると、中間層の液晶分子(灰色)の配列方向が左右カイラルの場合で異なっていることがわかる。これにより、両者の視野角特性が変わってしまう。１つの液晶表示素子で画素単位でこれらが混在することで、見た目にお互いの特性を補償するため視野角特性が向上する。
さらに、図３に１つの画素における液晶分子の電界による動作方向を模式的に示した断面図を示して補足すると、図３の左側に示す通り、ラビングは基板内は一方向のみであるため、従来のラビング方向で上下ガラス基板上のプレチルト角は対称にしておくと左カイラル領域は問題ないが、右カイラル領域ではスプレイになるためひずみが生じてしまう。そこで、予めプレチルト角を上下非対称にしてスプレイ配向の歪みを少なくしておくことが重要である。
また、図３の右側に示す通り例えば光配向方法を使って両方ともプレチルト角をほぼ０度にすることで、電界Ｅがかかった時、液晶分子の立ち上がる方向が基板表面のわずかな凸凹の影響で変わる。これを利用することでさらに液晶の立ち上がる方向を分割することができる。
従って、左右カイラル方向の異なる液晶を使うことでマスクラビング法などによる配向分割の必要もなく、ＷＶフィルムも不要となる上、新たな投資が必要なく安く簡便な方法で、画素単位で２分割さらには４分割、広義には偶数個に分割されて左右カイラル方向の異なる液晶がそれぞれ充填されたＴＮ液晶表示素子を製造することができる。
実施の形態２．
上記実施の形態では、カイラル方向が左右異なる液晶を使用したが、誘電率異方性(Δε)の異なる液晶を使用することで、異なるＶ−Ｔ特性を得ることで光学特性を補償する。ＴＮ液晶表示素子の構成は図１に示すものと同じである。
この実施の形態では、図１において、示エリアに配置されたウォールスペーサ部４は例えば各画素Ｐを、一方が誘電率異方性Δε１液晶画素領域(第１の領域)４３、他方が誘電率異方性Δε２液晶画素領域４４(第２の領域)の２つの領域からなるように分け、それぞれに誘電率異方性Δε１、Δε２の第１の液晶５、第２の液晶６が充填される。スペーサ部３には第１及び第２の樹脂５，６を誘電率異方性Δε１液晶画素領域４３と誘電率異方性Δε２液晶画素領域４４にそれぞれ充填させるための注入口３ａ，３ｂが形成されている。
すなわち、表示エリア内のウォールスペーサ部４が画素単位で、誘電率異方性Δε１液晶画素領域４３と誘電率異方性Δε２液晶画素領域４４に分割してお互いが交じり合わないようになっている。そしてＴＮ液晶表示素子において視野角特性を向上させるために２種類の誘電率異方性Δεの異なる第１の液晶５、第２の液晶６が使用されている。
これにより、従来ではＴＮ液晶表示素子の高視野角化のために必須のＷＶフィルムが不要となりコストが削減できる。
次に、誘電率異方性と、視野角特性が補償され高視野角化される理由を説明する。図４は１つの画素における液晶分子の電界による動作方向を模式的に示した断面図である。図４の左半分が誘電率異方性Δε１の第１の液晶５の領域、右半分が誘電率異方性Δε２の第２の液晶６の領域を示す。それぞれ上半分は電界ＥがＯＦＦの場合であり、誘電率異方性Δεが異なる液晶同士でも有意差は現れない。一方、下半分はある強度の電界ＥをＯＮした状態の液晶分子の動作方向の様子を示している。ここで両者を比較すると、中間層の液晶分子(灰色)の立ち上がり方向が誘電率異方性が異なる場合では異なっていることがわかる。これにより、両者の視野角特性が変わる。
１つの液晶表示素子の画素単位でこれらが混在することで見た目にお互いの特性を補償するため視野角特性が向上する。
図５に、異なるΔεを有する２種類の液晶を使用したＴＮ液晶表示素子の基板下側５０度方向(基板縦方向の垂直面内で基板に垂直な方向から５０度下側に傾いた方向)から見た場合のＶ−Ｔ曲線に準じる電圧−輝度曲線のコンピュータによるシミュレーション結果を示す。(ａ)は補償前、(ｂ)は補償後を示し、透過率は輝度で示されている。(ａ)に示されるようにΔε１、Δε２のそれぞれの液晶で電圧−輝度曲線上にＡで示した階調反転と言われる領域が存在している。ノーマリーホワイトのＴＮの液晶の場合、正常な階調であるためには、電圧が上がるに従い必ず輝度が下がるようにしなければならず、もし輝度が電圧が上がるに従い上昇すれば視野角特性が落ちてしまう。
そこで階調反転領域の異なる電圧−輝度特性を持つ２種類の液晶を混在させてお互いに光学補償ができるように設計すると、例えばΔε１の液晶とΔε２の液晶を画素エリアの比率(画素面積比率)を３：１として計算すると、お互いに補償され図５の(ｂ)のようになり、階調反転領域がなくなることが分かった。これにより下側５０度角度の視野角特性が改善されたことが証明できた。
従って、誘電率異方性の異なる液晶を使うことでマスクラビング法などによる配向分割や高視野角フィルムの必要もなく、ＷＶフィルムが不要とる上、新たな投資が必要なく安く簡便な方法で、画素単位で広義には複数個に分割されて誘電率異方性Δεの異なる液晶がそれぞれ充填されたＴＮ液晶表示素子を製造することができる。
また、上記実施の形態１の各画素単位の液晶の右カイラル液晶画素領域(第１の領域)４１と左カイラル液晶画素領域４２(第２の領域)、あるいは上記実施の形態２の誘電率異方性Δε１液晶画素領域(第１の領域)４３と誘電率異方性Δε２液晶画素領域４４(第２の領域)、の画素単位の面積比率が所望の値になるようにスペーサ３４を形成することでさらなる好条件の高視野角化が図れる。
図６には、実施の形態１の左右カイラル方向の異なる液晶を使用したＴＮ液晶表示素子のＶ−Ｔ曲線に準じる電圧−輝度曲線のコンピュータによるシミュレーション結果を示す。(ａ)は補償前(１種類の液晶を使用したＴＮ液晶表示素子)、(ｂ)は補償後のＴＮ液晶表示素子の基板下側０、１０、２０、３０、４０、５０(基板縦方向の垂直面内で基板に垂直な方向から下側に傾いた角度)の各角度方向から見た場合の電圧−輝度曲線、(ｃ)〜(ｆ)は(ａ)と(ｂ)との比較をするために１０、２０、３０、４０度の各角度においてそれぞれのものを抜き出した電圧−輝度曲線を示す。
シミュレーションは以下の条件で行った。
基板間隔： ５μｍ
ラビング角度： ４５度−１３５度(９０度ＴＮ) [水平方向を０度として]
誘電率異方性Δε： ５.２
プレチルト角： ３度
補償時１画素中の面積比： １：１
屈折率異方性Δｎ： ０.１
波長： ５５０ｎｍ
シミュレーションソフト： ＬＣＤマスターｖｅｒ．６(シンテック社製)
図６より、左右カイラル方向の異なる液晶の互いの補償により各角度で高視野角化されているのが分かる。
図７には、実施の形態２の異なる誘電率異方性Δεを有する２種類の液晶を使用したＴＮ液晶表示素子のＶ−Ｔ曲線に準じる電圧−輝度曲線のコンピュータによるシミュレーション結果を示す。(ａ)は補償前(Δε＝５.２の一種類の液晶を使用したＴＮ液晶表示素子)、(ｂ)は補償後の上記と同様のＴＮ液晶表示素子の基板下側０、１０、２０、３０、４０、５０の各角度方向から見た場合の電圧−輝度曲線、(ｃ)〜(ｆ)は(ａ)と(ｂ)との比較をするために１０、２０、３０、４０度の各角度においてそれぞれのものを抜き出した電圧−輝度曲線を示す。
シミュレーションは以下の条件で行った。
基板間隔： ５μｍ
ラビング角度： ４５度−１３５度(９０度ＴＮ) [水平方向を０度として]
補償前誘電率異方性Δε： ５.２
補償後誘電率異方性Δε： Δε１＝３.７ Δε２＝７.２
プレチルト角： ３度
補償後１画素中の面積比： １：３(Δε１の液晶：Δε２の液晶)
複屈折率Δｎ： ０.１
１画素中の面積比： １：１
波長： ５５０ｎｍ
シミュレーションソフト： ＬＣＤマスターｖｅｒ．６(シンテック社製)
図７より、誘電率異方性Δεの異なる液晶の互いの補償により各角度で高視野角化されているのが分かる。
なお、上記各実施の形態において高視野角化を図った液晶表示素子を得るためのは、画素単位で広義には、階調反転領域を互いに補償する電圧−輝度特性を有する少なくとも２種類からなる液晶の組(実施の形態１の左右カイラル方向の異なる液晶の場合は必ず２種類で１組)が、少なくとも１組、必要であり、表示エリアを各画素毎に必要な液晶の種類の数に従ってそれぞれの領域に分割するウォールスペーサ部を含むスペーサが必要となる。
実施の形態３．
図８、図９はこの発明による上記実施の形態のＴＮ液晶表示素子の製造方法の一例を説明するための図である。この発明によるＴＮ液晶表示素子の製造方法は、特開２００６−３３７８２０号公報や特開２００３−３３００２９号公報等に開示されたスペーサを設けた液晶表示素子の製造方法の技術をベースとするもので、最初に一方がＴＦＴ−アレイ基板、他方がカラーフィルタ基板である一対のガラス基板からなる第１及び第２の基板１，２を準備する。これらの第１及び第２の基板１，２にはすでにそれぞれ配向膜が形成されかつ上記実施の形態に基づく所定の配向処理が施されているものとする。なおこの発明では異なる種類の液晶を領域を分けて充填するものであるため、この時の配向処理は配向分割法を使用する必要はなく、基板一面に渡り同一配向処置が行えるものである。
そして第１及び第２の基板１，２のいずれか一方に(図８では第１の基板１)、基板の周縁部に渡って延びかつ充填する液晶毎の注入口を有するスペーサ部３とこれの内側の表示エリアのウォールスペーサ部４からなるポリマ製のスペーサ３４を形成する。スペーサ３４の平面上の形状は図１の(ａ)や図９に示されたものである。そして形成されたスペーサ３４の上部に接着剤(図１の(ｂ)の７参照)により第２の基板２が、間にスペーサ３４を挟んで第１の基板１と重なるように固定される。
第１及び第２の基板１，２が貼り合わされた表示素子は図９に示すように真空チャンバ１０１内に入れられ、パネルカセット１０２に勘合固定される。そして真空チャンバ１０１内が真空状態を理想とする大気圧より低い気圧状態にされる。この時、注入口３ａ、３ｂはまだ真空チャンバ１０１内で開放状態にある。そしてその後、スペーサ３４の注入口３ａ、３ｂが、第１の液晶５、第２の液晶６のための液晶ボート５０，６０にそれぞれ連結され、真空チャンバ１０１内を大気開放する。これにより、第１の液晶５、第２の液晶６は同時にスペーサ３４で形成されたそれぞれの領域に充填される(図９は充填途中の状態を示す)。そして充填完了後、注入口３ａ、３ｂを封止部材(図示省略)で封止する。
これにより、スペーサ３４は基板周縁部のスペーサ部３のみならずとこれの内側の表示エリアのウォールスペーサ部４でも接着機能を持つことで、基板間の隙間の均一性向上や基板間の隙間ムラによる不良を低減できる。また、２種類の液晶を充填するのにプロセス上の変更は無く、これによるタクトタイムの増加もない。
なお、上記各実施の形態においてはＴＮ液晶表示素子は、図１に示すように一対の基板１，２の間にスペーサ部３とウォールスペーサ部４からなるスペーサ３４が挟まれた構造のものを示したが、スペーサ３４を表示エリアで画素単位で領域を分割する形状のウォールスペーサ部４だけからなるものとし、基板の周縁部に沿って延びるスペーサ部３の代わりに、基板１，２の周縁部をシール材により封着する構造のものにしてもよい。また、一対の基板１，２は通常、一方に反射板が形成され得るため、少なくとも一方が透明となる。
この発明は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、少なくとも一方が透明である対向する一対の基板の間に、基板の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状を有するウォールスペーサ部を設け、ウォールスペーサ部で分割された領域にそれぞれ物性の異なる液晶を別々に充填させた構成とすればよく、これにより液晶の組合せを選択することで高視野角化を図った液晶表示素子を提供することができる。また、ＴＮ液晶表示素子に限ることなく、多くの種類の液晶表示素子に適用可能である。
この発明による液晶表示素子の構成の一例を概略的に示す図である。 この発明の実施の形態１による液晶表示素子に関する１つの画素におけるラビング方向、液晶分子、ツイスト方向を模式的に示した平面図である。 この発明の実施の形態１による液晶表示素子に関する１つの画素における液晶分子の電界による動作方向を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態２による液晶表示素子に関する１つの画素における液晶分子の電界による動作方向を模式的に示した断面図である。 この発明の実施の形態２に関する階調反転領域の補償について説明をするための電圧−輝度曲線のコンピュータによるシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態１に関する電圧−輝度曲線のコンピュータによるシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態２に関する電圧−輝度曲線のコンピュータによるシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態３による液晶表示素子の製造方法の一例を説明するための図である。 この発明の実施の形態３による液晶表示素子の製造方法の一例を説明するための図である。
符号の説明
１ 第１の基板、２ 第２の基板、３ スペーサ部、３ａ，３ｂ 注入口、４ ウォールスペーサ部、５ 第１の液晶、６ 第２の液晶、７ 接着剤、３４ スペーサ、４１ 右カイラル液晶画素領域、４２ 左カイラル液晶画素領域、４３ 誘電率異方性Δε１液晶画素領域、４４ 誘電率異方性Δε２液晶画素領域、５０，６０ 液晶ボート、１０１ 真空チャンバ、１０２ パネルカセット、Ｅ 電界、Ｐ 画素、Δｎ 屈折率異方性、Δε 誘電率異方性。

Claims (12)

  1. 少なくとも一方が透明である対向する一対の基板と、
    これらの基板間に形成され基板の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状を有するウォールスペーサ部を含むスペーサと、
    前記ウォールスペーサ部で分割された領域毎に充填されたそれぞれ物性の異なる液晶と、
    を備えたことを特徴とする液晶表示素子。
  2. 液晶は光学特性が異なることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
  3. 光学特性が異なる液晶は階調反転領域が互いに補償される電圧−輝度特性を有することを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
  4. 液晶は視野角特性が異なることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
  5. スペーサがウォールスペーサ部の外周に一体に形成され基板周縁部に沿って延びるスペーサ部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
  6. スペーサが一対の基板のいずれか一方の基板上に形成され、他方の基板と接着剤で固定されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶表示素子。
  7. 液晶表示素子がホモジニアス配向を有する液晶表示素子からなることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の液晶表示素子。
  8. 液晶表示素子がＴＮ液晶表示素子からなることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の液晶表示素子。
  9. 充填された液晶が、左右カイラル方向の異なる液晶からなることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の液晶表示素子。
  10. 充填された液晶が、誘電率異方性の異なる液晶からなることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の液晶表示素子。
  11. スペーサのウォールスペーサ部が、分割された領域の画素単位の面積比率が所望の値になるように形成されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の液晶表示素子。
  12. 一対の基板を準備する工程と、
    一対の基板の一方の基板上に、基板周縁部に渡って延びかつ充填する液晶毎の注入口を有するスペーサ部とこれの内側の表示エリアで画素単位で領域を分割する形状のウォールスペーサ部からなるスペーサを形成する工程と、
    スペーサの上部に他方の基板を、間に前記スペーサを挟んで一方の基板と重なるように固定する工程と、
    真空チャンバ内で大気圧より低い気圧状態にした後に大気開放して前記注入口を介して分割された領域にそれぞれ物性の異なる別々の液晶を同時に充填する工程と、
    を備えたことを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
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