JP2009080396A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐湿性を向上させると共に、表示品質の劣化が少なくすることにより、信頼性を向上した液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 複数の画素電極６が形成された第１基板２と、第１基板２に対向して設置され、第１基板２との間に液晶４を挾持した状態で固定された第２基板３と、第１基板２と第２基板３との対向面側の周縁部に外周に設けられ、第１基板２と第２基板３とを固定するシール材５と、シール材５の外周部にシール材５に密着した形で設けられた防湿材９とを有しており、防湿材９が多孔質酸化シリコンからなる充填材８を含有したフッ素系樹脂からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示素子に係り、特に、高耐湿性を有し、表示品質の経時劣化が少なく、信頼性の高い液晶表示素子に関する。

一般に、液晶表示素子は、一対の基板の対向面側にそれぞれ設けられた電極および配向膜と、一対の基板の対向面側に基板の周縁部に沿って一対の基板を接合するために設けられた枠状のシール材と、一対の基板間に設けられたシール材によって囲まれた空間に充填された液晶層とによって構成される。
一対の基板を接着する機能が必要とされるシール材としては、紫外線硬化型接着剤がある。

ところで、現在、一般に使用されている紫外線硬化型接着剤を用いたシール材は、特に、耐湿性の点で改善が望まれていた。
すなわち、紫外線硬化型接着剤の透湿性が十分でないことから、時間経過と共に水分が液晶表示素子のシール材内部に滲入することがあり、滲入した水分によってシール材のシール特性が低下し、水分がシール材を通過して液晶内に滲入する。分極構造を持つ液晶中に分極性分子である水が滲入すると、液晶の配向不良が発生し、液晶の光学特性を悪化させ、それによって画像表示品質を低下させる虞があった。
そこで、外部からの水分の滲入に対しての防湿性を備えた液晶表示素子が検討されており、その一例が特許文献１に記載されている。

特許文献1には、一対の基板の対向面側に基板の周縁部に沿って一対の基板を接合するために設けられた枠状のシール材の外周に、エポキシ樹脂からなる防湿材を塗布したのち、熱硬化を行い、硬化したエポキシ樹脂によって耐湿性を向上させた液晶表示素子について記載されている。
特許文献１に記載されている液晶表示素子に用いるエポキシ樹脂は、シール材に使用される紫外線硬化型接着剤に比べ透湿性が低いため、液晶表示素子の耐湿性を向上させる効果を持つとされる。

特開２０００−１９９９０７号公報

しかしながら、エポキシ樹脂からなる接着層は、シール材に用いる紫外線硬化型接着剤に比べ熱硬化時の硬化収縮が大きいため、熱硬化時に基板との接着部に応力が発生し、発生した応力が基板の画像表示部に複屈折を引き起こし、複屈折によって画像表示品質を損なうという虞があった。
また、硬化前のエポキシ樹脂の粘度は、厚さが数μｍである一対の基板間の隙間に浸透するには高いため、シール材とエポキシ樹脂の間に空隙が発生し、発生した空隙を通して時間と共に水分が滲入し、十分な耐湿性が確保できないことがあった。
そこで、本発明は、高耐湿性を有すると共に、表示品質の経時劣化が少なく、信頼性の高い液晶表示素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、手段として次の１）乃至４）の構成を有する
１）一面に複数の画素電極６が形成された第１基板２と、第１基板２の複数の画素電極６が形成された面に対向して設置され、第１基板２との間に液晶を挾持した状態で固定された第２基板３と、前記第１基板２に形成された前記複数の画素電極６を囲うように設けられ、前記第１基板２と前記第２基板３とを固定するシール部５と、シール部５の外周部にシール材５に密着した形で設けられた防湿材９とを有し、防湿材９が、表面が親水性を示す物質からなる充填材８を含有した撥水性を有する防湿材からなることを特徴とする液晶表示素子１。
２）防湿材９中に含まれる充填材８の含有率が、防湿部に対し１ｗｔ％以上で且つ５０ｗｔ％以下であることを特徴とする１）又は２）に記載の液晶表示素子１。
３）充填材８を含有した防湿材９の硬化前の粘度が１０Ｐａ・ｓ以下であり、硬化後の硬度が針入度５０以上であることを特徴とする１）乃至３）いずれか1項に記載の液晶表示素子１。
４）防湿材９が、フッ素系樹脂からなり、充填材８が多孔質酸化シリコンからなることを特徴とする１）に記載の液晶表示素子１。

本発明によれば、高耐湿性を有すると共に、表示品質の経時劣化が少なく、信頼性の高い液晶表示素子を提供することができる。

以下に、本発明に係る液晶表示素子の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の液晶表示素子の実施例を示す断面図である。図２は、本発明の液晶表示素子の実施例の片側端部の断面を示す拡大模式図である。図３は、本発明の液晶表示素子の製造方法を示す断面図である。図４は、本発明の液晶表示素子に用いる充填材の含有量とその時の防湿材の粘度の関係とを示す図である。図５は、従来の液晶表示素子と本発明の液晶表示素子との投影画像の輝度分布の比較を示す図である。図６は、従来の液晶表示素子と本発明の液晶表示素子とのプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）前後の複屈折の状態示す図である。
また、課題を解決するための手段のところでは、シール部，防湿部と記載していたが、実施例中ではそれぞれシール材，防湿材と記載する。

図１に示すように、液晶表示素子１は、第１基板２と第２基板３とが互いに対向した状態で配置され、基板間に液晶４を挟持している。第１基板２と第２基板３との周縁部の対向面側に沿ってシール材５が設けられており、このシール材５によって両基板２，３を接着固定している。第１基板２，第２基板３の隙間は、特に限定されないが、例えば３μｍ程度である。

第１基板２は、シリコンウエハ等の不透明な半導体基板上に、駆動回路（図示せず）が縦横にマトリクス状に配列され、更に、各駆動回路に対応させて、アルミニウム合金等よりなる複数の反射型の画素電極６が設けられている。
また、第２基板３は、ガラス等の透明な材質からなり、第１基板２に対して対向して配置されると共に、その対向面に例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜よりなる透明な対向電極７が形成されている。
更に、前記第１基板２及び第２基板３の対向面側の最表面にはそれぞれ無機配向膜（図示せず）が形成されている。

本発明に用いる防湿材９及び防湿材９に含有された充填材８について、図２を併せ用いて説明する。
シール材５の外周に密着して、充填材８を含有する防湿材９が設けられている。
防湿材９は、シール材５の外側面と、第１基板２及び第２の基板３の対向面とが成す空間に設けられると共に、第１基板２及び第２基板３の側端面を外側から覆うように設けられている。

ここで用いられる防湿材９は、フッ素樹脂からなる。
フッ素樹脂は、分極率が低いことから分子間の相互作用が弱いので、表面張力が大きくなり、撥水性が強くなる。そのため、シール材５に密着して設けられたフッ素樹脂からなる防湿材９は、水分を弾くことによって水分の滲入を防ぎ、液晶表示素子１の耐湿性を向上することができる。

また、防湿材９に含有されている充填材８は、表面が親水性を示すものであり、例えば多孔質酸化シリコンからなる。
多孔質酸化シリコンは、表面に親水基を持つため親水性であり、周囲に存在する水分を表面に吸着する機能を持つ。更に、多孔質酸化シリコンは、材料中に平均孔径５ｎｍの微細中空構造を持つために表面積が８００ｍ²/ｇと大きい。その結果、表面積が大きく、その表面が親水性を持つ多孔質酸化シリコンは、周囲に存在する水分を多量に吸着する機能を持つため、フッ素樹脂からなる防湿材９に何らかの力が加わり、亀裂等が発生し水分が滲入した場合も、その水分を吸着する能力により、液晶４への水分の滲入を防ぐことができる。

次に、本発明の液晶表示素子１の製造方法について、図３を用いて説明する。
図３（Ａ）に示すように、反射型の画素電極６上に無機配向膜が成膜された第１基板２の周縁部対向面側に沿って紫外線硬化樹脂からなるシール材５を塗布する。
塗布されたシール材５の内側に、図３（Ｂ）に示すように所定量の液晶４を滴下する。滴下する液晶４の量は、後工程で第１基板２と第２基板３とを所定の間隔で接着した際に、基板間の隙間と枠状に設けられたシール材５の内側とが成す空間を完全に充填する量とする。

次に、一方の面に対向電極７が形成され、対向電極７上に無機配向膜が成膜された、透明な第２基板３を準備する。第２基板３の無機配向膜が成膜された面を、図３（Ｃ）に示すように、第１基板２の液晶４が滴下された面に対向させた後、第１基板２と第２基板３とが３μｍの隙間を設けるように保持する。３μｍの隙間を設けて保持する方法としては、例えば、シール材５に第１基板２と第２基板３との隙間の幅と同じ３μｍの直径のシリコン微粒子からなるスペーサーボールを含有させ、そのスペーサーボールが、第１基板２と第２基板３とを支える方法がある。
第１基板２と第２基板３とが例えば３μｍの隙間を設けるように保持されることにより、第１基板２と第２基板３との間にある所定量の液晶４は、シール材５の内側に満遍なく充填される。
その後、図３（Ｄ）に示すように、３μｍの隙間を設けて保持された第１基板２と第２基板３に対し、透明な第２基板３側から紫外線を照射しシール材５を硬化し、第１基板２と第２基板３とが、一対となった状態にする。

ここで、防湿材９として、Ａ剤とＢ剤との二液からなる熱硬化タイプのフッ素樹脂であるＳＨＩＮ−ＥＴＳＵ ＳＩＦＥＬ（登録商標）の８０７０（信越化学工業株式会社 製）を用いる。また、充填材８としては、多孔質酸化シリコンである、サンスフェアＨ（サンスフェアは登録商標）（旭硝子エスアイテック株式会社 製）用いる。
防湿材９であるＳＩＦＥＬ８０７０のＡ剤とＢ剤とを重量比で１：１の割合で等しく混合した後に、Ａ剤とＢ剤とが混合された防湿材９に充填材８であるサンスフェアＨを加え更に撹拌する。この際、防湿材９と充填材８との混合物に対し、充填材を５０重量％加える。

次に、一対となった第１基板２と第２基板３の側面に、ディスペンサー装置（図示しない）を用いて、図３（Ｅ）に示すように、充填材８が含有された防湿材９を均一に塗布する。塗布は、一対の基板の一側面を上方に向け、そこにディスペンサーで塗布する。一側面に塗布が終わると、別の側面を上方に向け塗布を行い、四側面全てに塗布を行う。
充填材８の含有された防湿材９の粘度は１０Ｐａ・ｓと十分に低いため、３μｍである第１基板と第２基板の隙間にも十分に浸透する。浸透した結果、充填材８の含有された防湿材９は、第１基板２及び第２の基板３の側端面に加えて、シール材５の外側面と、第１基板２及び第２の基板３の対向面とが成す空間に設けられる。
その後、充填材８が含有された防湿材９が塗布された第１基板２と第２基板３とを１２０℃で１時間加熱し、防湿材９に充填材８が分散した状態で硬化させ、液晶表示素子１を形成する。

充填材８の含有量は、多いほど防湿性が高まることが分かっているが、あまりに含有量が大きい場合には、充填材８を含有した防湿材９の流動性が低下する。図４に示すように、充填材８を含有した防湿材９の粘度が１０Ｐａ・ｓ以上になると、第１基板２と第２基板３との隙間に十分に浸透することができず、結果的に防湿性が低下してしまう。従って、充填材８の含有量は、防湿材９と充填材８との混合物に対して５０重量％以下が適当である。
また、液晶表示素子１に何らかの力が加わり防湿材９が裂け防湿材中に水分が滲入した場合に、防湿材９中に含有された充填材８によって、液晶５に水分が到達することを防ぐため、防湿材９と充填材８との混合物に対して１重量％以上の充填材８を加えることが必要である。
この結果、充填材８であるサンスフェアＨの含有量は、防湿材９と充填材８との混合物に対して１重量％以上で且つ５０重量％以下が適当であると言える。

防湿材９であるＳＩＦＥＬ８０７０の硬化後の硬度は、針入度で５０であり、針入度が０である従来のエポキシ樹脂に比較して十分に柔軟な構造を持つ。
従来の液晶表示素子と本発明の液晶表示素子１との応力の発生状況を比較するため、エポキシ樹脂とサンスフェアＨを含有する防湿材９とを用いて作製した液晶表示素子のスクリーン上への投影画像の輝度分布を評価した。図５は、スクリーンに投影した各液晶表示素子の画像の輝度分布を数値化し、同等の輝度の部分を線で結んだものであり、次数が大きいほど輝度ムラが大きいことを示している。
これによると、防湿材としてエポキシ樹脂を使用した場合に比較して、多孔質酸化シリコンを含むフッ素樹脂を使用した本発明の液晶表示素子１の場合は、第２基板３にかかる応力が少ないため、輝度ムラが少なく、表示品質が良好であることが分かった。

図６は、従来の液晶表示素子と本発明の液晶表示素子１との信頼性の確認のための試験結果であり、模式的一対のガラス基板で作製した液晶セルに対してプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）前後の複屈折の状態を偏光盤にて観察したものである。ここで、黒い部分は液晶の配向に乱れが無い部分であり、白い部分は液晶の配向が乱れたため複屈折が発生している部分を示す。
図６に示すように、ＰＣＴによる高温高湿度（２気圧，１２０℃）下の５時間の信頼性テストにおいても、エポキシ樹脂は周辺から白濁し、液晶の配向不良が発生ししているのに比べ、防湿材９として多孔質酸化シリコンを含むフッ素樹脂を使用した場合は、水分の滲入が無く液晶の配向が乱れないため、エポキシ樹脂を用いた場合よりも信頼性も良好であることがわかった。

以上、説明したように、本発明の液晶表示素子１においては、吸湿性を持つ多孔質酸化シリコンからなる充填材８が含有された、撥水性を持つフッ素樹脂からなる防湿材９を使用することで、防湿材９水分の滲入を防ぐと共に、仮に液晶表示素子１の外部から防湿材９に水分が滲入した場合にも、防湿材９中に含有された充填材８によって、液晶５に水分が到達する可能性を低減できる。
また、防湿材９として、塗布時の粘度の高いエポキシ系の樹脂の代わりに、塗布時の粘度の低いフッ素樹脂を使用することで、一対の基板間の空隙に防湿材９が入り込みシール材５と防湿材９とが密着した状態に設けられ、水分の入り込む空間の形成を防止できる。
更に、防湿材９として、硬化収縮の大きく硬化後の硬度の高いエポキシ系の樹脂の代わりに、硬化収縮の小さく硬化後の硬度が低いフッ素樹脂を使用することで、硬化後に基板の表示領域に不要な応力がかかることを少なくすることができる。
この結果、液晶表示素子１の液晶５部への水分の滲入が防止されるため、液晶表示素子１の耐湿性が向上することができると共に、防湿材９の硬化後の硬度が低いため、液晶表示素子１に不要な応力がかからず、液晶表示素子１の画像品質の低下を防ぐことができる。それによって信頼性が向上した液晶表示素子１を提供することができる。

また、本実施例においては、反射型の液晶素子１について説明したが、透過型の液晶表示素子にも同様であることは勿論である。
更に、充填材８の含有された防湿材９が第１基板２及び第２の基板３の側端面に形成される領域は、実施例では第１基板２及び第２の基板３の両方としたが、基板の大きさが異なる場合に関しては、少なくとも一方の基板の側端面を覆うとしても良い。
更にまた、本発明に用いる防湿材９としては、フッ素樹脂に限らず、撥水性を持つ物質（撥水性を有するシリコン樹脂等）、又は、表面を撥水処理（シランカップリング剤、パラフィン、フッ素系化合物等により表面改質を行ったもの）した樹脂であれば利用可能である。
更にまた、本発明に用いる充填材８としては、多孔質酸化シリコンに限らず、表面が親水性を持つ物質（親水基を持つ物質、光などにより表面が親水性になる物質、表面にフラクタル構造を持ち、その形状効果によって親水性を持つ物質等）であれば利用可能である。

本発明の液晶表示素子の実施例を示す断面図である。 本発明の液晶表示素子の実施例の片側端部の断面を示す拡大模式図である。 本発明の液晶表示素子の製造方法を示す断面図である。 本発明の液晶表示素子に用いる充填材の含有量とその時の防湿材の粘度との関係を示す図である。 従来の液晶表示素子と本発明の液晶表示素子との投影画像の輝度分布の比較を示す図である。 従来の液晶表示素子と本発明の液晶表示素子とのプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）前後の複屈折の状態示す図である。

符号の説明

１…液晶表示素子 、２…第１基板、３…第２基板、４…液晶、５…シール材、６…画素電極、７…対向電極、８…充填材、９…防湿材

Claims (4)

1. 一面に複数の画素電極が形成された第１基板と、
   前記第１基板の前記複数の画素電極が形成された面に対向して設置され、前記第１基板との間に液晶を挾持した状態で固定された第２基板と、
   前記第１基板に形成された前記複数の画素電極を囲うように設けられ、前記第１基板と前記第２基板とを固定するシール部と、
   前記シール部の外周部に前記シール部に密着した形で設けられた防湿部と、
   を有し、
   前記防湿部が、表面が親水性を示す物質からなる充填材を含有した撥水性を有する防湿材からなることを特徴とする液晶表示素子。
2. 前記防湿部中に含まれる前記充填材の含有率が、前記防湿部に対し１ｗｔ％以上で且つ５０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記防湿材は加熱硬化性を有し、前記防湿部は、前記防湿材の硬化前において粘度が１０Ｐａ・ｓ以下であり、硬化後の硬度が針入度５０以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液晶表示素子。
4. 前記防湿材が、フッ素系樹脂からなり、前記充填材が多孔質酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
   
   
   
   

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