JP2009104166A

JP2009104166A - ディスプレイセル及びその製造方法

Info

Publication number: JP2009104166A
Application number: JP2009006064A
Authority: JP
Inventors: P Crawford Gregory; ピークロフォードグレゴリ; Hoo Jackson; ホージャクソン
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2009-05-14
Also published as: JPH10319413A; US5978063A; JP4530437B2

Abstract

【課題】液晶ディスプレイセルなどのノンアクティブ領域上の場所しか占有しない高性能スペーサ素子を提供する。
【解決手段】平面ディスプレイの１つである液晶ディスプレイは２枚の基板を有し、一方の基板はアクティブ開口領域３４とノンアクティブ領域３６とを有している。２枚の基板の間にはスペーサ層があり、スペーサ層は異方性形状と寸法を持つスペーサ５４を有している。異方性形状スペーサ機能部は基板のノンアクティブ領域３６内だけに形成される。スペーサ５４が一方の基板上に形成された後、基板を機械的にラビングする工程を経て２枚の基板が貼り合わされ液晶ディスプレイセルが構成される。
【選択図】図１１

Description

本発明は、一般的には、ディスプレに関するものであり、より詳しくは、平面ディスプレイ、例えば２枚の基板間に高性能のスペーサ層を備えたアクティブマトリックス液晶ディスプレイセルに関するものである。

アクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）は背面投射モニターにおける投射素子としての使用も含めて、多方面で使用されている。ＡＭＬＣＤは、一般にアドレッシング要素と画素ＩＴＯ電極を有する背面ガラス層、液晶層、およびアドレッシング要素と画素ＩＴＯ電極を有する前面ガラス層を用いて作られている。光がＡＭＬＣＤ内を一様に通過するためには、前面ガラス層と背面ガラス層の間のセル間隙の間隔を一様に保たねばならない。セル間隙の間隔の一様さを所定の公差内におさまるようにＡＭＬＣＤを組み立てるために、幾つかの慣用の方法が提供されている。

図１は液晶ディスプレイセルを組み立てるための慣用の真空チャック法または真空プレス法の断面図を示す。この方法では、真空チャック１０が液晶ディスプレイセルの上に押付け力２４を及ぼす。液晶ディスプレイセルは、下部基板１２、上部基板１４、エポキシシールまたは他の形式の接着剤から作られたシール１６、液晶材１８、および不規則に配置された多くのスペーサ２０を有している。これらのスペーサ２０は、一般には、球状のガラス玉または円柱状の微小繊維であり、周知のドライクラウド法または周知の溶剤散布法（solvent dispersed method）の手法を用いて、下部基板１２の上に不規則に配置されている。さらに、スペーサ２０の中には、シール１６の中に配置されるものもある。液晶ディスプレイセルは、可塑性樹脂（例えば登録商標「サラン」ラップ）または撓みやすいプラスチックシート２２で覆われ、押付け力２４が下部基板１２と上部基板１４とを一緒に圧縮している間に、紫外線２６によってシール１６を硬化させる。

図２は、前記の真空チャック法または真空加圧法に類似した、液晶ディスプレイセルを組み立てるための慣用の真空密閉プラスチックバッグ法を示す。この液晶ディスプレイセルは、下部基板１２、上部基板１４、シール１６、液晶材１８、および不規則に配置された多くのスペーサ２０を有している。この方法では、真空密閉プラスチックバッグ２８が液晶ディスプレイセルに押付け力２４を及ぼす。シール１６は、その形式に応じて、紫外線または熱を用いて硬化される。

図３は、液晶ディスプレイセルを組み立てるための慣用のバルーン法（balloon method）を示す。この場合も、また、液晶ディスプレイセルは、下部基板１２、上部基板１４、シール１６、液晶材１８、および不規則に配置された多くのスペーサ２０を有している。バルーン３０と熱チャックホットプレート３２は液晶ディスプレイセルに押付け力２４を及ぼし、かつ、シール１６を硬化させる。従って、シール１６は熱的に硬化される。一方、紫外線硬化のシールを用いる場合、熱チャックホットプレート３２をガラスで置き換え、液晶ディスプレイセルを紫外線で背面照射すれば良い。

前記真空チャック法、前記真空密閉プラスチックバッグ法、または前記バルーン法のいずれかを用いて組み立てられた液晶ディスプレイセルの平面図を図４に示す。実際の画素数はもっと多いが、ここでは説明を簡単にするため、単に９個の画素の配列を示す。液晶ディスプレイセルは、スペーサ２０によってアクティブ開口領域３４とノンアクティブ領域３６とに分割され、スペーサ２０はアクティブ開口領域３４とノンアクティブ領域３６の全域にわたって不規則に分布している。

特開平９−７３０８８号公報

上述の慣用の方法によって、許容出来る公差内で一様なセル厚さを有する液晶ディスプレイセルを製造することが出来る。しかし、アクティブ開口領域の大きさが小さくなるに従って、いくつかの問題が発生する傾向がある。例えば、ある投影ディスプレイにおいては、アクティブ開口領域３４の寸法は、スペーサ２０と同じ程度になり得る。スペーサ２０がアクティブ開口領域３４の上に重なったり、または領域３４上に載っている場合、その部分はアクティブ開口領域３４の約１５％を占め、これは液晶ディスプレイセルの性能を著しく低下させ、得られる画像の質も低下させる。さらに、スペーサ２０はその周りの液晶のプロファイル、つまり配向を乱し、これはさらに、得られる画像の質を低下させる（すなわち、輝度とコントラストを低下させる）。

不規則に配置されたスペーサ２０は、図５に示すように、シール１６内のスペーサ２０だけを残して、他を取り去ってしまう訳には行かない。なぜならば、図５のように、押付け力２４が、上部基板１４に曲げ変形を引き起こし、それは液晶ディスプレイセル全体を変形させ、許容できない画像品質の低下をもたらす結果になるからである。

参考のため紹介すると、例えば、「Improved construction of Liquid Crystal Cells（液晶セル構造の改良）」、Maltese他、Alta Frequenza、Vol.XLVII、No．9、pp．664-667、Sept.1978、には、剛性の高い構造を作るためプレート間に小面積のスペーサを分布させた大型多重液晶パネルが開示されている。

同様に、１９９６年１２月１７日出願の米国特許出願第０８／７６７，６５２号には、スペーサ素子を下部基板上に不規則に配置し、引き続いて、それらのスペーサ素子をアクティブ領域から除去する少なくとも一つの方法が開示されている。

上記課題を解決するために本発明はなされ、液晶セルなどの平面ディスプレイにおいて表示に寄与するアクティブ領域に、平面ディスプレイの基板間のギャップを一定に維持するためのスペーサが位置して表示に悪影響を及ぼすことを防止するディスプレイ構成を提案することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、平面ディスプレイのノンアクティブ領域内に隠れ、かつ、平面ディスプレイのノンアクティブ領域上の場所しか占有しないスペーサ素子を上記平面ディスプレイを構成する２枚の基板の内の少なくとも一方の基板に作成する。

即ち、対向する２枚の基板の内の少なくとも一方の基板が、アクティブ開口領域とノンアクティブ領域を有し、前記２枚の基板の間にスペーサ層が設けられた平面ディスプレイであって、前記スペーサ層は、スペーサ素子を構成する付着部とスペーサ機能部を含み、前記スペーサ機能部は異方性形状を有し、前記付着部は少なくとも前記ノンアクティブ領域の一部分を占め、かつ、前記アクティブ開口領域のほぼ外側に位置するように前記２枚の基板の少なくとも一方の基板に付着し、前記スペーサ素子によって概ね等距離だけ互いに離間した状態で前記２枚の基板が互いに貼り合わされていることを特徴とする。

基板上に付着するようにして形成されたこのスペーサ素子は、また、液晶表示装セル（ＬＣＤ）組立時に施される激しい機械的ラビング工程に適応できるように、その主体部をなすスペーサ機能部が著しい異方性形状にすることが好適である。また、スペーサ素子の分布と総数は、正確に制御することができる。

スペーサ素子の位置決めは、フォトリソグラフィ法技術を用いるマスク設計によって決定し、制御することができる。さらに、該平面ディスプレイが液晶セルである場合に、スペーサの存在による液晶セルの表示欠陥部が液晶画面上に表示されたり、該液晶セルを投影型ライトバルブとして用いた場合にスクリーン上に上記表示欠陥部が投影されるのを避けるため、スペーサ素子が液晶ディレクター場（director-field）に及ぼす影響がノンアクティブ領域内に限定されるように、スペーサを極めて細くすることが好適である。スペーサの厚さの精密な制御は、スピンコーティング法またはＣＶＤ技術を用いて達成することができる。高性能スペーサは、アクティブマトリックス基板、または、カバー基板上に作ることができる。つまり、液晶セルにおいて、薄膜トランジスタなどの能動素子が形成された基板、又はこの基板と対向し、共通電極の形成されている基板上のいずれに形成することもできる。

本発明のその他の目的、長所および顕著な特徴は、好適な実施態様を開示している添付の図面と関連してなされる詳細な説明を読むことによって、当業者には明白になるであろう。

液晶ディスプレイセルを組み立てるための方法を説明する図である。液晶ディスプレイセルを組み立てるための別の方法を説明する図である。液晶ディスプレイセルを組み立てるための更に別の方法を説明する図である。図１〜図３に示されたいずれかの方法を用いて組み立てられた液晶ディスプレイセルを示す平面概念図である。液晶ディスプレイセルを組み立てるための更に別の方法を説明する図である。下部基板の平面図である。本発明のスペーサ素子の１つの側面構成を示す図である。本発明のスペーサ素子の１つの平面構成を示す図である。本発明によるラビング工程を示す図である。スペーサ素子の各種の配置例を示す図である。本発明に係る基板上のスペーサ素子の１つの平面の構成を示す図である。従来のスペーサを有し液晶の配向の乱れた領域が存在する液晶ディスプレイセルを概念的に示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下においては、平面ディスプレイとして液晶ディスプレイを例に挙げて説明する。

図６は、４個の画素配置を有する液晶ディスプレイセルの下部基板１２を示す。画素の実際の数は図示のものよりは多いほうが望ましい。従って、本発明でも、もっと多数の画素を有している。本発明は、液晶ディスプレイセルの組立体だけに限定されるものではなく、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）やエレクトロルミネッセンスのように近接配置された下部基板１２と上部基板１４とを備え、かつ、該２枚の基板の間隔が一様な間隔に維持されるべき構成を有するいかなるディスプレイセルの組立体にも適用できる。

下部基板１２は、アクティブ開口領域３４とノンアクティブ領域３６とを有する。このノンアクティブ領域３６は不透明であり、なるべく紫外線（ＵＶ）領域の光を透過させないことが望ましい。下部基板１２は、ネガ型フォトレジストまたはネガ型ＵＶ硬化ポリイミドの薄い皮膜でコーティングされることが望ましい。薄膜の厚さは、約０．１μｍから０．５μｍの範囲になければならない。最低でも、０．０５μｍ以上、最大でも１μｍ以下、なるべくなら、０．２μｍが望ましい。もしこの薄膜が厚すぎると、埋没の問題（filling problem）を引き起こす。例えば、上記薄膜が厚すぎると、通常薄膜の下方に形成された画素電極等に電圧を印加しても液晶層に好適な電圧を印加することができなくなる。よってこの様な問題は、液晶のプロファイル（配向）を乱すこととなる。

下部基板１２をネガ型フォトレジストまたはネガ型ＵＶ硬化ポリイミドの薄い皮膜でコーティングした後、下部基板１２のノンアクティブ領域３６内にフォトリソグラフィ法によって、スペーサ素子を形成する。なお、スペーサ素子は、ここでは、付着部及びスペーサ機能部を備えるが、基板上にスペーサ素子が形成される場合、付着部は実質的には基板間を所定間隔だけ隔てる高さを有するスペーサ機能部と一体である。上記方法に代えてＣＶＤによる酸化物、窒化物または、酸素／窒化物、或いはこれらの組み合わせのような堆積誘電体を用い、フォトリソグラフィ法によってスペーサ素子（以下単にスペーサと示す）５４を形成することもできる。本発明のスペーサは、アクティブ領域３４の中に重なり合うことはない。以下で検討するように、機械的ラビング工程を含むＬＣＤ組立工程に耐えるため、スペーサは異方性形状を有する。それらの形状は、また、それらが液晶ディレクター場におよぼす影響がノンアクティブ領域３６内に限定されるように、アクティブ領域３４の外側に配置されるように最適化される。スペーサの分布と総数は、当業者には良く知られている周知のフォトリソグラフィ法技術に対するマスク設計に基づいて、精密に制御される。

図７は、マスクとネガ型フォトリアクティブポリイミドを用いて形成することが可能な本発明のスペーサ５４の側面図を示す。スペーサ５４は、異方性形状を有し、Ｘ方向（長軸ともいう）に沿う第１の辺５６と、Ｙ方向（図７には図示せず）に沿う第２の辺５８とを有する。スペーサ５４が異方性形状を有するという意味は、Ｙ方向の辺が短いのに対してＸ方向の辺が長いことによる。スペーサ５４は、なるべくならＸ方向には１２μｍ、Ｙ方向には４μｍが望ましい。しかし、これらの寸法はディスプレイの画素設計に応じて代えることができる。これにより、スペーサ５４は、機械的ラビング工程に耐えることができ、アクティブ領域３４と干渉することなく、ノンアクティブ領域３６内に、スペーサ５４を位置決めすることが可能になる。スペーサ５４の位置決めは、当業者には良く知られているマスク設計によって決定される。このマスク設計を制御することによって、スペーサの分布と総数もまた制御することができる。さらに、例えば、液晶セルを投影型ライトバルブに用いる場合に、表示の欠陥部がスクリーン上に投影されてしまうのを避けるため、スペーサ５４をこのスペーサ５４が液晶ディレクター場に及ぼす影響がノンアクティブ領域３６内にとどまるのに充分な寸法となるように作成することができる。スペーサ５４のＺ方向の厚さは、当業者には良く知られているスピンコーティング法またはＣＶＤ技術によって精密に実現することができる。最小のディスプレイ距離としては、光学的異方性Δｎが０．０９〜０．１のＬＣ材料に対しては、Ｚ方向高さのセル間隙が一般に５μｍ程度であることが要求される。Ｚ方向高さは、用いられるＬＣのΔｎ値に強く依存する。

図８は、第１の辺５６と第２の辺５８の間に角部の辺６０が設けられているスペーサ５４の平面図を示す。これにより、スペーサ５４は、機械的ラビング工程に耐え、液晶ディレクター場におけるそれらの影響を制御することができるような形状を提供する。この角部の辺６０は、スペーサとアクティブ領域３４が接近していることによって引き起こされる従来技術の干渉問題を解決する。図示はしていないけれども、角部の辺は円弧状または曲線状であっても良い。

図９は、スペーサ５４のＸ方向（長軸）に沿って転動するローラ５０を用いる慣用のＬＣＤラビング工程を示す。従来技術のスペーサと異なり、本発明のスペーサは、それらのスペーサの有する異方性形状によって、このラビング工程に耐えることができる。従来技術における柱状のスペーサはこのラビング工程によって容易に破壊されてしまう。ラビング工程に続いて、完全な液晶セルを形成するために、上述のような方法（例えば図１〜図３参照）を適用して上部基板１４と下部基板１２とのシール作業等を行う。

スペーサの位置は、スペーサを選択的に位置決めするのに用いられるマスク設計に依存する。図１０（ａ）に示されているように、スペーサ５４は、ノンアクティブ領域３６内に隠れ、従ってノンアクティブ領域３６内にのみ位置するように、ＬＣＤのデータ線５７と走査線５９の交差部分に配置することができる。また、その異方性形状のため、つまり、ノンアクティブ領域３６内にのみ選択的に位置する形状のため、スペーサ５４は、アクティブ領域３４内には配置されない。ここで、図１０（ａ）は、スペーサ５４が各データ線５７と走査線５９の交差部分に配置されている態様を示している。また、図１０（ｂ）は、スペーサ５４が４番目毎の交差部分に配置されている態様を示している。更に、図１０（ｃ）は、スペーサ５４が基板１２の全面にわたって不規則に分布されている態様を示す。その他のマスク設計の例としては、１６個毎の交差部分または３２個毎の交差部分にスペーサを配置するものも考えられる。また、上述したが、スペーサの分布と総数はマスク設計に基づいて精密に制御することができる。理想的には、スペーサ５４の数は最適な光学性能を確保するように最少にする。

説明と理解を容易にするため、４個のアクティブ領域３４と１個のスペーサ素子がデータ線５７と走査線５９の交差部分内に配置されている場合を図１１に示す。スペーサ５４は、Ｘ方向（長軸）に沿った２個の第１の辺５６と、Ｙ方向（短軸）に沿った２個の第２の辺５８と、これら第１と第２の辺に挟まれた角部の辺６０とを有する。スペーサのＹ方向の幅は、なるべくなら３〜５μｍが望ましい。このような態様においては、各角部の辺６０は、各アクティブ領域３４から少なくとも１．５μｍは離れて配置される。

この構造では、スペーサ５４がネマティックディレクター場に及ぼす影響は最小になる。例えば、一般的な構成では、もし液晶分子がスペーサ２０に接触すると、スペーサ２０上の表面力が液晶の配向を乱し、図１２に示されているように、液晶のＴＮ配向構造がずれてしまう。図１２は、アクティブ領域３４の一部が従来技術のスペーサ２０によって配向の乱れた乱配向領域を含むことも有り得ることを示している。これに反して、本発明のスペーサ５４は幅が狭く、かつ、異方性形状を有するように作られているので、液晶ディレクター場は、アクティブ画素領域３４内でその最適なＴＮ配向状態を維持するのに充分ゆとりある距離があり、さらに、ＬＣＤ組立工程にも適応する。

上述の態様は、下部基板１２上に作られたスペーサ５４に関連して記述しているが、スペーサ５４は上部基板１４上に作られていてもよい。

上述の発明は好適な態様に関して記述しているが、他に多くの変更および変形が有り得る。そして、このような変更と変形の全ては特許請求の範囲で規定している本発明の範囲に合致することが意図されている。

１０真空チャック、１２下部基板、１４上部基板、１６シール、１８液晶材、２２プラスチックシート、２４押付け力、２６紫外線、２８真空密閉プラスチックバッグ、３０バルーン、３２熱チャックホットプレート、３４アクティブ開口領域、３６ノンアクティブ領域、５０ローラ、５４スペーサ、５６第１の辺、５７データ線、５８第２の辺、５９走査線、６０角部の辺。

Claims

対向する２枚の基板の内の少なくとも一方の基板が、アクティブ開口領域とノンアクティブ領域を有し、
前記２枚の基板の間にスペーサ層が設けられた平面ディスプレイであって、
前記スペーサ層はスペーサ素子を構成する付着部とスペーサ機能部を含み、前記スペーサ機能部は異方性形状を有し、前記付着部は少なくとも前記ノンアクティブ領域の一部分を占め、かつ、前記アクティブ開口領域のほぼ外側に位置するように前記２枚の基板の少なくとも一方の基板に付着し、前記スペーサ素子によって概ね等距離だけ互いに離間した状態で前記２枚の基板が互いに貼り合わされていることを特徴とする平面ディスプレイ。