JP2010113038A - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

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Tetsuhisa Nakao
哲久 中尾
Kiyoshi Shobara
潔 庄原
Takashi Doi
崇 土井
Ryuichi Arai
竜一 新井
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Abstract

【課題】遮光層の形成が容易で、製造性、信頼性が高い液晶表示装置を得る。
【解決手段】アレイ基板10と対向基板20の一対の基板を有し、一対の基板は外周に沿ってシール材50で封止され一対の基板間に形成されるセルギャップ内に液晶層30を挟持し、かつ着色層で形成されたバンク42,43が画像表示領域100外周を囲むように二重に配置され、これらのバンク間に遮光層41が設けられている液晶表示装置において、遮光層41はバンク間の面を平坦化する平坦化層44上に積層されている。
【選択図】図4A

Description

この発明は、画像表示領域外周とシール材間に遮光層を形成した液晶表示装置およびその製造方法に関する。
液晶表示装置は複数の画素電極およびそのスイッチング素子が画像表示領域にマトリクス配置されたアレイ基板と、このアレイ基板に対向配置され対向電極を有する対向基板を備え、これらの基板は所定のセルギャップを有して周縁をシール材で封着され、このセルギャップに液晶層を充填した液晶セルを有している。
液晶表示装置に明るくかつ高精細度化が求められ、製造上、画素のアライメントが容易で、開口率を高くすることができる構造としてアクティブ―マトリクス型の着色層を画素電極のアレイ基板側に配置する構造の採用が増えている。アレイ基板と対向基板の周縁はシール材でシールされ、シール材内側に遮光層が設けられている。画素電極ごとにスイッチング素子が配置され、これらは画像表示領域を垂直方向に延びる複数の信号線と水平方向に延びる複数の走査線に囲まれた画素領域に配置される。
着色層は画素電極形成前に信号線と同一方向に延びるストライプで形成され、緑、青、赤色のフィルタ層がそれぞれ対応する画素電極をカバーするように順に繰り返し走査線方向に配列される。
各フィルタ層間には遮光層であるブラックマトリクス層がフォトリソグラフィで形成され、さらに同一製造工程で前記遮光層も同時に形成される。一方、対向基板に対向電極が設けられる(特許文献1参照)。
着色層をアレイ基板側に配置する利点のーつに、画素電極間に配置される信号線や走査線が上記したブラックマトリクス層の機能を兼ねられることがある。これらの配線は金属層であるから基板を透過する光を遮光するので、各色フィルタ層境界で生じる漏光による色のにじみを遮断することができる。このため、画像表示領域内にブラックマトリクス層を形成するのを省略できる。
特開平8−278507号公報
しかしながら、ブラックマトリクス層形成工程を省略しても、画像表示領域外周の遮光層を省略すると光漏れが避けられないので、表示領域外周に遮光層を形成する工程が残る。遮光層は画像表示領域周辺部の遮光のために、黒色顔料をフォトレジストに混ぜた黒色樹脂材を使用し、フォトリソグラフィ工程によってパターニングすることによって形成される。しかし、このパターニングが画像表示領域に不所望な汚染等を招来する恐れがあるため、遮光層をインクジェット法で形成することが提案されている。
インクジェット用の黒色インクは金属、金属酸化物、金属窒化物、カーボンなどの粉末の黒色顔料をバインダに混ぜたインクであるために比較的粘性の高い液体であり、下地状態によっては塗りむらが発生し均一にならないので過量のインクを用いる必要がある。この過量分が画素電極側ににじむことがある。さらに黒色インクは顔料に依存して誘電率が高く、または低抵抗であり、遮光層直下の配線間に相互影響を与える。
本発明は遮光層の形成が容易で、製造性、信頼性が高い液晶表示装置およびその製造方法を得るものである。
本発明よれば、対向電極を有する対向基板と画素表示領域にマトリクス配列された画素電極を有するアレイ基板とからなる一対の基板を有し、前記アレイ基板の画像表示領域に異なる複数色の着色層を配列してなり、前記一対の基板は外周に沿ってシール材で封止され前記一対の基板間に形成されるセルギャップ内に液晶層を挟持して、前記着色層で形成されたバンクが前記画像表示領域外周を囲むように二重に配置され、これらのバンク間を遮光領域として前記一対の基板を透過する光を遮光する遮光層が設けられている液晶表示装置において、前記遮光領域に前記バンク間の面を平坦化する平坦化層が形成され、この平坦化層上に遮光層が積層されてなることを特徴とする液晶表示装置を得るものである。
さらに、対向電極を有する対向基板と画素表示領域にマトリクス配列された画素電極を有するアレイ基板とからなる一対の基板を有し、前記アレイ基板の画像表示領域に異なる複数色の着色層を配列してなり、前記一対の基板は外周をシール材で封止され前記一対の基板間に形成されるセルギャップ内に液晶層を挟持して、前記着色層で形成されたバンクが前記画像表示領域外周に沿って囲むように二重に配置され、これらのバンク間を遮光領域として前記一対の基板を透過する光を遮光する遮光層が設けられている液晶表示装置の製造方法において、
前記アレイ基板の前記画像表示領域に前記着色層を形成すると同時に前記画像表示領域の外周に沿って前記着色層により二重バンクを形成する工程と、
前記二重バンク間の前記遮光領域面に表面が平坦になるように樹脂でできた平坦化層を形成する工程と、
前記二重バンク間の前記平坦化層面にインクジェットにより光吸収材インクを塗布し遮光層を形成する工程と、
前記第アレイ基板の前記バンクの外周にそってシール材を塗布する工程と、
前記対向基板と前記アレイ基板を前記シール材により貼り合わせ前記セルギャップを形成するように封止する工程とを具備してなる液晶表示装置の製造方法を得るものである。
本発明は遮光層の形成が容易で、製造性、信頼性が高い液晶表示装置およびその製造方法を得ることができる。
本発明の一態様によれば、着色層で形成した二重バンクで区画した遮光領域に平坦化層が形成されてその上にインクジェット法で塗布された遮光層が積層される。
本発明の実施形態を説明するにあたり、平坦化層およびインクジェット法による遮光層の形成について図3、図4A,Bおよび図5により考察する。
着色層70の形成において、アレイ基板10はガラスの絶縁性基板11上の、光を透過する画像表示領域100に、緑、青、赤色の順に各色顔料を混入したフォトレジストを塗布し、露光、現像して光を透過する画像表示領域に各色着色層70G,70B,70Rを形成する。各層の厚さは例えば4μmである。
インクジェット法による遮光層41の作製ではインクへッド41aから射出した黒色インクの液滴41bがガラスなどの透明な絶縁性基板11面に付着すると基板11上を流れて拡がるのでこれを堰止める堰堤として二重バンク42,43を配置する。着色層70形成と同一工程で例えば緑色の着色層70Gによりバンク42,43を形成する。バンク42,43の高さは同一工程で形成する場合は4μmであり、内周側バンク42と外周側バンク43が画像表示領域100の外周101を囲むように二重に形成する。なお各バンクは別の色の着色層たとえば緑色と青色で形成してもよい。
二重のバンク42,43間の挟まれた遮光領域40のアレイ基板11面に平坦化層44を塗布する。遮光領域40には、画像表示領域100のTFTスイッチング素子15を駆動する走査線13、層間絶縁膜16、信号線14が配置されているために、表面が凹凸になっている。例えば信号線14は180μmの厚みの凸部を形成している。
平坦化層44はフォトレジストを塗布、露光、現像して形成され、表面が遮光領域40の層間絶縁膜16上にその面から2.9μm厚になるように形成する。凸状の信号線14を埋め込んで遮光領域40の二重バンク42、43間の全面を平坦にしている。平坦化できる材料であれば光透過性材料でもよく、幅広く選択することができる。誘電率が一般の遮光層の材料の1/2以下の7以下の例えばエポキシ系の樹脂を採用することができる。誘電率を低くすることにより遮光領域に配置された配線間の相互干渉を低減する。この平坦化層44上に図4A,Bで示すように遮光層41を積層する。TiC、TiN、黒Ni、カーボンなどの微粒子を混入した樹脂からなるインクの液滴をインクジェット法により塗布すると、インクはバンク42,43で堰き止められ、画像表示領域100の外周101を囲むように枠状にパターン化される。このインクをべークし乾燥して遮光層41とする。例えば遮光層41の幅は3mm、厚さは例えば1.1μmである。
図4Bのように、前記平坦化層44の膜厚A(μm)、第1および第2のバンク42,43の高さB(μm)、遮光層41の膜厚d(μm)、遮光層41の光学濃度をCとすると、下記の式を満たすようにする。
0≦A≦B−d……(1)
0≦d≦B……(2)
3≦C×d……(3)
遮光層41を形成後にシール材50を塗布する。シール材50はエポキシ系の熱硬化性樹脂のペーストであり、ペーストを幅0.5mmで基板11外縁に沿って周回させて塗布し、プリべークすることにより未硬化の乾燥したシール材50が得られる。シール材50はシール材内を透過する光による光漏れを防ぐために、外側バンク43の一部と重なる位置に配置する。
シール材50をプリべークにより脱泡乾燥後、対向基板20を合わせて押し潰し両基板10,20を接着すると、0.5mm幅で盛り上がった未硬化シール材は両基板10,20間に幅1mmで拡がり一部がバンク43上に張り出して重なり、硬化して、液晶を封入する液晶セルを形成する。ここで対向基板20面とアレイ基板10の両基板10,20面間のセルギャップ52すなわち液晶層厚みは例えば4.5μm〜5.2μmである。
図1乃至図5は、この発明の実施形態の液晶表示装置を示す。液晶セル1はガラスなどの透明絶縁性基板11を有するアレイ基板10と、このアレイ基板10と対をなして対向配置され同じく透明絶縁性基板21を有する対向基板20と、アレイ基板10と対向基板20との間に配置された液晶層30とを備える。画像表示領域100は、アレイ基板10と対向基板20とを貼り合わせるシール材50によって囲まれた領域内に形成されている。
画像表示領域100とシール材50の間には画像表示領域100を枠状に取り囲むようにして遮光層41が形成される。
アレイ基板10は、画像表示領域100にマトリクス状に配置された複数の画素電極12、これらの画素電極12の行方向に沿って形成された複数本の走査線13、これらの画素電極12の列方向に沿って形成された複数本の信号線14、各画素電極12に対応して走査線13および信号線14の交差位置近傍に薄膜トランジスタ(TFT)のスイッチング素子15を有している。走査線や信号線の配線は、ブラックマトリクスを兼ねることができる。
アレイ基板10は、絶縁性基板11上に、さらに複数の画素電極12とこれらの電極12のそれぞれに対応して形成されたスイッチング素子15を覆って形成される着色層70、着色層70上に形成された複数の柱状スペーサ71(図4A)が設けられ、複数の画素電極12全体を覆うように配向膜81(図2)を備えている。
着色層70は、例えば4μmの厚さを有し、緑色、青色、および赤色にそれぞれ着色され、画素電極12の列に対応してストライプ状に並んで配置されている。これらの着色層70は、緑色、青色、および赤色の各色成分の光をそれぞれ透過させる3色の着色層70G,70B,70Rとなる。配向膜81は、液晶層30の液晶分子を所定方向に配向する。
対向基板20は、図2に示すように、絶縁性基板21上に形成された対向電極22およびこの対向電極22を覆う配向膜82を有している。対向電極22は、アレイ基板10側の画素電極12に共通して対向する透明電極である。
液晶層30はシール材50の液晶注入口(図示せず)からセルギャップ52(図2)参照)に注入されて封止される。
本実施形態の液晶セル1の製造方法について説明する。
<アレイ基板10>
図2に示すように、絶縁性基板11上に、シリコン酸化膜などのアンダーコーティング層11aを形成する。続いて、アンダーコーティング層11a上に、アモルファスシリコン膜を成膜し、さらに多結晶化処理を施してポリシリコン膜17とする。この膜17をパターニングして、TFTスイッチング素子15のチャネル層を形成する。次にシリコン酸化膜を成膜して、ゲート絶縁膜18を形成する。続いて、スパッタリング法により、ゲート絶縁膜18上にTa,Al,Mo, Wなどの金属膜を成膜し、フオトリソグラフィ工程により所定の形状にパターニングする。これにより、走査線13、ゲート電極15gなどの各種配線を形成する。
続いて、ゲート電極をマスクとして、ポリシリコン膜17に不純物を注入して、TFTスイッチング素子15のドレイン領域、ソース領域を形成する。さらに、全面に酸化シリコン膜を成膜し、層間絶縁膜16とする。
次に、スパッタリング法により、層間絶縁膜16上に、Ta,Al,Mo, Wなどの金属膜を成膜し、フオトリソグラフィ工程により所定の形状にパターニングする。これにより、信号線14と、これらの信号線14と一体にスイッチング素子15のドレイン電極15dを形成する。また、同時に、スイッチング素子15のソース電極15sを形成する。必要により、これらの上にSiNなどのパッシべーション膜(図示せず)を形成してもよい。
<着色層70およびバンク42,43>
次に、紫外線硬化型アクリル系緑色レジスト液、例えば商品名CYG−5624D)を、電極が形成されたアレイ基板上にスピンナを用いて所定厚に塗布する。次に約90℃で約5分間プリべークし、所定のマスクパターンを用いて露光する。ここで用いるフォトマスクパターンは、緑色着色層70Gに対応するストライプ形状パターン、画素電極とソース電極に対応するスルーホール12aの直径15μmの円形形状パターンおよび画素表示領域最外周に二重バンクとなるマスクパターンを用いて、紫外線を照射して露光する。
次にTMAH水溶液を用いて現像し水洗い後ポストべークして緑色着色層70Gおよび二重バンク42,43を形成する。これにより二重バンクは画像表示領域外周を枠状に取り囲むパターンになっている。
続いて、同様の工程で順次、青色着色層70B、赤色着色層70Rを形成する。これにより、4μmの膜厚を有する着色層70が形成される。緑色の着色層70Gの形成工程で形成されるバンクの幅は、内周側バンク42が400μm、外周側バンク43が70μm、それぞれの高さが4pm、二重バンク管の幅すなわち遮光領域幅は3mmである。
<画素電極12>
続いて、図2に示すように、着色層70上にITOを成膜しパターニングして、スルーホール12aを通してスイッチング素子15のソース電極15dに接続された画素電極12を形成する。
<平坦化層44>
セルギャップ52を規制するスペーサ71を画像表示領域100内の画素電極周辺に形成する工程で、同時に二重バンク42,43で囲まれた遮光領域内にこの領域を平坦にする平坦化層44を形成する。例えばエポキシ系フォトレジストを用いスペーサを露光現像しポストべークすることで遮光領域に、例えば2.9μmの平坦化層を形成する。スペーサとの厚みの差は部分的に露光時要件を変えることで調整することができる。遮光領域には走査線、信号線が延び凹凸面を形成しているが、平坦化層はこの凹凸を埋めて表面を平坦にする。
続いて配向膜材料を塗布し、ラビング処理によって配向膜81を形成する。
<シール材50>
図4Aに示すように、液晶セル1の製造工程では、熱硬化性樹脂の接着剤であるシール材50のペーストを液晶注入口を残して画像表示領域100を囲むようにアレイ基板10の外縁に沿って塗布する。塗布されたシール材50のペーストの幅は0.5mmとし、封止時の押し潰しで1mm幅に広がるようにする。
<遮光層41>
遮光領域40に遮光層41を形成するために、インクジェット法により黒色の樹脂インクの液滴41aを平坦化層44の面上に遮光領域40に沿って被着する。インクは例えば、カーボンブラック、チタンカーボン、黒鉄、黒ニッケル、チタンブラック、二酸化マンガン等の黒色顔料に、バインダーポリマとして顔料分散性、成膜性のよいエポキシ樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂等を用いることができる。本例ではチタンカーボンなどの微粒子をエポキシ系の樹脂に混入してインクとし、インクジェット法によりノズルから噴射して平坦化層上に被着したインクは平坦化層面に沿って展延する。これにより二重バンク42,43の間に1.1μmの均一な膜厚の黒色遮光層41を形成する。例えばインクの粘度は10.5〜12mPa・s、表面張力が24〜27mN/mである。
図6に示すように、ガラス母材60に複数のアレイ基板10を形成する場合に各アレイ基板に対して画像表示領域の左右の遮光層41をインクジェットへッド41aを画像垂直方向(y)に相対移動しながら塗布する。続いて母材を90度回転させx方向にヘッドを相対移動させて、画像表示領域の上下の遮光層を同様に塗布する。
実施例として、
インクは光学濃度Cが2.7、誘電率が14、
遮光層に最低必要な光学濃度は3.0、
バンク高さBは4μmである。
式(1)〜(3)から、3≦2.7×dで遮光層厚d=1.1μmになり、平坦化層の層厚Aは2.9μmである。
平坦化層に対するインクのぬれ性は大きいほどよく、表面張力の接触角は11度以下が望ましい。本例では接触角が7.1°、インクジェットによるインク塗布量は1滴あたり50pl士5plである。
その後、未硬化シール材50のペーストおよび遮光層41を同時にプリペークして脱泡、乾燥する。プリべークの温度は未硬化シール材50のペーストが熱硬化しない程度の温度である。
<対向基板20>
対向基板20の製造工程では、ガラスなどの透明な絶縁性基板21(図2)上に、ITOの対向電極22を形成する。そして、対向電極22を覆って絶縁性基板21の全面にポリイミドなどの配向膜材料を塗布し、ベーク後、配向処理を施すことにより、配向膜82を形成する。
<液晶表示装置1>
次に、図4Aに示すように、アレイ基板10と対向基板20の一対の基板を合わせて、加熱、押圧し、未硬化シール材のペーストを押し潰して変形させ、熱硬化させてシール材50とする。これによりアレイ基板10の外縁と対向基板20の外縁とを接着し、液晶層30を挟持するセルギャップ52を形成して封止する。シール材50の内周の一部はバンク43上に延びて重なり硬化する。固化したシール材50の幅は1mmである。
このようにして形成した空きセルに、液晶層30を液晶注入口からセルギャップ52内に注入し、さらに液晶注入口を封口する。
以上の工程で液晶表示パネルが製造される。
(比較例1)
実施形態1と同条件でかつ平坦化層を設けない場合の遮光層46の形成である。遮光領域中央にインクジェット塗布を施した場合、図8に示すように信号線14面に片寄って付着した。インク塗布量が50pl、信号線の金属層に対するインクの接触角が12°、SiNの層間絶縁膜への接触角が15.4°で塗布抜けが発生した。この部分の遮光ができないために、光漏れが発生した。
(比較例2)
比較例1において塗布抜けが生じないように必要量以上のインクジェット塗布を施した場合、図9に示すように画像表示領域100側にインク47が溢れることがあり、画素の一部が非点灯になり、むらが生じた。
上記の本実施形態の遮光層の形成において、二重バンク42,43間の遮光領域40に平坦化層44を形成し、その平坦面44a上に遮光層41を積層する。これにより遮光層41は遮光に要求される最小限の光学濃度を保持できる程度に均一にかつ薄く形成できる。このため、黒色インクの塗布抜けや、画像表示領域への溢れが生じず、高品質の遮光層を作製することができる。さらに、平坦化層は遮光層のように金属酸化物や窒化物を含まなくてよいので、低誘電率の樹脂を用いることができる。
図7は平坦化層(厚さA)、遮光層(誘電率10、厚さB)および遮光層(誘電率14、厚さC)を遮光領域に直接塗布したときの、各層の厚さ(μm)に対する隣接配線間容量(pF)の差異を示した曲線図である。図において曲線(a)が誘電率14の遮光層のみ、曲線(b)が誘電率10の遮光層のみの特性を示し、遮光層は層厚が厚くなるほど配線間容量が増加する。一方、点(c)で示すように平坦化層は誘電率が低いために配線容量は遮光層に比べて60%程度に抑えられている。これにより、平坦化層上に遮光層を形成した場合も配線容量低減効果が生じる。
以上により、本発明によれば、遮光領域に平坦化層を形成することにより、インクジェット方式による遮光層の形成が均一になり、また配線容量を低減できて電気的欠陥が少なく、画像のコントラストが向上し、ユニフオミティのよい液晶表示装置を得ることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、平坦化層をスペーサの形成と別工程で形成することができ、またバンクを各色着色層の積層で形成することができる。
本発明の一実施形態の模式的な略平面図。 図3のB−B線に沿う略断面図。 図1の一部拡大略平面図。 図3のA−A線に沿う略断面図。 図4Aを説明する略図。 本発明の一実施形態の製造工程を説明する略断面図。 本発明の一実施形態の製造工程を説明する斜視図。 本発明の実施形態を説明する曲線図。 比較例1を説明する略図。 比較例2を説明する略図。
符号の説明
1液晶セル
10アレイ基板
11絶縁性基板
12画素電極
13走査線
14信号線
15スイッチング素子
16層間絶縁膜
20対向基板
21絶縁性基板
22対向電極
30液晶層
40遮光領域
41遮光層
42,43バンク
44平坦化層
50シール材
51重なり部
70(70G,70B,70R)着色層
81,82配向膜
100画像表示領域
101画像表示領域外周

Claims (7)

  1. 対向電極を有する対向基板と画素表示領域にマトリクス配列された画素電極を有するアレイ基板とからなる一対の基板を有し、前記アレイ基板の画像表示領域に異なる複数色の着色層を配列してなり、前記一対の基板は外周に沿ってシール材で封止され前記一対の基板間に形成されるセルギャップ内に液晶層を挟持して、前記着色層で形成されたバンクが前記画像表示領域外周を囲むように二重に配置され、これらのバンク間を遮光領域として前記一対の基板を透過する光を遮光する遮光層が設けられている液晶表示装置において、前記遮光領域に前記バンク間の面を平坦化する平坦化層が形成され、この平坦化層上に遮光層が積層されてなることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記アレイ基板の前記遮光領域に前記画素電極に接続される配線が延びており、前記平坦化層はこの配線を覆っていることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 前記平坦化層の膜厚A(μm)が下記の式を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載の液晶表示装置
    0≦A≦B−d
    0≦d×B
    3≦C×d
    ここに、Bは第1および第2のバンクの高さ(μm)、dは遮光層の膜厚(μm)Cは遮光層の光学濃度である。
  4. 前記平坦化層の誘電率が前記遮光層の誘電率よりも低いことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の液晶表示装置。
  5. 対向電極を有する対向基板と画素表示領域にマトリクス配列された画素電極を有するアレイ基板とからなる一対の基板を有し、前記アレイ基板の画像表示領域に異なる複数色の着色層を配列してなり、前記一対の基板は外周に沿ってシール材で封止され前記一対の基板間に形成されるセルギャップ内に液晶層を挟持して、前記着色層で形成されたバンクが前記画像表示領域外周を囲むように二重に配置され、これらのバンク間を遮光領域として前記一対の基板を透過する光を遮光する遮光層が設けられている液晶表示装置の製造方法において、
    前記アレイ基板の前記画像表示領域に前記着色層を形成すると同時に前記画像表示領域の外周に沿って前記着色層により二重バンクを形成する工程と、
    前記二重バンク間の前記遮光領域面に表面が平坦になるように樹脂でできた平坦化層を形成する工程と、
    前記二重バンク間の前記平坦化層面にインクジェットにより光吸収材インクを塗布し遮光層を形成する工程と、
    前記第アレイ基板の前記バンクの外周にそってシール材を塗布する工程と、
    前記対向基板と前記アレイ基板を前記シール材により貼り合わせ前記セルギャップを形成するように封止する工程とを具備してなる液晶表示装置の製造方法。
  6. 前記セルギャップを保持するスペーサ形成工程をさらに具備し、このスペーサ形成工程で前記平坦化層は前記スペーサと同一の材料で形成されてなる請求項5に記載の液晶表示装置の製造方法。
  7. 前記光吸収材インクは前記平坦化層表面との接触角が10度以下である液晶表示装置の製造方法。
JP2008283829A 2008-11-05 2008-11-05 液晶表示装置およびその製造方法 Pending JP2010113038A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017031805A1 (zh) * 2015-08-26 2017-03-02 深圳市华星光电技术有限公司 一种阵列基板和显示装置

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