JP2010197488A - 液晶表示装置 - Google Patents

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聖 中原
Masaatsu Akitomo
雅温 秋友
Junichi Morinaga
潤一 森永
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Abstract

【課題】 薄型化が進んだ液晶表示装置であっても、押圧荷重耐性の良い液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 第1の基板、液晶層、及び、第2の基板をこの順に備えた液晶表示装置であって、上記第1の基板は、液晶層側の主面上に絶縁膜を有し、上記第2の基板は、液晶層側に突出するとともに高さの等しい第1及び第2の柱状スペーサを有し、上記絶縁膜は、上記第2の柱状スペーサの1つと対向する領域内に複数の突起を有し、上記第1の柱状スペーサは、上記絶縁膜と接触し、上記第1の基板及び/又は上記第2の基板への荷重押圧時において、上記第2の柱状スペーサの1つが上記突起と接触する面積は、上記領域の面積よりも小さい。
【選択図】 図1

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。より詳しくは、柱状スペーサを備えた液晶表示装置に関するものである。
液晶表示装置は、薄型で軽量かつ低消費電力といった特長を活かし、モニター、プロジェクタ、携帯電話、携帯情報端末(PDA)等の電子機器に幅広く利用されている。中でも、携帯電話、ゲーム機器、車載部品を主体とした中小型の電子機器においては、小型化・薄型化が進んでおり、これに伴って表示装置を構成する表示パネルの厚みは薄くなる傾向にある。
表示パネルは、一対の基板間に液晶層が挟持された構成を有する。表示パネルの厚みを薄くするためには、基板の厚みを薄くすることがまず考えられるが、基板の厚みが薄くなると、表示パネルは、外部からの荷重押圧に対する強度が低くなる。そこで、表示パネルのセル厚を制御するために用いられる柱状スペーサに加えて、荷重押圧に対する強度を付与するための柱状スペーサ(以下、サブ柱状スペーサと称す。)を設けた構成が提案されている(例えば、特許文献1〜3参照。)。
柱状スペーサは、対向基板と接する厚みに形成されるが、サブ柱状スペーサは、対向基板と接触しないように柱状スペーサの厚みよりもやや薄く形成されるのが一般的である。例えば、特許文献1には、外部から荷重押圧が加わると柱状スペーサが収縮して基板間隙が狭くなり、これによりサブ柱状スペーサと対向基板とが接触して荷重を緩和する構成が開示されている。
特開2003−84289号公報 特開2007−171715号公報 特開2006−201357号公報
しかしながら、高さの異なる柱状スペーサとサブ柱状スペーサとを形成するためには、少なくとも2枚の層が必要となり、製造工程が煩雑になるだけでなく、製造コストも高くなる。
そこで、特許文献2、3には、一方の基板に柱状スペーサ及びサブ柱状スペーサを同じ高さで形成し、対向基板に形成された絶縁膜においてサブ柱状スペーサと対向する領域を除去した構成が開示されている。
このような構成によれば製造工程及び製造コストの削減が図れるが、近年、表示パネルの薄型化が更に進んでおり、ますます基板の厚みが薄くなっていることから、上記構成だけでは押圧荷重に対する耐性(以下、押圧荷重耐性と称す。)は充分とはいえず、押圧荷重耐性の更なる向上が望まれている。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、薄型化が進んだ液晶表示装置であっても、押圧荷重耐性の良い液晶表示装置を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、押圧荷重耐性の良い液晶表示装置について種々検討したところ、押圧荷重耐性を付与するための柱状スペーサと対向基板との接触形態に着目した。そして、外部から押圧荷重が加わったときに、柱状スペーサの対向基板との対向面(以下、柱状スペーサの先端面とも称す。)の全面に対向基板が接触していると、押圧荷重時の衝撃が強く、充分な押圧荷重耐性が得られないことを見いだすとともに、柱状スペーサと対向する領域内の絶縁膜に複数の突起を形成して、押圧荷重時には、柱状スペーサの先端面に突起が接触する部分的な接触とすることで、押圧荷重が分散されるとともに押圧荷重時の衝撃が緩和されて、薄型化が進んだ液晶表示装置であっても、押圧荷重耐性の良い液晶表示装置が得られることを見いだし、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。
すなわち、本発明は、第1の基板、液晶層、及び、第2の基板をこの順に備えた液晶表示装置であって、上記第1の基板は、液晶層側の主面上に絶縁膜を有し、上記第2の基板は、液晶層の側に突出するとともに高さの等しい第1及び第2の柱状スペーサを有し、上記絶縁膜は、上記第2の柱状スペーサの1つと対向する領域内に複数の突起を有し、上記第1の柱状スペーサは、上記絶縁膜と接触し、上記第1の基板及び/又は上記第2の基板への荷重押圧時において、上記第2の柱状スペーサの1つが上記突起と接触する面積は、上記領域の面積よりも小さい液晶表示装置である。
本発明の液晶表示装置は、液晶層に印加する電圧を変化させることにより、液晶層のリタデーションを変化させることで表示を行うことができる。
上記第1及び第2の柱状スペーサは、特に限定されるものではないが、セルギャップを維持する効果と荷重押圧の緩衝効果、更に、製造の容易さを考慮すると樹脂構造物であることが好ましい。このような樹脂構造物は、例えば、感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィ法等の露光法により形成することができる。
本発明において第1及び第2の柱状スペーサは、同じ高さに形成されるが、厳密に同じ高さである必要はなく、実質的に同じ高さであればよい。また、第1及び第2の柱状スペーサの形状は、柱状であれば良く、柱状とは、円柱、角柱、円錘、角錐等の形状を含むものである。
上記第1の柱状スペーサは、上記第1の基板における液晶層側の主面上に形成された絶縁膜と接触することで、第1の基板と第2の基板との間のセルギャップを維持する。なお、ここでの接触とは、上記第1の柱状スペーサの先端面の全面が絶縁膜と接するものだけでなく、上記先端面と絶縁膜とが部分的に接するものも含む。すなわち、第1の柱状スペーサと対向する領域の絶縁膜は、平坦な表面形状を有するものだけでなく、凹凸が形成された表面形状であってもよく、第1の柱状スペーサと絶縁膜とは、セルギャップを維持できる程度に接触するものであれば、その接触形態は特に限定されるものではない。
上記絶縁膜は、上記第1の柱状スペーサと接触するだけでなく、第2の柱状スペーサとも接触する。ここで、本発明においては、上記絶縁膜の第2の柱状スペーサの1つと対向する領域(以下、対向領域とも称す。)に、外部からの押圧荷重を緩和するための複数の突起が形成されている。なお、本発明において対向領域とは、第2の柱状スペーサの先端面と対向する領域である。
上記突起の形状は特に限定されるものではなく、円柱、角柱、円錘、角錐等、各種の形状が考えられるが、荷重押圧の緩和を考慮すると、第1の基板側にある基端部から先端に向かって先細りの形状となっている円錘又は角錐形状が好ましい。また、複数の突起を同時に形成する観点からは、その高さは全て同じであることが好ましい。
上記各対向領域に形成される突起の数は特に限定されるものではないが、1つの対向領域には2〜7個の突起が形成されることが好ましく、2〜3個の突起が形成されることがより好ましい。
上記第2の柱状スペーサは、上記第1の基板及び/又は上記第2の基板への荷重押圧時に、対向領域に形成された複数の突起と接触する。ここで、本発明において荷重押圧とは、液晶表示装置が破壊されない程度の荷重押圧、特に、第1及び第2の基板に破損が生じない程度の荷重押圧をいう。この荷重押圧は、第1及び第2の基板の厚みや材料等によって適宜設定されるものであるが、例えば、第1及び第2の基板がガラス基板であって、その厚みがいずれも0.2mmである場合には、荷重押圧とは、10〜50N程度の荷重押圧をいう。
本発明においては、荷重押圧時に上記第2の柱状スペーサの1つが複数の突起と接触する面積の合計は、上記対向領域の面積よりも小さくなる。これは、対向領域は、第2の柱状スペーサの先端面と同じ面積であるが、第2の柱状スペーサと複数の突起とは、部分的に接触しているためである。これにより、本発明に係る液晶表示装置は、押圧荷重が分散されるとともに押圧荷重時の衝撃が緩和され、基板の厚みの薄い、薄型化が進んだ液晶表示装置であっても、押圧荷重耐性の向上が図れる。
上記第2の柱状スペーサの1つが複数の突起と接触する面積の合計は、第2の柱状スペーサの先端面の面積の20〜60%程度であることが好ましい。上記面積の合計が第2の柱状スペーサの先端面の面積の20%未満であると、押圧荷重の分散効果が小さくなり、60%を超えると押圧荷重時の衝撃を緩和する効果が低下する。したがって、押圧荷重の分散効果と衝撃の緩和効果を考慮すると、第2の柱状スペーサの1つが複数の突起と接触する面積の合計は、第2の柱状スペーサの先端面の面積の20〜30%程度であることがより好ましい。
また、本発明においては、上記荷重押圧時に、上記第1の柱状スペーサの1つが上記絶縁膜と接触する面積は、上記第2の柱状スペーサの1つが上記突起と接触する面積よりも大きいことが好ましい。このような構成であると、第1の柱状スペーサと絶縁膜とは、セルギャップを維持できるようにしっかりと接触することができる。
複数の上記突起は、通常時に上記第2の柱状スペーサと接触するものであってもよい。通常時とは、上記第1の基板及び/又は上記第2の基板へ荷重押圧が加わっていない状態である。このような構成であると、第1の柱状スペーサに加えて第2の柱状スペーサによってもセルギャップを維持できるとともに、荷重押圧時には、第2の柱状スペーサと複数の突起とがより強く接触するようになる。このような接触であっても、上記と同様に荷重押圧の緩和を図ることができる。
また、複数の上記突起は、通常時には、上記第2の柱状スペーサと接触せず、上記荷重押圧時に、上記第2の柱状スペーサと接触するものであってもよい。このような構成であると、第2の柱状スペーサと複数の突起との間に形成された空間によって、押圧荷重耐性に対するマージンが得られる。また、外部から押圧荷重が加わって基板間隔が狭くなると、第2の柱状スペーサと複数の突起とが接触して、上記と同様に荷重押圧の緩和を図ることができる。
上記第1の柱状スペーサと上記第2の柱状スペーサとは、同一層上に形成された樹脂構造物であることが好ましい。このような形態であると、上述のように第1及び第2の柱状スペーサは、高さが同じであるため、フォトリソグラフィ法等の露光法によって同時に形成することができ、これにより製造工程及び製造コストの削減が図れる。
本発明の液晶表示装置において好ましい形態としては、上記第1の基板は、薄膜トランジスタアレイ基板であって、上記基板に形成された絶縁膜は層間絶縁膜であり、上記第2の基板は、カラーフィルタ基板であるものが挙げられる。このような形態であると、層間絶縁膜を所望の形状に露光処理する際に、同時に複数の突起を形成できる。露光方法は特に限定されるものではないが、フォトマスクに所定のスリットパターンを与えることによりレジストパターン膜の膜厚を局所的に薄くする手法である、ハーフトーン露光法や、グレイトーン露光法や、TWIN露光法(2重露光法)を適用することで容易に形成できる。
なお、本発明に係る液晶表示装置において、上記複数の突起の存在は、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope;走査型電子顕微鏡)等を用いて確認できる。
本発明の液晶表示装置によれば、薄型化が進んだ液晶表示装置であっても、押圧荷重耐性の良い液晶表示装置が実現できる。
本発明の実施形態1に係る液晶表示装置の構成を示す断面模式図であり、(a)は第1の柱状スペーサが形成された領域を、(b)は第2の柱状スペーサが形成された領域をそれぞれ示す。 本発明の実施形態2に係る液晶表示装置において、第2の柱状スペーサが形成された領域の構成を示す断面模式図である。 本発明の比較実施形態1に係る液晶表示装置の構成を示す断面模式図であり、(a)は第1の柱状スペーサが形成された領域を、(b)は第2の柱状スペーサが形成された領域をそれぞれ示す。
以下に実施形態を掲げ、本発明を図面を参照して更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
実施形態1
以下に、本発明の実施形態1に係る液晶表示装置の構成を図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す断面模式図であり、(a)は第1の柱状スペーサが形成された領域を、(b)は第2の柱状スペーサが形成された領域をそれぞれ示す。
図1において、液晶表示装置100は、第1の基板としてのTFTアレイ基板10、液晶層20、及び、第2の基板としてのCF基板30をこの順に備え、反射表示を行う反射表示領域Rと透過表示を行う透過表示領域Tと有する半透過型の液晶表示装置100である。
半透過型の液晶表示装置100において反射表示領域Rと透過表示領域Tとは、表示特性上、各領域を透過する光の光路長を揃えることが望ましい。そこで、本実施形態に係る液晶表示装置100は、TFTアレイ基板10に形成された絶縁膜に構造物を設けること等によって、反射表示領域Rにおける液晶層20の厚みを透過表示領域Tにおける液晶層20の厚みの略1/2としたTFTマルチギャップ構造としている。
ここで、略1/2とは、厳密に1/2であることが好ましいが、液晶層20を通過する光の光路長を、反射表示領域Rと透過表示領域Tとにおいて表示品位に実質的な影響を与えない程度に等しくするものであればよい。具体的には、反射表示領域Rの液晶層20の厚みは、透過表示領域Tの液晶層20の厚みの30〜70%であることが好ましい。
透過表示領域TにおけるTFTアレイ基板10は、ガラス基板11の主面上に、ゲート絶縁膜14と配向膜51とをこの順に備える。反射表示領域RにおけるTFTアレイ基板10は、ガラス基板11の主面上に、ゲート電極12及びCs配線13が形成されており、これらを覆うようにゲート絶縁膜14が形成され、更に、ソース・ドレイン電極15、第1の層間絶縁膜16a、第2の層間絶縁膜16b、透明電極(ITO)18、反射電極(反射膜)19、及び、配向膜51がこの順に形成されている。
CF基板30は、ガラス基板31の主面上に、CF層32、ブラックマトリクス33、絶縁膜である透明電極34、及び、配向膜52をこの順に備える。CF層32は、透過表示領域Tでは赤(R)、緑(G)、青(B)の各色からなり、反射表示領域RではRGBの各色に加えて白色(W)からなる。ブラックマトリクス33は、遮光部材からなり、反射表示領域Rと透過表示領域Tとを区画する。
透過表示領域Tにおける透明電極34には、液晶の配向状態を規制するリベット55が形成されている。反射表示領域Rにおける透明電極34には、図1(a)に示すように、第1の柱状スペーサとしての柱状スペーサ60が形成されている領域と、図1(b)に示すように、第2の柱状スペーサとしてのサブ柱状スペーサ70が形成されている領域とがある。リベット55、柱状スペーサ60、及び、サブ柱状スペーサ70は、いずれも感光性のアクリル樹脂を用いて、フォトリソグラフィ法により形成されたものである。
図1(a)において、表示装置100は、第2の層間絶縁膜16bによってマルチギャップ構造が形成される。第2の層間絶縁膜16bは、配向膜51等を介して柱状スペーサ60と接触する。これにより、TFTアレイ基板10とCF基板30との間隔、すなわちセル厚を所望の厚みに維持できる。
図1(b)において、第2の層間絶縁膜16bには、突起部17の間に深さd1が1.0μmである凹部150が形成されている。凹部150のサブ柱状スペーサ70の1つと対向する領域には、高さh1が0.5μmである2個の突起170が形成されている。これらの突起170とサブ柱状スペーサ70とは、外部からの押圧荷重がない通常時には接触しない。
そして外部から荷重押圧が加わったときにはセル厚が小さくなり、サブ柱状スペーサ70と複数の突起170とが接触する。このとき、サブ柱状スペーサ70の全面に突起170が接触するのではなく、突起170の先端部分が接触する点接触となるため、荷重押圧を緩和しやすくなり、薄型化が進んだ液晶表示装置100であっても充分な押圧荷重耐性が得られる。
上記のように構成された液晶表示装置100は、例えば、以下のようにして製造される。まず、TFTアレイ基板10について説明する。基材となるガラス基板11には、最終的に厚み0.2mmとなる基板を用いた。この基板の主面上に、ゲート電極12、Cs配線13等の配線やTFT(図示せず)を所望の形状に形成した。これらの配線等を覆うようにゲート絶縁膜14を形成し、ゲート絶縁膜14上に、所望の形状のソース・ドレイン電極15を形成した。そして、ソース・ドレイン電極15を覆うようにゲート絶縁膜14上に、第1の層間絶縁膜16aを形成した。
次いで、第1の層間絶縁膜16a上に、基板の全面を覆うように感光性樹脂を塗布してハーフトーン露光処理を施した。露光処理には、スリットの幅を調整することで突起部17、凹部150、及び、突起170が同時に形成されるように構成されたマスクを用いて、1000msecの露光条件で処理した。これにより、基板の一部には、第2の層間絶縁膜16bが形成されるとともに、突起部17、凹部150、及び、突起170が形成された。得られた凹部150の深さd1は1.0μmであり、突起170の高さh1は0.5μmであった。また、突起170は、1個のサブ柱状スペーサ70当たりに2個が対応するように形成した。
次いで、突起部17、凹部150、及び、突起170が形成された第2の層間絶縁膜16b上に、透明電極(ITO)18と、インジウム亜鉛酸化物(IZO)/アルミニウム/モリブデンの積層体からなる反射電極19とを形成し、それぞれ所望の形状にパターン形成した。更に、基板の全面を覆うようにポリイミド樹脂を塗布して基板の全面に配向膜51を形成した。
一方、CF基板30は、ガラス基板31として最終的に厚み0.2mmとなる基板を用いた。このガラス基板31の主面上に膜厚1.5μmのCF層32を形成した。CF層32は、透過表示領域TにはR(赤)G(緑)B(青)からなるCF層32を形成し、反射表示領域RにはW(白色)からなるCF層32を形成した。透過表示領域Tと反射表示領域Rとの間には、ブラックマトリクス33を形成し、得られたCF層32を覆うように膜厚1600Åの透明電極34を形成した。
そして、透過表示領域Tにはリベット55を、反射表示領域Rには柱状スペーサ60とサブ柱状スペーサ70とを感光性樹脂である透明樹脂を用いて、フォトリソグラフィ法により同時に形成した。更に、基板全面を覆うようにポリイミド樹脂を塗布して配向膜52を形成した。
上記のように作製されたTFTアレイ基板10とCF基板30とを、配向膜51、52が向かい合うようにしてシール剤(図示せず)にて貼り合わせ、両基板間に液晶を注入して液晶層20を形成した。液晶層20は、反射表示領域Rにおける厚みが2.3μmであり、透過表示領域Tにおける厚みが4.6μmとなり、反射表示領域Rにおける厚みが透過表示領域Tにおける厚みの略1/2となっていた。
上記のように作製された液晶表示装置100に対して、CF基板30の側から荷重50Nの押圧荷重を加えたところ、ガラス基板11、31の厚みが0.2mmと超薄型の液晶表示装置100であったが、破損したり、表示不良等劣化を生じることがなく、耐押圧荷重性に優れたものであった。
実施形態2
以下に、本発明の実施形態2に係る液晶表示装置の構成を図2を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る液晶表示装置における第2の柱状スペーサが形成された領域の構成を示す断面模式図である。なお、図1に示す液晶表示装置100と同一の構成を有するものについては同一の符号を付け、説明を省略する。
図2に示す液晶表示装置110は、通常時において、サブ柱状スペーサ70と複数の突起180とが接するように形成されている。すなわち、凹部150の深さd1は図1に示す液晶表示装置100と同じであるが、突起180の高さh2は、液晶表示装置100の突起170の高さh1よりも高く1.0μmとなっている。
このような構成によると、荷重押圧時には、サブ柱状スペーサ70と複数の突起180とがより強く接触することになるため、上記実施形態1と同様に荷重押圧を緩衝でき、耐押圧荷重性に優れた液晶表示装置150が実現できる。
比較実施形態1
以下に、比較実施形態1に係る液晶表示装置ついて、図3を用いて説明する。なお、図1に示す液晶表示装置100と同一の構成を有するものについては同一の符号を付け、説明を省略する。
図3は、TFTマルチギャップ構造を有する液晶表示装置200の構成を示す断面模式図であり、(a)は、柱状スペーサ260が形成された領域を、(b)は、サブ柱状スペーサ270が形成された領域をそれぞれ示す。
液晶表示装置200において、図3(a)に示す領域では、TFTアレイ基板210及びCF基板230の構成は、図1(a)に示すTFTアレイ基板10及びCF基板30の構成と同じである。しかし、図3(b)に示す領域においては、サブ柱状スペーサ270と対向する領域のTFTアレイ基板210には、凹部250が形成されているのみである。
上記のように構成された液晶表示装置200は、外部からの押圧荷重が加わって基板間隔が狭くなると、サブ柱状スペーサ270の先端面の全面が凹部250の底部と接触する。したがって、サブ柱状スペーサ270と凹部250との接触面積が大きく、上記各実施形態のように薄型化が進んだ液晶表示装置である場合には、上記実施形態よりも荷重押圧耐性に劣るものとなる。
なお、上記実施形態では、半透過型の液晶表示装置を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、透過型や反射型の液晶表示装置にも同様に適用できる。
また、上記実施形態では、第1、第2の層間絶縁膜からなる層間絶縁膜の第2の層間絶縁膜に凹部と複数の突起とを形成した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、層間絶縁膜は第1の層間絶縁膜のみ又は3層以上で構成されていてもよく、また、層間絶縁膜には凹部は形成されずに複数の突起のみが形成されていてもよい。
10、210 TFTアレイ基板
11、31 ガラス基板
12 ゲート電極
13 Cs配線
14 ゲート絶縁膜
15 ソース・ドレイン電極
16a 第1の層間絶縁膜
16b 第2の層間絶縁膜
17 突起部
18、34 透明電極
19 反射電極
20 液晶層
30、230 CF基板
32 CF層
33 ブラックマトリクス
34 透明電極
51、52 配向膜
55 リベット
60、260 柱状スペーサ
70、270 サブ柱状スペーサ
100、110、200 液晶表示装置
150、250 凹部
170、180 突起
d1、d2 凹部の深さ
h1、h2 突起の高さ
R 反射表示領域
T 透過表示領域

Claims (6)

  1. 第1の基板、液晶層、及び、第2の基板をこの順に備えた液晶表示装置であって、
    該第1の基板は、液晶層側の主面上に絶縁膜を有し、
    該第2の基板は、液晶層側に突出するとともに高さの等しい第1及び第2の柱状スペーサを有し、
    該絶縁膜は、該第2の柱状スペーサの1つと対向する領域内に複数の突起を有し、
    該第1の柱状スペーサは、該絶縁膜と接触し、
    該第1の基板及び/又は該第2の基板への荷重押圧時において、該第2の柱状スペーサの1つが該突起と接触する面積は、該領域の面積よりも小さいことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 複数の前記突起は、
    通常時には、前記第2の柱状スペーサと接触せず、
    前記荷重押圧時に、前記第2の柱状スペーサと接触することを特徴とする請求項1記載の液晶表示装置。
  3. 複数の前記突起は、通常時に前記第2の柱状スペーサと接触することを特徴とする請求項1記載の液晶表示装置。
  4. 前記荷重押圧時に、前記第1の柱状スペーサの1つが前記絶縁膜と接触する面積は、前記第2の柱状スペーサの1つが前記突起と接触する面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液晶表示装置。
  5. 前記第1の柱状スペーサと前記第2の柱状スペーサとは、同一層上に形成された樹脂構造物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の液晶表示装置。
  6. 前記第1の基板は、薄膜トランジスタアレイ基板であって、該基板に形成された絶縁膜は層間絶縁膜であり、
    前記第2の基板は、カラーフィルタ基板であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液晶表示装置。
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