JP2016014776A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】液晶表示装置に外部からの力が加わって、外部からの力が解除された場合のTFT基板と対向基板の残留ずれを小さくすることができる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】TFT基板には、平面で見て、走査線方向に長軸を有する異形8角形であり、断面の中央部が平坦であり、両脇に傾斜部を有する第1のスペーサ10が形成され、対向基板20には、走査線と直角方向に長軸を有する異形8角形であり、断面の中央部が平坦であり、両脇に傾斜部を有する第2のスペーサ20が形成され、該TFT基板と該対向基板の間隔は第1のスペーサ10と第2のスペーサ20によって規定されていることを特徴とする液晶表示装置。
【選択図】図4

Description

本発明は,液晶表示装置に係り,特に基板間のギャップの変動、基板間の主面方向のずれを対策するとともに、スペーサによる配向膜の削れを対策した液晶表示装置に関する。
液晶表示装置では画素電極および薄膜トランジスタ(TFT)等がマトリクス状に形成されたTFT基板と、TFT基板に対向して、対向基板が配置され、TFT基板と対向基板の間に液晶が挟持されている。そして液晶分子による光の透過率を画素毎に制御することによって画像を形成している。TFT基板と対向基板において、液晶と接する面には、液晶を初期配向させるための配向膜が形成されている。
TFT基板と対向基板との距離(以後、ギャップともいう)、すなわち、液晶の層厚の変動を抑えるために、対向基板に柱状スペーサを形成する方法が用いられている。一方、液晶表示装置が完成したあと、動作中に対向基板に外圧が加わると、TFT基板と対向基板が基板主面方向に互いにずれるという現象が生ずる(以後単にTFT基板と対向基板のずれとも言う)。対向基板にのみ柱状スペーサを形成してギャップを制御すると、柱状スペーサの先端がTFT基板に形成された配向膜を削るという問題を生ずる。
そこで、基板間のギャップの制御のために、対向基板に柱状スペーサを形成し、TFT基板側に柱状スペーサの受け台座(以後台座という)を形成する構成が開発されている。台座の上には、配向膜が薄くしか形成されないので、柱状スペーサによる配向膜削れの影響が小さい。この場合の柱状スペーサは、平面が円形あるいは四角形で、断面が台形であるスペーサが使用され、台座の平面形状も柱状スペーサの平面形状に対応したような形状である。
しかし、TFT基板と対向基板のズレが大きいと柱状スペーサが台座から下落し、表示領域の配向膜を削ったり、液晶表示装置への外力が無くなっても柱状スペーサが台座につかえて、台座の元の位置へ戻らなくなり、TFT基板と対向基板のずれが恒久化する問題が生ずる。
特許文献1には、このような、柱状スペーサが台座から下落する現象を抑えるために、対向基板側とTFT基板側に、平面が長方形で、長軸が互いに90度のスペーサを配置する構成が記載されている。
特開2013−186148号公報
液晶表示装置に外力が加わって、TFT基板と対向基板とがずれて、その結果、柱状スペーサの位置が当初の位置からずれる。しかし、外力が取り去られると上下の基板は、ずれを解消しようとする復元力が働く。つまり、基板とともにずれた柱状スペーサには元の位置に戻ろうとする復元力が働く。
しかし、一旦ずれた柱状スペーサがもとに戻ろうとすると、柱状スペーサの対向面との摩擦のために、元に戻らず、ある程度のずれが残ってしまう。以後これを残留ずれという。この残留ずれが大きいと隣接する画素同士で混色を生ずる。TFT基板の特定の画素は、対向基板の特定の色のカラーフィルタと対応しているが、TFT基板と対向基板がずれると、TFT基板の特定の画素を通過する光が、本来対応するカラーフィルタのみでなく、一部が隣接するカラーフィルタを通過することによって、色純度を劣化させる現象が生ずる。
残留ずれが大きいと、液晶表示装置に対する外力が取り去られても、混色が残ることになる。本発明の課題は、この残留ずれを小さくし、混色を防止することである。
本発明は上記課題を克服するものであり、代表的な手段は次のとおりである。
(1)走査線と映像信号線とで囲まれた領域に画素が形成されたTFT基板と対向基板との間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、前記TFT基板には、平面で見て、長軸を有し、前記長軸方向に幅が一定である中央部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第1の傾斜部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第2の傾斜部と、断面で見て、高さが一定である中央部と前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって高さが小さくなる第1の傾斜部と前記中央部から高さが小さくなる第2の傾斜部を有する第1のスペーサが形成され、前記対向基板には、平面で見て、長軸を有し、前記長軸方向に幅が一定である中央部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第3の傾斜部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第4の傾斜部と、断面で見て、高さが一定である中央部と前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって高さが小さくなる第3の傾斜部と前記中央部から高さが小さくなる第4の傾斜部を有する第2のスペーサが形成され、前記第1のスペーサの前記長軸と前記第2のスペーサの前記長軸とは90度の角度をなしており、前記第1のスペーサと前記第2のスペーサによって、前記TFT基板と前記対向基板の間隔が規定されていることを特徴とする液晶表示装置。
(2)前記TFT基板と前記対向基板とが位置ずれしていない場合には、前記第1のスペーサの前記中央部と前記第2のスペーサの前記中央部とが対向していることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(3)前記第1のスペーサは前記走査線と前記映像信号線の交差部に形成され、前記第1のスペーサの長軸は前記走査線の延在方向であることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(4)前記第1のスペーサの前記中央部の高さと前記第2のスペーサの前記中央部の高さは同じであることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(5)前記第2のスペーサの前記中央部の高さは前記第1のスペーサの前記中央部の高さよりも大きいことを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(6)前記第1のスペーサを平面でみた場合、前記中央部の幅をd1とし、前記長軸方向の前記第1の傾斜部および前記第2の傾斜部の前記端部の幅をd2とした場合、d1/3≦d2<d1であり、前記第2のスペーサを平面でみた場合、前記中央部の幅をd3とし、前記長軸方向の前記第3の傾斜部および前記第4の傾斜部の前記端部の幅をd4とした場合、d3/3≦d4<d3であることを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
(7)前記d1と前記d3は等しく、前記d2と前記d4は等しいことを特徴とする(6)に記載の液晶表示装置。
(8)前記第1のスペーサを断面でみた場合、前記中央部の高さをh1とし、前記長軸方向の前記第1の傾斜部および前記第2の傾斜部の前記端部の高さをh2とした場合、h1/3≦h2<h1であり、前記第2のスペーサを断面でみた場合、前記中央部の幅をh3とし、前記長軸方向の前記第3の傾斜部および前記第4の傾斜部の前記端部の幅をh4とした場合、h3/3≦h4<h3であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
(9)前記h1と前記h3は等しく、前記h2と前記h4は等しいことを特徴とする(8)に記載の液晶表示装置。
本発明における、TFT基板の平面図である。 本発明における、対向基板の平面図である。 本発明の液晶表示装置の断面図である。 本発明の液晶表示装置における上スペーサと下スペーサが重なった状態を示す平面図である。 本発明の液晶表示装置における上スペーサと下スペーサが重なった状態を示す側面図である。 本発明において、TFT基板に対して対向基板がずれた場合の上スペーサと下スペーサの関係を示す平面図である。 本発明において、TFT基板に対して対向基板がずれた場合の上スペーサと下スペーサの関係を示す側面図である。 従来例の液晶表示装置における上スペーサと下スペーサが重なった状態を示す平面図である。 従来例の液晶表示装置における上スペーサと下スペーサが重なった状態を示す側面図である。 従来例において、TFT基板に対して対向基板がずれた場合の上スペーサと下スペーサの関係を示す平面図である。 従来例において、TFT基板に対して対向基板がずれた場合の上スペーサと下スペーサの関係を示す側面図である。 従来例における復元力とスペーサ間の摩擦力の関係を示すグラフである。 本発明における復元力とスペーサ間の摩擦力の関係を示すグラフである。 本発明のスペーサの寸法例を示す平面図および側面図である。
以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図1は本発明による液晶表示装置におけるTFT基板100側の平面図である。図1において、横方向に走査線30が延在し、所定のピッチで縦方向に配列している。また、縦方向に映像信号線40が延在し、横方向に配列している。走査線30と映像信号線40に囲まれた領域に画素が形成されている。本実施例における液晶表示装置はいわゆるIPS方式の液晶表示装置である。本発明をIPS方式の液晶表示装置を例にとって説明するが、本発明は、IPSに限らず、TN方式あるいは、VA方式等の他の方式の液晶表示装置につても適用することができる。
図1において、画素の左下には、TFTが形成されている。TFTは、走査線30から分岐したゲート電極101の上にゲート絶縁膜102を介して半導体層103が形成されている。半導体層103の上には、チャネル部を挟んで、映像信号線40から分岐したドレイン電極108、および、ソース電極109が対向して配置している。映像信号線40、ドレイン電極108、ソース電極109の上には、無機パッシベーション膜104が形成されている。無機パッシベーション膜104の上には、平面べたで、各画素共通にコモン電極105が形成されている。コモン電極105の上には層間絶縁膜106が形成され、その上に、スリット1071を有する画素電極107が形成されている。
画素電極107は無機パッシベーション膜104および層間絶縁膜106に形成されたスルーホール111を介してソース電極109と接続しており、TFTを介して映像信号を受ける。画素電極107に電圧が印加されると、下方のコモン電極105との間に液晶層300を介し、画素電極107のスリット1071を通してコモン電極105に向かう電気力線が発生する。液晶層300の液晶分子はこの電気力線によって回転し、液晶層300を通過するバックライトからの光の量を制御する。
走査線30と映像信号線40の交差部分にスペーサが形成されている。以後このスペーサを下スペーサ10という。下スペーサ10の平面は横方向に長い異形8角形となっている。下スペーサは図3に示すように、中央の平坦部と両脇の傾斜部を有している。
図2は対向基板200を液晶層300側から見た平面図である。TFT基板100の走査線30および映像信号線40に対応した部分にブラックマトリクス202が形成されている。ブラックマトリクスに囲まれた領域にカラーフィルタ201が形成されている。図1の下スペーサ10に対応した部分に上スペーサ20が形成されている。上スペーサ20の平面図は下スペーサ10と同じ長軸を有する異形8角形であるが、長軸が縦方向である。
上スペーサ20も中央の平坦部と両脇の傾斜部を有している。対向基板200とTFT基板100を組み合わせると上スペーサ20と下スペーサ10の平坦部が接触し、TFT基板100と対向基板200の間隔を規定することになる。
図3はTFT基板100と対向基板200を組み合わせ、液晶を注入した状態を示す、図1のA−Aに相当する断面図である。図3において、TFT基板100に走査線30が延在し、その上にゲート絶縁膜102が存在している。走査線30と交差して紙面垂直方向に映像信号線40が延在している。映像信号線40を覆ってSiN等で形成されたパッシベーション膜104が存在し、パッシベーション膜104の上を平面ベタでコモン電極105が形成されている。
コモン電極105の上にSiN等で形成された層間絶縁膜106が形成されており、その上に下スペーサ10が形成されている。図3は走査線30上であるので、画素電極107は存在していない。層間絶縁膜106を覆って配向膜110が形成されている。配向膜110は下スペーサ10の上にも形成されるが、レベリングによって下スペーサ10の上は非常に薄くなっているので、図3では、下スペーサ10の上の配向膜は省略している。
図3において、液晶層300をはさんで対向基板200が配置している。対向基板200には、カラーフィルタ201とブラックマトリクス202が形成されている。ブラックマトリクス202は走査線30を覆う形で形成されるので、A−A断面ではカラーフィルタは存在していない。ブラックマトリクス201を覆ってオーバーコート膜203が形成されている。オーバーコート膜203の上には上スペーサ20が形成されている。図2に示すように、上スペーサ20のA−A断面は方形である。オーバーコート膜203を覆って配向膜110が形成されている。配向膜110は上スペーサ20にも形成されるが、レベリングによって、上スペーサ20の上の配向膜110は薄くなっているので、図2では省略している。図3に示すように、TFT基板100と対向基板200の間隔は上スペーサ20と下スペーサ10によって規定されている。
図4は、上スペーサ20と下スペーサ10が重なった状態を、上スペーサ側から見た平面図である。図4において、カラーフィルタ201およびブラックマトリクス202は上スペーサ20、下スペーサ10が存在している位置を示すために描かれている。上スペーサ20と下スペーサ10はブラックマトリクス201が形成されている部分に形成されている。
上スペーサ20と下スペーサ10の長軸は互いに90度の角度をなしており、図において、斜線を引いてある部分が上スペーサ20と下スペーサ10が接触し、TFT基板100と対向電極200の間隔を規定している部分である。図5は図4に示すスペーサをB方向から見た側面図である。図4も図5もTFT基板100と対向基板200のずれが無い場合の状態である。
図6は対向基板200がTFT基板100に対して右方向にdvだけずれた場合の上スペーサ20と下スペーサ10の位置関係を示す平面図である。図6において、上スペーサ20は下スペーサ10の傾斜部にまで、ずれている状態である。下スペーサ10の傾斜部は右方向に向かって幅が小さくなっているので、この部分では、平坦部に比較して上スペーサ20と下スペーサ10の接触する幅が小さくなっている。
図7は図6をB方向から見た側面図である。図7において、上スペーサ20は下スペーサ10の傾斜部と接触している。傾斜部においては、上スペーサ20の全面ではなく、上スペーサ20の平坦部の一部が下スペーサ10の傾斜部と接触している。したがって、上スペーサ20と下スペーサ10がずれた状態では、図6のハッチングで示した部分のみが上スペーサ20と下スペーサ10が接触している部分である。
図8は、従来例における上スペーサ20と下スペーサ10が重なって、TFT基板100と対向基板200の間隔を規定している状態を示す平面図である。図8はTFT基板100と対向基板200の位置ずれがない状態である。図8において、上スペーサ20と下スペーサ10が接触している部分をハッチングで示している。
図9は図8をB方向から見た側面図である。図9において、上スペーサ20と下スペーサ10は各々、断面が台形をなしている。しかし、図9の台形は、本発明を示す下スペーサ10あるいは上スペーサ20とは異なり、台形の斜線の勾配は急である。すなわち、従来例は、台形の斜面を使用しようとする思想は無い。つまり、上スペーサ20が下スペーサ20の台形の断面の上底よりずれると上スペーサ20は下スペーサ10から落下する。したがって、従来例では、台形の斜面は、可能であればできるだけ急であるのがよく、斜面が90となって、スペーサの断面が矩形となるのが、スペースファクタに最もよい。
図10は従来例において、対向基板200がTFT基板100に対して右方向にdvだけずれた場合の上スペーサ20と下スペーサ10の状態を示す平面図である。図10において、上スペーサ20と下スペーサ10の接触部はハッチングで示している。図11は図10をB方向から見た側面図である。図10および図11に示すように、従来例では、対向基板200がTFT基板100に対してずれた場合も、上スペーサ20と下スペーサ10の接触面積は同じである。
液晶表示装置に対して対向基板200に外部から指等によって機械的圧力が加わると対向基板200がTFT基板100に対してずれるが、同時に上スペーサ20が下スペーサ10に対してずれる。外力が解除されるとTFT基板100と対向基板200は元のずれていない状態にもどろうとする。これをこの明細書では復元力と呼ぶ。しかし、上スペーサ20と下スペーサ10が接触していることによって、スペーサ同士の摩擦力が、この復元力に対する抵抗となる。
結局、対向基板200に対する外力が取り去られても、TFT基板と対向基板のずれは完全にはゼロにならず、復元力とスペーサ同士の摩擦力(以後単に摩擦力という)のバランスしたずれ量に落ち着く。このずれ量が混色を起こさない程度であれば問題はない。
摩擦力は、スペーサの接触面積が大きくなると増大すると考えられる。図12は従来例におけるTFT基板100と対向基板200がずれたことに対する復元力とスペーサ間の摩擦力の関係を示すグラフである。図12において、横軸はTFT基板100と対向基板200のずれ量であり、縦軸は復元力あるいは摩擦力である。
図12に示すように、復元力はTFT基板100と対向基板200のずれ量に比例する。これを図12の実線Aで示す。一方、スペーサ間の摩擦力は図12の点線Bで示すように一定である。すなわち、従来例では、図8および図10に示すように、上スペーサ20と下スペーサ10がずれても上スペーサ20と下スペーサ10の接触面積は一定なので、摩擦力は一定であると考えることができる。
TFT基板100と対向基板200のずれ量は、結局、復元力と摩擦力のバランスしたずれ量ΔXmaxになる。つまり、図12において、ΔXmaxは実線Aと点線Bの交差点の位置が残留ずれ量である。
図13は、本発明における復元力と摩擦力の関係を示すグラフである。図13の横軸はTFT基板100と対向基板200のずれ量、縦軸は復元力または摩擦力である。図13において、実線Aは復元力を示す。復元力は、従来例と同様、TFT基板100と対向基板200のずれ量に比例する。
一方、点線で示す摩擦力は、ずれ量がある値までは一定で、ある量を超えるとずれ量が大きくなるにしたがって小さくなる。これは、図6および図7に示すように上スペーサ20が下スペーサ10の平たん部を過ぎてずれると、ずれ量の増大とともに、接触面積が小さくなるので、摩擦力も小さくなるからである。
図13において、復元力と摩擦力がバランスする位置がΔXmaxである。すなわち、図13における直線Aと点線Bとの交点がΔXmaxである。図12と図13を比較してわかるように、本発明におけるΔXmaxのほうが従来例におけるΔXmaxよりも小さい。つまり、対向基板に対する外力が除去された後の残留ずれ量は本発明のほうが小さくできる。したがって、本発明では、混色の程度をより小さくすることができる。
図14は本発明における上スペーサ20あるいは下スペーサ10の寸法例である。図14の上側は平面図、下側は側面図である。図14において、平たん部の長さw1、傾斜部の長さw2の比は特に制限はない。本発明の効果はw1<w2であることが望ましい。w1=w2とした場合は、例えば、w1=w2=5μmである。
図14において、平坦部の幅d1は例えば3μm、傾斜部の先端の幅d2は小さいほど良いが、本発明の効果とスペーサの作りやすさを考慮すると、d1/3≦d2<d1である。
図14において、スペーサの端部の高さh2は平たん部の高さh1よりも小さい必要があるが、本発明の効果とスペーサの作りやすさを考慮すると、h1/3≦h2<h1である。代表的な例は、h2=h1/2である。
なお、上スペーサ20と下スペーサ10の高さは通常は同じでよい。一方、スペーサの作りやすさを考慮すれば上スペーサ20の高さのほうが下スペーサ10の高さよりも高いほうが良い。
以上の説明では、上スペーサと下スペーサの形状は同じであるとして説明してきた。しかし、上スペーサと下スペーサの形状は、必要に応じて変えてもよい。
本発明によれば、TFT基板と対向基板がずれて、柱状スペーサがずれた後、柱状スペーサが元に戻ろうとする復元力に対して、柱状スペーサの摩擦による抵抗を小さくすることができるので、残留ずれを小さくでき、混色をはじめ、基板間のギャップ変動による表示品質の低下等の問題を抑えることができる。
10…下スペーサ、 20…上スペーサ、 30…走査線、 40…映像信号線、 100…TFT基板、 101…ゲート電極、 102…ゲート絶縁膜、 103…半導体層、 104…パッシベーション膜、 105…コモン電極、 106…層間絶縁膜、 107…画素電極、 108…ドレイン電極、 109…ソース電極、 110…配向膜、 111…スルーホール、 200…対向基板、 201…カラーフィルタ、 202…ブラックマトリクス、 203…オーバーコート膜、 201…カラーフィルタ、 200…対向基板、 201…カラーフィルタ、 300…液晶層、 1071…スリット

Claims (9)

  1. 走査線と映像信号線とで囲まれた領域に画素が形成されたTFT基板と対向基板との間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、
    前記TFT基板には、平面で見て、長軸を有し、前記長軸方向に幅が一定である中央部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第1の傾斜部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第2の傾斜部と、
    断面で見て、高さが一定である中央部と前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって高さが小さくなる第1の傾斜部と前記中央部から高さが小さくなる第2の傾斜部を有する第1のスペーサが形成され、
    前記対向基板には、平面で見て、長軸を有し、前記長軸方向に幅が一定である中央部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第3の傾斜部と、前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって幅が小さくなる第4の傾斜部と、
    断面で見て、高さが一定である中央部と前記中央部から前記長軸方向の端部に向かって高さが小さくなる第3の傾斜部と前記中央部から高さが小さくなる第4の傾斜部を有する第2のスペーサが形成され、
    前記第1のスペーサの前記長軸と前記第2のスペーサの前記長軸とは90度の角度をなしており、
    前記第1のスペーサと前記第2のスペーサによって、前記TFT基板と前記対向基板の間隔が規定されていることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記TFT基板と前記対向基板とが位置ずれしていない場合には、前記第1のスペーサの前記中央部と前記第2のスペーサの前記中央部とが対向し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. 前記第1のスペーサは前記走査線と前記映像信号線の交差部に形成され、前記第1のスペーサの長軸は前記走査線の延在方向であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  4. 前記第1のスペーサの前記中央部の高さと前記第2のスペーサの前記中央部の高さは同じであることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  5. 前記第2のスペーサの前記中央部の高さは前記第1のスペーサの前記中央部の高さよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  6. 前記第1のスペーサを平面でみた場合、前記中央部の幅をd1とし、前記長軸方向の前記第1の傾斜部および前記第2の傾斜部の前記端部の幅をd2とした場合、d1/3≦d2<d1であり、
    前記第2のスペーサを平面でみた場合、前記中央部の幅をd3とし、前記長軸方向の前記第3の傾斜部および前記第4の傾斜部の前記端部の幅をd4とした場合、d3/3≦d4<d3であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  7. 前記d1と前記d3は等しく、前記d2と前記d4は等しいことを特徴とする請求項6に記載の液晶表示装置。
  8. 前記第1のスペーサを断面でみた場合、前記中央部の高さをh1とし、前記長軸方向の前記第1の傾斜部および前記第2の傾斜部の前記端部の高さをh2とした場合、h1/3≦h2<h1であり、
    前記第2のスペーサを断面でみた場合、前記中央部の幅をh3とし、前記長軸方向の前記第3の傾斜部および前記第4の傾斜部の前記端部の幅をh4とした場合、h3/3≦h4<h3であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  9. 前記h1と前記h3は等しく、前記h2と前記h4は等しいことを特徴とする請求項8に記載の液晶表示装置。
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