JP2019215410A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より信頼性の高い液晶表示装置を提供する。【解決手段】 液晶表示装置は、第１及び第２基板１１、１２と、第１及び第２基板１１、１２間に挟持された液晶層１３と、液晶層１３を囲み、第１及び第２基板１１、１２間に液晶層１３を封止する第１シール材２１と、間隔を空けて第１シール材２１を囲む第２シール材２２とを含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、時計や電卓などの通常の生活仕様に用いられるだけでなく、高い信頼性が要求される車載用にも応用されている。車載用の液晶表示装置は、使用環境の条件が厳しいため、製品出荷前の信頼性試験も厳しい条件で行うことが必要である。信頼性試験には、環境試験が含まれる。

典型的な液晶表示装置では、高温高湿環境で長時間維持する環境試験を行った場合、水分が液晶表示装置のシール材を透過し、液晶層内に水分が侵入する。この水分により液晶層の比抵抗が下がった結果、静電容量の保持率が低下した領域が発生する。これにより、液晶表示装置に表示不良が発生してしまう。

特許第４３０２３８１号公報 特開２００５−１５６７５２号公報

本発明は、より信頼性の高い液晶表示装置を提供する。

本発明の一態様に係る液晶表示装置は、第１及び第２基板と、前記第１及び第２基板間に挟持された第１液晶層と、前記第１液晶層を囲み、前記第１及び第２基板間に前記第１液晶層を封止する第１シール材と、間隔を空けて前記第１シール材を囲む第２シール材とを具備する。

本発明によれば、より信頼性の高い液晶表示装置を提供することができる。

第１実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 図１のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置の断面図。 液晶表示装置の具体的な断面構造を説明する図。 比較例に係る液晶表示装置の平面図。 第２実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 第３実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 第４実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 図７のＢ−Ｂ´線に沿った液晶表示装置の断面図。 第５実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 図９のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置の断面図。 第６実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 図１１のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置の断面図。 第７実施形態に係る液晶表示装置の平面図。 図１３のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置の断面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］ 第１実施形態
［１−１］ 液晶表示装置１０の構成
図１は、第１実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置１０の断面図である。なお、図１の平面図では、構成の理解が容易になるように、シール材及び封止材を実線で示し、液晶層をドットハッチングで示している。図１以外の平面図についても同様である。

液晶表示装置１０は、ＴＦＴ及び画素電極等が形成されるＴＦＴ基板１１と、カラーフィルター及び共通電極等が形成されかつＴＦＴ基板１１に対向配置されるカラーフィルター基板（ＣＦ基板）１２とを備える。ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）から構成される。

液晶層１３は、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に充填される。具体的には、液晶層１３は、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２と、シール材２１、２２とによって包囲された領域内に封入される。シール材２１、２２の具体的な構成については後述する。

液晶層１３を構成する液晶材料は、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に印加された電界に応じて液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。液晶モードとしては、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、及びホモジニアスモードなど種々の液晶モードを適用することができる。

ＴＦＴ基板１１の液晶層１３側には、複数の画素に対応する数の複数のスイッチング素子（図示せず）が設けられる。複数の画素は、マトリクス状に配置される。スイッチング素子の構成については後述する。複数のスイッチング素子上には、絶縁層１５が設けられる。

絶縁層１５上には、複数の画素に対応する数の複数の画素電極１６が設けられる。１個の画素電極１６は、１個の画素領域の概略全体に設けられる。

ＣＦ基板１２の液晶層１３側には、カラーフィルター（図示せず）が設けられる。カラーフィルターの構成については後述する。

カラーフィルター上には、共通電極２０が設けられる。共通電極２０は、液晶表示装置１０の表示領域全体に平面状に形成される。

（液晶表示装置１０の具体的な断面構造）
図３は、液晶表示装置１０の具体的な断面構造を説明する図である。図３は、シール材２１、２２より内側の表示領域の一部を抽出した断面図であり、また、Ｘ方向に沿った断面図である。

ＴＦＴ基板１１の液晶層１３側には、複数の画素に対応する数の複数のスイッチング素子１４が設けられる。スイッチング素子１４としては、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）が用いられ、またｎチャネルＴＦＴが用いられる。図３には、ＴＦＴ１４を簡略化して示している。具体的には、ＴＦＴ１４は、走査線として機能するゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層に部分的に接しかつ互いに離間して設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ソース電極は、信号線（図示せず）に電気的に接続される。

絶縁層１５内かつＴＦＴ１４のドレイン電極上には、画素電極１６に電気的に接続されたコンタクトプラグ（コンタクトホール）１７が設けられる。

絶縁層１５上かつ複数の画素電極１６上には、液晶層１３の初期配向を制御する配向膜（図示せず）が設けられる。

ＣＦ基板１２の液晶層１３側には、カラーフィルター１８が設けられる。カラーフィルター１８は、複数の着色フィルター（着色部材）を備え、具体的には、複数の赤フィルター１８−Ｒ、複数の緑フィルター１８−Ｇ、及び複数の青フィルター１８−Ｂを備える。一般的なカラーフィルターは光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（画素）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。ＴＦＴ１４及び画素電極１６は、サブ画素ごとに設けられる。本明細書では、画素とサブ画素との区別が特に必要な場合を除き、サブ画素を画素と呼ぶものとする。

赤フィルター１８−Ｒ、緑フィルター１８−Ｇ、及び青フィルター１８−Ｂの境界部分、及び画素（サブ画素）の境界部分には、遮光用のブラックマトリクス（遮光層）１９が設けられる。すなわち、ブラックマトリクス１９は、網目状に形成される。ブラックマトリクス１９は、例えば、着色部材間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させる機能を有する。

共通電極２０上には、液晶層１３の初期配向を制御する配向膜（図示せず）が設けられる。

画素電極１６、コンタクトプラグ１７、及び共通電極２０は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。絶縁層１５としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。

［１−２］ シール材２１、２２の具体的な構成
図１及び図２を参照して、前述したシール材２１、２２の具体的な構成について説明する。

シール材２１は、絶縁層１５とＣＦ基板１２とに接するように設けられる。シール材２１は、例えば枠状かつ四角形を有する。すなわち、シール材２１は、Ｘ方向に延びる２つの辺と、Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる２つの辺とを含む。シール材２１の内側の領域が、画像を表示可能な表示領域となる。

シール材２２は、絶縁層１５とＣＦ基板１２とに接するように設けられる。シール材２２は、例えば枠状かつ四角形を有する。シール材２２は、シール材２１を囲むように構成される。シール材２２は、シール材２１と間隔を空けて、シール材２１の外側に配置される。

シール材２１とシール材２２との間には、液晶層２３が設けられる。液晶層２３は、例えば液晶層１３と同じ材料である。

シール材２１は、例えば図１の上側の辺（Ｘ方向に延びる辺）の中央部に、液晶を注入するための注入口（開口部）を有する。シール材２１の注入口は、四角形のシール材の一部からＹ方向に延びる２本のシール材２１Ａ、２１Ｂで構成される。シール材２１Ａ、２１Ｂは、ＴＦＴ基板１１の端部まで延びる。

シール材２２は、例えば図１の上側の辺（Ｘ方向に延びる辺）の中央部に、液晶を注入するための注入口を有する。シール材２２の注入口は、四角形のシール材の一部からＹ方向に延びる２本のシール材２２Ａ、２２Ｂで構成される。シール材２２Ａ、２２Ｂは、ＴＦＴ基板１１の端部まで延びる。

シール材２１、２２は、例えば印刷で形成される。シール材は、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、又は紫外線・熱併用型硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいてＴＦＴ基板１１及び／又はＣＦ基板１２に印刷された後、紫外線照射、又は加熱等により硬化させられる。

封止材２４は、シール材２１の注入口、及びシール材２２の注入口を封止する。封止材２４は、例えば紫外線硬化樹脂で構成される。封止材２４は、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に液晶が注入された後、シール材２１の注入口、及びシール材２２の注入口を埋めるように塗布される。その後、封止材２４は、紫外線照射より硬化させられる。

液晶の注入方式としては、例えば真空注入方式を用いることが可能である。真空注入方式では、シール材２１、２２の注入口から液晶が注入される。

このように構成された液晶表示装置１０では、外部から液晶層１３内に水分が侵入するのを抑制することができる。

［１−３］ 変形例
外側のシール材２２は、よりバリア性が高い材料で構成してもよい。シール材２２は、無機材料を含むシール材で構成される。無機材料としては、水分を透過しない材料が選択される。内側のシール材２１は、例えば樹脂で構成される。

変形例では、シール材２２のバリア性をより高くすることができる。これにより、液晶層１３水分が侵入するのをより抑制できる。

［１−４］ 比較例
図４は、比較例に係る液晶表示装置の平面図である。

液晶層１３は、一層のシール材２２によって、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に封入される。シール材２２の注入口は、封止材２４で封止される。

液晶表示装置は、例えば、使用環境が過酷な車両などに搭載される場合がある。車載用の液晶表示装置には、高い信頼性が要求される。このため、より厳しい条件で信頼性試験（環境試験）が行われる。

環境試験の一例として、高温高湿環境（例えば、８５度、８５％ＲＨ（relative humidity））を２０００ｈｒ（時間）維持する試験を実施するものとする。

比較例に係る液晶表示装置では、図４に示すように、数１００ｈｒ経過した時点で、表示領域の一部（特に、シール材２２の近くでシール材２２の４隅）に、静電容量の保持率が低下した領域ができてしまう。これは、高温高湿環境下における水分がシール材２２を透過して液晶層１３に侵入し、この水分に起因して液晶の比抵抗が低下した結果、静電容量の保持率が低下するためである。

静電容量の保持率が低下した領域は、液晶層に印加される電界が低くなり、液晶層の配向を制御することが困難になる。この結果、比較例に係る液晶表示装置では、正常な表示動作を実現することができない。

これに対して、本実施形態に係る液晶表示装置１０は、液晶層１３に外部から水分が侵入しにくい構造を有する。例えば、シール材２２を透過した水分は、液晶層２３に吸収されるため、シール材２１を介して液晶層１３に水分が侵入するのを抑制できる。

［１−５］ 第１実施形態の効果
以上詳述したように第１実施形態では、液晶表示装置１０は、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に挟持された液晶層１３と、液晶層１３を囲み、ＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に液晶層１３を封止するシール材２１と、間隔を空けてシール材２１を囲むシール材２２と、シール材２１、２２間に設けられた液晶層２３とを備える。

例えば液晶表示装置１０に環境試験が実施された場合、外側のシール材２２を透過した水分は、液晶層２３に吸収され、かつシール材２２でブロックされる。これにより、液晶層１３に水分が侵入するのを抑制できる。第１実施形態によれば、液晶表示装置１０が不良になるのを抑制でき、より信頼性の高い液晶表示装置１０を実現できる。本実施形態に係る液晶表示装置１０は、車載用など高い信頼性が要求される用途に特に有効である。

また、シール材２１の注入口と、シール材２２の注入口とを同じ位置に配置するようにしている。これにより、液晶層１３、２３の注入工程を一緒に行うことができる。また、１つの封止材２４を用いて、２つの液晶層１３、２３を封止することができる。この結果、製造工程が増えるのを抑制できる。

［２］ 第２実施形態
図５は、第２実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。

シール材２１は、図５の下側の辺（Ｘ方向に延びる辺）の中央部に開口部２１Ｃを有する。第１実施形態と異なり、シール材２１は、図５の上側の辺（Ｘ方向に延びる辺）の中央部に注入口が設けられていない。

シール材２２は、図５の上側の辺（Ｘ方向に延びる辺）の中央部に注入口を有する。液晶は、シール材２２の注入口からＴＦＴ基板１１及びＣＦ基板１２間に注入される。シール材２２の内側に注入された液晶はさらに、シール材２１の開口部２１Ｃを通ってシール材２１の内側に注入される。封止材２４は、シール材２２の注入口を封止する。

水分は、封止材２４の付近から多く侵入する場合がある。第２実施形態では、シール材２１の開口部２１Ｃがシール材２２の注入口から多い位置に配置されているため、封止材２４の付近から液晶層２３に侵入した水分が、シール材２１の内側に侵入するのを抑制できる。

［３］ 第３実施形態
図６は、第３実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。

第３実施形態では、液晶表示装置１０は、第１実施形態で示した、液晶を封止するための封止材２４を備えていない。

シール材２１は、例えば枠状かつ四角形を有する。シール材２１は、液晶を注入するための注入口を有していない。シール材２２は、例えば枠状かつ四角形を有する。シール材２２は、液晶を注入するための注入口を有していない。シール材２１とシール材２２との間には、液晶層２３が設けられる。

第３実施形態は、液晶の注入方式として、ＯＤＦ（one drop fill）方式が用いられる。ＯＤＦ方式の場合、液晶の注入口は不要である。ＯＤＦ方式では、１つ又は２つの基板にシール材が印刷された後、シール材で囲まれた領域に液晶が満たされる。その後、２つの基板が貼り合わされる。

第３実施形態では、封止材が無いため、封止材付近から水分が侵入するのを防ぐことができる。

［４］ 第４実施形態
図７は、第４実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。図８は、図７のＢ−Ｂ´線に沿った液晶表示装置１０の断面図である。

シール材２１は、例えば図１の右側の辺（Ｙ方向に延びる辺）の中央部に、液晶を注入するための注入口を有する。シール材２１の注入口は、四角形のシール材の一部からＸ方向に延びる２本のシール材２１Ａ、２１Ｂで構成される。シール材２１Ａ、２１Ｂは、ＴＦＴ基板１１の端部まで延びる。

シール材２２は、例えば図１の上側の辺（Ｘ方向に延びる辺）の中央部に、物質を注入するための注入口を有する。シール材２２の注入口は、シール材２２の上側の辺の中央部からＹ方向に延びる２本のシール材２２Ａ、２２Ｂで構成される。シール材２２Ａ、２２Ｂは、ＴＦＴ基板１１の端部まで延びる。シール材２２の右側の辺は、シール材２１Ａ、２１Ｂによって分断され、シール材２２の分断された部分は、シール材２１Ａ、２１Ｂに接する。

シール材２１とシール材２２との間には、液晶層１３と異なる物質からなり、かつ吸水性を有する充填層（吸収材）２６が設けられる。充填層２６は、シール材２２を透過した水分を吸収する機能を有する。充填層２６として、個体では、シリカゲル、ポリマーでは、ポリビニルアルコール、又はポリエチレングリコールなどが挙げられる。

液晶層１３は、シール材２１の注入口から注入される。充填層２６は、シール材２２の注入口から注入される。

封止材２５は、シール材２１の注入口を封止する。封止材２４は、シール材２２の注入口を封止する。封止材２４、２５は、例えば紫外線硬化樹脂で構成される。

第４実施形態では、シール材２２を透過した水分は、充填層２６によって吸収される。これにより、液晶層１３に水分が侵入するのを抑制できる。

［５］ 第５実施形態
図９は、第５実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置１０の断面図である。

シール材２１、２２の形状は、第３実施形態と同じである。

シール材２１とシール材２２との間には、空気層２７が設けられる。すなわち、シール材２１とシール材２２との間には、何の物質も注入されていない。

外側のシール材２２は、よりバリア性が高い材料で構成され、例えば、無機材料を含むシール材で構成される。内側のシール材２１は、例えば樹脂で構成される。

第５実施形態は、液晶の注入方式として、ＯＤＦ方式が用いられる。第５実施形態においても、液晶層１３に水分が侵入するのを抑制できる。

［６］ 第６実施形態
図１１は、第６実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。図１２は、図１１のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置１０の断面図である。

液晶表示装置１０は、３層のシール材２１、２２、２８を備える。

シール材２８は、絶縁層１５とＣＦ基板１２とに接するように設けられる。シール材２８は、例えば枠状かつ四角形を有する。シール材２８は、シール材２２を囲むように構成される。シール材２８は、シール材２２と間隔を空けて、シール材２２の外側に配置される。シール材２２とシール材２８との間には、液晶層２９が設けられる。

シール材２８は、シール材２１、２２の注入口と同じ位置に、液晶を注入するための注入口を有する。すなわち、シール材２８の注入口は、シール材２８の上側の辺の中央部からＹ方向に延びる２本のシール材２８Ａ、２８Ｂで構成される。シール材２８Ａ、２８Ｂは、ＴＦＴ基板１１の端部まで延びる。

第６実施形態によれば、液晶表示装置１０は、３層のシール材２１、２２、２８、及び２層の液晶層２３、２９を備えているので、液晶層１３に水分が侵入するのをより抑制できる。

［７］ 第７実施形態
図１３は、第７実施形態に係る液晶表示装置１０の平面図である。図１４は、図１３のＡ−Ａ´線に沿った液晶表示装置１０の断面図である。

液晶表示装置１０は、３層のシール材２１、２２、２８を備える。

シール材２１とシール材２２との間には、空気層２７が設けられる。すなわち、シール材２１とシール材２２との間には、何の物質も注入されていない。

シール材２１、２８は、同じ位置（例えば図１の上側の辺の中央部）に、液晶を注入するための注入口を有する。

シール材２２の上側の辺は、シール材２１Ａ、２１Ｂによって分断され、シール材２２の分断された部分は、シール材２１Ａ、２１Ｂに接する。

第７実施形態においても、液晶層１３に水分が侵入するのを抑制できる。

なお、上記第１乃至第７実施形態は、適宜組み合わせることが可能である。例えば、第１乃至第７実施形態の複数のシール材のうち１つ又は２つ以上に、無機材料を有するシール材を適用してもよい。また、第１乃至第７実施形態の液晶層に、吸水性を有する充填層を適用してもよい。

また、液晶表示装置の種類については限定されず、様々な種類の液晶表示装置に適用可能である。例えば、液晶表示装置は、単純マトリクス型であってもよい。この場合、シール材は、対向する２つの基板に接触するように構成される。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…液晶表示装置、１１…ＴＦＴ基板、１２…ＣＦ基板、１３…液晶層、１４…スイッチング素子、１５…絶縁層、１６…画素電極、１７…コンタクトプラグ、１８…カラーフィルター、１９…ブラックマトリクス、２０…共通電極、２１，２２，２８…シール材、２３，２９…液晶層、２４，２５…封止材、２６…充填層、２７…空気層

Claims (10)

1. 第１及び第２基板と、
   前記第１及び第２基板間に挟持された第１液晶層と、
   前記第１液晶層を囲み、前記第１及び第２基板間に前記第１液晶層を封止する第１シール材と、
   間隔を空けて前記第１シール材を囲む第２シール材と
   を具備する液晶表示装置。
2. 前記第１及び第２シール材間に設けられた第２液晶層をさらに具備する
   請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記第１シール材は、第１開口部を有し、
   前記第１液晶層と前記第２液晶層とは、前記第１開口部を通して連続している
   請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記第２シール材は、液晶を注入するための第２開口部を有し、
   前記第１開口部は、前記第１シール材のうち前記第２開口部から遠い辺に配置される
   請求項３に記載の液晶表示装置。
5. 前記第１シール材は、前記第１液晶層を注入するための第１開口部を有し、
   前記第２シール材は、前記第２液晶層を注入するための第２開口部を有し、
   前記第１開口部と前記第２開口部は、同じ位置に配置される
   請求項３に記載の液晶表示装置。
6. 前記第２シール材は、無機材料を含む
   請求項１乃至５のいずれかに記載の液晶表示装置。
7. 前記第１及び第２シール材間に設けられ、前記第１液晶層と異なる材料からなる充填層をさらに具備する
   請求項１に記載の液晶表示装置。
8. 前記第１シール材は、前記第１液晶層を注入するための第１開口部を有し、
   前記第２シール材は、前記充填層を注入するための第２開口部を有し、
   前記第１開口部と前記第２開口部とは、異なる位置に配置される
   請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 間隔を空けて前記第２シール材を囲む第３シール材をさらに具備する
   請求項１に記載の液晶表示装置。
10. 前記第１及び第２シール材間に設けられた第２液晶層と、
    前記第２及び第３シール材間に設けられた第３液晶層と
    をさらに具備する
    請求項９に記載の液晶表示装置。