JP2021051145A - 液晶表示素子、液晶表示素子の製造方法、及び、液晶デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像品質を向上させることが可能な液晶表示素子、液晶表示素子の製造方法、及び、液晶デバイスの製造方法を提供すること。【解決手段】液晶表示素子の製造方法は、ガラス基板１０２とシリコン基板１０１とをスペーサ１０３を介して対向配置するステップと、ガラス基板１０２の外側の主面の中央部を押圧することにより、ガラス基板１０２をその中央部がシリコン基板１０１に近づくように湾曲させるステップと、ガラス基板１０２とシリコン基板１０１との間の空間領域１０５に液晶を注入するステップと、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示素子、液晶表示素子の製造方法、及び、液晶デバイスの製造方法に関し、画像品質を向上させることが可能な液晶表示素子、液晶表示素子の製造方法、及び、液晶デバイスの製造方法に関する。

特許文献１及び特許文献２には、高品質な画像を表示させることが可能な液晶表示素子の製造方法が開示されている。

特開平１１−１１９２３３号公報 特開２００２−２９６５６８号公報

液晶表示素子及びそれを備えた液晶デバイスには、さらなる品質の向上が求められている。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、画像品質を向上させることが可能な液晶表示素子、液晶表示素子の製造方法、及び、液晶デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本実施形態の一態様にかかる液晶表示素子の製造方法は、ガラス基板とシリコン基板とをスペーサを介して対向配置するステップと、前記ガラス基板及び前記シリコン基板の一方の外側の主面の中央部を押圧することにより、前記ガラス基板及び前記シリコン基板の前記一方を、その中央部が前記ガラス基板及び前記シリコン基板の他方に近づくように、湾曲させるステップと、前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の空間領域に液晶を注入するステップと、を備える。

本実施形態の一態様にかかる液晶表示素子は、シリコン基板と、スペーサと、前記シリコン基板と前記スペーサを介して対向配置されたガラス基板と、前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の空間領域に封入された液晶と、を備え、前記シリコン基板は、液晶表示素子の駆動前の状態において、その中央部が端部よりも前記ガラス基板に近くなるように湾曲して形成されている。

本実施形態によれば、画像品質を向上させることが可能な液晶表示素子、液晶表示素子の製造方法、及び、液晶デバイスの製造方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる液晶デバイスの概略斜視図である。 実施の形態１にかかる液晶デバイスの製造方法を示す概略断面図である。 実施の形態１にかかる液晶デバイスの製造方法を示す概略断面図である。 実施の形態１にかかる液晶デバイスの製造方法を示す概略断面図である。 実施の形態１にかかる液晶デバイスの製造方法を示す概略断面図である。 実施の形態１にかかる液晶デバイスの製造方法を示す概略断面図である。 実施の形態１にかかる液晶デバイスの製造方法を示す概略断面図である。 図７に示す液晶デバイスの製造方法を説明するための概略平面図である。 実施の形態２に至る前の構想段階の液晶デバイスの課題を説明するための概略平面図である。 実施の形態２にかかる液晶デバイスの一部を示す概略平面図である。 図１０に示す液晶デバイスの変形例の一部を示す概略平面図である。

＜実施の形態１に至る前の検討事項＞
実施の形態１にかかる液晶デバイス（液晶表示装置）について説明する前に、本発明者が事前検討した内容について説明する。本実施の形態に至る前の構想段階の液晶デバイスに設けられた液晶表示素子は、製造時において、液晶表示素子を構成するシリコン基板とガラス基板とが平行になるように形成されている。しかしながら、このような構造では、完成品の液晶表示素子の駆動時に、シリコン基板とガラス基板との間に封入された液晶が熱膨張することによって、シリコン基板とガラス基板との平行状態が崩れてしまい、その結果、画像の品質が劣化してしまう、という問題があった。

特に近年、このような液晶デバイス（液晶表示装置）が搭載されたプロジェクタには、高寿命化及び色再現性の向上のため、ランプ光源の代わりにレーザー光源又はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源が用いられている。そのため、ランプ光源では視認されなかった液晶層の厚みの違いによる表示ムラが、レーザー光源又はＬＥＤ光源では、干渉縞（特にＲＧＢ色を表す光のうち短波長である青色波長域の光による干渉縞）として視認されてしまう、という問題があった。

そこで、液晶表示素子の駆動時に液晶が熱膨張した場合でも、画像の品質の劣化を防ぐことが可能な、実施の形態１にかかる液晶表示素子、及び、それを備えた液晶デバイスが見いだされた。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１にかかる液晶デバイス（液晶表示装置）１の概略斜視図である。図１に示すように、液晶デバイス１は、ヒートシンク１２と、ヒートシンク１２上に設置された液晶表示素子１１と、液晶表示素子１１に複数の信号線Ｗ１を介して電気的に接続され、当該液晶表示素子１１を駆動する駆動回路１３と、を少なくとも備える。液晶表示素子１１は、例えば、駆動基板であるシリコン基板と、対向基板であるガラス基板と、それらの間に封入された液晶と、によって構成されている。

続いて、図２〜図７を用いて、液晶デバイス１の製造方法（組み立て方法）を説明する。図２〜図７は、液晶デバイス１の製造方法を示す概略断面図である。

まず、図２に示すように、定盤２０２に固定されたガラス基板１０２に、定盤２０１に固定されたシリコン基板１０１を、スペーサ１０３及びそれを含むシール剤１０４を介して対向配置する。なお、ガラス基板１０２側の定盤２０２には一例としてエア流路２０２ａが設けられている。また、シール剤１０４は、例えばＵＶ（ＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）硬化樹脂である。その後、シリコン基板１０１側の定盤２０１を、エアシリンダ等を用いてガラス基板１０２側に押圧することにより、シリコン基板１０１とガラス基板１０２とを貼り合わせる。このとき、シリコン基板１０１とガラス基板１０２とは、スペーサ１０３の直径ｄに相当する間隔を空けて配置される。それにより、シリコン基板１０１とガラス基板１０２との間には、空間領域１０５が形成される。

次に、図３に示すように、エアＰ１を、ガラス基板１０２側の定盤２０２に設けられたエア流路２０２ａを介して、ガラス基板１０２の外側の主面（シリコン基板１０１と対向する主面の反対側の主面；液晶表示素子１１の外側にあたる主面）の中央部に吹き付ける。つまり、ガラス基板１０２の外側の主面の中央部を、エアＰ１を吹き付けることによって押圧する。それにより、ガラス基板１０２は、その中央部がシリコン基板１０１側に近づくように湾曲する（換言すると、凹む）。

なお、完成品の液晶表示素子１１の駆動時における液晶の上昇温度が２０度、空間領域１０５に封入される後述する液晶層の厚み（ｚ軸方向の幅）が２．１ｕｍである場合、温度上昇に伴う液晶の膨張度合いは、厚さ方向で０．１ｕｍ程度であることが発明者による鋭意実験によって導き出された。そのため、ガラス基板１０２の中央部の厚さ方向（ｚ軸方向）の変形量ｔは、例えば、スペーサ１０３の直径ｄの１／３０〜１／２０の範囲であることが好ましい。それにより、完成品の液晶表示素子１１の駆動時における液晶の熱膨張に応じて、シリコン基板１０１とガラス基板１０２とをより平行な状態に近づけることができる。参考までに、液晶の熱膨張係数は７．２×１０＾−４、ガラス基板の熱膨張係数は４．５×１０＾−６、シール剤の熱膨張係数は５．０×１０＾−５、駆動基板の熱膨張係数は３．９×１０＾−６である。このことから、液晶は、ガラス基板、シール剤、駆動基板などと比べて膨張しやすいことが分かる。

次に、図４に示すように、エアＰ１の供給を停止させる。それにより、ガラス基板１０２は、元の平坦な形状に戻り、代わりに、ガラス基板１０２よりも柔らかいシリコン基板１０１は、その中央部がガラス基板１０２側に近づくように湾曲する。なお、このときのシリコン基板１０１の中央部の厚さ方向の変形量は、ガラス基板１０２の中央部の厚さ方向の変形量ｔと同じであるものとする。

次に、図５に示すように、シリコン基板１０１の湾曲形状を維持させた状態で、シリコン基板１０１とガラス基板１０２との間に形成された空間領域１０５に、液晶１０６を充填封入する。それにより、反射型の液晶表示素子１１が形成される。

図６は、製造後の液晶表示素子１１の駆動時の形状を示している。図６に示すように、液晶表示素子１１では、駆動時における液晶１０６の熱膨張によって、シリコン基板１０１が内側（液晶１０６側）から押圧されるため、湾曲したシリコン基板１０１が平坦な形状に戻り、その結果、シリコン基板１０１とガラス基板１０２とが平行に近い状態（理想的には実質的に平行）になる。それにより、液晶表示素子１１により表示される画像の品質が向上する。

本実施の形態では、液晶表示素子１１の製造時に、ガラス基板１０２を湾曲形状に変形させた後、ガラス基板１０２が平坦形状に戻る力を利用して、シリコン基板１０１を湾曲形状に変形させた場合を例に説明したが、これに限られない。シリコン基板１０１を直接湾曲形状に変形させても良い。

液晶表示素子１１は、例えばヒートシンク１２に設置されたうえで、液晶デバイスとして、プロジェクタなどに搭載される。

図７及び図８は、液晶表示素子１１をヒートシンク１２に設置する方法を説明するための概略断面図及び概略平面図である。

図７に示すように、まず、図２〜図６の処理を経て完成した液晶表示素子１１のガラス基板１０２の外側の主面を、光透過性の吸着部材２０３によって吸着する。この吸着部材２０３を移動させることにより、液晶表示素子１１を移動させることができる。その後、光源３０１から出射された光Ｌ１を、吸着部材２０３を介して、液晶表示素子１１に照射する。光源３０１は、例えばレーザー光源及びＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源の何れかである。光源３０１から出射される光Ｌ１は、青色波長域の光であることが好ましい。それにより、液晶表示素子１１において光Ｌ１の反射光によって表示される画像の表示ムラが干渉縞となって視認しやすくなる。この干渉縞の形状は、カメラ３０２等を用いて撮影され、図示しないモニタに表示される。

その後、液晶表示素子１１において光Ｌ１の反射光によって干渉縞Ｓ１が表示されている状態を維持しつつ（即ち、シリコン基板１０１の湾曲形状が維持された状態で）、液晶表示素子１１を移動させてヒートシンク１２に設置する（図８参照）。それにより、液晶表示素子１１によって表示される画像の品質を高品質な状態に保つことができる。

なお、液晶表示素子１１とヒートシンク１２との間には、液晶表示素子１１とヒートシンク１２とを接着する接着剤４０１と、ヒートシンク１２とともに液晶表示素子１１の放熱に用いられる放熱ゲル（シリコンゲル）４０２と、が設けられている。図８を参照すると、接着剤４０１は、平面視して、矩形状の液晶表示素子１１の４つの角部近傍に設けられ、放熱ゲル４０２は、平面視して、液晶表示素子１１の中央部を含む領域に設けられている。

本実施の形態では、液晶表示素子１１において光Ｌ１の反射光によって干渉縞Ｓ１が表示されている状態を維持しつつ、液晶表示素子１１を移動させてヒートシンク１２に設置する場合を例に説明したが、これに限られない。シリコン基板１０１の湾曲形状が維持されるのであれば、例えば分光器を用いてシリコン基板１０１の厚みを測定しながら液晶表示素子１１を移動させてヒートシンク１２に設置する等、他の設置方法が用いられても良い。

また、本実施の形態では、液晶表示素子１１がヒートシンク１２に設置される場合について説明したが、これに限られない。液晶表示素子１１がヒートシンク１２以外の別のプレートに設置される場合にも、ヒートシンク１２に設置される場合と同様の手法を用いることによって、液晶表示素子１１によって表示される画像の品質を高品質な状態に保つことができる。

このように、本実施の形態にかかる液晶表示素子１１は、常温時においてシリコン基板１０１が湾曲形状となるように形成されている。それにより、液晶表示素子１１では、駆動時に、液晶１０６の熱膨張によってシリコン基板１０１が平坦な形状に戻るため、シリコン基板１０１とガラス基板１０２とが平行に近い状態（理想的には実質的に平行）になる。それにより、液晶表示素子１１によって表示される画像の品質が向上する。

＜実施の形態２に至る前の事前検討＞
実施の形態２にかかる液晶デバイス（液晶表示装置）について説明する前に、本発明者が事前検討した内容について説明する。

図９は、本実施の形態に至る前の構想段階の液晶デバイス２０の課題を説明するための概略平面図である。図９に示すように、液晶デバイス２０では、例えば実施の形態１にかかる液晶表示素子１１がヒートシンク１２上に設置されている。また、液晶表示素子１１とヒートシンク１２との間には、液晶表示素子１１とヒートシンク１２とを接着する接着剤４０１と、ヒートシンク１２とともに液晶表示素子１１の放熱に用いられる放熱ゲル（シリコンゲル）５０２と、が設けられている。

ここで、図９の例では、放熱ゲル５０２が、液晶表示素子１１とヒートシンク１２の間の接着面の全面にわたって一体に形成されている。しかしながら、この場合、放熱ゲル５０２の内部に大きさの異なる複数の空気だまり５０３が不均一に形成されてしまうため、液晶表示素子１１の駆動時に複数の空気だまり５０３が熱膨張することによって、液晶表示素子１１が所望の角度から傾いてしまい、液晶表示素子１１によって表示される画像に表示ムラが発生してしまう。その結果、液晶デバイス２０では、画像の品質が劣化してしまう、という問題があった。特に、放熱ゲル５０２が２つの溶剤を混合することによって生成される場合には、空気だまり５０３が形成されやすくなるため、この問題は発生しやすくなる。

また、光源３０１からの熱（輻射）や液晶表示素子１１自体の駆動によって発生した熱の放熱ゲル５０２を介したヒートシンク１２への熱伝導度は、空気だまり５０３の有無によって異なる。例えば、空気だまり５０３のある領域では、液晶表示素子１１の熱が放熱ゲル５０２を介してヒートシンク１２に放熱されにくくなり、空気だまり５０３のない領域では、液晶表示素子１１の熱が放熱ゲル５０２を介してヒートシンク１２に放熱されやすくなる。そのため、放熱ゲル５０２の内部に大きさの異なる複数の空気だまり５０２が不均一に形成された場合、液晶１０６の膨張度合いが不均一になってしまい、常温時に湾曲形状であったシリコン基板１０１が液晶表示素子１１の駆動時に所望の平坦な形状に変形しなくなってしまう。それにより、液晶表示素子１１によって表示される画像には、シリコン基板１０１の形状に起因した表示ムラが発生してしまう。その結果、液晶デバイス２０では、画像の品質が劣化してしまう、という問題があった。この問題は、空気だまり５０３が大きくなるほど発生しやすくなる。

さらに、ヒートシンク１２と液晶表示素子１１とを接着する接着剤４０１は、液晶表示素子１１に対して応力を極力与えないような柔軟な材料によって形成されている。そのため、液晶表示素子１１の意図しない変形は、柔軟な接着剤４０１の変形を引き起こす。それにより、液晶表示素子１１が所望の角度から傾いてしまい、液晶表示素子１１によって表示される画像に表示ムラが発生してしまう。その結果、液晶デバイス２０では、画像の品質が劣化してしまう、という問題があった。

そこで、液晶表示素子の駆動時に放熱ゲルの温度が上昇した場合でも、当該放熱ゲルの内部に形成された空気だまりの熱膨張等に起因した液晶表示素子の位置ズレを防ぐことにより、画像の品質の劣化を防ぐことが可能な実施の形態２にかかる液晶表示デバイスが見いだされた。

＜実施の形態２＞
図１０は、実施の形態２にかかる液晶デバイス（液晶表示装置）２の一部を示す概略平面図である。図１０に示すように、液晶デバイス２では、例えば実施の形態１にかかる液晶表示素子１１がヒートシンク１２上に設置されている。また、液晶表示素子１１とヒートシンク１２との間には、液晶表示素子１１とヒートシンク１２とを接着する接着剤４０１と、ヒートシンク１２とともに液晶表示素子１１の放熱に用いられる複数の放熱ゲル６０２と、が設けられている。複数の放熱ゲル６０２は、例えばシリコンゲルであって、例えば２つの溶剤を混合することによって生成される。

ここで、図１０の例では、平面視して、円形状の複数の放熱ゲル６０２が、液晶表示素子１１とヒートシンク１２との接着面の全面にわたって互いに間隔を空けて形成されている（本例ではマトリックス状に形成されている）。これら放熱ゲル６０２間の隙間（空間領域）６０３は、液晶表示素子１１の外部の空間領域と連通している。そのため、隙間６０３に存在する空気は、熱膨張しても液晶表示素子１１の外部の空間領域に排出される。そのため、隙間６０３に存在する空気の熱膨張による液晶表示素子１１の位置ズレは生じない。

また、各放熱ゲル６０２のサイズは、図９に示す放熱ゲル５０２のサイズよりも小さいため、放熱ゲル６０２の内部に形成される空気だまりのサイズは、放熱ゲル５０２の内部に形成される空気だまり５０３のサイズよりも小さくなる。そのため、各放熱ゲル５０２の内部に形成された空気だまりの熱膨張による液晶表示素子１１の位置ズレは、無視できる程度に小さい（少なくとも図９の例の場合よりも小さい）。

さらに、複数の放熱ゲル６０２のそれぞれに形成された空気だまりが熱膨張した場合でも、液晶表示素子１１の主面全体が均一に押圧されることになるため、液晶表示素子１１の主面の向きは傾くことなく所望の向きに保たれる。

このように、本実施の形態にかかる液晶デバイス２では、複数の放熱ゲル６０２が、液晶表示素子１１とヒートシンク１２との接着面の全面にわたって互いに間隔を空けて形成されている。これら放熱ゲル６０２間の隙間（空間領域）６０３に存在する空気は、熱膨張しても、液晶表示素子１１の外部の空間領域に排出される。また、各放熱ゲル６０２のサイズが小さくなるため、各放熱ゲル６０２の内部に形成される空気だまりのサイズも小さくなる。そのため、隙間６０３に存在する空気や小さなサイズの空気だまりの熱膨張による液晶表示素子１１の位置ズレ（所望の角度からのズレ）は、無視できる程度に小さくなる。その結果、液晶表示素子１１によって表示される画像の品質の劣化を防ぐことができる。

また、空気だまりの不均一な形成が抑制されることにより、液晶１０６の膨張度合いを均一にすることができるため、常温時に湾曲形状であったシリコン基板１０１を液晶表示素子１１の駆動時に所望の平坦な形状に変形させることができる。それにより、液晶表示素子１１の位置ズレが抑制されるため、液晶表示素子１１によって表示される画像の品質の劣化を防ぐことができる。

本実施の形態では、平面視して、円形状の複数の放熱ゲル６０２が、液晶表示素子１１とヒートシンク１２との接着面にマトリックス状に形成された場合を例に説明したが、これに限られない。図１１は、液晶デバイス２の変形例である液晶デバイス２ａの一部を示す概略平面図である。図１１に示すように、平面視して、複数の放熱ゲル６０２が、それぞれ、ｙ軸方向に延在するように、かつ、ｘ軸方向に間隔を空けて並んで配置されていても良い。

また、本実施の形態では、実施の形態１にかかる液晶表示素子１１がヒートシンク１２上に設置される場合について説明したが、これに限られない。実施の形態１にかかる液晶表示素子１１以外の一般的な液晶表示素子がヒートシンク１２上に設置される場合にも、本実施の形態で説明した複数の放熱ゲル６０２の適用が可能である。

１ 液晶デバイス
２ 液晶デバイス
２ａ 液晶デバイス
１１ 液晶表示素子
１２ ヒートシンク
１３ 駆動回路
２０ 液晶デバイス
１０１ シリコン基板
１０２ ガラス基板
１０３ スペーサ
１０４ シール剤
１０５ 空間領域
１０６ 液晶
２０１ 定盤
２０２ 定盤
２０２ａ エア流路
２０３ 吸着部材
３０１ 光源
３０２ カメラ
４０１ 接着剤
４０２ 放熱ゲル
５０２ 放熱ゲル
５０３ 空気だまり
６０２ 放熱ゲル
６０３ 隙間
Ｌ１ 光
Ｐ１ エア
Ｓ１ 干渉縞
Ｗ１ 信号線

Claims (8)

1. ガラス基板とシリコン基板とをスペーサを介して対向配置するステップと、
   前記ガラス基板及び前記シリコン基板の一方の外側の主面の中央部を押圧することにより、前記ガラス基板及び前記シリコン基板の前記一方を、その中央部が前記ガラス基板及び前記シリコン基板の他方に近づくように、湾曲させるステップと、
   前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の空間領域に液晶を注入するステップと、
   を備えた、液晶表示素子の製造方法。
2. 前記ガラス基板及び前記シリコン基板の前記一方の中央部の変形量は、前記スペーサの直径の１／３０〜１／２０の範囲である、
   請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法。
3. 前記液晶表示素子の駆動時における前記液晶の熱膨張によって前記ガラス基板と前記シリコン基板とが平行になるように、前記ガラス基板及び前記シリコン基板の前記一方を湾曲させる、
   請求項１又は２に記載の液晶表示素子の製造方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の液晶表示素子の製造方法によって製造された液晶表示素子に、光源から出射された光を照射するステップと、
   前記液晶表示素子における前記光の反射光によって干渉縞が表示されている状態を維持しつつ、前記液晶表示素子をプレートに設置するステップと、
   を備えた、液晶デバイスの製造方法。
5. 前記光源は、レーザー光源及びＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源の何れかであって、前記光源から出射される前記光は、青色波長域の光である、
   請求項４に記載の液晶デバイスの製造方法。
6. シリコン基板と、
   スペーサと、
   前記シリコン基板と前記スペーサを介して対向配置されたガラス基板と、
   前記ガラス基板と前記シリコン基板との間の空間領域に封入された液晶と、
   を備え、
   前記シリコン基板は、液晶表示素子の駆動前の状態において、その中央部が端部よりも前記ガラス基板に近くなるように湾曲して形成されている、
   液晶表示素子。
7. 前記シリコン基板は、液晶表示素子の駆動前の状態において、その中央部が端部よりも前記スペーサの直径の１／３０〜１／２０の範囲内で前記ガラス基板に近くなるように湾曲して形成されている、
   請求項６に記載の液晶表示素子。
8. 前記シリコン基板は、前記液晶表示素子の駆動時における前記液晶の熱膨張によって前記ガラス基板と前記シリコン基板とが平行になるように、湾曲して形成されている、
   請求項６又は７に記載の液晶表示素子。

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