JP3910994B2

JP3910994B2 - 液晶表示素子の製造方法

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Publication number: JP3910994B2
Application number: JP2005228088A
Authority: JP
Inventors: 崎大輔宮; 内昭一倉; 藤仁羽; 川輝行緑
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2015-09-08
Also published as: JP2005331989A

Description

この発明は液晶表示素子に係り、表示性能が良く、歩留りが高く、工程数の少ない液晶表示素子に関する。

現在、一般的に用いられている液晶表示素子は、電極を有する２枚のガラス基板を対向させて、その２枚の基板の周囲が液晶封入口を除いて接着剤で固定され、２枚の基板間に液晶が挟持され、液晶封入口が封止剤で封止された構成となっている。この２枚の基板間の距離を一定に保つためのスペーサとして粒径の均一なプラスティックビーズ等を基板間に散在させている。

カラー表示用の液晶表示素子は２枚のガラス基板の内１枚にＲＧＢの着色層のついたカラーフィルタが形成してある。例えば、単純マトリクス駆動のカラー型ドットマトリクス液晶表示素子においては、横（Ｙ）方向に帯状にパターニングされたＹ電極を有するＹ基板と縦（Ｘ）方向に帯状にパターニングされたＸ電極の下に着色層を有するＸ基板とを、Ｙ電極とＸ電極がほぼ直交するように対向設置し、その間に液晶組成物を挟持した構成を持っている。液晶表示素子の表示方式としては、例えばＴＮ（Twisted Nematic ）形、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic ）形、ＧＨ（Guest Host）形、あるいはＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence ）形や強誘電性液晶などが用いられる。封止剤としては、例えば熱または紫外線硬化型のアクリル系またはエポキシ系の接着剤などが用いられる。

また、カラー型アクティブマトリクス駆動液晶表示素子においては、スイッチング素子、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を半導体層とした薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とそれに接続された画素電極と信号線電極、ゲート電極が形成されたアクティブマトリクス基板であるＴＦＴアレイ基板とそれに対向設置された対向電極を有し、ＲＧＢカラーフィルタを対向基板上に形成し、アクティブマトリクス基板上から対向基板へ電圧を印加する電極転移部材（トランスファー）として銀ペースト等を画面周辺部に配置し、この電極転移材で２枚の基板を電気的に接続し、この２枚の間に液晶組成物を挟持した構成をしている。さらに、この２枚の両側に偏光板を挟持し、この偏光板光をカラー画像を表示する際の表示シャッタとしている。

しかしながら、プラスティックビーズ等をスペーサとして用いるこれらの液晶表示素子では、２枚の基板間に散在させたスペーサ周辺の液晶の配向が乱れ、スペーサ周辺部から光が漏れコントラストが低下してしまうという問題がある。また、スペーサを均一に分散させることは困難であり、スペーサを基板上に散在させる工程でスペーサが不均一に配置され、表示不良となり歩留りの低下を招いていた。

このため、プラスティックビーズ等を使用しない液晶表示素子を実現するため、ＴＦＴ部にカラーフィルタの複数の着色層を積層して柱状スペーサを形成するようにしたものが提案されている。

しかしながら、各着色層の形成順序は必ずしも一定ではなく、製造ラインの都合によりロットによって変更になることがあった。その結果、次のような問題が発生している。
（１）複数の色の着色層膜厚の内、少なくとも１色の膜厚を他の色の膜厚とは変えて複数のギャップに対応するいわゆるマルチギャップ対応方式の場合には、積層順序が変わることでスペーサ高さが変わってしまい、予定のギャップに対応することができない。
（２）各着色層の表面粗さが異なる場合、積層柱の強度、対向基板との貼り合わせ時に潰れ量が異なったり対向基板との接触の程度が異なったりすることで、所望のギャップを得ることができない。
（３）各着色層の硬度が異なる場合は対向基板との貼り合わせ時のこすれでの削れ量が異なるために、所望のギャップを得ることができない。
（４）各着色層の不純物量が異なるために、最上層がＴＦＴ、ＴＦＤなどのスイッチング素子近傍に位置する場合、最上層に不純物の多い着色層が来るとスイッチング素子への不純物拡散でスイッチング素子の特性劣化につながる。

本発明は、上記問題を解決しようとするものであり、表示品位が良く、歩留りが高い、積層着色層によるスペーサを有するカラー表示型液晶表示素子を安価に提供する事を目的とする。

本発明によれば、２枚の基板のうちの一方に複数の着色層を用いてカラーフィルタ及び前記着色層の積層体として柱状スペーサを形成し、前記２枚の基板を対向させ、これらの対向する基板間に液晶を注入して挟持させる液晶表示素子の製造方法において、前記複数の着色層は互いにその固形分濃度が等しい状態で前記基板上に塗布され、かつ、前記積層体の積層順序を変えることにより、前記柱状スペーサの高さを調整することを特徴とするものである。

本発明によれば、２枚の基板のうちの一方に複数の着色層を用いてカラーフィルタ及び前記着色層の積層体として柱状スペーサを形成し、前記２枚の基板を対向させ、これらの対向する基板間に液晶を注入して挟持させる液晶表示素子の製造方法において、前記複数の着色層は互いにその固形分濃度が等しい状態で前記基板上に塗布され、かつ前記カラーフィルタを構成する着色層の厚さがそれぞれ異なっているので、積層順を変えるだけで柱状スペーサの高さを容易に変更することができ、マルチギャップに対応することができるとともに、品種ごとに最適なセルギャップを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明に関連する液晶表示素子の実施の一形態を示す素子断面図であり、この液晶表示素子は、アクティブマトリクス基板１０と対向基板３０が対向し、両基板の間に液晶組成物４０が封入挟時されたものとなっている。

ガラス基板１１の主面側のＴＦＴ部にはゲート電極１２が、配線部には走査線１３がそれぞれ配設され、これらの上には絶縁膜１４が堆積されている。この絶縁膜１４上でゲート電極１２の上方にはアモルファスシリコンよりなる半導体膜１５が形成され、この半導体膜１５および絶縁膜１４にまたがるようにソース１６およびドレイン１７が半導体膜１５の中央部に所定の距離を隔てて対向するように形成されている。ドレイン１７には信号線（図示せず）が連結されて形成され、ソース１６には画素電極１９が連結形成されている。そして、ＴＦＴ部および配線部の全面に保護膜２０が形成され、画素部の全面には配向膜２１が形成されている。
また、上側の対向基板３０は、ガラス基板３１上に画素位置に合わせて形成された赤、緑、青のカラーフィルタ３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂを有している。また、これらのカラーフィルタ材料が積層され、柱状のスペーサ３３が形成されている。このスペーサ３３は赤色層３３Ｒ、緑色層３３Ｇ、青色層３３Ｂよりなっており、これらはカラーフィルタ３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂに対応するものである。そして全面に透明電極膜３４および配向膜３５が堆積されている。カラーフィルタの厚さは青色層３３Ｂが最も厚く、緑色層３３Ｇがこれに次ぎ、赤色層３３Ｒが最も薄くなっている。したがって、スペーサの高さに占める各色の層の割合もこのカラーフィルタの厚さに比例したものとなっている。

両基板は対向され、対向基板３０のスペーサ３３はアクティブマトリクス基板１０に当接するようにされている。そして両基板の間には液晶組成物４０が充填封入されている。

次に、このような液晶表示素子を製造する本発明の方法の過程につき説明する。

まず、通常ＴＦＴを形成するプロセスと同様に厚さ１．１ｍｍのコーニング社製の＃７０５９ガラス基板１１上に成膜とパターンニングを繰り返し、薄膜トランジスタと電極配線をマトリクス状に形成する。ここでは縦横それぞれ１００画素、合計１００００画素とアモルファスシリコンＴＦＴアレイを有するアクティブマトリクス基板１０を形成するものとする。その後配向膜材料としてＡＬ−１０５１（日本合成ゴム（株）製）を全面に５００オングストロームの厚さで塗布し、ラビング処理を行い、配向膜２１を形成する。

次に対向基板側においては、１．１ｍｍの厚みのコーニング社製の＃７０５９ガラス基板３１上にアルカリ現像可能な光硬化型アクリル樹脂にカーボンブラックを分散させた材料をスピンナで塗布し９０℃、１０分の乾燥後、所定のパターン形状のフォトマスクを用いて３００ｍｊ／ｃｍ2 の露光量で露光した後、ｐＨ１１．５のアルカリ水溶液にて現像し、２００℃、１時間の焼成を行って膜厚２．０μｍの格子状パターンの遮光層３６を形成する。この遮光パターン３６を形成したガラス基板３１上に、アルカリ現像可能な市販の着色レジストＣＢ−２０００（富士ハントテクノロジー（株））をスピンナにより塗布、プリベークの後、所定の露光量の１００ｍｊ／ｃｍ2 で露光し、ｐＨ１１．５の現像液で現像する。その後、２００℃、１時間ベークし膜厚２．２μｍの青の着色層３２Ｂを形成する。この時、遮光層上に直径２０μｍの柱状スペーサ３３Ｂを形成する。この赤色を形成した上に、アルカリ現像可能な市販の着色レジストＣＧ−２０００（富士ハントテクノロジー（株））をスピンナにより塗布、プリベークの後、所定の露光量の１００ｍｊ／ｃｍ2 で露光し、ｐＨ１１．５の現像液で現像する。その後、２００℃、１時間ベークし膜厚１．８μｍの緑の着色層３２Ｇを形成する。この時、青の柱状スペーサ３３Ｂ上に直径２０μｍの柱状スペーサ３３Ｇを形成する。この青、緑色を形成した上に、アルカリ現像可能な市販の着色レジストＣＲ−２０００（富士ハントテクノロジー（株））をスピンナにより塗布、プリベークの後、所定の露光量の１００ｍｊ／ｃｍ2 で露光し、ｐＨ１１．５の現像液で現像する。その後、２００℃、１ｈベークし膜厚１．３μｍの赤の着色層３２Ｒを形成する。この時、青、緑の柱状スペーサ３３Ｂ、３３Ｇ上に直径２０μｍの柱状スペーサ３３Ｒを形成する。その後ＩＴＯからなる共通電極３４をスパッタリング法で形成し、ポリイミドからなる配向膜３５を形成後、ラビングによる配向処理を施し、カラーフィルタおよびスペーサを有する対向基板ができあがる。

この対向基板とアクティブマトリクス基板３０とを対向配置し、接着剤３７で貼り合わせ、通常の方法により注入口よりＴＮ液晶組成物４０を注入し、この後注入口を紫外線硬化樹脂で封止する。

この実施の態様では黒色顔料を分散させた樹脂系の遮光層であるが、Ｃｒ、ＣｒＯ／Ｃｒ、ＣｒＯ／Ｃｒ／ＣｒＯなどの金属系の遮光膜を用いることもできる。あるいは遮光層を設けなくても良い。

ここで、着色層の形成順序につき考察する。
一般に着色層は各色により含有不純物の種類および量などが異なるため、表面粗さ、硬度などの物理的性質や、粘度、熱分解温度などの化学的性質が異なっている。このため、塗布と硬化を繰り返す積層過程でどの着色層を先に形成するかにより、膜厚の変動を招く。

図１に示した実施の態様では、カラーフィルタをなす着色層の厚さがそれぞれ異なっている。このように着色層膜厚が異なる場合、積層順序を変えることで、柱状スペーサ高さが異なってくる。

この模様を図２および図３を参照して説明する。
今、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフィルタを形成するものとし、それぞれの所望厚さは３μｍ、２μｍ、１μｍであるとし、固形分濃度はいずれも２０％であるとする。したがって、各フィルタ材料は、乾燥、露光、現像、ベークの各工程を経た後には塗布時の１／５の厚さに収縮する。

まず、ＲＧＢの順に着色層を積層して柱状スペーサを形成するものとすれば、１層目の３μｍ厚のＲ層フィルタおよびスペーサ部分を形成後（図２（ａ））、次のＧ層フィルタを２μｍとするために１０μｍの厚さにＧ層材料が塗布される（図２（ｂ））。この際、すでに３μｍの厚さに形成されているＲ層上にはＧ層材料が７μｍの厚さに塗布されることになる。このため、硬化後にはスペーサ部でのＧ層の厚さは１．４μｍとなる（図２（ｃ））。次にＢ層フィルタを１μｍ厚に形成するために、５μｍの厚さにＢ層材料を塗布すると、柱状スペーサ部分ではその塗布厚さは０．６μｍとなり、硬化後には０．１２μｍとなる。したがってスペーサ柱の高さは合計４．５２μｍとなる。

次に、図３に示すように、同じ膜厚条件でＢＧＲの順にスペーサを積層するものとすれば、１層目のＢ層形成後（図３（ａ））にＧ層フィルタを２μｍ形成するために、Ｇ層材料を１０μｍ塗布すると（図３（ｂ））、スペーサ部での膜厚は９μｍとなる。これを硬化させるとＧ層のスペーサ部は１．８μｍの厚さとなる（図３（ｃ））。次に、Ｒ層フィルタ形成のためにＲ層材料を１５μｍの厚さに塗布すると（図３（ｄ））、スペーサ部では１２．２μｍの厚さとなって、硬化後には２．４４μｍの厚さとなる（図３（ｅ））。したがって、スペーサ柱の高さは合計５．２４μｍとなって、ＲＧＢの場合よりも０．７２μｍも厚くなる。

この例では固形分濃度が一定であったが、各フィルタの膜厚が一定で固形分濃度が異なる場合でも積層順序が異なればスペーサの高さが変わる。この様子を図４および５を参照して説明する。ここでは、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂのフィルタの所望厚さはすべて２μｍとし、固形分濃度はそれぞれ１５％、２０％、２５％であるとする。

まず、ＲＧＢの順に着色層を積層して柱状スペーサを形成するものとすれば、１層目の２μｍ厚のＲ層フィルタおよびスペーサ部分を形成後（図４（ａ））、次のＧ層フィルタを２μｍとするためには塗布時には１０μｍの厚さにＧ層材料が塗布される（図４（ｂ））。この際、すでに２μｍの厚さに形成されているＲ層上にはＧ層材料が８μｍの厚さに塗布されることになる。このため、硬化後にはスペーサ部でのＧ層の厚さは１．６μｍとなる（図４（ｃ））。次にＢ層フィルタを２μｍ厚に形成するために、８μｍの厚さにＢ層材料を塗布すると（図４（ｄ））、柱状スペーサ部分ではその塗布厚さは４．４μｍとなり、硬化後には１．１μｍとなる（図４（ｅ））。したがってスペーサ柱の高さは合計４．７μｍとなる。

次に、同じ膜厚条件でＢＧＲの順にスペーサを積層するものとすれば、１層目のＢ層形成後（図５（ａ））にＧ層フィルタを２μｍ形成するために、Ｇ層材料を１０μｍ塗布すると（図５（ｂ））、スペーサ部での膜厚は８μｍとなる。これを硬化させるとＧ層のスペーサ部は１．６μｍの厚さとなる（図５（ｃ））。次に、Ｒ層フィルタ形成のためにＲ層材料を１３．３３μｍの厚さに塗布すると（図５（ｄ））、スペーサ部では９．７３μｍの厚さとなって、硬化後には１．４６μｍの厚さとなる（図５（ｅ））。したがって、スペーサ柱の高さは合計５．０６μｍとなって、ＲＧＢの場合よりも０．３６μｍも厚くなる。

このように、着色層膜厚が異なる場合、積層順序が変わればスペーサ高さが異なってくる。このような性質を利用してギャップを変える、いわゆるマルチギャップ対応が可能であり、大きなギャップを得る必要がある場合は、膜厚の小さい厚い順に、小さいギャップが必要な場合、膜厚の大きい順に積層する。

また、膜厚が一定で固形分濃度が異なる場合、大きなギャップを得るためには固形分濃度の高い順に、小さなギャップを得るためには固形分濃度の低い順に積層を行えば良い。

こうして形成したカラー表示型アクティブマトリクス液晶表示素子は、着色順序を一定に保つことでセルギャップを一定に保ち安定した品質の液晶表示素子を提供できる。逆に、一定のギャップを得るためには、積層の順を固定することが必要であり、着色層の予定膜厚が異なる品種の場合には一旦決めた膜厚、積層順序を維持することが必要となる。

このようにすることにより、同一品種の液晶表示素子に対しては積層順を固定することにより、一定の膜厚が得られ、所望のギャップを確実に得ることができる。

以上説明した実施の態様ではスペーサを構成する積層膜の膜厚に着目して説明したが、積層材料の物理的、化学的性質を利用して所望の特性を得ることが可能となる。以下、このような例を詳細に説明する。

まず、柱状スペーサを構成する着色層のうち少なくとも互いに接触する２層の表面粗さが異なっている場合を考える。

この場合、互いに接触する２層のうち、上層着色層が下層着色層よりも表面粗さが小さければ、下層側の表面粗さが大きいことにより、密着力が大きくなるという利点がある。このような例としては、最下層から最上層に向けて順次表面粗さが小さくなるような場合、最上層のみが他の層よりも表面粗さが小さい場合、最上層および中間層が最下層よりも表面粗さが小さい場合などが含まれる。

また、柱状スペーサを構成する着色層のうち最上層着色層の表面粗さが他の下層着色層の表面粗さよりも小さくても良い。このような例としては、最下層から最上層に向けて順次表面粗さが小さくなるような場合、最上層着色層の表面粗さが最小で中間層が最大および最下層が中間粗さである場合、最上層の表面粗さが小さく他の層はこれよりも大きい場合、最上層および中間層の表面粗さが小さく最下層が大きいような場合が含まれる。

このうち、最下層から最上層にかけて順次表面粗さが小さくなるような構成では最大の強度を得ることができ、逆に積層順序を一定にすることにより安定した強度を得ることができる。
また、アクティブマトリックス基板側に当接するスペーサ部分の表面粗さが大きければアクティブマトリックス基板に対して接触する面積を小さくすることができ、アクティブマトリックス基板へのダメージを小さくすることができる。

次に、柱状スペーサを構成する着色層の硬度が異なっている場合を考える。

この場合、柱状スペーサはその先端が当接するので、目的により先端の硬度を設定する。

まず、最上層の硬度を他層の硬度よりも大きくすることができる。この場合には、アクティブマトリクス基板との貼り合わせ時の接触で磨耗しにくい。また、柱状スペーサ先端からの圧力に対して圧潰しにくく、スペーサの径を安定して保つことができ、アクティブマトリクス基板との当接面積の拡大を防止できる。

このような例としては、最下層から最上層に向けて順次硬度が大きくなるような場合、最上層、最下層、中間層の順に硬度が小さくなる場合、最上層および中間層がのみが他の層よりも表面粗さが小さい場合、最上層および中間層の硬度が最下層の硬度よりも大きい場合、最上層のみが他の層よりも硬度が高い場合などが含まれる。

逆に、最上層の硬度を少なくとも他の層の硬度よりも小さくすることができる。この場合には、アクティブマトリクス基板との接触の際、アクティブマトリクス基板側に傷が発生しにくい。

このような例としては、最下層から最上層に向けて順次硬度が小さくなるような場合、最上層が中間層、最下層よりも硬度が小さい場合、最上層が、中間層および最下層よりも硬度が小さい場合、中間層、最下層、最上層の順に硬度が小さくなる場合などが含まれる。

また、最上層が中間層および最下層の硬度の中間硬度を有する場合には、最上層が最大硬度である場合と比較してアクティブマトリクス基板に傷がつきにくく、最上層が最小硬度である場合と比較してスペーサの圧潰が少ないという利点がある。

このような性質を考慮して積層順を決定すればスペーサに変形と傷に関して一定の特性を与えることができ、逆に積層順を一定にすることで性質を安定に維持できる。

次に、着色層中に含まれる不純物量を異ならせることができる。

例えば、上層着色層の不純物含有量を少なくとも他の下層着色層の一つの不純物含有量よりも小さくし、あるいは最上層着色層の不純物含有量が他の下層着色層の不純物含有量よりも小さくすることができる。

このようにすることによりＴＦＴなどのスイッチング素子への不純物の影響を減少させ安定した信頼性を持たせることができる。

このような例としては、中間層の不純物濃度が最大で最下層のそれが最小である場合、最下層の不純物濃度が最大で中間層のそれが最小である場合、最上層の不純物濃度が最小で中間層のそれが最大である場合、最下層の不純物濃度が最大で最上層のそれが最小である場合、最下層および中間層の不純物濃度が大きく最上層のそれが最小である場合、最下層の不純物濃度が最大で中間層および最上層のそれが最小である場合などが含まれる。

以上説明した実施の形態では、限定的なものではない。
例えば、対向基板にフィルタを形成したが、アクティブマトリクス基板（アレイ基板）に着色層を設ける際に柱状スペーサを設けても良く上述の実施例に限定しない。

また、上述の実施の形態では３色重ねで柱状スペーサを形成しているが、２色でも良い。

さらに、上述の実施の形態では感光性着色レジストで記述したが、非感光性の樹脂に顔料を分散させたものを通常のフォトリソグラフィ工程でパターン形成しても良く、上述の実施例に限定しない。

また、上述の実施の形態では柱状スペーサの形状を円筒状で記述したが、楕円柱などでも良い。

また、上述の実施例では遮光層が最下層に設置されているが、着色層の最上層あるいは着色層間に設置しても良い。

本発明の実施の一形態を示す断面図である。カラーフィルタの厚さが異なる場合、積層の順序により柱状スペーサの高さが異なることを示す説明図。カラーフィルタの厚さが異なる場合、積層の順序により柱状スペーサの高さが異なることを示す説明図。カラーフィルタの固形分濃度が異なる場合、積層の順序により柱状スペーサの高さが異なることを示す説明図。カラーフィルタの固形分濃度が異なる場合、積層の順序により柱状スペーサの高さが異なることを示す説明図。

符号の説明

１０アクティブマトリクス基板
１１、３１ガラス基板
１２ゲート
１３ドレイン
１６ソース
１９画素電極
２１、３５配向膜
３０対向基板
３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂ着色層
３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ柱状スペーサ
３４共通電極
３６遮光層
３７接着剤
４０液晶組成物

Claims

２枚の基板のうちの一方に複数の着色層を用いてカラーフィルタ及び前記着色層の積層体として柱状スペーサを形成し、前記２枚の基板を対向させ、これらの対向する基板間に液晶を注入して挟持させる液晶表示素子の製造方法において、
前記複数の着色層は互いにその固形分濃度が等しい状態で前記基板上に塗布され、かつ、前記積層体の積層順序を変えることにより、前記柱状スペーサの高さを調整することを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
２枚の基板のうちの一方に複数の着色層を用いてカラーフィルタ及び前記着色層の積層体として柱状スペーサを形成し、前記２枚の基板を対向させ、これらの対向する基板間に液晶を注入して挟持させる液晶表示素子の製造方法において、
前記複数の着色層は互いにその固形分濃度が異なる状態で前記基板上に塗布され、前記カラーフィルタの各色の着色層の厚みは同一に形成し、かつ、前記積層体の積層順序を変えることにより、前記柱状スペーサの高さを調整することを特徴とする液晶表示素子の製造方法。