JP4058077B2 - 液晶表示素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子の製造方法に係り、さらに詳細には上部基板と下部基板との間のセルギャップ間隔を一定に保つことによって表示特性を改善した平板表示素子の製造方法に関する。

現在、画像表示素子としては陰極線管（ＣＲＴ）と平板型表示素子の液晶表示素子（ＬＣＤ）、プラズマ表示素子（ＰＤＰ）、ＥＬＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｄｅ）、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などが用いられている。

前記画像表示素子のうちの、陰極線管は画質及び明るさにおいて他の素子に比べてはるかに優れた性能を有する。しかし、体積が大きく且つ重いので大型スクリーンには使用し難い。

一方、平板表示素子は陰極線管に比べて体積及び重量が非常に小さいので、漸次普及しつつあり、次世代用の表示素子としてそれに関する研究が盛んに行われている。

特に、液晶表示素子は外部からの電界印加の有無によって結晶の配列が変化する液晶固有の特性を用いる表示素子であって、例えばＦＬＣＤ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）−ＬＣＤ、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）−ＬＣＤ、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）−ＬＣＤ、プラスチックＬＣＤなどが開発されている。

図１は通常の液晶表示素子の構造を示す断面図であって、まず、二枚の透明基板１１，１１′にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｈｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極１２，１２′と配向膜１３，１３′を順次積層して第１及び第２基板１０，１０′を形成した後、第１及び第２基板１０，１０′の配向膜１３，１３′の間にスペーサ１４を散布させ、シーラント１６を用いて前記第１及び第２基板１０，１０′を接合してセルギャップを形成する。次いで、前記セルギャップ内に液晶を注入することによって液晶層１５を形成する。

このような構造を有する液晶表示素子は外部電圧が印加されるか否かによって液晶の配列が変化し、よって液晶層に入射する光が遮蔽及び透過される。すなわち、透明電極に電圧が印加されて液晶層に電界が形成されると液晶が一定方向に整列し、液晶の整列様子によって表示素子の液晶層内部に照射される光が遮蔽又は透過される。このような液晶の駆動特性は、液晶表示素子の内部に形成された液晶層の厚さによって相当影響される。すなわち、液晶の物理化学的反応は印加される電圧の強さ及び両電極間の距離によって決定されさるため、仮に液晶層の厚さが不揃いであれば、液晶の電圧に対する物理化学的反応が変わり透過率が不均一となる。従って、液晶表示素子液晶層の厚さを一定に保つためにセルギャップの間隔を一定に保つことは、上品な液晶表示素子を製造するための核心となる技術と言える。

しかしながら、従来の液晶表示素子においては、所望のセルギャップの間隔よりその直径が大きい球状又はシリンダ状のスペーサを、透明基板、透明電極及び配向膜が順次積層された二枚の基板のうちのいずれか一枚の配向膜上に塗布した後、配向膜が相対向するように残り基板を配置し、両基板の縁部に接着物質のシーラントを塗った後、熱又は光（ＵＶ）を照射しながら両基板を圧着することによってセルギャップを形成した。

このような方式でセルギャップの間隔を調節すれば諸問題が発生する。まず、スペーサが不揃いの状態で塗布されるので部分的に集塊現象が生じ、この結果、セルギャップの間隔に偏差が生じる。また、スペーサの直径が不均一であるためセルギャップの間隔を均一に調節し難い。さらに、スペーサがセルギャップ内に完全に固定されないため、液晶注入時にスペーサが流動することで配向膜が損傷されるおそれがあり、両基板を加熱圧着する時にスペーサにより電極が損傷されるおそれもあって、この結果、形成される液晶表示素子の遮蔽及び透過特性が制限される。

前述した問題点を克服し得る方案として、フォトリソグラフィ法を用いたスペーサ形成方法が提案されたことがある。該方法は、基板上に感光性物質を塗布した後、露光、現像工程を通じて望むパターンを有するスペーサを形成する方法である。しかし、該方法によれば配向膜が損傷されるおそれがある。

一方、前述したような液晶表示素子にカラー表示機能を与えたカラー液晶表示素子は、光の３原色の赤色、緑色及び青色カラーフィルタよりなるカラーフィルタ層を具備する基板（以下、第１基板と称する）、薄膜トランジスタを含む能動回路部を具備する基板（以下、第２基板と称する）、前記両基板の間にスペーサを塗布してなるセルギャップに液晶を注入してなる液晶層よりなる。

図２及び図３は、カラーフィルタ層を含む第１基板の構造を示したものである。このような第１基板の形成過程を概略的に説明すれば次の通りである。まず、透明基板２１に遮光用のブラックマトリックス２２ａ（図２）を形成する。次に、基板２１の全表面にかけて赤色の分光特性を有する顔料の分散された感光性アクリル樹脂を塗布し、ベーキング、露光及び現像過程を通じて赤色フィルタ２３を形成する。緑色フィルタ２４及び青色フィルタ２５も前記赤色フィルタ２３と同一の方法で形成して赤色、緑色及び青色フィルタよりなるカラーフィルタ層２０を完成する。前記カラーフィルタは、一般に、ストライプ状、ドット状又はモザイク状に形成し得る。

図３は、ブラックマトリックス２２ｂがカラーフィルタ層２０の形成段階以後に形成された基板を示す。

次いで、前記ブラックマトリックス（２２ａ又は２２ｂ）とカラーフィルタ層２０を外部の衝撃から保護し得るように表面硬度が高くかつ光透過性の良好な透明樹脂から保護膜２６を形成し得る。

次に、液晶の駆動のための透明電極層２７を形成し、その上に配向膜２８を形成することによって第１基板を完成する。

前述したように、製造された液晶表示素子のカラーフィルタでは、３波長の蛍光ランプから照射される光が電気的信号に応じて開閉される液晶パネルを通じて一定の波長帯の光のみを選択的に透過するフィルタ層を通過することによって所定のカラーフィルタを具現する。

製造方法として、印刷法の以外に、サンドブラスティング（ｓａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ）法も用いられているが、サンドブラスティング法は工程が複雑であるだけではなく収率も非常に低い。

一方、レーザ転写法は３０年前から印刷、組版、写真などの分野で開発されて用いられている。このようなレーザ転写法は、転写される物質（例えば、染料、顔料など）を含む転写層から転写される物質を受容体（ガラス又は高分子フィルム）側に所望のパターン通りに押し出して転写する原理を用いる方法である（例えば、特許文献１及び２）。

初期は、転写される物質（染料、顔料など）と光が照射されて分解されるニトロセルロースとの混合物を基材フィルム上に塗布して用いた。こうすれば、ニトロセルロースが熱分解して発生する気体の爆発力によって顔料、染料などが基板上に転写される（例えば、特許文献１）。

しかしながら、転写するに必要なエネルギ量が大きいため、より安定的に且つ効率よく転写し得る構造が必要となった。これに応じて開発されたのがドナーフィルムであるが、ドナーフィルムの構造は転写される物質の大きさ及び物性、そして使用する光源によって変わる。ドナーフィルムは、通常、支持体として機能する基材フィルム上に、光を吸収してこれを転写エネルギとして提供する光吸収層及び転写される物質を含む転写層よりなる。ここで光吸収層は、約１０００Åの光を吸収して分解反応によって熱を発生したりガスを発生することによって、転写層を受容体上に転写させるに必要なエネルギを提供する役割を果たす。

図４は通常のレーザ転写法で用いられる転写装置を概略的に示したものであって、これに基づいて前述したレーザ転写法をさらに詳しく説明する。

図４を参照すれば、まず、光源４１から高出力のレーザビームが放出される。光源としてはＮｄ／ＹＡＧのような高出力の固体レーザ、ＣＯ_２ 、ＣＯのようなガスレーザ又はダイオードと結合したＮｄ／ＹＡＧ（Ｄｉｏｄｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ Ｎｄ／ＹＡＧ）（０．１〜４Ｗ）などが用いられる。放出されたレーザビームはビームスプリッタ４２を経て同一の強度を有する多数本のビームに分けられる。このように、一本のビームを多数本のビームに分けて各々の形状によって強度比を調節することで望む形態に物質を転写させ得る（例えば、特許文献３）。

多数本のビームに分けられたレーザビームは、転写しようとする形状によってモジュレータ４３で強度比が調節された後、集束光学系４４を通じて光繊維４５を通じて転写しようとする物質の塗布されたドナーフィルム４６上に照射される。この際、ドナーフィルムのうちの光に晒される部分に塗布された物質のみが基板４７上に転写される。ステージ４８の動きは、望むパターンの形状によってビーム束の強度を調節するラスター４９とともにコンピュータ５０によって制御される。

本発明者らは、前述した転写方法を用いて、平板表示素子の上部基板と下部基板との間のセルギャップを一定に保つことによって表示特性を改善し、本発明を完成するに至った。
米国特許第３７８７２１０号明細書 米国特許第５３２６６１９号明細書 米国特許第４７９６０３８号明細書

本発明の目的は、上部基板と下部基板との間のセルギャップが一定であり、表示特性が改善された液晶表示素子の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、０）二枚の透明基板のうちのいずれか一枚の透明基板に赤色、緑色及び青色カラーフィルタからなるカラーフィルタ層を形成する段階と、ａ）前記カラーフィルタ層を形成した透明基板のカラーフィルタ層を形成した基板上と前記カラーフィルタ層を形成しない透明基板上とに各々透明電極を積層した後、配向膜を積層してそれぞれ第１及び第２基板を形成する段階と、ｂ）前記第１基板の配向膜側から所定間隔離れた位置に基材フィルム、光吸収層及び転写層よりなるドナーフィルムを設ける段階と、ｃ）前記ドナーフィルムに光源からの光りを照射して転写層のスペーサ形成用高分子物質を前記第１基板上のカラーフィルタ間のブラックマトリックスの形成される位置に転写することによって各々の高さ（長さ）及び隣接した両スペーサ間の間隔が一定な不透明スペーサを形成する段階と、ｄ）前記第１基板上に配向膜が相対向するよう第２基板を積層する段階と、ｅ）前記第１又は第２基板のうちの少なくとも一方に光又は熱を加えて両基板を接着する段階とを含むことを特徴とする液晶表示素子の製造方法が提供される。

本発明による利点を以下に説明する。

まず、液晶表示素子において、一定高さを有するスペーサ物質を望む位置に転写するのでスペーサの集塊現象なしで一定厚さの液晶層を形成し得る。また、転写層に含まれた硬化剤及び光開始剤（又は熱開始剤）を用いて両基板を接着させるので従来の基板加熱圧着工程時に発生するスペーサによる電極損傷が生じなく、スペーサ物質が光（又は熱）によって硬化されて両基板間に固定されるので、液晶注入時にもスペーサの未固着による配向膜の損傷を防止し得る。さらに、シーラントを用いる別途の基板接着工程を施す必要がない。

カラー液晶表示素子の場合は、不透明なスペーサをブラックマトリックスの形成される位置に形成し、前記スペーサがブラックマトリックスの光遮蔽の役割を兼ねることによってブラックマトリックスを別途に形成する必要がない。

すなわち、本発明の液晶表示素子の製造方法によれば、製造工程が単純化され、かつ、画素間の混色防止特性及び高輝度特性が改善された液晶表示素子を具現し得る。

このように製造された本発明の液晶表示素子及びその製造方法は前述したように、ＦＬＣＤ、ＳＴＮ−ＬＣＤ、ＴＦＴ−ＬＣＤ、ＴＮ−ＬＣＤ、プラスチックＬＣＤなどの製造時に有効に用い得る。

以下、添付した図面に基づき本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。但し、本発明はこれに限定されない。

図５は本発明による液晶表示素子の一態様を示したものであって、参照符号５１及び５１′は第１及び第２基板を、参照符号５２及び５２′は透明基板を、参照符号５３及び５３′は透明電極を、参照符号５４及び５４′は配向膜を、参照符号５５は転写方法より形成されたスペーサを、参照符号５６は液晶層をそれぞれ示す。

図５から判るように、均一な厚さを有するスペーサが一定の間隔により形成されている。

図５に示すような液晶表示素子は次のように製造される。

まず、二枚の透明基板５２，５２′上に各々透明電極５３，５３′と配向膜５４，５４′を順次積層して第１及び第２基板５１，５１′を形成した後、前記第１基板５１の配向膜５４側から所定間隔離れた位置に基材フィルム、光吸収層及び転写層よりなるドナーフィルムを設ける。次いで、前記ドナーフィルムの基材フィルムに光源からの光を照射して転写層のスペーサ形成用物質を前記第１基板５１上に転写し、前記第１及び第２基板の配向膜５４，５４′が相対向するよう前記第１基板５１上に第２基板５１′を積層する。その後、前記第１又は第２基板のうちの少なくとも一方に光又は熱を加えて両基板を接着することによって液晶表示素子を完成する。

図６は、転写段階をさらに詳しく説明するためのものである。

まず、透明基板６７、透明電極６６、配向膜６５を順次積層して第１基板を形成する。転写のために、基材フィルム６２上に光吸収層６３と転写層６４を順に塗布してドナーフィルムを製造する。次に、前記配向膜６５と転写層６４が相対向するように配置し、前記基材フィルム６２側から光源６１からの光を照射する。照射されたエネルギは転写装置６０を通じて基材フィルム６２を通過して光吸収層を活性化することによって熱分解反応に応じて転写エネルギを放出させ、これら転写エネルギによってスペーサ形成用の物質が配向膜上に転写される。

前述の如く、前記ドナーフィルムは、基材フィルム、光吸収層及び転写層が順次積層された構造を有する。

さらに詳しくは、前記基材フィルムは光透過率が９０％以上であることが好ましいが、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカボネートなどのフィルムが挙げられる。

前記光吸収層は光を吸収して転写エネルギに変換させる役割を果たすものであって、高分子物質又は金属物質を含むことができる。ここで、高分子物質としてはポリアクリル系樹脂が多用されるが、ここにカーボンブラックまたはブラックピグメント（ｂｌａｃｋ ｐｉｇｍｅｎｔ）を混合して用いることが好ましい。また、金属物質としては数百ｎｍ程度のアルミニウム膜を用いることが好ましい。

前記転写層はスペーサ形成用高分子物質を主成分とし、開始剤及び硬化剤を含む。従って、後続する硬化工程で転写されたスペーサを硬化させることによって両基板を接着し得る。すなわち、シーラントを用いる別途の基板接着工程が必要なく、工程が単純化される。ここで、スペーサ形成用高分子物質としてはポリアクリル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、エポキシ樹脂、フェノル−ホルムアルデヒド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などを用いることができ、開始剤としてはアゾ基（−Ｎ＝Ｎ−）、ジスルファイド（−Ｓ−Ｓ−）、パーオキサイド（−Ｏ−Ｏ−）などのような不安定な作用基を有する有機物質、さらに詳しくは、光開始剤としてはべンゾイルパーオキサイドを、熱開始剤としてはベンゾフェノン、イミダゾールなどを用い得る。硬化剤としては本発明の分野で適用可能なものなら特別に限定されない。

一方、前記光吸収層と転写層との間に緩衝層をさらに含んでいても良いが、緩衝層は光吸収層から伝達されたエネルギによって転写層の断面が不均一になったり、光吸収層の一部が一緒に転写されることを防止するために形成される。

さらに、転写層の転写時に用いられる光源としては、レーザ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどのＵＶ／ＶＩＳ光源又はサーマルヘッドが挙げられ、基板の接着段階は、適切な光源から光又は熱エネルギを供給してスペーサを硬化させることによって行われる。この際、用いられる光源は転写時用いられる光源と同一なものが用いられ、好ましくは高圧水銀ランプ、キセノンランプ又はフラッシュランプなどを用い得る。

前述した製造方法を通じて形成された液晶表示素子において、スペーサの高さは０．５〜１０μｍであり、これらスペーサ間の間隔は１０〜１０００μｍであることが好ましい。

一方、前記二枚の基板のうち、いずれか一枚の基板に赤色、緑色及び青色カラーフィルタよりなるカラーフィルタ層をさらに形成することによってカラー液晶表示素子を製造することができ、場合によっては前記カラーフィルタ層上に保護膜をさらに形成しても良い。

この場合には、スペーサが前記各色のカラーフィルタの間に対応する液晶層内の領域、すなわちブラックマトリックスの形成される領域に前記各色のカラーフィルタ間の領域をカバーする程度の大きさに形成され、吸光度が２以上、高さが０．５〜１０μｍであることが好ましい。ここで、吸光度（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ：いわゆるＯＤ）とは光の遮蔽性を示す尺度であって、光の透過率に基づき計算する。基準となる波長は、応用する分野に応じて、異なり、一般にグリーンの領域である５５０ｎｍ，または人間の視覚曲線と類似したフィルタを用いたビジュアルＯＤ（Ｖｉｓｕａｌ ＯＤ）が多用される。計算方法は、次の通りである（単位：なし）：ＯＤ＝ｌｏｇ_１０Ｉ_ｏ ／Ｉ＝ｌｏｇ_１０１／Ｔ（ただし、式中、Ｉ_ｏ は基準光（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ） 、Ｉは測定光（透過光）、Ｔは透過率を示す。）。

このような構造を有する液晶表示素子を図７に示した。

図７において、参照符号７１及び７１′は透明基板を、参照符号７２はカラーフィルタ層を、参照符号７３，７４及び７５は各々赤色、緑色及び青色カラーフィルタを、参照符号７６は保護膜を、参照符号７７及び７７′は透明電極を、参照符号７８及び７８′は配向膜を、そして参照符号７９は転写方法でカラーフィルタ間のブラックマトリックスの形成位置に対応して転写された不透明スペーサをそれぞれ示す。

図７から判るように、ブラックマトリックスの形成される位置に不透明スペーサが形成されてスペーサの役割と共にブラックマトリックスの役割も果たすのでブラックマトリックスを別途に形成する必要がない。さらに、前記の方法によって形成された不透明スペーサの高さは前述したように０．５〜１０μｍであって、常用されるブラックマトリックスの高さ（約１４００Å）より高いので混色防止機能及び高輝度特性が改善される。

従来の液晶表示素子の断面図である。 カラー液晶表示素子のカラーフィルタ層の一実施例を示した断面図である。 カラー液晶層のカラーフィルタ層の他の実施例を示した断面図である。 レーザビーム転写法で一般に用いられる装置を概略的に示したものである。 本発明による液晶表示素子パネルの一態様を示した斜視図である。 スペーサ形成用物質の転写方法を説明するための図である。 本発明による液晶表示素子パネルの他の態様を示した断面図である。

符号の説明

２０…カラーフィルター層、
２１…透明基板、
２６…保護膜、
２７…透明電極層、
２８…配向膜、
５１…第１基板、
５２…透明基板、
５３…透明電極、
５４…配向膜、
５５…スペーサ、
５６…液晶層、
６０…転写装置、
６１…光源、
６２…基材フィルム、
６３…光吸収層、
６４…転写層、
６５…配向膜、
６６…透明電極、
６７…透明基板、
７１…透明基板、
７２…カラーフィルタ層、
７６…保護膜、
７７…透明電極、
７８…配向膜、
７９…不透明スペーサ。

Claims (5)

1. ０）二枚の透明基板のうちのいずれか一枚の透明基板に赤色、緑色及び青色カラーフィルタからなるカラーフィルタ層を形成する段階と、
   ａ）前記カラーフィルタ層を形成した透明基板のカラーフィルタ層を形成した基板上と前記カラーフィルタ層を形成しない透明基板上とに各々透明電極を積層した後、配向膜を積層してそれぞれ第１及び第２基板を形成する段階と、
   ｂ）前記第１基板の配向膜側から所定間隔離れた位置に基材フィルム、光吸収層及び転写層よりなるドナーフィルムを設ける段階と、
   ｃ）前記ドナーフィルムの基材フィルム上に光源からの光を照射して転写層のスペーサ形成用物質を、前記第１基板上のカラーフィルタ間のブラックマトリックスの形成される位置に転写させることによって高さ及び隣接した両スペーサ間の間隔が一定である不透明スペーサを形成する段階と、
   ｄ）前記スペーサ上に配向膜が相対向するよう第２基板を積層する段階と、
   ｅ）前記第１又は第２基板のうちの少なくとも一方に光又は熱を加えて前記スペーサを硬化させて前記第１及び第２基板の配向膜の間に固定させることによって両基板を接着する段階とを含むことを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
2. 前記段階ｂ）で基材フィルムがＰＥＴフィルム又はポリカーボネートフィルムから選択されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法。
3. 前記転写層のスペーサ形成用の高分子物質がポリアクリル、ポリイミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、エポキシ樹脂、フェノル−ホルムアルデヒド樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂よりなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法。
4. 前記段階ｃ）で、前記光源がレーザ、キセノンランプ、またはハロゲンランプであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法。
5. 
   
   前記カラーフィルタ上に保護膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子の製造方法。

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