JP4886841B2

JP4886841B2 - 液晶表示素子

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Publication number: JP4886841B2
Application number: JP2009280465A
Authority: JP
Inventors: 克徳室内
Original assignee: Toshiba Mobile Display Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2016-10-23
Also published as: JP2010055123A

Description

本発明は、液晶表示素子に関し、特に、液晶表示素子を構成する２つの基板の間隔を制御するための、複数種の支持部材を有した液晶表示素子に関する。

従来より、液晶表示素子を製作するにあたっては、基板間に設けられたシール剤の液晶注入口より液晶を注入し、２つの基板を近接するように加圧して一部の液晶を液晶注入口より外部に排出した後、加圧を解除して液晶注入口より封止剤を吸い込ませてこれを硬化させることにより、基板間の間隙に液晶層を封入した液晶表示素子を製作している。

ところで、液晶表示素子においては、液晶層の厚みを制御して表示画面の品質を保つために、基板間の距離を制御するスペーサが基板間の間隙に配置されている。スペーサには、シリカやポリエチレン等の球状物質を用いた真球状スペーサの他、各種パターンニング工程で基板上にあらかじめパターニングされたスペーサ等があり、特に、パターニングされたスペーサを適用した液晶表示素子では、真球状スペーサを適用した液晶表示素子と比較して、表示画素部で真球状スペーサの周囲における液晶の配向異常による光漏れがないという利点があることから、需要の増大が見込まれている。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）

図６に一例を示したように、上述したパターニングされたスペーサの一例であるスペーサ１２ｂおよび１２ｄは、ガラス基板１に設けられた遮光層（ブラックマトリックス）１３ａ〜１３ｄ上にパターニングにより形成・配置されているが、液晶層の厚みを一定に制御するために、スペーサ１２ｂおよび１２ｄのガラス基板１からの高さｈはすべて約５μｍであり、また、真球状スペーサにおいてもその直径は一定のものが用いられていた。なお、以下、図６および図９において、ＢＭおよびＰで示された領域は、それぞれ、遮光部および画素部を示している。

しかしながら、上述したように、液晶層の厚みを一定に制御するために、基板からの高さがすべて同じ柱状スペーサあるいは直径の一定した真球状スペーサ等を用いた場合には、図７および図８に示したように、注入された一部の液晶を液晶注入口より外部に排出した後、加圧を解除して液晶注入口より封止剤１４を吸い込ませた際の封止剤１４の吸い込み幅ｌは、基板間に設けられたシール剤１５により基板同士を張り合わせたセルに加えた圧力に正比例する。

液晶表示素子の構成ごとに異なるものであるが、通常、封止剤１４の吸い込み幅ｌは、封止部１６の強度等に鑑みて１．０ｍｍ程度に制御される必要がある。図８（ａ）あるいは（ｂ）に示したように、適当な吸込み幅（ここでは、０．８〜１．２ｍｍ）を与える圧力範囲が狭いために、セルに加える圧力の状態（圧力、圧力分布等）を厳密に設定しなければならず、セルに圧力を加える際に用いた治具詰め位置の違い等によってセルに加わる圧力の状態が変化すると、液晶表示素子における吸込み幅ｌが容易に変化する。吸込み幅ｌが０．８ｍｍより小さくなると、強度が低下し、液晶表示素子からの液晶の漏出等が発生して液晶表示素子の製造歩留まりが低下したり、使用に際して耐久性に劣るという問題があり、一方、吸込み幅ｌが１．２ｍｍより大きくなると、表示画素部に入り、表示不良になる問題があった。

また、吸込み幅の変化による封止部の上記の問題を抑制する目的から、図９に示したように、スペーサ１２ａ〜１２ｄあるいは真球状スペーサ等の数を多くした場合には、図８（ｃ）に示したように、通常、基板に負荷可能な圧力では吸込み幅が十分にとれないために、十分な強度を有する液晶表示素子を製造することができないという問題があった。

特開昭５９−１３９０１８号公報特開平５一１９６９４６号公報

本発明は、上記した従来からの問題を解決するためになされたもので、生産性および耐久性に優れ、堅牢な液晶表示素子を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示素子は、遮光部および前記遮光部間の画素部を備えたカラーフィルタ基板と、表示電極および駆動素子を備えたアレイ基板と、前記カラーフィルタ基板と前記アレイ基板との間に保持された液晶層と、を備えた液晶表示素子であって、前記カラーフィルタ基板は、前記遮光部上に同一工程で形成された、樹脂からなる第１の柱状支持部材および樹脂からなり前記第１の柱状支持部材の高さより低い第２の柱状支持部材をそれぞれ有し、前記第１の柱状支持部材および前記第２の柱状支持部材は、それぞれ画素あたり０．１〜０．９個の密度で配置され、かつ切断面の断面積が５０〜５００μｍ^２であることを特徴とする。

本発明の液晶表示素子によれば、第１および第２の高さとなる第１および第２の支持部材を、第１の基板と第２の基板との間隙に配置したことにより、第１および第２の基板を近接するように加圧して基板間に設けられた液晶注入口から液晶を排出する際に生じる液晶の排出量の変動を、加圧する際に用いた圧力の状態が変化したとしても緩衝できるので、加圧を解除して液晶注入口より封止剤を吸い込ませた際の封止剤の吸い込み幅を加圧の状態にかかわらずほぼ一定に保つことが可能となる。

本発明の実施形態において、ガラス基板上に形成された着色樹脂層および２種類のスペーサを示した図である。本発明の実施形態において、ガラス基板上に着色樹脂層および２種類のスペーサを形成する工程を示した図である。本発明の実施形態において、セルの構成を示した断面図である。本発明の実施形態において、セルへ加える圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２を越えた場合のセルの状態を示した断面図である。本発明の実施形態において、各セルに加えた圧力と各セルが注入口より吸い込んだ封止剤の吸込み幅ｌとの関係を示した図である。ガラス基板上に形成された、ガラス基板からの距離が５．０μｍのスペーサ１２ａおよび１２ｃを示した図である。液晶表示素子における封止剤の吸い込み幅ｌを示した図である。液晶表示素子のセルに加えた圧力と封止剤の吸い込み幅ｌとの関係を示した図である。ガラス基板上に形成された、ガラス基板からの距離が５．０μｍのスペーサ１２ａ〜１２ｄを示した図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

実施形態の液晶表示素子は、主面が対向するように配置された第１の基板および第２の基板と、これら第１の基板と第２の基板との間隙に保持された液晶層と、第１の基板と第２の基板との間隙に配置され、第１の高さとなる第１の柱状の支持部材と、第１の基板と第２の基板との間隙に配置され、第１の支持部材の高さより低い第２の柱状の支持部材とを備えている。そして、第１の基板と第２の基板との間に加えられる負荷圧力が所定の値以下の場合には、第１の基板と第２の基板により形成されるセルが第１の支持部材のみによって支持され、負荷圧力が所定の値を越える場合には、セルが第１の支持部材と第２の支持部材によって支持されるように構成されている。

なお、基板間に設けられた液晶注入口から液晶を排出する際に与えられる圧力は、液晶表示素子の構成ごとに異なるものではあるが、通常、基板１ｃｍ^２当り２．０〜４．０ｋｇ程度である。

本発明の実施形態において、基板とは、耐熱性および耐薬品性に優れ、液晶表示素子に適用可能なものであれば限定はされないが、通常は、青板ガラス、白板ガラスあるいは石英ガラス等のガラス基板を用いることができる。また、基板の主面とは、液晶表示素子において液晶を挟持した側の面を示すものである。

また、第１および第２の支持部材としては、基板に与えられる所定の圧力のもとで、第１の基板と第２の基板との距離を第１および第２の長さとなるように制御可能なものであるならば限定はされないが、例えば、メラミン樹脂、尿素樹脂あるいはポリスチレン樹脂等の樹脂系の真球状スペーサやシリカ系の真球状スペーサ等を用いることができ、さらに、各種パターンニング工程で基板上にあらかじめ形成した上述の柱状スペーサを適用すれば、真球状スペーサを適用した液晶表示素子と比較して、表示画素部で真球状スペーサの周囲における液晶の配向異常による光漏れがないという利点があることから、第１および第２の支持部材として柱状スペーサを用いることがより好ましい。

第１および第２の支持部材として真球状スペーサを用いる場合には、通常の散布によって第１および第２の基板の間隙に配置すればよく、また、柱状スペーサを用いる場合には、液晶表示素子の特性に悪影響を与えないという条件で、柱状スペーサを基板上のどの位置に配置してもよい。

柱状スペーサの基板間への配置としては、例えば、光が通過できる画素の有効表示面積の割合を示す開口率に影響を与えないことから、基板上に形成されたブラックマトリックス上に形成して配置することが挙げられる。柱状スペーサをパターンニング工程で基板上に形成するにあたっては、柱状スペーサを基板上に形成する工程を独立して設けてもよいが、工程数の増加を抑制するという観点から、例えば、柱状スペーサをブラックマトリックス上に形成する場合には、着色ポリイミド等に代表される赤、青あるいは緑の着色樹脂のブラックマトリックス上への形成と並行して同時に行うことが望ましい。

また、第１の基板と第２の基板との距離は、第１および第２の支持部材として真球状スペーサあるいは柱状スペーサのいずれを用いた場合でも、第１の支持部材によって与えられる第１の高さとしては２．０μｍ〜１０．０μｍ程度、第２の支持部材によって与えられる第２の高さとしては１．０μｍ〜９．０μｍ程度が好ましく、このとき、第１の高さと第２の高さとの差が絶対値として０．１μｍ〜９．０μｍ程度となるようにすることが望ましい。

さらに、第１および第２の支持部材を２つの基板の間隙に配置するにあたっては、配置密度がほぼ均一であることが好ましい。第１および第２の支持部材として真球状スペーサを用いた場合には、第１の高さを与える第１の支持部材については、画素（画面全体を格子状に細分化して得られる、各々が色および明るさの情報を蓄えた微小単位）あたり０．１〜１０個程度、また、第２の高さを与える第２の支持部材については、画素あたり０．１〜１０個程度とすることが好ましい。第１および第２の支持部材として柱状スペーサを用いた場合には、第１の高さを与える第１の支持部材については、画素あたり０．１〜０．９個程度、また、第２の高さを与える第２の支持部材については、画素あたり０．１〜０．９個程度とすることが好ましい。なお、第１および第２の高さの柱状スペーサの形状は、通常、円柱、直方体、あるいは立方体の形態に、柱状スペーサを基板の主面に対して並行な向きに切断したときに得られる切断面の断面積が最大で約５０〜５００μｍ^２となるように形成される。

また、実施形態において、液晶は、第１および第２の基板の間隙に液晶が保持されるように配置されたシール剤およびシール剤に設けられた液晶注入口を封止した封止剤を用いて、第１および第２の基板の間隙に保持される。シール剤は、通常、液晶表示素子に用いられるシール剤であれば、その種類は特に限定されるものではない。このようなシール剤としては、主に熱硬化性樹脂や紫外線硬化樹脂等を挙げることができ、熱硬化性樹脂は、一液性のタイプや使用前に調合する二液性のタイプのものが通常用いられる。このような熱硬化性樹脂としては、架橋度の高いエポキシ樹脂やフェノール樹脂等を好適に用いることができ、硬化剤としては、アミン、カルボン酸あるいは酸無水物等を挙げることができる。

さらに、封止剤としては、該封止剤が液晶と接触したり封止時に基板および封止部が液晶で濡れたりしている条件においても、確実に封止部を封止する必要があることから、封止剤としては、純度の高いシリコーン樹脂、紫外線硬化樹脂、エポキシ樹脂あるいはアクリル樹脂等の樹脂を好適に用いることができる。

なお、本発明の実施形態の液晶表示素子は、単純マトリックス型やアクティブマトリックス型等の駆動方式にかかわらず、２つの基板を近接するように加圧し、一部の液晶を液晶注入口より外部に排出した後、加圧を解除して液晶注入口より封止剤を吸い込ませてこれを硬化させることにより、基板間の間隙に液晶層を封入した形態の液晶表示素子であるならば、各種の液晶表示素子の形態を取り得ることはいうまでもない。

以下に、図面を参照しながら、本発明の液晶パネルの製造方法を詳細に説明する。なお、各図面において、同一の構成には同一の符号を付し、図面ごとの説明は省略する。

はじめに、図１に示したように、１．１ｔ厚のガラス基板１に形成されたブラックマトリックス２ａ〜２ｄ上に、赤、緑および青の顔料をポリイミドに分散させた赤色樹脂層３ａ、緑色樹脂層３ｂ、青色樹脂層３ｃを形成すると同時に、ガラス基板１からの高さｈ_１が５．０μｍのスペーサ４ａおよび４ｂとガラス基板１からの高さｈ_２が４．５μｍのスペーサ５ａおよび５ｂとを、顔料分散法（エッチング法）により、図２に示す工程を経て形成した。なお、図１において、ＢＭおよびＰで示された領域は、それぞれ遮光部（ブラックマトリックス）および画素部を示している。

図２に示すように、ブラックマトリックス２ａ〜２ｄが形成されたガラス基板１上に（図２（ａ））、まず赤色の顔料を分散した着色ポリイミド前駆体液１７をスピンコートして、乾燥、予備加熱し（図２（ｂ））、さらにポジレジスト６を塗布した（図２（ｃ））後にマスク７を用いて露光した（図２（ｄ））。なお、スペーサを同時に形成するために、マスク７は、ブラックマトリックス２上の所定の位置にも露光されるように構成されている。

次に、アルカリ水溶液でポジレジスト６の現像および着色樹脂層のエッチングを行い（図２（ｅ）および図２（ｆ））、有機溶剤によりポジレジスト６を剥離して、赤色樹脂層３ａおよびスペーサのパターン８ａ〜８ｄを形成した（図２（ｇ））。次いで、上記の工程を繰り返して、緑色および青色樹脂層のパターン３ｂおよび３ｃを形成したが、緑色樹脂層３ｂおよび青色樹脂層３ｃの形成工程において、スペーサ５ａおよび５ｂに相当するスペーサのパターン８ａおよび８ｃには緑色樹脂層および青色樹脂層を形成しなかった（図２（ｈ））。

なお、本実施例においては、ガラス基板１からの高さｈ_１が５．０μｍのスペーサ４ａおよび４ｂの配置密度と、ガラス基板１からの高さｈ_２が４．５μｍのスペーサ５ａおよび５ｂの配置密度とは、それぞれ画素あたり０．５個であり、ガラス基板１と平行する面で切断した場合に得られる最大の断面積はともに１５０μｍ^２である。

次に、図３に示すように、図１に示した基板に不図示の表示電極を形成した基板９（カラーフィルタ基板）と、１．１ｔ厚のガラス基板の一主面に表示電極（不図示）および駆動素子および駆動素子に給電する電極（不図示）を形成した基板１０（アレイ基板）とに配向処理を施し、液晶の注入および排出に用いる注入口を設けて袋状に塗布されたシール剤により２枚の基板を貼り合わせて対角１６インチのセル１１を作成した。なお、セル１１においては、セル１１へ加える圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２以下の場合には、スペーサ４ａおよび４ｂによってセル１１を支持し、セル１１へ加える圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２を越えた場合には、図４に示したように、スペーサ４ａ、４ｂおよび５ａ、５ｂによってセル１１を支持するように構成されている。

次いで、こうして得られたセル１１を複数用意し、各セル１１の注入口より液晶組成物（Ｅ．Ｍｅｒｃｋ株式会社：ＺＬＩ−１１３２）と捩じれ成分（Ｅ．Ｍｅｒｃｋ株式会社：Ｓ−８１１）との混合物を十分注入し、各セル１１ごとに圧力を０〜４．０ｋｇ／ｃｍ^２の範囲で変化させつつ加圧して、液晶組成物と捩じれ成分との混合物の一部を排出した。次に、各セル１１への加圧を解除すると同時に、各セル１１の注入口より封止剤（ソニーケミカル株式会社：ＵＶ１００７）を吸い込んで注入口を封止した。図５は、前述したように、各セル１１に加えた圧力と各セル１１が注入口より吸い込んだ封止剤の吸込み幅ｌとの関係を示した図である。

図５から明らかなように、セル１１を加圧する際の圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２以下の場合には、セル１１が注入口より吸い込んだ封止剤の吸い込み幅ｌは急激に上昇するが、セル１１を加圧する際の圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２を越えた場合には、セル１１が注入口より吸い込んだ封止剤の吸い込み幅ｌはなだらかに上昇する。

これは、図４に示したように、セル１１を加圧する際の圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２を越えた場合には、スペーサ４ａおよび４ｂのみならず、スペーサ５ａおよび５ｂにおいてもセル１１を支持するために、セル１１を加圧する際の圧力が２．０ｋｇ／ｃｍ^２を越えた場合にもセル１１の変形が抑制されるために、封止剤の吸込み幅ｌの増加の割合が減少するからであると考えられる。

なお、本実施例においては、封止剤の吸い込み幅ｌの規格を１±０．２ｍｍとした場合、この規格を満足するためにセル１１に負荷可能な圧力は、２．０〜３．８ｋｇ／ｃｍ^２の範囲に渡っていた。

一方、比較例として、図６に示したように、スペーサとして、配置密度が画素あたり０．５個であって、ガラス基板１からの高さが５．０μｍのスペーサ１２ａおよび１２ｃを備えた以外は本実施例と同じ構成のセルを用いて、本実施例と同様の条件で各セルに加えた圧力と各セルが注入口より吸い込んだ封止剤の吸込み幅ｌとの関係を検討した。

その結果、比較例においては、封止剤の吸い込み幅ｌの規格を１±０．２ｍｍとした場合、この規格を満足するためにセルに負荷可能な圧力は、２．０〜３．０ｋｇ／ｃｍ^２の範囲であり、実施例と比較してセルを加圧する際に適用できる圧力の許容範囲が狭かった。

したがって、本実施例においては、セルに加える圧力の状態を厳密に設定する必要がないので、セルに加えた圧力の状態が変化したとしても、比較例と比べて封止剤の吸い込み幅ｌの規格を安定して一定の範囲に維持することができ、液晶表示素子の製造歩留まりの向上を達成することができた。また、本実施例においては、要求された強度に対応する、封止剤の吸い込み幅ｌの規格を、セルに加圧できる圧力の範囲内で容易に満足することができるので、封止剤による封止部の強度を十分に保つことができ、堅牢な液晶表示素子を得ることができた。

なお、本実施例では、スペーサは２種類の高さであり配置密度も同等であるが、スペーサの高さの変更、スペーサの形態の変更、スペーサの多種類化あるいはスペーサの配置密度を変更したりすることにより、封止剤の吸い込み幅ｌの規格やこの規格を満足するためにセルに負荷可能な圧力の範囲を任意に制御することができるのはいうまでもない。

本発明の液晶表示素子によれば、第１および第２の高さとなる第１および第２の支持部材を、第１の基板と第２の基板との間隙に配置したので、液晶注入口より封止剤を吸い込ませた際の封止剤の吸い込み幅を加圧の状態にかかわらず所定の範囲内に保つことができ、生産性および耐久性に優れ、堅牢な液晶表示素子を提供することが可能となる。

１………ガラス基板、２ａ〜２ｄ………ブラックマトリックス、３ａ………赤色樹脂層、３ｂ………緑色樹脂層、３ｃ………青色樹脂層、４ａ，４ｂ………スペーサ、５ａ，５ｂ………スペーサ、６………ポジレジスト、７………マスク、８ａ〜８ｄ………スペーサのパターン、９………カラーフィルタ基板、１０………アレイ基板、１１………セル、１２ａ〜１２ｄ………スペーサ、１３ａ〜１３ｄ………遮光層、１４………封止剤、１５………シール剤、１６………封止部、１７………着色ポリイミド前駆体液。

Claims

遮光部および前記遮光部間の画素部を備えたカラーフィルタ基板と、表示電極および駆動素子を備えたアレイ基板と、前記カラーフィルタ基板と前記アレイ基板との間に保持された液晶層と、を備えた液晶表示素子であって、
前記カラーフィルタ基板は、前記遮光部上に同一工程で形成された、樹脂からなる第１の柱状支持部材および樹脂からなり前記第１の柱状支持部材の高さより低い第２の柱状支持部材をそれぞれ有し、
前記第１の柱状支持部材および前記第２の柱状支持部材は、それぞれ画素あたり０．１〜０．９個の密度で配置され、かつ切断面の断面積が５０〜５００μｍ^２であることを特徴とする液晶表示素子。
前記第１の柱状支持部材の高さは２．０〜１０．０μｍであり、前記第２の柱状支持部材の高さは１．０〜９．０μｍであって、その差は０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
前記第１の柱状支持部材および前記第２の柱状支持部材は、それぞれ着色樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。