JP4901134B2 - 液晶表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置及びその製造方法に関する。

近年、平板表示装置（FPD）分野において、液晶表示装置（ＬＣＤ）、プラズマ表示装置（ＰＤＰ）、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）及び真空蛍光表示装置（ＶＦＤ）等が活発に研究されている。量産化技術、駆動手段の容易性及び高画質等の理由から、現在は、液晶表示装置（以下、「ＬＣＤ」という。）が脚光を浴びている。ＬＣＤは、液晶の屈折率異方性を利用して画面に情報を表示する装置である。

ＬＣＤは、一対の基板間に光スイッチ機能を有する媒体である液晶を充填している。この基板間のギャップを均一かつ一定に維持するために、一般にスペーサと呼ばれる部材が基板間に備えられている。

従来のＬＣＤにおける液晶パネルでは、一方の基板に柱状のスペーサ（以下、「カラムスペーサ」という。）が形成され、これに他方の基板を一方の基板に対向して配置し、この両基板をシール材で封止する。

従来のＬＣＤは、カラムスペーサが他方の基板には接着されない構成をとっていた。従って、大型の表示画面に適用された場合、指先で押される等の外圧を受けることにより、基板間隔が変動することにともなって電極間隔が変動して表示画面に不具合が生じてしまう等の問題がある。

この問題を解決するために、カラムスペーサを加圧及び加熱することによって硬化させて他方の基板に接着させるＬＣＤが開発されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、加圧及び加熱する場合には、両基板を重ね合わせた時の圧力によって、硬化前のスペーサが変形し、精密なギャップ制御ができなくなってしまう。

この問題を解決するために、印刷法によってカラムスペーサの頭部に接着剤層を形成して、この接着剤層により他方の基板を接着させたものが開発されている（例えば、特許文献２参照）。

上記のように印刷法によって上記接着剤層を形成する場合、この接着剤層を形成するための製造設備や製造工程を新たに追加することとなる。従って、製造設備を追加することに加えて、製造工程が増えることによって製造製品の歩留まりの低下を招く可能性があるため、生産コストが高くなってしまう。

また、従来のＬＣＤにおいて、両基板のギャップを封止するためのシール材は、それ自体が接着性を有する熱硬化性樹脂を使用してカラムスペーサとは別途に一方の基板上に形成され、加圧及び加熱により他方の基板に接着させることが一般的である。これは、接着剤を使用して接着した場合には、この接着剤による不都合（例えば、未硬化成分や不純物の液晶中への混入）があったためである。
特開２００３−３３００２９号公報 特開２００４−１２７７２号公報

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、従来のＬＣＤに対して、製造工程の削減、基板間のセルギャップ均一性の向上、及び狭額縁化を実現する液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、一対の基板のうち一方の基板上に、カラムスペーサ及びウォールを形成する工程、カラムスペーサ及びウォールを形成した基板上に、有機溶剤で接着剤を希釈した接着剤溶液を適用する工程、接着剤溶液を適用した基板に対向して他方の基板を重ね合わせ、次いで、接着剤溶液の有機溶剤を乾燥させてカラムスペーサの上部面に残存する接着剤を介して、このカラムスペーサを他方の基板と接着させる工程、接着剤を介して接着させた基板間に液晶を注入する工程とを含むことを特徴とする。

この場合、カラムスペーサ及びウォールは、同一材料の感光性樹脂から同時にパターン形成される。

カラムスペーサ及びウォールをフォトリソグラフィー法により一方の基板上に同時に形成し、この基板上に接着剤溶液を滴下した後、他方の基板を重ね合わせて有機溶剤を乾燥させ、接着剤が膜状に薄く残存してカラムスペーサ及びウォールの上部面に他方の基板を接着させることにより、従来のＬＣＤに対して、製造工程を簡単化し、基板間のセルギャップ均一性を向上させ、及び狭額縁化を実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を適用した実施例について説明する。

図１は、本発明を適用した液晶表示装置の平面図である。液晶表示装置１は、一対の基板、この両基板間のギャップを維持するためのカラムスペーサ３、両基板の周辺を封止するシール材の役割をするウォール５、及び両基板に挟まれている液晶１５とから構成されている。上記一対の基板は、２枚のうち少なくとも一方が透明であり、以下に説明する実施例においては、５インチのサイズの透明電極（以下、「ＩＴＯ」とういう。）付きガラス基板を適用している。カラムスペーサ３及びウォール５は、感光性樹脂を材料としており、３．５μｍの高さに形成されている。ここで適用可能な感光性樹脂の例としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、環化ゴム、ノボラック樹脂、ポリエステル、ポリウレタン、アクリレート樹脂、ビスフェノール樹脂等が挙げられる。液晶１５は、従来のＬＣＤにも用いられている液晶の何れの種類でもよいが、以下に示す実施例においては、フッ素型ＴＮ液晶を適用している。

本発明を適用した液晶表示装置の製造工程は、一対の基板の一方にカラムスペーサ及びウォールを形成する工程、カラムスペーサ及びウォールを形成した基板上に有機溶剤で溶解した接着剤の溶液（以下、「接着剤溶液」という。）を滴下する工程、接着剤溶液を滴下した一方の基板に対向して他方の基板を重ね合わせ、次いで、有機溶剤を乾燥させて接着剤を残存させることにより他方の基板を接着させる工程、及び以上の工程により作製された一対の基板間に液晶を注入する工程とからなる。以下、第１実施例及び第２実施例について、図２Ａ〜図２Ｅを参照しながら詳細に説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、各製造工程を説明するための図であって、図１において液晶表示装置１をＸ−Ｘ'に沿って切断した部分の断面図である。

＜第１実施例＞
先ず、一対の基板のうち一方の基板にカラムスペーサ及びウォールを形成する工程について説明する。この工程では、フォトリソグラフィー法により、基板上にカラムスペーサ及びウォールを同時に形成する。図２Ａは、基板上にカラムスペーサ及びウォールを形成した際の断面図を示している。この工程の詳細を次に説明する。

初めに、カラムスペーサ３及びウォール５の材料である感光性樹脂を第一の基板７上にスピンコートで塗布し、この塗布した感光性樹脂の溶剤をプリベークにより蒸発させる。次いで、マスクを介して上方から紫外線を照射する。ここで適用するマスクは、カラムスペーサ３及びウォール５用のパターン模様を有している。このマスク上のパターン模様の無い部分に対応する感光性樹脂は、紫外線によって照射後軟化する。次いで、現像液で処理することにより、軟化した感光性樹脂を除去する。最後に、残った感光性樹脂をポストベークする。

以上のフォトリソグラフィー法による工程を行うことによって、３．５μｍの高さのカラムスペーサ３及びウォール５を同時に形成するとともに、幅の狭いウォール５を正確に作製することができる。

なお、本実施例では、カラムスペーサ及びウォールの高さを３．５μｍとしているが、カラムスペーサ及びウォールの高さは、作製する液晶表示装置の用途に応じて、２〜１０μｍの範囲で設定するものとする。

カラムスペーサ３及びウォール５を第一の基板７上に形成した後、これを洗浄して乾燥する。次いで、この上にポリイミド（ＰＩ）を塗布する。ここで、ポリイミドは、本実施例において、日産化学工業株式会社の製品であるＳＥ７４９２（商標登録）を適用した。ポリイミドを塗布した第一の基板７を２００℃で３０分間焼成した後、ラビング処理を行って配向膜を形成する。

次に、配向膜を形成した第一の基板７上に接着剤溶液を滴下する工程を行う。図２Ｂは、配向膜を形成した第一の基板７上に接着剤溶液を滴下した際の断面図を示している。この時、接着剤溶液９は、カラムスペーサ３及びウォール５の上部面に接触しており、セルギャップと同じおよそ３．５μｍの厚さで塗布される。

上記有機溶剤としては、アセトン（ＣＨ_３ＣＯＣＨ_３）のように配向膜を荒らしてしまう程の強い溶解性を除き、適用する接着剤を溶解するものならば適用可能である。例えば、メチルエチルケトン（以下、「ＭＥＫ」という。）が挙げられる。

上記接着剤としては、液晶中に不純物として溶けた場合にも、液晶の光スイッチ機能を妨害しないようなものであれば適用可能である。即ち、この接着剤は、液晶の分子と形状及び大きさが類似した分子から成り、メソゲンを有する熱硬化性樹脂であればよい。この接着剤の分子と液晶の分子との関係の詳細については後述する。

本実施例では、メソゲンを有する熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂であるジャパンエポキシレジン株式会社の製品であるＹＸ４０００（登録商標）を適用した。このＹＸ４０００は、ほぼ純粋なビフェニル型エポキシ樹脂である。なお、エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂としては、アクリレート樹脂やアリル樹脂等が適用可能である。

接着剤溶液９の作製について説明する。有機溶剤であるＭＥＫに接着剤であるＹＸ４０００を溶解して濃度２０％の飽和溶液を作製した後、エチルアルコール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）で希釈して接着剤溶液９を作製した。本実施例において適用可能な濃度範囲の詳細については後述する。

次に、接着剤溶液を滴下した一方の基板に対向して他方の基板を重ね合わせ、次いで、有機溶剤を乾燥させて接着剤を残存させることにより他方の基板を接着させる工程を行う。図２Ｃは、図２Ｂに示した接着剤溶液９を滴下した第一の基板７に対向して、第二の基板１１を重ね合わせた際の断面図を示している。ここで、第二の基板１１はラビング処理による配向膜の形成を済ませたものを適用している。また、図２Ｄは、図２Ｃに示した接着剤溶液９中の有機溶剤を乾燥させた後の断面図を示している。

接着剤溶液９中の有機溶剤を乾燥させる方法について説明する。先ず、図２Ｃに示した第一の基板７及び第二の基板１１を金属治具を用いて固定する。この状態で、温度設定を１６０℃にして６時間ヒートチャンバーに放置して、接着剤溶液９中の有機溶剤を乾燥させた。

有機溶剤の乾燥後、カラムスペーサ３及びウォール５の上部面に残存する接着剤層１３を介して、カラムスペーサ３及びウォール５が同時に対向する第二の基板１１に接着される。なお、接着剤層１３は、第一の基板７及び第二の基板１１の配向膜上、カラムスペーサ３の側面及びウォール５の側面にも（図示せず）残存する。ただし、接着剤層１３を構成する接着剤が、その分子構造に液晶と同じメソゲンを有するため、配向膜上に残存しても配向に対して与える影響を小さくできる。

従来技術においては、スペーサと基板との間に塗布された接着剤の厚さは、スペーサの高さの１０％程度である。この場合には、塗布された接着剤に厚みがあることによって、スペーサと基板とを接着させる際に接着剤が不均一に広がる。そのため、スペーサ上部面の接着部分の幅を広めにとっておかなければならない。

これに対して、本発明においては、接着剤層１３がカラムスペーサ３及びウォール５の上部面に薄く残存するため、上述した従来技術のようにスペーサ上部面に不均一に広がることがなく、ウォール５の上部面の幅をより狭く構成することができる。上記工程において滴下した接着剤溶液９を乾燥させた後に、カラムスペーサ３及びウォール５の上部面と、第一の基板７及び第二の基板１１の配向膜上とに残存する接着剤層１３は、５×１０^−３μｍを超える厚さであって５×１０^−１μｍ以下の厚さで形成される。

次に、基板間に液晶を注入する工程を行う。図２Ｅは、基板間に液晶が注入された際の断面図を示している。液晶１５は、第一の基板７、第二の基板１１、及びウォール５に囲まれた空間を満たすまで注入される。以上の工程によって、図１に示した液晶表示装置１が完成する。

接着剤溶液９の濃度について説明する。図３は、接着剤溶液の濃度に関する実験結果の表を示している。この実験では、３つの濃度、０．５％、１．０％、及び３．０％の接着剤溶液９をそれぞれ適用して、液晶表示装置１を作製した場合の粘着性及び液晶の配向への影響について調べた。

図３の表における粘着性は、基板とカラムスペーサ３及びウォール５が接着したか否かを示す項目である。濃度が０．５％及び１．０％の場合には、全てのサンプルにおいて‘×’であり、３．０％の場合には、全てのサンプルにおいて‘○’となっている。‘×’は、接着性が弱く、基板とカラムスペーサ３及びウォール５が接着しなかったことを示している。‘○’は、十分な接着性があって、基板とカラムスペーサ３及びウォール５が接着したことを示している。

図３の表における液晶の配向は、有機溶剤を乾燥させた後に基板間に注入した液晶１５が、電極からの電気信号に応じて光スイッチとして正常に機能するか否かを示す項目である。濃度が０．５％及び１．０％の場合は、基板とカラムスペーサ３及びウォール５が接着されず、基板間に液晶を注入することができないため対象外である。３．０％の場合には、全てのサンプルにおいて‘○’となっている。これは、基板間に注入した液晶１５が、光スイッチとして正常に機能したことを示している。

上記のような図３の表に示した実験結果から、液晶表示装置１の作製用として適用可能である接着剤溶液９中の接着剤の濃度は１％より大きい値であればよいことが分かった。例えば、室温３０℃において、ＹＸ４０００をＭＥＫとエチルアルコールとの混合溶媒で溶解し、飽和状態の濃度は８０％であったが、本発明において適用可能である接着剤溶液９中の接着剤の濃度範囲は、好ましくは１％より大きく１５％以下、より好ましくは３．０％以上１０％以下である。

液晶と接着剤との関係について説明する。液晶は、その性質が分子の形状に大きく依存しており、その分子の細長い構造により液晶としてのユニークな特性が現れる。そのため、液晶の分子の形状と異なった形状の不純物が混じってしまうと、液晶の性質が変化し、その特性が失われてしまう。スペーサに基板を接着するための接着剤が液晶中に混じった場合には、不純物となる。この不純物は、液晶に対して様々な影響を及ぼす可能性がある。本発明においては、次に説明する理由により液晶に対する影響を小さくすることができる。

本実施例において適用している接着剤であるＹＸ４０００はビフェニル系エポキシ樹脂であり、構造式は以下に示す通りである。

本実施例において適用している液晶は、フッ素型ＴＮ液晶であり、複数の単体から成る混合物である。この混合物を構成する各単体の構造式は以下に示す通りである。

接着剤層１３であるＹＸ４０００の分子と液晶１５であるフッ素型ＴＮ液晶を構成する分子とは、上記のように類似した形状及び同程度の分子量である関係にある。この分子構造上の関係により、カラムスペーサ３及びウォール５に第二の基板１１を接着させた時点からある程度の時間が経過した後に接着剤の一部が不純物として液晶中に混在した場合においても、液晶１５の特性に悪い影響を与えることはない。ここで、YＸ４０００の分子はビフェニル構造であるが、液晶１５にビフェニル構造以外であるシクロヘキサン構造等が混在していても、液晶が有すると同様のメソゲン構造を有していれば、液晶１５の特性に悪い影響を与えることはない。

なお、上述した接着剤層１３と液晶１５との分子構造上の関係、及び適用する接着剤溶液９の濃度から、第一の基板７及び第二の基板１１に形成した配向膜が担う機能を妨害することもない。

以上から、本実施例において、カラムスペーサ３及びウォール５をフォトリソグラフィー法により第一の基板７上に同時に形成し、この第一の基板７上に接着剤溶液９を滴下した後、第二の基板１１を重ね合わせて有機溶剤を乾燥させ、接着剤層１３が膜状に薄く残存してカラムスペーサ３及びウォール５の上部面に第二の基板１１を接着させる。これにより、従来のＬＣＤに対して、カラムスペーサを形成した基板に対向する基板を接着する際の製造工程を簡単化するとともに、基板間のセルギャップ均一性の向上及び狭額縁化を実現することができた。

本発明に係る製造方法では、ウォール５にも、適切な接着性が得られ、且つ液晶中に混入した際に配向に悪い影響を与えることのない接着層を形成することができるため、ウォール５を形成する材料として、それ自体が接着性を有する熱硬化性樹脂ではなく、カラムスペーサ３と同一材料の感光性樹脂を用いて、同時にウォール５をパターン形成することができた。

＜第２実施例＞
本実施例は、両基板に挟まれた接着剤溶液から有機溶剤を乾燥させる方法を減圧することにより行うという点で上記第１実施例と異なる。以下、第１実施例と異なる工程についてのみ説明する。なお、第１実施例と同じ部材には同じ符号番号を付すものとする。

有機溶剤を乾燥させて接着剤を残存させることにより他方の基板を接着させる工程において、接着剤溶液９を滴下した第一の基板７及びそれに対向して重ね合わせている第二の基板１１を、減圧乾燥装置等を適用して真空状態に置く。これによって、接着剤溶液９中の有機溶剤を乾燥させ、図２Ｄに示したように、接着剤層１３によって、第二の基板１１とカラムスペーサ３及びウォール５とを接着させる。

以上から、第２実施例では、有機溶剤を乾燥させて接着剤を残存させることにより他方の基板を接着させる工程において、減圧して真空状態に置いて有機溶剤を乾燥させることにより、第１実施例で得られた効果と同様の効果を得ることができる。

本発明を適用した液晶表示装置の平面図である。 本発明に係る液晶表示装置の製造工程を説明するための図である。 本発明に係る液晶表示装置の製造工程を説明するための図である。 本発明に係る液晶表示装置の製造工程を説明するための図である。 本発明に係る液晶表示装置の製造工程を説明するための図である。 本発明に係る液晶表示装置の製造工程を説明するための図である。 接着剤溶液の濃度に関する表を示す図である。

符号の説明

１ 液晶表示装置
３ ウォール
５ スペーサ
７ 第一の基板
９ 接着剤溶液
１１ 第二の基板
１３ 接着剤層
１５ 液晶

Claims (11)

1. 少なくとも一方が透明である一対の基板、該基板間のギャップを維持するカラムスペーサ、該基板間の周辺を封止するウォール、及び該基板間に挟まれた液晶とを備える液晶表示装置の製造方法であって、
   前記一対の基板のうち一方の基板上に、カラムスペーサ及びウォールを形成する工程、
   前記カラムスペーサ及び前記ウォールを形成した基板上に、有機溶剤で接着剤を希釈して、内部にメソゲンを有する接着剤溶液を適用する工程、
   前記基板に対向して他方の基板を重ね合わせ、次いで、前記接着剤溶液の有機溶剤を乾燥させて前記カラムスペーサの上部面にメソゲンを有する接着剤を残存させて、該カラムスペーサを他方の基板と接着させる工程、
   前記接着剤を介して接着させた基板間に液晶を注入する工程と
   を含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
   前記カラムスペーサ及び前記ウォールを、フォトリソグラフィー法により同一のポリマー材料から形成し、前記接着剤を介して前記他方の基板に同時に接着させることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
   前記接着剤溶液中の接着剤の濃度が、３％以上１０％以下であることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
   前記接着剤は、前記メソゲンを内部に有する熱硬化性樹脂であることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
   前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂であることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
6. 請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法であって、
   前記接着剤溶液を乾燥させる工程は、加熱又は減圧により行うことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
7. 配向膜が形成されている一対の基板を有し、前記一対の基板の一方の基板上に形成されたカラムスペーサ及び液晶を封止するために周辺部に設けられたウォールの上部面と、対向する基板が接着剤により接着されている液晶表示装置において、
   前記カラムペーサとウォールとが同一のポリマー材料により構成されて、
   前記接着剤は内部にメソゲンを有して、前記接着剤を 有機溶剤で希釈して適用する接着剤溶液を乾燥させて形成されることを特徴とする液晶表示装置。
8. 前記一対の基板の配向膜上と、前記カラムスペーサ及び前記ウォールの上部面とに５×１０−３μｍを超える厚さであって５×１０−１μｍ以下の厚さの接着剤層が形成されており、該カラムスペーサ及びウォールの上部面に形成された接着剤層を介して前記対向する基板が接着されて構成されていることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 前記同一のポリマー材料は、感光性樹脂であることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
10. 前記接着剤層が、前記メソゲンを内部に有する熱硬化性樹脂から成ることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
11. 前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。

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