本発明は、液晶表示装置およびその作製方法に関する。例えば、薄膜トランジスタ(以下、TFTという)で構成された回路を有する液晶表示パネルに代表される電気光学装置およびその様な電気光学装置を部品として搭載した電子機器に関する。
近年、絶縁表面を有する基板上に形成された半導体薄膜(厚さ数〜数百nm程度)を用いて薄膜トランジスタ(TFT)を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタはICや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、特に液晶表示装置のスイッチング素子として開発が急がれている。
ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話に用いられている液晶表示装置は、少なくとも一方に透明電極が形成された透光性を有する一対の基板に液晶材料を挟持して得られる多数の画素を構成し、各画素に電極の選択を行うスイッチング素子を形成し、そのスイッチング素子を選択して、液晶分子の電圧印加による光スイッチングを行い、点灯、非点灯を行うことで表示している。
液晶表示装置において、表示特性を向上させるためには液晶分子を均一に配向させる必要がある。液晶分子を均一に配向させるために設ける配向膜の液晶配向処理はラビングと呼ばれる配向処理や光照射による配向処理がある。
ラビングによる配向処理は、基板上に配向膜を形成した後、ナイロンやレイヨンなどで配向膜の表面を擦る方法であり、広く液晶表示装置の生産に用いられている。しかしながら、ラビングは配向膜を直接、布で擦る方法であるため、静電気が発生する問題や、配向膜を削ってゴミが発生する問題がある。静電気が発生すると基板に形成されているスイッチング素子が破壊される恐れがある。
また、光照射による配向処理は、特殊な材料を用いて配向膜を形成し、プレチルト角を発現させるために照射光を配向膜面に対して斜めに入射する必要がある。従って、基板面に対して照射光エネルギーを均一にすることが困難であり、プレチルト角が不均一となる恐れがある。
TNモードの液晶ディスプレイでは配向膜を成膜した後、光照射や布を用いたラビング処理が必要であったが、リブ構造や、配向分割の技術を用いて液晶の配向を行う垂直配向モード(VAモード)の液晶ディスプレイが注目されている。
また、VA(Vertical Alignment)モードとしては、PVA(Patterned Vertical Alignment)モードやMVA(Multi−domain Vertical Alignment)モードなどが挙げられる。
また、シラン化合物を溶媒に懸濁した溶液を透明導電層上に塗布し、焼成して溶媒を取り除き、得られる自己組織化単分子膜を配向膜として用いる技術により、液晶を垂直配向させる記載が特許文献1に開示されている。
特開2002−23169号公報
本発明は、配向膜の成膜工程を必要とすることなく液晶分子を均一に配向させることを課題とする。
本発明は、自己組織化単分子膜を形成する材料を液晶材料中に分散させ、その混合物を液晶注入法または液晶滴下法によって一対の基板間に挟持させる。こうすることで、配向膜の成膜工程、及び配向処理を必要とすることなく液晶分子を均一に配向させることができる。即ち、配向膜の成膜工程と、液晶封入工程とを順次行うのではなく、本発明は、液晶封入工程で配向膜の形成と液晶封入とを同一工程で行うものである。
液晶材料と一緒に注入または滴下されたシランカップリング剤(自己組織化単分子膜を形成する材料)は、注入後または滴下後に基板界面(または基板上に形成された電極表面)に吸着して自己組織化単分子膜が形成される。この自己組織化単分子膜が配向膜となって液晶分子の長軸を基板に対してほぼ垂直に近いものとし、且つ、液晶分子を均一に配向させることができる。
なお、本発明は流動配向法を用いていない。流動配向法とは、液晶注入法において、セル内に導入される際の流れを利用して液晶分子を一定方向に自動的に配列させる手法である。
また、本発明で使用する液晶材料には、高分子材料(光重合性モノマーや、光重合開始剤や、配向制御のための液晶性モノマーなど)を含ませないものとし、所謂、高分子分散型液晶(PDLC)を利用しない液晶表示装置である。高分子分散型液晶(PDLC)は、偏光板を使用しないが、本発明は、液晶材料に高分子材料を含ませず、偏光板を用いる。本発明は、互いの偏光軸が直交するように2枚の偏光板で挟み、且つ、電圧印加前の初期状態において、非透過の液晶表示パネルである。
また、本発明は、例えば、基板サイズが、320mm×400mm、370mm×470mm、550mm×650mm、600mm×720mm、680mm×880mm、1000mm×1200mm、1100mm×1250mm、1150mm×1300mmのような大面積基板に対して、効率よく液晶表示装置を作製する方法を提供するものである。さらには、基板サイズが、1500mm×1800mm、1800mm×2000mm、2000mm×2100mm、2200mm×2600mm、2600mm×3100mmのような大面積基板を用いる量産に適した液晶表示装置の作製方法を提供する。
また、液晶を封止するために、シール描画、対向基板の貼り合わせ、分断、液晶注入、液晶注入口の封止などといった複雑な工程が必要である。特にパネルサイズが大型になると、毛細管現象を用いて液晶注入を行い、シールで囲まれた領域(少なくとも画素部を含む)に液晶を充填することが困難となってくる。
本明細書で開示する発明の構成は、第1の基板と、第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板とからなる一対の基板間に保持された液晶と、を備えた液晶表示装置の作製方法であり、前記第1の基板上に画素電極を形成し、前記第2の基板上に対向電極を形成し、前記第2の基板上にシール材を描画して仮固定し、前記第2の基板上における前記シール材に囲まれた領域に液晶材料とシランカップリング剤を含む混合物を滴下し、減圧下で前記第1の基板と前記第2の基板とを貼り合わせ、前記シール材を固定することを特徴とする液晶表示装置の作製方法である。
液晶の滴下は、ディスペンサ装置またはインクジェット装置を用いればよい。閉じられたシールパターン内に精度よく、滴下量を安定させることが重要である。なお、インクジェット法は、画素電極に向けて微量の液晶を複数滴噴射(または滴下)で行なうものである。インクジェット法を用いることによって、吐出回数、または吐出ポイントの数などで液晶の量を自由に調節することができる。
また、液晶の滴下(または噴射)は、不純物が混入しないように不活性雰囲気下で行うことが好ましい。また、液晶の滴下(または噴射)を行っている間、基板を加熱して液晶の脱気を行うとともに液晶を低粘度化させる。また、必要であれば液晶の滴下後にスピンを行って膜厚の均一化を図ってもよい。また、貼り合わせの作業は、貼り合わせる際に気泡が入らないように減圧下で行うことが好ましい。
また、液晶滴下法は、必要な箇所のみに必要な量の液晶が滴下されるため、材料のロスがなくなる。また、シールパターンは閉ループとするため、液晶注入口および通り道のシールパターンは不要となる。従って、液晶注入時に生じる不良(例えば、配向不良など)がなくなる。
また、パネルサイズが中型または小型であれば、毛細管現象を用いた液晶注入法を用いることもでき、他の発明の構成は、第1の基板と、第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板とからなる一対の基板間に保持された液晶と、を備えた液晶表示装置の作製方法であり、前記第1の基板上に画素電極を形成し、前記第2の基板上に対向電極を形成し、前記第2の基板上にシール材を描画して仮固定し、前記第1の基板と前記第2の基板とを貼り合わせ、前記シール材を固定し、前記シール材に囲まれた領域に液晶材料とシランカップリング剤を含む混合物を注入することを特徴とする液晶表示装置の作製方法である。
また、上記各構成において、前記液晶材料の液晶の分子長軸が基板に対して垂直に配向するように加熱を行う、即ち再配向処理を行うことが好ましい。特に一対の基板を貼り合わせた後、液晶を注入させる場合には注入の際の液晶の流れが流動配向として残る恐れがあるため、加熱(例えば80℃〜200℃、10分間、好ましくは100℃〜170℃、10分間)を行って再配向処理を行うことが好ましい。また、この再配向処理の際に、前記混合物の自己組織化の反応を進ませ、良好な単分子膜(自己組織化単分子膜またはSAM(Self−Assembled Monolayer)と呼ばれる)を形成することもできる。
また、上記各構成において、前記混合物は、シランカップリング剤を0.001重量%以上10重量%以下含むことを特徴の一つとしている。また、前記混合物は、液晶材料にシランカップリング剤を撹拌させたものであることを特徴の一つとしている。液晶材料にシランカップリング剤が分散してさえいればよいため、分散させるタイミングは、液晶材料の脱気の前または後でもよい。なお、液晶材料にシランカップリング剤を分散させるために、加熱撹拌を行うことが好ましい。
なお、液晶材料にシランカップリング剤を多く含ませた場合、例えば、0.1重量%以上含ませた場合には、自己組織化単分子膜とならなかった残りのシランカップリング剤、即ち未反応のシランカップリング剤が液晶と混合した状態で一対の基板間に存在している。また、液晶材料にシランカップリング剤を10重量%よりも多く含ませると、電圧保持率及びNI点が下がるため、好ましくない。
本明細書において、シランカップリング剤とは、基板に結合(化学吸着)しうる部位(例えば、加水分解してシラノール基を与えるアルコキシ基(トリアルコキシシラン系化合物等)、或いはハロゲン原子(トリハロシラン系化合物等)と、液晶分子に対し垂直配向を有する部位(例えば、炭素原子数10〜22のアルキル基、またはフルオロアルキル基など))とを有するシリコン系化合物である。シランカップリング剤として、具体的には、オクタデシルトリメトキシシラン(ODSとも呼ぶ)、オクタデシルトリクロロシラン(OTSとも呼ぶ)、N,N−dimethyl−N−octadecyl−3−aminopropyl trimethoxysilyl chloride(DMOAPとも呼ぶ)などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
またシランカップリング剤は、加水分解、縮合といった反応を経て自己組織化単分子膜を形成する。従って加水分解を促進するため、水、アルコール、ケトン等の溶媒を液晶中に添加しても良いが、シランカップリング剤は大気中の水分等でも十分に加水分解される。また液晶材料は、液晶合成工程、あるいは通常の液晶表示装置の作製工程においては一時的な大気暴露により水、アルコール、ケトンなどが混入することもあり得る。この程度の含有量であれば加水分解、縮合といった反応が完了するのに十分な量であり、よって必ずしも意図的に加える必要はない。また意図的に水、アルコール、ケトン等を加える場合には、過剰に加える事で電圧保持率特性を低減させるといった悪影響が起きるため1重量%以下であることが好ましい。
また上記トリハロシラン系化合物シランカップリング剤は、加水分解性が高いため水酸基あるいはカルボニル基を有さない溶媒を用いることが好ましい。
また、トリアルコキシシラン系化合物シランカップリング剤を用いる場合には、カルボン酸を触媒として添加して、さらに加水分解反応を進行させてもよい。
本発明の液晶表示装置は、誘電率異方性が負のVA(Vertically aligned)モード型液晶を無電圧状態では垂直に配向させ、電圧を印加した状態では水平に配向させる駆動方式である。また、無電圧状態の時に液晶を垂直方向に配向させるため、黒表示品位が良く、高コントラストが得られる上に、視野角も広く応答性も早いという長所を有している。
本発明は、ラビング処理や光配向処理も必要ないため、大面積基板を用いた大画面を有する液晶表示装置であっても液晶分子を均一に配向させることができる。
本発明の実施形態について、以下に説明する。
(実施の形態1)
ここでは、対向基板側にシール描画、液晶滴下を行う例を説明する。パネル作製の流れを以下に説明する。
まず、図1(A)に示すように、対向基板となる第2の基板120と、予めTFT(図示しない)が設けられている第1の基板110とを用意する。第1の基板110および第2の基板120としては、透光性を有している基板であれば特に限定されないが、透光性を有する基板としては、石英ガラスやバリウムホウ珪酸ガラスなどのガラスを用いたり、透明アクリル樹脂やポリカーボネートなどの材料を用いることができる。
なお、TFTとしては、ポリシリコンを活性層とするTFT(ポリシリコンTFTとも呼ばれる)、アモルファスシリコンを活性層とするTFT(アモルファスシリコンTFTとも呼ばれる)、有機半導体材料を活性層とするTFT(有機TFTとも呼ばれる)のいずれかを用いればよい。
次いで、第2の基板120上に透明導電膜からなる対向電極122を形成する。また、第1の基板110上には透明導電膜からなる画素電極111を形成する。さらに第1の基板110上には基板間隔を保持するための絶縁物からなる柱状スペーサ115を形成する。(図1(B))
次いで、第2の基板120上にシール材112を描画する。シール材112としては、光硬化樹脂や熱硬化樹脂を用いればよい。シール材112としてはフィラー(直径0.5μm〜10μm)を含み、且つ、粘度40〜400Pa・sのものを用いる。なお、後に接する液晶に溶解しないシール材料を選択することが好ましい。このシール材112は閉ループとなって表示領域を囲んでいる。ここでシール材の仮焼成を行う。(図1(C))
次いで、シール材112に囲まれた領域に液晶材料とシランカップリング剤の混合物114をディスペンサ118により滴下する。(図1(D))液晶としては、滴下可能な粘度を有し、且つ、VAモード型の液晶材料を用いればよい。ディスペンサにより無駄なく必要な量だけの混合物をシール材112に囲まれた領域に保持することができる。また、インクジェット法を用いて混合物の滴下を行ってもよい。
次いで、減圧下で液晶の脱気を行う。また、予め液晶の滴下前に脱気を行っていてもよい。
次いで、画素部が設けられた第1の基板110と、対向電極122や配向膜が設けられた第2の基板120とを気泡が入らないように減圧下で貼りあわせる。(図1(E))
次いで、熱処理を行う。この熱処理を行うことによって、混合物に含まれているシランカップリング剤が自己組織化単分子膜を形成する。この自己組織化単分子膜が配向膜となって液晶を垂直配向させる。
次いで、紫外線照射や熱処理を行って、シール材112を硬化させる。(図1(F))なお、紫外線照射を行いながら、熱処理を行ってもよい。
以上の工程により、一対の基板間に液晶が保持される。本実施の形態では、大気圧下で液晶滴下を行った後、減圧下で貼り合わせの工程を行う。さらにシール材の描画も減圧下で行ってもよい。
次いで、1枚の基板から複数のパネルを作製する場合には、一対の基板を貼り合わせた後、スクライバー装置、ブレイカー装置、ロールカッターなどの切断装置を用いて第1の基板または両方の基板を切断する。こうして、1枚の基板から複数のパネルを作製することができる。
以上の工程を経て得られる液晶パネルの断面図の一例を図2に示す。
図2(A)は、第1の基板300と、第2の基板305と、シール302とで囲まれた領域に液晶層303を挟んだ構造を示している。第1の基板上にはITO(酸化インジウム酸化スズ合金)、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2O3―ZnO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電層からなる画素電極301が形成され、第2の基板上にはITO、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2O3―ZnO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電層からなる対向電極304が形成されている。
なお、液晶層303が画素電極301及び対向電極304と接している近傍には単分子膜が形成されている。また、画素電極の近傍を拡大したモデル図を図2(B)に示す。単分子膜の存在によって、液晶層303の液晶分子306は長軸が基板面に対して垂直に配向している。図2(B)に示すように、一端が画素電極に結合し、結合した分子のもう一端が液晶分子の配向に寄与するように機能する、分子の実質的な単分子膜を形成している。
また、以下に示す実験を行った。
(実験1)
評価用の液晶素子作製工程を図3に示す。まず、図3(A)に示すように、透明電極(ITO)が形成された第1の基板500上に散布ノズル501で球状のスペーサ(直径1.9μmビーズスペーサ)を散布する。そして、図3(B)に示すように、滴下ノズル503から透明電極(ITO)が形成された第2の基板502の表面上にオクタデシルトリメトキシシラン(以下、ODSと呼ぶ)を10重量%分散させたVAモード型の液晶(MLC2038)の混合物504を滴下する。そして、図3(C)に示すように第1の基板と第2の基板を貼り合わせた。その際、一対の基板は球状スペーサで、ギャップの保持を行った。上記の通り作製した図3(D)に示す液晶素子507を評価用素子とした。上記の通り作製した評価用の液晶素子の構成は図2と同様である。
なお、液晶にODSを混合した後、撹拌しながら液晶のNI点以上(即ち、等方相)まで加熱して、液晶中にODSを分散させた。また、本実験ではNI点以上(即ち、等方相)まで加熱したが、必ずしも加熱撹拌する必要はなく、室温での撹拌のみとしてもよい。
上記の通り作製した評価用の液晶素子を、図4に示す測定系により評価した。評価用の液晶素子403を第1の偏光板402aと第2の偏光板402bとで挟み、バックライト400からの光401を用い、透過した光405を輝度計406により測定した。なお、第1の偏光板402aと第2の偏光板402bは、偏光軸が404に示すように直交したクロスニコル状態としている。このように、第1の偏光板402aと第2の偏光板402bをクロスニコルの下で用いた評価用の液晶素子の0V印加時の透過光輝度を、輝度計406により測定している。測定した結果、透過光輝度は0.6cd/m2程度となり、滴下跡、流動ムラ等のない良好な垂直配向を示した。
(実施の形態2)
ここでは、第1の基板側にシール描画を行い、一対の基板を貼り合わせた後、液晶注入を行う例を説明する。パネル作製の流れを以下に説明する。
まず、図5(A)に示すように、対向基板となる第2の基板220と、予めTFT(図示しない)が設けられている第1の基板210とを用意する。なお、予め、第2の基板220上に透明導電膜からなる対向電極222を形成し、第1の基板210上には透明導電膜からなる画素電極211を形成しておく。
次いで、図5(B)に示すように、第2の基板220上には球状のスペーサ215を散布し、第1の基板210上にはシール材212を描画する。シール材212は表示領域を囲んで配置されるが、後で液晶の注入口(ここでは図示しない)となる部分は空けておく。ここでシール材の仮焼成を行う。
次いで、図5(C)に示すように、第1の基板210と第2の基板220とを貼り合わせる。
次いで、紫外線照射や熱処理を行って、シール材212を硬化させる。(図5(D))
次いで、液晶の注入口が基板の端面または角に位置するように、スクライバー装置、ブレイカー装置、ロールカッターなどの切断装置を用いて基板の分断を行う。
次いで、液晶材料とシランカップリング剤の混合物からなる液体に両基板の一部分(角部を含む)、代表的には一つの端(以下、単に端又は縁と表記する)を浸し、この間隙に対する毛細管現象により液晶材料とシランカップリング剤の混合物214を注入する。
また、液晶の注入口に液晶材料とシランカップリング剤の混合物からなる液体を垂らし、この間隙に混合物が吸い込まれることにより混合物を注入して液晶素子を作製してもよい。
なお、シランカップリング剤の加水分解に寄与しない水分等は電圧保持特性の低下につながる。従って大気中からの過剰な水分等不純物の混入等をさけるため、上記注入工程は嫌気雰囲気下で行うことが好ましい。嫌気雰囲気下とは水分や酸素を避けた雰囲気であり、例えば窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気である。更に、一旦水分や酸素を除去する目的で減圧雰囲気とし、その後不活性ガスを供給した雰囲気であってもよい。
最後に液晶の注入口を接着剤で塞ぐ。
以上の工程により、図5(E)に示すように、一対の基板間に液晶材料とシランカップリング剤の混合物214が保持される。
また、以下に示す実験を行った。
(実験2)
透明電極(ITO)が形成された一対の基板を熱硬化型シールを用いて貼り合わせる。またシールに直径1.9μmビーズスペーサーを分散させ、基板間隔の保持を行い、これを評価用素子とした。
その後、ODSを0〜10重量%分散させた液晶を一対の基板間に注入し、130℃で1時間の加熱を行って再配向処理を行った。液晶中に分散させたODSは注入後、ITOまたは基板界面に吸着し自己組織化単分子膜を形成する。上記の通り作製した評価用の液晶素子の構成は図2と同様である。
上記の通り作製した評価用の液晶素子を、実験1と同様の条件で図4に示す測定系により評価した。透過光輝度特性結果を図6に示す。ODSを添加せず液晶のみを注入した場合の比較例では、水平配向を示し透過光輝度は538.6cd/m2となった。それに対しODSを添加した本発明の場合、その添加量にかかわらず透過光輝度は0.6cd/m2程度であり良好な垂直配向状態であることが分かる。
また、上記の実験2においては、ODSの添加量が0.1重量%においても、良好な垂直配向を示しその効果が確認できた。
また、以下に示す実験を行った。
(実験3)
透明電極(ITO)が形成された一対の基板を熱硬化型シールを用いて貼り合わせる。またシールに直径1.9μmビーズスペーサーを分散させ、基板間隔の保持を行い、これを評価用素子とした。その後、ODSを10重量%分散させた液晶(MLC2038)を一対の基板間に注入し、130℃で1時間の加熱を行って再配向処理を行った。
本実験では、液晶材料にODSを10重量%添加する際に更に水を添加して撹拌させて混合物を得ている。水の添加量は、0、0.1重量%、1重量%、2重量%、10重量%として条件を設定し、それぞれの電圧保持率および透過光強度を測定した。ただし、水の添加量が0のものは、MLC2038の場合において0.0001〜0.001wt%のごく微量の水が含まれており、自己組織化単分子膜を形成する反応に寄与している。
本実験の測定結果を表1に示す。
測定結果をグラフにしたものを図12に示す。
図12に示すように1wt%より多く水分を添加した場合には電圧保持率が低下していることが読み取れる。
本実験により、水を添加する場合には、1wt%以下とすることが好ましいと言える。なお、本実験では水を用いたが特に限定されず、アルコール、ケトンなどの溶媒を添加して、シランカップリング剤の加水分解を促進させてもよい。また、水分含有量が1ppm未満の液晶材料を精製でき、さらに液晶注入や液晶滴下を嫌気下で行える場合には、シランカップリング剤を混合させても自己組織化膜が形成されない。従って、水分含有量が1ppm未満の液晶材料を用いる場合には、意図的に水分等の加水分解を促進する溶媒を0.0001wt%以上1wt%以下で液晶材料に添加することが好ましい。
以上の構成でなる本発明について、以下に示す実施例でもってさらに詳細な説明を行うこととする。
本実施例では図7を用い、アクティブマトリクス型の液晶表示装置の作製工程を以下に示す。
最初に、透光性有する基板600を用いてアクティブマトリクス基板を作製する。基板サイズとしては、600mm×720mm、680mm×880mm、1000mm×1200mm、1100mm×1250mm、1150mm×1300mm、1500mm×1800mm、1800mm×2000mm、2000mm×2100mm、2200mm×2600mm、または2600mm×3100mmのような大面積基板を用い、製造コストを削減することが好ましい。用いることのできる基板として、コーニング社の7059ガラスや1737ガラスなどに代表されるバリウムホウケイ酸ガラスやアルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることができる。更に他の基板として、石英基板、プラスチック基板などの透光性基板を用いることもできる。
まず、スパッタ法を用いて絶縁表面を有する基板600上に導電層を基板全面に形成した後、第1のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して配線及び電極(ゲート電極、保持容量配線、及び端子など)を形成する。なお、必要があれば、基板600上に下地絶縁膜を形成する。
上記の配線及び電極の材料としては、Ti、Ta、W、Mo、Cr、Ndから選ばれた元素、前記元素を成分とする合金、または前記元素を成分とする窒化物で形成する。さらに、Ti、Ta、W、Mo、Cr、Ndから選ばれた元素、前記元素を成分とする合金、または前記元素を成分とする窒化物から複数選択し、それを積層することもできる。
また、画面サイズが大画面化するとそれぞれの配線の長さが増加して、配線抵抗が高くなる問題が発生し、消費電力の増大を引き起こす。よって、配線抵抗を下げ、低消費電力を実現するために、上記の配線及び電極の材料としては、Cu、Al、Ag、Au、Cr、Fe、Ni、Ptまたはこれらの合金を用いることもできる。また、Ag、Au、Cu、またはPdなどの金属からなる超微粒子(粒径5〜10nm)を凝集させずに高濃度で分散した独立分散超微粒子分散液を用い、インクジェット法で上記の配線及び電極を形成してもよい。
次に、PCVD法によりゲート絶縁膜を全面に成膜する。ゲート絶縁膜は窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層を用い、膜厚を50〜200nmとし、好ましくは150nmの厚さで形成する。尚、ゲート絶縁膜は積層に限定されるものではなく酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化タンタル膜などの絶縁膜を用いることもできる。
次に、ゲート絶縁膜上に、50〜200nm好ましくは100〜150nmの膜厚で第1の非晶質半導体膜を、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で全面に成膜する。代表的には非晶質シリコン(a−Si)膜を100nmの膜厚で成膜する。なお、大面積基板に成膜する際、チャンバーも大型化するためチャンバー内を真空にすると処理時間がかかり、成膜ガスも大量に必要となるため、大気圧で線状のプラズマCVD装置を用いて非晶質シリコン(a−Si)膜の成膜を行ってさらなる低コスト化を図ってもよい。
次に、一導電型(n型またはp型)の不純物元素を含有する第2の非晶質半導体膜を20〜80nmの厚さで成膜する。一導電型(n型またはp型)を付与する不純物元素を含む第2の非晶質半導体膜は、プラズマCVD法やスパッタ法などの公知の方法で全面に成膜する。本実施例ではリンが添加されたシリコンターゲットを用いてn型の不純物元素を含有する第2の非晶質半導体膜を成膜する。
次に、第2のフォトリソグラフィー工程によりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して島状の第1の非晶質半導体膜、および島状の第2の非晶質半導体膜を形成する。この際のエッチング方法としてウエットエッチングまたはドライエッチングを用いる。
次に、島状の第2の非晶質半導体膜を覆う導電層をスパッタ法で形成した後、第3のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去して配線及び電極(ソース配線、ドレイン電極、保持容量電極など)を形成する。上記の配線及び電極の材料としては、Al、Ti、Ta、W、Mo、Cr、Nd、Cu、Ag、Au、Cr、Fe、Ni、Ptから選ばれた元素、または前記元素を成分とする合金で形成する。また、Ag、Au、Cu、またはPdなどの金属からなる超微粒子(粒径5〜10nm)を凝集させずに高濃度で分散した独立分散超微粒子分散液を用い、インクジェット法で上記の配線及び電極を形成してもよい。インクジェット法で上記の配線及び電極を形成すれば、フォトリソグラフィー工程が不要となり、さらなる低コスト化が実現できる。
次に、第4のフォトリソグラフィー工程によりレジストマスクを形成し、エッチングにより不要な部分を除去してソース配線、ドレイン電極、容量電極を形成する。この際のエッチング方法としてウエットエッチングまたはドライエッチングを用いる。この段階でゲート絶縁膜と同一材料からなる絶縁膜を誘電体とする保持容量が形成される。そして、ソース配線、ドレイン電極をマスクとして自己整合的に第2の非晶質半導体膜の一部を除去し、さらに第1の非晶質半導体膜の一部を薄膜化する。薄膜化された領域はTFTのチャネル形成領域となる。
次に、プラズマCVD法により150nm厚の窒化シリコン膜からなる第1の保護膜と、150nm厚の酸化窒化シリコン膜から成る第1の層間絶縁膜を全面に成膜する。なお、大面積基板に成膜する際、チャンバーも大型化するためチャンバー内を真空にすると処理時間がかかり、成膜ガスも大量に必要となるため、大気圧で線状のプラズマCVD装置を用いて窒化シリコン膜からなる保護膜の成膜を行ってさらなる低コスト化を図ってもよい。この後、水素化を行い、チャネルエッチ型のTFT608が作製される。
なお、本実施例ではTFT608の構造としてチャネルエッチ型とした例を示したが、TFT構造は特に限定されず、チャネルストッパー型のTFT、トップゲート型のTFT、或いは順スタガ型のTFTとしてもよい。また、本実施例ではTFT608の半導体層として非晶質シリコン膜を用いた例を示したが、特に限定されず、ポリシリコン膜、有機半導体膜(ポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリ(3−アルキルチオフェン)、ポリチオフェン誘導体、ペンタセン等)、または金属酸化物を主成分とする半導体膜(酸化亜鉛(ZnO)や亜鉛とガリウムとインジウムの酸化物(In−Ga−Zn−O)等)を用いてもよい。ポリシリコン膜を用いてTFTを形成した場合には、高い電界効果移動度が得られるため、駆動回路も画素部のTFTと同一基板上に形成することができる。
次に、第5のフォトリソグラフィー工程を行い、レジストマスクを形成して、その後ドライエッチング工程により、ドレイン電極や保持容量電極に達するコンタクトホールを形成する。また、同時にゲート配線と端子部を電気的に接続するためのコンタクトホール(図示しない)を端子部分に形成し、ゲート配線と端子部を電気的に接続する金属配線(図示しない)を形成してもよい。また、同時にソース配線に達するコンタクトホール(図示しない)を形成し、ソース配線から引き出すための金属配線を形成してもよい。これらの金属配線を形成した後にITO等の画素電極を形成してもよいし、ITO等の画素電極を形成した後にこれらの金属配線を形成してもよい。
次に、ITO(酸化インジウム酸化スズ合金)、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2O3―ZnO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明電極膜を110nmの厚さで成膜する。その後、第6のフォトリソグラフィー工程とエッチング工程を行うことにより、画素電極601を形成する。
以上、画素部においては、6回のフォトリソグラフィー工程により、ソース配線と、逆スタガ型の画素部のTFT及び保持容量609と、端子部で構成されたアクティブマトリクス基板を作製することができる。
次いで、液晶分子を配向させるためのリブ623を形成する。リブ623としては、有機樹脂(アクリル、ポリイミド、ポリイミドアミド、エポキシなど)または無機絶縁材料(酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素など)を用いる。
次いで、対向基板610を用意する。この対向基板610には、着色層、遮光層が各画素に対応して配置されたカラーフィルタ(CF)620が設けられている。また、このカラーフィルタと遮光層とを覆う平坦化膜を設けている。次いで、平坦化膜上に透明導電膜からなる対向電極621を画素部と重なる位置に形成する。次いで、対向基板上にもリブ622を形成する。
次いで、対向基板610上にシール材607を描画する。シール材607にはフィラー(図示しない)が混入されていて均一な間隔を持って、後の工程で2枚の基板が貼り合わせられるようにする。シール材607は、アクティブマトリクス基板と貼り合わせた時に、画素部を囲むように描画する。
次いで、アクティブマトリクス基板上に、基板間隔を保持するための球状のスペーサ602を基板全面に散布する。また、球状のスペーサに代えて、アクリル樹脂膜等の有機樹脂膜を選択的にエッチングすることにより得られる柱状のスペーサを所望の位置に形成してもよい。
次いで、一対の基板の貼り合わせを行った後で液晶注入を行う工程、或いは液晶滴下を行った後で一対の基板の貼り合わせを行う工程のいずれか一を行う。本実施例では、実施の形態1に示したように、液晶材料とシランカップリング剤を含む混合物の滴下を行った後、減圧下で一対の基板の貼り合わせを行う。こうして一対の基板間に液晶材料とシランカップリング剤の混合物624が保持される。液晶材料とシランカップリング剤を含む混合物を滴下する方法を用いることによって作製プロセスで使用する混合物の量を削減することができ、特に、大面積基板を用いる場合に大幅なコスト低減を実現することができる。混合物の注入が行われると、画素電極601の近傍および対向電極621の近傍に自己組織化単分子膜(図示しない)が形成される。この自己組織化単分子膜とリブ622、623とで液晶分子を垂直配向させる。
また、一対の基板の貼り合わせを行った後で液晶材料とシランカップリング剤を含む混合物の注入を行う場合には、実施の形態2に示したように、真空注入法を用いて注入を行った後、注入口を封止する。なお、注入の際の液晶の流れが流動配向として残る恐れがあるため、加熱(例えば100℃、10分間)を行って再配向処理を行うことが好ましい。
このようにしてアクティブマトリクス型液晶パネルが完成する。そして、必要があれば、アクティブマトリクス基板または対向基板を所望の形状に分断する。さらに、公知の技術を用いて偏光板603a、603b等の光学フィルムを適宜設ける。なお、対向基板に設けられた偏光板603aは、アクティブマトリクス基板に設けられた偏光板603bと偏光軸が互いに直交するように配置する。そして、公知の技術を用いてFPCを貼りつける。
以上の工程によって得られた液晶モジュールに、冷陰極管などを光源とするバックライト604、導光板605を設け、カバー606で覆えば、図7にその断面図の一部を示したアクティブマトリクス型液晶表示装置(透過型)が完成する。なお、カバーと液晶モジュールは接着剤や有機樹脂を用いて固定する。また、透過型であるので偏光板は、アクティブマトリクス基板と対向基板の両方に貼り付ける。
また、液晶モジュールの上面図を図8(A)に示すとともに、他の液晶モジュールの上面図の例を図8(B)に示す。
本実施例で示した非晶質半導体膜(アモルファスシリコン膜)で活性層を形成したTFT608は、電界効果移動度が小さく1cm2/Vsec程度しか得られていない。そのために、画像表示を行うための駆動回路はICチップで形成され、TAB(Tape Automated Bonding)方式やCOG(Chip on glass)方式で実装することとなる。
図8(A)中、801は、アクティブマトリクス基板、806は対向基板、804は画素部、807はシール材、805はFPCである。なお、本実施例では、液晶材料とシランカップリング剤との混合物を滴下させ、減圧下で一対の基板801、806を貼り合わせているため、図8に示すように閉じられた形状のシール材807としている。
また、ポリシリコン膜からなる活性層を有するTFTを用いた場合、駆動回路の一部を作製することができ、図8(B)のような液晶モジュールを作製することができる。なお、ポリシリコン膜からなる活性層を有するTFTで形成できない駆動回路は、ICチップ(図示しない)を実装する。
図8(B)中、811は、アクティブマトリクス基板、816は対向基板、812はソース信号線駆動回路、813はゲート信号線駆動回路、814は画素部、817は第1シール材、815はFPCである。なお、液晶材料とシランカップリング剤との混合物を滴下させ、一対の基板811、816を第1シール材817および第2シール材818で貼り合わせている。ソース信号線駆動回路812及びゲート信号線駆動回路813を含む駆動回路部には液晶は不要であるため、画素部814のみに液晶を保持させており、第2シール材818はパネル全体の補強のために設けている。
また、本実施例は実施の形態1または実施の形態2と自由に組み合わせることができる。
実施例1では冷陰極管などを光源とするバックライトと導光板を用いた液晶表示装置の例を示したが、本実施例では、LED(発光ダイオード)を光源とするバックライトを用いた例を図9に示す。
図9は、LEDをバックライトとして用いた液晶表示装置の斜視図である。図9に示した液晶表示装置は、筐体901、液晶層902、バックライト903、筐体904を有し、液晶層902は、ドライバIC905と接続されている。また、バックライト903には、LEDが多数用いられおり、端子906により、電流が供給されている。また、LEDの発光材料としては、無機材料を用いてもよいし、有機材料を用いてもよい。
なお、LEDは白色発光の1種類を用いてもよいし、赤色発光、青色発光、緑色発光の3種類を用いてもよい。赤色発光、青色発光、緑色発光の3種類を用いれば、高速、且つ、交互に3種類のLEDを点滅させて、その点滅タイミングに合わせて液晶シャッターをオンオフすることでフルカラー表示を行うフィールドシーケンシャル方式と呼ばれる技術によりカラーフィルタを不要とすることができる。
LEDを液晶表示装置のバックライトとして用いることにより、消費電力の低減されたバックライトが得られる。また、LEDは、面発光の照明装置であり大面積化も可能であるため、バックライトの大面積化が可能であり、液晶表示装置の大面積化も可能になる。さらに、LEDは、薄型で低消費電力であるため、表示装置の薄型化、低消費電力化も可能となる。
また、本実施例は実施の形態1、実施の形態2、または実施例1と自由に組み合わせることができる。
本発明の液晶表示装置、及び電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、オーディオコンポ等)、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機又は電子書籍等)、記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDigital Versatile Disc(DVD)等の記録媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置)などが挙げられる。特に、大型画面を有する大型テレビ等に本発明を用いることが望ましい。それら電子機器の具体例を図10、及び図11に示す。
図10(A)は22インチ〜50インチの大画面を有する大型の表示装置であり、筐体2001、支持台2002、表示部2003、ビデオ入力端子2005等を含む。なお、表示装置は、パーソナルコンピュータ用、TV放送受信用、双方向TV用などの全ての情報表示用表示装置が含まれる。本発明により、1辺が1000mmを超える第5世代以降のガラス基板を用いても、比較的安価な大型表示装置を実現できる。
図10(B)はノート型パーソナルコンピュータであり、本体2201、筐体2202、表示部2203、キーボード2204、外部接続ポート2205、ポインティングマウス2206等を含む。本発明により、比較的安価なノート型パーソナルコンピュータを実現できる。
図10(C)は記録媒体を備えた携帯型の画像再生装置(具体的にはDVD再生装置)であり、本体2401、筐体2402、表示部A2403、表示部B2404、記録媒体(DVD等)読込部2405、操作キー2406、スピーカー部2407等を含む。表示部A2403は主として画像情報を表示し、表示部B2404は主として文字情報を表示する。なお、記録媒体を備えた画像再生装置には家庭用ゲーム機器なども含まれる。本発明により、比較的安価な画像再生装置を実現できる。
図10(D)は、ワイヤレスでディスプレイのみを持ち運び可能なTVである。筐体2602にはバッテリー及び信号受信器が内蔵されており、そのバッテリーで表示部2603やスピーカ部2607を駆動させる。バッテリーは充電器2600で繰り返し充電が可能となっている。また、充電器2600は映像信号を送受信することが可能で、その映像信号をディスプレイの信号受信器に送信することができる。筐体2602は操作キー2606によって制御する。また、図10(D)に示す装置は、操作キー2606を操作することによって、筐体2602から充電器2600に信号を送ることも可能であるため映像音声双方向通信装置とも言える。また、操作キー2606を操作することによって、筐体2602から充電器2600に信号を送り、さらに充電器2600が送信できる信号を他の電子機器に受信させることによって、他の電子機器の通信制御も可能であり、汎用遠隔制御装置とも言える。本発明により、比較的大型(22インチ〜50インチ)の持ち運び可能なTVを安価な製造プロセスで提供できる。
図11で示す携帯電話機は、操作スイッチ類1904、マイクロフォン1905などが備えられた本体(A)1901と、表示パネル(A)1908、表示パネル(B)1909、スピーカ1906などが備えられた本体(B)1902とが、蝶番1910で開閉可能に連結されている。表示パネル(A)1908と表示パネル(B)1909は、回路基板1907と共に本体(B)1902の筐体1903の中に収納される。表示パネル(A)1908及び表示パネル(B)1909の画素部は筐体1903に形成された開口窓から視認できるように配置される。
表示パネル(A)1908と表示パネル(B)1909は、その携帯電話機1900の機能に応じて画素数などの仕様を適宜設定することができる。例えば、表示パネル(A)1908を主画面とし、表示パネル(B)1909を副画面として組み合わせることができる。
本実施例の携帯電話機は、その機能や用途に応じてさまざまな態様に変容し得る。例えば、蝶番1910の部位に撮像素子を組み込んで、カメラ付きの携帯電話機としても良い。また、操作スイッチ類1904、表示パネル(A)1908、表示パネル(B)1909を一つの筐体内に納めさせた構成としても、上記した作用効果を奏することができる。また、表示部を複数個そなえた情報表示端末に本実施例の構成を適用しても、同様な効果を得ることができる。
以上の様に、本発明を実施して得た液晶表示装置は、あらゆる電子機器の表示部として用いても良い。なお、本実施例の電子機器には、実施の形態1、実施の形態2、実施例1、または、実施例2のいずれの構成を用いて作製された液晶表示装置を用いても良い。
また、本実施例は、実施の形態1、実施の形態2、実施例1、または、実施例2のいずれか一と自由に組み合わせることができる。
本発明により、配向膜の塗布工程や配向膜の焼成工程などを省略することができ、工程時間短縮と製造コスト削減が可能となる。
本発明の作製工程を示す断面図。
液晶表示装置の断面構造を示す図。
評価用の液晶素子の作製手順を示す図。
測定方法を示す図。
本発明の作製工程を示す断面図。
透過光輝度特性を示すグラフ。
アクティブマトリクス型液晶表示装置の断面構造図。
液晶モジュールの上面図を示す図。
液晶モジュールの斜視図を示す図。
電子機器の一例を示す図。
電子機器の一例を示す図。
水の添加量と電圧保持率の関係を示すグラフ図。
符号の説明
110 第1の基板
111 画素電極
112 シール材
114 液晶材料とシランカップリング剤の混合物
115 柱状スペーサ
118 ディスペンサ
120 第2の基板
122 対向電極
210 第1の基板
211 画素電極
212 シール材
214 液晶材料とシランカップリング剤の混合物
215 球状のスペーサ
220 第2の基板
222 対向電極
300 第1の基板
301 画素電極
302 シール
303 液晶層
304 対向電極
305 第2の基板
306 液晶分子
400 バックライト
401 光
402a、402b 偏光板
403 液晶素子
404 クロスニコル状態
405 光
406 輝度計
500 第1の基板
501 散布ノズル
502 第2の基板
503 滴下ノズル
504 混合物
507 液晶素子
600 基板
601 画素電極
602 スペーサ
603a 偏光板
603b 偏光板
604 バックライト
605 導光板
606 カバー
607 シール材
608 TFT
609 保持容量
610 対向基板
620 カラーフィルタ
621 対向電極
622 リブ
623 リブ
624 液晶材料とシランカップリング剤の混合物
801 基板
804 画素部
805 FPC
806 対向基板
807 シール材
811 基板
812 ソース信号線駆動回路部
813 ゲート信号線駆動回路部
814 画素部
815 FPC
816 対向基板
817 第1シール材
818 第2シール材
901 筐体
902 液晶層
903 バックライト
904 筐体
905 ドライバIC
906 端子
1900 携帯電話機
1901 本体(A)
1902 本体(B)
1903 筐体
1904 操作スイッチ類
1905 マイクロフォン
1906 スピーカ
1907 回路基板
1908 表示パネル(A)
1909 表示パネル(B)
2001 筐体
2002 支持台
2003 表示部
2005 ビデオ入力端子
2201 本体
2202 筐体
2203 表示部
2204 キーボード
2205 外部接続ポート
2206 ポインティングマウス
2401 本体
2402 筐体
2403 表示部A
2404 表示部B
2405 記録媒体読込部
2406 操作キー
2407 スピーカー部
2600 充電器(送受信可能)
2602 筐体
2603 表示部
2606 操作キー
2607 スピーカー部