JP5328176B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特にスペーサとして基板上に突起物が形成された液晶表示装置に関する。

現在、一般的に用いられている液晶表示装置では、電極を有する２枚のガラス基板の間に液晶が挟持され、接着剤により２枚の基板が固定される。特に、カラー表示が可能なアクティブマトリクス型の液晶表示装置においては、一方のアレイ基板上には複数の信号線及び複数の走査線が交差して配線され、各交差部に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）及び画素電極が配置される、他方の対向基板上には対向電極とカラーフィルタが形成される。更にこの２枚の基板の両外側に光シャッターとして機能する偏光板が配置され、カラー表示が実現される。

従来、２枚の基板間距離（以下、セルギャップと称する）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を基板間に散在させる方法がある。これに対し、近年では、スペーサとして基板上に突起物を形成する方法が用いられている。この方法はスペーサの選択的な配置と高さ精度の向上が可能であるのでセルギャップの均一化に有効である。最近では、外部からの一時的な荷重が加えられた場合の対策として、通常は対向する基板に接しない突起物を補助スペーサとして設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６８０７３０号公報

しかしながら、スペーサとして突起物を形成する従来の液晶表示装置においては、低温環境下で外部から衝撃が加わると液晶層中に気泡が発生することがある。この気泡は液晶の線膨張係数がスペーサや基板のそれに対して大きく収縮率の温度特性が異なるため、低温環境下で負圧の状態で衝撃が与えられた場合に液晶の収縮がスペーサや基板の収縮に追従できなくなることが原因で発生する。その結果、表示品位が著しく損なわれるという問題がある。

これに対し、スペーサの配置密度を下げて基板を撓み易くし、低温気泡の発生を抑制する方法があるが、配置密度を下げすぎるとスペーサとしての機能が低下してしまう。このため、局所的、或いは全体的に潰れ易く、セルギャップ不良や光学特性不良が発生し、表示品位が損なわれるという問題がある。また、低温環境下で液晶が収縮したときの負圧が小さくなるように、注入する液晶の量を増やす、つまり圧力をかけて液晶を詰め込むことも低温気泡の抑制に有効な方法である。しかし、液晶量を増やしすぎた場合、セルギャップが面内で不均一となり、表示不良が発生し、表示品位が損なわれるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、液晶表示装置において高い表示品位を維持しつつ低温気泡の発生を抑制することを課題とする。

本発明に係る液晶表示装置は、複数の画素電極がマトリクス状に配置されたアレイ基板と、アレイ基板に対向して配置され、複数の画素電極に対応してカラーフィルタの着色層が形成されるとともに、隣接する着色層の隙間を遮光する遮光層が形成された対向基板と、２枚の基板の間隙に挟持された液晶層と、遮光層の上に隣接する着色層を積層させ、アレイ基板に接触しないように形成した基板面に対して平行に伸びる壁状の構造物と、を有し、構造物は各画素電極間に形成されていることを特徴とする。

本発明にあっては、一方の基板上の液晶層側に、基板面に対して水平方向に伸びる壁状の構造物を有することで、両基板間において低温環境下で外部からの衝撃耐性の低い液晶量が減少する一方で衝撃耐性の高い部材の体積が増加するので、低温気泡を発生し難くすることができる。尚、本発明において低温とは摂氏０℃以下の温度をさすものとする。

本発明にあっては、スペーサの配置密度が高くなると基板が撓み難くなり、低温環境下での液晶の収縮に追従できず、低温気泡の発生確率が上昇するが、上記構造物は対向する基板とは接触しないのでスペーサとして機能することはなく、スペーサの配置密度は維持される。

本発明にあっては、上記構造物を上記遮光層の上に配置することで、画素電極に対応する領域では光の透過を妨げる要因となる上記構造物が存在しないので画素の開口率低下を抑制することができる。

本発明にあっては、上記遮光層上に隣接する着色層を積層して突起状に形成されたものを上記構造物とすることで、製造時において着色層の膜厚調整のみで上記構造物の形成が可能となり、製造コストを抑制することができる。

本発明の液晶表示装置によれば、高い表示品位を維持しつつ低温気泡の発生を抑制することが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る液晶表示装置の断面を示している。液晶表示装置は、アレイ基板１００と、アレイ基板１００に対向して配置された対向基板２００と、両基板の間隙に挟持された液晶層３００と、両基板間を一定に保つためにアレイ基板１００上に配置されたスペーサ１０３を備える。アレイ基板１００の背面側には図示しないバックライトが配置され、液晶表示装置はこのバックライトからの照明光を光源として画像表示を行う透過型の液晶表示装置とする。

両基板の基板面には接着剤４００が配置され滴下注入方法により両基板を貼り合わせるものとする。この方法は、一方の基板上に表示領域を囲むように切れ目なく接着剤を配置し、接着剤で囲まれた領域内に液晶を所定量滴下した状態で、２枚の基板を真空状態で貼り合わせる。その後、真空状態から大気圧状態に戻し、両基板と接着剤の内壁で囲まれた領域と外気との圧力差によって接着剤が潰れる。両基板はスペーサによって支持されるので、基板間に所定のセルギャップ５００が形成される。

アレイ基板１００では、ガラス基板１０１上に絶縁層が形成され、その上に透明な画素電極１０２が形成される。画素電極１０２はアレイ基板上にマトリクス状に配置される。図２の平面図にも示すように、アレイ基板１００上には複数の信号線１０６及び複数の走査線１０５が交差して配線され、その各交差部に画素電極１０２と薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと記載する）１０７が配置される。更に、走査線１０５と平行して補助容量線１０８が配線され、補助容量線１０８上にスペーサ１０３が配置される。ここではフォトリソグラフィー法により柱状の透明樹脂を均一な高さで形成した突起物をスペーサ１０３として使用する。ＴＦＴ１０７には例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を半導体層としたＴＦＴを使用し、ＴＦＴ１０７のドレイン端子が信号線１０６に接続され、ソース端子が画素電極１０２に接続され、ゲート端子が走査線１０５に接続される。

対向基板２００では、ガラス基板２０１上の液晶層３００側に、画素電極１０２に対応してカラーフィルタの着色層２０３が形成されると共に、隣接する着色層の隙間を遮光するための遮光層２０２が形成される。ここで着色層２０３は混色を防ぐために互いに重ならないように形成する。そして、カラーフィルタおよび遮光層２０２を覆うようにして平滑化のためにオーバーコート層が形成され、その上に対向電極２０４が形成される。また、この２枚の基板の両外側に光シャッターとして機能する偏光板が配置され、カラー表示が実現される。

ここで対向電極２０４上にはアレイ基板１００とは接触しないように突起物２０５が配置される。この突起物２０５は、例えば誘電体によって形成する。尚、本実施の形態において低温とは摂氏０℃以下の温度をさすものとする。このような構成としたことで、両基板間において低温環境下で外部からの衝撃耐性の低い液晶量が減少する一方で衝撃耐性の高い誘電体の突起物２０５の体積が増加することになる。その結果、低温気泡を発生し難くすることができる。また、スペーサの配置密度が高くなると低温気泡の発生確率が上昇するが、突起物２０５は対向するアレイ基板１００とは接触しないような構成とすることで、この突起物２０５がスペーサとして機能することはなくスペーサの配置密度は維持される。

また、突起物２０５は、図３の平面図にも示すように、遮光層２０２の上に形成される。ここでは突起物２０５は赤色、緑色、青色の３色のカラーフィルタの着色層２０３に沿って遮光層２０２上に形成される。これにより、対向基板２００上において画素電極１０２に対応する領域では光の透過率低下の要因となる誘電体の突起物２０５が存在しないので画素の開口率低下を抑制することができる。尚、突起物２０５を配置する場所は、表示に影響を及ぼさない場所、例えば、信号線等の配線上の遮光領域に配置すれば、開口率が低下することは無い。また、突起部２０５の形状は、図４に示すように、基板面に対して水平方向に所定の長さを有する壁状とする。これにより、両基板間において液晶よりも衝撃耐性の高い突起物２０５の体積を増加させることができる。

本発明者は、本実施の形態の液晶表示装置を作製しその効果について実験した。その結果、液晶表示装置において環境温度０℃の下で外部から衝撃が与えられた場合においても、低温気泡が発生することはなかった。

したがって、第１の実施の形態によれば、対向基板２００上に誘電体の突起物２０５を配置することで、液晶層３００においてスペーサ１０３の膨張係数よりも大きい液晶が占める割合が小さくなるため、低温環境下において液晶層３００はスペーサ１０３の収縮に追従することができ、低温環境下での衝撃による気泡の発生を防ぐことができる。言い換えれば、両基板間において低温環境下で外部からの衝撃耐性の低い液晶量が減少する一方で衝撃耐性の高い突起物２０５の体積が増加するので、低温気泡を発生し難くすることができる。また、スペーサ１０３の配置密度が高くなると低温気泡の発生確率が上昇するが、突起物２０５を対向するアレイ基板１００とは接触しないような構成とすることで、突起物２０５がスペーサとして機能することはなくスペーサの配置密度を維持することができる。よって、高い表示品位を維持しつつ低温気泡の発生を抑制することが可能となる。

また、第１の実施の形態においては、突起物２０５を遮光層２０２の上に配置することで、対向基板２００上においては、画素電極１０２に対応した領域に光の透過率低下の原因となる突起物２０５が存在しないので画素の開口率低下を抑制することができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る液晶表示装置について説明する。この液晶表示装置の基本的な構成は、第１の実施の形態で説明したものと同様である。以下では、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

第１の実施の形態と異なる点は、図５の断面図に示すように、遮光層２０２上には、誘電体の突起部ではなく、隣接する着色層２０３を積層させて積層部２０６を突起状に形成する点である。第１の実施の形態では、カラーフィルタの混色を防止するために着色層２０３は重ならないように配置したが、本実施の形態では、図６の平面図にも示すように、突起部としての機能を持たせるためにあえて隣接する２色の着色層を積層させる。この積層部２０６は、製造時において着色層の膜厚調整のみで容易に形成可能であるので、製造コストを抑制することができる。

本発明者は、本実施の形態の液晶表示装置を作製しその効果について実験した。その結果、液晶表示装置において環境温度０℃の下で外部から衝撃が与えられた場合においても低温気泡が発生することはなかった。

したがって、第２の実施の形態によれば、遮光層２０２上に隣接する着色層２０３を積層して積層部２０６を突起状に形成することで、製造時において着色層の膜厚調整のみで積層部２０６を形成することができるので、第１の実施の形態に係る効果に加えて、製造コストを抑制することができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る液晶表示装置について説明する。この液晶表示装置の基本的な構成は、第１の実施の形態で説明したものと同様である。以下では、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

第１の実施の形態と異なる点は、図７の断面図に示すように、突起部１０４をアレイ基板１００上に配置する点である。ここで突起部１０４はスペーサ１０３と同一材料の透明樹脂層で突起状に形成するものとする。これにより、突起部１０４は製造時においてスペーサ１０３を形成する際にレジストの塗布膜厚を調整するのみで容易に形成可能であるので製造コストを抑制することができる。

更に、突起部１０４は、図８の平面図に示すように、アレイ基板１００上に形成された信号線１０６の上に形成する。これにより光の透過率低下の原因となる透明樹脂性の突起部１０４が画素電極１０２の領域には存在しないので画素の開口率低下を抑制することができる。尚、信号線上ではスペーサ１０３の配置位置よりも積層されている膜が少ないので、突起部１０４が対向基板２００に接しないような構成とすることができる。

本発明者は、本実施の形態の液晶表示装置を作製しその効果について実験した。その結果、液晶表示装置において環境温度０℃の下で外部から衝撃が与えられた場合に低温気泡が発生することはなかった。

したがって、第３の実施の形態によれば、スペーサと同一材料で突起状に形成されたものを突起部１０４とすることで、製造時においてスペーサの膜厚調整のみで突起部１０４を形成することができる。よって、第１の実施の形態に係る効果に加えて、製造コストを抑制することができる。また、突起部１０４は、信号線上に配置したが、走査線上に配置するようにしてもよい。この構成においても、アレイ基板１００上の画素電極１０２が配置された領域に突起部１０４が存在しないので画素の開口率低下を抑制することができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態に係る液晶表示装置について説明する。この液晶表示装置の基本的な構成は、第１の実施の形態で説明したものと同様である。以下では、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

第１の実施の形態と異なる点は、柱状のスペーサ１０３ではなく、壁状のスペーサ１０９を配置した点である。図９は、アレイ基板１００に配置したスペーサ１０９の構成の概略を示す平面図であり、図１０は、アレイ基板１００の画素を拡大して示した平面図である。図９，１０に示すスペーサ１０９は、透明樹脂を均一な高さで連続して形成したものであり、補助容量線１０８に沿って壁状に配置される。スペーサ１０９の高さは、第３の実施の形態の突起部１０４とは異なり、両基板を支持するように２枚の基板の間隙と同じである。また、図９に示すように、壁状のスペーサ１０９の所々に隙間を備え、注入した液晶が全体的に広がるようにしている。

このように、従来の柱状のスペーサより体積の大きな壁状のスペーサ１０９を用いることにより、このスペーサ１０９の体積に相当する液晶が液晶セル内から大幅に削減される。

したがって、第４の実施の形態によれば、壁状のスペーサ１０９を配置することにより、スペーサの配置密度が大きくなり柱状のスペーサを用いたときと比べて基板が撓み難いが、液晶セル内の液晶が大幅に削減されるので、温度低下時の液晶セル内の液晶の圧力変化が小さくなり、気泡不良の発生を防ぐことができる。また、スペーサ密度を高くすることができるので、全体的あるいは局所的に圧力を加えた時のギャップ変化が起こりにくく、表示不良、光学特性不良を防止することができる。

第４の実施の形態によれば、走査線１０５や信号線１０６よりも面積の大きな補助容量線１０８上にスペーサ１０９を配置することにより、画素の開口率の低下を抑制しつつ、より大きなスペーサ１０９を配置することが可能である。

第４の実施の形態によれば、壁状のスペーサ１０９の所々に隙間を備えることにより、注入した液晶を全体的に広げることが可能となる。

なお、本実施の形態では、幅の大きな補助容量線１０８上にスペーサ１０９を配置したが、走査線１０５や信号線１０６上に配置するものでもよい。また、対向基板２００の遮光層２０２上に配置するものでもよい。

次に、液晶セル内の液晶量と液晶の圧力変化について説明する。

図１１は、平均セルギャップを変更したときの液晶の圧力変化を示すグラフであり、横軸に平均セルギャップを示し、縦軸に液晶の圧力変化を示している。

ここで平均セルギャップとは、実際のセルギャップ及びセル面積を一定にして液晶層の容積をセル面積で割った平均値である。言い換えれば、平均セルギャップとは実質的なセルギャップであり、セル内の液晶の占有率に比例している。したがって、液晶層内の構造物が多くなるほど、液晶層の容積が小さくなり平均セルギャップも小さくなる。

平均セルギャップは、液晶セル内に構造物を配置することで変更している。グラフの左から右に行くほど平均セルギャップが大きくなり、グラフの上に行くほど液晶の圧力変化が小さくなる。同図に示すように、平均セルギャップが小さくなるほど液晶の圧力変化が抑制されることがわかる。

図１２は、セルギャップを変更したときの液晶の圧力変化を示すグラフである。横軸にセルギャップを示し、縦軸に液晶の圧力変化を示している。グラフの左から右に行くほどセルギャップが大きくなり、グラフの上に行くほど液晶の圧力変化が小さくなる。同図に示すように、セルギャップが小さくなるほど液晶の圧力変化が抑制されることがわかる。

これらのグラフで示すように、平均セルギャップ、セルギャップが小さくなるほど、液晶の圧力変化が抑制されることがわかる。これは以下のように考えられる。

基板のたわみによるセルギャップの減少量の液晶セル全体での平均ｇ^＊が、液晶の圧力変化ΔＰに比例するものと仮定し、その比例係数をβと置く（ｇ^＊＝βΔＰ）。温度低下後のセルギャップｇ、液晶の圧力変化ΔＰは次式で求められる。

ここで、Ｅはスペーサの材料のヤング率、Ｋは液晶の体積弾性率、ρはスペーサの面積密度、ｇ_０はセルギャップ初期値であり、Ａはスペーサの線膨張係数と変化温度、Ｂは液晶の線膨張係数と変化温度で決定される数値である。液晶の圧力変化ΔＰは、分母の第３項（β／ｇ_０）ρＥＫによって絶対値が減少する。基板のたわみの効果βは、基板のヤング率やスペーサ間の距離によって決まる定数であり、セルギャップ初期値ｇ_０に依存しないと考えられることから、液晶の圧力変化ΔＰの絶対値はｇ_０が小さいほど小さくなることが分かる。つまり、液晶の圧力は、セルギャップ初期値が小さいほど変化し難いといえる。また、液晶セル内に構造物を配置した場合は、セルギャップ初期値ｇ_０が実効的に小さくなっていると考えることができる。

本発明者は、平均セルギャップ、セルギャップを様々な値に変更してその結果について実験した。その結果、平均セルギャップ、セルギャップが小さくなるほど低温気泡の発生程度が改善されたことが確認できた。

［比較例］
次に、上記各実施の形態の理解を容易にするために、比較例としての液晶表示装置について上記各実施の形態との相違点を中心に説明する。

まず、第１の比較例として図１３の断面図に示すような構成の液晶表示装置が挙げられる。上記各実施の形態と異なる点は、２枚の基板間にはスペーサ１０３のみが存在する点である。このため、比較例の液晶表示装置では上記各実施の形態と比べて液晶が多く充填される。本発明者は第１の比較例の液晶表示装置を作製し、その効果について実験した。その結果、液晶表示装置において環境温度０℃の下で外部から衝撃を与えた場合に低温気泡が発生した。この気泡は液晶の線膨張係数がスペーサや基板のそれに対して大きく収縮率の温度特性が異なるため、このような温度環境下における衝撃時に液晶の収縮がスペーサや基板の収縮に追従できなくなることが原因で発生されたものであることがわかっている。

これに対し、上記各実施の形態では、対向基板２００上に誘電体の突起物２０５を配置することで、両基板間において低温環境下で外部からの衝撃耐性の低い液晶量が減少する一方で衝撃耐性の高い突起物２０５の体積が増加するので、低温気泡を発生し難くすることができる。

次に、第２の比較例として半透過型の液晶表示装置が挙げられる。この液晶表示装置は、反射領域と透過領域を備え、反射領域と透過領域で色の濃さを同程度に調整するために反射領域に対応して基板上に段差を設ける構成（マルチギャップ構造とも呼ばれる）が一般的である。通常、段差の材料として誘電体を使用する場合が一般的であるため、反射領域では透過領域と比べて光の透過が制限されてしまう。これに対し、上記各実施の形態に係る液晶表示装置は透過領域のみを備えた透過型であり、透過率低下の妨げになる突起部は画素電極の領域外に配置する。これにより、画素の開口率低下を抑制することができる。

次に、第３の比較例として２種類のスペーサを備えた液晶表示装置が挙げられる。この液晶表示装置では、通常のスペーサと共に、通常は対向基板に接しない補助スペーサを基板上に配置する。これに対し、上記各実施の形態に係る液晶表示装置では低温気泡発生要因となる液晶の量を削減するために突起部を設けており、更に、この突起部は、スペーサの配置密度を維持するために対向基板とは接触しないような構成としている。

また、上記の各実施の形態では、液晶表示装置における両基板を貼り合わせる際には、滴下注入法を使用したが、これに限られるものではなく、真空注入法を使用してもよい。この方法では、両基板間で液晶注入口をのぞく周辺部に接着剤を配置し、２枚の基板を貼り合わせた後、荷重を掛けて真空にして液晶注入口から基板間の空気を抜きながら接着剤を潰しセルギャップを形成する。

第１の実施の形態に係る液晶表示装置の概略的な断面図である。 上記液晶表示装置のアレイ基板上の構成を概略的に示した平面図である。 上記液晶表示装置の対向基板上の構成を概略的に示した平面図である。 上記液晶表示装置の対向基板上における突起部の形状を示す図である。 第２の実施の形態に係る液晶表示装置の概略的な断面図である。 上記液晶表示装置の対向基板上の構成を概略的に示した平面図である。 第３の実施の形態に係る液晶表示装置の概略的な断面図である。 上記液晶表示装置のアレイ基板上の構成を概略的に示した平面図である。 第４の実施の形態に係る液晶表示装置のアレイ基板に配置するスペーサの構成を示す概略的な平面図である。 上記液晶表示装置のアレイ基板上の構成を概略的に示した平面図である。 平均セルギャップと液晶の圧力変化の関係を示すグラフである。 セルギャップと液晶の圧力変化の関係を示すグラフである。 第１の比較例の液晶表示装置の断面図である。

符号の説明

１００…アレイ基板
１０１…ガラス基板
１０２…画素電極（ＩＴＯ）
１０３…スペーサ
１０４…突起部（アレイ基板側）
１０５…走査線
１０６…信号線
１０７…ＴＦＴ部
１０８…補助容量線
１０９…スペーサ
２００…対向基板
２０１…ガラス基板
２０２…遮光層
２０３…着色層（カラーフィルタ）
２０４…対向電極（ＩＴＯ）
２０５…突起部（対向基板側）
２０６…積層部
３００…液晶層
４００…接着剤
５００…セルギャップ

Claims (1)

1. 複数の画素電極がマトリクス状に配置されたアレイ基板と、
   前記アレイ基板に対向して配置され、前記複数の画素電極に対応してカラーフィルタの着色層が形成されるとともに、隣接する着色層の隙間を遮光する遮光層が形成された対向基板と、
   前記２枚の基板の間隙に挟持された液晶層と、
   前記遮光層の上に隣接する着色層を積層させ、前記アレイ基板に接触しないように形成した前記基板面に対して平行に伸びる壁状の構造物と、を有し、
   前記構造物は各画素電極間に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。

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