JPH05289089A

JPH05289089A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH05289089A
Application number: JP11419892A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Kimura; 和人木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-04-08
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1993-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】液晶中のスペーサー分散密度のばらつきを考慮
した上で、出来る限り少ないスペーサー分散密度を有
し、且つ低温発泡現象を回避できる液晶表示装置を提供
する。【構成】液晶表示装置は、内面に透明電極を有する一対
の基板と、これらの基板間に挟持された液晶層と、液晶
層を所定の厚さに維持する球形スペーサーを備え、球形
スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重が２．５グラム重以
下であり、球形スペーサーの液晶層中のスペーサー分散
密度が１２乃至１４個／ｍｍ²であることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置、特に球
形スペーサーに特徴を有する液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置には、一般に、高速応答
性、高コントラスト、広い視角、高信頼性等が要求され
る。応答速度やコントラスト、視角等は、液晶層の厚さ
と密接な関係がある。従って、或る種の液晶動作モード
においては、液晶材料の光学的特性に合わせて液晶層の
厚さを厳密に設定しなければ高いコントラストを得るこ
とができない場合がある。また、液晶層の厚さのばらつ
きによって表示ムラが発生し視認性が著しく低下する場
合もある。それ故、液晶層の厚さを正確に制御すること
は極めて重要である。

【０００３】液晶表示装置における液晶層の厚さの制御
のために、各種のスペーサーが使用されている。例え
ば、スペーサーを混入した液体に第１又は第２の基板を
入れた後、液体のみを蒸発させ、あるいはこれらのスペ
ーサーを拡散させた気体中に第１又は第２の基板を入
れ、第１又は第２の基板にスペーサーを付着させる方法
が、特公昭５７−２１６９１号公報に開示されており、
スペーサーは、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物、
金属ハロゲン化物、ガラス粒子、ガラスファイバー又は
有機物から成る。

【０００４】球形スペーサーを使用した液晶表示装置の
模式的な断面図を図１に示す。液晶表示装置は、通常、
内面に透明電極１４，１６が形成された一対の基板１
０，１２と、これらの基板間に挟持された液晶層１８を
備えている。一対の基板１０，１２の周囲はシール部２
０によってシールされている。球形スペーサー２２は、
殆どの液晶動作モードの液晶表示装置に使用されてお
り、一対の基板の間隔ｄ（以下、セル厚ともいう）を所
定の値に保持する。球形スペーサー２２の平均粒径は、
４〜１０μｍが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】球形スペーサーは、硬
い方が液晶表示装置の組立時の荷重変動や液晶層中のス
ペーサー分散密度の変動に対して均一なセル厚を保持す
ることができる。従って、液晶層中のスペーサー分散密
度を小さくすることができる。しかしその反面、低温発
泡の問題がある。液晶表示装置が低温におかれた場合、
液晶の体積が収縮するので、セル厚は、かかる液晶の体
積収縮に追従して薄くなる必要がある。低温発泡とは、
このような液晶の体積収縮に対してセル厚が追従でき
ず、液晶層中に真空の泡２４が発生する現象である（図
７参照）。球形スペーサーが硬い場合、液晶の体積収縮
に対するセル厚の追従は球形スペーサーによって妨害さ
れるため、低温発泡が生じ易い。このようなセル厚の追
従性の観点からは、プラスチック製のスペーサーような
適度に柔軟性を有する球形スペーサーが好ましい。

【０００６】一方、球形スペーサーが柔らか過ぎる場合
には、荷重の変動やスペーサー分散密度によってセル厚
が大きく変化する。セル厚の精度は液晶動作モードによ
っては±０．１μｍ以下を要求されるため、液晶層中の
スペーサー分散密度はセル厚精度を保持し得る範囲にな
ければならず、従って、スペーサー分散密度を或る程度
大きくする必要がある。そのため、液晶中のスペーサー
分散密度を１００〜２００個／ｍｍ²とし、且つ大きな
荷重を掛けて、均一なセル厚を得ることが一般的に行わ
れている。しかしながら、スペーサーが液晶層中に多数
存在することは、液晶表示装置の表示部分に欠陥が多数
存在することと等しい。即ち、スペーサー自身は、透明
電極１４，１６に印加された電圧に応答しないため、液
晶表示装置の動作上、１つ１つが欠陥に相当する。その
結果、液晶表示装置の視認性やコントラスト低下の原因
となる。また、設定セル厚にするための荷重が大きくな
り、液晶表示装置を組み立てるときに、大がかりなプレ
ス装置を必要とする。

【０００７】以上のとおり、球形スペーサーの硬さ、及
び液晶層中のスペーサー分散密度の関係は、液晶表示装
置の特性の観点から重要である。ところが、現在まで、
液晶中のスペーサー分散密度のばらつきを考慮した上
で、実現可能な最適スペーサー分散密度は明らかにされ
ておらず、また、最適スペーサー分散密度を達成するた
めに要求される球形スペーサーの硬さについても明らか
にされていない。

【０００８】従って、本発明の目的は、液晶中のスペー
サー分散密度のばらつきを考慮した上で、出来る限り少
ないスペーサー分散密度を有し、且つ低温発泡現象を回
避できる液晶表示装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、内面に透
明電極を有する一対の基板と、これらの基板間に挟持さ
れた液晶層と、液晶層を所定の厚さに維持する球形スペ
ーサーを備え、球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重
が２．５グラム重以下であり、球形スペーサーの液晶層
中のスペーサー分散密度が１２乃至１４個／ｍｍ²であ
ることを特徴とする本発明の液晶表示装置によって達成
することができる。

【００１０】球形スペーサーは、４乃至１０μｍの平均
粒径を有することが望ましい。

【００１１】

【作用】実際のスペーサー分散密度のばらつきを考慮し
た上で、最もスペーサー分散密度を小さくでき、しかも
低温発泡を回避できる球形スペーサーの硬さ等の条件、
及び液晶表示装置の製作条件について、以下、明らかに
する。

【００１２】まず図２にスペーサーの単粒子圧縮特性を
例示する。ｘをスペーサーの歪み率としたとき、圧縮荷
重ｆ（ｘ）はほぼ２次関数で近似できる。スペーサーの
直径をｒ、スペーサーがセル厚まで圧縮されたときの径
をｄとすると、ｘ＝（ｒ−ｄ）／ｒ × １００（％）となる。

【００１３】次に、スペーサーの粒径分布が正規分布Ｎ
（ｒ₀，σ）に従うとすると、スペーサー分散密度Ｎ
（個／ｍｍ²）に対する、級間平均粒子径ｒの級間内粒
子数ｎ（ｒ）はｎ（ｒ）＝Ｎ×（２π）^-0.5×σ^-1×ｅｘｐ［−（ｒ−ｒ₀）²／２σ²］（個／ｍｍ²）（１）式で表すことができる。ここで、ｒ₀は、球形スペーサー
の平均粒径であり、σは球形スペーサーの標準偏差であ
る。

【００１４】これより、液晶層中のスペーサー分散密度
をＮ（個／ｍｍ²）とし、径ｒ（μｍ）のスペーサーを
径ｄ（μｍ）まで圧縮して、セル厚ｄ（μｍ）の液晶表
示装置を作製するために必要とされる液晶表示装置に加
えるべき荷重（以下、封止荷重という）Ｆは、

【数１】となる。ここで積分の上限１．４ｄは破壊強度が３０％
であることを示す。破壊強度が３０％であるとは、スペ
ーサーが圧縮されて破壊される直前のスペーサーの歪み
率が３０％であることを意味する。スペーサーの粒度分
布を考慮すると、大きなスペーサーは設定セル厚に対し
て３０％以上圧縮される場合があり、このような粒子は
破壊されて荷重がかからなくなる。従って、積分の上限
をｄ／（１−０．３）＝１．４ｄとした。

【００１５】スペーサー分散密度Ｎ＝２０個／ｍｍ²、
平均粒径（ｒ₀）＝６．０μｍ、σ＝０．０６μｍ、１
０％単粒子圧縮荷重＝２．５ｇｆの球形スペーサーを使
用したときの、封止荷重Ｆとセル厚ｄの関係を図３に示
す。尚、この場合のｆ（ｘ）＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃの
係数を、歪み率ｘと圧縮荷重ｆ（ｘ）の実測値から求め
たところ、ａ＝０．００６、ｂ＝０．２０８、ｃ＝−
０．０５８であった。

【００１６】１０％単粒子圧縮荷重は、島津製作所製圧
縮試験機を使用して測定することができる。測定条件
は、試験荷重を１５ｇｆ、負荷速度を０．７９ｇ／秒と
し、スペーサーを直径５０μｍの圧子で圧縮し、このと
きのスペーサーの歪み率と圧縮荷重の値を求める。こう
して、スペーサーが１０％歪んだときの圧縮荷重を得る
ことができる。スペーサーの平均粒径は、スペーサーを
走査型電子顕微鏡で１００００倍に拡大し、得られた画
像を画像解析装置に取り込んで計測することによって求
めることができる。計測するスペーサーの個数は５０個
以上とし、計測値から平均粒径及び標準偏差を計算す
る。

【００１７】一般に、液晶表示装置の表示部（以下、パ
ネルという）に球形スペーサーを散布する場合、１つの
パネル内及び複数の液晶表示装置から構成されるロット
間のスペーサー分散密度のばらつきは、±５個／ｍｍ²
程度ある。また、球形スペーサーの径ｒがセル厚ｄ以下
である場合、球形スペーサーがパネル内を自由に移動す
る。これを防ぐためには、ｄ≦ｒ₀−σ （３）式を満足する必要がある。

【００１８】任意の圧縮荷重ｆ（ｘ）を有する球形スペ
ーサーにおいて、スペーサー分散密度が±５個／ｍｍ²
程度ばらついたときでもセル厚のマージンのとれる最低
のスペーサー分散密度を、（２）式を用いて計算でき
る。球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重を２．５ｇ
ｆ、球形スペーサーの平均粒径（ｒ₀）＝６．０μｍ、
σ＝０．０６μｍ、セル厚マージン＝±０．０７５μｍ
としたときの、封止荷重Ｆとスペーサー分散密度Ｎとの
関係を図４の実線で示す。この実線より上の領域におい
て、所定のセル厚ｄが得られ、この実線より下の領域で
は、スペーサー分散密度Ｎが少なすぎて、所定のセル厚
になっても、セル厚マージン（±０．０７５μｍ）を越
えてしまう。即ち、セル厚にばらつきが生じる。液晶動
作モードがＳＴＮの場合、セル厚マージンが±０．０７
５μｍを越えると、表示むらが発生する。

【００１９】次に、低温発泡が発生しない条件は、以下
の方法で求めることができる。液晶表示装置の表示部分
の寸法（パネル寸法）、各材料の熱膨張係数を以下のと
おりとする。パネル寸法：ｘ（縦）×ｙ（横）×ｚ（厚
さ）ガラスの熱膨張係数：８．０×１０^-6／°Ｃ液晶の熱膨張係数：２．３×１０^-4／°Ｃまた、液晶表示装置の温度が２０°Ｃから−２０°Ｃへ
と変化すると仮定する。２０°Ｃのときの液晶表示装置
の表示部分の容積（パネル容積）をＶ_P1、−２０°Ｃの
ときのパネル容積をＶ_P2、−２０°Ｃのときの液晶体積
をＶ_L2とするとき、Ｖ_P1＝ｘｙｚ（４）式Ｖ_P2＝ｘｙｚ（１−８．０×１０×^-6×４０）² ＝０．９９９ｘｙｚ（５）式Ｖ_L2＝ｘｙｚ（１−２．３×１０×^-4×４０°Ｃ）³ ＝０．９７３ｘｙｚ（６）式となり、従って、Ｖ_P2−Ｖ_L2＝０．０２６ｘｙｚ（７）式となる。

【００２０】この容積差（Ｖ_P2−Ｖ_L2）をセル厚の変化
のみで補償するときの必要変形厚さｄ₀は、ｄ₀＝０．０２６ｘｙｚ÷ｘｙ（１−８．０×１０^-6×４０）² ＝０．０２６ｚ（８）式となる。球形スペーサーの熱膨張係数は硬さ、材質によ
って異なるが、ここでは硬さが硬いことを前提としてい
るため、球形スペーサーの体積変化による−２０°Ｃで
のパネル容積への影響は無視できる範囲である。

【００２１】低温発泡が発生すると、液晶表示装置は圧
力差、即ち１気圧（１．０３ｋｇｆ／ｃｍ²）の力を受
ける。従ってこの圧力差によってセル厚が０．０２６ｚ
以上圧縮されれば、低温発泡を回避することができる。
そのためには、ある程度の硬さを有していても充分圧縮
される程度のスペーサー分散密度にすれば良い。この様
子を図５に示す。

【００２２】また、実際の液晶表示装置は、液晶注入
後、或る程度の荷重をかけながら封止される。従って荷
重が解放された後でも、球形スペーサーは常に封止時の
荷重を受けた状態にあり、それに伴った球形スペーサー
の圧縮量は保持されたままである。

【００２３】これらのことから、任意の圧縮荷重特性を
有する球形スペーサーに対する低温発泡を回避するため
のスペーサー分散密度の上限は次のようにして求められ
る。即ち、球形スペーサーの平均粒径ｒ₀を６μｍ、σ
を０．０６μｍ、球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷
重を２．５ｇｆ、スペーサー分散密度をＮ（個／ｍ
ｍ²）として、Ｎをパラメーターとして（２）式より封
止荷重Ｆ（ｋｇｆ／ｃｍ²）とセル厚の関係を求める。
そして、このときのセル厚をｄ（Ｎ，Ｆ）で表したと
き、ｄ（Ｎ，Ｆ）−ｄ（Ｎ，Ｆ＋１．０３）≧０．０２６ｄ（Ｎ，Ｆ）（９）式を満足するスペーサー分散密度を求めれば、低温発泡を
回避することができる。任意の封止荷重Ｆに対してこの
（９）式を満足するような最大のＮ_max（図５参照）
が、スペーサー分散密度の上限である。

【００２４】図４の実線を求めたときのスペーサー条
件、即ち、球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重を
２．５ｇｆ、球形スペーサーの平均粒径（ｒ₀）＝６．
０μｍ、σ＝０．０６μｍ、セル厚マージン＝±０．０
７５μｍとしたとき、（９）式を満足する封止荷重Ｆと
スペーサー分散密度の上限Ｎ_maxの関係を、図４の点線
で示す。図４の点線より上の領域では、低温発泡現象が
発生する虞れがある。

【００２５】先に述べたように、パネルに球形スペーサ
ーを散布する場合、１つのパネル内及び複数の液晶表示
装置から構成されるロット間のスペーサー分散密度のば
らつきは、±５個／ｍｍ²程度ある。図４の実線と点線
で囲まれた斜線を付した領域において、スペーサー分散
密度が１つのパネル内及びロット間で±５個／ｍｍ²ば
らついたとしても図４の実線と点線で囲まれた領域に包
含されるためのスペーサー分散密度の平均値は１３個／
ｍｍ²となる。また、このときの封止荷重Ｆは０．２ｋ
ｇｆ／ｃｍ²である。

【００２６】以上のとおり、球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重：２．５ｇｆ球形スペーサーの平均粒径（ｒ₀）：６．０μｍ球形スペーサーの標準偏差：０．０６μｍセル厚マージン：±０．０７５
μｍとしたとき、最適なスペーサー分散密度は１３個／ｍｍ
²であり、封止荷重０．２ｋｇｆ／ｃｍ²である。このと
きのセル厚は５．９４μｍである。

【００２７】図４の実線と点線で囲まれた斜線を付した
領域に関しては、球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷
重が高くなる程、図４に示した点線、即ち、低温発泡を
回避するためのスペーサー分散密度の上限値が下がって
くる。同時に、図４に示した実線、即ち、所定のセル厚
を得るためのスペーサー分散密度の下限値も下がる。し
かしながら、点線の下がる割合よりは、実線の下がる割
合の方が小さい。従って、球形スペーサーの１０％単粒
子圧縮荷重が高くなる程、図４の実線と点線で囲まれた
斜線を付した領域は狭くなる。

【００２８】粒径６．０μｍの場合のスペーサー硬度限
界は、１０％単粒子圧縮荷重＝２．５ｇｆと一致する。
ここでスペーサー硬度限界とは、所定の封止荷重Ｆにお
いて、低温発泡を回避するためのスペーサー分散密度の
上限値Ｓ_MAXと、所定のセル厚を得るためのスペーサー
分散密度の下限値Ｓ_MINとの差Ｓ_DEFが、１０個／ｍｍ²
以上となり得るようなスペーサーの硬度を意味する。球
形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重が２．５ｇｆを越
えると、封止荷重Ｆを如何に小さくしても、ｄ≦ｒ₀−
σ の範囲ではＳ_DEFの値は１０個／ｍｍ²未満となる。
従って、スペーサー硬度限界を越えると、１つのパネル
内及びロット間のスペーサー分散密度のばらつきが±５
個／ｍｍ²ある場合、低温発泡を回避することができな
くなり、あるいは、所定のセル厚を得ることができなく
なる。尚、１０％単粒子圧縮荷重が低下するに従い、所
定のセル厚を得るために必要とされるスペーサー分散密
度は高くなる。

【００２９】更に、球形スペーサーの平均粒径（ｒ₀）
によってスペーサー硬度限界は変化するが、平均粒径が
４．０〜１０．０μｍの範囲では、スペーサー硬度限界
は概ね同一であり、そのときの最適スペーサー分散密度
は１２〜１４個／ｍｍ²となる（図７参照）。また、そ
のときの封止荷重は０．２ｋｇｆ／ｃｍ²となる。尚、
この場合の条件を以下のとおりとした。球形スペーサーの１０％単粒子圧縮荷重：２．５ｇｆ球形スペーサーの平均粒径（ｒ₀）：４．０〜１
０．０μｍ球形スペーサーの標準偏差／ｒ₀ ：１％セル厚マージン：±０．０７５
μｍ球形スペーサーの平均粒径（ｒ₀）が、４．０μｍ、６
μｍ、１０．０μｍの場合、得られたセル厚（ｄ）は、
それぞれ、３．９６μｍ、５．９４μｍ、９．９０μｍ
である。

【００３０】球形スペーサーの粒径分布は、標準偏差／
平均粒径＜１％であればよい。また、球形スペーサー
は、化学的に液晶に影響を与えないものであれば組成は
特に限定されない。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の液晶表示装置を実施例に基づ
き、図１を参照して説明する。先ず、従来の方法に基づ
き、透明電極１４，１６が形成された一対の基板１０，
１２を作製する。パネルの寸法を縦２００ｍｍ×横２０
０ｍｍとした。次に、一方の基板の周辺部にシール剤２
０を印刷し、他方の基板上に球形スペーサー２２を散布
する。使用した球形スペーサーの諸元を以下のとおりと
した。材質シリカ平均粒径（ｒ₀）６．０μｍ標準偏差（σ）０．０６μｍ１０％単粒子圧縮荷重２．５ｇｆ設定スペーサー分散密度１３個／ｍｍ² 球形スペーサーの散布は、球形スペーサーを分散させた
フロン等の溶媒をエアーガン等で基板に吹き付けた後溶
媒を飛ばす方法、あるいは溶媒を使用せずに球形スペー
サーをそのままエアーガン等で基板に吹き付ける方法で
行うことができる。

【００３２】次いで、プレス装置を使用して、一対の基
板１０，１２を重ね合わせた状態で加圧・加熱して、シ
ール剤２０を硬化させる。その後、シール剤の一部に設
けられた注入口（図１には図示せず）から、一対の基板
１０，１２で形成された隙間に液晶を注入する。

【００３３】次に、セル厚を所定の値とするために、液
晶表示装置に封止荷重Ｆをかける。封止荷重Ｆを０．２
ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

【００３４】こうして作製した液晶表示装置のセル厚は
所定の値を得ることができ、液晶表示装置の視認性やコ
ントラストが大幅に向上した。また、液晶表示装置を２
０゜Ｃから−２０゜Ｃの環境に暴露したが、低温発泡現
象は発生しなかった。

【００３５】先に述べたように、通常、液晶表示装置の
表示部に球形スペーサーを散布する場合、１つのパネル
内及び複数の液晶表示装置から構成されるロット間のス
ペーサー分散密度のばらつきは、±５個／ｍｍ²程度あ
る。従って、本発明の液晶表示装置においては、液晶層
中の球形スペーサーの分散密度を１２乃至１４個／ｍｍ
²と規定しているが、液晶層中の球形スペーサーの分散
密度がこの範囲にあるか否かは、ＪＩＳＺ９０４５−
１９６２「母平均と基準値との差の検定（標準偏差値未
知、両側）」に従って検定する。

【００３６】即ち、パネルを１ｍｍ角の多数の測定点に
分ける。そして、ＪＩＳＺ９０３１−１９５６「ラン
ダム抜取方法」に従って選ばれた２０点の測定点内に含
まれる球形スペーサーの数Ｎを数える。測定点に体積の
半分以上が含まれる球形スペーサーは１つと数える。基
準として設定した値を１２、１３及び１４とし、危険率
α＝０．０１として、測定点内に含まれる球形スペーサ
ーの母平均が、基準として設定した値（１２，１３，１
４）と差があるか否かを検定する。

【００３７】本発明の液晶表示装置の動作モードは、電
界によって分子配列の制御を行い得る動作モードであれ
ば如何なる動作モードでもよいが、厳しいセル厚制御が
要求されるＳＴＮ（Super Twisted Nematic）モード、
強誘電性液晶モード等に特に効果がある。液晶パネルの
表示モードとしては、電圧無印加時に光が透過しない黒
表示となるノーマリーブラックモード（ＮＢ）及び光が
透過し白表示となるノーマリーホワイトモード（ＮＷ）
のどちらをも使用することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の液晶表示装置においては、１０
％単粒子圧縮荷重が２．５グラム重以下の球形スペーサ
ーを使用し、液晶層中の球形スペーサーの分散密度を１
２乃至１４個／ｍｍ²とすることで、液晶表示装置の視
認性やコントラストが大幅に向上する。また、これに伴
って、液晶表示装置における球形スペーサーの使用量は
従来の１／１０程度でよくなるため、液晶表示装置のス
ペーサーに関するコストも１／１０程度低減することが
できる。更に、設定セル厚にするための封止荷重は０．
２ｋｇｆ／ｃｍ²程度でよいので、プレス装置や治具の
軽量化、コストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】液晶表示装置の模式的な断面図である。

【図２】球形スペーサーの歪み率と単粒子の圧縮荷重の
関係を示す図である。

【図３】封止荷重Ｆとセル厚ｄの関係を示す図である。

【図４】封止荷重Ｆとスペーサー分散密度Ｎとの関係を
示す図である。

【図５】低温発泡現象を回避し得るスペーサー分散密度
の上限値を示す図である。

【図６】球形スペーサーの平均粒径と最適スペーサー分
散密度との関係を示す図である。

【図７】液晶層中に生じた低温発泡現象を説明するため
の液晶表示装置の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１０，１２基板１４，１６透明電極２０シール部２２球形スペーサー２４泡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内面に透明電極を有する一対の基板と、こ
れらの基板間に挟持された液晶層と、液晶層を所定の厚
さに維持する球形スペーサーを備え、球形スペーサーの
１０％単粒子圧縮荷重は２．５グラム重以下であり、球
形スペーサーの液晶層中のスペーサー分散密度は１２乃
至１４個／ｍｍ²であることを特徴とする液晶表示装
置。
【請求項２】前記球形スペーサーは、４乃至１０μｍの
平均粒径を有することを特徴とする請求項１に記載の液
晶表示装置。