JPH06160865A - 液晶表示素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は文字、画像等を表示する液晶表示装
置に関するもので、特に製造工程歩留りが高くかつ高信
頼性の液晶表示素子を提供することを目的とする。 【構成】 少なくとも１枚のガラス基板１上に柔軟膜７
を設け、液晶層６の厚みより径の大なるスペーサ５を使
用し、液晶充填後基板間を加圧し柔軟膜７にスペーサ５
を食い込ませた構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は文字及び画像等を表示す
る液晶表示装置に関し、特に高信頼性の液晶表示素子お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子は、（図５）に示すように
透明電極３および液晶配向手段４が形成された２枚のガ
ラス板１を接着シール剤２を用いて貼り合わされ、スペ
ーサ５で規制された基板間隙に液晶６が充填された構成
のものである。

【０００３】前記構成を得るための工程を説明する。ま
ずガラス基板１上に透明電極３を所定のパターンに形成
した後その表面に配向膜４を形成する。一般に透明電極
にはＩＴＯが用いられ、配向膜材料にはポリイミドの薄
膜が用いられる。次に、配向膜にラビング処理を施し液
晶配向力を付与した後、少なくとも１枚の基板上にスペ
ーサ５を空気噴霧などの手段によりできるだけ均一に分
散配置する。スペーサ５としてはプラスチック、シリカ
（二酸化珪素）等の材質の微小ビーズが多く用いられ
る。次に、少なくとも１枚の基板上に２枚の基板を接着
し液晶を封入するためのシール剤２を印刷などの手段に
より所定の形状に配設する。次に、２枚の基板を貼り合
わせ、シール剤２を硬化しスペーサ５で基板間隙が規制
されたセルを得る。次に、セル内に液晶６を充填した後
余分なガラス基板を切断除去し駆動回路接続端子を形成
した液晶表示素子を得る。

【０００４】セルに液晶を充填する手段としては、シー
ル剤を一部開口部を設けた形状にしておき、セル内を真
空に排気した後シール開口部より大気圧を利用して液晶
をセル内に充填し、その後開口部を接着剤等で封口する
方法がある。また他の方法として、シール剤に開口部を
設けずに、所定の液晶層厚より算出した量の液晶を真空
中で片側の基板上に滴下した後両基板を貼合わせ、シー
ル剤を硬化することにより液晶が充填されたセルを得る
方法がある。

【０００５】前記の構成の液晶表示素子において、セル
の間隙はスペーサで規制されるため、充填された液晶の
量が規制された厚みとシール剤で囲まれた面積の積で決
まる液晶必要量より少ない場合は、セル内に液晶が完全
に充填されずに真空の領域が残る場合がある。また、液
晶必要量より多い場合は余剰の液晶のために部分的に厚
みの大きい領域が生じる場合がある。いずれの場合も表
示品質の重大な劣化要因となる。特に最近大型液晶表示
素子に多く使われているＳＴＮ方式は液晶層厚の変化に
敏感で、僅かな変化も著しい表示むらとなって現れるた
め液晶は正確に充填されなければならない。ただし、ス
ペーサにはある程度の弾性があるため、実際には真空の
領域および余剰液晶の両者共が生じない液晶量はある幅
をもって存在する。

【０００６】前記のように液晶表示素子のセル間隙はス
ペーサで規制されるため、均一な液晶層厚を得るために
はスペーサの直径ばらつきが少ないことが要求される。

【０００７】また、スペーサの散布密度は高い方が均一
なものを得易いが、スペーサは液晶表示素子を動作させ
た場合に細かい輝点として観察されるため極力少ない方
が表示品質としては優れている。スペーサに最も多く用
いられているものはプラスチックの微少なビーズであ
り、適当な弾力性があるため前記液晶充填量の精度の余
裕が大きい特長があるが、直径のばらつきが大きいため
均一な液晶層厚を得るためには散布密度を高めなければ
ならない欠点がある。シリカの微少なビーズは直径の精
度が高くばらつきが少ないため散布密度を下げられる特
長があるが、非常に硬くほとんど変形しないため液晶充
填量の必要精度が著しく高い欠点がある。

【０００８】また、他のスペーサとしてガラスファイバ
ーを切断したものがあるが、形状が大きく表示品質の劣
化が大きいため液晶表示素子の表示域のスペーサにはほ
とんど使われずシール剤中のスペーサ材等に使用され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記のようにシリカス
ペーサは直径の精度が高く、均一なセル間隙を得易いが
液晶充填量の余裕が少なく液晶を充填する工程に特に高
い精度を要し、工程歩留りが低下するという問題があ
る。また、液晶充填後の液晶表示素子の温度が変化した
場合に表示欠陥を発生する欠点がある。すなわち、液晶
表示素子を低温環境に置いた場合、液晶は体積収縮を起
こすためセル間隙も減少しようとするが、シリカスペー
サは熱膨張係数が液晶に比べて著しく小さいためセル間
隙はほとんど収縮せず、その結果セル内に真空の領域が
発生し表示外観上は気泡が生じたように観察される。液
晶表示素子を高温環境に置いた場合は、液晶は体積膨張
しセル間隙を広げようとするがシリカスペーサはほとん
ど熱膨張しないため基板がスペーサより浮いた状態の領
域が発生し、この領域は周辺より液晶層厚が大きいため
表示外観上は色むらや明暗むらとなって観察される。い
ずれの場合も重大な表示欠陥であり、液晶表示素子とし
ての価値は大きく低下する。

【００１０】また、セル内にカラーフィルタを設けたカ
ラー液晶表示素子においては、一般にカラーフィルタは
樹脂材料で構成されるためシリカスペーサより硬度が著
しく低く、液晶表示素子組立後基板表面より圧力が加わ
った場合にスペーサがフィルタに食い込む現象が生じ液
晶層厚のむらが発生する問題がある。

【００１１】前記のようにシリカスペーサを使用した場
合、製造工程歩留りが低下すると共に液晶表示素子の信
頼性が低下するという問題があるため、工業的に使用す
ることは困難であった。本発明は、前記課題を解決し、
シリカスペーサあるいは同様の硬度が高く熱膨張係数の
小さい材質のスペーサを使用し、製造工程歩留りが高く
かつ高信頼性の液晶表示素子を提供することを目的とし
ている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的課題を達成する
ために本発明は液晶素子を、少なくとも１枚の基板上に
柔軟膜と電極と液晶配向手段を有し、複数の基板間にス
ペーサと液晶を密閉保持し、前記スペーサの直径が液晶
層の厚みより大きいという構成にしたものである。

【００１３】

【作用】スペーサの直径が液晶層厚より大きいためスペ
ーサは一部が基板上の柔軟膜に食い込んだ状態になる。
（図４）に柔軟膜を形成したガラス基板上で測定したシ
リカの微小なビーズの圧縮荷重−ひずみ線図を示す。ビ
ーズ径は７μｍ、柔軟膜は１０μｍ厚のアクリル樹脂膜
である。ビーズとアクリル膜の硬度が著しく異なるた
め、実際にはひずみは膜中へのビーズの食い込みであ
る。荷重印加初期はわずかな荷重でひずみが生じるが、
ひずみの増大と共に荷重も増大する。

【００１４】よって、予めある程度スペーサを柔軟膜中
に食い込ませることにより外部からの圧力に対する耐力
は増大する。また、温度変化による液晶体積の増減に対
しては柔軟膜の弾力性により追随し、液晶の収縮による
真空領域や膨張による液晶層厚のむらが生じることはな
い。

【００１５】このように本発明は、シリカスペーサある
いは同様の硬度が高く熱膨張係数の小さい材質のスペー
サを使用しても、製造工程歩留りが高くかつ高信頼性の
液晶表示素子を提供できるものである。

【００１６】

【実施例】本発明の具体例を図を用いて説明する。

【００１７】（実施例１）（図１）は一実施例の液晶表
示素子の断面図である。

【００１８】本実施例を工程を追って説明する。まず、
２枚のガラス基板１の片方に紫外線硬化型の透明なアク
リル樹脂をスピンコーティングした後全面に紫外線を照
射し硬化させ柔軟膜７を得る。厚みは約５μｍであっ
た。次に、形成した膜７の表面および他方の基板表面に
透明電極（ＩＴＯ膜）３を約１５０ｎｍ厚に成膜した後
フォトリソグラフィ法を用いて必要なパターンにした。
次に、両基板表面にポリイミドインクを印刷し熱キュア
を行いポリイミド膜を形成後、膜にラビング処理を施し
液晶配向膜４を得た。

【００１９】次に、片方の基板１上に径７μｍのシリカ
ビーズ５を約１２０個／平方ｍｍの密度に空気噴霧法で
分散配置した。また、他方の基板上に熱硬化型エポキシ
樹脂からなる接着シール剤２を表示域を囲む形状にスク
リーン印刷法で形成した、ただし液晶充填用に一部開口
部を持つ。次に、両基板を貼り合わせシール剤２を硬化
した後所定の形状に基板１を切断し空セルを得た。次
に、空セルを真空槽中で内部を排気した後前記シール剤
開口部を液晶溜に浸漬し、周囲を大気圧に戻し気圧差で
セル内部に液晶６を充填する。この段階ではまだスペー
サ５は柔軟膜７に食い込んではいないため、（図２）に
示す冶具を使用して余分な液晶を排出すると共にスペー
サ５を膜７中に食い込ませる。

【００２０】冶具の機能を説明する。冶具は下ステージ
１０と上ステージ１１を支柱１２で連結した構造であ
り、上ステージにはゴム膜１３が取り付けられている。
ゴム膜内側には上ステージ１１を通してエアゲージ１４
と空気注入口１５があり、ゴム膜内に一定の圧力の空気
を保持できる構造になっている。下ステージ上に液晶充
填済みのセル１６を置き、ゴム膜に空気を注入しゴム膜
を膨張させセル表面を一定の圧力で加圧する。本実施例
では空気圧９８ｋｐａにて５分間加圧し、シール剤開口
部より排出された液晶を除去後エポキシ樹脂接着剤を用
いてシール開口部を封止した。

【００２１】このようにして得られた液晶表示素子の液
晶層厚は６．５μｍであったため、スペーサは０．５μ
ｍ柔軟膜７に食い込んでいることになる。本実施例の液
晶表示素子を−３０゜Ｃ低温放置２５０時間および６０
゜Ｃ高温放置２５０時間の各試験を行った結果、表示品
質に異常は生じなかった。

【００２２】本実施例では柔軟膜７に感光性アクリル樹
脂を使用したがこれに限定するものではなく、スペーサ
より柔軟で均一な膜に形成できる材料であれば使用でき
る。また、膜厚も５μｍに限定するものではなく、スペ
ーサ径も７μｍに限定するものではない。なお、柔軟膜
７は両側の基板上に設けても構わない。

【００２３】基板上に柔軟膜７、電極３、液晶配向膜４
を積層する工程において、配向膜４は液晶６に接するこ
とが必要であるが、柔軟膜７と電極３の積層順は基板上
に先に電極３を形成しても同様の効果を得られる。しか
し、液晶側に電極３を形成した場合は、スペーサ５が柔
軟膜７に食い込んだ時に電極３もスペーサ５により変形
するため電極抵抗値が増大する恐れがある。また液晶側
に柔軟膜７を形成した場合は、スペーサ５による電極３
の変形は防ぐことができるが柔軟膜７による電圧ロスが
生じるため表示特性の劣化の恐れがある。よって、どち
らの構成を取るかは表示特性を評価した上で選択する必
要がある。

【００２４】ゴム膜加圧冶具による処理において、空気
圧はスペーサ密度及び径、柔軟膜の硬度及び膜厚、最終
的な目標液晶層厚等の条件により最適な値に調整する必
要がある。なお、本処理の目的は余剰の液晶を排出し、
所定の液晶層厚を得ることであるため、同様の効果を得
る処理を施すことが可能であれば冶具等の構造はこれに
限定するものではない。

【００２５】本実施例では液晶をセル内に充填後基板間
を加圧し、スペーサを柔軟膜に食い込ませる処理を行っ
たが、先に前記食い込み処理を行った後液晶を充填して
も同様の効果を得られる。具体的には、シール剤２を硬
化した後所定の形状に切断し得られたセルを前記ゴム膜
加圧冶具に配置し、ゴム膜１３に９８ｋｐａの圧縮空気
を導入し５分間保持するスペーサを柔軟膜に食い込ませ
る処理を行った後セルを取り出した。その後、前記液晶
充填工程と同様の工程でセルに液晶６を充填した。この
ままでは余剰の液晶が充填されているため、前記ゴム膜
冶具に再度セルを配置し、ゴム膜に３０ｋｐａの圧縮空
気を導入し５分間加圧し、シール剤開口部より排出され
た液晶を除去後エポキシ樹脂接着剤を用いてシール開口
部を封止した。このようにして得られた液晶表示素子に
前記信頼性確認試験を実施したが表示品質に異常は生じ
なかった。

【００２６】（実施例２）次に、他の実施例を説明す
る。本実施例は前記実施例とは液晶充填法が異なるもの
である。

【００２７】スペーサ散布工程およびシール剤印刷工程
までは前記実施例と同様である。ただし、シール剤２の
印刷形状は完全に表示域を囲む形状とし、液晶充填口は
設けない。次に、所定量の液晶をシール剤２を印刷した
基板上のシール剤で囲まれた領域に滴下した。液晶量は
完成後の液晶表示素子の液晶層６の厚さとシール剤２で
囲まれた面積の積で計算され、本実施例の場合は液晶層
厚６．５μｍ、シール剤が囲む面積２００００平方ｍｍ
であったため ０．００６５×２００００＝１３０立方ｍｍと算出され
る。

【００２８】次に、液晶を滴下した基板とスペーサを散
布した基板の両者を真空槽中で貼り合わせた後大気中に
取り出し、シール剤２を硬化する。この状態ではスペー
サ５は柔軟膜７に食い込んでない。また、液晶６は流動
性が十分ではないため滴下部付近の液晶量が多く、さら
にシール剤２付近は真空域が残留し液晶層厚は均一では
ない。次に、貼り合わせた基板１を加熱し液晶粘度を下
げると共に液晶体積を膨張させ液晶の流動を促進し完全
にセル内に液晶が充満した状態にした。次に、液晶表示
素子を−３０゜Ｃの低温状態に保ち１２時間放置するこ
とにより、液晶体積を収縮させ大気圧によりスペーサ５
を柔軟膜７に食い込ませた。

【００２９】その後、常温に戻すことにより柔軟膜７に
スペーサ５が食い込んだ液晶表示素子を得た。なお、常
温に戻す際に液晶６が膨張するが柔軟膜７の弾性により
スペーサ５の食い込みもある程度回復し、液晶が過剰と
なって液晶層厚にむらが生じることはない。また、スペ
ーサ５を柔軟膜７へ食い込ませる処置としての低温放置
条件はこれに限定するものではないが、液晶表示素子と
しての保存温度範囲の低温限度付近が適当である。

【００３０】なお、本実施例では低温における液晶の収
縮を利用した大気圧による加圧手段を用い、所定の液晶
層厚を得たが、同様の効果が得られればこれに限定する
ものではない。本実施例の液晶表示素子を−３０゜Ｃ低
温放置２５０時間および６０゜Ｃ高温放置２５０時間の
各試験を行った結果、表示品質に異常は生じなかった。

【００３１】（実施例３）次に、他の実施例を説明す
る。本実施例は（図２）に示すように、（図１）に示す
第１の実施例における柔軟膜７をカラーフィルタ８およ
び平滑層９の積層体に置換したものである。

【００３２】ガラス基板１上に感光性樹脂に顔料を添加
した色彩付き感光性インクを用い、フォトリソグラフィ
法にて所定のパターンにカラーフィルタ８を形成した。
カラーフィルタに必要な色数だけ工程を繰り返す必要が
ある。また他に印刷法、染色法、電着法等でも同様なカ
ラーフィルタを形成することは可能で、カラーフィルタ
形成法は本発明の効果に影響するものではない。

【００３３】次に、カラーフィルタ８は１μｍ以上の厚
みがあるためカラーフィルタの有無による段差および各
色間の厚みむらによる凹凸を軽減するために平滑層９と
して、カラーフィルタ８を形成した基板全面に無色の感
光性アクリル樹脂をロールコーターにて塗布し、全面に
紫外線を照射して硬化した。平滑層９の膜厚は５μｍで
あった。平滑層として本実施例では感光性アクリル樹脂
を使用したがこれに限定するものではなく、塗布性、密
着性に優れカラーフィルタ表面の平滑目的を満たすもの
であればよい、硬化法も紫外線硬化法に限定するもので
はない。ただし、このカラーフィルタ８と平滑層９の積
層体を本発明における柔軟膜として使用するためスペー
サ５より柔軟であることが必要である。また、カラーフ
ィルタ８による基板表面の凹凸による表示特性への影響
が問題にならないならば、特に平滑層９を設ける必要は
なく、カラーフィルタ８を柔軟膜として使用できる。

【００３４】透明電極３の形成以後の工程は実施例１と
同様にし、液晶表示素子を得た。本実施例の液晶表示素
子を−３０゜Ｃ低温放置２５０時間および６０゜Ｃ高温
放置２５０時間の各試験を行った結果、表示品質に異常
は生じなかった。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明は少なくとも１枚
の基板上に柔軟膜と電極と液晶配向手段を有し、複数の
基板間にスペーサと液晶を密閉保持し、前記スペーサの
直径が液晶層の厚みより大きいという構成にした液晶表
示素子であり、スペーサが柔軟膜に食い込むことにより
外部圧力に対する耐力が増大し、温度変化による気泡の
発生や表示色及び明暗のむらが生じることがない。

【００３６】さらに、スペーサ径のばらつきに対しては
柔軟膜中への食い込み量が自動的に調整されるために基
板間隙ばらつきへの影響を防ぐことができる。また、ス
ペーサより大きな異物が混入した場合も異物が柔軟膜中
に埋め込まれるため液晶層厚への影響を減ずることがで
きるという効果も生じる。

【００３７】前記構成は簡易な手段で実現することがで
き、さらに、柔軟膜をカラーフィルタあるいはカラーフ
ィルタと平滑層の積層体で構成すれば、新たに柔軟膜を
形成する工程を省略することができ、均一性に優れかつ
高信頼性のカラー液晶表示素子をコストの上昇すること
なく実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の液晶表示素子の断面図

【図２】本発明の一実施例の液晶表示素子の製造工程で
用いる冶具の側面図

【図３】本発明の一実施例の液晶表示素子の断面図

【図４】柔軟膜を形成したガラス基板上でのシリカビー
ズの圧縮荷重−ひずみ線図

【図５】液晶表示素子の断面図

【符号の説明】

１ ガラス基板 ２ シール剤 ３ 透明電極 ４ 液晶配向膜 ５ スペーサ ６ 液晶 ７ 柔軟膜 ８ カラーフィルタ ９ 平滑層 １０ 下ステージ １１ 上ステージ １３ ゴム膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１枚の基板上に柔軟膜と電極と
   液晶配向手段を有し、複数の基板間にスペーサと液晶を
   密閉保持し、前記スペーサの直径が液晶層の厚みより大
   きいことを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】基板上の柔軟膜がカラーフィルタあるいは
   カラーフィルタと平滑材層の積層体であることを特徴と
   する請求項１記載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】少なくとも１枚の基板上に柔軟膜と電極と
   液晶配向膜を積層する工程と、少なくとも１枚の基板上
   にスペーサを配置する工程と、複数の基板間に液晶を密
   閉保持する工程と、前記基板間を加圧し所定の液晶層厚
   を得る工程とを具備することを特徴とする液晶表示素子
   の製造方法。