JPH0731327B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液晶表示素子、特にセル間隙を広温度範囲にわ
たって高精度に一定に保った液晶表示素子に関するもの
である。

［従来の技術］ 液晶の複屈折性を利用する液晶表示素子においては、表
示特性はセル間隙の変化にきわめて敏感に反応し、セル
間隙の均一性は±１〜２％の精度が要求される。この精
度を達成するためには、セルに用いるガラス基板の平面
度もさることながら、スペーサー材の粒径精度等も重要
な要素である。

従来、この目的には、高精度グラスファイバーをスペー
サー材として用いさらにセル内を弱減圧状態にして来て
いたが、スペーサー材の弾力性がないことが災いして０
℃〜−30℃程度の低温にされされると、液晶材料の収縮
がガラス基板の収縮より大きいためにセル内部が強い減
圧状態になり、ついには気泡が発生してしまう傾向があ
った。この問題を避けるために、スペーサー材として弾
力性のあるプラスチック球を用いセル内を弱減圧状態に
する方法が行われている。すなわち、液晶材料の収縮に
より、セル内はグラスファイバーを用いた場合と同様に
減圧状態となるが、その圧力によりスペーサー材が変形
してセル間隙が小さくなりセル内の減圧度はグラスファ
イバーを用いた場合より小さくなるため、気泡の発生が
防止できる。

しかしながら、弾力性のあるスペーサー材を使用するこ
とは、高精度セル間隙コントロールには適していない。
すなわち、セル内部に散布するスペーサー材密度に不均
一が生じた場合、スペーサー材の密度の低い部分ではス
ペーサー材の変形が大きく低ギャップとなり、反対に密
度の高い部分では変形が小さく、高ギャップとなる傾向
がある。また、ガラス基板の不規則なたわみにより、セ
ル内のスペーサー材に印加される圧力に分布が生じるた
め、たとえスペーサー材分布が均一であっても圧力の高
い部分はスペーサー材の変形が大きく、低間隙となり圧
力の低い部分は変形が少なく高間隙となってしまうとい
う問題点があった。一方、グラスファイバースペーサ
ー、プラスチック球スペーサーのいずれでも生じる問題
として、セルが40℃以上に加熱された場合の液晶材料の
膨張によりセル間隙が増大し、背景色の色変化および色
ムラが目立つようによるという欠点があった。

［発明の解決しようとする問題点］ 前述のように従来の技術は高精度のセル間隙を達成し、
かつ低温において気泡が発生することがなく、また高温
において、液晶の膨張によるセル間隙の増大を防止する
方法はなかった。または低温における気泡の発生を防止
するためには常温におけるセル間隙精度を犠牲にせざる
を得ない状況であった。

本発明は、平面度の悪い基板（ガラス基板の不規則なた
わみを持った基板）を用いた場合でも、セル内を減圧状
態にして封じることによりたわみが矯正されて表示部に
於て均一なセル間隙が達成され、さらには、広温度範囲
にわたってセル間隙を一定に保ち、低温における発泡問
題も解決する方法を新規に提供することを目的にするも
のである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであ
り、電極を設けた一対の基板を基板間にスペーサー材を
配置し、電極面を相対向せしめて周辺をシール材でシー
ルし、内部に液晶を封入してなる液晶表示素子におい
て、シール材で囲まれる面内で表示に用いる部分以外の
部分にスペーサー材の存在しない領域を形成するととも
に、内部を減圧状態で液晶を封入して前記一対の基板間
の間隙が前記スペーサー材が存在していない領域でスペ
ーサー材の存在している領域よりも狭くなるようにされ
ていることを特徴とする液晶表示素子である。

第１図は、本発明の液晶表示素子の基本的な例の平面図
であり、わかりやすくするため上側の基板と封止材を除
いた状態で示してある。又、第２図は第１図の液晶表示
素子の断面図である。

この液晶表示素子は、図示されていない電極を設けた一
対の基板1A,1Bをスペーサー材２を配置して、電極面が
相対向するようにし、周辺をシール材３でシールしてセ
ルを形成し、注入口４から液晶５を注入して注入口を図
示されていない封止材で封止した液晶表示素子であり、
図の左側のＡの領域にはスペーサー材が配置されていな
く、かつこの液晶表示素子の使用温度範囲のほぼ中間の
温度でこのＡの領域のセル間隙t_Aがスペーサー材の存在
している領域Ｂのセル間隙t_Bよりも狭くなるようにされ
ている。

本発明に使用される基板は電極が形成されたガラス、プ
ラスチック等の基板であればよく、少なくとも一方は透
明とされる。又、この基板と電極の間にはSiO₂、Al
₂O₃、ポリイミド、ポリアミド等のアンダーコート層、
カラーフィルター層、偏光層等を設けてもよく、又、電
極上にもSiO₂、Al₂O₃、ポリイミド、ポリアミド等の配
向膜、カラーフィルター層等を設けてもよく、電極を２
層としたり、金属配線を併用したり、トランジスタ、ダ
イオード、非線形抵抗素子を設けてもよい。

この基板間に配置するスペーサー材はガラス繊維、アル
ミナ粒子、プラスチック粒子等公知のスペーサー材が使
用できるが、硬い無機のスペーサー材と弾力性のある有
機のスペーサー材を併用することにより、より低温にお
ける発泡が少なくなるので好ましい。

又、このスペーサー材は、単に散布するのみでもよい
が、散布後に配向膜材料を付与したり、配向膜材料に混
合して同時に印刷したり、配向膜材料の硬化前にスペー
サー材を散布したりして一方の基板にスペーサー材を接
着せしめてもよく、このようにすることによりスペーサ
ー材の移動を生じなくすることができるため、スペーサ
ー材の存在しない領域内にスペーサー材が入りこんだ
り、逆にスペーサー材の必要な領域のスペーサー材が流
出により失われることがなく好ましい。

この液晶表示素子を減圧状態で封止するには、液晶注入
後に注入口から減圧して液晶を吸い出してもよいし、ス
ペーサー材の存在しない領域を加圧して液晶を流出させ
てもよく、スペーサー材の存在しない領域Ａのセル間隙
t_Aがスペーサー材の存在する領域Ｂのセル間隙t_Bよりも
狭くなるようにされればよい。

本発明は液晶表示素子の一部にスペーサー材を散布しな
い領域を設け、かつ減圧状態で液晶を封入することによ
り、この領域のセル間隙を表示部のセル間隙より小さく
することにより温度変化により膨張、収縮した液晶の体
積変化をこの領域で吸収し、表示部でのセル間隙変化を
緩和しようとするものである。

このスペーサー材の存在しない領域Ａは、表示面積の５
〜20％の範囲の面積をもつことが適当であるが、面積が
小さすぎると効果が少なく、大きすぎると表示に必要な
面積に対してセル全体が大きくなり、デザインおよびコ
ストの点で好ましくない。従って一般的には10％前後の
面積とすることが望ましい。この領域は液晶表示素子の
どの部分に設けてもかまわないが、真空注入方式による
液晶注入時の減圧によりセル間隙が小さくなる部分であ
るので、液晶の注入速度の低下を招かないという点では
注入口側は避けることが望ましい。

このスペーサー材の存在しない領域として第３図のよう
な配置が考えられる。

さらに、表示領域を明確に区別することと、スペーサー
材を用いる表示部と用いない領域の境界付近に圧力が集
中することによるスペーサー材の破壊を防止する意味
で、その両方の領域の境界にシール材による支柱を周辺
部以外に点状、線状等に設けることが望ましい。これは
温度変化によるセル内での液晶の流動を妨げない形状で
あることが必要である。また、温度変化等により発生す
る液晶のセル内での流動により、スペーサー材を用いな
い領域へのスペーサー材の流入をも防止できる。

第３図では単に液晶表示素子の平面を示しており、シー
ル材、スペーサー材ともに省略してあり、図の右側に注
入口を設けたとして説明する。（１）は注入口の反対側
にスペーサー材の存在しない領域11を設けた例であり、
（２）は注入口の隣接辺の一方にスペーサー材の存在し
ない領域12を設けた例であり、（３）は注入口の隣接辺
の両方にスペーサー材の存在しない領域13を設けた例で
あり、（４）は注入口以外の全ての辺にスペーサー材の
存在しない領域14を設けた例である。

このスペーサー材の存在しない領域は、液晶表示素子の
セル間隙が大きく変化する領域であるため表示パターン
の無い部分に形成されるため、通常のドットマトリクス
表示やLCTVのように長方形の表示エリアを有するものは
上記のような第３図（１）〜（４）の配置がなされる。

もっとも、表示パターンによっては必ずしもこの４通り
の配置に限られなく、例えば時計、レーダー像の表示用
等では（５）に示すように注入口以外の３隅をスペーサ
ー材の存在しない領域15としたり、複合表示でセルの中
央部付近にも表示パターンがない場合には（６）に示す
ように周辺部16A以外に中央部付近に島16Bにスペーサー
材の存在しない領域を設けることもできる。

この第３図（１）の例は、前述第１図、第２図の例と同
じ構造であり、以下にこの例をもとにさらに詳しく説明
する。

本発明では、このスペーサー材の存在しない領域Ａは、
セル内部が減圧状態とされることから表示部であるスペ
ーサー材の存在にする領域Ｂのセル間隙t_Bよりも狭い間
隙t_Aとされている。この間隙（t_B−t_A）は、液晶表示素
子の使用温度範囲、スペーサー材の存在しない領域の広
さ、基板の材質と厚み等により適宜設定されればよい
が、通常使用温度範囲の中間の温度でt_A／t_B＝0.3〜0.9
程度とされればよい。より好ましくは0.4〜0.7程度とさ
れる。

これにより、低温時においてもこのスペーサー材のない
領域のセル間隙がさらに減少すること及び弾力性のある
有機スペーサー材を併用している時には、表示部分であ
るスペーサー材の存在している領域でもわずかにセル間
隙が低下して発泡を防止する。この表示部でのセル間隙
の減少は通常は色ムラ等の欠点を生じやすいが、スペー
サー材、密度が均一であれば、色ムラはほとんど目立た
ず、セル全体の背景色が均一に変化するため、必ずしも
表示外観が悪くなるとは限らないこと及び発泡による表
示不能よりは欠点となりにくいものである。この低温に
よる発泡防止は従来の単にスペーサー材の存在しない領
域を設けた液晶表示素子においても同様な効果を生じる
ものであるが、次に説明する高温時におけるセルのシー
ル部の損傷、基板の損傷や色ムラの防止の効果は生じな
いものである。

本発明の液晶表示素子は前述したような低温時の発泡不
良のみならず、高温時の液晶の膨張によるセル間隙の制
御不能やシール剥離、封止材剥離、基板割れ等の欠点も
生じにくいものである。これは使用温度範囲の中間の温
度、一般的にはほぼ常温でセル内が減圧状態とされ、ス
ペーサー材の存在しない領域でそのセル間隙t_Aがスペー
サー材の存在する領域のセル間隙間t_Bよりも狭くされて
いたものが、高温になることにより液晶が膨張した際
に、この膨張分を狭くされていたセル間隙が広がること
によりシール材、封止材に強い圧力がかかったり、セル
間隙が広がりスペーサー材の効果がなくなることによる
色ムラを生じたりしにくい。

この高温時の色ムラは、低温時の背景色の均一な色変化
とはその性質が異なり、かなり見栄の悪いものとなる。
これは低温時にはスペーサー材でセル間隙の収縮が一様
におさえられるためセル間隙が狭くなっても表示部全体
がほぼ均一に狭くなり、本来の設定セル間隙から均一に
ずれることによる表示性能低下であるため、その程度が
軽いのに対し、高温時にセルがふくれた際にはセルの間
隙が一様に広がるのではなく、セルの基板が波うち、狭
いところではスペーサー材の間隙となり、広いところで
はこれよりもはるかに広い間隙となり、均一にセル間隙
が広がるのでないので低温時に比してはるかに色ムラ等
が目立つようになり、表示外観が著しく低下する。

このスペーサー材の存在しない領域Ａの幅の最適値は、
基板の材質、厚みにより異なり、それにより定まるが、
一般にガラスのような硬い材質の場合にはたわみにくい
ためプラスチックのような材質よりも広くする必要があ
り、又、同一材質の場合には厚みが薄いほどたわみやす
いため狭くする必要がある。もっともあまりこの幅を広
くしすぎると表示面積の減少や両基板の接触という欠点
を生じやすいので、適宜実験又は計算により定めればよ
い。

例えば1.1mm厚のガラス基板ではほぼ十数mm程度の幅と
することが適しており、表示面積に応じてスペーサー材
の存在しない領域の範囲を第３図の（１）から（２），
（３），（４）へ変更する等してスペーサー材の存在し
ない領域の面積が、スペーサー材の存在する領域の面積
の５〜20％程度とするようにされればよい。

［作用］ 第２図を用いて本発明の作用について説明を行う。

液晶材料は通常温度10℃の変化に対して体積が約１％変
化する。従って通常温度上昇による液晶の膨張はセル間
隙を増大させかつスペーサー材が遊離するためにセル間
隙の均一性が損われることになる。本発明のセルではあ
らかじめセル内を減圧状態で封止してあるので、液晶体
積の増大はスペーサー材の存在しない領域である調節領
域でのガラス基板のもどりにより、セルの内容積が増加
するが、たわみの作用によりセル内全体では、減圧状態
に保持されているので表示部でのセル間隙の均一性は損
われない。

反対に温度降下による液晶の収縮が生じると、調節領域
のガラス基板がさらにたわむことによりセルの内容積を
減らしてセル内の減圧度を緩和し、気泡の発生を防止す
る。このスペーサー材のない領域である調節領域を持た
ないセルでなおかつ弾力性のないスペーサー材を用いた
場合スペーサー材によりセル間隙が保持され、セルの内
容積は殆んど変化しない。すなわち、液晶材料の収縮に
より、真空泡が発生することになる。また、弾力性のあ
るスペーサー材を用いた場合、液晶材料の収縮によりス
ペーサー材が変形してセル間隙が小さくなり、セル内の
減圧度を緩和するため真空泡の発生は防止できるが、セ
ル間隙の均一性は悪くなる。

本発明では、このスペーサー材のない領域である調節領
域のセル間隙の減少増大により液晶の収縮膨張を吸収す
るため、スペーサー材の存在する領域でのセル間隙は広
温度範囲にわたって、均一性を損わず、また低温時の気
泡の発生もないという従来にない優れた特性を示す。

［実施例］ 実施例１ 内寸が110×90mmの180°ツイストした複屈折モードの液
晶表示セルにおいて、注入口の反対側に幅17mmのスペー
サー材の存在しない調節領域を設けた。スペーサーの散
布はマスクを用いて、表示部にだけ実施した。スペーサ
ー材は高精度グラスファイバー（平均粒径７μｍ）を用
いた。ガラス板は両基板とも厚みが1.1mmのガラス基板
とした。このセルに減圧法にて液晶注入を実施した。表
示部の平均セルギャップは6.9μｍ、調節領域の中心部
におけるギャップは約３μｍとなるように加圧してセル
封止を実施した。常温においてこの液晶セルは均一な背
景色と良好な表示特性を示した。

この液晶セルを０℃に冷却しても、気泡の発生はなく、
複屈折モードのセルであるのに背景色も均一であり、セ
ル間隙が正確に均一に保たれているものであった。さら
に−20℃まで冷却しても気泡の発生はみられなかった。

これに対し、比較例として全面にスペーサーを配置し、
セル面を加圧しながらセル間隙が均一となるように封止
してセルを製造した。この比較例のセルを冷却したとこ
ろ０℃で表示部に気泡が発生し、常温にもどした後もし
ばらくは気泡が残存した。

本発明のセルを50℃の雰囲気に放置し、動作させたとこ
ろ、背景色ムラが発生せず、表示部では、常温時のセル
ギャップが保たれていることがわかった。一方、比較例
のセルを同様に50℃で動作させたところ、複屈折モード
で使用しているため、セルギャップの増大、バラつきに
よると思われる背景色ムラが発生し、見栄えが低下し
た。

実施例２ 実施例１と同様にし、スペーサー材として高精度グラス
ファイバー（平均粒径７μｍ）と弾力性のある有機粒子
状スペーサー（平均粒径7.5μｍ）を1:9で混合したもの
を使用してセルを形成した。

この液晶セルは、−30℃まで気泡の発生がみられなく、
常温、高温側で実施例１と同様に背景色のムラのないも
のであった。

実施例３ 実施例２と同様にし、注入口の反対側の幅17mmのスペー
サー材の存在しない調節領域とスペーサー材の存在する
表示領域の境界に、周辺シール材と同じ材料で周辺シー
ル材の印刷と同時にに幅1mm、長さ5mmの破線状の支柱を
８個形成してセルを製造した。このセルは、実施例１に
比して、スペーサー材が調節領域側に流れて行きにく
く、冷却時にもこの調節領域に接する表示領域でのセル
間隙の減少による色ムラを生じなく、より見栄えのよい
ものであった。

［発明の効果］ セル内を減圧状態にして封じることにより、常温で使用
ガラス基板の平面性の悪さを矯正することができ、さら
にスペーサー材の存在しない領域を設けた上で、この領
域のセル間隙を表示部のセル間隙よりも狭くする、具体
的には、セル内が減圧で封止をより積極的に行うことに
より、高温でも、矯正した平面性を維持することができ
る。

また、低温側でも、緩和領域には、収縮した液晶材料の
体積変化を吸収する能力が残されているため、セル内
が、強い減圧状態になることを防止することができ、発
泡を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の液晶表示素子の代表例の平面説明
図。 第２図は、第１図の断面図。 第３図は、スペーサー材の存在しない領域を表わす平面
説明図。 1A,1B:基板 2:スペーサー材 3:シール材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極を設けた一対の基板を基板間にスペー
   サー材を配置し、電極面を相対向せしめて周辺をシール
   材でシールし、内部に液晶を封入してなる液晶表示素子
   において、シール材で囲まれる面内で表示に用いる部分
   以外の部分にスペーサー材の存在しない領域を形成する
   とともに、内部を減圧状態で液晶を封入して前記一対の
   基板間の間隙が前記スペーサー材が存在していない領域
   でスペーサー材の存在している領域よりも狭くなるよう
   にされていることを特徴とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】スペーサー材が無機のスペーサー材と有機
   の弾力性のあるスペーサー材とを併用したものである特
   許請求の範囲第１項記載の液晶表示素子。
3. 【請求項３】スペーサー材が無機のスペーサー材である
   特許請求の範囲第１項記載の液晶表示素子。