JPH117028A - スペーサ吐出装置及び液晶表示素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】インクジェット装置を用いたスペーサ吐出装置
で、スペーサ吐出量を長期にわたり安定化させかつ着弾
位置の精度を高くする。 【解決手段】インクジェットヘッド１とスペーサを含有
する溶液を収容する撹拌タンク２とを有し、撹拌タンク
２が冷却手段３と圧電素子４による超音波発生器とを有
し、撹拌タンク内のスペーサを含有する溶液が超音波に
より撹拌されつつ温度が上昇しないようにされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット装
置を用いて基板上にスペーサを吐出するスペーサ吐出装
置及び液晶表示素子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子等の表示素子は、基板の間
隙を一定に保つために、基板間に球状、繊維状等のスペ
ーサを配置している。従来このスペーサは、スペーサ散
布装置を用いて基板上にスプレー法等で散布されてい
る。

【０００３】しかし、このような散布を行うと、スペー
サが不均一に分布する傾向がある。特に、表示画素内で
スペーサの凝集があると、それが認識され表示品位が低
下するというような問題点も生じる。また、ＴＦＴ等の
能動素子を設けた基板を用いた場合には、突出したＴＦ
Ｔ部分にスペーサがあると、基板に力がかかった時に、
ＴＦＴが破損しやすいというような問題点もあった。

【０００４】このため、スペーサを配置する場所を指定
して、ＴＦＴ部分を避けたり、遮光膜部分に配置したり
することが望まれている。これを解決するために、スペ
ーサを印刷により配置する方法や、ディスペンサやイン
クジェット装置を用いて特定の位置に供給することが提
案されている。

【０００５】これらの中で、インクジェット装置による
供給は、ほぼ正確な位置に１個ずつスペーサを配置して
いくことが可能であり、多数のノズルを有するインクジ
ェットヘッドを用いれば同時に多数のスペーサを指定位
置に配置できるので生産性が良いという利点を有する。

【０００６】このスペーサ吐出用インクジェット装置に
おいては、通常の着色インクとは異なり通常径が数μｍ
というような大きな径のスペーサという粒を有する溶液
を用いて、スペーサを吐出することになる。このために
は、インクジェットヘッドに供給される吐出液にスペー
サが均一に混ざっている必要がある。

【０００７】吐出液にスペーサが均一に分散していない
と、吐出が不安定になり、吐出不良を生じたり、吐出速
度や方向に異常が出たりして、スペーサの数が安定しな
かったり位置制精度がでないというような問題を生じや
すい。このため、吐出液となるスペーサを含有した溶液
を供給するタンクにおいて、撹拌を行いスペーサが溶液
中に均一に分散するようにしなくてはいけない。

【０００８】このような装置として、特開平５−２８１
５６２が提案されている。これは、液晶とスペーサを同
時に供給するための装置であるが、スペーサを含有した
液晶を供給するタンクにモーター駆動のスクリューによ
る撹拌装置を付けて撹拌を行いスペーサが液晶中に均一
に分散するようにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのタン
クに単にモーター駆動のスクリューによる撹拌装置を設
けるだけでは不十分で、凝集、もしくはそれに伴う沈降
が発生して吐出されるスペーサ密度が低下していくこと
がしばしば起こりえた。さらに初期的に吐出できたとし
ても、着弾対象はポリイミドでできた配向膜上で、溶液
が着弾後に広がってしまってその分スペーサ位置が確率
的にずれてしまうことがしばしばであった。

【００１０】このことは吐出装置の位置決め精度で決ま
るのでなく、溶液と着弾対象との濡れ性で定まることで
あった。液晶表示素子においては、ギャップむらの観点
からスペーサ吐出量の安定化と、スペーサ凝集部の光り
抜けの観点から遮光膜上に多くのスペーサを配置するこ
とをねらう等の高い位置決め精度が要求されていた。本
発明は、これらの問題を解決することを目的としたもの
であり、スペーサ吐出量を長期にわたり安定化させかつ
着弾位置の精度が高いスペーサ吐出用装置を提供するこ
とを目的としたものである。

【００１１】

【課題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、インクジェット装置
を用いて基板上に粒状のスペーサを吐出するスペーサ吐
出装置において、インクジェットヘッドとインクジェッ
トヘッドに接続されたスペーサを含有する溶液を収容す
る撹拌タンクとを有し、撹拌タンクが超音波発生器を有
し、撹拌タンク内のスペーサを含有する溶液が超音波に
より撹拌されることを特徴とするスペーサ吐出装置を提
供する。

【００１２】また、その撹拌タンクに冷却手段が取り付
けられており、その撹拌により発生する熱を除去するス
ペーサ吐出装置を提供する。

【００１３】さらには、それらのスペーサ吐出装置を用
いて、基板上にスペーサを配置していくことを特徴とす
る液晶表示素子の製造方法、及び、遮光膜により光が遮
光される部分にスペーサを配置する液晶表示素子の製造
方法を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明では、インクジェットヘッ
ドに接続されたスペーサを含有する溶液を収容する撹拌
タンクが超音波発生器を有し、撹拌タンク内のスペーサ
を含有する溶液が超音波により撹拌される。これによ
り、粒径が大きい粒状のスペーサが溶液中に均一に分散
される。これにより、インクジェットヘッドからの吐出
を安定して行うことができ、吐出位置の精度も高くする
ことができる。

【００１５】このような超音波の振動による撹拌を行う
と熱が発生しやすく、吐出液の温度が高くなると吐出液
の粘度が低下して、吐出した液滴の速度や吐出方向に影
響を生じることがあるので、撹拌タンクに冷却手段を設
けて、発生する熱を除去することが好ましい。

【００１６】図１は本発明のスペーサ吐出装置の模式図
を示す。図１において、１はインクジェットヘッド、２
はスペーサを含有する溶液を収容する撹拌タンク、３は
撹拌タンクに付設された冷却手段、４は撹拌タンクに付
設された超音波振動を発生させる圧電素子、５はインク
ジェットヘッドと撹拌タンクとを結ぶチューブ、６はス
ペーサを含有する溶液を保存しておく保存タンク、７は
撹拌タンクと保存タンクとを結ぶチューブを示してい
る。

【００１７】本発明で使用されるインクジェットヘッド
１は、圧電素子により駆動されるものや加熱により溶液
を気化させて駆動されるもの等公知の構成のものが使用
できる。本発明では大きな径のスペーサ、すなわち固形
物を吐出するため、圧電素子による駆動するタイプの方
が好ましい。

【００１８】インクジェットヘッドのノズルは１個でも
よいし、数十以上ノズルを並べたものでも使用できる。
インクジェットヘッドでは個々のノズルからの吐出を制
御できるので、通常は多数のノズルを有するインクジェ
ットヘッドを用いて、スペーサを配置していくことが生
産性から見て好ましい。

【００１９】インクジェットヘッド１にスペーサを含有
する溶液を供給するために、スペーサを含有する溶液を
収容する撹拌タンク２が設けられ、その間がチューブ５
で結ばれている。この撹拌タンク２からスペーサを含有
する溶液がインクジェットヘッド１に徐々に供給され
る。この際にスペーサを含有する溶液のスペーサ量が均
一になっていないと、均一なスペーサの吐出が困難とな
る。

【００２０】このためには、スペーサを含有する溶液が
収容されている撹拌タンク２の中でスペーサを含有する
溶液が均一に混ざっている必要がある。この均一な分散
を得るために、本発明では撹拌タンク２内の溶液を超音
波により撹拌する。この超音波による撹拌は、代表的な
方法としては圧電素子４を撹拌タンクに付設しておき、
これを駆動することにより、超音波を発生させ撹拌を行
う。もちろん、これ以外の超音波発生手段を配置しても
よい。

【００２１】この超音波による撹拌は、スペーサの沈降
や浮上を抑え均一に溶液中に分散させるとともに、スペ
ーサ同士の凝集を抑制し、撹拌タンク壁面へのスペーサ
の付着を抑制する。

【００２２】このように超音波を発生させて激しい撹拌
を行うと圧電素子自体や撹拌タンク内の溶液が発熱す
る。この発熱量が小さい時や自然冷却でも温度上昇が少
ない場合には問題がないが、温度上昇が大きくなると、
スペーサの分散性が低下し、凝集を生じやすくなる。

【００２３】このため、この撹拌タンクを強制的に冷却
する冷却手段を付設することが好ましい。この冷却手段
としては、冷却用液体を循環させて冷却する液冷装置、
風を送って風冷する風冷装置、ペルチエ素子のような電
子冷却素子を用いて冷却する電子冷却装置等が使用でき
る。

【００２４】大型の撹拌タンクを用いることにより、保
存タンクを使用しないことも可能で有るが、撹拌タンク
があまり大きくなるとその撹拌、冷却にも大きな出力が
必要になる。工業的な連続製造装置ということからみ
て、ほどほどの大きさの撹拌タンクを使用し、撹拌をし
ていない保存タンクからスペーサと溶液を供給して補給
するようにすることが好ましい。

【００２５】この保存タンクは、スペーサを混ぜた溶液
で保存しておいて供給してもよいし、スペーサと溶液を
別々に保存しておいて、夫々必要量供給するようにして
もよい。また、保存タンクから撹拌タンクへの供給は、
連続的に供給してもよいし、断続的に供給するようにし
てもよい。

【００２６】本発明で使用されるスペーサは、インクジ
ェットヘッドのノズルから吐出可能な径のスペーサであ
れば使用できる。スペーサの径は使用目的より異なる
が、液晶表示素子の場合には、通常２〜２０μｍ程度と
される。

【００２７】溶液は、インクジェットヘッドから吐出で
きる溶液であればよく、通常は有機溶媒または水系溶媒
またはそれらの混合溶媒が用いられる。スペーサと溶液
との比率は、インクジェットヘッドのノズルから吐出可
能な範囲で適宜設定されればよい。通常はスペーサが
０．２〜２０ｗｔ％程度とされる。

【００２８】なお、このスペーサを混ぜた溶液は、スペ
ーサ、有機溶媒、水の他に、スペーサを基板面に接着す
るのに用いられる接着剤、分散性を向上する分散剤等を
添加していてもよい。

【００２９】図２は、本発明の基板上にスペーサを吐出
する装置の正面図である。図２において、１１はインク
ジェットヘッド、１２はインクジェットヘッドが移動す
るガイドレール、１３はスペーサを吐出する基板、１４
は基板を載置したスライドテーブル、１５はスライドテ
ーブルを載置した基台を示している。この図において
は、撹拌タンク等は省略して示しているが、図１のよう
な装置がインクジェットヘッド１１に付属して設けてあ
る。

【００３０】この図の装置では、インクジェットヘッド
１１がガイドレール１２を移動する。すなわち、図の左
右方向に移動しながらスペーサを吐出する。一方、スラ
イドテーブル１４が図の奥行き方向に移動する。これに
より、基板の任意の位置にスペーサを吐出することがで
きる。

【００３１】吐出位置の位置合わせはこの例に限られな
く、インクジェットヘッド自体が左右及び奥行きの２方
向に移動可能にされていてもよいし、スライドテーブル
自体が左右及び奥行きの２方向に移動可能にされていて
もよい。

【００３２】本発明のスペーサ吐出装置は、種々の用途
に使用されるが、特に液晶表示素子のスペーサの吐出装
置に用いることが好ましい。液晶表示素子では、２枚の
基板間隙を一定に保つためにスペーサを基板間に配置し
ている。これはＳＴＮ型液晶表示素子であっても、ＴＦ
Ｔ型液晶表示素子であっても使用されている。

【００３３】このスペーサは凝集すると液晶表示素子の
光抜けや黒点となって認識されるため、できるだけ分散
させて配置されることが好ましい。このため、本発明の
スペーサ吐出装置を用いれば、凝集が実質的にない状態
でスペーサを配置できる。特に、配置場所を指定してあ
る距離をおいて原則１個ずつ配置していくので、配置後
近隣のスペーサ同士が集まって凝集することも少なくな
る。

【００３４】また、遮光膜を設けた液晶表示素子の場
合、遮光膜部分にスペーサを配置していくことにより、
光抜けを生じない。スペーサが存在する部分では液晶の
配列が乱れるために光の漏れが生じる。特にスペーサが
凝集して数十μｍ程度の光の漏れが生じると、黒表示の
際に「ピカッ」と光って見える光点が目立ちやすくな
る。このため、遮光膜部分に大部分のスペーサが配置さ
れると光の漏れが減少し、見栄えが向上する。

【００３５】本発明によれば、この遮光膜のある部分に
選択的にスペーサを配置していくことができる。さら
に、後述するようにポリイミドのように非親水性の配向
膜の場合、用いる溶液を水系にしておくことにより吐出
後のスペーサの移動が少なくなり、表示画素部分のスペ
ーサ量が低減できる。

【００３６】また、スペーサをＴＦＴ等の能動素子部分
からずらして配置して行くことにより、基板に荷重がか
かってＴＦＴが破壊されることも減少する。

【００３７】液晶表示素子の基板としては、電極が設け
られただけの基板、その上に配向膜が形成された基板、
カラーフィルタや遮光膜が形成された基板、ＴＦＴ等の
能動素子が形成された基板、さらにそれらの部材が複合
して形成された基板が使用できる。

【００３８】液晶表示素子の場合、ポリイミドに代表さ
れる非親水性の有機樹脂系の配向膜を用いることが多
い。この場合、スペーサと一緒にされる溶液は、極力表
面張力が高い水を多く含むものとすることが好ましい。

【００３９】

【実施例】

例１、２（実施例） スペーサ吐出装置として、図２に示すような装置を使用
し、その監視のためにＣＣＤカメラとファイバースコー
プ光源とを設けた。インクジェットヘッドへのスペーサ
溶液の供給は、図１に示すように保存タンクからチュー
ブを介して撹拌タンクに供給させた後行われるようにし
た。

【００４０】撹拌タンクには圧電素子( 直径３０ｍｍ)
が貼り付けられており周波数４８ｋＨｚピーク電圧６５
Ｖで駆動して超音波を発生させた。さらに圧電素子駆動
による発熱の影響を低減するためにシリコーン性熱伝導
グリースを塗られた銅管（直径３ｍｍ）がステンレス製
の撹拌タンクの周囲を巻き付かせる構造にした。銅管に
は通常の水道水がポンプによって循環されており冷却効
果を作用させる。

【００４１】撹拌タンク表面にはサーミスタによって温
度が計測されるようにされ、温度が異常に上昇した場合
には、冷却水の温度を低下させるか超音波を一旦停止す
るようにした。

【００４２】ＩＴＯ付きのカラーフィルタ基板の表面に
ポリイミドの配向膜を形成したガラス基板を準備した。
この基板に上記のスペーサ吐出装置を用いて、スペーサ
を吐出した。スペーサは、直径５μｍの積水化学社製商
品名「ミクロパール」スペーサを水９０％ＩＰＡ１０％
の溶媒（例１）と水１０％、ＩＰＡ９０％の溶媒（例
２）に超音波で分散させた溶液を用いた。

【００４３】カラーフィルタ基板のサイズは、１２．１
インチＳＶＧＡで顔料分散法にて作製されたものを用い
た。スペーサのポジショニングは、隣接する透明電極の
間隙の幅約１５μｍをねらって行った。この間隙部分
は、遮光膜により光が遮断されており、この間隙部分で
は透明電極の無いことにより深さは約０．３μｍとなっ
ている。

【００４４】インクジェットヘッドからのスペーサの吐
出は、１滴あたり平均スペーサ個数が４個になるように
スペーサ濃度を調整してヘッド走行方向、すなわちＸ方
向（図２の左右方向）に関しては１５０μｍピッチにな
るようにヘッド速度、吐出周波数を調整して行った。

【００４５】また、インクジェットヘッドを斜めに配置
して、Ｙ方向（図２の奥行き方向）に関してはそのピッ
チが３０６μｍになるように調整して、１回のＸ方向へ
の走査で６ノズルを使用して吐出を行った。さらに、Ｙ
方向に関しては、スライドテーブルを移動させて順次吐
出を行った。

【００４６】この結果、例１、例２ともスペーサ密度は
約７０００〜８０００個／ｃｍ² であった。この基板を
用いて、液晶表示素子を形成して、その遮光膜上のスペ
ーサ数を調査したところ、例１の場合遮光膜上にある確
率が９１％であり、例２の場合７５％であった。水の割
合の多い溶液を用いた方が、スペーサの移動が少なかっ
た。

【００４７】例３（比較例） 比較のために、水３０％、ＩＰＡ７０％の溶媒にスペー
サを分散させた液を用いてスプレー法による湿式散布を
行った。この場合にも、スペーサ密度は約７０００〜８
０００個／ｃｍ² であった。この基板を用いて、液晶表
示素子を形成して、その遮光膜上のスペーサ数を調査し
たところ、ほぼランダムにスペーサが分散していたので
遮光膜上にある確率は１９％であった。

【００４８】さらに、表示画素内に部分的にスペーサが
凝集している部分があり、全面を黒く表示した場合に、
小さな光点が存在するというような光抜けを生じる部分
が散見された。

【００４９】例４（比較例） 図３にその模式図を示すような装置を用いてスペーサの
吐出を行った。この装置は、インクジェットヘッド２１
にチューブ２５で接続された撹拌タンク２２、チューブ
２６により接続された保存タンク２７を有している点で
は例１と同様であるが、撹拌タンク２２内の撹拌はモー
ターによるスターラーで行った点で異なっている。

【００５０】例１と同じスペーサを、水３０％、ＩＰＡ
７０％の溶媒に分散させた溶液を使用した。この結果、
初期においては例１、２と同様の結果を得た。

【００５１】一方、１ｋＨｚの周波数でメンテナンスな
しで連続吐出テストを行い、１時間おきに自動でガラス
基板上に吐出させて一滴あたりの平均スペーサ数をカウ
ントした。同様のテストを例１、２の場合にも行い、そ
の比較を行った。その結果、例４の場合、２時間目ぐら
いから平均スペーサ数が減少し始め、６時間を超えたあ
たりで約半分になってしまった。これに対し、例１、２
の場合には１０時間以上になっても平均スペーサ数はほ
とんど変化しなく安定しているという結果を得た。

【００５２】

【発明の効果】本発明のスペーサ吐出装置は、インクジ
ェットヘッドに吐出液を供給する撹拌タンクが超音波発
生器を有し、撹拌タンク内のスペーサを含有する溶液が
超音波により撹拌されるようにしているので、スペーサ
の凝集を起こしにくく、高い位置精度でのスペーサの供
給ができる。特に、撹拌タンクに冷却手段を取り付け
て、その撹拌により発生する熱を除去することにより、
長時間安定して吐出が可能になる。

【００５３】本発明は、本発明の効果を損しない範囲内
で、種々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスペーサ吐出装置の模式図。

【図２】本発明の基板上にスペーサを吐出する装置の正
面図。

【図３】比較例のスペーサ吐出装置の模式図。

【符号の説明】

１：インクジェットヘッド ２：撹拌タンク ３：冷却手段 ４：圧電素子 ５：チューブ ６：保存タンク ７：チューブ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクジェット装置を用いて基板上に粒状
   のスペーサを吐出するスペーサ吐出装置において、イン
   クジェットヘッドとインクジェットヘッドに接続された
   スペーサを含有する溶液を収容する撹拌タンクとを有
   し、撹拌タンクが超音波発生器を有し、撹拌タンク内の
   スペーサを含有する溶液が超音波により撹拌されること
   を特徴とするスペーサ吐出装置。
2. 【請求項２】撹拌タンクに冷却手段が取り付けられてお
   り、その撹拌により発生する熱を除去する請求項１記載
   のスペーサ吐出装置。
3. 【請求項３】請求項１及び２記載のスペーサ吐出装置を
   用いて、基板上にスペーサを配置していくことを特徴と
   する液晶表示素子の製造方法。
4. 【請求項４】遮光膜により光が遮光される部分にスペー
   サを配置する請求項３記載の液晶表示素子の製造方法。