WO2011122075A1

WO2011122075A1 - 液晶表示素子及びその製造方法、ならびに液晶表示装置

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Publication number: WO2011122075A1
Application number: PCT/JP2011/051120
Authority: WO
Inventors: 浦山　雅夫; 雅規梅谷; 敦杉崎
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; Sharp Corp; Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; Sharp Corp; Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPWO2011122075A1; KR20120134147A; US20130021572A1

Abstract

　本発明に係る液晶表示素子（１０）は、少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板（１）と、一対の基板（１）間に封入された液晶層（３）と、一対の基板（１）間に配置され、一対の基板（１）間の間隙を保持するスペーサー（４）とを備えている。液晶層（３）の厚みが、無荷重状態のスペーサー（４）の高さに対して９３～９８％であり、互いに隣接するスペーサー（４）の間隔は４００μｍ未満である。

Description

液晶表示素子及びその製造方法、ならびに液晶表示装置

　本発明は、可撓性を有する基板を使用した液晶表示素子およびその製造方法、ならびに液晶表示装置に関する。

　一般に、液晶パネル（ＬＣＤ）は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、画素電極、および配向膜等を備える背面基板と、カラーフィルター、電極、および配向膜等を備える前面基板とを対向させ、両基板間に液晶を封入して構成されている。ＬＣＤにおいて、これら基板間のギャップ（セルギャップ）を均一かつ安定に作製することは、高品位な表示を行う上で重要な要素となる（例えば特許文献１参照）。

　ところで近年、軽量化あるいはフレキシブル化を目的として、従来のガラス基板に換えてポリイミドフィルム等のプラスチックフィルムを基板として使用する試みが行われている。また、このようなフレキシブル基板を用いたＬＣＤを製造する方法として、ロールツウロール（Ｒｏｌｌ　ｔｏ　Ｒｏｌｌ）法が製造効率向上の観点から注目されている。ロールツウロール法では、液晶を封入するためのシールを形成してから背面基板と前面基板とを貼り合せてシールを硬化するまでの工程を一連の連続した工程として行うために、液晶滴下工法（ＯＤＦ法）が採用されている。

　ＯＤＦ法により供給される液晶量は、形成される液晶層の容積に合わせた量であることが求められる。仮に量が合っていないと、余剰の液晶によってセルギャップが変化し、所定の性能が得られない場合がある。例えば、現在ガラス基板を用いて生産されているＬＣＤでは、供給する液晶量をより厳密に決めるために、液晶層のギャップを形成するための柱状スペーサーの容積をインラインで計測している。

　しかしながら、フレキシブル基板を用いたＬＣＤでは、フレキシブル基板自体が剛性を持たないため、ＬＣＤに撓みやうねりなどが生じ、供給する液晶量をより厳密に決めたとしても、セルギャップがセル面内でバラついてしまう。

　そこで、特許文献２には、フレキシブル基板を用いたＬＣＤであってもセルギャップを安定的に維持するための技術が開示されている。具体的には、柱状スペーサーを介することによって背面基板と前面基板とを全体的に均一に結合しており、これによってセルギャップを安定的に維持している。

日本国公開特許公報「特開２００１－０７５１１１号公報（２００１年３月２３日公開）」日本国公開特許公報「特開２００６－３３８０１１号公報（２００６年１２月１４日公開）」

　しかしながら、特許文献２に開示された技術のように、背面基板と前面基板とを柱状スペーサーを介して接着すると、ＬＣＤが変形した際の応力が柱状スペーサーの接着部に作用し、そこにダメージが生じてしまう。このため、フレキシブル性を期待する用途のＬＣＤには不向きである。

　本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、フレキシブル基板を用いてもセルギャップの面内分布を良好に維持可能な液晶表示素子を提供することにある。

　本発明に係る液晶表示素子は、上記課題を解決するために、少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板と、上記一対の基板間に封入された液晶層と、上記一対の基板間に配置され、当該一対の基板間の間隙を保持する複数のスペーサーとを備え、上記液晶層の厚みが、無荷重状態の上記スペーサーの、当該液晶層の厚み方向における高さに対して９３～９８％であり、互いに隣接するスペーサーの間隔は４００μｍ未満であることを特徴としている。

　上記構成において、スペーサーの高さは一対の基板間の距離を規定する。液晶層の厚みは、無荷重状態のスペーサーの高さ、すなわち液晶層の封止前における一対の基板間の距離よりも僅かに短い（９３～９８％）ように設定されている。

　液晶層が封止される際、液晶層は一対の基板の各々と接するようにして封止される。このとき、スペーサーは液晶層と共に、一対の基板によって両側から負荷を受ける。スペーサーは、通常、弾性を有する樹脂から構成されるため、スペーサーの高さは、無荷重状態である封止前のときの高さよりも僅かに低くなる。すなわち、一対の基板間のギャップは僅かに短くなる。

　上記構成によれば、液晶層の厚みが一対の基板間のギャップに適合するため余分な量の液晶が存在しておらず、また、可撓性を有する少なくとも一方の基板は液晶と接するために極僅かに内側に撓んだ状態で安定する。

　ただし、スペーサー設置間隔が４００μｍ以上の液晶表示素子では、スペーサーピッチが大きいため、可撓性を有する基板がより大きく撓んでしまい、セルギャップの面内分布の標準偏差が悪化してしまう。そこで、スペーサー設置間隔を４００μｍ未満にすることによって、スペーサーが一対の基板間の間隙を好適に保持することができる。

　したがって、本発明に係る液晶表示では、液晶層の厚みとスペーサー設置間隔とを上記のように設定することによって、セルギャップの面内分布を良好に保つことができる。

　なお、本発明に係る液晶表示では、液晶層の厚みを無荷重状態のスペーサーの高さに対して９３％以上にすることによって、液晶層に真空気泡が発生することが抑えられる。

　本発明に係る液晶表示装置は、上述の液晶表示素子のいずれかを備えることを特徴としている。

　上記構成によれば、表示品位の優れた液晶表示装置を提供することができる。

　本発明に係る液晶表示素子の製造方法は、上記課題を解決するために、少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板と、上記一対の基板間に封入された液晶層と、上記一対の基板間に配置され、当該一対の基板間の間隙を保持するスペーサーとを備える液晶表示素子を製造する方法であって、上記一対の基板のいずれか一方の基板に対して、複数のスペーサーを４００μｍ未満のピッチで形成するスペーサー形成工程と、上記スペーサー形成工程の後、上記液晶層の厚みが、無荷重状態の上記スペーサーの、当該液晶層の厚み方向における高さに対して９３～９８％になる量の液晶を、上記一対の基板間に封入する封入工程を含むことを特徴としている。

　本発明に係る方法によれば、セルギャップの面内分布が良好に保たれる液晶表示素子を製造することができる。

　本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

　本発明は、少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板と、上記一対の基板間に封入された液晶層と、上記一対の基板間に配置され、当該一対の基板間の間隙を保持する複数のスペーサーとを備え、上記液晶層の厚みが、無荷重状態の上記スペーサーの、当該液晶層の厚み方向における高さに対して９３～９８％であり、互いに隣接するスペーサーの間隔は４００μｍ未満である。これによって、セルギャップの面内分布が良好に保たれた液晶表示素子を提供することができる。

本実施形態に係る液晶表示素子を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る液晶表示素子を概略的に示す上面図である。液晶表示素子における封入液晶量のセル容量比とセルギャップ面内分布との関係を示すグラフである。

　以下、図面を参照して、本発明に係る液晶表示素子の一実施形態について説明する。

　（液晶表示素子１０の構成）
　液晶表示素子１０の概略的な構成について図１および図２を参照して以下に説明する。図１は、本実施形態の液晶表示素子１０を示す断面図であり、図２は、その上面図である。なお、図１は、図２に示す液晶表示素子１０のＡ‐Ａ線矢視断面図である。

　図１および図２では、液晶表示素子１０の主要な構成要素のみを示している。また、図１では、説明のために、一対の基板１間の間隔（セルギャップ）やその間の部材を誇張して図示している。

　図１および図２に示すように、液晶表示素子１０は、基本的な構成として、一対の基板１を構成する前面基板１ａおよび背面基板１ｂと、一対の基板１間に封入された液晶層３と、液晶層３を封止するためのシール２と、一対の基板１間の間隙を保持する複数のスペーサー４とを備えている。

　一対の基板１を構成する前面基板１ａおよび背面基板１ｂは、少なくとも一方が可撓性を有する基板である。前面基板１ａおよび背面基板１ｂの材料は、実質的に透明であれば特に限定はなく、ガラス、セラミックス、およびプラスチック等を使用することができる。プラスチック基板としてはセルロ－ス、トリアセチルセルロ－ス、およびジアセチルセルロ－ス等のセルロ－ス誘導体、ポリシクロオレフィン誘導体、ポリエチレンテレフタレ－ト、およびポリエチレンナフタレ－ト等のポリエステル、ポリプロピレン、およびポリエチレン等のポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリビニルアルコ－ル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレ－ト、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ならびに、ガラス繊維－エポキシ樹脂、およびガラス繊維－アクリル樹脂などの無機－有機複合材料などを用いることができる。

　なお、図示していないが、一対の基板１を構成する前面基板１ａおよび背面基板１ｂにおける互いに対向する表面（以下、内表面と称す）には、透明電極（ＩＴＯ膜）が形成される。この透明電極により区分される領域毎に、画像表示の最小単位としての画素が形成される。

　また、一対の基板１における内表面には、液晶表示素子１０の駆動方式に応じて、導電配線、スイッチング素子、および絶縁膜などが適宜形成されてもよい。なお、本実施形態は、液晶表示素子１０の駆動方式に限定されるものではないが、例えば単純マトリクス駆動方式やアクティブマトリクス駆動方式などを採用したものが考えられる。さらに、一対の基板１における液晶層３との界面には、配向処理された配向膜が必要に応じて形成されてもよい。

　液晶層３は、一対の基板１間に形成されており、シール２により外部に対して密封されている。液晶層３は、公知の液晶層を用いることができ、特に限定されない。

　シール２は、一対の基板１を貼り合わせ、かつ、液晶層３を封入している。シール２を構成するシール材については特に限定されず、エポキシ系またはアクリル系の、光硬化性、熱硬化性、または光熱併用硬化性の樹脂に、重合開始剤を添加した硬化性樹脂組成物を使用することができる。また、透湿性や弾性率、粘度などを制御するために、上記樹脂組成物に対して無機物または有機物からなるフィラー類を添加してもよい。これらフィラー類の形状は特に限定されず、球形、繊維状、または無定形などを挙げることができる。また、セルギャップを良好に制御するために、上記樹脂組成物に対して、単分散径を有する球形、または繊維状のギャップ材を混合してもよい。

　スペーサー４は、一対の基板１間に複数配置され、一対の基板１間のセルギャップを保持している。また、スペーサー４は、弾性変形が可能な材料から構成され、その形状は特に限定されない。例えば、樹脂等を材料として、柱状や球状に形成されてもよい。

　本実施形態に係る液晶表示素子１０では、液晶層３の厚みが、無荷重状態でのスペーサー４高さの９３～９８％であり、互いに隣接するスペーサー４の間隔は４００μｍ未満であるように設定されている。

　なお、本明細書において「無荷重状態でのスペーサーの高さ」とは、一対の基板１が貼り合わさることによる荷重を受けていない状態の高さである。また、「スペーサーの高さ」とは、スペーサー４が形成された一方の基板の表面から当該表面に略垂直な方向への高さである。

　液晶表示素子１０では、スペーサー４が一対の基板１による荷重を受けて無荷重状態よりも低くなっており、これに伴いセルギャップが変形している。しかしながら、液晶層３の厚みが上記範囲に設定されていれば、液晶層３の厚みは一対の基板１間のギャップに適合しており、余分な量の液晶が存在しない。また、少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板１は、液晶層３と接するように僅かに内側に撓んだ状態で安定している。

　また、スペーサー設置間隔が４００μｍ未満であれば、可撓性を有する基板１が撓み過ぎてしまうことが抑制されるため、スペーサー４が一対の基板１間の間隙を好適に保持することができる。

　したがって、本実施形態に係る液晶表示素子１０ではセルギャップの面内分布が良好に保たれる。

　なお、スペーサー設置間隔の下限値は、液晶表示素子１０の機能を確保できる値であれば、特に限定されない。

　完成品の液晶表示素子１０において、液晶層３の厚みが無荷重状態でのスペーサー４高さの９３～９８％であるか否かについては、例えば、液晶表示素子１０のセルギャップと、この液晶表示素子１０を分解した後のスペーサー４のサイズを比較することによって判断することができる。液晶表示素子１０を分解した後のスペーサー４の高さは、無荷重状態でのスペーサー４高さと変わりがないためである。なぜならば、（ｉ）スペーサー４は、無荷重状態と荷重状態との間で弾性変形するものであり、また、（ii）可撓性を有する前面基板１ａおよび／または背面基板１ｂが、液晶層３と接するように僅かに撓んでいるため、スペーサー４自体の変形はセルギャップの変形ほどではないためである。

　本実施形態に係る液晶表示素子１０を用いれば、表示品位の優れた液晶表示装置を構成することができる。液晶表示素子１０を液晶表示装置に用いるのにあたっては、上記構成に加えて、カラーフィルターが前面基板１ａ内表面に設けられ、偏光板などが前面基板１ａおよび背面基板１ｂの何れか一方、または両方における外表面（内表面とは逆側の面）に貼り付けられる。また、液晶表示素子１０を照明する照明装置や反射板などが液晶表示素子１０に組み付けられる。これらの構成については、従来の液晶表示装置と同様であるため説明は省略する。

　（液晶表示素子１０の製造方法）
　次に、本実施形態に係る液晶表示素子１０の製造方法について説明する。

　本実施形態に係る液晶表示素子１０の製造方法は、一対の基板１のいずれか一方の基板に対して、複数のスペーサー４を４００μｍ未満のピッチで形成するスペーサー形成工程と、上記スペーサー形成工程の後、液晶層３の厚みが、無荷重状態のスペーサー４の高さに対して９３～９８％になる量の液晶を、一対の基板１間に封入する封入工程とを含んでいればよい。

　なお、液晶を封入する方法としては、ＯＤＦ法や真空注入法が挙げられる。ただし、真空注入法は、ハンドリングの観点から、自立性の少ないフレキシブル基板を使用する工程には適していない。また、ＯＤＦ法は封入する液晶量の制御が容易である。そこで、以下の説明では、上記封入工程にＯＤＦ法を用いる場合について説明するが、本発明はこれに限られない。

　この場合、上記封入工程は、具体的には、一対の基板１のいずれか一方の基板に対してシール２を形成するシール形成工程と、シール２が形成された基板上に、液晶層３の厚みが無荷重状態のスペーサー４の高さに対して９３～９８％になる量の液晶を供給する液晶供給工程と、一対の基板１間を貼り合わせて、上記供給工程で供給された液晶を当該一対の基板１間に封止する液晶封止工程とを含む。

　上記の各工程について以下に説明する。

　まず、スペーサー形成工程においては、一方の基板（ここでは背面基板１ｂとする）上に複数のスペーサー４を４００μｍ未満のスペーサーピッチで形成する。スペーサー４は、その配置や密度を制御可能な方法によって形成されることが望ましく、一般的には散布による手法によって形成される。例えばフォトリソグラフィにより柱状に形成されてもよいし、インクジェット等により球状に形成されてもよい。ここで、互いに隣接するスペーサー４の間隔は４００μｍ未満になる。

　シール形成工程においては、一方の基板（ここでは前面基板１ａとする）上において、液晶封止領域となるべき領域の外周にシール２を形成する。シール２を形成することによって液晶封止領域が設定される。シール２は、ディスペンサーによる描画法やスクリーン印刷法などによって形成することができる。

　液晶供給工程においては、液晶層３の厚みが、無荷重状態のスペーサー４の高さに対して９３～９８％になる量の液晶を、シール２が形成された前面基板１ａ上の液晶封止領域に供給する。液晶供給方法には、液晶量の制御が容易なＯＤＦ法を用いる。

　ここで、無荷重状態のスペーサー４の高さとは、スペーサー形成工程によって形成された段階（後述の液晶封止工程の前段階）におけるスペーサー４の高さを意味する。

　供給する液晶量は、次のように決定することができる。まず、前面基板１ａにおける液晶封止領域の面積と、背面基板１ｂに形成されたスペーサー４の高さとの積によって、セル容積を求める。求められたセル容積に対して９３～９８％になる量が、供給する液晶量である。この液晶量を供給することによって、形成される液晶層３の厚みを、無荷重状態のスペーサー４の高さに対して９３～９８％にすることができる。

　なお、セル容積は、スペーサー４の容積をインラインで計測し、この値を上記積から引くことによって、セル容積を厳密に求めることが好ましい。

　次に、液晶封止工程において、前面基板１ａと背面基板１ｂとを貼り合わせ、液晶層３を封止する。

　具体的には、静電チャックのような基板を吸着させる機構を有するステージに、前面基板１ａと背面基板１ｂとを吸着させ、これらの基板１ａ、１ｂを、前面基板１ａの配向膜と背面基板１ｂの配向膜とが向きあい、かつ、シール２と背面基板１ｂとが接しない位置（距離）に配置する。この状態で系内を減圧する。減圧終了後、前面基板１ａと背面基板１ｂとの貼り合せ位置を確認しながら、基板１ａ、１ｂの位置を調整する（アライメントする）。貼り合せ位置の調整が終了したら、前面基板１ａ上のシール２と背面基板１ｂとが接する位置まで基板１ａ、１ｂを接近させる。この状態で系内に不活性ガスを充填させ、徐々に減圧を開放しながら常圧に戻す。このとき、大気圧により前面基板１ａと背面基板１ｂが貼り合わされ、前面基板１ａと背面基板１ｂとの間にセルギャップが形成される。

　具体的には、大気圧により前面基板１ａと背面基板１ｂが貼り合わされる際、一対に基板１による荷重によってスペーサー４が弾性変形し、一対の基板１間のギャップは僅かに短くなる。このとき、液晶層３の厚みが一対の基板１間のギャップに適合し、余分な量の液晶が存在しない。また、可撓性を有する前面基板１ａおよび／または背面基板１ｂが液晶層３と接するために極僅かに内側に撓んだ状態で安定する。

　この状態でシール２に紫外線を照射してシール２を硬化することによって液晶表示素子１０が製造される。

　以上の工程によれば、セルギャップ面内分布の標準偏差が小さく、表示品位の高い液晶表示素子１０を製造することができる。

　なお、前面基板１ａ及び背面基板１ｂには、アクティブマトリクス素子アレイ、カラーフィルター、透明電極、および配向膜などが形成されているが、これらを形成する方法は、従来の液晶表示素子の製造工程における方法と同様であるため説明を省略する。

　発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。

　次に実施例を示して本発明の効果を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

　上述した方法を用いて、スペーサーの設置間隔がそれぞれ１００μｍ、２００μｍ、４００μｍである３種類の液晶表示素子について、液晶供給工程において供給する液晶量を段階的に変更したものをそれぞれ作製し、各液晶表示素子におけるセルギャップの面内分布を求めた。

　なお、液晶表示素子のセルサイズは３．５インチ、スペーサーサイズは１５□とした。また、スペーサー形成工程においては、フォトリソグラフィ法を用いて柱状のスペーサーを形成した。

　その結果を図３に示す。図３は、封入液晶量（供給した液晶量）のセル容積比と、セルギャップの面内分布の指標となる標準偏差との関係を示すグラフである。

　なお、本実施例では、スペーサー設置間隔が等間隔であり、スペーサーとシールとの高さが同程度であるため、封入液晶量のセル容積比は、液晶表示素子における液晶層の厚みの、無荷重状態のスペーサーの高さに対する比に相当する。

　図３に示すように、スペーサー設置間隔が１００、２００μｍの液晶表示素子では、封入液晶量のセル容積比が９３～９８％の範囲において、セルギャップの面内分布の標準偏差が極小になった。

　また、スペーサー設置間隔が１００、２００μｍの液晶表示素子において、封入液晶量のセル容積比が９２％以下の領域では、液晶層に真空気泡が発生する場合があった。

　一方、スペーサー設置間隔が４００μｍの液晶表示素子では、図示しないが、９８％以下の範囲におけるセルギャップの面内分布の標準偏差は、９８％よりも大きい範囲における値よりも小さくなった。ただし、１００、２００μｍの液晶表示素子と比べると、セルギャップの面内分布の標準偏差の極小値は、図３の横軸左側（封入液晶量のセル容積比がより低い側）にシフトしている。また、スペーサー設置間隔が４００μｍの液晶表示素子では、９２％以下の領域でも、真空気泡は生じなかった。これは、スペーサー設置間隔が大きくなったため、可撓性を有する基板がより撓んだことに依ると考えられる。より大きなスペーサーピッチの液晶表示素子では、このような現象はより顕著になると考えられる。

　さらに図３を参照すると、スペーサー設置間隔が４００μｍの液晶表示素子では、スペーサー設置間隔が１００、２００μｍの液晶表示素子よりも、セルギャップの面内分布の標準偏差が悪化しており、封入液晶量のセル容積比を変えて行った全ての測定において０．１μｍを超える値となっている。

　セルギャップの面内分布の標準偏差と表示品位との明確な相関を定量的に規定することは困難であるが、本実施例により作製した液晶表示素子のセルギャップの面内分布の標準偏差が０．１μｍを超えるものについて、目視で表示斑の確認をしたところ、明らかな斑が視認できた。

　したがって、液晶表示素子におけるスペーサー設置間隔は４００μｍ未満であって、無荷重状態のスペーサーの高さに対する液晶表示素子における液晶層の厚みの比が９３～９８％であれば、セルギャップの面内分布を良好に保つことができることが明らかになった。

　本発明は、フレキシブル基板を使用する液晶表示素子として幅広く利用できる。

　１　　一対の基板
　１ａ　前面基板
　１ｂ　背面基板
　２　　シール
　３　　液晶層
　４　　スペーサー
　１０　液晶表示素子

Claims

　少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板と、
　上記一対の基板間に封入された液晶層と、
　上記一対の基板間に配置され、当該一対の基板間の間隙を保持する複数のスペーサーとを備え、
　上記液晶層の厚みが、無荷重状態の上記スペーサーの、当該液晶層の厚み方向における高さに対して９３～９８％であり、
　互いに隣接するスペーサーの間隔は４００μｍ未満であることを特徴とする液晶表示素子。
　請求項１に記載の液晶表示素子を備えることを特徴とする液晶表示装置。
　少なくとも一方が可撓性を有する一対の基板と、上記一対の基板間に封入された液晶層と、上記一対の基板間に配置され、当該一対の基板間の間隙を保持するスペーサーとを備える液晶表示素子を製造する方法であって、
　上記一対の基板のいずれか一方の基板に対して、複数のスペーサーを４００μｍ未満のピッチで形成するスペーサー形成工程と、
　上記スペーサー形成工程の後、上記液晶層の厚みが、無荷重状態の上記スペーサーの、当該液晶層の厚み方向における高さに対して９３～９８％になる量の液晶を、上記一対の基板間に封入する封入工程を含む液晶表示素子の製造方法。