(57)【要約】【課題】基板を等間隔に保持する可能性を高めることができる液晶表示素子及び液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶表示素子１０は、一対の基板間に挟持される液晶層の厚さを規定するためのフォトスペーサ２８と、基板の内表面に形成された遮光層１４ａ，１４ｂを有する。遮光層１４ａ，１４ｂは、表示画面を構成する表示画素の周囲と、表示画素内とに設けられた。フォトスペーサ２８は、表示画素３０内における遮光層１４ｂと対向する位置に少なくとも一つ設けられた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に挟持される液晶層と、前記液晶層の厚さを規定するためのスペーサと、前記基板の内表面に形成された遮光層とを有する液晶表示素子において、
前記遮光層は、表示画面を構成する表示画素の周囲と、前記表示画素の領域内とに設けられ、
前記スペーサは、前記表示画素の領域内における前記遮光層と平面視重なる位置に少なくとも一つ設けられたことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記スペーサは、前記表示画素の領域内における前記遮光層に平面視内包されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記遮光層は、黒色顔料を含む感光性樹脂によるフォトポリマー、又は、クロム金属と酸化クロムとの積層金属層により形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記基板の内表面に形成された赤フィルター、緑フィルター及び青フィルターを有し、
前記スペーサは、感光性透明樹脂、前記赤フィルター、前記緑フィルター及び前記青フィルターの少なくともいずれかと同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
前記スペーサは、５０μｍから３００μｍ四方に一つ形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記スペーサは、直径１５μｍから５０μｍの円形状、又は、当該円形状と同じ面積となる形状に形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項７】
前記遮光層が設けられた基板は、透明平坦化膜により基板表面を平坦化して形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の液晶表示素子を備えたことを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶層内においてその液晶層の厚さを制御するスペーサを備えた液晶表示素子及び液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置は、薄型テレビジョン、携帯電話等の表示画面に広く実用化されている。液晶表示装置は、主に液晶層を有する液晶表示素子と、その液晶表示素子の表示画面に画像を表示させるための駆動信号を供給する駆動回路を備えている。液晶セルは、内面に電極が形成された２枚の基板を対向させ、薄いギャップを介して貼り合わされている。このギャップに液晶層を封入する。また、２枚の基板間には液晶層の厚さを制御するためのスペーサが設けられている。この液晶セルを挟むようにして２枚の偏光板が配置されている。液晶層は、一方の基板表面から他方の基板表面に向けて約９０°又は約１８０°捩じれているツイステッド・ネマティック型（ＴＮ型）が一般的に使用されている。
【０００３】
この種の液晶セルは次のようにして動作する。液晶層を挟む電極に電圧を印加しないときは、下側偏光板を通過した偏光光線が捩じれ配向する液晶分子に沿って約９０°又は約１８０°回転して上側偏光板に入射する。上側偏光板に入射した光の偏光方向と上側偏光板の偏光軸とが平行の場合には光を透過し、直行する場合には光は透過しない。液晶層に電圧を印加すると液晶分子は電界方向に向こうとするので基板表面から垂直方向に立ち上がる。液晶分子が立ち上がると偏光特性が解消される。その結果、液晶層に入射した光の偏光軸は回転しないで上側偏光板に出射される。上側偏光板と下側偏光板とが直交する配置の場合には光は遮断され、平行な配置の場合には透過する。
【０００４】
通常の単純マトリックス型液晶表示素子の場合には、２枚の基板の内面に多数のストライプ状の電極を互いに交差するように形成し、この交差部に画素を構成する。電圧平均化法やその他の駆動信号により各画素に必要な電圧を印加して画像を表示させる。アクティブマトリックス型液晶表示素子の場合には、一方の基板の内表面に画素ごとに薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成し、対向側の電極と画素電極との間に与える電荷量を制御して、画像を表示させる。
【０００５】
これらの液晶表示素子では、液晶層の厚さを高精度で制御する必要がある。小型液晶表示素子においては軽量化のために基板ガラスが薄くなってきており、液晶層の厚さにむらが生じやすくなっている。液晶層の厚さにむらが生ずるとコントラストや応答速度にむらが生ずることになる。そこで、２枚の基板間に所定の粒径を有するスペーサを分散させて液晶セルのギャップを制御する対策が採られている。
【０００６】
このようなスペーサには球状又は円筒状の透光性樹脂又は二酸化珪素が使用される。スペーサは基板表面の配向処理後に基板表面の上部からウエット又はドライ散布される。このため、画素の特定の位置あるいは遮光層の特定の位置等、意図する位置にスペーサを設置することは困難である。
【０００７】
スペーサを特定の位置に設置する方法として、フォトスペーサを用いる方法が知られている。図３は、フォトスペーサを用いた液晶表示装置の断面模式図であり、図４は、表示画素の平面模式図である。図３に示すように、液晶表示素子５０においては、透明基板５２間に一対の透明電極５６が配置されており、その透明電極５６に液晶６０が挟持されている。また、下層の透明基板５２の上には、遮光層５４が配置されており、図４に示すように、表示画素７０の外周を囲むように配置されている。また、図３に示すように、液晶６０内には、透明電極５６の間隔を保持するためのフォトスペーサ６８が配置される。このフォトスペーサ６８は、図４に示すように、表示画素７０の外周、更には遮光層５４の上に配置される。
【０００８】
特に、このような液晶表示素子においては、例えば、特許文献１に示すように、カラーフィルター基板上であり、かつ、表示画素の外周部に、感光性樹脂を用いて突起状のフォトスペーサを形成するものが開示されている。また、特許文献２に示すように、表示画素の外周部において、３種類のカラーフィルター自体を積層することによってフォトスペーサを形成するものも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３４７００号公報
【特許文献２】特開２００７−５７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１及び２に記載される液晶表示装置は、表示画素の外周部にフォトスペーサが形成されたが、例えば、表示画面を構成する表示画素を大型化すると、その表示画素のサイズが大きくなる。これに伴い、表示画素の周囲に形成されたフォトスペーサでは基板を等間隔に保持することは容易ではなく、画質の低下を招くおそれがあった。もちろん、表示画素を大型化しない場合であっても、基板を等間隔に保持する可能性を高めることを図ることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の構成とした。
【００１２】
一対の基板間に挟持される液晶層と、前記液晶層の厚さを規定するためのスペーサと、前記基板の内表面に形成された遮光層とを有する液晶表示素子において、前記遮光層は、表示画面を構成する表示画素の周囲と、前記表示画素の領域内とに設けられ、前記スペーサは、前記表示画素の領域内における前記遮光層と平面視重なる位置に少なくとも一つ設けられたことを特徴とする液晶表示素子とした。
【００１３】
また、前記スペーサは、前記表示画素の領域内における前記遮光層に平面視内包されているようにした。
【００１４】
また、前記遮光層は、黒色顔料を含む感光性樹脂によるフォトポリマー、又は、クロム金属と酸化クロムとの積層金属層により形成されるようにした。
【００１５】
また、前記基板の内表面に形成された赤フィルター、緑フィルター及び青フィルターを有し、前記スペーサは、感光性透明樹脂、前記赤フィルター、前記緑フィルター及び前記青フィルターの少なくともいずれかと同じ材料で形成されるようにした。
【００１６】
また、前記スペーサは、５０μｍから３００μｍ四方に一つ形成されるようにした。
【００１７】
また、前記スペーサは、直径１５μｍから５０μｍの円形状、又は、当該円形状と同じ面積となる形状に形成されるようにした。
【００１８】
また、前記遮光層が設けられた基板は、透明平坦化膜により基板表面を平坦化して形成されるようにした。
【００１９】
また、上記液晶表示素子を備える液晶表示装置とした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、表示画素内に遮光層を設け、更にその遮光層と対抗する位置に少なくとも一つスペーサを設けるため、例えば、表示画素のサイズが大きくなった場合であっても、基板を等間隔に保持することが困難ではなくなり、画質の低下を防止することができる。もちろん、例えば、表示画素が大きくならない場合であっても、基板を等間隔に保持する可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例に係る液晶表示素子を表す断面模式図である。
【図２】本発明の実施例に係る液晶表示素子を説明するための平面模式図である。
【図３】従来公知の液晶表示素子の断面模式図である。
【図４】従来公知の液晶表示素子の平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の液晶表示装置に用いる液晶表示素子は、一対の基板間に挟持される液晶層と、前記液晶層の厚さを規定するためのスペーサと、前記基板の内表面に形成された遮光層を有し、遮光層は、表示画面を構成する表示画素の周囲と表示画素の領域内とに設けられ、スペーサは、表示画素内における遮光層と平面視重なる位置に少なくとも一つ設けられている。即ち、スペーサが、画素領域内に配置され、更に遮光層に平面視重なるように位置する。そのため、例えば、表示画素のサイズが大きくなった場合であっても、基板を等間隔に保持することができる。また、スペーサが遮光層と重なるので、スペーサ又はスペーサの近傍からの光の漏れを防ぎ、表示画質の低下を防止することができる。もちろん、例えば、表示画素が大きくならない場合であっても、基板を等間隔に保持する可能性を高めることができる。
【００２３】
また、スペーサとしてフォトスペーサを使用することができる。フォトリソグラフィ工程によりスペーサを形成することができるので、形成位置や形成密度を高精度で制御することができる。また、スペーサは基板のいずれか一方の表面に形成することができる。
【００２４】
具体的な一例としては、スペーサは、５０μｍから３００μｍ四方に一つ形成されるようにした。また、スペーサは、直径１５μｍから５０μｍの円形状、又は、当該円形状と同じ面積となる形状に形成されるようにした。
【００２５】
また、スペーサは、表示画素の領域内における遮光層に平面視内包されているようにした。そのために、表示画素内においてスペーサが容易に視認されることなく、更にはスペーサ近傍の液晶層に配向乱れが生じてもスペーサ近傍の透過光は遮光層により遮蔽される。その結果、コントラストの低下を防止することができる。
【００２６】
また、遮光層は、黒色顔料を含む感光性樹脂によるフォトポリマー、又は、クロム金属と酸化クロムとの積層金属層により形成するようにした。これにより、光の漏れ量を低減することができる。
【００２７】
また、基板の内表面に赤フィルター、緑フィルター及び青フィルターが形成され、スペーサを、感光性透明樹脂、赤フィルター、緑フィルター及び青フィルターのいずれかと同じ材料で形成するようにした。フォトリソグラフィ法によるパターニングで作製することができるので、高精度に形成することができる。また、カラーフィルター層と兼用することにより、製造工数の削減を図ることができる。
【００２８】
また、遮光層が設けられた基板は、透明平坦化膜により基板表面を平坦化して形成されるようにした。基板表面の平坦性を確保できるので、スペーサの高さを高精度で設定することができる。
【００２９】
なお、上述したような液晶表示素子と、その液晶表示素子の表示画面に画像を表示させるための駆動信号を供給する駆動回路とを備えた液晶表示装置とすることができる。
【００３０】
以下、本発明について、図面を用いて具体的に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施例に係る液晶表示素子１０の断面模式図である。
【００３２】
液晶表示素子１０は、図１に示すように、透明基板１２、遮光層１４、透明平坦化膜１６、透明電極１８、液晶２０、透明電極２２、透明基板２４が下から順に積層されている。また、透明電極１８、２２の間における液晶２０内にはシール剤２６、フォトスペーサ２８が配置されている。
【００３３】
ここで、透明基板１２、２４は、透光性のガラスを使用している。遮光層１４は、黒色顔料を混入した樹脂層により形成した。例えば黒色顔料を含有した感光性樹脂により形成することができる。また、樹脂層に代えて、クロム金属と酸化クロムの積層構造とすることができる。遮光層１４は、フォトリソグラフィ工程により格子状パターンに形成されている。詳しくは後述するが、遮光層１４の格子状パターンは、表示画素の周囲に位置するように配置されるとともに、表示画素の領域内にも配置されている。遮光層１４は、断面が円形の柱状形状を有している。
【００３４】
透明平坦化膜１６は、熱硬化性のアクリル系材料を用いた。また、アクリル系樹脂に代えて、他の透光性の高分子材料や、無機酸化物あるいは窒化物を使用することができる。この透明平坦化膜１６は、遮光層１４を形成した透明基板１２の上にアクリル系樹脂溶液を塗布した後に硬化して形成する。遮光層１４に水分等の不純物が混入するのを防止し、表面を平坦化して液晶２０の厚さを均一にするために設けている。つまり、遮光層１４が設けられた透明基板１２は、透明平坦化膜１６により平坦化されている。
【００３５】
透明電極１８、２２は、ＩＴＯを使用した。透明平坦化膜１６の上、及び透明基板２４の表面にＩＴＯをスパッタ法又は蒸着法により堆積し、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によりストライプ状にパターニングした。透明電極１８と２２は互いに直交するように配置されている。透明電極１８と２２が平面視重なる領域が表示画素を構成する。従って、透明電極１８と２２が重なる領域の周囲に遮光層１４が配置されるとともに、この表示画素の領域内にも遮光層１４が配置されている。透明電極１８、２２として、ＩＴＯに代えて、酸化スズや酸化亜鉛を使用することができる。
【００３６】
フォトスペーサ２８は、アクリル系の透明樹脂を使用した。このフォトスペーサは、感光性樹脂を基板表面に塗布し、フォトリソグラフィ工程によりスペーサとすべき領域以外の樹脂を除去して形成する。フォトスペーサ２８は、透明平坦化膜１６、透明電極１８の上方に配置しており、上述した遮光層１４の上部に配置されている。詳しく後述するが、このフォトスペーサ２８は、表示画素内に少なくとも一つ配置されており、上述した遮光層１４と平面視重なるように配置されている。
【００３７】
本実施例の液晶表示素子１０は、単純マトリックス型である。透明電極１８、２２の各交差部に表示画素を構成しており、これらの電極間に電圧を印加するとその間の液晶分子配向が変化して、液晶２０を通過する光の偏光特性が変化する。この偏光特性の変化を液晶セルの外側に設けた図示しない２枚の偏光板により可視化する。
【００３８】
図２（ａ）は、本実施例の液晶表示素子１０を上方から見た状態を示す平面模式図であり、図２（ｂ）はスペーサが配置された領域を拡大して上方から見た状態を示す平面模式である。
【００３９】
液晶表示素子１０においては、図２（ａ）に示すように、表示画素３０の周囲及び表示画素３０の領域内に遮光層１４が配置されている。また、その遮光層１４に重なるようにフォトスペーサ２８が配置されている。即ち、フォトスペーサ２８は、表示画素３０の周囲や表示画素３０内に設置されている。
【００４０】
遮光層１４は、図２（ａ）に示すように、表示画面を構成するための表示画素３０を分離する格子状の形状を有する遮光層１４ａ（外周遮光層１４ａ）と、その表示画素内に円形状の形状を有する遮光層１４ｂ（画素内遮光層１４ｂ）とから構成されている。
【００４１】
この外周遮光層１４ａは、表示画素の間隙に形成されており、各表示画素を区画してドットを構成するために形成されている。また、画素内遮光層１４ｂは、表示画素内に形成されており、フォトスペーサ２８に平面視重なる位置に形成されている。
【００４２】
また、この画素内遮光層１４ｂは、図２（ｂ）に示すように、フォトスペーサ２８よりも径が大きく形成されており、そのフォトスペーサ２８を平面視重なる内包するように配置されている。
【００４３】
フォトスペーサ２８は、円柱形状に形成されている。また、このフォトスペーサ２８は、遮光層１４と同心円状に形成されており、遮光層１４よりも直径が短く形成されている。
【００４４】
ここで、フォトスペーサ２８の直径に対して遮光層１４の直径は略２倍であり、略２倍以上４倍以下の大きさが好ましい。この条件を満たすことによって、液晶層の配向乱れによる漏れ透過光を減少させ、コントラストの低下を防止するとともに、表示画素の開口率の低下を抑制し、表示の明るさの低下を防止する。
【００４５】
このように、フォトスペーサ２８は、遮光層１４に対向する上部に配置することにより、液晶２０の液晶分子配向の乱れが遮光層１４により遮蔽され、透過光の漏れを減少させることができるため、白レベルの透過光量を黒レベルの透過光量で除算したコントラスト比を向上させることができる。
【００４６】
透明基板１２、２４を重ね合わせて液晶セルを構成し、液晶を封入する際又は液晶を封入後に液晶セルを上下方向から加圧する。余分の液晶を排出して液晶セルのギャップをフォトスペーサ２８の高さに合わせるためである。この場合に、フォトスペーサ２８の数が不足すると、スペーサが形成されていない領域のセルギャップが薄くなり、表示にむらが生ずることになる。そこで、フォトスペーサ２８は、１つの表示画素内に少なくとも１つ以上配置する。
【００４７】
なお、本実施例では、単位表示画素が５００μｍ四方とし、フォトスペーサ２８は、その直径が２０μｍ、高さが２．５μｍの円柱状であり、１００μｍ四方に一つ形成されている。更に、遮光層１４は、その単位表示画素の周囲に位置し、５００μｍ四方の格子状であり、更に、表示画素内においてはその直径が４０μｍ、１００μｍ四方に一つ形成されている。これによって、液晶２０が等間隔（２．５μｍ）で保持される。
【００４８】
また、フォトスペーサ２８は、直径１５μｍから５０μｍの円形状、又は、当該円形状と同じ面積となる形状に形成され、５０μｍから３００μｍ四方に一つ形成されることが好ましい。
【００４９】
フォトスペーサ２８の形状は、その断面が円形状に限らず、例えば、その断面が四角形状であってもよく、断面が三角形状や楕円形状、あるいは更に多角形状とすることもできる。この場合に、フォトスペーサ２８の形状に添ってフォトスペーサ２８を覆い隠すように遮光層１４を形成する。これにより、フォトスペーサ２８は遮光層１４に平面視内包され、フォトスペーサ２８近傍の液晶分子配向の乱れが覆い隠される。
【００５０】
また、本実施例では、フォトスペーサ２８は感光性樹脂を塗布してフォトリソグラフィ法により形成されているが、これに限定されない。例えば、スペーサをインクジェット方式により形成することができる。インクジェット方式では、必要な位置に樹脂を滴下するので、使用材料を節約することができる。また、インクジェット方式の他に、スクリーン印刷法等により、所定の位置に形成してもよい。
【００５１】
また、本実施例では、フォトスペーサ２８を透明基板１２側（透明電極１８側）に形成したが、これに代えて、反対側の透明基板２４側（透明電極２２側）に形成してもよい。この場合も、透明基板１２側に形成した遮光層１４と、反対側の透明基板２４側に形成したフォトスペーサ２８とは平面視重なるように設置する。特に、表示画素の領域内に形成したフォトスペーサ２８は遮光層１４ｂに平面視内包されるように配置される。
【００５２】
また、単純マトリックス型の液晶表示素子の例で説明したが、いずれか一方の基板の内面に画素ごとに薄膜トランジスタや２端子薄膜ダイオード素子を構成したアクティブマトリックス型の液晶表示素子とすることができる。
【００５３】
なお、上述した実施例においては、白黒の液晶表示素子１０に本発明を採用したが、これに限らず、例えば、カラーフィルター（赤フィルター、緑フィルター及び青フィルター）を備えた液晶表示素子に本発明を採用してもよい。この場合においては、各色の表示画素（サブピクセル）内に少なくとも１つスペーサを備えるように構成する。
【００５４】
また、上記実施例においては、フォトスペーサ２８は、感光性透明樹脂、カラーフィルター（赤フィルター、緑フィルター及び青フィルター）の少なくともいずれかと同じ材料で形成される。また、同一材料で成形してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０  液晶表示素子
１２，２４  透明基板
１４  遮光層
１６  透明平坦化膜
１８，２２  透明電極
２０  液晶
２６  シール剤
２８  スペーサ
３０  表示画素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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