(57)【要約】【課題】外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラをなくすこと。【解決手段】一対の基板（対向基板１０とアクティブ基板１２）を重ね合わせ、その両基板間の隙間内に液晶を封入してなる液晶表示素子において、両基板間を所定の間隔に保持するために当該両基板間に形成された第１のスペーサ（球状スペーサ１４）と、両基板間に形成され、外部圧力に起因する第１のスペーサの変形を抑制するための第２のスペーサ（柱状スペーサ１４）とを具備する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブ基板と対向基板からなる一対の基板に液晶を封入してなる液晶表示素子において、
前記両基板間を所定の間隔に保持するために当該両基板間に形成された第１のスペーサと、
前記両基板間に形成され、外部圧力に起因する前記第１のスペーサの変形を抑制するための第２のスペーサと、
を具備し、
前記第1のスペーサまたは前記第2のスペーサのいずれか一方が、前記アクティブ基板のアクティブ素子部に対向する位置に形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記第２のスペーサの高さは、前記第１のスペーサのストッパーとして機能するような高さに設定されていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記第１のスペーサは、球状スペーサであり、前記第２のスペーサは、柱状スペーサまたは球状スペーサであることを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記第１のスペーサは、柱状スペーサであり、前記第２のスペーサは、柱状スペーサまたは球状スペーサであることを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示素子。
【請求項５】
セルギャップ回復率が０．５３より大きくなるように前記第１のスペーサと前記第2のスペーサの組み合わせたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記第１のスペーサと、前記第２のスペーサとはそれぞれ、液晶の厚さが互いに異なる部分に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を用いて光学的に画像を表示する液晶表示素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子は、それぞれ透明電極を形成した一対の透明基板（ガラス基板）を複数のスペーサを挟んで重ね合わせ、この両基板を枠状のシール材を介して接着し、このシール材と両基板間とで囲まれる隙間（ギャップ）内に液晶を封入してなる。そして一方の基板の電極と他方の基板の電極との間に電界を印加して所望の画像を表示するものである。
【０００３】
図１３は、上記した液晶表示素子の一例としての従来のカラー液晶表示素子の構成を示す断面図である。ここでは、ＴＦＴ等のアクティブ素子を用いたアクティブ基板（１０２と、対向基板１００とを張り合わせ、両基板１００、１０２間に液晶を封入した構造となっている。
【０００４】
アクティブ基板１０２と、対向基板１００とをシール材などを用いて張り合わせるにあたって精密なギャップ制御が必要である。そのため、対向基板１００上には高さの均一な樹脂からなる柱状スペーサをフォトプロセスにより形成するか、球状スペーサなどの均一な径のギャップ材を散布して目的のセルギャップを得ている。
【０００５】
対向基板１００には、ＢＭ／ＣＦ／共通電極層１０１として、樹脂やＣｒ等の金属で形成されたＢＭ（Black Matrix）層と、画素部分に形成され、ＲＥＤ（赤）、ＧＲＥＥＮ（緑）、ＢＬＵＥ（青）からなるＣＦ（Color Filter）層と、透明電極としての共通電極層とが形成されている。前記共通電極上には複数の球状スペーサ１０４−１〜１０４−４がほぼ一様な間隔で形成されている。この間隔はランダムであってもよい。この球状スペーサは２つの基板１００，１０２を支持しながら初期のセルギャップXを形成する。特開平８−３２８０１９号公報は、このような構成の液晶表示素子を開示している。
【特許文献１】特開平８−３２８０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液晶表示素子に面押しなどの外部圧力がかかると球状スペーサ１０４−１〜１０４−４が変形して初期のセルギャップXが小さくなる。外部圧力が大きいと、たとえ圧力を解除しても球状スペーサ１０４−１〜１０４−４は圧力印加以前の膜厚に戻らない場合があり、これに起因して表示ムラが発生してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を抑えて表示ムラを改善することができるカラー液晶表示素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る液晶表示素子は、
アクティブ基板と対向基板からなる一対の基板間に液晶を封入してなる液晶表示素子において、
前記両基板間を所定の間隔に保持するために当該両基板間に形成された第１のスペーサと、
前記両基板間に形成され、外部圧力に起因する前記第１のスペーサの変形を抑制するための第２のスペーサと、を具備し、
前記第1のスペーサまたは前記第2のスペーサいずれか一方が、前記アクティブ基板のアクティブ素子部に対向する位置に形成されている。
【０００９】
また、本発明の第２の態様に係る液晶表示素子は、第１の態様において、前記第２のスペーサの高さは、前記第１のスペーサのストッパーとして機能するような高さに設定されている。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る液晶表示素子は、第１または第２の態様において、前記第１のスペーサは、球状スペーサであり、前記第２のスペーサは、柱状スペーサまたは球状スペーサである。
【００１１】
また、本発明の第４の態様に係る液晶表示素子は、第１または第２の態様において、前記第１のスペーサは、柱状スペーサであり、前記第２のスペーサは、柱状スペーサまたは球状スペーサである。
【００１２】
また、本発明の第５の態様に係る液晶表示素子は、第１から第４のいずれか１つの態様において、セルギャップ回復率が０．５３より大きくなるように前記第1のスペーサと前記第2のスペーサを組み合わせられている。
【００１３】
また、本発明の第６の態様に係る液晶表示素子は、第１から第５のいずれか１つの態様において、前記第１のスペーサと、前記第２のスペーサとはそれぞれ、液晶の厚さが互いに異なる部分に形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、外部圧力に起因するスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラを改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るカラー液晶表示素子の初期状態の略平面図であり、図２は図１のＣ−Ｃ′線に沿った断面図である。以下図２〜図４において、カラー液晶表示に外部圧力が加わったときの変形の状態を示す。ここで後述するセルギャップｘ，ｙ，ｚは、それぞれ表示領域における液晶の厚さである。アクティブ基板１２の上面の所定の箇所にはゲート電極３１が設けられ、その上面には窒化シリコンからなるゲート絶縁膜２４が設けられている。ゲート電極３１におけるゲート絶縁膜２４の上面の所定の箇所にはアモルファスシリコンからなる半導体薄膜３０が設けられている。半導体薄膜３０中央の上面には窒化シリコンからなるチャネル保護膜２９が設けられている。チャネル保護膜２９の上面両側における半導体薄膜３０の上面にはｎ型アモルファスシリコンからなる不純物半導体層２７，２８が設けられている。一方の不純物半導体層２７の上面およびゲート絶縁膜２４の上面の所定の箇所にはドレイン電極２５が設けられている。他方の不純物半導体層２８の上面およびゲート絶縁膜２４の上面の所定の箇所にはソース電極２６が設けられている。そして、ゲート電極３１、ゲート絶縁膜２４、半導体薄膜３０、チャネル保護膜２９、不純物半導体層２７，２８、ドレイン電極２５、ソース電極２６により、ＴＦＴであるアクティブ素子が構成されている。アクティブ素子などを含むゲート絶縁膜２４の上面にはオ−バーコート膜２３が設けられている。オーバーコート膜２３の所定の箇所には画素電極３２が設けられ、画素電極３２上面には配向膜３３が設けられている。
【００１７】
このように、一方の面において各画素ごとに、画素電極３２及び画素電極３２に接続されたＴＦＴ等のアクティブ素子を備えたアクティブ基板１２と、上記画素電極３２に共通する透明な共通電極２１が形成され、上記アクティブ基板に対して一定の間隔を有して離間するように対向して配置された対向基板１０とを張り合わせ、両基板１０、１２間に液晶を封入した構造となっている。これらの画素は縦、横方向にマトリクス状に配列され、表示領域をなしている。
【００１８】
アクティブ基板１２と、対向基板１０とをシール材などを用いて張り合わせるにあたって精密なギャップ制御が必要である。そのため、両基板１０，１２間には高さの均一な樹脂からなる柱状スペーサ１５をフォトプロセスにより形成するか、球状スペーサ１４などの均一な径のギャップ材を散布して目的のセルギャップを得ている。
【００１９】
対向基板１０には、ＢＭ１１／ＣＦ２０／共通電極層２１として、樹脂やＣｒ等の金属で形成されたＢＭ（Black Matrix）層１１と、画素部分に形成され、ＲＥＤ（赤）２０Ｒ、ＧＲＥＥＮ（緑）２０Ｇ、ＢＬＵＥ（青）２０ＢからなるＣＦ（Color Filter）層と、透明電極としての共通電極２１層とが形成されている。前記共通電極２１上には柱状スペーサ１５がフォトプロセスによりほぼ一様な間隔で形成されている。この間隔はランダムであってもよい。また、１画素あたりの個数も任意である。前記共通電極２１及び柱状スペーサ１５の上面には配向膜２２が形成されている。
【００２０】
ここで、柱状スペーサ１５（高さ３．７μm）の高さは、アクティブ基板１２側に接触しない高さであり、アクティブ素子に対向するステッパー面１５ａの径は１０μmである。柱状スペーサ１５とアクティブ基板１２上のアクティブ素子（高さ０．１μm）とは隙間a（高さ０．２μm）に設定されている。複数の柱状スペーサ１５は表示特性に影響せず、凹凸のより少ない安定したアクティブ素子部に対向する位置に形成される。柱状スペーサ１５は光硬化性樹脂、光観光性樹脂等の合成樹脂からなり、外部圧力がかかってステッパー面１５ａでアクティブ素子を押し付けても、アクティブ素子を壊さないような、弾性の大きい復元力のある材料が好ましい。
【００２１】
さらに、同一平面内に合成樹脂またはプラスチック等からなる複数の球状スペーサ１４（高さ４．０μm）がほぼ一様な間隔で散布されている。この間隔はランダムであってもよく、形成される場所も決まった位置でなくてもよい。この球状スペーサ１４は、２つの基板１０，１２を支持しながら初期のセルギャップｘ（４．０μm）を形成する。球状スペーサ１４の材料として弾性の大きい復元力のある材料が好ましい。
【００２２】
図３は図２の構成に外部圧力（荷重２０ｋｇｆ）を印加した時の断面図である。図３に示すように液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力が印加されると球状スペーサ１４、柱状スペーサ１５は共に当該圧力によって変形し（球状スペーサ１４：３．７μm、柱状スペーサ１５：３．６μm）、初期のセルギャップｘは減少してセルギャップｙ（３．７μm）となる。このとき、柱状スペーサ１５がステッパー面１５ａでアクティブ素子上を押さえるので球状スペーサ１４の変形を抑え、アクティブ基板１２と対向基板１０との間の液晶の厚さを縮めることを抑制することができる。
【００２３】
図４は図３で印加した圧力を解除した時の断面図である。外部圧力を解除すると、柱状スペーサ１５の支持により球状スペーサ１４に過剰な圧力が加わっていないため、柱状スペーサ１５と球状スペーサ１４は共に図３に比べ変形が回復する（柱状スペーサ１５：３．６５μm、球状スペーサ１４：３．９μm）。セルギャップｚも表示ムラが生じない程度に回復し（３．９μm）、隙間ｂ（高さ０．１５μm）もできる。このように、外部圧力解除後のセルギャップｚの高さを、スペーサの変形が回復した後に表示ムラが起こらない基板間ギャップの限界値とすることにより、柱状スペーサ１５の高さを、予めストッパーとして機能するような高さc(３．７μm)に設定することができる。  第１実施形態によれば、初期のセルギャップｘ形成用の球状スペーサ１４に加えて、ストッパーとして機能する複数の柱状スペーサ１５を形成したので、外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラをなくすことができる。
【００２４】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係る液晶表示素子の断面図である。第１実施形態では球状スペーサにより初期のセルギャップｘを形成しているが、図５に示すような柱状スペーサ１６−１〜１６−４により初期のセルギャップｘを形成してもよい。柱状スペーサ１６−１〜１６−４の材料として弾性の大きい復元力のある材料が好ましい。
【００２５】
上記したセルギャップ形成のための柱状スペーサ１６−１〜１６−４に加えて、当該柱状スペーサ１６−１〜１６−４よりも高さが低いストッパー用の第２の柱状スペーサ１７−１〜１７−４をフォトプロセスにより同一面内に形成する。
【００２６】
上記構成において、図６に示すように、液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力がかかると柱状スペーサ１６−１〜１６−４は当該圧力によって変形し、初期のセルギャップｘは減少するが、柱状スペーサ１７−１〜１７−４の高さを予めストッパーとして機能するような高さｃに形成しておくことにより、それ以上のギャップ変形を抑えることができる。
【００２７】
第２実施形態によれば、初期のセルギャップｘ形成用の柱状スペーサ１６−１〜１６−４に加えて、ストッパーとして機能する複数の柱状スペーサ１７−１〜１７−４を形成したので、外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラをなくすことができる。
【００２８】
（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係る液晶表示素子の断面図である。第２実施形態ではセルギャップ形成のための柱状スペーサ１６−１〜１６−４よりも高さが低い第２の柱状スペーサ１７−１〜１７−４をストッパーとして形成したがこれに限定されず、図７に示すように球状スペーサ１８−１〜１８−４をストッパーとして散布してもよい。
【００２９】
上記構成において、図８に示すように、液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力がかかると柱状スペーサ１６−１〜１６−４は当該圧力によって変形し、初期のセルギャップｘは減少するが、球状スペーサ１８−１〜１８−４の高さを予めストッパーとして機能するような高さｃに形成しておくことにより、それ以上のギャップ変形を抑えることができる。
【００３０】
第3実施形態によれば、初期のセルギャップｘ形成用の柱状スペーサ１６−１〜１６−４に加えて、ストッパーとして機能する複数の球状スペーサ１８−１〜１８−４を形成したので、外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラをなくすことができる。
【００３１】
（第４実施形態）
図９は本発明の第４実施形態に係る液晶表示素子の断面図である。第４実施形態では、図９に示すような、初期のセルギャップを形成するための柱状スペーサ１６−１〜１６−４に加えて、当該柱状スペーサ１６−１〜１６−４と同じ高さの第２の柱状スペーサ１９−１〜１９−４をフォトプロセスにより形成する。ここでは、初期のセルギャップ形成用柱状スペーサ１６−１〜１６−４とストッパー用柱状スペーサ１９−１〜１９−４とは、対向するアクティブ基板１２のパターン膜厚が異なる位置に形成される。例えば、初期のセルギャップ形成用スペーサ１６−１〜１６−４をアクティブ基板１２のアクティブ素子部１００に形成し、ストッパー用の柱状スペーサ１９−１〜１９−４をアクティブ基板１２の配線部１０１に形成する。アクティブ素子部１００と配線部１０１との膜厚の差をaで表す。この場合、柱状スペーサ１６−１〜１６−４と第２の柱状スペーサ１９−１〜１９−４とは１回の形成工程に形成され、上記２つのスペーサの高さは同一となる。
【００３２】
上記構成において、図１０に示すような液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力がかかると柱状スペーサ１６−１〜１６−４は当該圧力によって変形し、初期のセルギャップｘは減少する。ここで、図１０に示すように、柱状スペーサ１９−１〜１９−４の高さを予めストッパーとして機能するような高さｃに形成しておくことにより、それ以上のギャップ変形を抑えることができる。
【００３３】
第４実施形態によれば、初期のセルギャップｘ形成用の柱状スペーサ１６−１〜１６−４に加えて、ストッパーとして機能する複数の柱状スペーサ１９−１〜１９−４を形成したので、外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラをなくすことができる。また、上記２つのスペーサの高さを同一にできるため、１回の形成工程で形成することができる。
【００３４】
上記第１実施形態から第４実施形態のいずれにおいても、２種類のスペーサのうちの一方を初期セルギャップｘ、もう一方をストッパーとして機能するような高さｃに形成することで、ストッパーとして機能するような高さｃに形成したスペーサがストッパーとして機能し、外部圧力が印加されたときのスペーサの変形を最小限度に抑えて表示ムラをなくすことができる。また、それに加え、初期状態で機能するスペーサの数を従来のものと変えないことで、外部圧力の印加に対して柔軟に対応でき、液晶収縮による低温気泡の発生を防ぐことができる。
【００３５】
以下に、本願発明の第１実施形態に係る構成を用いた場合と、従来技術の構成を用いた場合とで表示ムラがどのように異なるかについて説明する。
【００３６】
ここで説明する柱状スペーサ材料は凸版印刷株式会社製PS Type C（高さ：3.7μm 密度：141.7個／mm2）、球状スペーサ材料は積水ファインケミカル株式会社製ミクロパールEX-004AD（径：4.0μｍ 密度：200個／mm2）である。図１１は、液晶表示素子に加えられた荷重（外部圧力）と当該荷重を受けたときの素子の変位量との関係を示す図である。図１１からわかるように、荷重（ここでは２０ｋｇ程度）を増大するとそれに応じて変位も大きくなる（矢印２００参照）。ここで荷重を加えたときの最大変位量をＡとする。その後、荷重を除去すると弾性によりもとに戻ろうとする力（回復力）が働いて変位は小さくなる（矢印２０１参照）が完全にはもとに戻らない。ここでは回復した後の最終的な変位量をＢとする。このとき、セルギャップ回復率は、Ｂ／Ａの式で定義することができる。
【００３７】
図１２は、表示ムラについて従来技術と、本発明の一実施形態とを比較して示す図である。ここでは、液晶表示素子に２０ｋｇ程度の荷重を印加したときの表示ムラの発生状況を示している。図１２に示すように、球状スペーサのみの場合、荷重を印加したときの変位の大きさは０．４μmであり、荷重を解除した後、素子がもとの形状に戻ろうとするときの変位の大きさは０．２μmであるので、セルギャップの回復率はＢ／Ａ＝０．２／０．４＝０．５となる。次に、柱状スペーサのみの場合、荷重を印加したときの変位の大きさは０．３２μmであり、荷重を解除した後、素子がもとの形状に戻ろうとするときの変位の大きさは０．１７μmであるので、セルギャップの回復率はＢ／Ａ＝０．１７／０．３２＝０．５３となる。次に、球状スペーサと柱状スペーサとを組み合わせた場合、荷重を印加したときの変位の大きさは０．３μmであり、荷重を解除した後、素子がもとの形状に戻ろうとするときの変位の大きさは０．２μmであるので、セルギャップの回復率はＢ／Ａ＝０．２／０．３＝０．６７となる。この数値から明らかなように、球状スペーサと柱状スペーサとを組み合わせると、セルギャップの回復率は大きくなり、荷重を解除した後の変位を表示ムラが発生しない領域にまで回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示すカラー液晶表示素子の初期状態の平面図である。
【図２】図１のＣ−Ｃ′線に沿った断面図である。
【図３】第１実施形態の液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力が印加されたときのようすを示す図である。
【図４】第１実施形態の液晶表示素子に印加されていた上方（対向基板１０側）からの外部圧力を解除したときのようすを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示すカラー液晶表示素子の断面図である。
【図６】第２実施形態の液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力が印加されたときのようすを示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態の構成を示すカラー液晶表示素子の断面図である。
【図８】第３実施形態の液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力が印加されたときのようすを示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態の構成を示すカラー液晶表示素子の断面図である。
【図１０】第４実施形態の液晶表示素子に上方（対向基板１０側）から面押しなどの外部圧力が印加されたときのようすを示す図である。
【図１１】液晶表示素子に加えられた荷重（外部圧力）と当該荷重を受けたときの装置の変位量との関係を示す図である。
【図１２】表示ムラについて従来技術と、本発明の一実施形態とを比較して示す図である。
【図１３】従来のカラー液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  対向基板
１１  ＢＭ／ＣＦ／ＩＴＯ層
１２  アクティブ基板
１３  アクティブ素子部
１４−１〜１４−４  球状スペーサ
１５−１〜１５−４  ストッパー用柱状スペーサ
１６−１〜１６−４  セルギャップ形成用柱状スペーサ
１７−１〜１７−４  ストッパー用柱状スペーサ
１８−１〜１８−４  ストッパー用球状スペーサ
１９−１〜１９−４  ストッパー用柱状スペーサ
１００  アクティブ素子部
１０１  配線部
【図１】
2008164868.tif 000003
【図２】
2008164868.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008164868.tif 000010
【図９】
2008164868.tif 000011
【図１０】
2008164868.tif 000012
【図１１】
2008164868.tif 000013
【図１２】
2008164868.tif 000014
【図１３】
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