(57)【要約】【課題】基板上に熱緩衝膜を形成することにより、低温時におけるボイドの発生と、それに起因する品質低下とを防止する。【解決手段】基板１上の一面に、透過率が優れた平坦化膜材料であるアクリル樹脂又はポリイミド樹脂等の熱緩衝膜２が形成され、熱緩衝膜２上には、ＩＴＯ製の透過率が優れた画素電極が形成されている。一方、遮光膜５２とＩＴＯ製の透過率に優れた対向電極５３とが基板５１に形成されている。基板１及び基板５１には、配向膜４、配向膜５４が夫々形成されており、ゲートＰＳ層１２上のゲート線にあたる配向膜４上には、第１ギャップ保持材５が形成され、ＡＬ層１３上のソース線にあたる配向膜４上には、第２ギャップ保持材６が形成されている。そして、基板１及び基板５１は配向膜４及び配向膜５４を対向して配置され、空隙内に液晶を充填して液晶層９が形成されている。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素電極を備えた第１基板と対向電極を備えた第２基板との空隙内に液晶物質が封入され、画素開口部より光を出射する構成とした液晶表示素子において、
前記第１基板及び／又は前記第２基板に熱緩衝膜を備えること
を特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記熱緩衝膜は、前記画素開口部を除いて形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記第１基板及び前記第２基板間のギャップを保持すべく、前記第１基板と前記第２基板との間に設けた第１ギャップ保持材と
前記第１基板及び前記第２基板に固着した第２ギャップ保持材と
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記第２ギャップ保持材は、加熱により硬化する特性を有すること
を特徴とする請求項３に記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示素子に関し、特に、低温環境下においても表示品質が低下することのない液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のオフィスオートメーション（ＯＡ）化の進展に伴って、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ、及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等に代表されるＯＡ機器が広く利用されている。更にこのようなＯＡ機器の普及によって、オフィスでも野外でも利用可能な携帯型のＯＡ機器の需要が発生しており、それらの小型、軽量化が要望されている。そのような目的を達成するための手段の一つとして液晶表示素子が広く利用されている。液晶表示素子は、単に小型、軽量化のみならず、バッテリ駆動される携帯型のＯＡ機器の低消費電力化のためには必要不可欠である。また近年のＩＴ化の進展に伴って、マルチメディア時代のヒューマンインターフェースとして果たすべき液晶表示素子の役割は大きい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶物質が封入された温度（液晶封入温度）近傍の環境下で液晶表示素子を利用する場合には問題ないが、液晶封入温度より低温の環境下で利用する場合には、液晶物質の線膨張率が基板（ガラス基板）の線膨張率より小さい（収縮率が大きい）ため、液晶物質の体積収縮の歪みを解消すべく液晶層に真空発泡（以下、ボイドという）が発生する。ボイドが発生した部分は、液晶層による光透過率の制御が不可能となるため、その部分が画素欠陥（全黒表示又は全白表示）になるという問題があった。
【０００４】
また、基板間の対向距離、即ち液晶ギャップは、液晶表示素子の光透過率を決定するパラメータであるため、設計値かつ面内均一になるように構成されているが、前述したボイドが発生する状況は、即ち液晶ギャップが設計値に対して狭ギャップ、また面内不均一になることを意味し、所定の光透過率が得られず目的の階調表示ができない、また表示ムラ等が発生するという問題があった。
【０００５】
更に詳述すれば、例えば、液晶物質にＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶を用いた場合、ＴＮ液晶の複屈折率Δｎ及び液晶ギャップｄの積はリタデーションΔｎ・ｄと呼ばれ、ノーマリーブラックモードにおける透過光強度Ｉは、リタデーションΔｎ・ｄをパラメータとして、それ自体公知の式（１）により決定されるため、液晶ギャップｄは、一般的に、式（１）の第１極小点（（２・Δｎ・ｄ）／λ＝３１／２　）となるように設計される（λ：波長）。従って、液晶ギャップｄが変化すると、表示素子として重要品質である光透過率が低下する。また、液晶表示素子の面内で液晶ギャップｄが不均一となれば、面内で光透過率が変化するため、モノクロ液晶表示素子及び単板式のカラー液晶表示素子等では明暗ムラが発生し、３板のモノクロ液晶表示素子に夫々赤、緑、及び青等の３原色の光を入射して利用するカラープロジェクター等では色ムラが発生する。例えば、図７に示すような光透過率−印加電圧特性（以下、Ｔ−Ｖ特性という）を有する液晶物質を用いると、中間調表示（光透過率が５０％）の電圧Ｖ５０印加時に、液晶ギャップ（ｄ１）における表示部と液晶ギャップ（ｄ２（＜ｄ１））における表示部との光透過率差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１，ΔＴ′＝Ｔ１′−Ｔ２′）により、明暗ムラ又は色ムラが発生する。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、基板上に少なくとも一種類以上の熱緩衝膜を形成することにより、低温時におけるボイドの発生を防止し、発生したボイドに起因する画素欠陥の発生を防止する液晶表示素子の提供を主たる目的とする。
【０００８】
また本発明は、熱緩衝膜を画素開口部を除いた部分に形成することにより、熱緩衝膜による透過光の光吸収を防止し、光透過率を低下することなく、画素欠陥の発生を防止する液晶表示素子の提供を目的とする。
【０００９】
更に本発明は、一方の基板に固着した第１ギャップ保持材と、両方の基板に固着した第２ギャップ保持材とを形成することにより、液晶ギャップを均一に保持し、所定の光透過率が得られ、また表示ムラの発生を抑制した液晶表示素子の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る液晶表示素子は、画素電極を備えた第１基板と対向電極を備えた第２基板との空隙内に液晶物質が封入され、画素開口部より光を出射する構成とした液晶表示素子において、前記第１基板及び／又は前記第２基板に熱緩衝膜を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る液晶表示素子は、前記熱緩衝膜が、前記画素開口部を除いて形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る液晶表示素子は、前記第１基板及び前記第２基板間のギャップを保持すべく、前記第１基板と前記第２基板との間に設けた第１ギャップ保持材と、前記第１基板及び前記第２基板に固着した第２ギャップ保持材とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る液晶表示素子は、前記第２ギャップ保持材が、加熱により硬化する特性を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項１の液晶表示素子にあっては、基板上に熱緩衝膜を形成することにより、基板と液晶物質との線膨張率の相違による液晶物質の低温時における体積収縮を緩和し、低温時におけるボイドの発生を防止することができる。
【００１５】
請求項２の液晶表示素子にあっては、熱緩衝膜を画素開口部を除いた部分に形成することにより、熱緩衝膜による透過光の光吸収をなくし、光透過率を低下することなく、低温時におけるボイドの発生を防止することができる。
【００１６】
請求項３の液晶表示素子にあっては、基板間に設けた第１ギャップ保持材と、両方の基板に固着した第２ギャップ保持材とを形成することにより、基板間の対向距離を一定に保持し、液晶ギャップを均一にすることができる。
【００１７】
請求項４の液晶表示素子にあっては、第２ギャップ保持材として、加熱により硬化する特性を有する材料を用いることにより、両方の基板を対向させ、第１ギャップ保持材によりギャップを保持した状態で、第２ギャップ保持材をもう一方の基板に半固着させた後に、加熱により第２ギャップ保持材を硬化させ、両方の基板に固着させることができる。従って、基板間の対向距離を一定に保持し、液晶ギャップを均一にすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による液晶パネルの模式的平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における構造断面図、図３は図１の　ＩＩＩ−ＩＩＩ　線における構造断面図である。図中１、５１は、可視光領域（３８０ｎｍ〜７７０ｎｍ）における透過率が優れたガラス又は石英等からなる平面視が正方形の基板（縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ，厚０．７ｍｍ）である。
【００２０】
基板１上には、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の能動層となるａ−Ｓｉ（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）層１１がピッチ１００μｍのマトリックス状に形成され、そして、ＴＦＴのゲート端子であり、同一行のＴＦＴのゲート端子を直線状に接続したゲート線でもあるゲートＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）層１２が酸化膜又は窒化膜等のゲート絶縁膜３１を介して形成され、更に、図示しないコンタクトホールにより同一列のＴＦＴのソース端子と接続したソース線であるＡＬ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ）層１３がＮＳＧ又はＢＰＳＧ等の層間絶縁膜３２を介して形成されている。ａ−Ｓｉ層１１とゲートＰＳ層１２とのオーバラップ部分がＴＦＴとして機能し、ａ−Ｓｉ層１１の幅がゲート幅、ゲートＰＳ層１２の幅がゲート長となり、この２つのパラメータ及び拡散条件等によりスイッチング素子としての特性が決定される。なお、能動層としてｐ−Ｓｉ（Ｐｏｌｙ　Ｓｉｌｉｃｏｎ）層が形成されていてもよく、ｐ−Ｓｉ層とすれば、キャリアの電界効果移動度を向上させ、スイッチング素子の特性を向上させることができる。
【００２１】
ａ−Ｓｉ層１１、ゲートＰＳ層１２、及びＡＬ層１３が形成された基板１上の一面に、透過率が優れた平坦化膜材料であるアクリル樹脂又はポリイミド樹脂等の熱緩衝膜２が、２００℃にて１時間ベークすることにより、膜厚２００ｎｍにて形成されている。なお、熱緩衝膜２は、下地ＡＬ層１３との絶縁を兼ねており、それ自体による透過光の吸収を低減するため、光透過率が優れた材料であることが望ましく、また、ａ−Ｓｉ層１１、ゲートＰＳ層１２、及びＡＬ層１３等の下地のパターンによる段差を平坦化するため、平坦化膜材料であることが望ましい。
【００２２】
熱緩衝膜２上に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）製の透過率が優れた画素電極（縦８４×幅８４μｍ）３が、ピッチ１００μｍのマトリックス状に形成されており、図示しないコンタクトホールによりＴＦＴのドレイン端子と接続されている。
【００２３】
画素電極３上に、基板１側における液晶の配向方向を規制するための配向膜４が、２００℃にて１時間ベークすることにより、膜厚１００ｎｍにて形成されている。
【００２４】
ゲートＰＳ層１２のゲート線上の配向膜４上に、ネガ型ノボラックフォトレジスト等の第１ギャップ保持材（幅６μｍ×長さ８４μｍ，厚４μｍ）５が、１５０℃にて１時間ポストベークすることにより、ピッチ１００μｍのマトリックス状に形成されている。また、ＡＬ層１３のソース線上の配向膜４上に、ポリシラン系材料等の第２ギャップ保持材（幅６μｍ×長さ８４μｍ，厚４μｍ）６が、８０℃にて３０分間プリベークすることにより、ピッチ１００μｍのマトリックス状に形成されている。
【００２５】
一方、基板５１の基板１対向面には、Ｃｒ（Ｃｈｒｏｍｉｕｍ）又はＷＳｉ（Ｗｏｌｆｒａｍ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ）　Ｓｉｌｉｃｉｄｅ）等の遮光特性に優れた遮光膜５２が、基板１に形成した画素電極３を除いた部分（実際には、画素電極３のエッジ部に発生する光漏れを防止するため、遮光膜５２は画素電極３と僅かながらオーバラップ（２μｍ）されている。）に該当する位置に形成されている。そして、ＩＴＯ製の透過率が優れた対向電極５３が、遮光膜５２上の基板５１一面に形成され、対向電極５３上には、基板５１側における液晶の配向方向を規制するための配向膜５４が、膜厚１００ｎｍにて形成されている。遮光膜５２が形成されていない矩形部が画素開口部（縦８０μｍ×横８０μｍ）７１であり、画素電極３及び対向電極５３間に印加された電圧に基づいて液晶の光透過率が制御され、画素開口部７１より光が出射される。
【００２６】
配向膜４は、レーヨン製の布により図１の上から下方向にラビングされ、一方、配向膜５４は、図１の左から右方向にラビングされ、配向膜４、５４の側鎖方向を夫々規制する。換言すれば、配向膜４及び配向膜５４の側鎖方向が９０°となるようにラビングされている。
【００２７】
そして、図示しない液晶注入口を設けたシール剤が基板５１の外周部に塗布され、基板１及び基板５１は配向膜４及び配向膜５４を形成した面を対向して配置され、１５０℃にて１時間ポストベークすることにより、シール剤及び第２ギャップ保持材６を硬化させて基板１及び基板５１に固着させ、基板１、基板５１、及びシール剤により形成された空隙内に、液晶注入口より液晶を充填して液晶層９が形成されている。例えば、液晶層９は、液晶の長軸方向が９０°ツイストするように光学活性剤（カイラル剤）を適量添加したＴＮ液晶を、液晶注入口から真空注入法により充填すればよい。カイラル剤は、リバースツイスト発生によるコントラスト特性の低下を抑制する効果を有する。
【００２８】
基板１の表面には、光吸収軸が配向膜４のラビング方向と平行になるように偏光板７が貼付けられ、基板５１の表面には、光吸収軸が配向膜５４のラビング方向と垂直となるように偏光板５７が貼付けられている。即ち、偏光板７及び偏光板５７の光吸収軸が平行になるように貼り付けられており、画素電極３及び対向電極５３間に電圧を印加することにより黒表示から白表示に制御するノーマリーブラックモードの液晶パネルとする。
【００２９】
ＴＦＴは、外部からライン順次に供給される走査信号をゲート線に入力することによってオン／オフ制御され、オン期間には外部からソース線に入力される電圧を画素電極３に印加し、オフ期間には直前の電圧を保持する。そしてＴＦＴを介して画素電極３に印加された電圧と対向電極５３に印加された電圧との電圧差により、液晶の電気光学特性であるＴ−Ｖ特性によって決定される液晶の光透過率を制御し画像が表示される。
【００３０】
第２ギャップ保持材６が、加熱により硬化する特性を有する材料を用いることにより、第１ギャップ保持材５を基板１に固着させた後に、第２ギャップ保持材６を基板１にスピンナーにより塗布し、８０℃のオーブン中で３０分間乾燥し、第２ギャップ保持材６中の溶剤を飛ばして基板１に半固着させる（プリベーク）。そして、パターンを配したフォトマスクを介して紫外線を露光し、現像液をスプレーして未露光部分を除去する。そして、基板１及び基板５１を対向させ、プリベーク時の温度より高温である１５０℃のオーブン中で１時間乾燥し、第２ギャップ保持材６を焼付けて基板１及び基板５１に固着させることができる（ポストベーク）。なお、第２ギャップ保持材６として、紫外線に感光すると光重合反応し現像液に溶解しない特性を有するネガタイプの材料を用いた場合について説明したが、紫外線に感光すると分解反応し現像液に溶解する特性を有するポジタイプの材料を用いてもよい。
【００３１】
第１ギャップ保持材５が基板１に固着し、第２ギャップ保持材６は基板１及び基板５１に固着することにより、それらの厚み（寸法：４μｍ）により液晶ギャップを決定するとともに、液晶ギャップを面内均一に保持する。特に、第１ギャップ保持材５及び第２ギャップ保持材６は、各画素電極３の四方に形成されているため、液晶ギャップを保持する効果が大きい。もちろん、第１ギャップ保持材として、球状のスペーサを用いて液晶ギャップを保持してもよい。
【００３２】
なお、基板１及び基板５１の表面に、光吸収軸が配向膜４、配向膜５４のラビング方向と平行になるように偏光板７、５７を夫々貼付け、画素電極３及び対向電極５３間に電圧を印加することにより白表示から黒表示に制御するノーマリーホワイトモードの液晶パネルとしてもよく、一般にノーマリーホワイトモードの液晶パネルの方がコントラスト特性に優れる。
【００３３】
また、基板１上に熱緩衝膜２を形成し、熱緩衝膜２上に画素電極３を形成する形態について説明したが、熱緩衝膜２の構成順序は、これに限定する必要はなく、基板１上に画素電極３を形成し、画素電極３上に熱緩衝膜２を形成するようにしてもよい。
【００３４】
また、熱緩衝膜２を基板１にのみ形成する形態について説明したが、これに限定する必要はなく、基板５１に形成するようにしても、基板１及び基板５１に形成するようにしてもよく、また、２種類以上の熱緩衝膜を形成するようにしてもよい。
【００３５】
更に、スイッチング素子としてＴＦＴを用いた場合について説明したが、これに限定する必要はなく、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　Ｍｅｔａｌ）等を用いてもよく、また、スイッチング素子を用いない、所謂パッシブ型の液晶表示素子であってもよい。
【００３６】
次に、本実施形態による液晶パネルの低温放置試験を評価した。
熱緩衝膜２に、アクリル樹脂（線膨張率：２．６×１０−６／℃）、及びポリイミド樹脂（線膨張率：９．１×１０−６／℃）を用いた場合に、この液晶パネルを−３０℃環境下にて３０分間放置する低温放置試験を行ったが外観上に変化はなく、更に、この液晶パネルを室温（２５℃）に戻しても外観上に変化は見られなかった。
【００３７】
しかし、熱緩衝膜２に、透過率が優れた平坦化膜材料であるノボラック樹脂（線膨張率：１．７×１０−７／℃）を用いた場合に、この液晶パネルを−３０℃環境下にて３０分間放置する低温放置試験を行った結果、液晶層９にボイドが発生し、更に、この液晶パネルを室温（２５℃）に戻しても液晶層９に発生したボイドが消滅することなく、画素欠陥として残存した。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
評価結果をまとめると表１のようになり、熱緩衝膜の線膨張率は１０−６／℃以上であることが望ましい。これは、熱緩衝膜の線膨張率が小さく（収縮率が大きく）なれば、温度変化の際の基板と液晶との線膨張率の相違による体積収縮を十分に緩和できず、ボイドが発生したものと考えられる。
【００４０】
（実施の形態２）
実施の形態１では、熱緩衝膜２を基板１上の一面に形成するようにしたが、液晶パネルの画素開口部７１を除く基板１上に形成するようにしても良く、このようにしたものが実施の形態２である。図４は本発明の実施の形態２による液晶パネルの模式的平面図、図５は図４のＶ−Ｖ線における構造断面図、図６は図４のＶＩ−ＶＩ線における構造断面図である。
【００４１】
画素開口部７１を除いた部分に該当する基板１上に、透過率が優れた平坦化膜材料であるアクリル樹脂又はポリイミド樹脂等の熱緩衝膜２２が、２００℃にて１時間ベークすることにより、膜厚２００ｎｍにて形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４２】
また、基板１及び基板５１に対して接着力を有するポリシラン系材料等を第２ギャップ保持材６として用いた場合には、画素開口部７１を除いた部分に熱緩衝膜２２を第１ギャップ保持材５として形成することにより、利用部材及び製造工程数を減少できる。
【００４３】
次に、本実施形態による液晶パネルの低温放置試験を評価した。
熱緩衝膜２２に、アクリル樹脂（線膨張率：２．６×１０−６／℃）を用い、熱緩衝膜２２の面積比率（基板面積に対する熱緩衝膜面積の比率）を３０％とした場合に、この液晶パネルを−３０℃環境下にて３０分間放置する低温放置試験を行ったが外観上に変化はなく、更に、この液晶パネルを室温（２５℃）に戻しても外観上に変化は見られなかった。
【００４４】
即ち、熱緩衝膜２２を画素開口部７１を除いた部分に形成することにより、熱緩衝膜２２による透過光の光吸収をなくし、光透過率を犠牲にすることなく、ボイドの発生を防止することができる。
【００４５】
しかし、熱緩衝膜２２に、アクリル樹脂（線膨張率：２．６×１０−６／℃）を用い、熱緩衝膜２２の面積比率を更に小さくして２５％とした場合は、この液晶パネルを−３０℃環境下にて３０分間放置する低温放置試験を行った結果、液晶層９にボイドが発生し、更に、この液晶パネルを室温（２５℃）に戻しても液晶層９に発生したボイドが消滅することなく、画素欠陥として残存した。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
評価結果をまとめると表２のようになり、熱緩衝膜の面積比率は３０％以上であることが望ましい。これは、熱緩衝膜の形成面積が小さくなれば、温度変化の際の基板と液晶との線膨張率の相違による体積収縮を十分に緩和できず、ボイドが発生したものと考えられる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、熱緩衝膜にて基板と液晶物質との線膨張率の相違による液晶物質の低温時における体積収縮を緩和し、ボイドの発生を防止することにより、画素欠陥の発生を防止できる。従って、野外等の温度変化の大きな環境下においても、表示品質の低下を抑制した液晶表示素子を利用者に提供できる。
【００４９】
また本発明によれば、第１ギャップ保持材及び第２ギャップ保持材にて液晶ギャップを均一に保持することにより、所定の光透過率が得られるため、目的の階調表示ができ、また表示ムラの発生を抑制できる。
【００５０】
更に本発明によれば、画素開口部を除いた部分に熱緩衝膜を形成し、熱緩衝膜による透過光の光吸収をなくすことにより、光透過率を低下することなく、画素欠陥及び表示ムラの発生を防止できる等、優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による液晶パネルの模式的平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における構造断面図である。
【図３】図１の　ＩＩＩ−ＩＩＩ　線における構造断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２による液晶パネルの模式的平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線における構造断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線における構造断面図である。
【図７】液晶物質におけるＴ−Ｖ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１　基板
２　熱緩衝膜
３　画素電極
４　配向膜
５　第１ギャップ保持材
６　第２ギャップ保持材
７　偏光板
９　液晶層
１１　ａ−Ｓｉ層
１２　ゲートＰＳ層
１３　ＡＬ層
２２　熱緩衝膜
５１　基板
５２　遮光膜
５３　対向電極
５４　配向膜
５７　偏光板
７１　画素開口部
【図１】
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【図２】
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【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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