(57)【要約】【課題】液晶表示装置の画面に強い圧力がかかっても画面表示の均一性が低下せず、低温時にも発泡現象のような不良を生ぜず、さらにスペーサ移動による配向膜の損傷によって画質低下が起こることのない、良好な表示性能を有する液晶表示装置を提供する。【解決手段】配向膜が形成された２枚の基板間に液晶及びスペーサが狭持されてなる液晶表示装置であって、前記スペーサが異なる圧縮強度を有する少なくとも２種類の微粒子からなり、硬い微粒子の平均粒子径は前記基板間の間隙の９８％より小さく、軟らかい微粒子の平均粒子径は自由状態のもとでは前記基板間の間隙より大きく、硬い微粒子の表面が加熱によって前記配向膜に対して接着性を発現する微粒子からなる液晶表示装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
配向膜が形成された２枚の基板間に液晶及びスペーサが狭持されてなる液晶表示装置であって、前記スペーサが異なる圧縮強度を有する少なくとも２種類の微粒子からなり、硬い微粒子の平均粒子径は前記基板間の間隙の９８％より小さく、軟らかい微粒子の平均粒子径は自由状態のもとでは前記基板間の間隙より大きく、硬い微粒子の表面が加熱によって前記配向膜に対して接着性を発現する微粒子からなることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
硬い微粒子は基板上全スペーサ数の１０〜７０％で、１０％圧縮Ｋ値が１．５×１０１０Ｎ／ｍ２以上であって、軟らかい微粒子は基板上全スペーサ数の３０〜９０％で、１０％圧縮Ｋ値が３．０×１０９Ｎ／ｍ２以上１．３×１０１０Ｎ／ｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】
硬い微粒子は無機材料を主構成成分とし、その表面に熱可塑性樹脂からなる被覆層が形成されている微粒子であり、軟らかい微粒子は有機材料を主構成成分としている微粒子であることを特徴とする請求項１または２記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話やパソコンの表示部として使用され、画面に強い圧力がかかっても画面表示の均一性が低下せず良好な表示性能を有する液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は種々の電子機器の表示部素子として広く使用されている。液晶表示装置は２枚の対応する電極基板と、その内側に形成されている配向膜と、電極基板間に介在するスペーサ及び液晶物質とで構成されている。上記スペーサは基板間の間隙の大きさ（以下、セルギャップという。）を一定に保ち、セルギャップによって液晶層の厚みを均一かつ一定に保つために使用されている。
【０００３】
しかし近年、携帯電話や携帯端末など電子機器の携帯化が急速に進み、これに伴い液晶表示装置の画面にも例えば鞄に一緒に入れた硬い物で押されるような非常に強い圧力がかかる使用用途が増大している。液晶表示装置の画面に強い圧力がかかるとセルギャップが小さくなり画面表示の均一性が損なわれることがある。
【０００４】
一方、硬質のスペーサと弾性を有しかつ硬質のスペーサよりも直径の大きいスペーサとの２種類のスペーサを併用することによって、液晶表示装置の使用環境の温度が上昇し液晶層が熱膨張しても、弾性を有するスペーサが弾性的に変形していた状態から直径を増大させることで基板の各部が支持され、セルギャップが均一に保たれることが報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
上記特許文献１の方法では、硬質のスペーサは常温領域では圧縮された弾性を有するスペーサとともに基板を支持しセルギャップの均一性に寄与することになる。
硬質のスペーサで基板を支持された液晶表示装置は前記画面に局部的に強い圧力がかかっても硬質なためセルギャップが小さくならず画面表示の均一性は損なわれない。しかしながら硬質のスペーサを使用した液晶表示装置は低温発泡という不良現象を起こし易いという問題がある。
【０００６】
低温発泡とは液晶表示装置が低温にさらされたとき、液晶の収縮率がスペーサの収縮率より大きいためセルギャップが縮まる際にスペーサが抗して基板間内部が負圧になり、この結果気泡状の真空部分が発生するものである。したがって常態で硬いスペーサによって支持されている液晶表示装置は潜在的にこのような問題を有している。
【０００７】
また、上記特許文献１の方法では、硬質のスペーサは弾性を有するスペーサより粒子径が小さいため、必ずしもその一部は上下の基板に挟まれているものではない。このようなスペーサは外力によって容易に移動し易く、スペーサ移動という不良現象となる。スペーサ移動の際には配向膜を損傷することがあり、特に硬質のスペーサはこの傾向が強く、傷ついた配向膜の部分の液晶配向が乱され画質低下につながる。またスペーサ移動が起こるとスペーサ配置にムラができるため画面に強い圧力がかかると画面表示の均一性が損なわれる問題も発生する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１５７０８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記現状に鑑み、液晶表示装置の画面に強い圧力がかかっても画面表示の均一性が低下せず、低温時にも発泡現象のような不良を生ぜず、さらにスペーサ移動による配向膜の損傷によって画質低下が起こることのない、良好な表示性能を有する液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、配向膜が形成された２枚の基板間に液晶及びスペーサが狭持されてなる液晶表示装置であって、前記スペーサが異なる圧縮強度を有する少なくとも２種類の微粒子からなり、硬い微粒子の平均粒子径は前記基板間の間隙の９８％より小さく、軟らかい微粒子の平均粒子径は自由状態のもとでは前記基板間の間隙より大きく、硬い微粒子の表面が加熱によって前記配向膜に対して接着性を発現する微粒子からなる液晶表示装置を提供する。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、硬い微粒子は基板上全スペーサ数の１０〜７０％で、１０％圧縮Ｋ値が１．５×１０１０Ｎ／ｍ２以上であって、軟らかい微粒子は基板上全スペーサ数の３０〜９０％で、１０％圧縮Ｋ値が３．０×１０９Ｎ／ｍ２以上１．３×１０１０Ｎ／ｍ２以下である請求項１記載の液晶表示装置を提供する。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、硬い微粒子は無機材料を主構成成分とし、その表面に熱可塑性樹脂からなる被覆層が形成されている微粒子であり、軟らかい微粒子は有機材料を主構成成分としている微粒子である請求項１または２記載の液晶表示装置を提供する。
【００１３】
以下、本発明の詳細を説明する。
本発明におけるスペーサは異なる圧縮強度を有する少なくとも２種類の微粒子からなることが必要である。
【００１４】
本発明の液晶表示装置における各微粒子の平均粒子径は、硬い微粒子の平均粒子径は基板間の間隙（セルギャップ）の９８％より小さく、軟らかい微粒子の平均粒子径は自由状態のもとではセルギャップより大きいことが必要である。好ましくは硬い微粒子の平均粒子径はセルギャップの９５％より小さい。硬い微粒子の平均粒子径がセルギャップの９８％を越える場合には、常態におけるセルギャップと硬い微粒子の粒子径との差が少なすぎるため、低温下に曝されて液晶層が収縮した場合に硬い微粒子がセルギャップの支持に参加し易く、このため更に温度が低下した場合に発泡現象が発生し易いため好ましくない。硬い微粒子の平均粒子径はセルギャップの６０％より大きいことが好ましく、７０％より大きいことがより好ましい。硬い微粒子の平均粒子径がセルギャップの６０％未満の場合には、液晶表示装置の画面に局部的に強い圧力がかかって、硬い微粒子がセルギャップの支持に寄与できるまで押し縮められる前に、軟らかい微粒子が塑性変形したり破壊したりしてしまうことがあるので好ましくない。
また、軟らかい微粒子の平均粒子径がセルギャップ未満である場合には、軟らかい微粒子の内セルギャップの支持に参加できない微粒子の割合が増加し貼り合わせ時の均一性が低下するので好ましくない。
【００１５】
本発明における硬い微粒子は、その表面は加熱によって配向膜に対して接着性を発現することが必要である。具体的には、その主構成成分が無機材料であるとともに、微粒子の表面には配向膜に接着させるための熱可塑性樹脂からなる被覆層が形成されていることが好ましい。熱可塑性樹脂は貼り合わせの際の硬化熱等によって軟化し、配向膜に対して接触面積を拡大することによって常態となったとき接着する。
【００１６】
上記硬い微粒子を構成する無機材料の中では、シリカが最も好適に用いられる。
上記シリカを主要な構成成分とする微粒子の製造方法は特に限定されるものではないが、例えばアルコキシシラン等の加水分解可能な有機ケイ素化合物を水やアルコール等の極性媒体中で加水分解反応をさせて析出し、シリカ微粒子を合成する方法等が知られている。シリカ微粒子を得るために用いられるアルコキシシランとしては公知の化合物が用いられ、例えば、ＳｉＲｎ（ＯＲ’）４−ｎ（ただしＲ及びＲ’はそれぞれアルキル基を示し、ｎは０〜３の整数を示し、アルキル基としては例えばメチル基、エチル基、イソブチル基、ｎ−ブチル基等の低級アルキル基が挙げられる。）等が挙げられる。
【００１７】
上記熱可塑性樹脂からなる被覆層の形成方法としては特に限定されるものではないが、例えばシリカ微粒子表面に存在する水酸基をもとにシランカップリング剤を反応させたり、これらの水酸基を酸化剤によって表面にラジカル発生させてグラフト重合する方法等が挙げられる。
【００１８】
上記熱可塑性樹脂からなる被覆層の厚さは、０．００５〜０．２μｍであることが好ましく、さらに好ましくは０．０２〜０．０８μｍである。０．００５μｍ未満では十分な接着性が得られずに配向膜上を移動して傷つけ等が起こる可能性がある。０．２μｍを越えると散布時や保管時に微粒子同士が合着し凝集粒子となりセルギャップを正確に形成できなくなることがある。
【００１９】
本発明における軟らかい微粒子の材質は特に限定されるものではないが、その主構成成分が有機材料であることが好ましい。
上記有機材料を主成分とする軟らかい微粒子の製造方法としては、例えば、エチレン性不飽和基を有する重合性単量体を重合させて得られ、重合方法としては特に限定されるものではなく、例えば、乳化重合法、懸濁重合法、沈殿重合法、シード重合法、ソープフリー重合法等が挙げられる。
【００２０】
上記重合性単量体は特に限定されるものではなく、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、ｐ−クロロスチレン、クロロメチルスチレン等のスチレン誘導体；塩化ビニル、臭化ビニル、エチレン等のエチレン誘導体；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル類；アクリロニトリル等の不飽和ニトリル類；（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸−２−エチルへキシル、（メタ）アクリル酸ステアリル、エチレングリコール（メタ）アクリレート、トリフルオロエチル（メタ）アクリレート、ペンタフルオロプロピル（メタ）アクリレート、シクロヘキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル誘導体等の単官能単量体、ジビニルベンゼン；ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、１，６−ヘキサンジオールジ（メタ）アクリレート、ネオペンチルグリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、テトラメチロールメタントリ（メタ）アクリレート、テトラメチロールメタンテトラ（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル誘導体；ジアリルフタレート及びその誘導体；トリアリルイソシアヌレート及びその誘導体等の多官能単量体が挙げられる。
これらは単独で用いられてもよく、２種類以上が併用されてもよい。
【００２１】
本発明における軟らかい微粒子は、その表面に熱可塑性樹脂からなる被覆層が形成されていてもよい。熱可塑性樹脂からなる被覆層の形成方法は硬い微粒子の場合と同様に作製することができる。
【００２２】
本発明における硬い微粒子は加熱によって配向膜に対して接着性を発現する必要がある。
上記加熱としては、通常は基板の貼り合わせの際に行う周辺シール剤の熱硬化工程における加熱が適用される。配向膜に対する接着性は微粒子表面に形成された熱可塑性樹脂からなる被覆層が、微粒子と配向膜の接触点付近で接触面積が増大するように熱変形することによって発現する。
【００２３】
上記スペーサの圧縮強度は、硬い微粒子は１０％圧縮Ｋ値が１．５×１０１０Ｎ／ｍ２以上であって、軟らかい微粒子は３．０×１０９Ｎ／ｍ２以上１．３×１０１０Ｎ／ｍ２以下であることが好ましい。
【００２４】
上記１０％圧縮Ｋ値は、下記式１で示される値であって、微粒子がその粒子径の１０％圧縮変形されるときの荷重値をもとに微粒子の硬さを示す指標として採用するものである。
Ｋ  ＝  （３／√２）・Ｆ・Ｓ−３／２・Ｒ−１／２        （式１）
式中、Ｆは微粒子の１０％圧縮変形における荷重値（Ｎ）
Ｓは圧縮変位（ｍ）  Ｒは微粒子の半径（ｍ）  を示す。
【００２５】
上記圧縮変形されるときの荷重値は、例えば島津製作所製のＰＣＴ−２００のような市販の微小圧縮試験器を用いて測定できる。上記荷重値を求めるときの条件は、測定温度２０℃、圧縮速度２．６５ｍＮ／ｓ、微粒子を圧縮はダイヤモンド製直径５０μｍの円柱プローブの平滑な端面で行い、この際の圧縮荷重を電磁力として電気的に検出し圧縮変位を作動トランスによる変位として電気的に検出する。
【００２６】
上記硬い微粒子は１０％圧縮Ｋ値が１．５×１０１０Ｎ／ｍ２未満であると画面に強い圧力がかかったときに軟らかい微粒子と同様につぶれてしまって、著しい場合には軟らかい微粒子が塑性変形したり破壊したりしてセルギャップ保持ができずに表示ムラを招くことがあるので好ましくない。また軟らかい微粒子の１０％圧縮Ｋ値が３．０×１０９Ｎ／ｍ２未満であると微粒子が軟らかすぎて貼り合わせ時の圧力で著しく塑性変形して常態時にも均一なセルギャップを保つことができず、一方１．３×１０１０Ｎ／ｍ２を越える場合は低温時に発泡現象が起こったり、画面内部で微粒子が移動した場合に配向膜を損傷して表示画質を低下することがあるので好ましくない。
【００２７】
本発明の液晶表示装置における各微粒子の存在する割合は、硬い微粒子は基板上全スペーサ数の１０〜７０％であることが好ましい。さらに好ましくは２０〜５０％である。また軟らかい微粒子は基板上全スペーサ数の３０〜９０％であることが好ましい。さらに好ましくは５０〜８０％である。硬い微粒子の割合が７０％を越えるか、軟らかい微粒子の割合が３０％未満の場合は常態においてセルギャップを支持している微粒子の割合が少なく貼り合わせ時と常態におけるセルギャップの均一性が損なわれ易いし、支持に参加していない微粒子数が増加することで画面内に存在するスペーサが多くなりすぎスペーサに起因する光抜けなどの現象が目立つため表示画質の低下につながり易く好ましくない。
一方、硬い微粒子の割合が１０％未満か、軟らかい微粒子の割合が９０％を越える場合には画面に強い圧力がかかった場合に圧力を受ける硬い微粒子の割合が少なく、セルギャップが著しく圧縮されてしまうことがあるので好ましくない。
【００２８】
（作用）
粒子径の大きい軟らかい微粒子と粒子径の小さい硬い微粒子を併用する方法をとれば、画面に強い圧力がかかっても硬い微粒子の存在によってセルギャップが硬い微粒子の粒子径より小さくなることはなく、画面表示の均一性を保持することができる。
【００２９】
本発明における硬い微粒子の平均粒子径はセルギャップの９８％以下であるため、常態においては画面を構成する上下の基板に接触して挟み込まれていない。
従って、上記硬い微粒子が接着性を有していない場合は、液晶注入時の液晶の流入圧力や貼り合わせ後の振動などの外力によって容易に移動することがある。スペーサが移動するとその部分の硬い微粒子の存在密度が低下し、例えば強い圧力が画面にかかると軟らかい微粒子のみで支えているためこれらの微粒子が大きくつぶされて塑性変形したり破壊したりし、圧力を除去した後もその粒子径が十分に回復しないために画面表示の均一性が損なわれることがある。またスペーサ移動時には配向膜を損傷することがあり画質低下につながることがある。
【００３０】
本発明における硬い微粒子は、表面が加熱によって配向膜に対して接着性を発現するものであるため、スペーサ移動が起こらず、上述の様な強い圧力による画面表示の均一性低下や配向膜損傷による画質低下を防止することができる。
また、本発明の液晶表示装置が、低温下に曝されて液晶層が収縮した場合にも殆ど発泡現象を生じないのは、上記硬い微粒子と基板間には適度な間隙があるためと考えられる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
〔シリカ微粒子に熱可塑性樹脂からなる被覆層の形成〕
セパラブルフラスコに、シリカ微粒子（積水化学工業（株）製  ミクロパールＳＩ−Ｈ、平均粒子径５．４μｍ、ＣＶ値０．５％、１０％圧縮Ｋ値４．２０×１０１０Ｎ／ｍ２）４０重量部、ＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）２４０重量部、ＭＭＡ（メチルメタクリレート）５０重量部、ＩＢＭ（イソブチルメタクリレート）３５０重量部、ＬＭＡ（ラウリルメタクリレート）１００重量部を投入し、ソニケータにより十分に分散させた後、均一に攪拌を行い、系に窒素ガスを導入して、系の温度を５０℃にした。
その後、２Ｎの硝酸水溶液２０重量部に３．２２重量部の硝酸２アンモニウムセリウムを溶解させた液を添加し、５時間反応させた。重合終了後、反応液を取り出し、遠心分離器によって微粒子と反応液を分離し、この微粒子をＴＨＦで十分洗浄し、メタノール置換を行った後乾燥を行い、熱可塑性樹脂からなる被覆層の形成されたシリカ微粒子を得た。
【００３３】
〔液晶表示装置の作製〕
一対の透明ガラス板（５０ｍｍ×５０ｍｍ）の一面に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を蒸着した後、ＳｉＯ２膜の表面全体にスパッタリングによりＩＴＯ膜を形成して得たＩＴＯ付きガラス基板に、スピンコート法によりポリイミド配向膜、（日産化学社製  ＳＥ−１５０）を配置し、２８０℃で９０分焼成した後にラビング処理を行った。次に乾式散布機（日清エンジニアリング社製  ＤＩＳＰＡ−μＲ）を用いて樹脂製スペーサ（積水化学工業（株）製  ミクロパールＳＰＳ、平均粒子径６．１μｍ、ＣＶ値２．８％、１０％圧縮Ｋ値４．８×１０９Ｎ／ｍ２）を１ｍｍ２あたり１５０個になるように散布した。
次いで同様に乾式散布機を用いて熱可塑性樹脂からなる被覆層の形成されたシリカ微粒子を樹脂製スペーサとあわせて１ｍｍ２あたり２００個になるように散布した。硬い微粒子は基板上全スペーサ数の２５％で、軟らかい微粒子は基板上全スペーサ数の７５％である。
次にスペーサを散布した基板とその対向基板をラビング方向が９０゜になるように対向配置させ、１６０℃で９０分間処理してシール剤を硬化させ空セル（液晶の入ってない画面）を作製した。得られた空セルに、所定量のカイラル剤を配合したＳＴＮ型液晶（メルク社製  ＺＬＩ−２２９３）を注入した後、注入口を接着剤で塞いで液晶表示装置を作製し、さらに１２０℃で３０分間熱処理を行った。こうして得られた液晶表示装置のセルギャップは６．０μｍであり、硬い微粒子の平均粒子径はセルギャップの９０％であった。
【００３４】
〔液晶表示装置の評価〕
得られた液晶表示装置を用いて、超音波洗浄試験、加圧試験、及び低温試験を行い評価した。
その結果、超音波洗浄試験ではスペーサ移動は起こらず表示画質は良好であり、加圧試験で画面に強い圧力がかかっても画面表示は均一で良好であった。また低温試験でも発泡現象は全く認められなかった。
各試験は以下に示す方法によって行った。
【００３５】
〔超音波洗浄試験〕
液晶表示装置を超音波洗浄機に浸漬し２０分間超音波洗浄したのち偏光フィルムで挟み込み、電圧を印加しながら表示ムラを目視にて観察した。
【００３６】
〔加圧試験〕
液晶表示装置に直径１０ｍｍの断面を有する金属棒を用いて画面の中央部に２００Ｎの荷重を１０秒間加えた後に、偏光フィルムで挟み込み、電圧を印加しながら表示ムラを目視にて観察した。
【００３７】
〔低温試験〕
液晶表示装置を−１０℃の恒温槽に３０分間放置した直後に、１ｇの金属球を３０ｃｍの高さから画面の中央に落下させ、落下部に発泡現象がないか拡大鏡を用いて観察した。
【００３８】
（比較例１）
実施例１における平均粒子径５．４μｍのシリカ微粒子にかえて平均粒子径６．０μｍのシリカ微粒子（積水化学工業（株）製  ミクロパールＳＩ−Ｈ、平均粒子径６．０μｍ、ＣＶ値０．５％、１０％圧縮Ｋ値３．９５×１０１０Ｎ／ｍ２）に同様の方法で熱可塑性樹脂からなる被覆層を形成したものを使用したこと以外は実施例１と同様にして、セルギャップ６．０μｍの液晶表示装置を得た。硬い微粒子の平均粒子径はセルギャップの９８％を越えていた。
この液晶表示装置で実施例１と同様の評価を行ったところ、超音波洗浄試験と加圧試験では実施例１と同様に良好であったものの、低温試験では発泡現象が認められた。
【００３９】
（比較例２）
実施例１における熱可塑性樹脂からなる被覆層を形成したシリカ微粒子に代えて、被覆層を形成していないシリカ微粒子（平均粒子径５．４μｍ）を用いたこと以外は実施例１と同様にして、セルギャップ６．０μｍの液晶表示装置を得た。
この液晶表示装置で実施例１と同様の超音波洗浄試験を行ったところ、色ムラが認められた。ムラの発生部分を偏光顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子のスペーサが移動しており、移動したスペーサの軌跡が配向膜上にはっきり観察された。これはスペーサ移動により配向膜が傷ついた部分で液晶の異常配向による光漏れが発生しているためであり、画質低下している。
【００４０】
（比較例３）
実施例１における熱可塑性樹脂からなる被覆層を形成したシリカ微粒子を散布せず、代わりに樹脂製スペーサの散布量を１ｍｍ２あたり１５０個から２００個に増やしたこと以外は実施例１と同様にして、セルギャップ６．０μｍの液晶表示装置を得た。基板上の全スペーサが軟らかい微粒子で占めている。
この液晶表示装置で実施例１と同様の評価を行ったところ、超音波洗浄試験と低温試験では実施例１と同様に良好であったものの、加圧試験では色ムラの発生が認められた。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、上述の構成からなるので、液晶表示装置の画面に強い圧力がかかっても画面表示の均一性が低下せず、低温時にも発泡現象のような不良を生ぜず、さらにスペーサ移動による配向膜の損傷によって画質低下が起こることのない良好な表示性能を有する液晶表示装置を提供することができる。