(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の相対向する基板のうち、第１の基板の表面に形成された複数のスペーサと、前記スペーサの頂部にその表面が接すべく配置された第２の基板と、前記第１及び前記第２の基板の間に充填された液晶層とを有する液晶表示装置であって、前記スペーサは高さが異なる少なくとも２種類の第１のスペーサ及び前記第１のスペーサよりも高さが低い第２のスペーサから構成され、前記第２のスペーサの高さが前記第１のスペーサが高さ方向に外部圧力により圧縮される限界である弾性変形限界高さよりも高く形成されており、
前記第１の基板の表面に高さの異なる少なくとも２種類の第１の色層及び前記第１の色層よりも高さが低い第２の色層が形成されており、前記複数のスペーサは、前記第１の色層及びその上に形成された所定の高さの第１のスペーサ材からなる第１のスペーサと、前記第２の色層及びその上に形成された前記第１のスペーサ材からなる第２のスペーサとから構成されることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記第２のスペーサは、前記第２のスペーサが前記第１のスペーサの弾性変形限界高さまで圧縮された場合にも弾性変形特性を示す請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記第１及び前記第２のスペーサは、外部圧力による変形を前記第１のスペーサ材で受ける請求項１又は２記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記第１の基板の表面に前記第１及び前記第２の色層よりも高さが低い第３の色層が形成されており、前記複数のスペーサは、前記第３の色層及びその上に形成された前記第１のスペーサ材からなる第３のスペーサをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに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、カラーフィルタを利用してスペーサを形成する液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のカラーフィルタ搭載の液晶表示装置に、柱状スペーサを配置した構造の模式平面図及び模式断面図を図５に示す。図５（ａ）は１画素を構成するＲＧＢの３色を紙面に向かって上下にストライプ状に配置したときのカラーフィルタ基板の模式平面図である。図５（ｂ）、（ｃ）は、画素の間の切断線Ｘ−Ｘ’に沿った模式断面図であり、図５（ｂ）は、１画素に対応させる形で１本の柱状スペーサを画素間に設けた例で、図５（ｃ）は柱状スペーサを１画素に対応させる形で画素間に３本設けた例である。
【０００３】
図５について説明すると、ガラス基板１０１、ブラックマトリクス１０２、ストライプ状のカラーフィルタ１２３、１２４、１２５、ＩＴＯからなる共通電極１０６、柱状スペーサ１４３、１４４、１４５、配向膜１０７の順に形成され、カラーフィルタ基板（以下、ＣＦ基板と記載する）１１１が得られる。
【０００４】
ＣＦ基板１１１に対向してＴＦＴ基板１３１が配置され、ＴＦＴ基板１３１には、ガラス基板、絶縁膜、ＴＦＴ、配線、配向膜等が形成されているが、ここでは、簡略化のために図示を省略し、単にＴＦＴ基板１３１としている。ＣＦ基板１１１とＴＦＴ基板１３１との間には液晶層１１３が狭持される。
【０００５】
次に、柱状スペーサを使用した従来の液晶表示装置の特徴について説明する。まず、図６に柱状スペーサ付きカラーフィルタを使用した一般的な液晶表示装置の高温時の挙動を記す。図６は、画素当たり１本の柱状スペーサを設けた例で、柱状スペーサの頂部にＴＦＴ基板の表面が接するようにして液晶表示装置が形成されたときの様子を示す液晶表示装置の模式断面図である。
【０００６】
この液晶表示装置は、常温、例えば、２０℃の環境下では、図６（ａ）に示すように、セルギャップＴ１はカラーフィルタ１２３と柱状スペーサ１４３からなるスペーサ１０３により決定される。しかし、温度が上昇して、例えば、６０℃になると、図６（ｂ）のように、液晶層１１３の膨張によりセルギャップＴ１がセルギャップＴ２と大きくなり、ＴＦＴ基板１３１が柱状スペーサ１４３から離れ、ギャップムラが発生する。
【０００７】
したがって、柱状スペーサ１４３を使用して液晶表示装置を作製する際には、図７（ａ）のように、予め柱状スペーサ１４３を圧縮しておいて、狭いセルギャップｔ１（＜Ｔ１）となるようにセルギャップを調整しておくことが必要になる。このようにすると、高温時（例えば、６０℃）に液晶層１１３が膨張しセルギャップがｔ２と大きくなると圧縮されていた柱状スペーサ１４３が弾性変形により伸張し、図７（ｂ）のように、液晶層１１３の伸張を柱状スペーサ１４３の弾性変形により吸収することができる。
【０００８】
次に、図８に柱状スペーサ付きカラーフィルタを使用した従来の液晶表示装置の低温時の挙動を記す。図８（ａ）、（ｂ）は、画素当たり１本の柱状スペーサを設けた例で、図９（ａ）、（ｂ）は、柱状スペーサを画素当たり３本設けた例である。
【０００９】
温度を低温、例えば、−２０℃にすると、図８（ａ）は（ｂ）に、図９（ａ）は（ｂ）のように変化する。温度低下により液晶層１１３の体積が収縮する力と、柱状スペーサがＴＦＴ基板１３１を押し返す力が生ずるが、図８（ａ）、（ｂ）の画素当たり１本の柱状スペーサを設けた構造では、液晶層１１３の体積が収縮する力の方が、柱状スペーサ１４３がＴＦＴ基板１３１を押し返す力よりも強いため、常温でＬ１の長さのセルギャップが、低温になるとＬ１よりも短いＬ２となる。
【００１０】
一方、図９（ａ）、（ｂ）のように、柱状スペーサを画素当たり３本設けた構造では、温度を低温にして液晶層１１３の体積が収縮する力と、柱状スペーサ１４３、１４４、１４５がＴＦＴ基板１３１を押し返す力を発生させたとき、柱状スペーサがＴＦＴ基板１３１を押し返す力の方が液晶層１１３の体積が収縮する力よりも強くなるのでセルギャップはほとんど変化せず、液晶層中に溶け込んでいる化学的に不安定な低分子の物質が液晶層中で気化して気泡を生じ、液晶表示装置の表示不良の原因となる（以下、この現象を「低温発泡」と記載する）。従って、柱状スペーサは少ないほど低温発泡が発生しにくいことになる。
【００１１】
次に、図１０、１１に柱状スペーサを使用した従来の液晶表示装置に外部荷重がかかった際の挙動を記す。
【００１２】
図１０（ａ）は、柱状スペーサ１４３のみがカラーフィルタ１２３の上に形成された場合の液晶表示装置の模式断面図である。
【００１３】
これに外部荷重がかかると、図１０（ｂ）のように、柱状スペーサ１４３が大きく変形し（塑性変形）、外部荷重印加前のセルギャップＬ１が、Ｌ１よりも短いＬ２となる。その後荷重が解かれても、図１０（ｃ）のように柱状スペーサ１４３は元の状態に戻ることはないため、外部荷重がかかった部位のセルギャップは押しつぶされたままで狭くなり、ギャップムラによる表示不良が発生する。
【００１４】
一方、図１１（ａ）に示されるように、柱状スペーサ１４３、１４４、１４５をカラーフィルタ１２３、１２４、１２５の上にそれぞれ形成した場合、液晶表示装置に外部荷重がかかると、図１０（ｂ）のように、柱状スペーサ１４３、１４４、１４５が小さく変形する（弾性変形）。その後荷重が解かれると、図１０（ｃ）のように、柱状スペーサは元の状態に戻るため、ギャップムラによる表示不良は発生しない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、一般的に柱状スペーサ付きカラーフィルタを用いて作製された液晶表示装置は、柱状スペーサを増やすほど外部荷重に対する強度は増すが、逆に低温発泡が発生しやすくなるという特性があるため、柱状スペーサ付きカラーフィルタ使用の液晶表示装置のスペーサ設計は非常に困難であった。
【００１６】
すなわち、耐荷重特性を向上させるためにスペーサ密度を増やすと、低温時に液晶セルのセルギャップが液晶分子の収縮に応じた収縮が出来なくなるため、液晶分子が発泡し易くなるという問題が生じていた。
【００１７】
本発明の目的は、耐荷重特性が良く、かつ、低温での低温発泡による表示不良が発生し難い柱状スペーサ付きカラーフィルタ搭載の液晶表示装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示装置は、２枚の相対向する基板のうち、第１の基板の表面に形成された複数のスペーサと、前記スペーサの頂部にその表面が接すべく配置された第２の基板と、前記第１及び第２の基板の間に充填された液晶層とを有する液晶表示装置であって、前記スペーサは高さが異なる少なくとも２種類の第１のスペーサ及び前記第１のスペーサよりも高さが低い第２のスペーサから構成され、前記第２のスペーサの高さが前記第１のスペーサが高さ方向に外部圧力により圧縮される限界である弾性変形限界高さよりも高く形成されていることを特徴とする。本発明の液晶表示装置は、以下のような好適な適用形態を有する。
【００１９】
すなわち、前記第２のスペーサは、前記第２のスペーサが前記第１のスペーサの弾性変形限界高さまで圧縮された場合にも弾性変形特性を示す。
【００２０】
また、前記第１の基板の表面に高さの異なる少なくとも２種類の第１の色層及び前記第１の色層よりも高さが低い第２の色層が形成されており、前記スペーサは、前記第１の色層及びその上に形成された所定の高さの第１のスペーサ材からなる第１のスペーサと、前記第２の色層及びその上に形成された前記第１のスペーサ材からなる第２のスペーサとから構成され、前記第１及び第２のスペーサは、外部圧力による変形を前記第１のスペーサ材で受ける。
【００２１】
さらに、前記第１の基板の表面に高さの同じ少なくとも２種類の第３の色層及び第４の色層が形成されており、前記スペーサは、前記第３の色層及びその上に形成された第２のスペーサ材からなる第１のスペーサと、前記第４の色層及びその上に形成された前記第２のスペーサ材よりも高さの低い第３のスペーサ材からなる第２のスペーサとから構成され、前記第１及び第２のスペーサは、外部圧力による変形を前記第２及び第３のスペーサ材で受ける。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態の液晶表示装置を図１を参照して説明する。図１（ａ）は本実施形態による柱状スペーサを配置したカラーフィルタを模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における切断線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図である。
【００２３】
まず、ガラス基板１上にはＣｒ又は樹脂からなるブラックマトリクス２が形成され、その上に顔料分散法を用いてＲＧＢのストライプ状のカラーフィルタ２３、２４、２５が形成される。続いて、カラーフィルタ２３、２４、２５を覆ってＩＴＯ膜６が形成され、さらにカラーフィルタ２３、２４上に感光性の透明アクリル樹脂等からなる柱状スペーサ４３、４４がそれぞれ形成される。最後に、柱状スペーサ４３、４４を覆って配向膜６が形成される。
【００２４】
このとき、柱状スペーサはブラックマトリクス２の上に形成され、この実施形態の場合、ストライプ状に紙面の上下方向に走るカラーフィルタ２３、２４の上下の画素間に配置されるブラックマトリクス上に位置するように形成される。
【００２５】
本実施形態では、柱状スペーサ４３、４４の長さは同じで、柱状スペーサ４３、４４の頂上部の高さをカラーフィルタ２３、２４の膜厚差によって段階的に設定する。具体的には、色材料濃度を調整すれば、カラーフィルタの色味を変えずに、カラーフィルタの膜厚を変えて柱状スペーサの段差を調整することが可能である。この実施形態では、カラーフィルタ２３をカラーフィルタ２４よりも厚く形成し、柱状スペーサ４３、４４は同じ高さとしている。従って、カラーフィルタ２３と柱状スペーサ４３とで第１のスペーサ３、カラーフィルタ２４と柱状スペーサ４４とで第２のスペーサ４を構成し、スペーサ３がスペーサ４よりもカラーフィルタ２３とカラーフィルタ２４との膜厚差分だけ高く形成される。
【００２６】
図２は、本実施形態のカラーフィルタを用いて作製した液晶セルにおける、ＣＦ基板１０の柱状スペーサ４３、４４と対向するＴＦＴ基板２０との位置関係を示す断面図である。
【００２７】
柱状スペーサは、ＴＦＴ基板２０が外圧を受けたときに、まず最も背の高い第１のスペーサ３の柱状スペーサ４３がＴＦＴ基板２００に加えられた荷重により変形するように作製される。また、柱状スペーサは、次のような条件を満たす材料で構成されているとする。すなわち、セルギャップが４．０μｍの液晶表示装置において、第１のスペーサ３が、セルギャップの厚さの１０％分の０．４μｍよりも大きな収縮変形を受けたときに弾性変形から塑性変形に転移する。
【００２８】
さらに具体的な例を示すと、第１のスペーサ３と第２のスペーサ４の高さの違いをｄとすると、ｄは、常温から低温、例えば、２０℃から−２０℃になるときに受ける液晶セルのセルギャップ変化量よりも大きくなるように設定する。
【００２９】
このようにしておけば、常温から低温への環境変化があっても、セルギャップの収縮が柱状スペーサ４３の弾性変形限界内の収縮のみで吸収できる。別の表現をすれば、柱状スペーサ４３に加えて、柱状スペーサ４４がセルギャップの収縮に係われば、セルギャップの収縮が一定以上進行しなくなり、低温発泡の危険が生じるが、柱状スペーサ４４はＴＦＴ基板２００の支持に係わることがないようにスペーサの設計がされているので、低温発泡が液晶層中に生じない。
【００３０】
また、図中ｂは、柱状スペーサ４３の弾性変形限界で、柱状スペーサ４３がｈよりも大きな収縮変形を受けると、柱状スペーサは塑性変形、もしくは破壊する。従って、ＴＦＴ基板２０が荷重を受けたときに、柱状スペーサ４３が破壊に到る前に、柱状スペーサ４４の支持により荷重を分割低減させる必要がある。
【００３１】
例えば、セルギャップが４．０μｍになるように液晶表示装置を形成し、第１のスペーサ３が、セルギャップの厚さの１０％分の０．４μｍよりも大きな収縮変形を受けたときに弾性変形から塑性変形に転移するとする。この場合、ｄ、ｈの関係は、ｄ＜ｈ＝０．４μｍとなる。従って、
第１のスペーサ３の高さ＝４．０μｍ＞第２のスペーサ４の高さ＞３．６μｍ
という関係が成り立つように第２のスペーサ４が形成される。
【００３２】
次に、図３は本実施形態のスペーサのＣＦ基板１０上での配置を示す平面図であり、図３（ａ）、（ｂ）において、マス目はＲＧＢ毎に当てられる１画素を示し、○印はスペーサを配置している画素を意味する。
【００３３】
図３は、１画素おきに図２に示す柱状スペーサを市松模様に配置した例（以下、１／２画素と表記）であり、例えば、画素１１０には第１のスペーサを配置し、画素１１０の斜め方向に隣接する、画素１１１、１１２、１１３、１１４にも図２に示す柱状スペーサを配置する。なお、密度や配置は図３以外の配置でも良く、また、１つの画素に対応するカラーフィルタの上に複数の柱状スペーサを設けることもできる。
【００３４】
また、柱状スペーサの頂上部面積を調整することにより、柱状スペーサの配置密度を調整するのと同様な効果を得ることができるが、本実施形態では簡略化のため柱状スペーサの配置密度のみを調整する例として説明している。
【００３５】
液晶セルを設計する上では、従来例で説明した「高温時のギャップムラ」、「低温発泡」を防ぎ、かつ「外部荷重への強さ」を兼ね備えたスペーサ設計が必須となるが、本実施形態を用いれば従来よりも優れた設計マージンを有するスペーサを得ることができる。
【００３６】
すなわち、スペーサの面位置高さに段差をつけることにより、低温時にセルギャップが高さの高いスペーサのみでセルギャップの収縮変形を吸収するので、セルギャップ厚さを薄くすることができ、低温発泡が生じ難くなる。
【００３７】
また、第２のスペーサ４の高さを、第１のスペーサ３が弾性変形範囲内の変形を受けたときに第１のスペーサ３と共に荷重を分割できる構成としているため、外部荷重が解かれると、第１のスペーサ３だけでセルギャップを形成することができる。
【００３８】
液晶セルの耐荷重強度を数値で比較するために、スペーサが全画素に対応して配置された場合の液晶セルの耐荷重強度を１．０とすると、スペーサが１画素おきに配置された場合の液晶セルの耐荷重強度は概略０．５となる。
【００３９】
液晶セルの低温発泡性については、数値で表すことはできないが、スペーサが１画素おきに配置された場合の液晶セルの方が、スペーサが全画素に対応して配置された場合の液晶セルに比べ、低温時の収縮度合いが大きいため、表示不良が少なくなる。
【００４０】
従って、液晶表示装置のスペーサに要求される耐荷重強度が、スペーサが全画素に対応して配置された場合のスペーサ構造を有する従来の液晶表示装置と同等であり、低温発泡性がスペーサが１画素おきに配置された場合の従来の液晶表示装置と同等の表示不良率が求められるとすると、本発明によるスペーサが１画素おきに配置され、１画素当たりに高低２本のスペーサを有する構造の液晶表示装置がその条件を満たすことができる。
【００４１】
なお、段差のあるスペーサを１画素の３色全てに図４（ｂ）のように、同じ高さの柱状スペーサを３本配置し、外部荷重を受けたときに３本のスペーサで荷重を分担し、低温時には最も高いスペーサのみで外部荷重を負担するようにスペーサを設計する。さらに、このような構成のスペーサを、図３のように、１画素おきに配置したとすれば、１画素当たり１本のスペーサを有する液晶表示装置に較べて耐荷重強度は３倍になり、低温発泡性もスペーサが１画素おきに配置された場合のスペーサ構造を有する従来の液晶表示装置と同等の表示不良率が得られる。
【００４２】
さらに、本実施形態の別の変形例として、図４（ｃ）のように、カラーフィルタの高さを揃えて柱状スペーサの高さを変えても、本実施形態と同様な効果が得られる。
【００４３】
以上のように、本発明によれば、従来の製造方法を大幅に変更することなく、外部荷重に対する充分な強度を保持し、かつ低温発泡に対する温度マージンを確保した、柱状スペーサ付きカラーフィルタを用いた液晶表示装置の製造が可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
上述のように、本発明の液晶表示装置によれば、ＲＧＢ１画素に対応して複数本の柱状スペーサを用い、１画素おきの割合で複数本の柱状スペーサを設け、しかもその高さを変えて、高い方のスペーサが外部荷重により収縮したときに高い方のスペーサが弾性変形を示す範囲内で低い方のスペーサも共に外部荷重を受けるように各スペーサの高さを予め設定しておくことにより、耐荷重特性を向上させると共に、低温時には高い方のスペーサのみでセルギャップの収縮を吸収するので、セルギャップが温度相応に収縮し、低温発泡による表示不良を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の液晶表示装置のカラーフィルタ基板の平面図及び断面図である。
【図２】本発明の実施形態の液晶表示装置の断面図である。
【図３】本発明の実施形態の液晶表示装置のカラーフィルタ基板に配置するスペーサのマップである。
【図４】本発明の実施形態の変形例の液晶表示装置のカラーフィルタ基板の平面図及び断面図である。
【図５】従来の液晶表示装置のカラーフィルタ基板の平面図及び液晶表示装置の断面図である。
【図６】従来の液晶表示装置を常温から高温にしたときの変化の様子を示す断面図である。
【図７】セルギャップの変化による表示不良を防止する構造の従来の液晶表示装置を常温から高温にしたときの変化の様子を示す断面図である。
【図８】柱状スペーサ付きカラーフィルタを使用した従来の液晶表示装置の低温時の挙動を示す断面図である。
【図９】柱状スペーサを増やして耐荷重性を強化した従来の液晶表示装置の低温時の挙動を示す断面図である。
【図１０】柱状スペーサ付きカラーフィルタを使用した従来の液晶表示装置が荷重を受けてスペーサが破壊に到ったときの様子を示す断面図である。
【図１１】柱状スペーサ付きカラーフィルタの柱状スペーサを増やした従来の液晶表示装置が荷重を受けたときの様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１０１    ガラス基板
２、１０２    ブラックマトリクス
３    第１のスペーサ
４    第２のスペーサ
６、１０６    共通電極
７、１０７    配向膜
１０、１１１    ＣＦ基板
２０、１３１    ＴＦＴ基板
２３、２４、２５    カラーフィルタ
４３、４４、４５    柱状スペーサ
１０３    スペーサ
１１３    液晶層
【図１】
0004771038.tif 000002
【図２】
0004771038.tif 000003
【図３】
0004771038.tif 000004
【図４】
0004771038.tif 000005
【図５】
0004771038.tif 000006
【図６】
0004771038.tif 000007
【図７】
0004771038.tif 000008
【図８】
0004771038.tif 000009
【図９】
0004771038.tif 000010
【図１０】
0004771038.tif 000011
【図１１】
0004771038.tif 000012