(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置された一対の基板と、これらの基板間に保持された液晶材料から成る光変調層と、前記一対の基板の少なくとも一方の内面に一体的に形成され前記一対の基板の間隙を維持する複数のスペーサ柱とを含み、複数の表示画素から成る有効表示領域を備えた液晶表示装置において、
前記スペーサ柱は、５００〜３０００μｍ２／ｍｍ２の密度で配置され、
環境温度が２０℃から−２０℃に変化した時の前記液晶材料の体積収縮から換算される前記基板の間隙の減少量よりも、環境温度が−２０℃で、前記光変調層が保持されていない状態の前記一対の基板に１００ｍＮ／ｍｍ２荷重を印加した際の前記スペーサ柱の変形量の方が大きく設定されていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
対向配置された一対の基板と、これらの基板間に保持された液晶材料から成る光変調層と、前記一対の基板の少なくとも一方の内面に一体的に形成され前記一対の基板の間隙を維持する複数のスペーサ柱とを含み、複数の表示画素から成る有効表示領域を備えた液晶表示装置において、
前記スペーサ柱は、５００〜３０００μｍ２／ｍｍ２の密度で配置され、
前記光変調層が保持されていない状態の前記一対の基板に１００ｍＮ／ｍｍ２荷重を印加した場合、環境温度が−２０℃での前記スペーサ柱の変化量をＸ、環境温度が２０℃での前記スペーサ柱の変化量をＹとすると、Ｘは０．１μｍ以上であり、Ｙは２Ｘμｍ以下であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項３】
前記スペーサ柱は、環境温度が２０℃で１００μｍ２当たりに換算した時の３０ｍＮ荷重下での変形量が０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記スペーサ柱は、環境温度が２０℃で１００μｍ２当たりに換算した時の６０ｍＮ荷重下での変形量が２．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
【請求項５】
前記スペーサ柱は、７００〜２０００μｍ２／ｍｍ２の密度で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
【請求項６】
前記有効表示領域は、１２インチ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記一対の基板の少なくとも一方は、マトリクス状に配置された複数本の信号線および走査線と、スイッチング素子を介して配置された画素電極と、を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記スペーサ柱は、前記信号線、走査線、およびスイッチング素子のいずれかに重ねて配置されていることを特徴とする請求項７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】
本発明は液晶表示装置に係り、特に基板間隙を均一に保つスペーサを備えた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力の特徴を生かして、各種分野で利用されるようになってきた。そして、一対の電極基板間にツイステッド・ネマチック（ＴＮ）型液晶が保持されて成る液晶表示装置が広く利用されている。
【０００３】
ところで、液晶表示装置では、基板間隙（セルギャップ：実効的な液晶層厚をさすものとする）を均一に保つことが不所望な着色等のない良好な表示画像を得る上で重要であることから、従来では球状のスペーサを一方の基板上に所定の密度で散布し、この上に他方の基板を貼り合わせることが行われてきた。
【０００４】
しかしながら、このようなスペーサを散布する方式では、スペーサの凝集、あるいは分布の不均一さ等から、セルギャップの一層の均一性を確保することが困難であり、また、スペーサによる不所望な光抜け等が生じ、表示コントラストを向上し難いという問題がある。
【０００５】
上述した問題を解決するべく、例えば特開平９−７３０９３号公報あるいは特開平９−７３０８８号公報には、球状のスペーサに代わって、柱状のスペーサを用いた技術が開示されている。
【０００６】
これは、一方の基板上に、セルギャップを均一化するためのスペーサを一体的に形成する、例えばカラーフィルタの各色を重ねたスペーサ柱を予め定められた位置に形成するというものである。このような構成によれば、一層のセルギャップの均一性を確保することができ、更には表示コントラストを向上させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、更に研究を続けていく中、次の問題点を見出した。即ち、液晶表示装置の耐荷重性を高めるためには、スペーサ柱を十分な密度で配置する必要があるが、その材質、密度によっては、低温時、基板間に真空泡が発生するという問題が生じる。これは、環境温度が変化した際、セルギャップに保持されている液晶材料の体積変化と、スペーサ柱の変形量とが必ずしも一致しないため、特に、低温時に真空泡が発生し易いというものである。そして、このような真空泡は、液晶表示装置の表示品位を低下させてしまう。
【０００８】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、少なくとも一方の基板に一体的に設けられたスペーサ柱を備えた液晶表示装置であって、環境温度変化に対しても良好な表示品位を確保できる液晶表示装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の態様に係る液晶表示装置は、対向配置された一対の基板と、これらの基板間に保持された液晶材料から成る光変調層と、前記一対の基板の少なくとも一方の内面に一体的に形成され前記一対の基板の間隙を維持する複数のスペーサ柱とを含み、複数の表示画素から成る有効表示領域を備えた液晶表示装置において、
前記スペーサ柱は、５００〜３０００μｍ２／ｍｍ２の密度で配置され、環境温度が２０℃から−２０℃に変化した時の前記液晶材料の体積収縮から換算される前記基板の間隙の減少量よりも、環境温度が−２０℃で、前記光変調層が保持されていない状態の前記一対の基板に１００ｍＮ／ｍｍ２荷重を印加した際の前記スペーサ柱の変形量の方が大きく設定されていることを特徴としている。
【００１０】
また、この発明の他の態様に係る液晶表示装置は、対向配置された一対の基板と、これらの基板間に保持された液晶材料から成る光変調層と、前記一対の基板の少なくとも一方の内面に一体的に形成され前記一対の基板の間隙を維持する複数のスペーサ柱とを含み、複数の表示画素から成る有効表示領域を備えた液晶表示装置において、
前記スペーサ柱は、５００〜３０００μｍ２／ｍｍ２の密度で配置され、前記光変調層が保持されていない状態の前記一対の基板に１００ｍＮ／ｍｍ２荷重を印加した場合、環境温度が−２０℃での前記スペーサ柱の変化量をＸ、環境温度が２０℃での前記スペーサ柱の変化量をＹとすると、Ｘは０．１μｍ以上であり、Ｙは２Ｘμｍ以下であることを特徴としている。
【００１１】
上記構成の液晶表示装置によれば、−２０℃といった低温退きにおいても、スペーサ柱は十分な変形量を得られるため、 液晶材料の熱収縮に追従してセルギャップが調整され、真空泡の発生が防止される。また、環境温度が２０℃でのスペーサ柱の変形量Ｙは、２Ｘμｍ以下に制御されるため、スペーサ柱に要求されるセルギャップの均一性確保という本体の機能を損なうこともない。これにより、幅広い環境下でセルギャップの均一性を確保することができ、しかも真空泡の発生を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の具体例を説明するに先立ち、本発明の基本原理について簡単に説明する。
まず、真空泡の発生防止について検討すると、本発明では、環境温度の変化に応じた液晶材料の体積変化に追従するスペーサ柱を使用することが挙げられる。例えば、本発明者等の実験によれば、その材料やセルギャップにもよるが、有効表示領域が１２．１インチ、セルギャップが５μｍの液晶表示装置にチッソ社製の液晶材料を封入した場合、液晶材料には、２０℃〜０℃の環境温度の変化に対して、セルギャップを例えば０．０９μｍ程度縮小する体積変化が生じ、また、−２０℃に環境温度が変化すると、セルギャップを０．１μｍ以上、例えば、０．１５μｍ程度縮小する体積変化が生じる。
【００１３】
このような液晶材料の体積変化に十分に追従してスペーサ柱が変形すれば真空泡は発生しない。
このことから、環境温度が２０℃から−２０℃に変化した時の液晶材料の体積収縮から換算される基板の間隙の減少量よりも、環境温度が−２０℃で、液晶材料が保持されていない状態の一対の基板に１００ｍＮ／ｍｍ2荷重を印加た際のスペーサ柱の変形量の方を大きく設定することにより、低温時における真空泡の発生を効果的に防止することができる。
【００１４】
また、本発明者等の研究の結果、液晶材料が保持されていない状態の一対の基板に１００ｍＮ／ｍｍ2荷重を印加した場合、環境温度が−２０℃でのスペーサ柱の変化量をＸ、環境温度が２０℃でのスペーサ柱の変化量をＹとすると、Ｘは０．１μｍ以上であり、Ｙは２Ｘμｍ以下に設定することで、低温時の真空泡の発生を効果的に防止できることが解った。
【００１５】
更に、本発明者等の研究の結果、上記の状態を実現するためには、スペーサ柱は、その温度依存性にも影響を受けるが、環境温度が２０℃、高さ５μｍ、１００μm 2当たりに換算した時の３０ｍＮ荷重下での変形量が０．３μｍ以上であることが望ましい。上記変形量が０．３μｍ以上であれば、−２０℃程度の低温環境下であっても、必要最低限の変形量を確保することができ、逆に、０．３μｍよりも小さいと、スペーサ柱の密度に応じた変形量の制御が容易ではなくなる。
【００１６】
また、スペーサ柱は、環境温度が２０℃、高さ５μｍで１００μm 2当たりに換算した時の６０ｍＮ荷重下での変形量が２．０μｍ以上であることが望ましい。上記変形量が２．０μｍ以下であれば、製造工程中にスペーサ柱が不所望に変形することが防止され、逆に、２．０μｍよりも大きいと、スペーサ柱の密度に応じた変形量の制御が容易ではなくなる。
【００１７】
このようなスペーサ柱は、所定の密度で配置することが望ましく、特に、５００〜３０００μｍ2／ｍｍ2の密度の範囲、特に、７００〜２０００μｍ2／ｍｍ2の範囲に制御することが望ましい。このような範囲内であれば、スペーサ柱によってセルギャップを均一に保持することができ、また、環境変化に対しても真空泡の発生を十分に低減することができる。スペーサ柱の密度が５００μｍ2／ｍｍ2よりも小さいと、製造途中の圧力によってセルギャップむらが生じ表示不良を招く恐れがあり、また、３０００μｍ2／ｍｍ2を越えると、真空泡の発生を招く恐れがある。
【００１８】
そして、このようなスペーサ柱は、有効表示領域を損なわないように配置する、即ち、基板の配線上等の非表示領域に配置することが望ましく、これにより、、各スペーサ柱の面積および分布が決定される。そして、均一なセルギャップを確保する上で、スペーサ柱は、有効表示領域内で均等に配置されることが望ましい。
【００１９】
以下に本発明の実施の形態に係る液晶表示装置について図面を参照して詳細に説明する。
図１および図２に示すように、液晶表示装置１００は、対向配置されたアレイ基板２００と対向基板３００との間に、光変調層としての液晶層４００を保持することにより構成されている。また、液晶表示装置１００は、図示しない駆動回路部に電気的に接続されると共に、アレイ基板２００側に面光源装置を備えて構成される。
【００２０】
アレイ基板２００では、厚さ０．７mmの透明なガラス基板２０１上に（１０２４×３）本のモリブデン／アルミニウム／モリブデンの積層構造から成る信号線２１１と７８６本のモリブデン−タングステン合金（ＭｏＷ合金）から成る走査線２２１とが互いに直交してマトリクス状に配置され、各交差部近傍に薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと奏する）２３１が配置されている。
【００２１】
更に詳しく述べると、ＴＦＴ２３１は、走査線２２１から延びるゲート電極２２１ａ上に、シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）から成るゲート絶縁膜２４１を介して設けられた水素化非晶質シリコン半導体層（ａ−Ｓｉ：Ｈ）２３３を備えている。更に、この上にシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）から成るチャネル保護膜２３５が配置され、リンドープの低抵抗水素化非晶質シリコン半導体層（ｎ＋ａ−Ｓｉ：Ｈ）２３７、２３９を介してａ−Ｓｉ：Ｈ２３３と電気的に接続されるソース電極２５１及びドレイン電極２６１が配置されている。
【００２２】
ドレイン電極２６１は信号線２１１と一体的に形成されている。ソース電極２５１は、信号線２１１と同様に、モリブデン／アルミニウム／モリブデンの積層構造から成り、透明導電膜であるＩＴＯから成る画素電極２７１に電気的に接続されている。
【００２３】
また、走査線２２１と略平行に、走査線２２１と同一工程で形成される補助容量線２７３が配置され、これら補助容量線２７３と画素電極２７１とがゲート絶縁膜２４１を介して対向配置され補助容量Ｃｓを構成している。そして、最上層に配向膜２９１を形成することにより、アレイ基板２００が構成されている。
【００２４】
本実施の形態において、液晶表示装置は、有効表示領域が１２．１インチ、（１０２４×３）×７８６の表示画素、１０２４×７８６の表示絵素がマトリクス状に配列されたＳＶＧＡ仕様であり、画素ピッチは１０２．５μm ×３０７．５μm となっている。
【００２５】
一方、対向基板３００では、厚さ０．７mmの透明なガラス基板３０１上に、アレイ基板２００の信号線２１１と画素電極２７１との間、走査線２２１と画素電極２７１との間からの漏れ光、ＴＦＴ２３１上に照射される不所望な光を遮るために、樹脂製の遮光膜３１１がマトリクス状に配置されている。そして、この遮光膜３１１間には、カラー表示を実現するため、赤（Ｒ），青（Ｂ），緑（Ｇ）のカラーフィルタ３２１Ｒ、３２１Ｂ、３２１Ｇがそれぞれ配置されている。更に、カラーフィルタ上には、透明導電膜としてＩＴＯから成る対向電極３３１、配向膜３４１が順に形成されている。
【００２６】
このアレイ基板２００と対向基板３００との間隙、即ちセルギャップは５．０μｍに維持され、これらの基板間には、チッソ社製ツイスト・ネマチック液晶を主体とした液晶材料から成る液晶層４００が保持されている。
【００２７】
そして、このセルギャップは、対向基板３００のカラーフィルタ３２１Ｒ、３２１Ｂ、３２１Ｇの各色を積層して構成された複数のスペーサ柱３５０によって維持されている。即ち、各スペーサ柱３５０は、緑（Ｇ）のカラーフィルタ３２１Ｇから成る第１層３５１、第１層３５１上に配置された青（Ｂ）のカラーフィルタ３２１Ｂから成る第２層３５３、及び第２層３５３上に配置された赤（Ｒ）のカラーフィルタ３２１Ｒから成る第３層３５５とによって構成されている。そして、これらのスペーサ柱３５０は、表示品位を損なうことがないよう、例えば、走査線２２１上に当接する位置に配置されている。
【００２８】
スペーサ柱３５０としては、図３中曲線（ａ）に示すように、常温（２０℃）、高さ５μｍで、１００μｍ2当たりに換算した時の値が３０ｍＮの荷重を受けた際の変形量が０．３μｍ以上である１．０μｍ、また、６０ｍＮの荷重を受けた際の変形量が２．０μｍ以下である１．６μｍとなるポリイミド系材料を使用した。
【００２９】
更に詳しく述べると、この材料の荷重変形は、荷重をｘ、変形量をｙとすると、以下の式で表され、荷重変形が比較的大きい材料である。
ｙ＝０．１３ｘ0.6
本実施の形態では、スペーサ柱３５０を、アレイ基板２００に対する当接面積を１０μm ×１０μm とし、その配設密度を４個／９画素、即ち１４１０（μm 2／mm2）とし、有効表示領域内で均等に分散するように配置した。
【００３０】
これにより、図４中曲線（ａ）で示すように、液晶層が保持されていない状態で、アレイ基板２００および対向基板３００間に１００ｍＮ／ｍｍ2荷重を印加した際、環境温度−２０℃でのスペーサ柱３５０の変形量は０．３μｍであった。これは、環境温度が２０℃から−２０℃に変化した際の液晶材料の体積収縮から換算されるセルギャップの減少量が０．１５μｍであるのに対して、十分に大きい値であった。また、液晶層が保持されていない状態で、アレイ基板２００および対向基板３００間に１００ｍＮ／ｍｍ2荷重を印加した際、環境温度２０℃でのスペーサ柱３５０の変形量は０．４μｍであり、−２０℃時の変化量の２倍以下であった。
【００３１】
このようにして構成された液晶表示装置のセルギャップの面内分布を測定したところ、そのばらつきは０．１μm 以内に抑えられていた。また、環境温度が−２０℃から６０℃の範囲で液晶表示装置の動作確認をしたところ、目視による真空泡の発生は全く確認されなかった。
【００３２】
また、本発明者等は、上記と同様の構成を有する液晶表示装置において、スペーサ柱３５０の配置密度を変更した液晶表示装置について上記と同様の測定を行った。図５中曲線（ａ）は、スペーサ密度とセルギャップむらとの関係を示し、曲線（ａ’）は、スペーサ柱密度と真空泡発生頻度との関係を示している。この図から解るように、本実施の形態では、スペーサ柱の密度を１４１０μｍ2／ｍｍ2としたが、５００〜３０００μｍ2／ｍｍ2の範囲内、特に、７００〜２０００μｍ2／ｍｍ2の範囲内で良好な結果が得られることが解る。
【００３３】
次に、スペーサ柱３５０として、図３中曲線（ｂ）に示すように、常温（２０℃）下で、高さ５μｍ、１００μｍ2当たりに換算した時の値が３０ｍＮの荷重を受けた際の変形量が０．３μｍ以上である０．４μｍ、また、６０ｍＮの荷重を受けた際の変形量が２．０μｍ以下である０．５μｍとなるアクリル系材料を使用した。
【００３４】
更に詳しく述べると、この材料の荷重変形は、荷重をｘ、変形量をｙとすると、以下の式で表され、荷重変形が比較的大きい材料である。
ｙ＝０．０９ｘ0.4
本実施の形態では、スペーサ柱３５０を、アレイ基板２００に対する当接面積を１０μm ×１０μm とし、その配設密度を、前述した材料よりも変形量が小さい分だけ僅かに低密度である３個／９画素、即ち１０５８（μm 2／mm2）とし、有効表示領域内で均等に分散するように配置した。
【００３５】
これにより、図４中曲線（ｂ）で示すように、液晶層が保持されていない状態で、アレイ基板２００および対向基板３００間に１００ｍＮ／ｍｍ2荷重を印加した際、環境温度−２０℃でのスペーサ柱３５０の変形量は０．１５μｍであった。これは、環境温度が２０℃から−２０℃に変化した際の液晶材料の体積収縮から換算されるセルギャップの減少量が０．１５μｍであるのに対して、ほぼ同等であった。また、液晶層が保持されていない状態で、アレイ基板２００および対向基板３００間に１００ｍＮ／ｍｍ2荷重を印加した際、環境温度２０℃でのスペーサ柱３５０の変形量は０．２４μｍであり、−２０℃時の変化量の２倍以下であった。
【００３６】
このようにして構成された液晶表示装置のセルギャップの面内分布を測定したところ、そのばらつきは０．１μm 以内に抑えられていた。また、環境温度が−２０℃から６０℃の範囲で液晶表示装置の動作確認をしたところ、目視による真空泡の発生は全く確認されなかった。
【００３７】
また、本発明者等は、上記と同様の構成を有する液晶表示装置において、スペーサ柱３５０の配置密度を変更した液晶表示装置について上記と同様の測定を行った。図５中曲線（ｂ）は、スペーサ密度とセルギャップむらとの関係を示し、曲線（ｂ’）は、スペーサ柱密度と真空泡発生頻度との関係を示している。この図から解るように、本実施の形態では、スペーサ柱の密度を１０５８μｍ2／ｍｍ2としたが、５００〜３０００μｍ2／ｍｍ2の範囲内、特に、７００〜２０００μｍ2／ｍｍ2の範囲内で良好な結果が得られることが解る。
【００３８】
なお、上述した実施の形態では、スペーサ柱３５０をカラーフィルタ３２１Ｒ、３２１Ｂ、３２１Ｇの各色を積層して構成したが、これに限らず、例えば２色を積層し、この上に他の材料をパターニングして配置するものであっても、あるいはカラーフィルタ３２１Ｒ、３２１Ｂ、３２１Ｇ上に他の材料をパターニングして配置するものであってもよい。
【００３９】
また、上記実施の形態では、対向基板３００側にスペーサ柱３５０を配置したが、アレイ基板２００側に配置する構成としてもよい。更に、アレイ基板２００と対向基板３００とのそれぞれにスペーサ柱を配置してもよく、また、それぞれの基板に配置されたスペーサ柱を重ね合わせてセルギャップを保つ構成としてもよい。
【００４０】
上述した実施の形態では、スペーサ柱３５０を走査線２２１上に配置したが、液晶表示装置の開口率を損なわない限り、信号線２１１、あるいはＴＦＴ２３１等の上に配置する構成としてもよい。なお、スペーサ柱３５０上には対向電極３３１が重ねて設けられているため、上記実施の形態のように、スペーサ柱３５０を走査線２２１上に配置した場合、対向電極３３１との電気的な分離を図る上で効果的となる。
【００４１】
更に、上述した実施の形態では、ＴＮモードの液晶表示装置を例にとり説明したが、本発明は、複屈折を利用するもの、ゲスト・ホスト効果により表示するもの等、各種液晶表示装置に適用できることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、液晶材料の熱収縮に追従して変形可能なスペーサ柱を用いることにより、真空泡の発生を防止し、良好な表示品位、高コントラスト比を確保できるとともに、環境変化に対しても表示品位が損なわれることのない液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施の形態に係る液晶表示装置のアレイ基板を概略的に示す平面図。
【図２】図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った上記液晶表示装置の断面図。
【図３】図３は、上記液晶表示装置に設けられたスペーサ柱の変形量の荷重依存性を示すグラフ。
【図４】図４は、所定の荷重下での、上記スペーサ柱の変形量の温度依存性を示すグラフ。
【図５】図５は、上記スペーサの配置密度に対するセルギャップむら及び気泡発頻度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１００…液晶表示装置
２００…アレイ基板
２１１…信号線
２２１…走査線
２３１…ＴＦＴ
２７１…画素電極
３２１Ｒ、３２１Ｂ、３２１Ｇ…カラーフィルタ
３００…対向基板
３５０…スペーサ柱
４００…液晶層
４３１、４４１…偏光板
【図１】
0004011725.tif 000002
【図２】
0004011725.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004011725.tif 000005
【図５】
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