JPH09304781A - 横電界構造のアクティブマトリクス型液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】液晶厚みを規定するスペーサ材の粒径よりも薄
い液晶厚みを有する液晶表示素子及びその製造方法を提
供する。 【解決手段】画素電極１３，対向電極１４，ソース電極
１５，ゲート絶縁膜１６，保護膜１７，配向制御膜１８
を備えた基板１０と、遮光膜２１，カラーフィルタ２
２，配向制御膜２３を備えた基板２０を配向制御膜１
８，２３同士が対峙するように配置するとともに、対向
電極１４上のゲート絶縁膜１６の一部を除去した部分と
カラーフィルタ２２より低く形成した遮光膜２１部間に
スペーサ材１９を配置することにより、スペーサ材１９
の粒径よりも薄い液晶厚み２４を高精度に制御された均
一な液晶厚みを有する液晶表示素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、横電界構造の液晶
表示素子に係り、それらの液晶表示素子の製造方法およ
びそれを用いた液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の横電界構造のアクティブマトリク
ス型液晶表示素子では、薄膜トランジスタ部及び電極配
線部と画素部間の段差を小さくして均一な液晶厚みを形
成する方法として、１）特願平4−249938 号明細書のよ
うに、薄膜トランジスタを備えた電極基板の対向基板に
形成されたカラーフィルタ上に平坦化と配向制御膜の機
能を有する有機絶縁膜を形成した構造のもの、２）特開
平6−160878 号公報のように、薄膜トランジスタを備え
た電極上にトランジスタの保護と配向制御膜の機能を有
する有機絶縁層を形成する構造の液晶表示素子が提案さ
れている。これら全ての技術は、電極基板状に積層され
た構成要素の表面を平坦にし、スペーサの粒径とほぼ同
じ大きさに液晶厚みを規定するものである。

【０００３】従って、粒径精度の高い汎用（６μｍ程
度）のスペーサ材を用いて、その粒径よりも小さい（薄
い）液晶厚みを有する液晶表示素子を形成する方法につ
いては考慮されていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の液晶厚
みの形成方法は、スペーサ材の粒径とほぼ同じ大きさの
液晶厚みを形成するものであり、薄膜トランジスタを備
えた電極基板の表面またはカラーフィルタが積層された
対向基板の表面を平坦化することにより、スペーサ材の
粒径で液晶厚みを規定していた。しかし、この方法では
液晶厚みが薄くなるにしたがって、粒径公差の大きなス
ペーサ材を用いることになり、液晶厚みが精度良く形成
することが困難であった。また、カラーフィルタ表面の
平坦度に対する仕様が厳しくない、コストアップの原因
にもなっていた。さらに、薄膜トランジスタを備えた電
極基板表面の平坦化にともない液晶の駆動電圧が高くな
ると言う弊害も生じていた。

【０００５】本発明の目的は、スペーサ材を配置する部
分の遮光膜部または電極部をカラーフィルタ部または画
素電極部よりも凹ませるようにすることにより、スペー
サ材の粒径よりも小さな（薄い）液晶厚みを有する横電
界構造のアクティブマトリクス型液晶表示素子およびそ
の製造方法を提供するとともに、前記横電界構造のアク
ティブマトリクス型液晶表示素子を用いて、不要な光り
漏れのない高品位な画像が表示可能な液晶表示装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、基板に
積層した薄膜トランジスタを備えた複数の電極上に配向
制御膜を備える一方の電極基板と、他方の基板に積層し
た遮光膜及びカラーフィルタ上に他方の配向制御膜を備
える他方の電極基板とが、前記両電極基板間の間隙を規
定するためのスペーサ材を介して対峙し、前記間隙に液
晶が充填され、かつ、前記各電極から前記両電極基板面
に対し平行方向に電界が印加される横電界構造のアクテ
ィブマトリクス型液晶表示素子において、スペーサ材を
配置する遮光膜部または電極部をカラーフィルタ部また
は画素部よりも凹ませるように形成することにより、ス
ペーサ材の粒径よりも小さな（薄い）液晶厚みを有する
横電界構造のアクティブマトリクス型液晶表示素子が達
成される。

【０００７】そして、本発明による液晶厚みが均一であ
る横電界構造のアクティブマトリクス型液晶表示素子を
用いて、均質で光漏れのない高品位な画像の液晶表示装
置が得られる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、本発明を実施するに好適なアクティブマトリクス型
液晶表示装置（以下、単に液晶表示装置という）を取り
上げ、図面を用いて詳細に説明する。本実施例では表示
規模６４０×４８０ドット（画素ピッチ：０.３３mm×
０.３３mm、画素サイズ：０.３０mm×０.３０mm、画面
対角サイズ：１０.４ インチ）のＶＧＡ対応ノートブッ
クタイプ・パーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣ
と称する）用アクティブ・マトリクス型液晶表示素子
（以下、単に液晶表示素子という）を主に説明する。本
発明による所定の液晶厚みよりも大きな粒径のスペーサ
材を用いて、均一な液晶厚みが得られる横電界構造の液
晶表示素子の構造及び製作法について説明する。

【０００９】図１は本発明による一実施例の液晶表示素
子の構造を示す断面図である。

【００１０】図に示すように、一方のガラス基板１０
（無アルカリガラス：コーニング7059，厚さ０.７mm ）
上には薄膜トランジスタ（図示なし）、ゲート電極(図
示なし)，対向電極１４（材料：クロム，厚さ：３００
０Å〜６０００Å，電極幅：７μｍ），ゲート絶縁膜１
６（材料：シリコンナイトライド，厚さ：１０００Å〜
３０００Å），画素電極１３（材料：クロム，厚さ：３
０００Å〜６０００Å，電極幅：７μｍ)，ソース電極
１５(材料：アルミ，厚さ：３０００Å〜６０００Å，
電極幅：７μｍ），保護膜１７（材料：シリコンナイト
ライドまたはイミド系樹脂，厚さ：１０００Å〜２μ
ｍ）が積層され、さらに、その上にスピンコート法や印
刷法等によって、配向制御膜１８（材料：イミド系樹
脂，厚さ：５００Å〜２０００Å）が形成された電極基
板と他方の基板２０（無アルカリガラス：コーニング７
０５９，厚さ：０.７mm ）上には膜厚の異なる遮光膜２
１（母材：アクリルまたはエポキシ系樹脂，顔料：カー
ボン，厚さ：１〜２μｍ）と顔料分散型カラーフィルタ
２２（母材：アクリルまたはエポキシ系樹脂，厚さ：１
〜２μｍ）が積層され、その上に配向制御膜２３（材
料：イミド系樹脂，厚さ：500Å〜２０００Å）が積層
された基板とが、配向制御膜面が対峙するようにスペー
サ材１４（材質：ジビニルベンゼン，粒径：５.２±０.
２μｍ）を介して配置し、その間隙（４.０±０.２μ
ｍ）に液晶２４（ネマチック液晶）が充填された構造で
ある。

【００１１】図において、本発明のポイントの一つは、
スペーサ材１９が対向電極１４上のゲート絶縁膜の一部
を除去した部分３０に配置したことにより、１）スペー
サ材の粒径よりも小さい液晶厚みの形成（画素部よりも
低くした電極上へのスペーサ材配置による液晶厚みの薄
形）、２）液晶駆動電圧の低下（ゲート絶縁膜除去によ
る印加電圧の増大）、３）均一表示（同一高さの電極上
へのスペーサ材配置による液晶厚みの精度向上）、４）
コントラスト向上（遮光性を有する金属電極上へのスペ
ーサ材配置による不要な光り漏れの低減）の効果が得ら
れることである。

【００１２】また、もう一つのポイントは、少なくとも
遮光膜とカラーフィルタ間及び対向電極部と画素電極部
間の膜厚の何れか一方に段差をつけるように形成するこ
とにより、粒径公差の小さい粒径の大きなスペーサ材１
９を用いて、その粒径よりもより小さな（薄い）液晶厚
みが高精度に形成できることである。

【００１３】さらに、遮光膜及びカラーフィルタ表面の
平坦度に対する仕様が緩くなるとともに平坦化膜が不要
になるため、歩留まりが向上することや製作工数が削減
するなどの利点があり、生産コストの低減、強いては液
晶表示装置の低価格化に結びつく効果がある。

【００１４】なお、本実施例ではゲート絶縁膜を除去し
た対向電極上と画素電極部との段差が０.６μｍ程度生
じるため、遮光膜とカラーフィルタ間の段差も０.６μ
ｍ程度になるように形成した。

【００１５】ただし、本発明の意図は、少なくとも遮光
膜とカラーフィルタ間または対向電極部と画素電極部間
の何れかに段差（膜厚差）を設けることにより、粒径の
公差の小さなスペーサ材を用いて粒径よりも小さな液晶
厚みを高精度に制御することであり、上記の数値に限定
されるものではない。

【００１６】特に、対向電極１４上のゲート絶縁膜１６
の一部をスペーサ材１９の径（粒径：５.２±０.２μ
ｍ）よりもやや大きい６μｍ幅で、ストライプ状に除去
した部分３０にスペーサ材１９を分散することにより、
ドット単位で液晶２４の厚み（４.０±０.２μｍ）を高
精度に制御することができると共に液晶の低電圧駆動及
び高コントラストが達成できた。

【００１７】さらに、スペーサ材が配置される対向電極
部と画素電極部間に生じる約０.６μｍの段差と同等の
段差を遮光膜とカラーフィルタ間に設けることにより、
粒径公差の小さな粒径の大きなスペーサ材（粒径：５.
２±０.２μｍ）を用いて、スペーサ径よりも小さな
（薄い）基板間々隙（液晶厚み：４.２±０.２μｍ）が
形成できることも確認できた。

【００１８】なお、前述したように、本発明は少なくと
も遮光膜及びカラーフィルタ基板側か電極基板側のいず
れか一方にスペーサ材配置部と画素部間に段差が形成さ
れれば、本発明の意図は達成されるものであり、上記に
実施例に限定されるものではない。

【００１９】図２は図１に示した実施例の液晶表示素子
の電極構造とスペーサ材の配置を示す図である。

【００２０】図に示すように、アモーファス薄膜トラン
ジスタ１１Ｒ，ゲート電極１２（材料：アルミ，厚さ：
３０００〜６０００Å），画素電極１３（材料：クロ
ム，厚さ：３０００〜６０００Å，電極幅：７μｍ），
対向電極１４（材料：クロム，厚さ：３０００〜６００
０Å，電極幅：７μｍ），ソース電極１５（材料：アル
ミ，厚さ：３０００〜６０００Å，電極間：７μｍ）か
らなる横電界方式液晶表示素子において、対向電極１４
上のゲート絶縁膜の一部をストライプ状に除去し、その
ゲート絶縁膜除去部３０にスペーサ材１９(粒径：５.２
±０.２μｍ)を分散することにより、スペーサ材１９の
粒径よりも小さな液晶厚み（４.０±０.２μｍ）を高精
度に制御すると共に液晶の低駆動電圧化及び高コントラ
スト化を達成したものである。また、遮光膜及びカラー
フィルタ上の凹凸を軽減するための平坦化膜が必要なく
なり、材料及び作業工数が削減できるため生産コストの
低減、さらには液晶表示装置の低価格化に繋がる効果も
ある。

【００２１】なお、ゲート絶縁膜除去部３０へのスペー
サ材１９の分散は、対向電極１４に正の直流電圧を印加
させた状態の電極基板上に、負の電荷を帯電させたスペ
ーサ材を分散させた後、対向電極１４の正の直流電圧を
印加させたままの状態で、ゲート絶縁膜除去部以外の部
分に分散された不要なスペーサ材３４を除去する方法で
実施した。

【００２２】また、別の実施例として、ゲート絶縁膜除
去部３０に対応する遮光膜上に配向制御膜部に未硬化部
を形成し、その部分にスペーサ材を分散・固着した後、
対向基板である電極基板と組み合わせても同様の効果が
得られることを確認している。

【００２３】図３は別の実施例の液晶表示素子の電極構
造とスペーサ材の配置を示す図である。

【００２４】図に示すように、アモーファス薄膜トラン
ジスタ１１Ｒ，ゲート電極１２（材料：アルミ，厚さ：
３０００〜６０００Å），画素電極１３（材料：クロ
ム，厚さ３０００〜６０００Å，電極幅：７μｍ），対
向電極１４（材料：クロム，厚さ３０００〜６０００
Å，電極幅：７μｍ），ソース電極１５（材料：アル
ミ，厚さ：３０００〜６０００Å，電極幅：７μｍ）か
らなる横電界方式液晶表示素子において、対向電極１４
上のゲート絶縁膜の一部をスペーサ材径１９（５.２±
０.２μｍ)と同等か、それ以上の大きさで、かつ対向電
極１４の幅と同等か、それ以下の大きさで円形（直径：
約６μｍ）に除去し、そのゲート絶縁膜除去部３０にス
ペーサ材１９を分散することにより、均一な液晶厚みを
得ると共に液晶の低駆動電圧化及び高コントラスト化を
達成したものである。また、遮光膜及びカラーフィルタ
上の凹凸を軽減するための平坦化膜が必要なくなり、材
料及び作業工数が削減できるため生産コスト低減、さら
には液晶表示装置の低価格化に繋がる効果も期待でき
る。なお、スペーサ材の分散法については詳述しない
が、前述した方法と同様の方法により実施した。

【００２５】図４は図１に示した本発明の横電界方式の
液晶表示素子における、赤，緑，青の各色に対応する３
ドット分（１画素）の電極構成とスペーサ材の配置の関
係を示す図である。

【００２６】図に示すように、赤，緑，青色に対応する
薄膜トランジスタ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，ゲート電極
１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ（材料：アルミ，厚さ：３００
０〜６０００Å），画素電極１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ
（材料：クロム，厚さ３０００〜６０００Å，電極幅：
７μｍ），対向電極１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ（材料：ク
ロム，厚さ３０００Å〜６０００Å，電極幅：７μ
ｍ），ソース電極１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂ（材料：アル
ミ，厚さ：３０００Å〜６０００Å，電極幅：７μ
ｍ），ゲート絶縁膜１６（図示なし，材料：シリコンナ
イトライド，厚さ：１０００Å〜３０００Å），保護膜
１７（図示なし，材料：シリコンナイトライドまたはイ
ミド系樹脂，厚さ：１０００Å〜２μｍ）が積層され、
さらに、その上にスピンコート法や印刷法等によって、
配向制御膜１８（図示なし，材料：イミド系樹脂，厚
さ：５００Å〜２０００Å）が形成された電極構成にお
いて、対向電極１４上のゲート絶縁膜の一部を６μｍの
幅のストライプ状に除去した部分３０にスペーサ材１９
が小さなピッチで配置されるため、狭い電極基板間々隙
でも均一かつ高精度に形成できる。換言すれば、狭いピ
ッチで電極基板間々隙を規定するスペーサ材が配置され
るとともに電界を低下させるゲート絶縁膜を除去したこ
と及び遮光性を有する電極上にスペーサ材を配置したこ
と等により、均一かつ高精度な液晶厚みの形成、液晶の
低電圧駆動及び高コントラストの表示が達成できた。ま
た、遮光膜及びカラーフィルタ上の凹凸を軽減するため
の平坦化膜が不要となり、材料及び作業工数が削減でき
るため生産コスト低減、さらには液晶表示装置の低価格
化に繋がる効果も得られることが確認できた。

【００２７】図５は本発明の別の実施例の横電界方式液
晶表示素子の構成を示す断面図である。

【００２８】図に示すように、一方のガラス基板１０
（無アルカリガラス：コーニング7059，厚さ：０.７mm
）上には薄膜トランジスタ（図示なし），ゲート電極
（図示なし，材料：アルミ，厚さ：３０００Å〜６００
０Å，電極幅：７μｍ），対向電極１４（材料：クロ
ム，厚さ：３０００Å〜６０００Å，電極幅：７μ
ｍ），ゲート絶縁膜１６(材料：シリコンナイトライ
ド，厚さ：１０００Å〜３０００Å)，画素電極１３
（材料：クロム，厚さ：３０００Å〜６０００Å，電極
幅：７μｍ），ソース電極１５（材料：アルミ，厚さ：
３０００Å〜６０００Å，電極幅：７μｍ），保護膜１
７（材料：シリコンナイトライドまたはイミド系樹脂，
厚さ：１０００Å〜２μｍ）が積層され、さらに、その
上にスピンコート法や印刷法等によって、配向制御膜１
８(材料：イミド系樹脂，厚さ：500Å〜2000Å)が形成
された電極基板と他方の基板２０（無アルカリガラス：
コーニング7059，厚さ：０.７mm ）上には膜厚の異なる
遮光膜２１（母材：アクリルまたはエポキシ系樹脂，顔
料：カーボン，厚さ：１〜２μｍ）と顔料分散型カラー
フィルタ２２（母材：アクリルまたはエポキシ系樹脂，
厚さ：１〜２μｍ），平坦化膜２４（材料：アクリルま
たはエポキシ系樹脂：厚さ：１〜２μｍ）が積層され、
その上に配向制御膜２３（材料：イミド系樹脂，厚さ：
５００Å〜２０００Å）が積層された基板とが、配向制
御膜面が対峙するようにスペーサ材１９（材質：ジビニ
ルベンゼン，粒径：４.３±０.３μｍ）を介して配置
し、その間隙（4.0±０.３μｍ ）に液晶２４が充填さ
れた構造である。

【００２９】本実施例は液晶の厚みを規定するスペーサ
材１９をゲート絶縁膜を除去した部分３０に配置したこ
とにより、１）スペーサ材の粒径よりも小さい液晶厚み
の形成（画素部よりも低くした電極上へのスペーサ材配
置による液晶厚みの薄形）、２）液晶駆動電圧の低下
（ゲート絶縁膜除去による印加電圧の増大）、３）均一
表示（同一高さの電極上へのスペーサ材配置による液晶
厚みの精度向上）、４）コントラスト向上（遮光性を有
する金属電極上へのスペーサ材配置による不要な光り漏
れの低減）の効果が得られた。ただし、スペーサ材１９
は対向電極１４上のゲート絶縁膜１６の一部を所定の形
状に除去した、同一膜厚の部分に配置することがポイン
トである。

【００３０】ただし、縦電界方式液晶表示素子と異な
り、横電界方式では画素電極１３と対向電極１４間に電
界２５を印加するため、カラーフィルタ側には電極がな
い構成である。したがって、カラーフィルタ上には電極
が積層されない構造であり、カラーフィルタ表面を平坦
化せずに液晶厚みを制御できる本発明では、基本的には
平坦化膜２４は不要であるが、スペーサ材の粒径の大き
さと所定の液晶厚みに大差ない場合等、形成すべき段差
等に応じて形成すれば良い。

【００３１】特に、本実施例では対向基板２０上に積層
される遮光膜及びカラーフィルタ表面を平坦化膜２４を
積層して凹凸を軽減していることとスペーサ材１９を同
一膜厚上に配置するため、対向電極部の膜厚と画素電極
部の膜厚との差（段差：0.6μｍ）を考慮して、所期の
液晶厚み（４.０±０.３μｍ）が得られるようにスペー
サ材の粒径（粒径：４.６±０.３μｍ）を決定すること
により、スペーサ材の粒径より小さな液晶厚み（４.０
±０.３μｍ）が高精度に制御できた。

【００３２】図６は本発明の一実施例の横電界方式液晶
表示素子の製作工程を示す図である。

【００３３】図に示すように、（ａ）フォトリソグラフ
ィ法により６４０×３×４８０ドットの液晶を駆動する
ための、走査電極，映像信号電極，共通電極としての複
数の電極、すなわち、対向電極１４（材料：クロム，膜
厚：３０００〜６０００Å，電極幅：７μｍ），ゲート
絶縁膜１６（材料：シリコンナイトライド，膜厚：３０
００〜６０００Å），画素電極１３（材料：クロム，膜
厚：3000〜6000Å，電極幅：７μｍ），ソース電極１５
（材料：アルミ，膜厚：３０００〜６０００Å，電極
幅：７μｍ）を備えた基板１０（無アルカリガラス：コ
ーニング7059，厚さ：０.７mm ）の対向電極１４上のゲ
ート絶縁膜１６の一部をフォトリソグラフィ法により、
ストライプ状，円または四角に除去する。（ｂ）対向電
極１４上のゲート絶縁膜１６の一部がストライプ状，円
または四角に除去された電極基板１０の上に、スピンコ
ート法や印刷法等によって、液晶の分子配列を制御する
配向制御膜１８（材料：ポリイミド系樹脂，膜厚：５０
０〜１０００Å）積層する。（ｃ）配向制御膜１８が積
層された電極基板１０の上の配向制御膜１８をセルロー
スまたはナイロン系のラビング布を装着したロール３１
を用いてラビングによる配向処理をする。（ｄ）配向処
理が施された電極基板１０上に積層された対向電極１４
に直流電源３３により正または負の直流電圧を印加した
電極基板１０上に、帯電器３２により負または正の電荷
を帯電されたスペーサ材１９（積水化学製：ポリマビー
ズ，粒子径：４.０±０.２μｍ）を分散して、対向電極
１４上の配向制御膜部に吸着させる。なお、対向電極１
４に直流電圧を印加した状態のままで、対向電極１４以
外の部分に分散された不要なスペーサ材３４を空気を吹
き付ける等により除去し、一方の基板を形成する。
（ｅ）遮光膜２１（母材：アクリルまたはエポキシ系樹
脂，顔料：カーボン，膜厚：１〜２μｍ）及びカラーフ
ィルタ２２（母材：アクリルまたはエポキシ系樹脂，顔
料：カーボン，膜厚：１〜３μｍ）上にスピンコート法
や印刷法等によって、配向制御膜２３（材料：ポリイミ
ド系樹脂，膜厚：５００〜１０００Å）を積層した他方
の電極基板２０とを、両方の配向制御膜同志が対峙する
ようにして基板周辺をエポキシ系接着剤を介して重ね合
わせる。薄膜トランジスタを備えた複数の電極からなる
電極基板１０上の対向電極１４部と画素電極１３を含む
２つの対向電極１４間部分、いわゆる画素部との段差と
ほぼ同等の段差を遮光膜２１とカラーフィルタに設けた
対向基板２０をスペーサ材１９を介して重ねることによ
って、対向している両電極基板の配向制御膜間にスペー
サ材の径よりも小さな電極基板間隙が形成される。すな
わち、スペーサ材の径よりも小さく、かつ均一なる液晶
厚さが確保される。なお、スペーサ材の分散方法は上記
方法に限定されるものでなく、配向制御膜に未硬化部を
形成して、その未硬化部にスペーサ材を固着する等の方
法でも同等の効果が得られることを確認している。した
がって、スペーサ材の分散は薄膜トランジスタを備えた
電極基板１０側の電極上か、またはカラーフィルタが積
層された基板２０側の遮光膜上のいずれでもよい。ま
た、スペーサ材の分散法も上記の方法に限定されるもの
でなく、いずれの方法でも本発明の意図する部分にスペ
ーサ材が分散されれば良い。

【００３４】その後、減圧法により液晶材料を前述の電
極基板間隙に注入・封止する。そして、液晶駆動用ＬＳ
Ｉを搭載したテープ・キャリア・パッケージ（以下、Ｔ
ＣＰと称する）などの駆動回路，制御回路及び電源回路
等を接続し、冷陰極蛍光管（管径：３mm，１灯），導光
体（材質：アクリル系樹脂，形状：くさび形），プリズ
ムシート等から成るバックライトを組合せ、樹脂ケース
と金属フレームを用いてモジュール化して液晶表示装置
を製作するものである。

【００３５】換言すれば、本発明は常に対向する２枚の
ガラス基板間の液晶厚み、特に、大きな粒径のスペーサ
材を用いて、そのスペーサ材の粒径よりも小さな（薄
い）液晶厚みを高精度に制御できるように、遮光膜とカ
ラーフィルタ間またはスペーサ材を配置する電極部と画
素部間の膜厚に段差を設けるようにしたものである。

【００３６】簡潔に表現すれば、本発明による液晶表示
素子は、スペーサ材を配置させる複数の電極部あるいは
遮光膜部の膜厚を画素電極部あるいはカラーフィルタ部
の膜厚よりも薄くなるように形成した上に配向制御膜が
積層された一対の電極基板の、少なくとも、一方の電極
基板の配向制御膜上に、接着材層およびそれに類する層
を介在させずにスペーサ材を分散した後、両方の電極基
板の配向制御膜面とを対峙させて、両電極基板の周辺を
シーリング材で接着することにより、液晶を封入するた
めの所定間隙（所定液晶厚み）を形成したものである。
すなわち、薄い液晶厚みの形成を粒径公差の小さい粒径
の大きなスペーサ材を用することにより課題を解決する
ものである。

【００３７】なお、上記実施例では、スペーサ材に負の
電荷を帯電させるとともにスペーサ材が分散される電極
基板の対向電極部に正の直流電圧を印加する方法とした
が、配向制御膜に感光性ポリイミド系樹脂を使用して未
硬化部を形成してその部分にスペーサ材を分散及び固着
しても同等の効果は得られる。

【００３８】また、上記工程には、１）基本的に遮光膜
及びカラーフィルタ上の平滑化を図る必要がない、２）
遮光膜及びカラーフィルタ上の平滑化を図るための平坦
化膜が不要となる、３）粒径精度の高い汎用のスペーサ
材を用いて、その粒径よりも小さな液晶厚みが高精度に
制御できるため、高品位の表示はもとより、生産コスト
の低減、すなわち、液晶表示装置の低価格化に結びつく
効果がある。

【００３９】次に、本発明の素子構成において、スペー
サ材をカラーフィルタ側の基板に固着する製作工程別の
別の実施例について、図７を用いて説明する。

【００４０】図に示すように、（ａ）ガラス基板２０に
赤色の顔料が分散された感光性樹脂２２Ｒをスピンコー
ト法やフィルム転写法等によりガラス基板２０上に形成
する。（ｂ）ガラス基板２０上に積層された顔料が分散
された感光性樹脂２２Ｒをフォトマスク３４を用いたフ
ォトリソグラフィ法により所定の形状にパターニングす
る。（ｃ）緑色２２Ｇ及び青色２２Ｂについても
（ａ），（ｂ）の工程を繰り返し行って赤，緑，青のフ
ィルタをパターニングする。（ｄ）所定の形状にパター
ニングされた赤２２Ｒ，緑２２Ｇ，青２２Ｂのフィルタ
上に黒色顔料が分散された感光性樹脂２１をスピンコー
ト法やフィルム転写法により積層した後、カラーフィル
タが積層されていないガラス基板側から紫外線３５を照
射することにより、各カラーフィルタ間にのみ各カラー
フィルタの膜厚よりも薄い膜厚になるように黒色フィル
タを形成する。（ｅ）所定の形状にパターニングされた
黒２１，赤２２Ｒ，緑２２Ｇ，青２２Ｂのフィルタ上に
感光性樹脂または非感光性樹脂からなる配向制御膜２３
をスピンコート法や印刷法により積層する。（ｆ）フォ
トマスク等により対向電極のゲート絶縁膜除去部に対応
する遮光膜２１上の配向制御膜２３部に未硬化部を形成
し、その部分にスペーサ材１９を分散固着し、セルロー
ス及びナイロン系のラビング布を装着したロール３１を
用いて配向処理をする。（ｇ）画素電極１３，対向電極
１４，ソース電極１５，ゲート絶縁膜１６，保護膜１
７，配向制御膜１８からなる対向基板１０と両基板の配
向制御膜面が対峙するように組み合わせるとともに基板
周辺を接着剤をよりシーリングして基板間々隙を形成す
る。その基板間々隙に液晶を充填させて液晶表示素子が
形成される。

【００４１】なお、本実施例ではスペーサ材を画素部以
外の領域にのみ固定配置するとともに、その分散密度を
５０００〜２５０００個／cm² の範囲にした。そして、
液晶表示素子面内において、より均一な液晶厚さを得る
ためには、スペーサ材の分散密度を１００００〜２００
００個／cm² の範囲にするのが望ましいことが判明し
た。ただし、スペーサ材の好ましい分散密度は、スペー
サ材の弾性率，液晶表示素子の大きさ，ガラス基板の厚
さ，素子構成等で異なり、上記の数値に限定されるもの
ではない。

【００４２】次に、本発明をＴＦＴカラー液晶表示装置
に応用した例について説明する。

【００４３】図８は、本発明による一実施例のカラー液
晶表示装置を示す断面図である。図にはカラー液晶表示
素子およびバックライト部を示している。そして、液晶
表示素子の部分を断面した図である。図９は、図８のカ
ラー液晶表示装置のバックライト部の断面図で、カラー
液晶表示装置全体の断面構造を示している。図におい
て、液晶表示素子５０は、上側の基板２０および下側の
基板１０（無アルカリガラス：コーニング７０５９，厚
さ：０.７mm)，液晶２４（ネマチック混合液晶），上下
の偏光板２７，２８（日東電工製：G1220DU ，透過率：
４０％）で構成した。

【００４４】上側の基板２０には、絶縁性の黒色遮光膜
２１（顔料分散型，膜厚：１.０ 〜２.０μｍ ），赤，
緑，青の三原色カラーフィルタ２２（顔料分散型，膜
厚：１.０〜２.０μｍ），平坦化膜３２(エポキシ系樹
脂，膜厚：１.０〜２.０μｍ)，配向制御膜２３（感光
性ポリイミド系樹脂，厚さ：５００〜２０００Å）の上
にスペーサ材１９（積水化学製：ポリマビーズ，粒子
径：５.２±０.２μｍ）を分散・配置した。

【００４５】一方、下側の基板１０には、画素電極１３
（材料：アルミ，膜厚：３０００〜６０００Å，電極
幅：７μｍ），ゲート絶縁膜１６（材料：窒化シリコ
ン，膜厚：１０００〜３０００Å），ソース電極１３
（材料：アルミ，膜厚：３０００〜６０００Å，電極
幅：７μｍ），対向電極１４（材料：クロム，膜厚：３
０００〜６０００Å，電極幅：７μｍ），同図には示し
ていないがゲート電極（材料：アルミ，膜厚：３０００
〜６０００Å），保護膜１７（材料：窒化シリコンまた
はイミド系樹脂，膜厚：０.１〜２.０μｍ），配向制御
膜１８（感光性または非感光性ポリイミド系樹脂，厚
さ：５００〜２０００Å）を形成した。

【００４６】また、同図に示すように、本発明の特徴で
ある上下電極基板を重ねて所期の液晶厚さを形成するた
めのスペーサ材１９は、画素部よりも膜厚く形成した遮
光膜２１またはゲート絶縁膜の一部を除去した対向電極
１４上の配向制御膜部に分散・固着した。

【００４７】さらに、上記構成のカラー液晶表示素子５
０の一方の電極基板側には冷陰極蛍光管５３，導光体５
４（材質：アクリル，厚さ：２mm），拡散板５５（材
質：ポリエステル，厚さ：０.１２５mm ），プリズムシ
ート５６，反射シート５７，５８（材質：ポリエステ
ル，厚さ：０.１２５mm ），反射フィルム５９（材質：
ポリエステル（銀薄膜付き），厚さ：０.１２５mm ），
接着テープ６０から成るバックライトを配置した。ま
た、カラー液晶表示素子５０には各絵素毎に形成された
薄膜トランジスタを制御するための集積回路が搭載され
たＴＣＰ５１や電源回路，駆動制御回路等が搭載された
プリント板５２が接続されている。なお、図７には示し
ていないが、カラー液晶表示素子５０やバックライト等
は、樹脂ケースと金属フレーム等の筐体に内蔵してカラ
ー液晶表示装置を製作した。

【００４８】上述したように、配向制御膜上に所期の液
晶厚さが得られるような遮光膜及び対向電極部の膜厚が
形成できるとともに適正な分散密度にスペーサ材が分散
・固着できるため、液晶厚みを高精度に制御でき、かつ
均一厚みの液晶表示素子が得られる。したがって、液晶
表示素子全面にわたり液晶分子を均一な配向規制力で制
御できるため、表示不良のない鮮明な画像が得られる液
晶表示素子および液晶表示装置が達成できる。

【００４９】さらに、ラビング等の配向処理方向と同一
方向にゲート絶縁膜をストライプ状，点状または角状に
除去し、その部分にスペーサ材を分散・固着すること
で、スペーサ材周辺で液晶の分子配向に乱れのないラビ
ング処理も可能になり、より均一な画質が得られる液晶
表示素子および液晶表示装置が達成できる。

【００５０】ところで、本発明において、使用するスペ
ーサ材の粒径の偏差や弾性係数等を勘案して、配向制御
膜上に個々のスペーサ材を分散・固着する形状およびピ
ッチ等を決定すれば、素子面内の液晶厚みをより高精度
に制御できる利点がある。

【００５１】また、本実施例では横電界方式のアクティ
ブマトリクス型ＴＦＴ液晶表示装置について説明した
が、本発明はそれに限定されるものでなく、単純マトリ
クス型のＴＮまたはＳＴＮ液晶表示装置，強誘電性液晶
表示装置，ポリマ分散型液晶表示装置等全ての液晶表示
装置に対して適応可能である。特に、液晶の複屈折性を
積極的に利用した本発明の横電界方式のアクティブマト
リクス型ＴＦＴ液晶表示装置やＳＴＮ液晶表示装置で
は、液晶厚みの精度が表示性能を決定するため、均一な
液晶厚みの表示素子が容易に得られ、かつ表示不良が生
じない均質な画像の表示装置が達成できるので有効であ
る。また、金属配線等を有する液晶表示素子では、ガラ
ス基板側から光照射することにより、フォトマスクを使
用せずに金属配線上の配向制御膜部に、スペーサ材を分
散できるため、低コスト化に対して有効である。

【００５２】本発明はスペーサ材を配置する遮光膜部の
膜厚をカラーフィルタ部より薄くなるように形成するか
または対向電極上のゲート絶縁膜の一部を除去すること
により画素部間とに段差を設けて、スペーサ材の粒径よ
りも小さな（薄い）液晶厚みを高精度に制御できる液晶
表示素子及びそれを用いた表示装置を提供するものであ
る。従って、既存の製造設備で液晶厚みが薄く、かつ均
一な液晶表示素子が製作できる有効な方法である。ま
た、遮光膜及びカラーフィルタ表面の平坦度を良くして
スペーサ材の粒径とほぼ同じ大きさの液晶厚みを形成す
る方法と異なり、逆に遮光膜及びカラーフィルタ間に段
差を設けるため平坦化膜を必要としない方法がある。し
たがって、製造工程の削減及びカラーフィルタ基板の低
コスト化、さらにそれを用いた表示装置の低価格化に結
びつく効果も得られる。

【００５３】なお、本実施例ではカラー液晶表示装置に
ついてのみ具体的に説明したが、白黒液晶表示素子でも
同様の製造工程で、均一な液晶厚みや所期のスペーサ材
の分散密度が容易に得られるので、白黒液晶表示装置に
ついてもコントラスト等の表示品質向上が図れる効果が
得られる。

【００５４】上述したように、本発明の液晶表示装置は
コントラストの角度依存性が小さく、しかも均質な画像
表示が達成でき、ノートＰＣ，ノートブックタイプワー
ドプロセッサ（ノートＷＰ），テレビジョン受像機及び
パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ），ワー
クステーション等に搭載されるディスプレイとして有効
である。特に、均一な画像表示が得にくい大画面ディス
プレイ用ではその効果が顕著である。

【００５５】なお、本発明のポイントはスペーサ材の粒
径と異なる大きさの液晶厚みを有する液晶表示素子を形
成する新規な方法を提案したものであり、液晶表示素子
のギャップ形成のみに限定されるものではない。

【００５６】

【発明の効果】本発明における液晶表示素子の製造方法
によれば、個々のスペーサ材を画素部よりも凹ませた非
開口部に対応する配向制御膜上にのみ均一に分散できる
ため、１）スペーサ材の大きさよりも小さな液晶厚みが
高精度に規定できる、２）液晶駆動電圧を下げることが
できる、３）均一な画像が表示できる、４）コントラス
トの高い画像が得られる等の効果があり、液晶厚みが均
一な液晶表示素子及び不要な光り漏れや表示不良のな
い、角度に依存性しない高品質な画像が得られる液晶表
示装置が達成できる。

【００５７】さらにまた、５）遮光膜及びカラーフィル
タ表面の平坦膜が不要、６）薄い液晶厚みが汎用の粒径
の大きなスペーサ材で形成できるため低コスト化にも有
効である。

【００５８】したがって、本発明によれば携帯性に優れ
た普及型（低価格）のノートＰＣ，ノートＷＰ，テレビ
ジョン受像機及びＰＤＡ，ワークステーション等に搭載
されるディスプレイに好適な液晶表示装置が達成でき
る。特に、視野角範囲が広く、かつ均質な画像が得にく
い、モニタ等として使用される大画面ディスプレイでは
その効果が顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の液晶表示素子の構造を
示す説明図。

【図２】電極上へのスペーサ材の分散の一実施例を示す
説明図。

【図３】電極上へのスペーサ材の分散の他の実施例を示
す説明図。

【図４】１画素分の電極上へのスペーサ材の分散の実施
例を示す説明図。

【図５】本発明による他の実施例の液晶表示素子の構造
を示す説明図。

【図６】本発明による一実施例の液晶表示素子の製作工
程を示す説明図。

【図７】本発明による他の実施例の液晶表示素子の製作
工程を示す説明図。

【図８】本発明による一実施例の液晶表示素子の構造と
バックライトを示す説明図。

【図９】本発明による一実施例の液晶表示装置の構成を
示す説明図。

【符号の説明】

１４…対向電極、１５…ソース電極、１６…ゲート絶縁
膜、１７…保護膜、１８，２３…配向制御膜、１９…ス
ペーサ材、２０…ガラス基板、２１…遮光膜、２２…カ
ラーフィルタ、２４…液晶。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 英俊 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 内海 夕香 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 節郎 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に積層した薄膜トランジスタを有する
   複数の電極上に配向制御膜を備える一方電極基板と、他
   方の基板に積層した遮光膜及びカラーフィルタ上に他方
   の配向制御膜を備える他方の基板とが、前記両基板間の
   間隙を規定するためのスペーサ材を介して対峙し、前記
   間隙に液晶が充填され、前記各電極から前記両基板面に
   対し平行方向に電界が印加される横電界構造のアクティ
   ブマトリクス型液晶表示素子において、 前記両基板間の間隙を規定するための前記スペーサ材の
   粒径よりも、前記液晶の厚みが薄い横電界構造のアクテ
   ィブマトリクス型液晶表示素子。
2. 【請求項２】請求項１において、少なくとも前記スペー
   サ材が前記電極上か、または前記遮光膜上の配向制御膜
   に配置された横電界構造のアクティブマトリクス型液晶
   表示素子。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、前記ス
   ペーサ材が配置される前記電極部の膜厚が画素部の膜厚
   と同等か、それ以下の厚みを有する横電界構造のアクテ
   ィブマトリクス型液晶表示素子。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２において、前記ス
   ペーサ材が配置される前記遮光膜の膜厚が前記カラーフ
   ィルタの膜厚と同等か、それ以下の厚みを有する横電界
   構造のアクティブマトリクス型液晶表示素子。
5. 【請求項５】請求項１または請求項３において、前記遮
   光膜の膜厚と前記カラーフィルタとの膜厚の差と前記電
   極部の膜厚と前記画素部との膜厚の差がほぼ同じになる
   ように形成された横電界構造のアクティブマトリクス型
   液晶表示素子。
6. 【請求項６】請求項２において、前記スペーサ材が配置
   される前記電極が対向電極である横電界構造のアクティ
   ブマトリクス型液晶表示素子。
7. 【請求項７】請求項２，請求項３または請求項６におい
   て、前記スペーサ材が配置される前記対向電極上に積層
   される絶縁膜の一部が除去された横電界構造のアクティ
   ブマトリクス型液晶表示素子。
8. 【請求項８】請求項７において、前記絶縁膜の除去部の
   形状がストライプ状，円状及び角状である横電界構造の
   アクティブマトリクス型液晶表示素子。
9. 【請求項９】請求項８において、前記絶縁膜の除去部の
   大きさは前記スペーサ材の径と同等か、それ以上の大き
   さであり、前記対向電極の幅と同等か、それ以下の大き
   さである横電界構造のアクティブマトリクス型液晶表示
   素子。