专利名称：液晶显示元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及在例如光关断器等上使用的液晶显示元件及其制造方法。
已有的把一般的扭曲向列型液晶材料(以下称TN液晶)和有源矩阵方式组合的液晶显示元件是将TN液晶夹持在两块带电极的基板之间，在上述基板之间加上电压，响应该施加的电压使液晶分子的取向状态发生变化。液晶分子通过取向状态改变光的透射率。TN液晶采用这样通过电压控制光的透射率的方式(纵电场型)。液晶显示元件由形成控制由薄膜晶体管(以下称TFT)代表的电压的施加或非施加的开关元件和象素电极的有源矩阵的基板、相对的基板、封入在两基板之间的液晶和在两基板外侧上配置的偏光板构成。通过加在形成于这两个基板上的电极之间的电压使液晶分子的取向状态变化，而使光的透射率变化。
可是，在这样的一般的液晶显示元件中，如改变视野角即看画面的角度，则对观看者来说，由于透射光的施光性变化而发生明暗状态的变化。例如对于进行的显示的画面，从垂直方向的正面即从画面的法线方向看过去时，可以看见对比度良好的图象，但从比法线方向向下倾斜方向看同一画面时，则看到画面变黑很多。如从更下方向看过去时，则发生明暗颠倒的所谓灰度等级颠倒现象。另外，从斜上方向看时，看到变白很多。这些现象是由于把电场沿基板的法线方向加在液晶上，通过使液晶分子沿电场方向立起而控制施光性的显示方式，并且是由液晶分子立起的方向决定的。由于为了获得盒的厚度的均匀性而散布许多称为垫片的微球，所以容易发生所谓不均匀感，从而对显示品质产生不良的影响。
作为解决这样的视野角问题的方法，最近横电场型引人注目。横电场型与上述已有的液晶显示元件把电场沿基板的法线方向施加而控制液晶的取向状态相对，是用平行于基板的横向电场控制的方式。这个方式在原理上是宽视野角的，可是由于色调变化少而被考虑为效果最好的改进方案。这样的横电场型液晶显示元件的视野角与纵电场型的视野角相比要宽得多，但公共电极，源电板和开关元件等遮光部分多，不得不使象素的开口率比已有的TN型低得多。因此，为了获得液晶盒的厚度而使许多分布的垫片颗粒对显示品质的不良影响也比原来的TN方式大。
为了解决这些问题、获得良好的显示品质，而采用在已制成TFT等开关元件的有源矩阵基板上的遮光部分上形成柱状的垫片、或者在滤色器的象素单上以黑色矩阵代表的遮光部分上形成柱状垫片的方法。
在已有的TN型液晶显示元件中，有不需要采用使垫片颗粒分布的结构的建议。例如在特开平7-281295号公报中，建议了在形成有源矩阵基板和滤色器的基板两者上设置突起，再使其对接成垫片支柱的液晶显示元件。
关于横电场型的液晶显示元件，在特开平6-214244号公报中建议不用垫片颗粒的液晶显示元件。在该液晶显示元件中，公用电极和象素电极(源极)两者垂直立起配置形成在基板上，由于把这两个电极作为垫片(支柱)，所以没有必要使用垫片颗粒。
另外，在通过已有的高分子分散型液晶材料(以下称PDLC)和具有TFT等开关元件的有源矩阵型基板的组合形成的液晶显示元件中，在两个带电极的基板之间具有矩阵状构造的高分子化合物(以下称高分子基体)中，具有夹持液晶分子分散成水滴状或网状的液晶层的结构。在设计两者的分子结构时，使在加电压的状态下沿加电压方向取向的液晶分子的折射率与上述高分子基体的折射率相等。因为在加电压状态下液晶分子与高分子基体的折射率相等，所以对PDLC层入射的光变成透射光。与此相对，在不加电压时液晶分子的取向方向朝向无序的方向。因此高分子基体与液晶分子的折射率通常是不同的。因而射入PDLC层的光变成散射光。这样在PDLC中可以通过电压的施加或不施加进行入射光透射状态和散射状态的切换。
为了在已有的高分子分散型液晶显示元件中获得实现良好的显示品质的液晶盒厚度，而也在其中分布许多称为垫片的微球。这些高分子分散型的液晶显示元件用于投射来自高亮度灯的光并将该光的象投影放大到屏幕上的投影显示装置或利用把外光内装在液晶显示元件内的反射板而进行显示的反射式显示装置。
在已有的TN液晶显示元件或横电场型液晶元件中使用的基板上预先形成的垫片通过设置在遮光部分上可以使看到液晶层中的垫片的分布密度变小。可是，其相反的一面却存在显示品质随温度变化而下降这样的问题。下面利用图12进行说明。
首先从室温向低温一侧变化时存在低温发泡的问题。当液晶显示元件100放置在低温下时，液晶分子的体积收缩。这时液晶盒的厚度随着上述液晶分子体积的收缩而沿盒厚度方向收缩，即必须变薄。所谓低温发泡108是液晶盒厚度不能跟踪这样的液晶分子体积的收缩而在液晶层中发生真空泡的现象。在通过印刷图形在基板上形成的垫片105比较硬的情况下，由于相对低温下的液晶104的体积收缩的盒厚度的收缩受到上述垫片105的阻碍而容易产生低温发泡108。从确保在这样的低温下的液晶盒厚度的跟踪性和没有不均匀感的良好品质的观点出发，最好是使垫片具有适度的弹性。
另外在从室温向高温变化时，存在显示斑点的问题。这是因温度上升使液晶盒厚度不均性增大的结果。封入在液晶显示元件中的液晶分子因加热而膨胀。由温度上升引起该液晶分子膨胀的结果，使液晶显示元件内的体积增大。体积的增大引起基板之间的间隙方向的变化即液晶盒厚度的变化。这时在已有的液晶显示元件中，柱形垫片不能跟踪盒厚度的增大，由于液晶盒厚的变化受液晶分子的热膨胀的支配，所以存在液晶盒厚度不均匀增大、从而损害显示品质的均匀性这样的问题。
此外，对用于高分子分散型的液晶显示元件、特别是作为把来自光源的光投影在液晶显示元件上再把该光的象放大投射到屏幕上方式这样的投影式显示装置而言，为了确保液晶盒厚度必须增大垫片。对于PDLC投影显示装置而言，在不加电压时为光散射模式即黑显示模式、即所谓的正常黑模式。这时，如果采用已有的无色球状垫片，则有垫片分布的部分不发生散射，变为消光状态。因而黑显示时的黑辉度与上述球状垫片的分布密度成正比例地增加，其结果，将引起画面的对比度的下降。
为了抑制起因于来自这样的不施加电压时的垫片的消光的黑辉度增加引起的对比度下降，而往往利用添加具有黑色或遮光性的着色剂的垫片。虽然通过利用着色的垫片防止消光可以抑制对比度的下降，但是又会出现新的问题。为了确保比较高的对比度而重要的是在高灰度级下具有显示的均匀性。因此必须提高液晶盒厚度的均匀性。为提高盒厚度的均匀性，必须增大垫片的分布密度。当垫片的分布密度增大时，在垫片分散时，垫片之间容易接触而形成疙疸，因此容易产生不均匀的外观。另外，由于垫片其不均匀性也增大，所以在加电压时也容易产生不均匀感；这样一来，为了确保包括对比度、灰度等级性良好的显示品质而出现垫片的形状、特性等方面的问题。
另外，在已有的基板上直接形成的垫片和高分子分散型液晶显示元件的组合中，存在在保存温度下的可靠性、即所谓高温放置时的可靠性这样的问题。在上述高分子分散型液晶显示元件中，由于温度急剧变化而引起下述的问题。下面利用图13进行说明。
图13(a)示出了在常温(例如20℃)情况下的液晶显示元件200的状态。在图13(a)中，因为垫片206的大小与间隙宽度相同，所以垫片206几乎不受到玻璃基板201和202的压力的作用。
图13(b)示出了在高温(例如85℃)情况下的液晶显示元件的状态。这时由于加热使高分子基体205和液晶204的体积膨胀，液晶层209的内压增加。玻璃基板201和202的中央部分与周边部分不同没有被密封部件203固定，所以在增加的内压影响下发生如图13(b)所示那样的变形，随着从周边部分向中央部分的靠近间隙宽度逐渐变大。其结果是，使膨胀后的液晶204集中在中央部分。
当从图13(b)的状态急剧地返回到常温时，液晶层209收缩。这时集中在中央部分的液晶不能完全灰复到原来状态，变成其较多部分留在中央部分的状态。因此如图13(c)所示，玻璃基板201和202间的间隙宽度在各部分变成为不同的状态。这样，在已有的高分子分散型液晶显示元件中，由于温度的急剧变化引起的液晶层的膨胀、收缩，而引起液晶层的厚度异常，结果存在显示品质严重降低这样的问题。
下面简要说明以上已有例子中存在的问题(1)在TN型等的液晶显示元件中，因从室温向低温的急剧温度变化而引起低温发泡，在低温使用时使显示品质下降。
(2)在TN型等的液晶显示元件或高分子分散型液晶显示元件中，因从室温向高温的急剧温度变化而使液晶盒的厚度发生不均匀变化，从而使在高温使用时使显示品质下降。
(3)当把高分子分散型液晶显示元件放置在伴随急剧温度变化的状态下时，由于液晶层的膨胀/收缩而引起液晶层的厚度不均匀变化，从而使显示品质下降。
(4)起因于垫片的形成密度的增加或垫片的配置等而引起图象中的不光滑感，使显示品质下降。
本发明针对上述已有技术中的问题，本发明的目的是提供一种液晶显示元件及其制造方法，它改善起因于柱状垫片硬、弹性小的显示品质的温度特性，从而使因温度变化引起的显示品质下降小。
更具体地说，本发明的目的是提供一种显示品质良好的液晶显示元件，它能使垫片跟踪因从室温到低温的急剧的温度变化引起的液晶分子的收缩，从而即使在低温使用时也没有所谓的低温发泡。
另外本发明的目的是提供即使在高温使用时液晶盒厚度也不发生不均匀变化的显示品质良好的液晶显示元件。
另外，本发明的目的是提供在使用温度范围内在低温不产生发泡，在高温不发生液晶盒厚度不均匀变化的显示品质高的高分子分散型液晶显示元件。
另外，本发明的目的是提供即使放置在伴随急剧温度变化的状态下，也不发生因液晶层的膨胀/收缩引起的液晶层厚度不均匀且显示品质良好的高分子分散型液晶显示元件。
另外，本发明的目的是通过在有源矩阵基板或在对置基板的遮光部分上预先形成柱状垫片(指非球状的垫片)、提供高对比度、没有对应高灰度等级的可能的不光滑感的显示品质良好的液晶显示元件。
本发明的目的是提供制造上述液晶显示元件的方法。
为了达到上述目的，本发明具有以下手段。
根据本发明的第1方面的液晶显示元件是具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片和封入基板之间的液晶层的液晶显示元件，其特征在于上述垫片具有弹性，对于液晶显示元件的使用温度范围内的温度变化，上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上等于大气压。
根据上述的结构，可以在液晶显示元件的使用温度范围内使垫片经常变形处在弹性。结果可以防止低温发泡现象和防止在高温下液晶盒厚度的不均匀性，从而可以提高显示品质。
另外，通过赋予给垫片适度的弹性，可能使垫片的分布密度设定在感觉不明显的范围内。根据这个观点可以提高显示品质。并且除了用TN型液晶层、STN型液晶层作为液晶层之外，还可以用高分子分散型液晶层作为液晶层。
根据本发明第2方面的液晶显示元件，其特征在于，上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压力之和基本上与大气压相等，并且具有使垫片和液晶层内压分别按线性变化的结构。
如上所述，如果垫片和液晶层内压分别线性变化，则可以更加提高液晶盒厚度的均匀性。
根据本发明第3方面的液晶显示元件是具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片和封入基板之间的液晶层的液晶显示元件，其特征在于上述垫片具有弹性，对于液晶显示元件的最高使用温度与常温范围内的温度变化，上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等。
根据上述结构，可以防止在高温下的液晶盒厚度的不均匀性，从而可以提高品质。
根据本发明第4方面的液晶显示元件，其特征在于上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等，并且具有使垫片和液晶层内压分别按线性变化的结构。
根据上述结构，可以使液晶盒厚度的均匀性在高温下更加提高。
根据本发明第5方面的液晶显示元件是具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片以及由封入基板之间的液晶高分子化合物构成的高分子分散型液晶层的液晶显示元件，其特征在于上述垫片具有弹性，对于液晶显示元件的保存温度范围内的温度变化，上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等。
如果采用上述构成的高分子分散型液晶显示元件，则在保存温度范围内，垫片就可以经常处于弹性变形。结果，可以防止对于温度的急剧变化引起基板间的间隙宽度的畸变(即液晶层厚度的不均匀)，可以保持液晶盒厚度的一定，从而可以提高显示品质。
根据本发明第6方面的液晶显示元件是所述高分子分散型液晶显示元件，其特征在于上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等，并且具有使垫片和液晶层的内压分别按线性变化的结构。
如上所述，如果垫片和液晶层的内压分别按线性变化，则可以更加提高盒厚度的均匀性。
根据本发明第7或8方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片是通过图形工艺直接形成在上述一对基板中的至少一个上。
根据上述构成，可以通过考虑垫片的大小和分布密度等，获得赋予所希望弹性的垫片。
根据本发明第9或第10方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片是由下列聚合化合物中的至少一种或两种以上的复合材料组成聚苯乙烯类聚合化合物，丙烯酸类聚合化合物，聚酯类聚合化合物，硅类聚合化合物，聚碳酸酯类聚合化合物、聚硅氧烷类聚合化合物、聚乙烯类聚合化合物，聚氨酯类聚合化合物。
根据本发明第11或第12方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片从一个基板向另一个基板形成前面细的形状。
根据上述构成，可以获得赋予所希望弹性力的弹性垫片。
根据本发明第13或第14方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片在上述一对基板之间形成完全中空的结构或一部分中空结构。
根据上述构成，可以获得赋予所希望的弹性力的弹性垫片。
根据本发明第15或第16方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片具有在上述一对基板之间的法线方向的长度分布。
另外，根据本发明第17或第18方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片在上述一对基板之间的法线方向的长度上具有由平均值和偏差组成的分布，偏差的平均值大约在3～6％的范围内。
根据上述构成，可以通过考虑垫片的高度分布赋予垫片最合适的弹性。
根据本发明第19或第20方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片的形成密度大约在5个/mm2～2000个/mm2的范围内。
根据上述构成，可以通过考虑垫片的形成密度的分布赋予垫片最合适的弹性。
根据本发明第21或第22方面的液晶显示元件的特征在于上述垫片在上述一对基板中的至少一个遮光部分上形成。
根据上述构成，可以提高开口率。
根据本发明第23或第24方面的液晶显示元件的特征在于上述液晶层的内压大约在从0kgf/cm2到0.9kgf/cm2的范围内。
在垫片处在弹性变形状态时，还可以使液晶层的内压比大气压小。从而还可以根据液晶层的内压限定垫片的弹性变形状态。
根据本发明第25方面是具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片和封入基板之间的液晶层的液晶显示元件的制造方法，其特征在于包括在一对基板的至少一个上形成若干个垫片、并进行用于赋予该垫片规定大小的弹性力而处理的步骤；形成封入在形成有垫片的一对基板之间的液晶层的步骤在液晶层形成步骤的同时或者在其后用大约0.1kgf/cm2～1.0kgf/cm2的压力值均匀地对基板之间加压的步骤。
之所以要限定对基板的加压力，是因为如果小于0.1kgf/cm2则不能使垫片发生弹性变形，如果大于1.0kgf，垫片就会发生塑性变形。
图1是与实施例1有关的液晶显示元件的剖视图。
图2是与实施例1有关的液晶显示元件的制造工序图。
图3是用于说明在实施例1有关的液晶元件上使用的垫片的形状的图。
图4是表示垫片变种例的图。
图5是用于说明垫片变形量的图。
图6是用于说明把与实施例1有关的液晶显示元件从室温暴露在-20℃的环境时的状态的图。
图7是用于说明把与实施例1有关的液晶显示元件从室温暴露在40℃的高温环境时的状态的图。
图8是表示在与实施例1有关的液晶显示元件中，在一定大气压下的液晶显示元件在规定的温度范围内升温和降温情况下的液晶层内压Pi与垫片的反抗力Pr的关系曲线。
图9是与实施例2有关的液晶显示元件的剖视图。
图10是表示在实施例3中的液晶显示元件中，在保存温度范围内的垫片的变化状态的图。
图11是表示在实施例3中的液晶显示元件中，在一定大气压下的液晶显示元件在规定的温度范围内升温和降温的情况下的液晶层内压Pi与垫片的反抗力Pr的关系曲线。
图12是用于说明已有技术例子中的液晶显示元件中的低温发泡现象的图。
图13是表示已有技术例子中的高分子分散型液晶显示元件中的基板之间的间隙宽度的畸变(即液晶层厚度的不均匀)现象的图。
图14是用于说明把相对实施例1的比较例的液晶显示元件从室温暴露在40°的高温环境时的状态图。
图15是表示在相对实施例1的比较例的液晶显示元件中，在一定大气压下的液晶显示元件在规定的温度范围内升温和降温的情况下的液晶层内压Pi与垫片的反抗力Pr的关系曲线。
下面结合
本发明的实施例。
(实施例1)图1是与实施例1有关的液晶显示元件的简略剖视图。液晶显示元件具有一对玻璃基板1、2，配置在基板1、2之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片3和封入在基板1、2之间的液晶层4。在玻璃基板1、2的内面上分别形成透明电极5、6。另外，在图中，7是用于固定基板1、2并封住液晶层4的密封部件。
上述垫片3具有弹性，在液晶显示元件的使用温度范围(在本实施例中为0°～85°)内处在弹性变形状态。即对于上述液晶显示元件的使用温度范围内的温度变化，上述垫片3的反抗力与上述液晶层4的内压之和为大致1个气压，并且垫片3和液晶层4的内压分别按线性变化而被构成。通过这样的构成，即使在低温时使用，也可进行无低温发泡的显示，即使在高温时使用也可进行无液晶盒厚度不均匀的显示，从而使显示品质提高。另外为了提高液晶盒厚度的均匀性有必要使垫片的分布密度变大，但是在本发明中，由于垫片3具有适度的弹性，所以没有必要达到已有技术中那样大的垫片的分布密度，从而可以把垫片的分布密度设定在不均匀感不发生的程度。从而获得非常均匀的盒的厚度，还可以防止因垫片的分布密度的增加引起的不均匀感的发生，从而可以提高显示品质。
下面说明上述构成的液晶显示元件的制造方法。
首先按照与已有技术相同的方法制作形成有透明电极5、6的一对基板1、2。接着在基板1上形成垫片3。
下面参照图2具体说明垫片3的形成方法。在此，作为一个例于针对在透明电极5成膜的基板1上利用含碳的感光性聚合物的工序进行描述。调节丙烯类负型保护膜的浓度，使其固态成分比为38％并与5％的碳粉相混合。在此碳粉是把柱状垫片着色成黑色的手段，最好是吸收可见光的物质。利用旋涂器在玻璃基板1上形成均匀和保护膜10(图2(b))，使其转数为500rpm，持续5秒钟，然后升至1300rpm，持续30秒钟。其后在80℃下预烘3分钟。如图2(c)所示，采用掩膜11的光刻技术形成下述规定形状的柱状垫片3。这时UV照射强度为15mw/cm2，暴光时间为3秒。
已有的柱状垫片往往弹性小，垫片的均匀性的控制也困难。在本实施形式中，可按下述方法赋予垫片弹性。
首先，作为第一方法，根据显象条件的审核等形成如图3所示形状的垫片。图3(a)示出了弹性变形后状态的垫片，图3(b)示出了弹性变形前状态的垫片。具体地说通过预先在基板之间形成圆锥状3A或三角锥状3B或四棱锥状3C或多棱锥状3D等断面逐渐变细的结构的垫片，在加压时，使液晶显示元件中的垫片3处在弹性变形状态。
第二种方法如图4所示，通过垫片3的内部9的一部分或全部变成中空状态，在加压时，使液晶显示元件中的垫片3变成弹性变形状态。
第三种方法是通过把橡胶树脂粉末或硅树脂粉末混合在保护层中而使垫片具有弹性。树脂粉末的混合量在3％以下是有效的，并且可以弹性变形。另外，如果是树脂，则没有必要限于上述说明。
第四种方法是使保护层的聚合度减小，通过降低在保护层中的交联剂的浓度，可以使垫片具有弹性。
第五种方法是使垫片柱的两端变小。
通过上述的任何一种方法都可以赋予垫片弹性。
在下面的例子中，就第一种方法即利用四棱锥状3C的柱状垫片3的情况进行说明。具体的制造是通过反复进行光刻技术的蚀刻步骤形成底面每边5μm的正方形的四棱锥状的垫片3。四棱锥状垫片的具体形状(例如底面积，固有长度等)必须考虑垫片的形成密度、并且根据即使在使用温度范围内的最大温度和最小温度的任何温度下都能赋予可以获得维持弹性变形状态的变形量大小的弹性来设定。例如如图5(a)所示，在基板上形成的柱状垫片的初始高度为H1，在基板间加压后变成所定盒厚度的如图5(b)所示的状态的柱状垫片高度为H2(常温状态)。这时，在使用温度范围的最小温度下，因液晶层的热收缩引起液晶盒厚度方向的长度变为m1时，柱状垫片的高度变形为m1，可是该高度在m1时柱状垫片必须在弹性变形状态，同样在使用温度范围的最大温度下，因液晶层热膨胀引起的液晶盒厚度方向长度变为m2时，柱状垫片的高度变形为m2(而m2＜H1)，可是该高度在m2时柱状垫片必须处在弹性变形状态。另一方面在垫片的形成密度过小时，液晶盒厚度的均匀性变差，与此相反，在垫片的形成密度过大时，因垫片引起的漏光现象变严重。因此，必须考虑与这样的垫片形成密度有关的问题，并且设定垫片的形状，以便即使在使用温度范围的最大温度和最小温度的任何温度下，都能保持弹性变形状态。
根据上述考虑，在本实施例中，将底面设定为5.00μm，垫片高度平均值4.70μm，不均匀度大约3％，形成的密度大约300个/mm2。然后在200℃温度下进行后烘焙。然后在一个基板的周边部分印刷密封部分7(图3(e))。接着使用压机在使一对透明电极5、6的基板互相重合的状态下进行加压/加热，以便使密封部分7硬化(图3(f))。然后从设在密封部分7一部分上的注入口向由一对基板1、2形成的间隙中注入液晶材料，形成液晶层4。
接着，为了使液晶盒厚度变成规定的值，而对液晶显示元件加压。压力值为0.3kgf/cm2，这时垫片3处在部分弹性状态。
利用上述工序制作出的液晶显示元件的盒厚度的平均值可以达到4.65μm偏差为0.12μm，从而使液晶显示装置的分辨率和对比度大幅度提高，因为这时在基板面上形成的垫片高度平均值是4.70μm，所以虽然在该状态下垫片的一部分处在弹性变形状态。本发明人确认，如果柱状垫片底面、高度、形成密度不限于上述的值，而底面为3μm以上、20μm以下，垫片的高度平均值在3μm以上、20μm以下，垫片的形成密度为5个/mm2以上、2000个/mm2以下，则可以发挥垫片能充分跟踪温度变化的效果。
另外，即使在使柱状垫片变成中空而赋予弹性的情况下，关于上述棱锥状垫片的说明也适用本发明人确认在中空形状垫片的情况下，如果外圆半径3μm以上、20μm以下，内圆半径为2μm以上、15μm以下，断面积为4μm2以上、140μm2以下，垫片的高度平均值为3μm以上、20μm以下，垫片的形成密度为5个/mm2以上、2000个/mm2以下，则可以发挥垫片能充分跟踪温度变化的效果。
另外，上述的具体数值是利用由丙烯类聚合物组成垫片材料的负型保护层情况下的数值。如后面所述，即使在把其它材料用作垫片的情况下，通过与上述丙烯类聚合物的情况同样的考虑，如果把垫片的形状、形成密度设定在最适合的数值范围内，则可与上述相同，发挥垫片能充分跟踪温度变化的效果。
接着，把按照上方法制作的液晶显示元件从室温暴露在-20℃的环境中。下面利用图6进行说明。图6(a)表示室温时的液晶显示元件。在该状态下，垫片的一部分或全部弹性变形。图6(b)是表示在低温下的液晶显示元件状态的图。由于液晶层4在低温下的体积收缩，所以其厚度方向也收缩。在本实施方式中，垫片3也具有弹性，由于能跟踪液晶层4的收缩，所以即使在低温下也不会发生低温发泡现象。
再把按上述方法制作的液晶显示元件从20℃暴露在40℃的高温环境中。下面利用图7进行说明。参照图7(a)、图7(b)和图7(c)，下面说明由于温度急剧变化而引起与本发明有关的液晶显示元件结构上的变化。
首先图7(a)表示了在常温(在本实施方式中为20℃)时的液晶显示元件的状态。在此状态下，大气压与相对液晶层4的基板1、2的压力(以下称液晶层4的内压)的压力差从外侧加在两块玻璃基板1、2上，结果使垫片3压缩。
图7(b)表示了使图7(a)的常温状态的液晶显示元件的温度升到使用温度上限时的液晶显示元件的状态。在该状态下，液晶层4的内压通过加热而增加。
在本实施例中，垫片3的线膨胀系数为7.0～10.0×10-5(1/k)，液晶层4的液晶材料的线膨胀系数为7.0×10-4(1/k)。由于加热而引起液晶层4内压的增加使液晶分子跟着膨胀。
图8表示了在一定大气压下、液晶显示元件在规定的温度范围内升温和降温时的液晶层4的内压Pi与垫片3的反抗力Pr的关系的一例子。另外，在该图中，大气压为1.0kgf/cm2。横轴表示从20℃到60℃范围的温度T。纵轴表示人0.3kgf/cm2到0.7kgf/cm2之间的范围的压力P。实线L1表示加在液晶层4上的压力即液晶层4的内压Pi，点划线L2表示加在垫片3上的压力即每单位面积的垫片3的反抗力Pr。下面把每单位面积的垫片3的反抗力称为Pr。
在上述温度范围内，液晶层4的内压和垫片的反抗力Pr都存在，它们的和明显地与大气压相等。即液晶显示元件通过液晶层4的内压与垫片3的反抗力Pr与大气压相抗衡。
虽然液晶层4的内压随温度上升成比例地上升时，垫片3的反抗力Pr减少，但在本例的温度范围内(从20℃到60℃)，垫片3经常具有反抗力Pr，即被压缩的垫片在液晶层4的各处由该反抗力Pr使玻璃基板1、2从内侧压上，并保持被压缩的状态。结果如图7(b)所示，除由密封件7固定的周缘部分以外，间隙宽度均匀地扩大。
图7(c)表示了使液晶元件从图7(b)所示的高温状态降低到常温的状态。如图7(b)所示，使高温状态的液层显示元件冷却时，液晶层4的内压减少，垫片3的反抗力Pr增加。即玻璃基板、2与垫片3经常接触，膨胀的液晶层4跟着收缩。因此液晶层4不会出现因位置的收缩率的不同，而产生全体均匀的收缩，结果，即使在从高温降温时，也如图7(c)所示，完全恢复到原来的状态(图7(a))。
图14示出了作为实施例1的比较例弹性变形少且相对利用坚硬的垫片150时的液晶显示元件的温度变化的垫片状态，图15示出了比较例的液晶层151的内压与垫片150的反抗力的关系。当达到高温时，垫片150不能跟踪液晶层的膨胀，因而基板中央部分发生大的弯曲，从而使显示性能变差。
在图15中也示出了这一点，即垫片的反抗力随着温度上升而急剧减少，当超过某一温度时就变为零。这表示大部分的垫片与基板分离，在该温度以上的温度下，中央部分在使基板之间粘接在一起的拉力的影响下膨胀。液晶层的内压随着温度的上升，继续上升。因此可理解，在比较例中使用温度范围窄，而为了扩大使用温度范围必须赋予垫片弹性。
如上所述，在本实施例中，只要垫片3在弹性压缩范围内，就可以防止因温度变化引起的两块玻璃基板间的间隙的畸变，即液晶层的厚度TC不均匀。另外，虽然在上述说明中把温度范围设定在20℃～60℃范围，但按照本发明人的实验结果，证实即使在0°～85℃的温度范围垫片也能跟踪。因此，只要液晶层4的内压与垫片3的反抗力存在，并且这两个力的和与大气压相等，就可以获得本发明的效果。例如液晶显示元件的使用温度随用途而不同；在该使用温度范围必须不发生斑点。例如在车内使用多的汽车定位系统用途中，处在较高温下，即使对于这种情况下，通过使垫片的弹性、形成密度、压厚最佳化也可实施。另外，在笔记本个人计算机用途、个人计算机用途、投影显示用途、可携带信息终端装置和可携带电话用途、反射式液晶电视监视器用途等各个使用温度范围内也同样可实施。
结果不会产生盒厚的不均匀，并且也不会产生显示斑点。
本发明液晶显示元件的操作模式如果是通过电场能进行控制分子取向的操作模式，液晶盒无论什么操作模式都可以，在要求液晶盒厚度严格控制的IPS(In-Plain Switched)模式、TN模式、STN(Super Twisted Nematic)模式和强感应电性液晶模式等上特别有效果。作为液晶板的显示模式，也可以使用不加电压时变成不透光的黑显示的正常黑模式(NB)和光透过后变成白显示的正常白模式(NW)中的任何一种。关于垫片形成密度，在本实施方式中，大约300个/mm2，在从大约10个/mm2到约2000个/mm2的范围内，同样可实施。这时必须随着形成密度变大、使弹性变形时的应力减少。如果垫片的高度平均值与其偏差基本上相同，则垫片的应力与形成密度成反比。当形成密度变成5个/mm2以下时，为了保持液晶盒厚度的均匀性，在应力增加时垫片几乎不变形，但失去了跟踪性能，从而引起低温发泡现象和厚度不均匀等问题。这样，为了保持良好的显示品质，必须具有一定程度的形成密度。当形成密度超过2000个/mm2时，由于在现状态下垫片的形成变为困难，而不能实施。为了获得跟踪性，而形成基板面的法线方向大小不同的两种以上的垫片也是有效的。另外，在面内形成弹性不同的两种以上的垫片也是有效的。在本实施例中，为了使垫片的一部分或全部弹性变形，而在将液晶材料封入基板之间的工序中，在基板之间均匀地加0.3kgf/cm2的压力，例如通过使垫片的形成密度、弹性最佳化，即使加0.1kgf/cm2到1.0kgf/cm2的均匀压力也同样可实施。
另外，在描述垫片的弹性动作时，在本实施例中规定了面板的加压值，但也不妨通过液层显示元件内部的液晶层4的内压动作描述。这时如果液晶层4的内压的选取值是从约0.1kgf/cm2到1.0kgf/cm2，则同样可实施。但如果在这个范围以外，则由于液晶盒厚度不能跟踪液晶层的动作，所以不能实施。
在本实施例中，采用由丙烯酸类聚合物组成的负型保护层作为垫片材料，即使采用除此之外的聚醚类聚合物、聚丙烯类聚合物、聚苯乙烯类聚合物、硅类聚合物、聚碳酸酯类聚合物、聚硅氧烷类聚合物、聚乙烯类聚合物、聚氨酯类聚合物中的任何一种也同样是可实施的，另外在上述化合物中，通过使用混合2种以上的聚合物共聚体或聚合物合金化合物也同样可实施。
另外在实施例中是利用上述材料在玻璃基板面上进行光刻直接形成垫片，但是在例如由上述化合物组成的塑料基板上通过压机等形成垫片也同样可实施。
另外，在本实施例中是就利用玻璃基板的情况描述的，但是作为开关元件利用多晶硅薄膜的a-SiTFT基板、驱动器内装式的多晶硅TFT基板、还有利用ELA获得的低温多晶硅TFT基板、通过热退火的高温多晶硅基板或用其它方法使金属催化剂结晶的多晶硅基板和形成有薄膜二极管TFD的两端型有源矩阵基板也同样可实施。
另外垫片也可以形成在滤色器的象素部分的遮光部分上。这时这些垫片在从室温向低温的温度变化时，如果具有跟随液晶分子收缩的充分弹性，同样可实施。
(实施例2)图9是与实施例2有关的液晶显示元件的剖面图。本实施例的特征在于利于具有由液晶20和高分子基质21组成的高分子分散型液晶层22的高分子分散形液晶元件代替液晶层4。高分子基质21是具有三维网孔状结构的高分子化合物。液晶20是在高分子基质21中分散成水滴状的液晶，或者是分散成水滴状的液晶具有互相连接的网络状结构的液晶。并且液晶与高分子基质21的体积比大致为4∶1。
这样的高分子分散型液晶显示元件与TN型液晶显示元件、STN型液晶显示元件和强感应型液晶显示元件不同，没有发现低温发泡现象。可是因液晶的流动性低，存在高温时的斑点明显发生的问题。为了解决这个问题与本实施例2有关的高分子分散型液晶显示元件采用与实施例1相同的柱状垫片3的结构。其结果是在投射式显示用的装置中，使用温度范围从10℃到50℃可保持液晶盒厚均匀且良好的显示品质。并且在反射式液晶显示用装置中使用温度从10℃到35℃可保持液晶盒厚均匀且良好的显示品质。另外，高分子分散型液晶层22的制作与通常的高分子分散型液晶层的制作相同。即在一对基板间把高分子前体和液晶材料的复合材料通过真空注入法充填到基板之间，然后通过加热成紫外线的照射使高分子前体聚合，通过使液晶与高分子互相分离便获得高分子分散型液晶层22。
在本实施例2中，虽然用的是带有透明电极的玻璃基板，但也可以在形成有开关元件的有源矩阵基板的遮光部上使用同样的方法来形成柱状或非球状的垫片。另外，作为有源矩阵基板，除了采用无结晶合金TFT基板外，通过与内装驱动电路的高温处理多晶硅TFT基板、低温处理多晶硅TFT基板和利用催化剂法等其它方法结晶的多晶硅TFT基板、以薄膜二极管TFD为代表的二端子型的有源矩阵型基板等平坦化处理并用，同样可实施。
在投影显示装置中，不采用滤色器等而往往使用利用二色镜等多层膜干涉的分离手段，为此，通过在对置的基板上形成柱状或非球状的垫片，使该垫片与形成TFT等的有源矩阵的基板内的不透光的遮光部分，例如控制极信号线和源极信号线上或它们的交叉部分、TFT形成部分等相对应，从而可以获得高对比度、可以高灰度等级对应的、不均匀感小的、显示品质良好的液晶显示元件。
(实施例3)图10是实施例3的液晶显示元件的剖面图。本实施例3的液晶显示元件采用与实施例2中描述的高分子分散型液晶显示元件同样的构成。通常在高分子分散型液晶显示元件中，如果垫片的弹性小，就产生因厚度偏差引起的显示偏差。这是因为在高分子分散型液晶显示元件中，液晶分子的流动性很小，在从高温保存时的急剧温度变化过程中，没恢复到原来的状态。因此，在实施例1中只需要补偿在使用温度范围内均匀性，但对高分子分散型液晶显示元件必须补偿保存温度范围内的均匀性。因此，为了解决上述问题，对于与本实施例3有关的高分子分散型液晶显示元件，通过在实施例1中说明的方法赋予垫片弹性的同时，从补偿保存温度范围内的均匀性的观点上看还应采用赋予垫片比实施例2更大的弹性的结构。例如如果是圆锥状的垫片则使前端细的程度比实施例2大，如果是中空状的垫片，则使中空面积增大。另外所谓使用温度是指在实际中使用(显示)已组装液晶显示元件的显示装置时的周边环境温度，所谓保存温度是指保管已组装液晶显示元件的显示装置时的周边环境温度。因此通常保存温度范围比使用温度范围还宽。而高分子分散型液晶层22的制作是与通常的高分子分散型液晶层的制作相同。即在一对基板间通过真空注入法将高分子前体与液晶材料复合材料充填到基板之间，然后通过加热或紫外线的照射使高分子前体聚合，通过使液晶与高分子相分离获得高分子分散型液晶层22。
下面详细说明与本实施例3有关的液晶显示元件的具体内容。
参照图10(a)，10(b)和图10(c)下面说明通过急剧的温度变化而在与本发明有关的液晶显示元件上产生的结构上的变化。
首先，图10(a)示出了在常温(在实施例中为20℃)情况下的液晶显示元件的状态。在该状态下，大气压与对复合体层22的玻璃基板1、2的压力(以下称液晶层的内压)的差的压力从外侧加在二块玻璃基板1、2上，其结果使垫片3压缩。
图10(b)示出了使图10(a)的常温状态的液晶显示元件在升温到高温(在本实施例中为85℃)的液晶显示元件的状态。在该状态下，随着加热液晶层内压增加。在本实施例中，垫片3的线膨胀系数为7.0～10.0×10-5(1/K)，液晶层材料的线膨胀系数为7.0×10-4(1/K)，高分子基体21的线膨胀系数与垫片3的膨胀系数相等或比其小。另外，液晶层22中的液晶20与高分子基体21的体积比率大致为4∶1。因此垫片3和高分子基体21的膨胀基本上可以略去，因加热而液晶层内压的增加依赖于液晶20的膨胀。
图11示出了在一定大气压下的液晶显示元件在规定的温度范围升温和降温时的液晶层内压Pi与垫片3的反抗力Pr关系的一个例子。在该图中，大气压为1.0kgf/cm2。横轴表示从20℃到60℃的范围的温度T。纵轴表示从0.3kgf/cm2到0.7kgf/cm2的范围的压力P。本发明人的实验结果证明了即使在从0℃到85℃的范围和0.1kgf/cm2到0.9kgf/cm2压力范围表示出与图11同样的线性特性。在图11中，实线L1表示加在液晶层上的压力即液晶层的内压Pi，点划线L2表示加在垫片3上的压力即每单位面积上的垫片3的反抗力Pr。下面把每单位垫面积的垫片3的反抗力称为垫片3的反抗力Pr。
不难看出，在上述温度范围，液晶层内压和垫片3的反抗力都存在，并且它们的和与大气压相等。即液晶显示元件通过液晶层内压和垫片3的反抗力Pr与大气相抗衡。
当液晶层的内压随温度成比例上升时，垫片3的反抗力Pr减少，但在本实施例的20℃～60℃的保存温度范围内，垫片3经常具有反抗力Pr(即使在从0℃到85℃的温度范围也同样)。即压缩的垫片通过达到液晶层22处的反抗力Pr从内侧推压玻璃基板1、2来保持压缩状态。结果如图10(b)所示，在除通过密封部分7固定的周缘部分以外，间隙宽均匀扩大。
图10(c)示出了使液晶显示元件从图10(b)中所示的高温状态到常温急剧下降的状态。如图10(b)所示，当冷却高温状态的液晶显示元件时，液晶层内压减少，垫片3的反抗力Pr增加。即膨胀后的液晶层22在保持玻璃基板1、2和垫片经常接触的同时发生收缩。因此，液晶层22的收缩量不随位置的不同而不同，全体均匀地收缩。作为结果，即使从高温状态急剧降温时，也如10(c)所示，完全恢复到原状态(图10(a))。
在如果垫片中不采用弹性体时的高分子分散型液晶中，因液晶分子的高分子基体中的移动速度慢，即使在室温下液晶也不恢复到原状态，使中央部分变厚，主密封部分周边变薄，结果形成显示斑点。
在使液晶显示元件的温度降低到低温(例如0℃)时，液晶层的厚度Tc减少，但即使在这种情况下，也如图10所示通过垫片3的反抗力Pr，使液晶层22的厚度Tc保持一定。在低温的情况下，液晶层内压也存在，液晶显示元件通过液晶层内压与垫片的反抗力Pr与大气压抗衡。
如上所述，只要垫片3被弹性压缩，就可以防止因温度变化引起的两块玻璃基板间的间隙宽度的畸变，即液晶层厚度Tc的不均匀性。在本实施例中，是以一对基板两者都具有透明电极的透明玻璃板的透射式的液晶显示元件进行说明的，但除本实施例之外，如果例如用反射光的反射电极代替透明电极，则可以构成具有本发明效果的反射式液晶显示元件。
为了构成反射式液晶显示元件，还得考虑通过设置按每象素划分的反射电极代替透明电极把电压从TFT元件供给这些反射电极的结构。
另外，虽然在上述说明中是把温度范围选定在从0℃到85℃范围，但是只要液晶层的内压和垫片3的反抗力存在，并且它们的和与大气压相等，就可获得本发明的效果，并且不限于上述温度范围。
上面就本发明进行了详细说明，但是作为高分子分散型液晶显示元件内的液晶与高分子基体的形态，利用在形成连续相的液晶中把高分子化合物分散成三维网络状或微粒滴状的PN(聚合物网络)形等代替，在以实施例表示的高分子基体中液晶滴分散的NCAP(Nematic.-Cuvilinear-Aligned-Pbase)形态也同样可实施。
另外，在上述实施例2、3中，是利用真空注入法把高分子前体与液晶材料的复合材料充填在液晶显示元件中，但是在常压下把高分子前体与液晶材料的复合材料注入到液晶显示元件中也能获得同样的效果。
另外，在上述实施例1-3中是为了保持一对基板间的一定的液晶盒厚而至少在一个具有透明电极的基板侧上形成具有弹性的垫片，但是利用同样的方法在形成有开关元件等的有源矩阵基板的遮光部分上形成垫片也是可实施的。作为有源矩阵基板除了用无结晶合金TFT外，还可以通过与内装驱动电路型的高温处理多晶硅TFT基板、低温处理多晶硅TFT基板利用催化剂法等其它方法结晶的多晶硅TFT基板、以薄膜二极管TFD为代表的二端型有源矩阵型基等平坦化处理并用，同样是可实施的。
另外，在上述实施例1-3中，既使从室温向低温的急剧温度变化和从室温向高温的急剧变化中的任一变化，具有可以使垫片跟踪的结构，但是也可以是垫片只跟踪从室温向低温的温度变化和从室温向高温的温度变化中之一的结构。
权利要求
1.一种具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片和封入基板之间的液晶层的液晶显示元件，其特征在于上述垫片具有弹性，对于液晶显示元件的使用温度范围内的温度变化，上述垫片的反抗力与上述液晶层内压之和基本上与大气压相等。
2.如权利要求1所述的液晶显示元件，基特征在于上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等，并且具有使垫片和液晶层内压分别按线性变化的结构。
3.一种具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片和封入基板之间的液晶层的液晶显示元件，其特征在于上述垫片具有弹性，对于液晶显示元件的最高使用温度与常温的范围内的温度变化，上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等。
4.如权利要求3所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片的反抗力与所述液晶层的内压之和基本上与大气压相等，并且具有使垫片和液晶层内压分别按线性变化的结构。
5.一种具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片以及由封入基板之间的液晶和高分子化合物组成的高分子分散型液晶层的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于上述垫片具有弹性，对于液晶显示元件的保存温度范围内的温度变化，上述垫片的反抗力与液晶层的内压之和基本上与大气压相等。
6.如权利要求5所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于上述垫片的反抗力与上述液晶层的内压之和基本上与大气压相等，并且具有使垫片和液晶层的内压分别按线性变化的结构。
7.如权利要求1所述的液晶显示元件，其特征在于所述的垫片通过印刷图形工艺直接形成在上述一对基板中的至少一个上。
8.如权利要求5所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述垫片通过印刷图形工艺直接形成在上述一对基板中的至少一个上。
9.如权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片由聚苯乙烯类聚合化合物、丙烯酸类聚合化合物、聚酯类聚合化合物、硅类聚合化合物、聚碳酸酯类聚合化合物、聚硅氧烷类聚合化合物、聚乙烯类聚合化合物、聚氨酯类聚合化合物中的任意一种材料或两种以上的复合材料组成。
10.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于上述垫片由聚苯乙烯类聚合化合物、丙烯酸类聚合化合物、聚酯类聚合化合物、硅类聚合化合物、聚碳酸酯类聚合化合物、聚硅氧烷类聚合化合物、聚乙烯类聚合化合物、聚氨酯类聚合化合物中的任意一种材料或两种以上的复合材料组成。
11.如权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于上述垫片从一个基板向另一基板形成前面细的形状。
12.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述的垫片从一个基板向另一个基板形成前面细的形状。
13.如权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片在一对基板之间形成完全中空的结构或一部分中空结构。
14.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述垫片在一对基板之间形成完全中空的结构或一部分中空结构。
15.如权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片具有上述一对基板间的法线方向的长度分布。
16.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述垫片具有上述一对基板间的法线方向的长度分布。
17.如权利要求15所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片在上述一对基板之间的法线方向的长度上具有由平均值和偏差组成的分布，偏差的平均值在约3％～6％范围内。
18.如权利要求16所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述垫片在上述一对基板之间的法线方向的长度上具有由平均值和偏差组成的分布，偏差的平均值在约3％～6％的范围内。
19.如权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片的形成密度在约5个/mm2～2000个/mm2的范围内。
20.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述垫片的形成密度在约5个/mm2～2000个/mm2的范围内。
21.如权利要求7所述的液晶显示元件，其特征在于所述垫片在所述一对基板中的至少一个遮光部上形成。
22.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述垫片至少在所述一对基板中的至少一个或两个遮光部上形成。
23.如权利要求23所述的液晶显示元件，其特征在于所述液晶层的内压在约0kgf/cm2～0.9kgf/cm2的范围内。
24.如权利要求8所述的高分子分散型液晶显示元件，其特征在于所述液晶层的内压在约0kgf/cm2～0.9kgf/cm2的范围内。
25.一种具有配置在一对基板之间并用于保持基板间隙一定的柱状垫片和封入基板之间的液晶层的液晶显示元件的制造方法，其特征在于，包括在一对基板的至少一个上形成若干个垫片并进行用于赋予垫片规定大小的弹性力而处理的步骤；形成封入在形成有垫片的一对基板之间的液晶层的步骤；在液晶层形成步骤的同时或者在其后用大约0.kgf/cm2～1.0kgf/cm2的压力值均匀地对基板之间加压的步骤。
全文摘要
本发明的液晶显示元件具有带有透明电极5、6的一对基板1、2和配置在基板1、2之间并用于保持基板间隙一定的垫片3和封入基板1、2之间的液晶层4,垫片3具有弹性,对于液晶显示元件的使用温度范围内的温度变化,垫片3的反抗力与上述液晶层4的内压之和基本上是约1个大气压,并且具有垫片3和液晶层内压分别接线性变化的结构。根据这样的结构可以改善有关柱状垫片等因过硬和弹性小引起的显示品质的温度特性,从而可以实现减小因温度变化引起的显示品质降低的液晶显示元件。
文档编号G02F1/1339GK1274092SQ00119219
公开日2000年11月22日 申请日期2000年4月30日 优先权日1999年4月30日
发明者西山诚司, 中尾健次, 上村强 申请人:松下电器产业株式会社