CN1580916A - 具有抛光的彩色滤光衬底的有源矩阵彩色lcd器件 - Google Patents

Abstract

在有源矩阵LCD器件中的彩色滤光衬底有玻璃衬底，以及连续形成在玻璃衬底上的黑色矩阵、彩色层和定向薄膜。由于重叠黑色矩阵而形成的彩色层的凸出表面被抛光以减小彩色层的凸出表面的倾斜表面的宽度。彩色层的抛光避免了由倾斜表面引起的向错。

Description

具有抛光的彩色滤光衬底的有源矩阵彩色LCD器件

技术领域

本发明涉及一种有源矩阵LCD(液晶显示)器件，尤其涉及一种包括有抛光表面的彩色滤光衬底的有源矩阵LCD器件。本发明还涉及一种制造这种彩色滤光衬底的方法。

背景技术

有源矩阵LCD器件越来越多地用于彩色图像显示。图7以剖面图显示了一个常规LCD器件。这种有源矩阵LCD器件包括其上形成有薄膜晶体管(或有源元件，图中没有画出)的TFT衬底30，和其上安装有彩色虑光片的彩色滤光衬底(或反向衬底)10A。TFT衬底30与彩色滤光衬底10A相对，其间有夹在二者中的液晶(LC)层40。在彩色滤光衬底10A上有三个(R、G和B)彩色层23使能够显示彩色图像。

彩色滤光衬底10A包括玻璃衬底21，形成于其上并有明显格子图形的黑色矩阵(BM)22，每个都形成在黑色矩阵22的格子的间隔中的玻璃衬底21和黑色矩阵22的格子的条纹的边缘部分上的彩色层23，以及形成在彩色层23和黑色矩阵22的格子的其他部分上的透明电极24。每个彩色层23有大约如1到3微米的厚度。

黑色矩阵22在格子图形中有间隔，防止光的泄漏、遮挡LC层的排列缺陷，并且限定光传输区或象素图像区。黑色矩阵22由铬膜或者掺入碳等的树脂膜构成。在目前的趋势中，由于铬膜上涨的成本而越来越多地用树脂膜作为黑色矩阵22。

每个彩色层23的表面在第一区，或凸区，和第二区，或基本平坦区之间有阶状差，其中在第一区或凸区，黑色矩阵22的条纹的边缘和彩色层23的边缘相互重叠，在第二区或基本平坦区，彩色层23直接形成在黑色矩阵22的间隔中的玻璃滤光片21上。

在第一区和第二区之间的阶状差引起了一个已知的称为向错的问题。如果黑色矩阵22由铬膜构成，由于铬膜有0.1到0.2微米极小的厚度，此厚度远小于彩色层23的厚度，因此几乎不会产生向错问题。另一方面，如果黑色矩阵22由树脂膜构成，由于树脂膜较大的厚度，其大约等于1到2微米以达到足够的光遮挡特性或光吸收特性，因此会产生向错问题。

为解决关于黑色矩阵的树脂膜的上述问题，在彩色层23和透明电极24间提供丙烯酸树脂或环氧树脂构成的覆盖膜，以改善整个彩色滤光衬底10A的表面平坦度。然而，这要求额外的制造步骤，因此增加了LCD器件的成本。另一个改进彩色滤光衬底10A的表面平坦度的技术是例如在通过利用电镀技术形成彩色层23后，对彩色层23的表面抛光。例如JP-A-9-230124中说明了此技术。

在常规的技术中，彩色滤光衬底10A的表面的允许的阶状差一般低于0.5微米，如上述专利公开中中所说明。更具体地，通常认为在彩色层中低于0.5微米阶状差足以抑制彩色滤光衬底的表面引起的LCD器件的向错。

但是，本发明者从各种模拟和实验中发现低于0.5微米的阶状差不一定能抑制阶状差引起的向错问题，其依赖于LCD器件的情况和结构。

发明内容

考虑到上述问题，本发明的一个目的在于提供一个有彩色滤光衬底的LCD器件，其有效地抑制由彩色层上的阶状差引起的向错问题。

本发明的另一个目的在于提供一种制作用在有源矩阵LCD器件中的这样的彩色滤光衬底的方法。

本发明提供一种液晶显示器件(LCD)包括TFT衬底、彩色滤光衬底，以及夹在TFT衬底和彩色滤光衬底间的扭曲向列型液晶(LC)层，彩色滤光衬底包括：透明衬底；在透明衬底上形成的并且有明显格子图形的光遮挡层；在光遮挡层的间隔中的透明衬底的一部分和光遮挡层的条纹的边缘部分上形成的彩色层；以及覆盖彩色层和光遮挡层的条纹的其他部分的定向薄膜，彩色层有一个覆盖光遮挡层的间隔上的基本平坦的表面，一个从平坦表面延伸且升高并覆盖光遮挡层的条纹的边缘部分的倾斜表面，一个从倾斜表面延伸的抛光的平坦表面，以及在抛光的平坦表面和光遮挡层的条纹的其他部分之间延伸的后边缘表面，其中下面关系表达式成立：

$D=2\mathrm{\φ}-\{0.25\mathrm{\θ}+1+\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}\}>0,$

其中θ、L和φ分别代表相对于透明衬底表面的倾斜表面的角、倾斜表面的宽度、以及LC层中的LC分子的预倾角。

本发明还提供一种制作在液晶显示(LCD)器件中的彩色滤光衬底的方法，该液晶显示器件包括TFT衬底、彩色滤光衬底、以及夹在TFT衬底和彩色滤光衬底间的扭曲向列型液晶(LC)层，该方法包括连续步骤：在透明衬底上形成有明显格子图形的光遮挡层；在光遮挡层的间隔中的透明衬底的一部分和光遮挡层的条纹的边缘部分形成彩色层，彩色层有一个覆盖光遮挡层的间隔的基本平坦的表面，一个从平坦表面延伸且升高并覆盖光遮挡层的条纹的边缘部分的倾斜表面，以及一个在倾斜面表面和遮挡层的条纹的其他部分之间延伸的后边缘表面；对彩色层的表面部分抛光，使在倾斜表面和后边缘表面间形成的抛光表面满足下面关系表达式：

$D=2\mathrm{\φ}-\{0.25\mathrm{\θ}+1+\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}\}>0,$

其中θ、L和φ分别代表相对于透明衬底表面的倾斜表面的角，抛光之后倾斜表面的剩余部分的宽度，以及LC层中的LC分子的预倾角。以及形成覆盖彩色层和光遮挡层的其他部分的定向薄膜。

根据本发明的LCD器件和由本实施例的方法制作的彩色滤光衬底，彩色滤光层的抛光的表面防止由彩色层的表面中的阶状差引起的向错的产生，因此改善了LCD器件的图像质量。

本发明的上述和其他的目的、特征和优势，在下面参考附图的说明中将更为明显。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的彩色滤光衬底的剖面图；

图2是彩色层的抛光步骤之前，图1的彩色滤光衬底的一部分的放大的剖面图。

图3是表示抛光步骤前的彩色滤光衬底的预倾角和向错的位置之间关系的曲线图。

图4是彩色层的抛光步骤之后，图1的彩色滤光衬底的一部分的放大的剖面图。

图5是表示向错的位置和包括斜面角和预倾角的条件之间关系的曲线图。

图6是表示向错的位置和包括斜面角和预倾角的条件之间关系的曲线图。

图7是有彩色滤光衬底的常规LCD器件的剖面图。

具体实施方式

现在，参考附图更具体地说明本发明。

根据本发明的实施例的LCD器件，除了其具有彩色滤光衬底结构之外，有与参考图7的常规LCD器件所描述的结构相似的结构。因此，为避免重复，在此省略除了彩色滤光衬底结构之外的结构的描述。

参考图1，用于根据本发明实施例的LCD器件中的彩色滤光衬底，一般用数字10表示，包括透明衬底，如玻璃衬底11，有明显格子图形的黑色矩阵12，每个都形成于黑色矩阵12的相应间隔的玻璃衬底11和黑色矩阵12的条纹的边缘部分上的彩色层13，以及形成于彩色层13和黑色矩阵12的条纹上的透明电极14。彩色滤光衬底10用于例如包括扭曲向列型LC层的标准白色LCD器件中。在LCD器件中的LC层的驱动电压为例如3.3伏，4伏或5伏。对于有5伏驱动电压的LCD器件，ZL14792(商标，来自Merck)可以用作LC材料。

黑色矩阵12防止光的泄漏，遮盖LC层的排列缺陷，并且限定在格子图形间隔中的光传输区。每个光传输区由在LCD器件中的象素显示区组成。黑色矩阵12由包括其中扩散有碳等的树脂构成，并且有例如20微米的条宽。黑色矩阵12通常要求其光学特性中有3或大于3的光密度(OD)，并且由此有如1.3微米的厚度以获得要求的这种光特性。黑色矩阵12的光密度OD由下面公式定义：

OD＝-log(l/lo)

其中，lo和l分别代表黑色矩阵的入射光的强度和在其中传播光的强度。

通过在其中扩散有机颜料，由树脂制得彩色层13的材料。通过涂敷技术在透明衬底11上形成彩色层13，在其上形成黑色矩阵12的图形，然后曝光，显影和烘干。彩色层13有大约1.6微米的厚度并且各自象素显示区包括红(R)、绿(G)和蓝(B)层。

在其涂敷之后，彩色层13的表面被抛光，使其上凸出的部分去除，在此部分彩色层13重叠黑色矩阵12的条纹，由此相对于玻璃衬底11具有更高的高度。彩色层13的抛光部分如图4所示，其显示了引进到LCD器件中的彩色滤光衬底10。需要注意的是，为了图4中的描述透明电极14和定向薄膜被省略。

在彩色层13经过抛光处理后，形成向LC层施加电场的透明电极14。在透明电极14上形成由如聚酰亚胺树脂构成的定向薄膜。彩色滤光衬底10通过定向薄膜接触LC层中的LC分子41。与定向薄膜接触的LC分子41的预倾角φ设置为例如3度。

上述彩色层13的抛光避免了在彩色滤光衬底附近的LC分子41出现向错。这将在后面参考图2到图6进行说明。

图2是在彩色层13抛光之前图1的彩色滤光衬底10的一个部分的细节。为了本发明的理解，在图2中，在抛光之前的彩色层13显示为与LC分子41接触。换句话说，图2显示一个具有没有对彩色层13使用抛光步骤而形成的常规彩色滤光衬底的LCD器件。

在图2中，在彩色滤光衬底10的表面的LC分子41，与彩色滤光衬底10的表面有预倾角φ的倾斜。彩色层13和黑色矩阵12的条纹相互重叠的宽度是例如3微米。

在彩色滤光衬底10中，黑色矩阵12和彩色层13的重叠部分在彩色层13的表面中形成了凸出部分15。彩色层13的凸出部分15的高度和其上与黑色矩阵12不重叠的平坦部分16的高度的差在图2中用H1表示。平坦部分16相当于象素显示区或象素的有效开放区。凸出部分15包括与平坦部分16相邻的长度为L1的斜面区17，以及落到黑色矩阵12的条纹表面的后边18。斜面区(斜面表面)17相对于玻璃衬底11表面的斜面角θ为θ＝tan^-1(H1/L1)。

图3为在彩色层13抛光之前，根据预倾角φ和在LC层中向错的位置间的关系获得的模拟结果。在此模拟中，斜面区17的角θ是10度，并且斜面区17的宽度L1是10微米。经过特定时间间隔，使由于对LC层施加电场而引起的LC分子排列稳定之后，检测向错的位置。在图3中，彩色滤光衬底10的象素区被分成被黑色矩阵12遮挡的光遮挡区和对应黑色矩阵12的间隔的光传输区。此外，在遮挡区和光传播区间的边界定义为原点(0微米)，光遮挡区为其负区，光传输区为其正区。

通常，LCD器件在彩色层13的斜面区17的附近中受到相反的倾斜，如图2所示，其中在彩色层13的平坦区16和凸出区15间的LC分子41旋转的方向产生不连续，因此导致向错。如图3所示，对于没有使用抛光操作的图2中的彩色滤光衬底，如果预倾角φ在约3.5度或更低时，在边界(黑色矩阵的条形的边缘)的光传输面上产生向错，因此由于光泄漏而降低象素显示区的图像质量。

在图3的例子中，显示了对于4度或大于4度的预倾角，向错进入被黑色矩阵12的条纹遮挡的光遮挡区，因此看不到向错。相反的倾斜依赖于预倾角φ的大小和斜坡区17的斜面角θ的大小间的关系产生。因此为抑制反向的倾斜，通常需要将预倾角设置为更低的值。

预倾角φ由LC材料和定向薄膜确定，其中后者通过适当地设置其研磨强度提供所希望的预倾角。然而，达到较高预倾角的定向薄膜的材料是有限的，由于材料本身而使材料具有较低的可靠性，并且很难获得对预倾角的精确控制。因此，在LCD器件中设置一个过高的预倾角是不合适的。

上述的图4是对彩色层13抛光后图1的LCD器件中的彩色层13的放大剖面。进行彩色层13的抛光，将抛光前的高度H1缩小到图4中的H2。在此步骤中，斜面区17的宽度L1被缩小到L2。例如，如果斜面角θ是7度，进行抛光使彩色层13的斜面区17的宽度L2呈现为2微米。本发明者从各种实验和模拟中发现将宽度L1缩小到L2消除了彩色滤光衬底10引起的向错。消除向错的原因在下面详细考虑。

通常，设置在彩色滤光衬底10上的LC分子41以由定向薄膜限定的预倾角φ排列，并且离开彩色滤光衬底10的LC分子41与排列在彩色滤光衬底10上的LC分子对齐。然而，如果斜面区17有更小的宽度，并且斜坡角θ和预倾角φ间的关系存在特定关系，那么小距离离开彩色滤光衬底10的斜面区17的LC分子41对齐在其附近的LC分子41比对齐在彩色滤光衬底10上的LC分子41在其能量方面更为稳定。因此，即使在彩色滤光衬底10上的斜面区17的LC分子41的排列引起一个反向倾斜，那么在倾斜区17上的多数其他LC分子41在一个方向排列，以致不产生反向倾斜并因而不产生向错。

在常规技术中，认为在彩色层13中的高度差应该减小到0.5微米。在本实施例中，对彩色层13的表面机械抛光使斜面区17的宽度L1减小，以抑制向错。在本发明中，证实了在平坦区16和凸出区15间的高度差实际上是一个表面的参数，并且能够通过采用预倾角φ、斜面角θ和斜面区17的宽度L1(L2)的特定的组合而抑制向错。

图5表示通过模拟获得的向错的位置与预倾角φ和斜面角θ的组合之间的关系。在此模拟中，当改变预倾角φ和斜面角θ，获得向错的出现和消失间的边界。在图5中，曲线A(用括号中的0微米表示)显示在边界上的向错的出现，曲线B(用括号中的-5微米表示)显示离开边界向光遮挡区方向5微米的位置的向错的出现。在此选择在光遮挡区中距离边界即黑色矩阵的条纹的边缘5微米以达到向错的稳定抑制。

在图5中，在曲线B左上侧的区域[II]意味着在此区域看不到向错，而在曲线右下侧的区域[I]意味着在此区域可以看到向错。例如，如果斜面角是5度，那么在预倾角等于或小于2度时可看到向错，而在3度的预倾角时看不到向错。在曲线B之上的区域[II]由下面关系近似确定：

φ≥0.25θ+1       (1)

更具体地，如果上述关系(1)成立，那么在LCD器件中看不到向错。

图6显示通过模拟获得的向错的位置与预倾角φ、斜面区17的宽度L1或L2的组合之间的关系。在此模拟中，斜面角θ固定在10度，而改变预倾角φ和斜面区宽度L1以获得向错的位置。如图6中所示，曲线C(用括号中的-5微米表示)左上侧的区域[III]意味着看不到向错的区域，而曲线D(用括号中的0微米表示)右下侧的区域[IV]意味着能看到向错的区域。曲线C之上的区域[III]由下面关系近似确定：

L≤(0.03724φ²+1.034)⁴     (2)

以上关系(2)可以重写为如下：

$\mathrm{\φ}\≥\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}---\left(3\right)$

在此假设(L^1/4-1.034)＞0。更具体地，如果上述关系(2)或(3)成立，那么在LCD器件中看不到向错。

上面关系(1)和(3)在将关系(1)和(3)中的不等号用等号代替后，可以通过将(1)和(3)的两边相加联合在一起，得到下面的公式：

$2\mathrm{\φ}=0.25\mathrm{\θ}+1+\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}---\left(4\right)$

通过使用判别式D：

$D=2\mathrm{\φ}-\{0.25\mathrm{\θ}+1+\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}\}>0---\left(5\right)$

当满足D＞0的条件时，可以得到看不到向错的区域或范围。

在本实施例中，抛光彩色层13以使预倾角φ、斜面角θ和斜面区17的宽度L2满足上面关系D＞0。例如，如果预倾角φ和斜面角θ分别为3度和10度，那么抛光彩色层13使斜面区17的宽度L2呈现2.575微米或更小。这样，如果LC分子的预倾角φ和斜面区17的斜面角θ是已知的，那么通过对其抛光使彩色层13去除的量可以由抛光后斜面区17的宽度L2确定。

通常，如果彩色层13通过抛光被过度地去除，那么LCD器件受到图像质量降低的损害。然而，在本发明中，去除量能够根据预倾角φ确定，避免了由于过度抛光而降低图像质量。此外，由于不需要覆盖层来避免本发明的彩色滤光衬底中的向错，在保持LCD器件的高对比度(如200∶1)的情况下，LCD器件的成本能够降低。

由于本实施例只作为说明的例子，本发明不限于上述实施例并且本领域技术人员由此容易地进行各种修改和变化而不偏离本发明的范围。

Claims (6)

1.一种液晶显示器件(LCD)，包括TFT衬底，彩色滤光衬底，以及夹在所述TFT衬底和所述彩色滤光衬底间的扭曲向列型液晶(LC)层，所述彩色滤光衬底包括：

透明衬底；

在所述透明衬底上形成的并且有明显格子图形的光遮挡层；

在所述光遮挡层的每个间隔中的所述透明衬底的一部分和所述光遮挡层的条纹的边缘部分形成的彩色层；以及

覆盖所述彩色层和所述光遮挡层的所述条纹的其他部分的定向薄膜，

所述彩色层有一个覆盖所述光遮挡层的所述间隔的基本平坦的表面，一个从所述平坦表面延伸且升高并覆盖所述光遮挡层的所述条纹的所述边缘部分的倾斜表面，一个从所述倾斜表面延伸的抛光的平坦表面，以及一个在所述抛光的平坦表面和所述光遮挡层的所述条纹的所述其他部分之间延伸的后边缘表面，其中下面关系成立：

$D=2\mathrm{\φ}-\{0.25\mathrm{\θ}+1+\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}\}>0,$

其中θ、L和φ分别代表相对于所述透明衬底表面的所述倾斜表面的角，所述倾斜表面的宽度，以及所述LC层中的LC分子的预倾角。

2.根据权利要求1所述的LCD器件，其中所述倾斜表面的所述宽度不大于2.5微米。

3.根据权利要求1所述的LCD器件，其中所述倾斜表面的所述角在5度和10度之间，包括5度和10度。

4.根据权利要求1所述的LCD器件，其中所述LC层由3伏和5伏之间的驱动电压驱动，包括3伏和5伏。

5.根据权利要求1所述的LCD器件，其中所述LCD器件有不小于200∶1的对比度。

6.一种制造液晶显示(LCD)器件中的彩色滤光衬底的方法，该液晶显示器件包括TFT衬底、所述彩色滤光衬底、以及夹在所述TFT衬底和所述彩色滤光衬底间的扭曲向列型液晶(LC)层，所述方法包括连续步骤：

在透明衬底上形成有明显格子图形的光遮挡层；

在所述光遮挡层的每个间隔中的所述透明衬底的一部分和所述光遮挡层的条纹的边缘部分形成彩色层，所述彩色层有一个覆盖所述光遮挡层的所述间隔的基本平坦的表面，一个从所述平坦表面延伸且升高并覆盖所述光遮挡层的所述条纹的所述边缘部分的倾斜表面，以及一个在所述倾斜表面和所述光遮挡层的所述条纹的其他部分之间延伸的后边缘表面；

对所述彩色层的表面部分抛光，从而在所述倾斜表面和所述后边缘表面间形成的抛光表面满足下面关系表达式：

$D=2\mathrm{\φ}-\{0.25\mathrm{\θ}+1+\sqrt{\frac{L^{1/4}-1.034}{0.03724}}\}>0,$

其中θ、L和φ分别代表相对于所述透明衬底表面的所述倾斜表面的角，在所述抛光之后的所述倾斜表面的剩余部分的宽度，以及所述LC层中的LC分子的预倾角；以及

形成覆盖所述彩色层和所述光遮挡层的其他部分的定向薄膜。

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