JP2005195842A - カラーフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】隔壁で囲まれた画素領域内にインクを付与する際に、隣接する画素間での混色を防止し、且つ領域内での白抜け、色ムラのない画素を形成したカラーフィルタを提供すること。
【解決手段】着色画素が、予め、開口部の透明基板１上に設けられた光散乱層３上に、インクジェット方式により硬化型インクを付与して形成された着色画素であること。透明基板と樹脂製のブラックマトリクス２との間に光散乱層を設けたこと。樹脂製のブラックマトリクスが撥インク性であること。光散乱層が光学的に等方性な透明顔料を分散させた透明樹脂から成ること。透明顔料が粒径１μｍ以下の微粒子から成ること。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解放射型表示装置、蛍光表示装置、プラズマディスプレイ、及び液晶表示装置などの表示装置用のカラーフィルタに関し、特にインクジェット方式を利用したカラーフィルタに関する。

近年、主としてコストダウンを目的として、インクジェット方式を利用したカラーフィルタが検討されている。

インクジェット方式を用いたカラーフィルタの製造方法としては、例えば、ガラス基板上にブラックマトリクスを形成し、インクジェット記録装置を用いて該ブラックマトリクスの開口部にインクを付与して着色画素を形成する方法が提案されている。さらに、この方法において、インクが所定の開口部に良好に充填され、隣接する着色画素間でインクが混じり合う混色が発生しないように、ブラックマトリクスの構成材料として、インクに濡れにくく、インクをはじきやすいものが検討されている。

例えば、着色画素間における混色防止方法として、ブラックマトリクス上にブラックマトリクスとほぼ同じ大きさの撥インク性の大きなシリコーンゴムパターンを形成し、インクジェット法あるいは印刷法における混色を防止するという方法がある（特許文献１参照）。
しかしながら、上記の方法は隔壁を多層化するものであり、フォトリソグラフィ工程を複数回実施する必要があることから、プロセスの複雑化、コストアップ、ひいては歩留まり低下を招くという問題がある。

また、その他の方法として、インクに対して２０°以上の接触角を有する材料を用いてブラックマトリクスを形成し、その開口部にインクを付与する方法が提案されている（特許文献２参照）。また、ブラックマトリクス材料として、水に対して４０°以上の接触角を有する材料が提案されている（特許文献３参照）。
さらに、基板、インク、ブラックマトリクスの各材料の臨界表面張力を、基板面＞インク＞ブラックマトリクス面とし、ブラックマトリクス面＜３５ｄｙｎｅ／ｃｍ、基板面≧３５ｄｙｎｅ／ｃｍ、インクは両者から５ｄｙｎｅ／ｃｍ以上の差を有するように設定することが提案されている（特許文献４参照）。これらの例では、いずれもブラックマトリクスの材料として、撥インク性を持たせるために、フッ素化合物やケイ素化合物といった撥水剤を含ませる方法である。

しかしながら、上記の方法のように、ブラックマトリクスに撥水剤であるフッ素化合物やケイ素化合物を含有させると、ブラックマトリクス形成工程の最終工程であるポストベーク（本硬化）の際に、ブラックマトリクス材料中の撥水剤が蒸発し、ブラックマトリクス開口部に露出したガラス基板表面に薄く付着する。また、撥水剤を用いていない場合であっても、ブラックマトリクス材料中の低分子の有機物が蒸発し、同様にガラス基板表面に付着する。いずれの場合もガラス基板表面が撥インク性を示すようになり、ブラックマトリクスの開口部にインクを付与した際に、ガラス基板表面とインクとの付着性が悪くなり、開口部内にインクが均一に拡がらず、白抜けや色ムラを発生する恐れがある。
特開平４−１２３００５号公報 特開平７−３５９１７号公報 特開平７−３５９１５号公報 特開平６−３４７６３７号公報

本発明は、インクジェット方式を利用して簡易なプロセスで安価に製造するカラーフィルタにおいて、隔壁で囲まれた画素領域内にインクを付与する際に、隣接する着色画素間での混色を防止し、且つ領域内での白抜け、色ムラのない着色画素を形成したカラーフィルタを提供することを課題とする。

本発明は、透明基板上に樹脂製のブラックマトリクスと該ブラックマトリクスの開口部に形成された着色画素とを少なくとも有するカラーフィルタにおいて、着色画素が、予め、開口部の透明基板上に設けられた光散乱層上に、インクジェット方式により硬化型インクを付与して形成された着色画素であることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記透明基板と樹脂製のブラックマトリクスとの間に光散乱層を設けたことを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記樹脂製のブラックマトリクスが、撥インク性であることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記光散乱層が、光学的に等方性な透明顔料を分散させた透明樹脂から成ることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記透明顔料が粒径１μｍ以下の微粒子から成ることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタにおいて、前記透明顔料を分散させた透明樹脂をインクジェット法により樹脂製のブラックマトリクスの開口部に付与したことを特徴とするカラーフィルタである。

本発明によれば、基板と着色画素の間に光散乱層を設けることにより、インクジェット方式により形成した着色画素の断面形状に係わらず、濃度バランスに優れたカラーフィルタを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明によるカラーフィルタを製造する方法の一例を説明する工程図である。図１（ａ）は、透明基板１にブラックマトリクス２が形成された状態を示したものである。まず、ブラックマトリクス２の開口部、すなわち、透明基板表面に光散乱層３を形成する（図１（ｂ））。次いで、この光散乱層３が形成された開口部に対して、インクジェット法により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の着色インク４を吐出し、インク乾燥、硬化を経てカラーフィルタを得る（図１（ｃ））。

図２は、本発明によるカラーフィルタの他の製造方法を説明する工程図である。図２（ａ）は、透明基板１上に光散乱層３が積層された状態を示したものである。まず、透明基板１の光散乱層３上にブラックマトリクス２を形成する（図２（ｂ））。次いで、ブラックマトリクス２の開口部に対して、インクジェット法により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の着色インク４を吐出し、インク乾燥、硬化を経てカラーフィルタを得る（図２（ｃ））。

本発明に用いる透明基板１は一般にガラス基板が用いられるが、液晶表示装置等、最終的な用途に必要な特性、例えば、透明性、機械的強度等を満足し、後工程に耐えるものであればガラス基板に限定されるものではなく、たとえばＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＥＮ等のプラスチック基板なども用いることができる。

本発明におけるブラックマトリクス２は樹脂（光重合性モノマー、光重合開始剤含む）、黒色遮光材、分散剤、溶媒等を主成分とする黒色の感光性樹脂組成物を用い、フォトリソグラフィ法によりパターニングして形成する。また、ブラックマトリクス２の形成方法としては、フォトリソグラフィ法に限定されるものではなく、例えば、熱転写法等によっても形成することが可能である。

本発明におけるブラックマトリクス２の黒色遮光材としては、黒色顔料、黒色染料、無機材料などであり、有機顔料、カーボンブラック、アニリンブラック、黒鉛、酸化チタン、鉄黒などを混合して用いられるものである。

また、本発明におけるブラックマトリクス２の分散剤としては、非イオン性界面活性剤では、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、また、イオン性界面活性剤では、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリ脂肪酸塩、脂肪酸塩アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩など、その他に有機顔料誘導体、ポリエステルなどが挙げられる。分散剤は単独で使用してもよく、また二種類以上を混合して使用してもよい。

また、本発明におけるブラックマトリクス2の溶媒としては、黒色樹脂組成物の塗布性、分散安定性などの点から、適宜選択して使用されるものであり、トルエン、キシレン、エチルセロソルブ、エチルセロソルブアセテート、ジクライム、シクロヘキサノンなどが挙げられる。

また、ブラックマトリクス２には撥インク成分を添加して撥インク性を高めておくことが望ましい。添加する撥インク成分の具体的な例としては、主鎖または側鎖に有機シリコーンを有するもので、シロキサン成分を含むシリコーン樹脂やシリコーンゴム、この他にはフッ化ビニリデン、フッ化ビニル、三フッ化エチレン等や、これらの共重合体等のフッ素樹脂などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

ブラックマトリクス２に撥インク性を付与することにより、隔壁となるブラックマトリクスを超えてインクがあふれてしまうことを防止し、隣接する着色画素間での混色を防止することができる。

一般に、撥インク性を付与した隔壁を用いてインクジェット方式によりカラーフィルタを製造する場合、「平坦性不良」が大きな改善課題となっている。これは、隔壁の撥インク性により各着色画素間の混色は防げるものの、隔壁側面でもインクがはじかれてしまい、断面において着色画素の形状は、中央部が高く盛り上がった凸形状になってしまうからである。すなわち、形成された着色画素は周縁部の膜厚が薄く、中央部が厚い、不均一な膜厚のものとなる。この結果、着色画素内での色ムラが生じてしまう（図３（ａ））。

一方、本発明によると、入射した光は着色画素を通過したのち、光散乱層を通過する為、光が散乱され出射する。すなわち、形成された着色画素の膜厚ムラに関わらず、透過した光は均一化され、色ムラがなくなる（図３（ｂ））。

本発明における光散乱層３としては、透明樹脂と、この透明樹脂中に分散され且つこの透明樹脂の屈折率と異なる屈折率を有する透明顔料とを主成分として含有するものが利用でき、この光散乱層に入射した光は透明樹脂と透明顔料との界面で屈折と反射とを生じてその出射方向を変化させる。そして、微粒子状の透明顔料が透明樹脂中に分散されている場合には、この屈折と反射とが繰り返される為、実質的に均一に出射されるのである。

光散乱層を形成する透明樹脂としては、液晶表示装置等の製造工程中の熱処理に耐え、可視光透過率の高い樹脂が望ましく、例えば、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系の樹脂が使用できる。具体的には、ポリメチルアクリレート樹脂等が利用できる。

また、光散乱材として用いる顔料は、光学的に等方性であることが必要である。等方性の材料としては、金属酸化物の酸化セリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、あるいは樹脂の粉末、マイクロカプセル、酸化ケイ素、各種ガラス粉末などが使用可能である。また、金属酸化物の他、フッ化物、硫化物、窒化物等の透明無機物を使用しても良い。

また、光散乱層に分散される透明顔料としては、粒径が１μｍ以下のものが望ましい。粒径が大きいと、光散乱膜の表面の凹凸が大きくなり、平坦化が困難になる。また、粒径が大きくなるにつれ、光散乱膜の必要膜厚が厚くなり不経済である。さらに、光散乱層をインクジェット法により形成する場合においては、透明顔料の粒径が大きくなればなるほど、ヘッドノズルが詰まってしまう恐れがある。以上の理由により、透明顔料の粒径としては１μｍ以下のものが望ましい。

光散乱層３の塗布方法としては、スピンコート、ロールコート、バーコート、スプレーコート、ディップコート、或いは印刷法等を用いることができる。また、ブラックマトリクス開口部のみに光散乱層を設ける場合には、その他にインクジェット法により所望の量だけ塗布することも可能である。
インクジェット法以外の塗布方法においても、ブラックマトリクス上面が撥インク性である為、光散乱層は所定の開口部のみに良好に充填される。また、ブラックマトリクス上面は光散乱層で覆われない為、上面の撥インク性は損なわれず、したがってインクジェット法により着色インクを吐出する際にも混色を防ぐものである。

本発明における着色インクの材料としては、色素と樹脂と溶媒を主成分としたものである。色素としては染料や顔料などが用いられる。樹脂としては、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルアセタール、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂などが用いられ、色素との関係にて適宜選択されるものである。耐熱性や耐光性が要求される際には、アクリル樹脂が好ましい。

着色インクに使用する溶剤種としては、インクジェット印刷における適性の表面張力の範囲は３５ｍＮ／ｍ以下で、且つ、沸点が１３０℃以上のものが好ましい。表面張力が３５ｍＮ／ｍ以上であるとインクジェット吐出時のドット形状の安定性に著しい悪影響を及ぼし、また、沸点が１３０℃以下であるとノズル近傍での乾燥性が著しく高くなり、その結果、ノズル詰まり等の不良発生を招くので好ましくない。

具体的には、2-メトキシエタノール、2-エトキシエタノール、2-ブトキシエタノール、2-エトキシエチルアセテート、2-ブトキシエチルアセテート、2-メトキシエチルアセテー
ト、2-エトキシエチルエーテル、2-（2-エトキシエトキシ）エタノール、2-（2-ブトキシエトキシ）エタノール、2-（2-エトキシエトキシ）エチルアセテート、2-（2-ブトキシエトキシ）エチルアセテート、2-フェノキシエタノール、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、上記要件を満たす溶剤なら用いることができる。また、必要に応じて２種類以上の溶剤を混合して用いても構わない。

また、樹脂への色素の分散を向上させる為に分散剤を用いてもよく、分散剤として、非イオン性界面活性剤では、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、またイオン性界面活性剤では、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリ脂肪酸塩、脂肪酸塩アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩など、その他に有機顔料誘導体、ポリエステルなどがあげられる。分散剤は単独で使用してもよく、また二種類以上を混合して使用しても良い。溶媒としては溶解性の他に経時安定性、乾燥性などが要求され、色素、樹脂との関係にて適宜選択されるものである。

また、本発明により形成されるカラーフィルタは着色画素の形成後、その耐性向上を目的として、熱、光、電子線等のエネルギーによる硬化処理が可能である。

以下に本発明の実施例を具体的に説明する。
（ブラックマトリクスの形成）
無アルカリガラス（コーニング社製「＃１７３７」）上にカーボンブラックを含有したレジスト材（新日鉄化学（株）製ブラックマトリクス用ネガ型レジストインキ「Ｖ−２５９ ＢＫ７３９Ｐ」に感光性シリコン化合物としてジメチルポリシランを１０％添加したものを膜厚１．５μｍとなるようにスピンコートし、プリベークをおこなった。その後、露光、現像、ポストベーク処理をおこなってブラックマトリクスを形成した。
（光散乱層の形成）
ブラックマトリクスを形成した上記ガラス基板に、ポリメチルアクリレート樹脂中に平均粒径０．１μｍのアナターゼ構造の酸化チタン微粒子を分散させたものを膜厚０．５μｍとなるようにスピンコートし、加熱し硬化させ、光散乱層を形成した。
（着色インクの調製）
メタクリル酸２０部、メチルメタクリレート１０部、ブチルメタクリレート５５部、ヒドロキシエチルメタクリレート１５部を乳酸ブチル３００ｇに溶解し、窒素雰囲気下でアゾビスイソブチルニトリル０．７５部を加え７０℃にて５時間の反応によりアクリル共重合樹脂を得た。得られたアクリル共重合樹脂を樹脂濃度が１０％になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで希釈しアクリル共重合樹脂の希釈液とした。この希釈液８０．１ｇに対し、顔料１９．９ｇ、分散剤０．９ｇを添加して、３本ロールにて混練し、赤色、緑色、青色の各着色ワニスを得た。この各着色ワニスをプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートで顔料濃度が１２〜１５％、粘度が１５ｃｐｓになるように調整し、Ｒ、Ｇ、Ｂ着色インクを得た。
（カラーフィルタの作製）
前記、ブラックマトリクスの開口部に光散乱層を設けたガラス基板の該ブラックマトリクス開口部に対して、上記Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の着色インクを使用し、１２ｐｌ、１８０ｄｐｉヘッドを搭載したインクジェット印刷装置により、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）各々の着色画素を形成した。

このようにして作製されたカラーフィルタを観察したところ、混色は確認されなかった。また、各画素とも領域内に均一にインクが濡れ広がり、膜厚も均一で色差がΔＥ_ab３以下と良好で信頼性の高いカラーフィルタが作製できた。

（光散乱層の形成）
無アルカリガラス（コーニング社製「＃１７３７」）上に、ポリメチルアクリレート樹脂中に平均粒径０．１μｍのアナターゼ構造の酸化チタン微粒子を分散させたものを膜厚０．５μｍとなるようにスピンコートし、加熱し硬化させ、光散乱層を形成した。
（ブラックマトリクスの形成）
上記、光散乱層をコートしたガラス基板上に、カーボンブラックを含有したレジスト材（新日鉄化学（株）製ブラックマトリクス用ネガ型レジストインキ「Ｖ−２５９ ＢＫ７３９Ｐ」に感光性シリコン化合物としてジメチルポリシランを１０％添加したものを膜厚１．５μｍとなるようにスピンコートし、プリベークをおこなった。その後、露光、現像、ポストベーク処理をおこなってブラックマトリクスを形成した。

着色インクの調製、カラーフィルタの作製は実施例１と同様の方法でおこなった。

このようにして作製されたカラーフィルタを観察したところ、混色は確認されなかった。また、画素の色度を測定したところ、画素内での色差がΔＥ_ab３以下と良好なカラーフィルタが作製できた。

実施例１において、光散乱層の塗布をおこなわず、ブラックマトリクス開口部に対して、直接、インクジェット印刷装置により着色インクの塗布をおこなった。

このようにして作製されたカラーフィルタを観察したところ、混色は確認されなかったが、形成された画素は周縁部の膜厚が薄く、中央部が厚い、不均一な膜厚のものとなり、色ムラが大きく、色差がΔＥ_ab１０以上であった。

本発明によるカラーフィルタを製造する方法の一例を説明する工程図である。 本発明によるカラーフィルタの他の製造方法を説明する工程図である。 （ａ）は、従来の着色画素の色ムラの説明図である。

（ｂ）は、本発明による着色画素の色ムラの説明図である。

符号の説明

１・・・透明基板
２・・・ブラックマトリクス
３・・・光散乱層
４・・・着色インク
５・・・入射光
６・・・透過光

Claims (6)

1. 透明基板上に樹脂製のブラックマトリクスと該ブラックマトリクスの開口部に形成された着色画素とを少なくとも有するカラーフィルタにおいて、着色画素が、予め、開口部の透明基板上に設けられた光散乱層上に、インクジェット方式により硬化型インクを付与して形成された着色画素であることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 前記透明基板と樹脂製のブラックマトリクスとの間に光散乱層を設けたことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 前記樹脂製のブラックマトリクスが、撥インク性であることを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載のカラーフィルタ。
4. 前記光散乱層が、光学的に等方性な透明顔料を分散させた透明樹脂から成ることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のカラーフィルタ。
5. 前記透明顔料が粒径１μｍ以下の微粒子から成ることを特徴とする請求項４に記載のカラーフィルタ。
6. 前記透明顔料を分散させた透明樹脂をインクジェット法により樹脂製のブラックマトリクスの開口部に付与したことを特徴とする請求項４、又は請求項５に記載のカラーフィルタ。

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