JP3974141B2 - 半透過型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、半透過型液晶表示装置に係る発明であって、特に、柱状スペーサを有す半透過型液晶表示装置に関するものである。

一般的な半透過型液晶表示装置では、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）が形成される基板（以下、ＴＦＴアレイ基板ともいう）に、バックライト光を透過させる透過領域と、液晶層に入射した周囲光を反射させる反射領域とが画素毎に設けられている。一方、ＴＦＴアレイ基板に対向する位置には、赤及び緑、青の色材を用いたカラーフィルタが形成される基板（以下、カラーフィルタ基板ともいう）が設けられている。そして、ＴＦＴアレイ基板とカラーフィルタ基板とが液晶層を挟持している。

このような半透過型液晶表示装置では、各画素において透過光と反射光との光路長を揃えるため、液晶層の厚み（ＴＦＴアレイ基板とカラーフィルタ基板との間隙、又はセルギャップともいう）は、透過領域と反射領域とで異なる。具体的には、透過領域の液晶層の厚みをｄｔとした場合、反射領域の液晶層の厚みは１／２ｄｔとするのが一般的である。このように領域毎に液晶層の厚みが異なる場合、特に反射領域における液晶層の厚みに対してシビアなコントロールが要求される。このため、液晶層の厚みをコントロールする手段として、カラーフィルタ基板側あるいはＴＦＴアレイ基板側に感光性有機膜を用いたスペーサ（以下、柱状スペーサともいう）を形成する場合がある。この柱状スペーサを用いた半透過型液晶表示装置は、特許文献１に詳しい。

次に、液晶を配向させる一般的な手法として、カラーフィルタ基板及びＴＦＴアレイ基板にポリイミド膜を転写法で形成し、当該ポリイミド膜を、毛を編み込んだ布で擦るラビング法が用いられる。上記で説明した半透過型液晶表示装置の場合、ラビング法を行う前に、カラーフィルタ基板側あるいはＴＦＴアレイ基板側に柱状スペーサを形成するので、その周辺部でラビングを均一に行うことができず、液晶の配向状態に不均一が生じる。この液晶の配向状態の不均一は、半透過型液晶表示装置のコントラスト低下やドメイン発生の原因となり問題となる。

一般的に、柱状スペーサは、表示に影響を及ぼさない画素領域内の遮光膜上に配置される。しかし、柱状スペーサは感光性有機膜で形成するため、その大きさには制約があり、パターンの大きさに起因する強度や剥離の問題を勘案すると直径１０μｍ以上程度にする必要があった。そのため、柱状スペーサは、コントラスト低下やドメイン発生への影響度（見た目の目立ち易さ）をより緩和するように、透過率の低い青色の画素（赤及び縁、青の３原色の色材を用いたカラーフィルタの場合）に配置することが一般的であった。

特開２００３−３４４８３８号公報

赤及び縁、青の３原色の色材を用いたカラーフィルタは、透過率を高くするため視感度の高い緑の色材について特性を良くしている。そのため、当該色材を半透過型液晶表示装置に用いた場合、反射モードにおいて白の色味が黄色にシフトする問題があった。

この問題を改善するために、反射領域のカラーフィルタと透過領域のカラーフィルタとを変える手法が、特許文献１に開示されている。しかし、特許文献１の場合、カラーフィルタの色材の種類を従来の３色から６色に変更する必要があり、多大な製造コストがかかる問題があった。

また、別の手法として、反射領域の色材に穴をあけ透明樹脂を形成することで反射モードでの白の色味を調整する手法が提案されている。しかし、この手法を用いると白色については変調することができても、透明樹脂の部分から他の波長の光が漏れるため、赤色、緑色、青色の純度の低下が生じ、表示上の見栄えが劣化する問題があった。

さらに、上述の柱状スペーサを青色の画素領域に配置することにより、青色の画素領域からの光が減り、より一層白の色味が変化してしまう問題があった。この白の色味の変化を抑えるために、青色の画素領域に設けた柱状スペーサの近傍に形成される遮光部を、赤色の画素領域や緑色の画素領域にも形成する。しかし、この方法では、画素に占める遮光領域の割合が増え、反射率の低下が生じる問題があった。

そこで、本発明は、柱状スペーサを設けた半透過型液晶表示装置において、透過領域に用いる色材と反射領域に用いる色材とが同じであっても、反射モードにおける白の色味の変化を抑えることができるとともに、反射率の低下を最小限に抑えることが可能な半透過型液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る解決手段は、赤及び緑、青の色材で各画素を形成するカラーフィルタと、遮光膜とを有する第１基板と、前記画素内に透過領域を形成する透過画素電極と、反射領域を形成する反射画素電極と、前記透過画素電極及び前記反射画素電極に印加する信号や制御信号を供給する配線を有する第２基板と、前記第１基板と前記第２基板とに挟持された液晶と、反射領域に、前記第１基板と前記第２基板との間隙を規定する柱状スペーサとを備え、遮光膜と同一層で、且つ緑の色材を有する画素の反射領域のみに形成された、前記遮光膜の面積を大きくする遮光部をさらに備える。

本発明に記載の半透過型液晶表示装置は、遮光部が遮光膜と同一層で、且つ緑の色材を有する画素の反射領域のみに形成され、前記遮光膜の面積を大きくするので、透過領域に用いる色材と反射領域に用いる色材とが同じであっても、反射モードにおける白の色味の変化を抑えることができるとともに、反射率の低下を最小限に抑えることができる効果がある。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置におけるＴＦＴアレイ基板の概略を示す平面図である。図１では、ＴＦＴアレイ基板１０に設けられる各画素に、光を透過させる透過領域Ｔと、液晶層に入射した周囲光を反射させる反射領域Ｓとが形成されている。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置におけるＴＦＴアレイ基板の製造方法を説明するための断面図である。なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）は、ソース配線部及び反射領域Ｓ（図１の矢視Ａ−Ａ線）、透過領域Ｔ及び反射領域Ｓ（図１の矢視Ｂ−Ｂ線）、ＴＦＴ（図１の矢視Ｃ−Ｃ線）の断面のそれぞれを仮想的に１つの断面図として図示している。

図１及び図２（ａ）〜図２（ｄ）において、ガラス基板等の透明絶縁性基板１上には、第１の導電膜からなるゲート電極２１を備えたゲート配線２２、反射領域Ｓに形成される第１の補助容量電極２３及び透過領域Ｔに形成される第２の補助容量電極２５を備えた補助容量配線２４が形成されている。ここで、第１の補助容量電極２３及び第２の補助容量電極２５、補助容量配線２４は、バックライトからの光漏れを防止するためと、一定期間電圧を保持するために設けられている。

そして、ゲート配線２２等の上層に第１の絶縁膜３が設けられる。ゲート電極２１上には、第１の絶縁膜（ゲート絶縁膜）３を介して半導体層である半導体能動膜４及びオーミックコンタクト膜５が形成されている。このオーミックコンタクト膜５は、中央部が除去されて２つの領域に分割され、一方に第２の導電膜からなるソース電極６１、他方に第２の導電膜からなるドレイン電極６２が積層されている。ここで、半導体能動膜４及びオーミックコンタクト膜５、ゲート電極２１、ソース電極６１、ドレイン電極６２によりスイッチング素子であるＴＦＴ６４が構成される。

また、ソース電極６１から延びたソース配線６３が、第１の絶縁膜３を介してゲート配線２２と交差するように設けられる。また、この交差部およびソース配線６３には、耐電圧を向上させるために半導体能動膜４およびオーミックコンタクト膜５を残存させる。

反射領域Ｓには、ドレイン電極６２から延びた反射画素電極６５が形成されている。すなわち、反射画素電極６５は、第２の導電膜により形成されている。このため、第２の導電膜には、少なくともその表面層に反射率の高い金属膜を有する材料が用いられる。なお、ソース電極６１と接続されるソース配線６３も、第２の導電膜により形成されている。また、反射画素電極６５とソース配線６３との短絡による欠陥を防止するために、反射画素電極６５はソース配線６３から所定の間隔Ｌ（好ましくは５μｍ〜１０μｍ程度）を保持して配置する。

反射画素電極６５等を覆うように第２の絶縁膜７を設け、反射画素電極６５上の第２の絶縁膜７の一部を除去してコンタクトホール８１を形成する。第２の絶縁膜７の上層に透過率の高い導電膜（以下、透明導電膜ともいう）からなる透過画素電極９１が形成され、透過領域Ｔを形成する。透過画素電極９１は、コンタクトホール８１を介して反射画素電極６５と電気的に接続され、さらに反射画素電極６５を介してドレイン電極６２と電気的に接続されている。また、反射画素電極６５とソース配線６３との間には、第２の絶縁膜７を介してコントラスト低下防止電極９５が設けられている。このコントラスト低下防止電極９５は、透明導電膜であり透過画素電極９１と同時に形成される。本実施の形態では、コントラスト低下防止電極９５がソース配線６３に沿って、ほぼ平行に形成されている。

次に、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のＴＦＴアレイ基板１０の製造工程について、図２（ａ）〜図２（ｄ）を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板等の透明絶縁性基板１を洗浄して表面を浄化した後、この透明絶縁性基板１上にスパッタリング法等を用いて第１の導電膜を成膜する。第１の導電膜は、例えばクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）又はアルミニウム（Ａｌ）などを主成分とする合金等からなる薄膜である。本実施の形態では、第１の導電膜として膜厚４００ｎｍのクロム膜を成膜する。

次に、第１の写真製版工程にて第１の導電膜をパターニングし、ゲート電極２１及びゲート配線２２、第１の補助容量電極２３、補助容量配線２４、第２の補助容量電極２５を形成する。第１の補助容量電極２３は、反射領域Ｓのほぼ全面に形成するが、第２の補助容量電極２５は、ソース配線６３と平行するように透過領域Ｔの一部に形成される。補助容量配線２４は、第１の補助容量電極２３及び第２の補助容量電極２５と電気的に接続され、ソース配線６３に沿うように形成する。第１の写真製版工程では、まず、基板を洗浄後に感光性レジストを塗布し、乾燥した後に、所定のパターンのマスクを用いて露光する。そして、第１の写真製版工程では、露光した基板を現像することにより基板上に転写されたマスタパターンに基づいてレジストを形成し、当該レジストを加熱硬化した後に、第１の導電膜をエッチングして第１の導電膜をパターニングする。第１の写真製版工程では、第１の導電膜のパターニング後、感光性レジストを剥離する。

なお、第１の導電膜のエッチングは、公知のエッチャントを用いてウエットエッチング法で行うことができる。例えば、第１の導電膜がクロムである場合、第二硝酸セリウムアンモニウム及び硝酸が混合された水溶液が用いられる。また、第１の導電膜のエッチングにおいては、パターンエッジの段差部における絶縁膜のカバレッジを向上させて、他の配線との短絡を防止するために、パターンエッジ断面を台形のテーパー形状とするテーパーエッチングが好ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法等を用いて第１の絶縁膜３、半導体能動膜４、オーミックコンタクト膜５を連続して成膜する。ゲート絶縁膜となる第１の絶縁膜３には、ＳiＮｘ膜、ＳiＯｙ膜、ＳiＯｚＮｗ膜のいずれかの単層膜もしくはこれらを積層した多層膜が用いられる（なお、ｘ，ｙ，ｚ，ｗは、それぞれ化学量論組成を表す正数である）。第１の絶縁膜３の膜厚は、薄い場合にはゲート配線２２とソース配線６３との交差部で短絡が生じやすく、厚い場合にはＴＦＴ６４のＯＮ電流が小さくなり表示特性が低下する。このことから、第１の絶縁膜３は、第１の導電膜より厚く形成するが、なるべく薄くする方が好ましい。また、第１の絶縁膜３はピンホール等の発生による層間ショートを防止するために、複数回に分けて成膜することが好ましい。本実施の形態では、膜厚３００ｎｍのＳiＮ膜を成膜した後、さらに膜厚１００ｎｍのＳiＮ膜を成膜することにより、膜厚４００ｎｍのＳiＮ膜を第１の絶縁膜３として形成している。

半導体能動膜４としては、アモルファスシリコン（ａ−Ｓi）膜、ポリシリコン（ｐ−Ｓi）膜等が用いられる。半導体能動膜４の膜厚は、薄い場合、後述するオーミックコンタクト膜５のドライエッチング時に膜の消失が発生し、厚い場合、ＴＦＴ６４のＯＮ電流が小さくなる。このことから、半導体能動膜４の膜厚は、オーミックコンタクト膜５のドライエッチング時におけるエッチング量の制御性と、必要とするＴＦＴ６４のＯＮ電流値とを考慮して決定される。本実施の形態では、膜厚が１５０ｎｍであるａ−Ｓi膜の半導体能動膜４を成膜している。

オーミックコンタクト膜５としては、ａ−Ｓiにリン（Ｐ）を微量にドーピングしたｎ型ａ−Ｓi膜、あるいはｎ型ｐ−Ｓi膜が用いられる。本実施の形態では、オーミックコンタクト膜５として膜厚３０ｎｍのｎ型ａ−Ｓi膜を成膜している。

次に、第２の写真製版工程を行い、半導体能動膜４及びオーミックコンタクト膜５について少なくともＴＦＴ６４が形成される部分をパターニングする。なお、半導体能動膜４及びオーミックコンタクト膜５は、ＴＦＴ６４が形成される部分の他に、ゲート配線２２とソース配線６３との交差部（Ｓ／Ｇクロス部）やソース配線６３が形成される部分にも残存させることにより、耐電圧を大きくすることができる。なお、半導体能動膜４及びオーミックコンタクト膜５のエッチングは、公知のガス組成（例えば、ＳＦ₆とＯ₂の混合ガス又はＣＦ₄とＯ₂の混合ガス）を用いてドライエッチング法で行うことができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、スパッタリング法等を用いて第２の導電膜を成膜する。第２の導電膜には、例えばクロム、モリブデン、タンタル、チタン又はこれらを主成分とする合金の第１層６ａと、アルミニウム、銀（Ａｇ）又はこれらを主成分とする合金の第２層６ｂとで構成されている。ここで、第１層６ａは、オーミックコンタクト層５及び第１の絶縁膜３の上に、これらに直接接触するよう成膜される。一方、第２層６ｂは、第１層６ａ上に直接接触するように重ねて成膜される。第２の導電膜はソース配線６３及び反射画素電極６５として用いられるため、配線抵抗及び表面層の反射特性を考慮して構成する必要がある。本実施の形態では、第２の導電膜の第１層６ａとして膜厚１００ｎｍのクロム膜、その第２層６ｂとして膜厚３００ｎｍのＡｌＣｕ膜を成膜する。

なお、第２の導電膜上には、後述の工程でドライエッチングによりコンタクトホール８１が形成され、コンタクトホール８１内の一部に、電気的接続を得るための導電性薄膜（透明導電膜）が形成されるため、表面酸化が生じ難くい金属薄膜や酸化されても導電性を有する金属薄膜を第２の導電膜として用いることが好ましい。また、第２の導電膜としてＡｌ系の材料を用いる場合は、表面酸化による導電性の劣化を防止するために、表面に窒化Ａｌ膜を形成するか、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉなどの膜を形成すればよい。

次に、第３の写真製版工程にて、第２の導電膜をパターニングし、ソース電極６１を備えたソース配線６３、ドレイン電極６２を備えた反射画素電極６５を形成する。なお、ドレイン電極６２と反射画素電極６５とは、同一層で連続して形成され、同一層内で電気的に接続されている。第２の導電膜のエッチングは、公知のエッチャントを用いてウエットエッチング法で行うことができる。

続いて、ＴＦＴ６４のオーミックコンタクト膜５の中央部をエッチング除去し、半導体能動膜４を露出させる。オーミックコンタクト膜５のエッチングは、公知のガス組成（例えば、ＳＦ₆とＯ₂の混合ガス又はＣＦ₄とＯ₂の混合ガス）を用いてドライエッチング法で行うことができる。

また、後述するコンタクトホール８１を形成する部分のＡｌＣｕの第２層６ｂを除去して、コンタクトエリア６６を形成しても良い。このコンタクトエリア６６は、第３の写真製版工程の際に、除去部分のフォトレジスト厚が薄く仕上がるようにハーフトーン露光などの方法を用いて露光し、オーミックコンタクト膜５のドライエッチング後に酸素プラズマ等を用いてレジストの減膜処理することで除去部分のレジストのみ除去し、ＡｌＣｕをウエットエッチングすることで形成することができる。これにより、後述する透過画素電極９１とコンタクトする第２の導電膜の表面が第１層６ａのクロム膜となり、良好な導電率を持つコンタクト面を得ることができる。

ここで、ハーフトーン露光のプロセスについて説明する。ハーフトーン露光では、ハーフトーンのフォトマスク（例えば、Ｃｒで形成されたパターンに濃淡を持たせたフォトマスク）を介して露光することにより、露光強度を調整してフォトレジストの残存膜厚を制御している。その後、フォトレジストが完全に除去されている部分の膜に対してまずエッチングを行う。次に、フォトレジストに対して酸素プラズマ等を用いて減膜処理することにより、残存膜厚が少ない部分のフォトレジストのみが除去される。そして、フォトレジストの残存膜厚が少なかった部分（フォトレジストが除去されている）の膜に対してエッチングを行う。これにより、１回の写真製版工程により２工程分のパターニングが可能となる。

第２の導電膜の表面に、窒化Ａｌ膜（例えば、ＡｌＣｕＮ）等を形成する場合は、反射率は若干低下するが、後述する透過画素電極９１との良好なコンタクトが得られるため、あえてコンタクトエリア６６を形成する必要はなく、ハーフトーン露光の工程を省略することができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤ法等を用いることで第２の絶縁膜７を成膜する。第２の絶縁膜７としては、第１の絶縁膜３と同じ材質を用いて形成することができ、膜厚は下層パターンのカバレッジを考慮して決めることが好ましい。本実施の形態では、第２の絶縁膜７として膜厚５００ｎｍのＳｉＮ膜を成膜する。

そして、図２（ｃ）に示すように、第４の写真製版工程にて第２の絶縁膜７をパターニングして、反射画素電極６５上の一部にコンタクトホール８１を形成する。第２の絶縁膜７のエッチングは、公知のエッチャントを用いてウエットエッチング法、もしくは公知のガス組成を用いてドライエッチング法で行うことができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、スパッタリング法等を用いることで後述する透過画素電極９１を構成する透明導電膜を成膜する。透明導電膜としては、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide），ＳｎＯ₂などを用いることができ、特に化学的安定性の観点からＩＴＯを用いることが好ましい。なお、ＩＴＯは、結晶化ＩＴＯ又はアモルファスＩＴＯ（ａ−ＩＴＯ）のいずれでもよいが、ａ−ＩＴＯを用いた場合は、パターニング後、結晶化温度１８０℃以上に加熱して結晶化させる必要がある。本実施の形態では、透明導電膜として膜厚８０ｎｍのａ−ＩＴＯを成膜する。

次に、図２（ｄ）に示すように、第５の写真製版工程にて透明導電膜をパターニングし、透過領域Ｔの透過画素電極９１を形成する。パターニング時のずれ等を考慮し、反射領域Ｓと透過領域Ｔとの境界部において、透過画素電極９１は、第２の絶縁膜７を介して反射画素電極６５と一部重なるように形成する。なお、境界部以外の反射領域Ｓには透明導電膜を形成しないようにすることで、反射率が低下することを防止している。また、透明導電膜と第１の絶縁膜３及び第２の絶縁膜７との間の電圧の減少を防止できるので、透過画素電極９１と反射画素電極６５の電圧をほぼ同電位とすることができる。また、反射画素電極６５と透過画素電極９１の接続部にあたるコンタクトホール８１の側壁部は透明導電膜により被覆される。このようにして本実施の形態に係るＴＦＴ基板１０が形成される。

次に、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のカラーフィルタ基板３０の構造について説明する。図３は１絵素分（赤色画素、緑色画素、青色画素、３画素の集合体）のカラーフィルタ基板３０の平面図を示す。図３に示す各画素は、透過領域Ｔと反射領域Ｓとに分割され、透過領域Ｔと反射領域Ｓとで液晶層の厚みを変えるために、反射領域Ｓに透明樹脂層３１を配置している。透明樹脂層３１の配置は、色材３２の下に配置する場合と、色材３２の上に配置する場合とがあり、本実施の形態では、色材３２の下に配置する構成とした。そして、図３では、赤色画素には赤の色材３２Ｒが、緑色画素には緑の色材３２Ｇが、青色画素には青の色材３２Ｂがそれぞれ形成され、ゲート配線２２やソース配線６３等からの光漏れを防止するために設けられる遮光膜３４が設けられている。なお、これらの構成については、後述するカラーフィルタ基板３０の製造方法で詳細に説明する。

透明樹脂層３１を反射領域Ｓに設けることで、透過領域Ｔとの境界で段差が生じ、その近傍で液晶の配向状態の乱れが生じる。半透過型液晶表示装置の反射モードと透過モードとではコントラストが大きく異なり、透過モードのコントラストは１００以上が一般的であるのに対し、反射モードのコントラストは高くても５０程度である。これは、反射モードが外光を利用し表示させるため、液晶表示装置の表面反射が黒表示の輝度に加算されることで生じる原理上の差異である。ゆえに、液晶の配向状態が乱れる部分（段差部分）では、遮光膜（ブラックマトリクス）を設けて遮光するか、反射領域Ｓ内に配置するかのいずれかを選択する必要がある。本実施の形態では、反射領域Ｓの減少を懸念し、図３に示すように段差部分を反射領域Ｓ内に配置する設計とした。また、ＴＦＴアレイ基板１０とカラーフィルタ基板３０との重ね合わせバラツキ、透明樹脂層３１の形成位置精度とそのバラツキ、反射画素電極６５の形成精度とそのバラツキ等を考慮して、本実施の形態では、段差部分から透過領域Ｔまでの距離を８μｍと設定した。

次に、本実施の形態では、カラーフィルタ基板３０の緑色画素に柱状スペーサ３３を設ける構成としている。図３では、ＴＦＴアレイ基板１０上のゲート配線２２に対向するカラーフィルタ基板３０上の位置近傍に柱状スペーサ３３を配置している。なお、本発明では、柱状スペーサ３３の配置は、ゲート配線２２に対向する位置近傍に限られず、遮光膜３４が配置されているソース配線６３に対向する位置近傍やＴＦＴ６４に対向する位置近傍であっても良い。また、柱状スペーサ３３を配置する場合、柱状スペーサ３３の影になる部分が液晶の配向不良領域となる。そのため、柱状スペーサ３３の大きさに加えて柱状スペーサ３３近傍の配向不良領域を含む部分に、遮光部３６を設ける必要がある。つまり、本実施の形態では、柱状スペーサ３３が形成された位置近傍の所定の領域に遮光部３６を設けている。図３では、ゲート配線２２及びソース配線６３に対向する位置を破線で示している。

配向処理方法にもよるが本実施の形態では、柱状スペーサ３３の直径を２０μｍとし、さらにその外側の直径２５μｍの範囲を配向不良領域とし、柱状スペーサ３３及び配向不良領域からの光漏れを防止できるように遮光部３６を設計としている。図３では、緑色画素に柱状スペーサ３３を配置し、赤色画素、青色画素には柱状スペーサ３３を配置していない。そのため、柱状スペーサ３３を配置した緑色画素のみに遮光部３６を配置し、他の画素には遮光部３６を設けていない。

柱状スペーサ３３の高さは、反射領域Ｓの液晶層の厚みにより最適に設定される。対向するＴＦＴアレイ基板１０上の材質や柱状スペーサ３３の下地膜の材質によりその設定値は異なり、デバイス毎に最適化する必要がある。ただし、透過領域Ｔにおける液晶層の厚みは、応答速度の特性上の制限からさほど厚くすることができない。また、反射領域Ｓにおける液晶層の厚みは、厚くし過ぎると反射時の白表示が黄色味を帯びすぎる。さらに、前述したように反射領域Ｓにおける液晶層の厚みは、透過領域Ｔにおける液晶層の厚みの約１/２に設定する必要がある。以上のことから、反射領域Ｓにおける液晶層の厚みは、１〜３μｍ程度に設定する必要がある。本実施の形態では、反射領域Ｓにおける液晶層の厚みを２μｍとし、柱状スペーサ３３の高さを２．２μｍとしている。また、透過領域Ｔにおける液晶層の厚みは３．８μｍと設定した。

本発明に係る半透過型液晶表示装置における色材３２は、ストライプパターンやドットパターンで配置する。隣り合う色材３２の配置には、隣り合う色材３２同士が重なり合う配置や、ある程度の間隔をあける配置がある。色材３２の膜厚は、所望の色特性によっても変わるが０．５〜３．５μｍ程度に設定する。本実施の形態では、色再現範囲（Gamut）を５０％とするため色材３２の膜厚を１．２μｍとしている。また、反射領域Ｓにおいて、液晶層の厚みの違いにより生じる色の変化をなくすため、赤、青、緑、それぞれ同一の厚さに調整した。さらに、隣接の色材３２を重ねる配置にすると、同じ膜厚設定では対向するＴＦＴアレイ基板１０とショートすることも懸念されるため、本実施の形態では、色材３２の形状はストライプ形状とし、隣り合う色材３２の間隔は色材３２の位置精度と形状バラツキを考慮して５μｍ離す配置とした。

次に、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のカラーフィルタ基板３０の製造方法について、図４（ａ）〜図４（ｈ）及び図５（ａ）〜図５（ｈ）を用いて述べる。なお、図４（ａ）〜図４（ｈ）までが反射領域Ｓのカラーフィルタ基板３０の断面図を示し、図５（ａ）〜図５（ｈ）までが透過領域Ｔのカラーフィルタ基板３０の断面図を示す。

まず、ガラス基板等の透明絶縁性基板２を洗浄して表面を浄化する。基板洗浄後、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、透明絶縁性基板２上にスパッタリング法やスピンコート法等により遮光特性を有する膜３７を成膜する。そして、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、遮光特性を有する膜３７をパターニングして遮光膜３４や柱状スペーサ３３の配置近傍に設ける遮光部３６を形成する。具体的には、遮光特性を有する膜３７に感光性レジストを塗布し、写真製版法により露光、現像を用い遮光膜３４等のパターンを形成する。なお、遮光特性を有する膜３７には、透明絶縁性基板２の外側からの見た目を黒くする、酸化Ｃｒ膜や酸化Ｎｉ膜の多層構造を用いる場合やブラック樹脂を用いる場合がある。本実施の形態では、酸化Ｃｒの多層膜を用い、その膜厚を１５０ｍｍとしている。

次に、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、反射領域Ｓと透過領域Ｔとの液晶層の厚みを調整するための透明樹脂層３１を反射領域Ｓのみに形成する。透明樹脂層３１は、スピンコート法等により所望の膜厚を透明絶縁性基板２上に塗布し露光、現像を行うことで形成される。なお、反射領域Ｓと透過領域Ｔとで液晶層の厚みを変えるためには、色材３２や透明樹脂層３１の膜厚設定を行う必要がある。透過領域Ｔの色材３２の膜厚を１．２μｍとしたとき、透明樹脂層３１上に塗布される色材３２の膜厚（反射領域Ｓの色材３２の膜厚）は７０％程度になる。つまり、透過領域Ｔの色材３２の厚みと透明樹脂層３１上の色材３２の厚みとの差分は、１．２μｍ×３０％＝０．３６μｍとなる。このため、透明樹脂層３１の膜厚は、透過領域Ｔの液晶層の厚み３．８μｍから反射領域Ｓの液晶層の厚み２．０μｍを引いた１．８μｍに対し、色材３２の差分０．３６μｍとＴＦＴアレイ基板１０上での透過領域Ｔと反射領域Ｓとの膜厚差０．７２μｍを引いた１．４４μｍと設定される。

透明樹脂層３１上に形成される色材３２の膜厚は、透明樹脂層３１の膜厚や透過領域Ｔの色材３２の膜厚によって変わる。透過領域Ｔの色材３２の膜厚を１．２μｍとしたとき、透明樹脂層３１の膜厚と反射領域Ｓにおける色材３２の膜厚との相関関係を図６に示す。図６では、横軸が透明樹脂層３１の膜厚（μｍ）、縦軸が透過領域Ｔの色材３２の膜厚に対する反射領域Ｓの色材３２の膜厚の割合を表している。

また、透明樹脂層３１の膜厚を１．７μｍとしたとき、透過領域Ｔの色材３２の膜厚と反射領域Ｓの色材３２の膜厚との相関関係を図７に示す。図７では、横軸が透過領域Ｔの色材３２の膜厚（μｍ）、縦軸が透過領域Ｔの色材３２の膜厚に対する反射領域Ｓの色材３２の膜厚の割合を表している。必要とする色特性や液晶層の厚みを考慮しながら、図６及び図７の関係を用いて、透明樹脂層３１の膜厚や色材３２の膜厚を設定する。本実施の形態では、図６及び図７において丸に示したポイントで透明樹脂層３１の膜厚や色材３２の膜厚を設定した。

次に、図４（ｄ）〜図４（ｆ）及び図５（ｄ）〜図５（ｆ）に示すように、色材３２の塗布を行う。なお、色の塗布順番は任意で良い。本実施の形態では、図４（ｄ）及び図５（ｄ）で赤色の色材３２Ｒ、図４（ｅ）及び図５（ｅ）で緑色の色材３２Ｇ、図４（ｆ）及び図５（ｆ）で青色の色材３２Ｂの順で塗布している。同一の塗布工程を各色の色材３２で繰り返すため、ここでは赤色の色材３２Ｒの塗布について詳細に述べる。まず、赤色の色材３２Ｒをスピンコート法等により基板全面に塗布する。そして、上述のように色材３２Ｒの膜厚が１．２μｍとなるように制御する。続いて、写真製版法により露光、現像を行って、所定のパターンの色材３２Ｒを形成する。

次に、図４（ｇ）及び図５（ｇ）に示すように、色材３２の上に透明電極３８を形成する。具体的には、色材３２の上に、マスクスパッタ法や蒸着法を用いて、ＩＴＯ膜である透明電極３８を成膜する。本実施の形態では、マスクスパッタ法により形成し、その膜厚を１４５０オングストローム（０．１４５μｍ）としている。

最後に、図４（ｈ）に示すように、緑色の色材３２Ｇが形成された画素の透明電極３８上に柱状スペーサ３３が形成される。一般的に、スリット＆スピン法等を用いて透明樹脂の膜を塗布後、写真製版法により柱状スペーサ３３のパターンを形成する。柱状スペーサ３３は、塗布膜の均一性、硬さが必要となるので、本実施の形態では、ＪＳＲ社製のＮＮ７８０を使用し、膜厚を２．２μｍに設定している。なお、図５（ｈ）に示すように、透過領域Ｔには柱状スペーサ３３を設けない。

以下、特に図示しないが、上述のようにして形成されたＴＦＴアレイ基板１０及びカラーフィルタ基板３０は、その後のセル化工程において配向膜が塗布され、一定の方向にラビング処理が施される。そして、両基板を貼り合わせるためにシール材が片側の基板に塗布される。シール材の塗布と同時に、両基板を電気的に接続するためのトランスファ電極も配置される。ＴＦＴアレイ基板１０及びカラーフィルタ基板３０は、互いの配向膜が向き合うように重ね合わされ、位置合わせ後にシール材を硬化させて両基板を貼り合わせる。

ここで、シール材としては、熱硬化型エポキシ系樹脂や光硬化型アクリル系樹脂などが用いられる。本実施の形態においても、熱硬化型エポキシ系樹脂のシール材である日本化薬社製のＭＰ−３９００を使用している。また、トランスファ電極の材料としては、銀ぺーストやシール材中に混入する導電性粒子などがある。本実施の形態では、シール材に積水化学社製のＡｕコーティングしたミクロパール（登録商標）（径５．０μｍ）を使用した。ＴＦＴアレイ基板１０とカラーフィルタ基板３０とを貼り合わせ後、両基板間に液晶を注入する。上述のようにして形成された液晶パネルの両面に偏光板を貼り付けた後、背面にバックライトユニットに取り付ける等を行うことにより、半透過型液晶表示装置が完成する。

以上のように、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置は、柱状スペーサ３３を緑色の画素に配置し、柱状スペーサ３３を配置した近傍には遮光部３６を設けるが、赤色や青色の画素には遮光部３６を設けないので、柱状スペーサ３３の近傍における配向不良からの光漏れを防ぐことができる。また、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置は、緑色の画素における反射領域Ｓの開口面積が赤色や青色の画素における反射領域Ｓの開口面積に比べて小さいため、反射モードにおいて白表示が黄色味を帯びることを抑制することができる。さらに、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置は、赤色や青色の画素の開口面積を減らすことがないため反射率の低減を抑制することもできる。

比較例として、赤、緑、青のカラーフィルタに配置される遮光膜３４の形状を共通にした場合の白の色度αと、青色の画素に柱状スペーサ３３を配置し、その近傍にのみ遮光部３６を配置した場合の白の色度βと、緑色の画素に柱状スペーサ３３を配置し、その近傍にのみ遮光部３６を配置した場合の白の色度γとを図８に示す。図８に示す白の色度は、一般的に太陽光として使用されるＤ６５の光源を用いて測定された、反射モードでの白の色度である。なお、使用した光源Ｄ６５は例示であって、本発明の効果は、光源種類によって影響を受けない。また、図８では、画素の大きさを１００μｍ×３００μｍとし、反射領域Ｓの開口率を、遮光部３６を配置した場合には３２％、配置しない場合には３４％として測定している。本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置の白の色度は、緑色の画素に柱状スペーサ３３を配置し、その近傍にのみ遮光部３６を配置した場合の白の色度γであり、図８の結果から、白の色度γは、遮光膜３４の形状を共通にした場合の白の色度αと比べて、青い特性であることが分かる。

上述のＴＦＴアレイ基板１０の構造や製造方法で説明したように、ＴＦＴアレイ基板１０の表面には多層膜が形成され、任意の厚さの凹凸部が存在している。そのため、柱状スペーサ３３の配置は、ＴＦＴアレイ基板１０上の平坦な部分で、且つカラーフィルタ基板３０の遮光膜３４に配置することが望ましい。これらを勘案して、本実施の形態では、ＴＦＴアレイ基板１０のゲート配線２２の位置に柱状スペーサ３３を配置した。なお、柱状スペーサ３３を、ＴＦＴアレイ基板１０上の平坦な部分に対応する位置に配置することで、液晶層の厚みのバラツキを最小限に抑えることができる。

さらに、柱状スペーサ３３の配置を反射領域Ｓとすることで、柱状スペーサ３３の高さが、透明樹脂層３１の膜厚分を抑えることができ、透過領域Ｔに設ける場合に比べて１／２にすることができる。これにより、柱状スペーサ３３を形成するための樹脂使用量が１／２となりコストダウンが可能となる。

以上のように、柱状スペーサ３３の配置を工夫することで、液晶層の厚みのバラツキを最小限に抑制し、加えて柱状スペーサ３３に用いる樹脂の使用量を抑制することがでる。また、柱状スペーサ３３の配置を工夫することで、液晶層の厚みのバラツキによる表示ムラが生じない半透過型液晶表示装置を形成でき、使用するカラーフィルタをより安価に製造することが可能となる。

柱状スペーサ３３は、均一に塗布された有機膜を写真製版法により形成するため、高さと大きさ、配置される位置の精度に優れている。反面、その優れた特性ゆえに配置密度（柱占有率）を配慮した設計を行う必要がある。図９に、表示領域に対する柱状スペーサ３３の柱占有率と装置の合否判定の関係を示す。図９の縦軸は柱占有率（％）を示し、横軸はその柱占有率を有する装置の合否判定を示している。ここで、柱占有率とは、本実施の形態に係る半透過型液晶表示装置の表示面積に対する柱状スペーサ３３の占有率であり、柱状スペーサ３３の配置密度を示す値である。一方、装置の合否判定は、装置として問題ありの場合をＣ、許容レベルの場合をＢ、十分満足できるレベルの場合をＡはとして判定している。

柱状スペーサ３３の柱占有率が高すぎると液晶層の変形自由度が失われ、装置の温度変化に対するマージンが減る。そのため、図９では柱占有率が０．４９％の場合、製造マージンの低下及び低温環境下での気泡発生の観点から装置の合否判定がＣとなる。

具体的に説明すると、高温環境下では液晶が膨張するため、設定した液晶層の体積より大きくなり余剰分の液晶が生じてしまう。柱状スペーサ３３の高さが均一であることから、余剰分の液晶がある一定量を超えると、柱状スペーサ３３の高さ以上の液晶量となる。この余剰分の液晶は重力により表示面下部にたまり、同部における液晶層の厚みが他の部分より増すため、同部は所定の光学特性が得られなくなり表示ムラとなる。一方、低温環境下では液晶が収縮する。この液晶の収縮に液晶パネル内の体積が追従できなければ、液晶パネルの内部が負圧となり液晶層から気体が出たり、構成している有機物から気体が出たりして気泡が発生する。このため、柱状スペーサ３３を用いた液晶表示装置では、ある程度の応力を柱状スペーサ３３に加え縮んだ状態で基板を貼り合わせる必要がある。しかし、柱状スペーサ３３の柱占有率が高すぎると液晶層の変形自由度が失われ、装置の温度変化に対するマージンが少なくなり、装置の合否判定がＣとなる。

逆に、柱状スペーサ３３の柱占有率が低すぎると、液晶パネルに加わる一般的な外力（例えば、人が手で液晶パネル表面を押す場合や液晶パネル表面に物がぶつかるような場合）に耐えられず、柱状スペーサ３３が変形する。そのため、柱状スペーサ３３の柱占有率は、ある程度の値以上であることが必要となる。図９に示す結果では、柱状スペーサ３３の柱占有率が０．１％以下となると、明らかに外力対し耐力がなくなり、０．１５％で許容レベルＢの下限であることが分かる。

以上のように、図９に示す実験事実から柱状スペーサ３３の柱占有率は０．１５〜０．３５％の範囲が望ましく、画素ピッチやカラーフィルタに形成される遮光膜の幅等から本実施の形態では、柱状スペーサ３３の柱占有率を０．２９％とした。これにより、本実施の形態では、環境温度が−５５℃〜１００℃まで変化する場合であっても、表示ムラや気泡が発生することなく、一般的な外力がパネル表面に加わっても柱状スペーサ３３が変形せず、表示ムラが発生しない半透過型液晶表示装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のＴＦＴアレイ基板の平面図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のＴＦＴアレイ基板の断面図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のカラーフィルタ基板の平面図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のカラーフィルタ基板の断面図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置のカラーフィルタ基板の断面図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置の反射領域の色材の膜厚と透明樹脂層の膜厚との関係を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置の反射領域の色材の膜厚と透過領域の色材の膜厚との関係を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置の反射領域における白色の色度を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半透過型液晶表示装置の柱占有率と装置の合否判定との関係を説明する図である。

符号の説明

１，２ 透明絶縁性基板、３ 第１の絶縁膜、４ 半導体能動膜、５ オーミックコンタクト膜、７ 第２の絶縁膜、１０ ＴＦＴアレイ基板、２１ ゲート電極、２２ ゲート配線、２３ 第１の補助容量電極、２４ 補助容量配線、２５ 第２の補助容量電極、３０ カラーフィルタ基板、３１ 透明樹脂層、３２ 色材、３３ 柱状スペーサ、３４ 遮光膜、３６ 遮光部、３７ 遮光特性を有する膜、３８ 透明電極、６１ ソース電極、６２ ドレイン電極、６３ ソース配線、６４ ＴＦＴ、６５ 反射画素電極、６６ コンタクトエリア、８１ コンタクトホール、９１ 透過画素電極、９５ コントラスト低下防止電極。

Claims (4)

1. 赤及び緑、青の色材で各画素を形成するカラーフィルタと、遮光膜とを有する第１基板と、
   前記画素内に透過領域を形成する透過画素電極と、反射領域を形成する反射画素電極と、前記透過画素電極及び前記反射画素電極に印加する信号や制御信号を供給する配線を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板とに挟持された液晶と、
   前記反射領域に、前記第１基板と前記第２基板との間隙を規定する柱状スペーサとを備え、
   前記第１基板は、前記遮光膜と同一層で、且つ緑の前記色材を有する前記画素の前記反射領域のみに形成された、前記遮光膜の面積を大きくする遮光部をさらに備えることを特徴とする半透過型液晶表示装置。
2. 請求項１に記載の半透過型液晶表示装置であって、
   前記遮光部は、前記柱状スペーサを配置した位置及びその近傍に設けられることを特徴とする半透過型液晶表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の半透過型液晶表示装置であって、
   前記柱状スペーサは、前記配線近傍、または前記配線と重なる位置に設けられることを特徴とする半透過型液晶表示装置。
   
   
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半透過型液晶表示装置であって、
   表示面積に対する前記柱状スペーサの占有率は、０．１５％〜０．３５％であることを特徴とする半透過型液晶表示装置。
   

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