JP4839607B2 - カラーフィルタ基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カラー表示装置などに用いられるカラーフィルタ基板、及びその製造方法に関する。

近年、カラー液晶ディスプレイの普及に伴い、カラーフィルタの低コスト化への要求が高まってきている。現状、カラーフィルタ製造の主流となっているフォトリソグラフィー方式では、ブラックマトリックスだけではなく着色層の形成工程においても大量の顔料等の材料を現像時に廃棄することとなる。さらに、製造に必要な工程数も多いことにより、低コスト化には限界がある。一方、インクジェット方式はＲ、Ｇ、Ｂの各着色層の形成を一度に行うことができ、顔料等の材料の無駄もほとんど発生せず、大幅なコストダウンが期待できる。

インクジェット方式を用いたカラーフィルタ基板の製造方法としては、例えば、特許文献１、２、３等に記載されている方法が提案されている。
特許文献１には、硝子基板上の所望する着色層領域外へのインクの広がりを防止するため、予め、ブラックマトリックスにフッ酸系撥水・撥油剤を含有させてパターンを形成することによって、着色層領域内のみにインクを定着させることが記載されている。
また、特許文献２、特許文献３には、含フッ素化合物及び／または含ケイ素化合物を含有する黒色樹脂層を、着色層の形成におけるインクにじみ、混色を防止するための仕切り壁とすることが記載されている。

これらの方法においては、カラーインクを充填させる際のインクの溢れによる混色を防止するために、ブラックマトリックスの高さ（膜厚）を高く（厚く）する必要がある。したがって、着色層の形成後はブラックマトリックスと着色層での膜厚段差が生じ、ブラックマトリックスが着色層に比べて高くなる。
平坦化させるために保護層の形成が必要となるが、ブラックマトリックスに撥インク剤が添加されている場合は保護層の塗布時にハジキが発生してしまい、膜面ムラが生じることが多い。

また、着色層をインクジェット方式で形成する場合には、インクジェット方式の特性により着色層に添加できる樹脂が制限され、その結果としてフォトリソグラフィー法に比べて着色層の耐性が弱いという欠点がある。その為に保護層の形成が必須であるが、膜面ムラの生じ難い樹脂等で形成した場合は、耐性が不充分であるとの問題点があった。
特開平６−３４７６３７号公報 特開平７−３５９１５号公報 特開平７−３５９１７号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、インクジェット方式により着色層を形成する場合に、撥インク剤を含有したブラックマトリックスであっても、膜面ムラのない、平滑性に優れ、且つ耐候性に優れた保護層を有するカラーフィルタ基板を提供することを課題とするものである。また、上記カラーフィルタ基板の製造方法を提供することを
課題とする。

本発明は、透明基板上に、開口部を有するブラックマトリックス、該ブラックマトリックスの開口部内にカラーインクを充填した着色層、該ブラックマトリクス上及び該着色層上の保護層、をこの順に形成したカラーフィルタ基板であって、該ブラックマトリックスは撥インク剤としてシリコーン系オリゴマーを含有したブラックマトリックスであり、該保護層は１−エトキシエチルメタクリレートとグリシジルメタクリレートを加熱による架橋で形成した保護層であることを特徴とするカラーフィルタ基板である。

また、本発明は、請求項１に記載のカラーフィルタ基板において、前記カラーインクの充填をインクジェット方式で行うことを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法である。

本発明によると、透明基板上に先ずブラックマトリックスを形成させ、該ブラックマトリックスの開口部にカラーインクを充填して着色層を設けたカラーフィルタ基板であって、該ブラックマトリックスは撥インク剤を含有し、さらにブラックマトリックスと着色層の上には、カルボキシル基を有する化合物とエポキシ基を有する化合物を加熱による架橋で形成した保護層を設けたことを特徴とするカラーフィルタ基板であるので、パターニング精度と平滑性が両立されたカラーフィルタ基板を得ることができる。

一般的には、ブラックマトリックスに撥インク剤を含有させることにより保護層の形成がハジキ等により困難になる。また、保護層に低分子量の樹脂材料を用いると、平滑性には効果があったが、耐性には弱く、一方高分子量の樹脂材料を用いると、耐性には効果が見られたが、平滑性に劣っていた。そこで検討の結果、カルボキシル基を有する化合物とエポキシ基を有する化合物による熱架橋性材料で保護層を形成させた場合、平滑性、耐性、ブラックマトリックスおよび着色層への濡れ性ともに優れる保護層が得られることを見出した。

また、カルボキシル基を有する化合物は、アクリルビニルエーテルをブロック剤としてブロックされたブロックカルボン酸であると、保護層を塗布するときの塗液の安定性に優れ、工程上でも好ましい。
さらに、エポキシ基を有する化合物がアクリル樹脂であると、透明性、平滑性、耐性により優れるカラーフィルタ基板を得ることができるため好ましい。
前記カラーインクの充填はインクジェット方式で行うことより、簡易性、コスト性に優れるカラーフィルタ基板を得ることが出来る。

以下に、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明によるカラーフィルタ基板の一実施例の断面図である。図１に示すカラーフィルタ基板は、透明基板１上にブラックマトリックス２を形成し、次に、ブラックマトリックス２の開口部に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーインクにより着色層３を形成し、更に、本発明における保護層４を設けたものである。この際、インクジェッ
ト方式によりＲ、Ｇ、Ｂを形成することにより、安価かつ簡易に着色層を形成することができる。また、保護層４を設けることにより、平滑性と各種耐性に優れたカラーフィルタ基板を得ることが出来る。

本発明の透明基板１には、硝子基板、石英基板、プラスチック基板等が使用できる。中でも硝子基板を用いた場合、透明性に優れるだけでなく、強度、耐熱性、耐候性に優れるカラーフィルタ基板を得ることができる。

本発明のブラックマトリックス２は撥インク剤を含有するが、その他黒色顔料、樹脂、光開始剤、添加剤等からなる。これらは溶剤によりインク化したものを透明基板上に塗布し、フォトリソグラフィー法もしくは印刷法より形成させることが望ましい。これにより遮光性の優れるカラーフィルタ基板を得ることができる。また、撥インク剤の添加により隣接する異なる色の画素へのカラーインクの流出を防ぐことができ、混色を防止することができる。

本発明で述べる撥インク剤とは、カラーインク充填時にカラーインクをはじき隣接画素へのカラーインクの侵入を防止する役割を持つものである。材料は特に限定されないが、シリコーン系、フッ素系の材料を用いることで撥インク効果が顕著に現れるので、これらが好ましい。撥インク剤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やアルキルフルオロ基を有するもので、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。

撥インキ剤を用いることにより、製造工程における加熱時にブリードアウトする場合がある。撥インク剤のブリードアウトにより、開口部の透明基板上に撥インク剤が付着し、カラーインクの充填時に色抜け等が発生してしまう。ブリードアウトを防止するために、撥インキ剤としては特にフッ素含有化合物を用いることが好ましい。さらに低分子量のものより、オリゴマータイプのものを用いることにより、より効果的に防ぐことが出来る。

また、黒色顔料は有機黒色顔料、無機黒色顔料の一般的な顔料を用いることができる。例えば、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、鉄黒などを単体あるいは混合して用いられるものである。

着色層３に用いるカラーインクの材料は、着色剤、樹脂、分散剤、溶媒などで構成される。着色剤としては顔料、染料ともに用いることができるが、耐候性に優れる点から顔料を用いることが好ましい。ここで着色剤として使用する顔料の具体例を挙げると、ＰｉｇｍｅｎｔＲｅｄ９、１９、３８、４３、９７、１２２、１２３、１４４、１４９、１６６、１６８、１７７、１７９、１８０、１９２、２１５、２１６、２０８、２１６、２１７、２２０、２２３、２２４、２２６、２２７、２２８、２４０、ＰｉｇｍｅｎｔＢｌｕｅ１５、１５：６、１６、２２、２９、６０、６４、ＰｉｇｍｅｎｔＧｒｅｅｎ７、３６、ＰｉｇｍｅｎｔＲｅｄ２０、２４、８６、８１、８３、９３、１０８、１０９、１１０、１１７、１２５、１３７、１３８、１３９、１４７、１４８、１５３、１５４、１６６、１６８、１８５、ＰｉｇｍｅｎｔＯｒａｎｇｅ３６、ＰｉｇｍｅｎｔＶｉｏｌｅｔ２３、などであるが、これらに限定されるものではない。

さらに、これらは要望の色相を得るために２種類以上を混合して用いても構わない。また樹脂の例としてはカゼイン、ゼラチン、ポリビニールアルコール、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。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。

樹脂への着色剤の分散を向上させるために、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としては、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としては、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。分散剤は一種類を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。

本発明における着色層３の形成には、インクジェット方式が最適である。使用するインクジェット装置としては、インク吐出方法の相違によりピエゾ変換方式と熱変換方式があり、特にピエゾ変換方式が好適である。インクの粒子化周波数は５〜１００ｋＨｚ程度、ノズル径としては５〜８０μｍ程度，ヘッドを３個配置し、１ヘッドにノズルを６０〜５００個組み込んだ装置が好適である。また必要に応じて乾燥やＵＶ硬化を行うこともできる。

カラーインクはインクジェット方式における適性の表面張力範囲３５ｍＮ／ｍ以下で、且つ、沸点が１３０℃以上に調整することが好ましい。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。

表面張力、沸点は、溶媒にて調整可能であり、用いられる溶媒の具体的な例としては、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い。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が、溶解性も考慮し適宜選択される。

保護層４は、透明な樹脂膜であり、これにより表面の平滑性、耐候性が向上する。本発明で述べるカルボキシル基を有する化合物とは、エポキシ基含有化合物と加熱により架橋反応を行うことができる化合物であり、特に限定されない。カルボキシル基とエポキシ基は反応性が高いので、製造工程においては混合後の安定性に問題がある。このために、カルボキシル基はアルキルビニルエーテルによりブロックされたものを用いることが望ましい。

このようなブロックされたカルボキシル基を有する化合物とは、例えば、１−イソプロポキシエチル（メタ）アクリレート、１−エトキシエチル（メタ）アクリレート、１−ｔ−ブトキシエチル（メタ）アクリレート、１−（１−メチルヘキシロキシ）エチル（メタ）アクリレート、１−（１，１−ジメチルプロポキシ)エチル（メタ）アクリレート、１−イソプロポキシエチル（メタ）アクリルアミド、１−エトキシエチル（メタ）アクリルアミド、１−ｔ−ブトキシエチル（メタ）アクリルアミド、１−（１−メチルヘキシロキシ）エチル（メタ）アクリルアミド、１−（１，１−ジメチルプロポキシ）エチル（メタ）アクリルアミド、１，２，４−ベンゼントリカルボン酸−２，４−ビス（プロポキシエチル）−１−（（メタ）アクリロキシエチル）エステル等の単量体もしくは共重合体が挙げられる。

本発明で述べるエポキシ基を含有する化合物とは、例として、グリシジル(メタ)アクリ
レート、グリシジルイタコネート、グリシジルフマレート、３，４−エポキシシクロヘキシル(メタ)アクリレート等の単量体あるいは共重合体が挙げられるが、これに限定されない。中でもアクリル樹脂を用いた場合、透明性、耐性に優れる保護層を得ることが出来るために好ましい。

保護層は、これらのカルボキシル基を有する化合物とエポキシ基を有する化合物を溶媒等に溶解したものを、スピンコート法やダイコート法等の適切な塗工方法を用いてコーティングした後、加熱による架橋で形成する。その際、反応を促進させるための触媒等を用いても良い。

以下に本発明の実施例を具体的に説明する。
（ブラックマトリックスの作成）
ポリイミド前駆体（東レ（株）製：セミコファインＳＰ−５１０）１０重量部、カーボンブラック７．５重量部、ＮＭＰ１３０重量部、分散剤（銅フタロシアニン誘導体）５重量部、開始剤トリアジンの５重量部、パーフルオロアルキル基含有オリゴマー０．１重量部をビーズミル分散機で冷却しながら３時間分散させ、ブラックマトリックス組成物を調製した。このブラックマトリックス組成物をスピンコータによって、無アルカリガラス基板（コーニング社製、品番１７１３）上に約１．５μｍの塗膜に形成した。１００℃で２０分間の加熱硬化によりブラックマトリックスを形成した。

（カラーインクの調製）
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１９．０ｇ、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のカラーインクを得た。

（保護層塗液の調製）
１−エトキシエチルメタクリレートの単量体５重量部、グリシジルメタクリレートの単量体３重量部、酸触媒０．５重量部を溶媒に溶解させた。

（カラーフィルタ基板の作製）
前記ガラス基板上のブラックマトリックスの開口部に、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラーインクを使用し、１２ｐｌ、１８０ｄｐｉヘッド（セイコーインスツルメンツ社製）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）各々のパターン状着色層３を形成した。
さらに、保護層塗液をブラックマトリックス上での乾燥膜厚が１μｍとなるようにスピンコート法にて塗布し、９０℃のホットプレートで３分、２３０℃のオーブンで３０分乾燥、熱硬化させ、保護層４を形成させた。

このようにして得られたカラーフィルタ基板は、混色も無く、濃度バランスに優れ、また表面平滑性に優れ、耐溶剤性にも優れるカラーフィルタ基板であった。

（ブラックマトリックスの作成）
パーフルオロアルキル基含有オリゴマー０．１重量部の代わりにシリコーン系オリゴマーを０．１重量部用いた他は、実施例１と同様にブラックマトリックスを得た。
（カラーインクの調製）
実施例１と同様に調整を行った。
（保護層塗液の調製）
実施例１と同様に調整を行った。

（カラーフィルタ基板の作製）
前記ガラス基板上のブラックマトリックスの開口部に、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラーインクを使用し、１２ｐｌ、１８０ｄｐｉヘッド（セイコーインスツルメンツ社製）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）各々のパターン状着色層３を形成した。
さらに、保護層塗液をブラックマトリックス上での乾燥膜厚が１μｍとなるようにスピンコート法にて塗布し、９０℃のホットプレートで３分、２３０℃のオーブンで３０分乾燥、熱硬化させ、保護層４を形成させた。

このようにして得られたカラーフィルタ基板は、混色も無く、濃度バランスに優れ、また表面平滑性に優れ、耐溶剤性にも優れるカラーフィルタ基板であった。

＜比較例１＞
（ブラックマトリックスの作成）
実施例１と同様に作成した。
（カラーインクの調製）
実施例１と同様に調整を行った。
（保護層塗液の調製）
メタクリル酸メチルを溶媒に溶解させた。

（カラーフィルタ基板の作製）
前記ガラス基板上のブラックマトリックスの開口部に、前記Ｒ、Ｇ、Ｂ各色のカラーインクを使用し、１２ｐｌ、１８０ｄｐｉヘッド（セイコーインスツルメンツ社製）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）各々のパターン状着色層３を形成した。
さらに、保護層塗液をブラックマトリックス上での乾燥膜厚が１μｍとなるようにスピンコート法にて塗布し、９０℃のホットプレートで２０分乾燥させ、保護層４を形成させた。

このようにして得られたカラーフィルタ基板は、混色も無く、濃度バランスに優れていたが、表面平滑性には劣り、耐溶剤性には劣るものであった。

本発明で得られたカラーフィルタ基板の活用例としては、液晶ディスプレイや電子ペーパー、あるいは白色ＥＬ向けのカラーフィルタ基板として用いることができる。本発明でのカラーフィルタ基板の製造は安価に、かつ簡易に行うことができ、小ロットにも対応可能なカラーフィルタ基板となる。

本発明のカラーフィルタ基板の一実施例の断面図である。

符号の説明

１・・・透明基板
２・・・ブラックマトリックス
３・・・着色層
４・・・保護層

Claims (2)

1. 透明基板上に、開口部を有するブラックマトリックス、該ブラックマトリックスの開口部内にカラーインクを充填した着色層、該ブラックマトリクス上及び該着色層上の保護層、をこの順に形成したカラーフィルタ基板であって、該ブラックマトリックスは撥インク剤としてシリコーン系オリゴマーを含有したブラックマトリックスであり、該保護層は１−エトキシエチルメタクリレートとグリシジルメタクリレートを加熱による架橋で形成した保護層であることを特徴とするカラーフィルタ基板。
   
2. 請求項１に記載のカラーフィルタ基板において、前記カラーインクの充填をインクジェット方式で行うことを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法。
   

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