JP5104201B2 - カラーフィルタおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に適するカラーフィルタ等に関するものである。

屋外での視認性を実現するために、半透過型液晶表示装置が用いられている。半透過型液晶表示装置は、１画素中に、透過領域と反射領域を有するものである（例えば、特許文献１参照）。

図３を用いて、半透過型液晶表示装置の従来例を説明する。図３は、従来の半透過型の液晶表示装置１００の断面の、電子回路やＴＦＴ等の素子を省略した模式図である。液晶表示装置１００は、主にカラーフィルタ１０１と、液晶セル１０８、基板１１３とバックライトユニット１１５が順に設けられて形成されている。

カラーフィルタ１０１は、透明な基板１０２に、断面台形状のマルチギャップ層１０３と、その上にコーティングされ、画素に対応してパターニングされた着色層１０７が設けられている。更にその上には、透明電極１０６を設けている。着色層１０７と別の色の着色層１０７の間には、ブラックマトリクス１０５を設け、コントラストを向上させている。透明な基板１１３には、透明電極１０９が画素に対応して設けられ、透明電極１０９の一部分には反射電極１１１が設けられている。透明電極１０６と透明電極１０９および反射電極１１１の間に電圧を印加することで、液晶セル１０８に電圧を印加し、液晶分子１１７の配向を制御する。また、基板１１３の背面には、バックライトユニット１１５が設けられている。バックライトユニット１１５と基板１１３の間には偏光板１１４が設けられ、基板１０２には、偏光板１１２が設けられている。

液晶表示装置１００は、反射電極１１１を有する反射領域と、反射電極１１１を有しない透過領域からなる。透過領域では、バックライトユニット１１５から発生した光は、偏光板１１４、基板１１３、透明電極１０９、液晶セル１０８、透明電極１０６、着色層１０７、基板１０２、偏光板１１２を通り、液晶表示装置１００の外部に到達する。また、反射領域では、液晶表示装置１００の外部から入射した光が、偏光板１１２、基板１０２、マルチギャップ層１０３、着色層１０７、透明電極１０６、液晶セル１０８を通過し、反射電極１１１で反射し、再び、液晶セル１０８、透明電極１０６、着色層１０７、マルチギャップ層１０３、基板１０２、偏光板１１２を通り、液晶表示装置１００の外部に到達する。

このように、１画素中に反射領域と透過領域を設けることで、明るい屋外では反射領域による表示を、屋内では透過領域による表示を観察することができ、半透過型液晶表示装置は、屋外でも屋内でも使用することができる。

反射領域においては、光は、着色層１０７と液晶セル１０８を２回通過する。そのため、反射領域に相当する部分の着色層１０７と液晶セル１０８の厚みを、透過領域におけるそれらより薄くすることで、反射領域における色再現範囲を透過型と同等にしている。特に、液晶セルは、透過領域の半分の厚さである（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００４−１０２２４３号公報 藤森孝一、外２名、「高透過アドバンストＴＦＴ−ＬＣＤ技術」、シャープ技報、シャープ株式会社、２００３年４月、通巻第８５号、p.３４―３７

しかしながら、図３に示す液晶表示装置１００においては、液晶セル１０８内の液晶分子１１７の配向は、着色層１０７および透明電極１０６の形状に大きく影響を受ける。図４は、カラーフィルタ１０１と液晶分視１１７を示す図である。図４に示すように、着色層１０７および透明電極１０６のテーパーにより、液晶分子１１７の配向は乱される。そのため、カラーフィルタ１０１の透過領域と反射領域の間には、透過と反射いずれの表示にも寄与しない、無効領域が存在する。無効領域においては、液晶分子１１７の配向が乱されているため、光漏れを生じ、液晶表示装置１００のコントラストが低下してしまう。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは光漏れのない高コントラストな液晶表示装置を実現するカラーフィルタを提供することである。

前述した目的を達成するために、第１の発明は光透過性の基板と、前記基板上に形成された、断面が逆台形状であるマルチギャップ層と、前記基板上および前記マルチギャップ層上に形成された、着色層と、前記着色層に沿うように形成され、前記マルチギャップ層の付近では、開口部が下向きの略コの字形状の断面形状を有する保護層と、を有することを特徴とするカラーフィルタである。

また、第２の発明は、光透過性の基板上に、断面が逆台形状のマルチギャップ層を形成する工程（ａ）と、前記基板上および前記マルチギャップ層上に着色層を形成する工程（ｂ）と、前記着色層に沿うように保護層を形成する工程（ｃ）と、を備え、前記マルチギャップ層の付近では、前記保護層の断面が、開口部が下向きの略コの字形状の断面形状を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。また、前記工程（ａ）で、現像過多または露光過多にすることが好ましい。

本発明により、光漏れのない、高コントラストな液晶表示装置を実現するカラーフィルタを提供可能である。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

第１の実施形態に係るカラーフィルタ１について説明する。
図１は、カラーフィルタ１と液晶分子５を示す図である。基板９の上にマルチギャップ層３が形成され、その上に着色層７が形成されている。

着色層７は、透過領域と、透過領域より膜厚の薄い反射領域を有している。透過領域においては、光は着色層７を１回のみ通過するが、反射領域においては、光は着色層７を２回通過する。このとき、反射領域と透過領域において、表示される色が変わらないように、反射領域の着色層７の膜厚を薄くし、色の濃さを薄くしている。

基板９は、一般にカラーフィルタに用いられる基板を使用することができる。例えば、ホウ珪酸ガラス、アルミノホウ珪酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス、合成石英ガラス、ソーダライムガラス、ホワイトサファイアなどの可撓性のない透明なリジット材、あるいは、透明樹脂フィルム、光学用樹脂フィルムなどの可撓性を有する透明なフレキシブル材を用いることができる。前記フレキシブル材としては、ポリメチルメタクリレート等のアクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース、シンジオタクティック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂、ポリエーテルニトリル、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリシクロヘキセン、ポリノルボルネン系樹脂、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド等からなるものを挙げることができるが、一般的なプラスチックからなるものも使用可能である。中でも、無アルカリガラスは、熱膨脹率の小さい素材であり、寸法安定性および高温加熱処理における特性に優れている。

着色層７は、カラーフィルタに用いられる着色層であり、顔料を含んだ感光性樹脂である。感光性樹脂としては、ポジ型およびネガ型のいずれも用いることができる。ポジ型レジスト材料としては特に限定されるものではなく、例えばノボラック樹脂をベース樹脂とした化学増幅型レジスト等が挙げられる。また、ネガ型レジスト材料としては特に限定されるものではなく、例えば架橋型樹脂をベースとした化学増幅型レジストやアクリル系樹脂をベースとした光硬化型レジスト、具体的にはポリビニルフェノールに架橋剤を加え、さらに酸発生剤を加えた化学増幅型レジスト、アクリル系共重合樹脂、多官能アクリレートモノマー及び光重合開始剤を含有する紫外線硬化型レジスト等が挙げられる。本実施の形態においては、ネガ型感光性樹脂を用いた場合を説明する。

マルチギャップ層３は、感光性樹脂よりなり、着色層７を構成する感光性樹脂と同様のものが使われる。マルチギャップ層３により、透過領域と反射領域の、液晶セルを通過する光の経路を等しくし、位相差値を一定にすることができる。

マルチギャップ層３の断面は、基板９と接する下辺の長さより、基板９と接しない上辺の長さが長い、逆台形状または逆テーパー状になっている。そのため、マルチギャップ層３の上に形成する着色層７は、断面長方形状を得ることができる。

第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１の製造方法を説明する。図２は、カラーフィルタ１の製造工程を示す図である。

まず、図２（ａ）に示すように、基板９の上に、感光性樹脂を塗布し、透明樹脂層１９を形成する。感光性樹脂の塗布方法としては、例えばスピンコート法、キャスティング法、ディッピング法、バーコート法、ブレードコート法、ロールコート法、グラビアコート法、フレキソ印刷法、スプレーコート法、ダイコート法等を挙げられる。

次に、図２（ａ）に示すように、透明部１３と遮光部１５を有するマスク１１を用いて露光する。透明部１３は、光１７を通し、遮光部１５は光１７を通さない。

マスク１１は、透明な基板の上に遮光膜を有する。前記基板上に何の膜も有さない箇所が透明部１３に、前記基板上に前記遮光膜を有する箇所が遮光部１５となる。

前記基板に用いられる透明基板は、基板９に用いられる基板を用いることができる。中でも、合成石英ガラスが通常用いられる。

前記遮光膜は、実質的に露光光を透過しないものであり、露光波長における平均透過率が０．１％以下であることが好ましい。このような遮光膜としては、一般にフォトマスクに用いられる遮光膜を用いることができ、例えばクロム、酸化クロム、窒化クロム、酸化窒化クロム、モリブデンシリサイド、タンタル、アルミニウム、ケイ素、酸化ケイ素、酸化窒化ケイ素などの膜が挙げられる。中でも、クロム、酸化クロム、窒化クロム、酸化窒化クロム等のクロム系膜が好適に用いられる。このようなクロム系膜は、最も使用実績があり、コスト、品質の点で好ましいからである。このクロム系膜は、単層であってもよく、２層以上が積層されたものであってもよい。

前記遮光膜の膜厚としては、特に限定されるものではなく、例えばクロム膜の場合には５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とすることができる。

前記遮光膜の成膜方法としては、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法などの物理蒸着法（ＰＶＤ）が用いられる。

次に、図２（ｂ）に示すように、透明樹脂層１９に、ネガ型感光性樹脂を用いることで、透明樹脂層１９の、透明部１３に対応する部分のみ樹脂の硬化が進むが、遮光部１５に対応する部分では、樹脂の硬化が進まないため、現像の際に、透明部１３に対応する部分にマルチギャップ層３が形成され、遮光部１５に対応する部分には何も形成されない。

第１の実施の形態に係るマルチギャップ層３は、図４に示す従来例のマルチギャップ層１０３とは異なり、断面が逆台形状を取っている。マルチギャップ層３は、マルチギャップ層１０３を形成する条件よりも、プリベーク温度を低くし、露光量を多くし、露光ギャップを短くし、現像時間を長くすることにより形成される。また、感光性樹脂の露光感度を上げてもよい。各条件の変更を必ずしもすべてを行う必要はなく、必要により変更すればよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、基板９の上に、顔料を含む感光性樹脂を塗布し、着色層７を形成し、カラーフィルタ１を作製する。着色層７の形成は、透明樹脂層１９の塗布と同様の方法で行うことができる。

第１の実施の形態によれば、マルチギャップ層３の断面が逆台形状であるため、その上にコーティングされた着色層７にテーパー部分が生じるのを防ぐことができ、着色層７の断面を長方形状にすることができる。

また、第１の実施の形態によれば、図４に示す従来例に係るカラーフィルタ１０１に存在した無効領域が、カラーフィルタ１には存在しない。これは、カラーフィルタ１においては、着色層７にテーパー部分がないため、着色層７に接する液晶分子５の配向が乱されないためである。

また、第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１は、従来例におけるカラーフィルタ１０１と同様に、反射領域に、マルチギャップ層３を持ち、反射領域における着色層７が透過領域における着色層７よりも薄いため、高い色再現性を有する液晶表示装置を実現可能である。

必要により、着色層７の上に透明樹脂による保護層を形成してもよい。保護層を形成することで、着色層間の段差がなくなり、液晶表示装置のコントラストの向上につながる。このとき、マルチギャップ層３の逆テーパーの角度をより急にし、保護層の断面を長方形状にしてもよい。

以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。実施例を用いて、更に詳しく説明する。

基板として、大きさが３００ｍｍ×４００ｍｍ、厚みが０．７ｍｍのガラス基板（コーニング社製１７３７ガラス）を準備した。この基板を定法にしたがって洗浄した後、基板の片側全面にスパッタリング法によりクロム薄膜（厚み１０００Å）を形成した。このクロム薄膜上にポジ型感光性レジスト（東京応化工業（株）製 ＯＦＰＲ−８）を塗布し、所定のマスクを介して露光、現像してレジストパターンを形成した。次いで、このレジストパターンをマスクとして、クロム薄膜をエッチングして、線幅２０μｍ、ピッチ１００μｍのブラックマトリックスを形成した。

次に、マルチギャップ層用のネガ型感光性樹脂（ポリマーＩ）、赤色パターン用のネガ型感光性樹脂、緑色パターン用のネガ型感光性樹脂、青色パターン用のネガ型感光性樹脂を調整した。

＜ポリマーＩ＞
・メタクリル酸メチル−スチレン−アクリル酸共重合体 ３２重量部
・エポキシ樹脂：エピコート１８０ｓ７０(ジャパンエポキシレジン(株)) １８重量部
・ジペンタエリスリトールペンタアクリレート ４２重量部
・イルカギュア９０７(チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製) ８重量部
・プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート ３００重量部

＜赤色パターン用のネガ型感光性樹脂＞
・赤顔料（チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製 クロモフタルレッドＡ２Ｂ） ４．８重量部
・黄顔料（ＢＡＳＦ社製 パリオトールイエローＤ１８１９） １．２重量部
・分散剤（ビックケミー社製 ディスパービック１６１） ３．０重量部
・モノマー（サートマー社製 ＳＲ３９９） ４．０重量部
・ポリマーＩ ５．０重量部
・開始剤（チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製 イルガキュア９０７） １．４重量部
・開始剤（２，２´−ビス（ｏ−クロロフェニル）−４，５，４´，５´−テトラフェニル−１，２´−ビイミダゾール） ０．６重量部
・溶剤（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート） ８０．０重量部

＜緑色パターン用のネガ型感光性樹脂＞
・緑顔料（アビシア社製 モナストラルグリーン９Ｙ−Ｃ） ４．２重量部
・黄顔料（ＢＡＳＦ社製 パリオトールイエローＤ１８１９） １．８重量部
・分散剤（ビックケミー社製 ディスパービック１６１） ３．０重量部
・モノマー（サートマー社製 ＳＲ３９９） ４．０重量部
・ポリマーＩ ５．０重量部
・開始剤（チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製 イルガキュア９０７） １．４重量部
・開始剤（２，２´−ビス（ｏ−クロロフェニル）−４，５，４´，５´−テトラフェニル−１，２´−ビイミダゾール） ０．６重量部
・溶剤（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート） ８０．０重量部

＜青色パターン用のネガ型感光性樹脂＞
・青顔料（ＢＡＳＦ社製 ヘリオゲンブルーＬ６７００Ｆ） ６．０重量部
・顔料誘導体（アビシア社製 ソルスパース５０００） ０．６重量部
・分散剤（ビックケミー社製 ディスパービック１６１） ２．４重量部
・モノマー（サートマー社製 ＳＲ３９９） ４．０重量部
・ポリマーＩ ５．０重量部
・開始剤（チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製 イルガキュア９０７） １．４重量部
・開始剤（２，２´−ビス（ｏ−クロロフェニル）−４，５，４´，５´−テトラフェニル−１，２´−ビイミダゾール） ０．６重量部
・溶剤（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート） ８０．０重量部

次いで、ガラス基板上にブラックマトリックスを覆うようにポリマーＩをスピンコート法により塗布し、８０℃にて３分間プリベークを行い、透明樹脂層を形成した。その後、フォトマスクを介して、露光量２００ｍＪ／ｃｍ^２、露光ギャップ１００μｍにて露光した。

次いで、０．０５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液を用いて９０秒間現像を行い、２００℃のオーブンで３０分焼成し、断面が逆台形状のマルチギャップ層を形成した。

次いで、マルチギャップ層に、赤色パターン用のネガ型感光性樹脂をスピンコート法により塗布し、１００℃にて３分間プリベークを行い、フォトマスクを介して、露光量１００ｍＪ／ｃｍ^２、露光ギャップ１５０μｍにて露光した。次いで、０．０５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液を用いて６０秒間現像を行い、２００℃のオーブンで３０分焼成し、赤色パターンを形成した。

次いで、緑色パターン用のネガ型感光性樹脂、青色パターン用のネガ型感光性樹脂についても同様に行う。

［比較例］
下記のようにマルチギャップ層を形成した以外は、実施例と同様にしてカラーフィルタを作製した。
ポリマーＩの塗布後、１００℃にて３分間プリベークを行い、フォトマスクを介して、露光量１００ｍＪ／ｃｍ^２、露光ギャップ１５０μｍにて露光した。次いで、０．０５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液を用いて６０秒間現像を行い、マルチギャップ層を形成した。

［評価］
着色層の断面形状を確認したところ、比較例では無効領域の幅が１２μｍであるのに対し、実施例では４μｍとなり、無効領域の幅が狭まった。また、これらのカラーフィルタを用いた液晶ディスプレイのコントラスト値は、比較例が１４１０であるのに対し、実施例は２３７０となり、コントラストの改善が確認された。

以上、添付図面を参照しながら、本発明にかかるカラーフィルタの好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１と液晶分子５を示す図。 第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１の製造工程を示す図。 従来例に係る液晶表示装置１００を示す図。 従来例に係るカラーフィルタ１０１と液晶分子１１７を示す図。

符号の説明

１………カラーフィルタ
３………マルチギャップ層
５………液晶分子
７………着色層
９………基板
１１………マスク
１３………透明部
１５………遮光部
１７………光
１９………透明樹脂層
１００………液晶表示装置
１０１………カラーフィルタ
１０２………基板
１０３………マルチギャップ層
１０５………ブラックマトリクス
１０６………透明電極
１０７………着色層
１０８………液晶セル
１０９………透明電極
１１１………反射電極
１１２………偏光板
１１３………基板
１１４………偏光板
１１５………バックライトユニット
１１７………液晶分子

Claims (4)

1. 光透過性の基板と、
   前記基板上に形成された、断面が逆台形状であるマルチギャップ層と、
   前記基板上および前記マルチギャップ層上に形成された、着色層と、
   前記着色層に沿うように形成され、前記マルチギャップ層の付近では、開口部が下向きの略コの字形状の断面形状を有する保護層と、
   を有することを特徴とするカラーフィルタ。
2. 光透過性の基板上に、断面が逆台形状のマルチギャップ層を形成する工程（ａ）と、
   前記基板上および前記マルチギャップ層上に着色層を形成する工程（ｂ）と、
   前記着色層に沿うように保護層を形成する工程（ｃ）と、
   を備え、
   前記マルチギャップ層の付近では、前記保護層の断面が、開口部が下向きの略コの字形状の断面形状を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
3. 前記工程（ａ）で、現像過多にすることにより、前記マルチギャップ層を形成することを特徴とする請求項２記載のカラーフィルタの製造方法。
4. 前記工程（ａ）で、露光過多にすることにより、前記マルチギャップ層を形成することを特徴とする請求項２記載のカラーフィルタの製造方法。
   

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