JP5472868B2 - カラーフィルタ基板及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、カラーフィルタの各サブピクセルに透明保護膜を形成したカラーフィルタ基板に関するものである。

液晶表示素子のような平面表示装置に使用される液晶セルの構造は、大きく分けて駆動のための薄膜トランジスタ基板と、色相を具現するカラーフィルタと、二枚の基板間に介する液晶とからなっている。上記カラーフィルタは、顔料が分散した感光性有機物質を用いてフォトリソグラフィー法によってパターンを形成した後、カラー映像を具現するために三種以上の透過-吸収波長を有するカラーインクを用いて画素を形成する基板である。液晶表示素子において鮮明で自然な映像を具現するためには、高い明暗コントラストと色差が最小化されたカラーフィルタを用いることが望ましい。

カラーフィルタの製造において、画素の形成時に、各画素を区分するためにブラックマトリックスの使用が必須である。しかし、ブラックマトリックスパターンを形成した後、再度画素を形成する時において最も大きな問題となるのは、図２に示すように画素の界面で段差が発生することである。段差が発生する場合、液晶セルでカラーフィルタと薄膜トランジスタとの間に離隔が発生するため、それは結果的に電場の歪みにつながる。これにより、明暗コントラストが減少したり色差が発生する。

このような欠点を補うためには追加の工程が必要である。例えば、光学的な補償フィルムを追加して明暗コントラストの減少を解消したり、色差が発生する場合は回路信号を別に補正する措置を取ることができる。しかし、これは液晶表示素子の製造コストが大きく嵩む原因となる。

段差を減らすために、図３に示すように、透明な有機薄膜１００をさらに全面に塗布する方法が試みられている。しかし、このような方法は、薄膜で覆われた表面積が非常に広く、外部から付着する異物によって不良率が高くなるため、極度の清浄度が必要であるという欠点が指摘されており、効果も大きくない。

そのために、追加の工程や煩雑な製造条件がないながらも、高い明暗コントラストと色差が最小化されたカラーフィルタが強く要望されている。

本発明の目的は、明暗コントラストに優れ、色差現象が低減したカラーフィルタ基板を提供することにある。

本発明によるカラーフィルタ基板は、各サブピクセルのカラーフィルタ層上に形成され、透明保護膜の最高点と上記サブピクセルの最も高い領域である基準面との高さ差が０.１μｍ以内で形成される透明保護膜を含む。

また、上記透明保護膜は、例えば両端部が上記の基準面以下に形成される。

また、上記透明保護膜は、端部の位置が上記カラーフィルタ層の第２次変曲点であることが望ましい。

また、上記透明保護膜は例えば透過度が８５％以上である。

また、上記透明保護膜上に透明電極層をさらに形成できる。

また、上記透明保護膜がさらに形成されたカラーフィルタ基板には、液晶配向層をさらに形成できる。

本発明による液晶表示装置は上記のカラーフィルタ基板を含む。

本発明によれば、別途の工程や光学的または回路補償がなくても、電界特性が改善されて明暗コントラストが向上し、色差現象が低減する効果がある。

本発明によるカラーフィルタの一実施例を示す図である。 従来のカラーフィルタを示す図である。 従来のカラーフィルタを示す図である。 本発明実施例,比較例のカラーフィルタの断面プロファイルを示す図である。

本発明による透明保護膜２００は、図１に示すように、各サブピクセルのカラーフィルタ上に形成される。

透明保護膜の最高点は、カラーフィルタの最も高い地点である基準面と略同一の面に形成される。一般に中央部分が最高点の高さを有し、その中央部分は、基準面と同一の面に形成されることが望ましいが、製造過程で正確に基準面と同じ位置に形成されるのではなく、一定の誤差範囲を有することを考慮して、透明保護膜の最高点と上記サブピクセルの最も高い領域である基準面との高さ差が０.１μｍ以内で形成されるようにする。

また、透明保護膜の両端部分も基準面を越えないようにする。

このように透明保護膜の高さが基準面以下に形成される場合、外部から付着する異物が少なく不良率が減少するため、生産性が増加し、回路信号補正や光学補償フィルムの追加などが不要となるため、製造コストを低減することができる。

カラーフィルタ基板は、図１に示すように、カラーフィルタ１０、透明保護膜２００、ＢＭ３０を含み、カラーフィルタは第１次変曲点２１と第２次変曲点２２を有する。

上記透明保護膜の端部は上記カラーフィルタの第２次変曲点２２に位置することが望ましい。もし、中央部分が基準面を越えたり至らない場合は、両隅との厚さの差により液晶の配向が乱れてしまい所望の効果を得ることができなく、両端部分が基準面を越える場合には異物も付着しやすいことから不良率が高くなるという問題がある。第２次変曲点内に透明保護膜を形成させると、中央部分が基準面に略一致しながらも、両端部分は基準面を越えないため、上記のような問題点が発生せず、望ましい効果を有する透明保護膜を形成することができる。

透明保護膜に使用される材料は特に制限されないが、フォトリソグラフィー法によってパターニングが可能なものが望ましい。例えば、露光後アルカリ現像液に対して溶解度が低くなる構造に変え、非露光部が現像されるネガ型感光性樹脂組成物が望ましい。感光性樹脂組成物が主に使用されるが、パターニングが可能で光透過度が８５％以上であれば、特に制限されない。

またパターンの形成方法には、フォトリソグラフィー法以外にインクジェットプリンティングやオフセットプリンティングなどがある。この場合、透明保護膜として使用される材料は、必ずしも感光性を有する樹脂組成物である必要はなく、熱により硬化する材料であれば使用できる。光透過度が８５％以上であれば特に制限されない。

本発明によるカラーフィルタ上には透明電極層をさらに形成させることができる。すなわち、本発明によるカラーフィルタをＩＰＳまたはＳ-ＩＰＳ ｍｏｄｅに用いる場合でない、ＴＮ、ＳＴＮ、ＶＡ、ＭＶＡ、ＳＶＡなどのモードに用いる場合にはさらに透明電極であるインジウム-錫酸化物層を形成して使用することもできる。

本発明による透明保護膜層をフォトリソグラフィー法によって製造する方法は次の通りである。

ａ) パターニング前の透明保護膜は、スピンコーティング、スリットコーティング、ディップコーティングまたはドクターブレードコーティングなどの方法で塗布した後、５０〜１５０℃ で１０〜１,０００秒間前熱処理(ｐｒｅ-ｂａｋｅ)工程を行なって形成する。

ｂ) 次に、フォトマスクを用いて露光されたカラーフィルタ層を現像液の中に漬けたりまたはスプレーにより現像液に露出させると、光が遮断され、光と反応しないフォトマスクの遮光領域に該当する有機薄膜層は、上記現像液と反応して除去され、透過領域部分に該当する有機薄膜層部分は基板上に残ることになる。

上記露光は、マスクアライナ、ステッパまたはスキャナーなどの露光装置を用いてｇ-線(４３６ｎｍ)、ｈ-線(４０５ｎｍ)、ｉ-線(３６５ｎｍ)、ｊ-線(３１３ｎｍ)の単独または混合光源が使用できる。露光エネルギーは、カラーフィルタ層の感度により決定され、通常１０〜2００ｍＪ/ｃｍ^２を使用する。上記露光エネルギーが１０ｍＪ/ｃｍ^２未満の場合は、パターンが正常に形成されにくく、２００ｍＪ/ｃｍ^２を超える場合は、露光量が多すぎ、生産時間の増加およびパターンの大きさの増加により、発明において所望の形態の保護膜形成が難しい。

透明保護層の形成が可能であれば、上記の方法以外にも該当分野において使用可能なフォトリソグラフィー法を適用でき、その他にインクジェットプリンティングやオフセットプリンティングのような方法を用いることができる。

本発明のカラーフィルタ基板上には液晶配向層をさらに形成できる。

また、本発明によるカラーフィルタ基板を含む液晶表示装置は、明暗コントラストが良好であり、色差現象が低減して優れた品質を有する。

(実施の形態)
以下、本発明を実施例により詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

(実施例)
厚さ約１μｍのブラックマトリックスが形成されたガラス基板上にカラーフィルタ材料としてＬＧ化学(株)製のネガ型カラーフィルタ用フォトレジストのＨＣＲ３をスピンコーティング方法を用いて塗布した後、１００℃で２分間前熱処理を行なってカラーフィルタ層を形成した。

その後、フォトマスクを用いて高圧水銀ランプ下で１００ｍＪ/ｃｍ^２のエネルギーで露光させた。上記露光された基板を２５℃の温度で０.０４％のＫＯＨ水溶液でスプレー方式で現像した後、純水で洗浄しエアーブロイングによって乾燥させた。次いで２２０℃のコンベクションオーブンで３０分間後熱処理(ｐｏｓｔ-ｂａｋｅ)を行なった。上記基板に形成された開口部の面積は１２０μｍ×４０μｍであった。

上記で形成した基板に透明保護膜材料をスピンコーティング方法を用いて塗布した後、１００℃で２分間前熱処理を行なって透明保護膜を形成した。その後、フォトマスクを用いて高圧水銀ランプ下で１００ｍＪ/ｃｍ２のエネルギーで露光させた。上記露光された基板を２５℃の温度で０.０４％のＫＯＨ水溶液でスプレー方式で現像した後、純水で洗浄しエアーブロイングによって乾燥させた。次いで２２０℃のコンベクションオーブンで３０分間後熱処理を行なった。このように形成された透明保護膜層の面積は１００μｍ×３０μｍであった。

透明保護膜に使用された物質は、アルカリ可溶性樹脂バインダーＢｚＭＡ/ＭＡＡ(モル比：７０/３０、Ｍｗ：２４,０００)８重量部、重合性化合物のジペンタエリトリトールヘキサアクリレート８重量部、光重合開始剤としてＣｉｂａ-Ｇｅｉｇｙ社製のＩｒｇｒａｃｕｒｅ ３６９ １重量部と、有機溶媒のＰＧＭＥＡ８１重量部をシェイカーで３時間混合させた溶液を５ミクロン フィルタで収得して使用した。

(比較例１)
上記実施例において透明保護膜層を形成しないことを除いては実施例と同様である。

(比較例２)
透明保護膜層を形成した後マスクを用いなく、全面を露光したことを除いては実施例と同様である。

(実験例１:断面の段差測定)
カラーフィルタの断面を見ると、図４のような断面プロファイルを得ることができる。プロファイルは反射型光学式装備の(株)ＮａｎｏＳｙｓｔｅｍｓのＮａｎｏＳｃａｎを用いて測定した。

図４のグラフに示すように、比較例２の場合は、比較例１での屈曲が若干減った状態であり、この時、追加的な透明保護膜の厚さは約０.８〜１.０ミクロン程度となる。実施例の場合は、カラーフィルタの扁平な部分(開口部領域)に透明保護膜を形成し、その厚さは約０.４μｍ程度でカラーフィルタの最も高い部位と略同じであることが分かる。

(実験例２:明暗比の測定)
カラーフィルタの明暗比は、直線偏光された光源上に上記実施例１、実施例２及び比較例により製造されたカラーフィルタを載置した後、偏光板を回転させて光の強さを測定し、最大値を最小値で割った値を基準として測定した。

光の強さを測定する方法としてはＣＣＤ素子を装着したカメラを用いた。

実施例の場合、上記表１から分かるように、比較例に比べて明暗比が優れたことが分かった。

Claims (5)

1. 各サブピクセルのカラーフィルタ層と上記カラーフィルタ層の上に形成される透明保護膜で構成され、
   上記透明保護膜の最高点と上記カラーフィルタ層の最も高い領域である基準面との高さ差が０.１μｍ以内であり、
   上記透明保護膜は、両端部が前記各サブピクセル内で上記基準面以下に形成され、上記端部の位置が上記カラーフィルタ層の第２次変曲点であることを特徴とするカラーフィルタ基板。
2. 上記透明保護膜は透過度が８５％以上であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ基板。
3. 上記透明保護膜上に透明電極層がさらに形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタ基板。
4. 上記カラーフィルタ基板上に液晶配向層がさらに形成されることを特徴とする請求項３に記載のカラーフィルタ基板。
5. 請求項４に記載のカラーフィルタ基板を含む液晶表示装置。

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