JPWO2012043620A1 - カラーフィルタ基板および液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
遮光層あるいは着色層の形成に用いる感光性着色組成物は、顔料分散体に加え、さらに、多官能モノマー、感光性樹脂ないし非感光性樹脂、重合開始剤、溶剤等を含有する。感光性樹脂及び非感光性樹脂など、本発明の実施形態に用いることの可能な透明性の高い有機樹脂を総称して透明樹脂と呼ぶ。
以上の実施形態に用いる遮光層、光散乱層、着色層、セルギャップ規制層の形成には、フォトリソグラフィによるパターン形成可能な感光性樹脂組成物を用いることが好ましい。これらの透明樹脂は、アルカリ可溶性を付与された樹脂であることが望ましい。アルカリ可溶性樹脂としては、カルボキシル基又は水酸基を含む樹脂であれば特に限定はない。例えば、エポキシアクリレート系樹脂、ノボラック系樹脂、ポリビニルフェノール系樹脂、アクリル系樹脂、カルボキシル基含有エポキシ樹脂、カルボキシル基含有ウレタン樹脂等が挙げられる。中でもエポキシアクリレート系樹脂、ノボラック系樹脂、アクリル系樹脂が好ましく、特に、エポキシアクリレート系樹脂やノボラック系樹脂が好ましい。
以上の実施形態に採用可能な透明樹脂の代表として、以下のアクリル系樹脂が例示できる。
光重合性モノマーの例として、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリシクロデカニル(メタ)アクリレート、メラミン(メタ)アクリレート、エポキシ(メタ)アクリレート等の各種アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステル、(メタ)アクリル酸、スチレン、酢酸ビニル、(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシメチル(メタ)アクリルアミド、アクリロニトリル等が挙げられる。
光重合開始剤としては、4−フェノキシジクロロアセトフェノン、4−t−ブチル−ジクロロアセトフェノン、ジエトキシアセトフェノン、1−(4−イソプロピルフェニル)−2−ヒドロキシ−2−メチルプロパン−1−オン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタン−1−オン等のアセトフェノン系化合物;ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンジルジメチルケタール等のベンゾイン系化合物;ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、ベンゾイル安息香酸メチル、4−フェニルベンゾフェノン、ヒドロキシベンゾフェノン、アクリル化ベンゾフェノン、4−ベンゾイル−4’−メチルジフェニルサルファイド等のベンゾフェノン系化合物;チオキサンソン、2−クロルチオキサンソン、2−メチルチオキサンソン、イソプロピルチオキサンソン、2,4−ジイソプロピルチオキサンソン等のチオキサンソン系化合物;2,4,6−トリクロロ−s−トリアジン、2−フェニル−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2−(p−メトキシフェニル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2−(p−トリル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2−ピペニル−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2,4−ビス(トリクロロメチル)−6−スチリルs−トリアジン、2−(ナフト−1−イル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2−(4−メトキシ−ナフト−1−イル)−4,6−ビス(トリクロロメチル)−s−トリアジン、2,4−トリクロロメチル−(ピペロニル)−6−トリアジン、2,4−トリクロロメチル(4’−メトキシスチリル)−6−トリアジン等のトリアジン系化合物;1,2−オクタンジオン,1−〔4−(フェニルチオ)−,2−(O−ベンゾイルオキシム)〕、O−(アセチル)-N−(1−フェニル−2−オキソ−2−(4’−メトキシ-ナフチル)エチリデン)ヒドロキシルアミン等のオキシムエステル系化合物;ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)フェニルホスフィンオキサイド、2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイド等のホスフィン系化合物;9,10−フェナンスレンキノン、
カンファーキノン、エチルアントラキノン等のキノン系化合物;ボレート系化合物;カルバゾール系化合物;イミダゾール系化合物;チタノセン系化合物等が挙げられる。感度向上には、オキシム誘導体類(オキシム系化合物)が有効である。これらは1種を単独であるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
光重合開始剤と増感剤とを併用することが好ましい。増感剤として、α−アシロキシエステル、アシルフォスフィンオキサイド、メチルフェニルグリオキシレート、ベンジル−9,10−フェナンスレンキノン、カンファーキノン、エチルアンスラキノン、4,4’−ジエチルイソフタロフェノン、3,3’,4,4’−テトラ(t−ブチルパーオキシカルボニル)ベンゾフェノン、4,4’−ジエチルアミノベンゾフェノン等の化合物を併用することもできる。
上述した光重合開始剤は、エチレン性不飽和化合物と共に用いることが好ましい。エチレン性不飽和化合物としては、エチレン性不飽和結合を分子内に1個以上有する化合物を意味する。中でも、重合性、架橋性、及びそれに伴う露光部と非露光部との現像液溶解性の差異を拡大できる等の点から、エチレン性不飽和結合を分子内に2個以上有する化合物であることが好ましい。また、その不飽和結合が(メタ)アクリロイルオキシ基に由来する(メタ)アクリレート化合物が特に好ましい。
感光性着色組成物には、連鎖移動剤としての働きをする多官能チオールを含有させることができる。多官能チオールは、チオール基を2個以上有する化合物であればよく、例えば、ヘキサンジチオール、デカンジチオール、1,4−ブタンジオールビスチオプロピオネート、1,4−ブタンジオールビスチオグリコレート、エチレングリコールビスチオグリコレート、エチレングリコールビスチオプロピオネート、トリメチロールプロパントリスチオグリコレート、トリメチロールプロパントリスチオプロピオネート、トリメチロールプロパントリス(3−メルカプトブチレート)、ペンタエリスリトールテトラキスチオグリコレート、ペンタエリスリトールテトラキスチオプロピオネート、トリメルカプトプロピオン酸トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレート、1,4−ジメチルメルカプトベンゼン、2、4、6−トリメルカプト−s−トリアジン、2−(N,N−ジブチルアミノ)−4,6−ジメルカプト−s−トリアジン等が挙げられる。
感光性着色組成物には、組成物の経時粘度を安定化させるために貯蔵安定剤を含有させることができる。貯蔵安定剤としては、例えばベンジルトリメチルクロライド、ジエチルヒドロキシアミンなどの4級アンモニウムクロライド、乳酸、シュウ酸などの有機酸およびそのメチルエーテル、t−ブチルピロカテコール、トリエチルホスフィン、トリフェニルフォスフィンなどの有機ホスフィン、亜リン酸塩等が挙げられる。貯蔵安定剤は、感光性着色組成物中の顔料100質量部に対して、0.1質量部から10質量部の量で含有させることができる。
感光性着色組成物には、基板との密着性を高めるためにシランカップリング剤等の密着向上剤を含有させることもできる。シランカップリング剤としては、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)シラン、ビニルエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン等のビニルシラン類、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等の(メタ)アクリルシラン類;β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)メチルトリメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)メチルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のエポキシシラン類;N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジエトキシシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン等のアミノシラン類;γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン等のチオシラン類等が挙げられる。シランカップリング剤は、感光性着色組成物中に、顔料100質量部に対して、0.01質量部から100質量部で含有させることができる。
感光性着色組成物には、基板上への均一な塗布を可能とするために、水や有機溶剤等の溶剤が配合される。また、本実施形態に用いる組成物がカラーフィルタの着色層である場合、溶剤は、顔料を均一に分散させる機能も有する。溶剤としては、例えばシクロヘキサノン、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、1−メトキシ−2−プロピルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチルベンゼン、エチレングリコールジエチルエーテル、キシレン、エチルセロソルブ、メチル−nアミルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、トルエン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、イソブチルケトン、石油系溶剤等が挙げられ、これらを単独でもしくは混合して用いることができる。溶剤は、着色組成物中に、顔料100質量部に対して、800質量部から4000質量部、好ましくは1000質量部から2500質量部で含有させることができる。
赤色顔料としては、例えば、C.I.Pigment Red 7、9、14、41、48:1、48:2、48:3、48:4、81:1、81:2、81:3、97、122、123、146、149、168、177、178、179、180、184、185、187、192、200、202、208、210、215、216、217、220、223、224、226、227、228、240、242、246、254、255、264、272、279等を用いることができる。
遮光層あるいはブラックマトリクス含まれる遮光性の色材は、可視光波長領域に吸収を有することにより遮光機能を示す色材である。本実施形態において遮光性の色材には、例えば、有機顔料、無機顔料、染料等が挙げられる。無機顔料としては、例えば、カーボンブラック、酸化チタン等が挙げられる。染料としては、例えば、アゾ系染料、アントラキノン系染料、フタロシアニン系染料、キノンイミン系染料、キノリン系染料、ニトロ系染料、カルボニル系染料、メチン系染料等が挙げられる。有機顔料については、前記した有機顔料が採用できる。なお、遮光性成分は、1種を用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。また、これら色材の表面による樹脂被覆による高体積抵抗化、逆に、樹脂の母材に対して色材の含有比率を上げて若干の導電性を付与することによる低体積抵抗化を行っても良い。しかし、こうした遮光性材料の体積抵抗値は、およそ1×108〜1×1015Ω・cmの範囲であるので、透明導電膜の抵抗値に影響するレベルではない。同様に、遮光層の比誘電率も色材の選択や含有比率でおよそ3〜11の範囲で調整できる。遮光層、第1の透明樹脂層、着色層の比誘電率は、液晶表示装置の設計条件や液晶の駆動条件にあわせて調整できる。
顔料分散剤として高分子分散剤を用いると、経時の分散安定性に優れるので好ましい。高分子分散剤としては、例えば、ウレタン系分散剤、ポリエチレンイミン系分散剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル系分散剤、ポリオキシエチレングリコールジエステル系分散剤、ソルビタン脂肪族エステル系分散剤、脂肪族変性ポリエステル系分散剤等を挙げることができる。中でも、特に窒素原子を含有するグラフト共重合体からなる分散剤が、顔料を多く含む本実施形態に用いる遮光性感光性樹脂組成物に対しては、現像性の点で好ましい。
図10に示すカラーフィルタ基板11を、以下のようにして製造した。
無アルカリガラスである透明基板10a上に、スパッタリング装置を用いて、ITO(インジウム・スズの金属酸化物薄膜)からなる透明導電膜3(第3電極)を0.14μmの膜厚で形成した。
(ブラックマトリクス形成用分散液)
カーボン顔料#47(三菱化学社製)20質量部、高分子分散剤BYK-182(ビックケミー社製)8.3質量部、銅フタロシアニン誘導体(東洋インキ製造社製)1.0質量部、及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート71質量部を、ビーズミル分散機にて攪拌して、カーボンブラック分散液を作製した。
ブラックマトリクス形成用レジストは、以下の材料を使用して作製した。
透明樹脂:V259-ME(新日鐵化学社製)(固形分56.1質量%)
光重合性モノマー:DPHA(日本化薬社製)
開始剤:OXE-02(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製)
OXE-01(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製)
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
エチル-3-エトキシプロピオネート
レベリング剤:BYK-330(ビックケミー社製)
以上の材料を、以下の組成比で混合攪拌し、ブラックマトリクス形成用レジスト(固形分中の顔料濃度:約20%)とした。
透明樹脂 1.4質量部
光重合性モノマー 0.4質量部
光重合開始剤 OXE−01 0.67質量部
光重合開始剤 OXE−02 0.17質量部
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート 14質量部
エチル-3-エトキシプロピオネート 5.0質量部
レベリング剤 1.5質量部
(ブラックマトリクス形成条件)
上記フォトレジストを透明導電膜3上にスピンコートし、乾燥させ、膜厚1.5μmの塗膜を作製した。かかる塗膜を100℃で3分間、乾燥した後、ブラックマトリクスとしてパターン幅(ブラックマトリクスの画線幅に相当)24.5μm開口のある露光用のフォトマスクを用い、光源として超高圧水銀灯ランプを用いて200mJ/cm2照射した。
(樹脂Aの合成)
セパラブルフラスコ中で、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート686質量部、グリシジルメタクリレート332質量部、アゾビスイソブチロニトリル6.6質量部を加え、窒素雰囲気下において80℃で6時間加熱し、樹脂溶液を得た。
以下の組成にて、ネガ型の感光性樹脂液Aを調製した。
光重合性モノマー
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート ・・・20質量部
光重合開始剤
(チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製、イルガキュア907)
・・・10質量部
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)
・・・270質量部
上記感光性樹脂液Aおよび第1の透明樹脂層のパターン(開口部)を有するフォトマスクを使用し、公知のフォトリスグラフィの手法にて、ブラックマトリクスの長手方向の2辺を覆う位置に第1の透明樹脂層4を形成した。第1の透明樹脂層4の高さ(膜厚)は、1.5μmとした。なお、本実施例では、第1の透明樹脂層4を、画素の長手方向、ブラックマトリクスの2辺を覆う位置に形成した。画素の短手方向及び通常表示領域には、第1の透明樹脂層4を形成していない。
《着色層形成用分散液》
着色層に分散する有機顔料として、以下のものを使用した。
緑色用顔料:C.I.Pigment Green 58(DIC社製)、C.I.Pigment Yellow 150(バイエル社製「ファンチョンファーストイエロー Y-5688」)
青色用顔料:C.I.Pigment Blue 15(東洋インキ製造製「リアノールブルーES」)
C.I.Pigment Violet 23(BASF社製「バリオゲンバイオレット 5890」)
以上の顔料を用いて、赤色、緑色、及び青色の各色分散液を作製した。
赤色顔料:C.I.Pigment Red 254 18質量部
赤色顔料:C.I.Pigment Red 177 2質量部
アクリルワニス(固形分20質量%) 108質量部
上記の組成の混合物を均一に攪拌した後、ガラスビーズを用いて、サンドミルで5時間分散し、5μmフィルタで濾過して赤色顔料分散液を作製した。
緑色顔料:C.I.Pigment Green 58 16質量部
緑色顔料:C.I.Pigment Yellow 150 8質量部
アクリルワニス(固形分20質量%) 102質量部
上記の組成の混合物に対して、赤色顔料分散液と同様の作製方法を用いて、緑色顔料分散液を作製した。
青色顔料:C.I.Pigment Blue 15 50質量部
青色顔料:C.I.Pigment Violet 23 2質量部
分散剤(ゼネカ社製「ソルスバース20000」) 6質量部
アクリルワニス(固形分20質量%) 200質量部
上記の組成の混合物に対して、赤色顔料分散液と同様の作製方法を用いて、青色顔料分散液を作製した。
(樹脂Bの合成)
反応容器にシクロヘキサノン800質量部を入れ、容器に窒素ガスを注入しながら加熱して、下記モノマーおよび熱重合開始剤の混合物を滴下して、重合反応を行った。
メタクリル酸 60質量部
メチルメタクリレート 65質量部
ブチルメタクリレート 65質量部
熱重合開始剤 10質量部
連鎖移動剤 3質量部
滴下後、十分に加熱した後、熱重合開始剤2.0質量部をシクロヘキサノン50質量部で溶解させたものを添加し、さらに反応を続けてアクリル樹脂の溶液を得た。この樹脂溶液に固形分が20重量%になるようにシクロヘキサノンを添加してアクリル樹脂溶液を調製し、樹脂Bとした。アクリル樹脂の重量平均分子量は、約10,000であった。
下記に示す組成の混合物を均一に攪拌混合した後、直径1mmのガラスビーズを用いて、サンドミルで5時間分散し、次いで、5μmのフィルターで濾過して、樹脂塗布液Bを得た。
多官能重合性モノマー
(東亜合成製「アロニックス M-400」) 20質量部
光開始剤(チバ・スペシャリティー・ケミカルズ社製「イルガキュア907」)
16質量部
シクロヘキサノン 214質量部
上記樹脂塗布液Bをもちいて、着色層全面を覆うように、0.6μm膜厚の第2の透明樹脂層18を形成して、カラーフィルタ基板とした。
図11に示すカラーフィルタ基板を、以下のようにして製造した。
図1に示すように、実施例1に係るカラーフィルタ基板11とTFTのアクティブ素子を形成したアレイ基板21を貼り合わせ、間に負の誘電率異方性の液晶17を封入し、さらに両面に偏光板を貼付して、液晶表示装置とした。カラーフィルタ基板及びアレイ基板の表面には、あらかじめ垂直配向膜を塗布、形成してある。なお、アクティブ素子の形成された基板は、図6及び図9で示した櫛歯状電極を有するアレイ基板21とした。
本実施例に係る液晶表示装置を図12に示す。この実施例は、反射偏光板を用いた半透過型液晶表示装置である。反射偏光板としては、例えば、特許第4177398号公報に記載されているようなものを用いることができる。
Claims (13)
- 階調表示を行う通常表示と明るいダイナミック表示を行う液晶表示装置向けカラーフィルタ基板であって、
透明基板、
この透明基板上に形成された透明導電膜、
この透明導電膜上に形成された、平行な2辺を有する多角形画素形状に区分された開口部である画素領域を有するブラックマトリクス、
前記ブラックマトリクスの前記平行な2辺に対応する部分を覆うように形成された第1の透明樹脂層、
前記画素領域に形成された着色層、及び
この着色層上に形成され、前記画素領域の中心を通る線状の凹部を有する第2の透明樹脂層
を具備することを特徴とするカラーフィルタ基板。 - 前記着色層は、前記画素領域中央において前記透明導電膜上に直接形成された通常表示領域と、前記ブラックマトリクスの前記平行な2辺に対応する部分を覆う前記第1の透明樹脂層上に形成されたダイナミック表示領域とに区分され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。
- 前記透明基板上に形成された透明導電膜の表面からの、前記凹部の底部までの厚みAと、前記通常表示領域における着色層と第2の透明樹脂層を合計した厚みBと、前記ダイナミック表示領域における前記第1の透明樹脂層と前記着色層と第2の透明樹脂層を合計した厚みCが、A<B<Cの関係にあることを特徴とする請求項2に記載のカラーフィルタ基板。
- 前記ダイナミック表示領域の厚みCより、前記ブラックマトリクス上でのブラックマトリクスから第2の透明樹脂層までを合計した厚みが厚い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。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載のカラーフィルタ基板を具備することを特徴とする液晶表示装置。
- 前記カラーフィルタ基板と、液晶を駆動する素子をマトリクス状に配設したアレイ基板とを、液晶を間に介在させて対向させて貼り合わせてなる液晶表示装置であって、前記アレイ基板が、液晶を駆動するために、異なる電位が印加される第1電極及び第2電極を具備することを特徴とする請求項5に記載の液晶表示装置。
- 前記第1電極と、前記第2電極および前記透明導電膜である第3電極との間に駆動電圧を印加したときに、前記液晶表示装置の画素領域における液晶の分子は、前記画素領域を2分する直線における線対称である逆方向に倒れるように動作することを特徴とする請求項6に記載の液晶表示装置。
- 前記画素領域は、液晶を駆動する電圧を印加したときの液晶分子の動作に関し、平面視で画素中心から点対称に4つの動作領域に区分されることを特徴とする請求項6に記載の液晶表示装置。
- 前記第1電極が、液晶を駆動するアクティブ素子と接続された櫛歯状パターンを有し、前記第2電極が、絶縁層を介して前記第1電極の下に配設された櫛歯状パターンを有し、かつ前記第2電極が、平面視で画素の辺の方向に、前記第1電極の端部からはみ出ていることを特徴とする請求項6に記載の液晶表示装置。
- 前記第1電極及び第2電極が、可視域で透明な導電性金属酸化物からなることを特徴とする請求項6に記載の液晶表示装置。
- 透明基板上に、透明導電膜、平行な2辺を有する多角形画素形状に区分された開口部である複数の画素領域を有するブラックマトリクス、及び第1の透明樹脂層を備えるとともに、前記透明導電膜上でかつ前記画素領域に複数の着色層からなる着色画素が形成されたカラーフィルタ基板と、
液晶を駆動する素子をマトリクス状に配設したアレイ基板とを対向させ、液晶を間に介在させて貼り合わせてなる液晶表示装置において、
前記カラーフィルタ基板における、前記画素領域内に前記ブラックマトリクスに沿って前記第1の透明樹脂層及び着色層が重なる領域を有し、前記アレイ基板が、それぞれ可視域で透明な導電性酸化物からなる櫛歯状の第1電極及び櫛歯状の第2電極を具備し、前記第2電極が絶縁層を介して前記第1電極の下に配設され、前記第2電極が、平面視で前記第1の透明樹脂層に向かう方向に前記第1電極の端部からはみ出ていることを特徴とする液晶表示装置。 - 前記アレイ基板上の、平面視で前記第1の樹脂層が配設される位置に、第1電極が配設されていないことを特徴とする請求項11に記載の液晶表示装置。
- 前記液晶が負の誘電率異方性を有することを特徴とする請求項12に記載の液晶表示装置。
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