JP2000029014A - 液晶表示素子用カラーフィルタ基板及び液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブラックマトリクスを設けずに有効表示領域
の周囲の額縁部を遮光する。 【解決手段】 カラーフィルタ基板の有効表示領域に
赤、緑、青の着色層３、４、５を形成し、額縁部にその
うちの２色又は３色の着色層を積層して遮光層とする。
特に、赤と青の着色層３ａ、５ａを積層すると、光の透
過率を最も低くして表示品位を良好にすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、テレビジ
ョンセット、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッ
サ、ＯＡ（Ｏｆｆｉｃｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）機器
などの表示装置に利用される、カラー表示が可能な液晶
表示素子及び液晶表示素子用カラーフィルタ基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】カラー表示が可能な液晶表示素子に用い
られるカラーフィルタは、通常、ガラスや透明樹脂等か
らなる透明基板上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３
色からなるストライプ状またはドット状の着色層を画素
に対応させて配置し、それらの境界を黒色材料からなる
ブラックマトリクスで遮光したものである。さらに、こ
のブラックマトリクスの材料を用いて、有効表示領域の
周囲のいわゆる額縁部分を遮光し、表示に無効な液晶部
分が見えないようにしている。

【０００３】このカラーフィルタの着色層を製造する方
法としては、染色法、印刷法、電着法、着色レジスト法
などが知られている。また、ブラックマトリクスの形成
方法としては、（１）スパッタリング法等により基板上
にＣｒ等の金属薄膜を成膜し、これをフォトリソグラフ
ィ技術を用いてパターニングする方法や、（２）基板上
に黒色樹脂を塗布し、これをエッチングまたはリフトオ
フ法などによりパターニングする方法等が知られてい
る。

【０００４】例えば、図４（ａ）に示すように、透明基
板１１上に黒色樹脂又は金属薄膜を用いてブラックマト
リクス１２を形成すると共に有効表示領域の周囲の額縁
部に遮光層１２ａを形成する。そして、図４（ｂ）に示
すように、カラーレジストにより赤色の画素に対応させ
て赤色の着色層１３を形成し、図４（ｃ）に示すように
緑色の着色層１４及び青色の着色層１５を順次形成して
カラーフィルタ基板を作製する。

【０００５】上記ブラックマトリクスの形成方法のう
ち、金属薄膜を用いる方法は、高価で大掛かりな真空成
膜設備が必要であるというコスト面でのデメリットに加
え、有害なエッチング廃液（例えばＣｒ廃液）の処理施
設を必要とするなどの問題を抱えている。さらに、金属
膜特有の反射のために、表示が見えにくいという欠点を
有している。

【０００６】一方、黒色樹脂を用いる方法では、成膜設
備や廃液処理設備ともに金属薄膜を用いる方法ほどには
大掛かりなものを必要としないものの、やはり有機廃液
処理の問題がある。

【０００７】いずれの方法を用いるにせよ、画素間を遮
光するブラックマトリクスは、光漏れが大きいとコント
ラストが低くなってくっきりとした表示が得られなくな
るため、高い遮光性（例えば光の透過率０．１％以下）
が求められる。

【０００８】特に、一般に使用されているノーマリホワ
イト型ＴＮ（ツイスティッドネマティック）液晶の場
合、液晶層に電圧を印加しないときの液晶材料自体及び
偏光板による遮光性が４０％と低いため、ブラックマト
リクス材料自体に高い遮光性が必要とされる。

【０００９】金属薄膜や黒色樹脂を用いない方法として
は、例えば特開平２−２８７３０３号公報には、画素部
分に同色の樹脂を２層重ね合わせ、かつ、遮光部分（ブ
ラックマトリクス）となるところに別の色の樹脂を２層
重ね合わせることで、表面が平坦な着色画素を形成する
方法が開示されている。しかし、この方法では、１層目
と２層目とにおいてＲ、Ｇ、Ｂの各色の樹脂層を隙間無
く、かつ、重なり合わないように形成する必要があり、
プロセスマージンが非常に小さい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の黒色感光性樹脂
を用いたブラックマトリクスの製造方法においては、光
漏れを防止するために黒色樹脂層を着色層に一部重ねて
形成する必要があるため、着色層の表面に大きな突起を
生じるという問題がある。この突起は、その上に形成さ
れる透明電極の断線等の原因となるため、研磨などの処
置を行って除去されているが、これによりコストアップ
や歩留り低下を生じるという問題がある。

【００１１】また、液晶表示素子の視角依存性を改善す
る方法として、特開平６−３０１０１５号公報や特開平
７−１２０７２８号公報等に、画素領域を基板間隔の少
なくとも一部を占める高さの高分子壁によって包囲され
た１乃至複数の液晶領域に分割し、各液晶領域内の液晶
を基板表面に垂直な軸に対して軸対称状に配向させる
（軸対称配向：Ａｘｉａｌｌｙ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａ
ｌｌｙ ＡｌｉｇｎｅｄＭｉｃｒｏｃｅｌｌ：ＡＳＭ）
方法が非常に有効であることが知られている。しかし、
この場合に上記従来のカラーフィルタ基板を用いると、
上記突起によって高分子壁の形状が不均一になり、液晶
領域内の液晶分子の軸対称配向が乱れる原因となるとい
う問題がある。

【００１２】さらに、ブラックマトリクスには高い遮光
性が要求され、その光学濃度は２．５、好ましくは３．
０であることが必要とされるが、このように光学濃度の
大きい黒色感光性樹脂の表面から露光を行っただけでは
樹脂内部が充分硬化しないため、現像の際にオーバーエ
ッチングされる等の不都合が生じることが多かった。

【００１３】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、カラーフィルタの形成工
程においてブラックマトリクスを形成せずに表面段差の
解消や製造プロセス削減を図ると共に、有効表示領域周
囲の額縁部を遮光することができる液晶表示素子用カラ
ーフィルタ基板及びそれを用いた良好な表示状態を得る
ことができる液晶表示素子を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子用
カラーフィルタ基板は、透明基板上の有効表示領域に複
数色の着色層が設けられている液晶表示素子用カラーフ
ィルタ基板において、該有効表示領域の周囲の額縁部
に、該複数色のうちの少なくとも２色の着色層を積層し
た遮光層が設けられており、そのことにより上記目的が
達成される。

【００１５】前記遮光層が、赤色の着色層と青色の着色
層とが積層されたものであるのが好ましい。

【００１６】前記遮光層は、端部の傾斜角度が基板表面
に対して４０゜以下であるのが好ましい。

【００１７】本発明の液晶表示素子は、本発明の液晶表
示素子用カラーフィルタ基板と対向基板との間に、電圧
無印加時に液晶分子が基板表面に対してほぼ垂直に配向
する垂直配向型の液晶が挟持されており、そのことによ
り上記目的が達成される。

【００１８】以下、本発明の作用について説明する。

【００１９】本発明にあっては、有効表示領域の周囲の
額縁部に、カラーフィルタの着色層のうちの少なくとも
２色または３色の着色層を積層して遮光層を形成してあ
るので、ブラックマトリクスの材料を用いずに額縁部を
遮光することができる。

【００２０】２色の着色層を用いる場合には、赤色の着
色層と青色の着色層を積層すると、後述する表１及び表
２に示すように、緑色の着色層と青色の着色層を積層し
た場合や赤色の着色層と緑色の着色層を積層した場合に
比べて、光の透過率を最も低くすることができる。

【００２１】この遮光層の端部の傾斜角度を、後述する
図２に示すように、基板表面に対して４０゜以下にする
と、額縁部における着色層の断面形状をなだらかな順テ
ーパー形状にすることができるので、その上に形成され
る透明電極が着色層のエッジ部で断線するのを防ぐこと
ができる。

【００２２】特に、垂直配向型の液晶を用いたノーマリ
ブラック型ＴＮ液晶層と２色の着色層とを重ね合わせる
ことにより、後述する表２に示すように、従来のノーマ
リホワイト型ＴＮ液晶表示素子における黒色樹脂材料部
分よりも充分高い遮光能力が得られるので、良好な表示
状態を実現することができる。ノーマリホワイト型ＴＮ
液晶表示素子の場合には、液晶層に電圧を印加しないと
きの液晶材料自体による遮光性が低く、遮光膜に対して
より高い遮光性が必要とされるので、ノーマリブラック
型の液晶表示素子に本発明を適用するのが好ましい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。

【００２４】（実施形態１）図１（ｃ）は本実施形態の
液晶表示素子におけるカラーフィルタ基板の斜視図であ
る。

【００２５】このカラーフィルタ基板は、透明基板１上
の有効表示領域に赤、緑、青の各色の着色層３、４、５
がストライプ状画素に対応して設けられている。そし
て、有効表示領域の周囲の額縁部に赤色の着色層３ａと
青色の着色層５ａとを積層した遮光層が設けられてい
る。その上には、ストライプ状の透明電極層（図示せ
ず）が設けられ、さらにその上には配向膜（図示せず）
が設けられている。このカラーフィルタ基板は、ストラ
イプ状の透明電極及び配向膜が設けられた対向基板と貼
り合わせられ、両基板の間隙に液晶層が挟持されて液晶
表示素子となっている。

【００２６】このカラーフィルタ基板は、例えば以下の
ようにして作製することができる。

【００２７】まず、図１（ａ）に示すように、ガラスか
らなる透明基板１上にフォトレジスト（カラーレジス
ト）を塗布して露光及び現像することにより赤色の画素
に対応させて赤色の着色層３を形成する。それと同時
に、有効表示領域の周囲の額縁部に赤色の着色層からな
る遮光層３ａとする。

【００２８】次に、図１（ｂ）に示すように、緑色の着
色層４及び青色の着色層５を順次形成する。このとき、
額縁部に遮光層３ａに積層して青色の着色層からなる遮
光層５ａを形成する。

【００２９】本実施形態において、各カラーレジストの
膜厚は１．２μｍとし、画素は幅３３０μｍのストライ
プ状とし、額縁は幅１０ｍｍとした。また、各カラーレ
ジストの露光は、フォトマスクとガラス基板を近接させ
たプロキシミティー露光法により行った。このとき、遮
光層３ａ、５ａの端部の傾斜角度を４０゜以下にするた
めに、フォトマスクとガラス基板との間隔を２００μｍ
としたプロキシミティー露光を行った。

【００３０】このようにして得られる遮光層３ａ、５ａ
の端部は、図２（ａ）の○で囲んだ部分の拡大断面図で
ある図２（ｂ）に示すように、断面形状がなだらかな順
テーパー形状であり、その傾斜角度は約４０゜であっ
た。その上にスパッタリングにより厚み約２００ｎｍの
ＩＴＯ膜を形成したところ、遮光層３ａ、５ａの端部が
なだらかであるので、断線無しに透明電極層６を形成す
ることができた。よって、通常必要とされる、カラーフ
ィルタ表面へのオーバーコート剤（平坦化膜、膜厚約２
μｍ）の塗布を省略することができる。

【００３１】これに対して、フォトマスクとガラス基板
の間隔を５０μｍにして露光した場合には、遮光層３
ａ、５ａの端部の傾斜角度が７０゜以上となり、オーバ
ーコート剤を塗布せずに透明電極層を形成した場合には
断線が発生した。

【００３２】ここで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の
各単色及び各２色の着色層（カラーレジスト）をガラス
基板に塗布したときの光の透過率を測定した結果を下記
表１に示す。

【００３３】

【表１】 この表１からわかるように、２色の着色層（カラーレジ
スト）を重ね合わせて遮光層を形成する場合、赤色の着
色層と青色の着色層とを組み合わせることにより、他の
色の組み合わせを用いた場合に比べて光の透過率を低く
することができる。

【００３４】なお、電界が印加されていないノーマリブ
ラック型液晶層とクロスニコルに配置された偏光板とを
組み合わせたときの透過率は０．１％であった。従っ
て、カラーフィルタを構成する赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の着色層のうちの２色ずつを重ね合わせた場合の
偏光板、液晶層及びカラーフィルタ基板のトータルの透
過率は、以下の表２に示すようになる。

【００３５】

【表２】 なお、この表２において、トータルの透過率は、 （各着色層（カラーレジスト）の透過率）×（液晶層及
び偏光板の透過率） として計算した。また、ノーマリホワイト型液晶の透過
率は、黒色樹脂材料の透過率を０．１％、ＯＤ（光学濃
度）値換算で３、液晶層及び偏光板の透過率を４０％と
して計算した。

【００３６】この表２から分かるように、ノーマリブラ
ック型液晶と２色の着色層の重ね合わせとによれば、従
来のノーマリホワイト型液晶における黒色樹脂材料部分
の遮光能力よりも充分高い遮光性を有している。よっ
て、この２色の着色層を用いて、表示領域周囲にある表
示に無効な領域である額縁部を遮光することができる。
特に、赤色の着色層と青色の着色層とを組み合わせるこ
とにより、他の色の組み合わせよりも高い遮光性を得る
ことができるので、好ましい。

【００３７】このように、本実施形態によれば、カラー
フィルタの着色層を形成する際に、額縁部に遮光能力の
充分高い遮光層を形成することができるので、製造工程
を簡略化することができる。また、カラーフィルタにブ
ラックマトリクスを設けないので、表面の段差を少なく
して表示状態を良好にすることができる。なお、有効表
示領域における画素間の遮光は、例えば、赤、緑、青の
各着色層を各々２色重ね合わせることによって行うこと
ができる。

【００３８】（実施形態２）本実施形態では、軸対称状
配向（ＡＳＭ）モードの液晶表示素子に本発明を適用し
た例について説明する。

【００３９】図３は本実施形態の液晶表示素子における
カラーフィルタ基板を示す断面図である。

【００４０】このカラーフィルタ基板は、透明基板１上
の有効表示領域に赤、緑、青の各色の着色層３、４、５
がストライプ状画素に対応して設けられ、有効表示領域
の周囲の額縁部に赤色の着色層３ａと青色の着色層５ａ
とを積層した遮光層が設けられている。

【００４１】このカラーフィルタ基板上には、さらに、
オーバーコート層７が設けられ、その上にストライプ状
の透明電極層６が設けられている。この透明電極層６の
端部に一部重なって黒色樹脂材料からなる高分子壁８が
井型状に設けられ、その上にドット状のスペーサー柱９
が設けられている。

【００４２】このカラーフィルタ基板は、例えば以下の
ようにして作製することができる。

【００４３】まず、実施形態１と同様にして、透明基板
１上に赤、緑、青の着色層３、４、５をストライプ状に
形成すると共に額縁部に赤、青の着色層３ａ、５ａを形
成する。

【００４４】次に、その上に黒色樹脂材料によって高さ
２．０μｍの高分子壁８を井型状に形成し、その高分子
壁８上に、高さ４．０μｍのスペーサー柱を離散的に形
成する。

【００４５】そして、この基板表面に配向膜（図示せ
ず）を形成して配向処理を行い、カラーフィルタ基板を
完成する。

【００４６】このカラーフィルタ基板を用いてＡＳＭ液
晶表示素子を作製したところ、額縁部を完全に遮光する
ことができ、しかも表示ムラや配向乱れが無い広視野角
な液晶表示素子が得られた。

【００４７】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は上記構成に限られない。例えば、有効表示
領域の周囲の額縁部に設ける遮光層は、赤および青の着
色層を積層した構成としているが、この組み合わせに限
られず、赤および緑の着色層を積層した構成や青および
緑の着色層を積層した構成であってもよく、さらに、
赤、青、緑の３色の着色層を積層した構成としてもよ
い。但し、３色の着色層を積層した場合には、段差が大
きくなるため、２色の着色層で遮光性が充分であれば、
２色の着色層を積層する方が好ましい。なお、２色の着
色層を積層する場合には、赤の着色層と青の着色層を積
層すると、他の２色の着色層を積層した場合よりも光の
透過率を充分低くすることができる。

【００４８】本発明は、単純マトリクス型の液晶表示素
子に限らず、アクティブマトリクス型やプラズマアドレ
ス液晶表示素子に対して適用することも可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明による場合
には、額縁領域を遮光するためにブラックマトリクスを
形成しなくてもよいので、ブラックマトリクスの形成工
程を減らすことができる。

【００５０】さらに、カラーフィルタの表面段差を無く
して平坦化することができるので、配向不良の少ない液
晶表示素子を少ない製造工程で作製することができる。
また、視角依存性の改善に極めて有効なＡＳＭモードに
適しており、表示ムラや配向乱れの無い広視野角な液晶
表示素子が得られる。

【００５１】遮光層の端部の傾斜角度を基板表面に対し
て４０゜以下にすることにより、オーバーコート層を形
成しなくても透明電極層の断線等の不良を防ぐことがで
きるので、さらに製造工程を削減することができる。

【００５２】さらに、垂直配向型の液晶を用いたノーマ
リブラック型ＴＮモードの液晶層と２色の着色層とを重
ね合わせることにより、ノーリホワイト型ＴＮモードの
液晶層における黒部分よりも充分高い遮光能力が得られ
るので、表示品位の良好な液晶表示素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は実施形態１のカラーフィルタ
基板の製造工程を説明するための斜視図である。

【図２】（ａ）は実施形態１のカラーフィルタ基板の斜
視図であり、（ｂ）はその部分拡大断面図である。

【図３】実施形態２のカラーフィルタ基板の断面図であ
る。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は従来のカラーフィルタ基板の
製造工程を説明するための斜視図である。

【符号の説明】

１、１１ 透明基板 ３、４、５、１３、１４、１５ 着色層 ３ａ、５ａ、１２ａ 額縁部の遮光層 ６ 透明電極層 ７ オーバーコート層 ８ 高分子壁 ９ スペーサー柱 １２ ブラックマトリクス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明基板上の有効表示領域に複数色の着
   色層が設けられている液晶表示素子用カラーフィルタ基
   板において、 該有効表示領域の周囲の額縁部に、該複数色のうちの少
   なくとも２色の着色層を積層した遮光層が設けられてい
   る液晶表示素子用カラーフィルタ基板。
2. 【請求項２】 前記遮光層が、赤色の着色層と青色の着
   色層とが積層されたものである請求項１に記載の液晶表
   示素子用カラーフィルタ基板。
3. 【請求項３】 前記遮光層は、端部の傾斜角度が基板表
   面に対して４０゜以下である請求項１または請求項２に
   記載の液晶表示素子用カラーフィルタ基板。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の液晶表示素子用カラーフィルタ基板と対向基板との間
   に、電圧無印加時に液晶分子が基板表面に対してほぼ垂
   直に配向する垂直配向型の液晶が挟持されている液晶表
   示素子。