JP2000089213A - 液晶素子及びその製造方法 - Google Patents

液晶素子及びその製造方法

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JP2000089213A
JP2000089213A JP25739898A JP25739898A JP2000089213A JP 2000089213 A JP2000089213 A JP 2000089213A JP 25739898 A JP25739898 A JP 25739898A JP 25739898 A JP25739898 A JP 25739898A JP 2000089213 A JP2000089213 A JP 2000089213A
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ink
liquid crystal
color filter
electrode
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Atsuto Yamaguchi
敦人 山口
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 カラー表示の液晶素子を簡素な工程で歩留良
く製造する。 【解決手段】 画素電極14上に、遮光層11よりも画
素電極14に対する親和性の高いインクを付与し、該イ
ンクを硬化することによりカラーフィルタ13を形成す
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、カラーテレビ、カ
ラーモニタ、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッ
サ等に使用されているカラー表示の液晶素子とその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータの発達、
特に携帯用パーソナルコンピュータの発達に伴い、液晶
ディスプレイ、特にカラー液晶ディスプレイの需要が増
加する傾向にある。しかしながら、さらなる普及のため
にはコストダウンが必要であり、特にコスト的に比重の
重いカラーフィルタのコストダウンに対する要求が高ま
っている。
【0003】従来から、カラーフィルタの要求特性を満
足しつつ上記の要求に応えるべく、種々の方法が試みら
れているが、いまだ全ての要求特性を満足する方法は確
立されていない。以下にそれぞれの方法を説明する。
【0004】第一の方法は顔料分散法である。この方法
は、先ず基板上に顔料を分散した感光性樹脂層を形成
し、これをパターニングすることにより単色のパターン
を得る。さらにこの工程を3回繰り返すことによりR、
G、Bのカラーフィルタを形成する。
【0005】第二の方法は染色法である。この方法は、
先ず基板上に染色用の材料である水溶性の高分子材料を
形成し、これをフォトリソグラフィ工程により所望の形
状にパターニングした後、得られたパターンを染色浴に
浸漬して着色されたパターンを得る。これを3回繰り返
すことによりR、G、Bのカラーフィルタを形成する。
【0006】第三の方法としては電着法がある。この方
法は、先ず基板上に透明電極をパターニングし、顔料、
樹脂、電解液等の入った電着塗装液に浸漬して第一の色
を電着する。この工程を3回繰り返してR、G、Bのカ
ラーフィルタを形成し、最後に焼成するものである。
【0007】第四の方法は、熱硬化型の樹脂に顔料を分
散させ、印刷を3回繰り返すことによりR、G、Bを塗
り分けた後、樹脂を熱硬化させることにより着色層を形
成し、カラーフィルタとするものである。
【0008】上記いずれの方法においてもカラーフィル
タ上に保護膜を形成するのが一般的である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記の方法に共通して
いる点は、R、G、Bの3色を着色するために同一の工
程を3回繰り返す必要があり、コスト高になることであ
る。また、工程が多い程歩留が低下するという問題を有
している。さらに、電着法においては、形成可能なパタ
ーン形状が限定されるため、現状の技術ではTFT用に
は適用困難である。また、印刷法は、解像性が悪いため
ファインピッチのパターンの形成には不向きである。
【0010】これらの欠点を補うべく、インクジェット
方式によるカラーフィルタの製造方法として、特開昭5
9−75205号公報、特開昭63−235901号公
報、特開平1−217302号公報等の提案があるが、
いまだ不十分である。
【0011】特に、インクジェット方式でカラーフィル
タを作製する際には、 (1)隣接する異なる色の画素間における混色 (2)着色部とブラックマトリクスとの境界部における
白抜けや、着色画素内における着色濃度の分布に起因す
る色むらが問題となる。そこで、カラーフィルタの画素
間における混色を防止する方法が、特開平8−7591
6号公報に提案されている。この方法は、フォトマスク
を用いた露光により疎インク部を形成し、インク混色防
止を効果に挙げている。
【0012】しかしながら、液晶素子のサイズ或いは解
像度の変更等によりセルサイズが変更になった時には、
新たに露光マスクを作製しなければならない。また、こ
の露光工程には、ブラックマトリクスとの高精度なアラ
イメントが要求され、歩留及びコスト的に不利である。
【0013】そこで、ブラックマトリクスをマスク代わ
りに利用し、背面露光する方法が提案されている(特開
平8−227012号公報)。
【0014】一方、ブラックマトリクスは素材がCrで
あったり、樹脂であったり、或いは、カラーフィルタ基
板と対向する基板側に設けられたり、TFT基板上にで
あったり種々のバリエーションがある。従って、カラー
フィルタの製造プロセスもブラックマトリクスのタイプ
に応じて変える必要がある。
【0015】本発明の目的は、カラー表示特性に優れた
液晶素子を安価に提供することにあり、詳しくは、白抜
けや混色のないカラーフィルタを、ブラックマトリクス
との高精度なアライメントや、ブラックマトリクスのバ
リエーションに応じたプロセス変更を要求することな
く、歩留良く、簡素な工程で形成し、上記した優れた液
晶素子を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の第一は、複数の
画素を有し、画素毎に画素電極と該画素電極上に位置す
るカラーフィルタを有する液晶素子の製造方法であっ
て、上記カラーフィルタの形成工程が、上記画素電極よ
りも該画素電極以外で露出している部材に対する親和性
の低いインクを用い、上記画素電極上に該インクを付与
して硬化することによってカラーフィルタを形成するこ
とを特徴とするものである。
【0017】また本発明の第二は、複数の画素を有し、
画素毎に画素電極と該画素電極上に位置するカラーフィ
ルタを有する液晶素子であって、上記本発明の液晶素子
の製造方法によって製造されたことを特徴とする液晶素
子である。
【0018】本発明においては、カラーフィルタを形成
するインクに対する、画素電極と該画素電極以外で露出
した部材との親和性の差を利用し、画素電極以外へのイ
ンクの付着を大きく抑制することにより、画素電極上に
のみにカラーフィルタを形成することができる。よっ
て、従来のような露光した受光層やブラックマトリクス
を用いずとも、所定の領域にカラーフィルタを形成する
ことができる。
【0019】また、画素電極とその他の領域との親和性
の差は従来よりも大きくすることができるため、インク
の付与位置に多少のずれがあっても、自然に着色位置が
修正されるため、混色や白抜けなどの着色不良を低減す
ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】図1に本発明の液晶素子の一実施
形態の断面模式図を示す。本実施形態は、TFT(薄膜
トランジスタ)を用いたアクティブマトリクス型の液晶
素子である。図中、1はガラス基板、2はゲート電極、
3はゲート絶縁膜、4はi型アモルファスシリコン層、
5はエッチングストップ層、6はオーミックコンタクト
層、7はソース電極、8はドレイン電極、9はTFT、
10はパッシベーション膜、11は遮光層、13はカラ
ーフィルタ、14は画素電極、15は配向膜、16はガ
ラス基板、17は共通電極、18は配向膜、19は液晶
である。
【0021】図1に示すように、第1のガラス基板1上
には、ゲート電極2、ゲート絶縁膜3、i型アモルファ
スシリコン層4、オーミックコンタクト層6、ソース電
極7、ドレイン電極8から構成されたTFT9が形成さ
れており、パッシベーション膜10と遮光層11を介し
てドレイン電極8には画素電極14が接続されている。
また、画素電極14上にはカラーフィルタ13が形成さ
れ、TFT9及びカラーフィルタ13上の全面に配向膜
15が形成されている。
【0022】また、第2のガラス基板16上には、共通
電極17、配向膜18が形成され、上記第1のガラス基
板1とは5μm程度の間隙を介して対向配置され、両基
板間には液晶19が充填されている。
【0023】次に、上記液晶素子を本発明の製造方法で
製造する場合について説明する。図2、図3は、図1に
示した液晶素子の製造工程を示す断面模式図である。図
2、図3の(a)〜(k)は下記工程(a)〜(k)に
それぞれ対応する断面模式図である。
【0024】工程(a) ガラス基板1上に2000Å程度の膜厚でCr、Ta等
によりゲート電極2を形成する。尚、本発明において
は、ガラス基板1以外にも、必要な強度や透明性が得ら
れればプラスチック基板等も用いることができる。
【0025】工程(b) ゲート電極2上に5000Å程度の膜厚でゲート絶縁膜
3を形成する。ゲート絶縁膜3には、SiN、Si
34、TaO、Ta25等の単層膜、或いはこれらの絶
縁膜を積層した多層膜を用いる。
【0026】工程(c) ゲート絶縁膜3上に2000Å程度の膜厚でi型のアモ
ルファスシリコン層4、エッチングストップ層5を形成
する。エッチングストップ層5は後述の工程(f)のエ
ッチングの際にチャネル領域となるi型アモルファスシ
リコン層4にダメージが生じないように、i型アモルフ
ァスシリコン層4を保護するもので、特にi型アモルフ
ァスシリコン層4及びオーミックコンタクト層6とエッ
チングレートの異なる素材、例えばSiN、Si34
の絶縁膜を用いて形成する。
【0027】工程(d) エッチングストップ層5をパターニングする。
【0028】工程(e) i型アモルファスシリコン層4及びエッチングストップ
層5上に3000Å程度の膜厚でオーミックコンタクト
層6を形成する。オーミックコンタクト層6には、n+
型のアモルファスシリコン或いは微結晶シリコン等を用
いる。
【0029】工程(f) オーミックコンタクト層6上にソース電極7及びドレイ
ン電極8を形成し、オーミックコンタクト層6、i型ア
モルファスシリコン層4、ゲート絶縁膜3の不要な部分
をエッチングで除去してTFT9を形成する。ソース電
極7及びドレイン電極8にはAl、Mo等を用いる。
【0030】工程(g) TFT9をSiN等からなるパッシベーション膜10で
覆い、その上に遮光層(ブラックマトリクス)11を形
成する。
【0031】本発明においては、後述するインク付与工
程(j)において、画素電極よりも画素電極以外で露出
した部材に対する親和性が低いインクを用いる。画素電
極としては、通常ITO等透明導電材が用いられるた
め、本実施形態では、遮光層11を該透明導電材よりも
インク、特に水性インクに対して親和性の低い素材で形
成すれば良い。このような遮光層11の形成材料として
は、感光性樹脂と遮光剤とを含有する組成物が好ましく
用いられ、このような組成物の主成分として用いられる
感光性樹脂としては、紫外線や電子線等の照射により硬
化する、例えば、ポジ型レジストとしては、ポリメチル
メタクリレート、ポリスチレンスルホン、ポリヘキサフ
ルオロブチルメタクリレート、ポリメチルイソプロペニ
ルケトン及び臭化ポリ1−トリメチルシリルプロピン等
の放射線分解型ポリマーレジスト、コール酸o−ニトロ
ベンジルエステル類等の溶解抑制剤系ポジ型レジスト等
が挙げられ、ネガ型レジストとしては、ポリビニルフェ
ノール−3,3’−ジアジドジフェニルスルホン及びポ
リメタクリル酸グリシジル等が挙げられる。本発明にお
いては、特に、光照射によって照射された部分が光硬化
するポジ型の感光性樹脂を用いることが好ましい。ま
た、これらの樹脂中に分散等させる遮光剤としては、カ
ーボンブラックや鉄黒等の顔料等の黒色の着色剤を用い
ることが好ましい。さらに、これらの着色剤の含有量と
しては、上記の感光性樹脂中に10〜30重量%程度と
すると良い。これよりも少ないと遮光性が十分でなく、
多すぎると露光された光の一部が吸収されてしまい、遮
光層のパターン精度が劣ることとなる。また、形成され
る遮光層の撥水性をより顕著なものとするためには、上
記形成材料中に予め撥水剤を添加しておいても良い。
【0032】工程(h) 開口領域20のパッシベーション膜10と遮光層11を
現像して除去し、ドレイン電極8上にコンタクトホール
12を形成する。
【0033】工程(i) 開口領域20上にITO等透明導電材からなる画素電極
14を、不要な部分をエッチング除去して形成し、コン
タクトホール12を介してドレイン電極8を接続する。
この後、さらに0.1%NaOH水溶液で処理し、画素
電極14表面の汚染物を除去し、インクに対する親和性
を向上しておく。
【0034】工程(j) 画素電極14上に、それぞれ赤(R)、緑(G)、青
(B)のインクを付与してカラーフィルタ13を形成す
る。本発明においてインクを付与する手段としては、イ
ンクジェット方式が工程を短縮する上で望ましい。
【0035】本発明で用いられるインクとしては、着色
材を含有する樹脂組成物が好ましく用いられる。上記着
色材としては一般の染料や顔料を用いることができ、例
えば染料としては、アントラキノン染料、アゾ染料、ト
リフェニルメタン染料、ポリメチン染料等などを用いる
ことができる。
【0036】またインクに用いる樹脂としては、熱処理
や光照射等エネルギー付与によって硬化する樹脂を用い
る。具体的には、熱硬化型樹脂として、公知の樹脂と架
橋剤との組み合わせが使用できる。例えば、アクリル樹
脂、メラミン樹脂、水酸基或いはカルボキシル基含有ポ
リマーとメラミン、水酸基或いはカルボキシル基含有ポ
リマーと多官能エポキシ化合物、水酸基或いはカルボキ
シル基含有ポリマーと繊維素反応型化合物、エポキシ樹
脂とレゾール型樹脂、エポキシ樹脂とアミン類、エポキ
シ樹脂とカルボン酸又は酸無水物、エポキシ化合物など
が挙げられる。また、光硬化型樹脂としては、公知のも
の、例えば市販のネガ型レジストが好適に用いられる。
【0037】上記インクには、種々の溶媒を加えること
もできる。特に、インクジェット方式での吐出性の面か
ら、水及び水溶性有機溶剤の混合溶媒が好ましく用いら
れる。
【0038】さらに、上記成分の他に必要に応じて所望
の特性を持たせるために、界面活性剤、消泡剤、防腐剤
等を添加することができ、さらに、市販の水溶性染料な
ども添加することができる。
【0039】また、上記した光或いは熱硬化型樹脂のう
ち、水或いは水溶性有機溶剤に溶解しないものでも安定
に吐出可能なものであれば、水や水溶性有機溶剤以外の
溶媒を用いても構わない。また、特に光により重合する
タイプのモノマーを用いる場合には、染料をモノマーに
溶解した無溶剤タイプとすることもできる。
【0040】本発明においては、該インクの、画素電極
に対する親和性と画素電極以外の領域に対する親和性の
差を用いることから、インクとしては染料を含有する水
性インクとすることが望ましい。水性インクに対して
は、画素電極以外の領域に撥水性を持たせておくことが
望ましいが、本実施形態においては遮光層11が顔料分
散型の樹脂層であるため、良好に撥水性を示す。また、
カラーフィルタの耐性から鑑みて、インク中にはアクリ
ル系樹脂を溶解して用いることが好ましい。
【0041】本発明において利用されるインクジェット
方式としては、吐出エネルギー発生素子として電気熱変
換体を用いたバブルジェットタイプ、或いは圧電素子を
用いたピエゾジェットタイプ等が使用可能であり、イン
クの付与面積及びパターンは任意に設定することができ
る。
【0042】画素電極14上にインクが均一に濡れ広が
った後、乾燥し、さらに230℃程度で焼成し、インク
中の樹脂を硬化させカラーフィルタ13とする。
【0043】工程(k) TFT9及びカラーフィルタ13上の全面にポリイミド
等からなる配向膜15を形成する。
【0044】他方、ITO等透明導電材からなる共通電
極17、配向膜18を形成したガラス基板16と、上記
工程によりTFT19及びカラーフィルタ13等を形成
したガラス基板1とを対向配置し、両基板間に液晶19
を充填する。
【0045】図4に、インクジェット方式によるインク
の付与工程の斜視図を示す。40は前記工程(i)まで
作り込んだ基板であり、該基板40を不図示のステージ
によりR、G、Bの各インクジェットヘッド41〜43
に対し走査しながら、所定の位置で所定の色のインクを
上記ヘッド41〜43より吐出し、画素電極上にインク
を付与していく。
【0046】図5は、本発明の液晶素子の他の実施形態
の断面模式図である。本実施形態は、TFTを用いたア
クティブマトリクス型の液晶素子であり、遮光層として
Crによるブラックマトリクスを共通電極側基板に設け
たものである。図5において、図1と同じ部材には同じ
符号を付した。また、図5中、22は保護層であり、該
保護層22に設けられた開口部内に画素電極14が露出
し、カラーフィルタ13が形成されている。
【0047】尚、上記の製造方法においては、アクティ
ブマトリクス型の液晶素子について説明したが、本発明
がこれに限定されるものではなく、また、本発明に係る
カラーフィルタ及び画素電極の形成工程を備えていれ
ば、その他の工程及び素材については従来の技術をその
まま用いることができる。また、いずれの実施形態にお
いても透過型としたが、例えば図1の画素電極14に金
属等を用いることによって反射型とすることもできる。
【0048】
【実施例】次に、本発明の実施例を挙げてさらに具体的
に説明する。
【0049】先ず、コーニング社製ホウケイ酸ガラス
「#7059」のガラス基板上にTFTを形成した。T
FTアレイ基板は現在一般的に行なわれている逆スタガ
型a−SiTFT基板プロセスを用いて製造した。
【0050】この基板に、カーボンブラックが20重量
%分散されている感光性樹脂(新日鐵化学社製BM用ネ
ガ型レジストインキ「BK739P」)をスピンコータ
ーで膜厚1μmになるよう塗布した。次に、このガラス
基板を、ホットプレートを用いて80℃で180秒間加
熱し、感光性樹脂を仮硬化させた。次に、DEEP−U
V露光装置で、所定のパターンマスクを介して露光量4
00mJ/cm2でプロキシ露光した後、炭酸ナトリウ
ムを主成分とする無機アルカリ水溶液からなる現像液を
用い、現像液を吹き付ける方式のスピン現像機で現像
し、ブラックマトリクスパターンを形成した。その後、
上記のガラス基板に、純水を用いたリンス処理を施して
現像液を完全に除去した。次に、クリーンオーブン中
で、200℃で30分間加熱し、本硬化処理を行なっ
た。
【0051】次に、開口領域のパッシベーション膜を現
像して除去し、ドレイン電極上にコンタクトホールを形
成した後に、該基板上に画素電極として、ITO層をス
パッタリング法により200nmの厚さで成膜した。こ
のITO層はコンタクトホールを介してドレイン電極と
接続されている。この上に、PVA(ポリビニルアルコ
ール)に重クロム酸アンモンを添加した感光性樹脂溶液
を用い、スピンコート法にて塗布し、80℃で10分程
度のプリベーク処理を行なった後、厚さ1.5〜2μm
の感光性樹脂層を形成した。
【0052】次に、感光性樹脂層に画素電極パターンを
有するフォトマスクを用い、100〜200mJ/cm
2の露光量にて露光を行なった。これにより画素電極パ
ターンが選択的に光硬化された感光性樹脂層が得られ
た。次に、該感光性樹脂層を有する基板に対し、25℃
の純水にて60秒間現像処理を行ない、未露光部分を除
去した。そして70℃にて10分程度の乾燥を行なった
後、40℃程度の塩素系のエッチング液を用い、露出し
ているITO層をエッチングし、純水にてリンス後、乾
燥処理を行なった。現像及びエッチング後に残存するI
TO層は、個々の画素電極に相当する約80μm×25
0μmの長方形が10μm×300μmピッチで102
4×768個配列したパターンとなった。
【0053】この後、さらに0.1%NaOH水溶液を
用いてアルカリ超音波洗浄し、ITO表面の汚染物を除
去し、インクに対する親和性を向上させた。
【0054】次に、インクジェット装置を用い、赤、
緑、青のそれぞれの染料系インクをブラックマトリクス
パターンの開口部に付与して着色した。このインクは、
各色の染料を樹脂(アクリル−シリコーングラフトポリ
マーを主成分とする自己架橋熱硬化型樹脂)に分散さ
せ、溶剤で溶かしたものに表面張力調整剤(川崎ファイ
ンケミカル社製「アセチレノールEH」)を添加したも
のであり、表面エネルギーは32dyne/cmであ
る。インクジェットヘッドとしてはキヤノン社製の14
08ノズルの長尺ヘッドを、各色1個ずつ用いることで
生産性を上げた。
【0055】このようにして着色したインクは、ブラッ
クマトリクスの開口部表面を均一に覆い、また、にじ
み、はみ出し、隣接画素との混色及び白抜けなどの欠陥
となる不良は見つからなかった。その後、180℃で3
0分間加熱処理してインクを硬化させた後、保護膜を塗
布し透明導電膜を成膜しても、密着性に優れ、何ら不具
合は生じなかった。
【0056】これ以降は一般的なTFT−LCDパネル
組立プロセスに従い、配向膜形成、貼り合わせ、液晶注
入、偏光板貼りつけ、モジュール化を行なうことで、好
適なLCDモジュールを得ることができた。
【0057】
【発明の効果】本発明においては、画素電極と該画素電
極以外の領域とのインクに対する親和性の差を利用する
ことにより、画素電極該の領域へのインクの付着を抑制
して、画素電極上にのみカラーフィルターを形成するこ
とができる。また、該親和性の差は従来よりも大きくす
ることができるため、インクの付与位置に多少のずれが
有っても、自然に着色位置が修正されるため、混色、白
抜けなどの着色不良を低減することができ、液晶素子の
歩留の向上及びコストの削減を図ることができる。ま
た、従来のような露光したインク受容層やブラックマト
リクスを用いなくても、所定の領域にカラーフィルタを
形成できるため、ブラックマトリクスのバリエーション
にも対応することができる。さらに、本発明においては
インクの付与手段としてインクジェット方式を用いるこ
とによって、複数色のカラーフィルタを1工程で形成し
得るため、より歩留良く且つ安価に液晶素子を製造する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液晶素子の一実施形態の断面模式図で
ある。
【図2】図1の液晶素子の製造工程を示す断面模式図で
ある。
【図3】図1の液晶素子の製造工程を示す断面模式図で
ある。
【図4】本発明にかかるインクジェット方式によるイン
クの付与工程の斜視図である。
【図5】本発明の液晶素子の他の実施形態の断面模式図
である。
【符号の説明】
1 ガラス基板 2 ゲート電極 3 ゲート絶縁膜 4 i型アモルファスシリコン層 5 エッチングストップ層 6 オーミックコンタクト層 7 ソース電極 8 ドレイン電極 9 TFT 10 パッシベーション膜 11 遮光層 12 コンタクトホール 13 カラーフィルタ 14 画素電極 15 配向膜 16 ガラス基板 17 共通電極 18 配向膜 19 液晶 20 開口領域 22 保護膜 40 基板 41〜43 インクジェットヘッド

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の画素を有し、画素毎に画素電極と
    該画素電極上に位置するカラーフィルタを有する液晶素
    子の製造方法であって、上記カラーフィルタの形成工程
    が、上記画素電極よりも該画素電極以外で露出している
    部材に対する親和性の低いインクを用い、上記画素電極
    上に該インクを付与して硬化することによってカラーフ
    ィルタを形成することを特徴とする液晶素子の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 上記画素電極上にインクを付与する手段
    がインクジェット方式である請求項2記載の液晶素子の
    製造方法。
  3. 【請求項3】 上記インクが着色材を含有する樹脂組成
    物である請求項1記載の液晶素子の製造方法。
  4. 【請求項4】 上記カラーフィルタ形成工程において、
    画素電極以外で露出している部材が保護層である請求項
    1記載の液晶素子の製造方法。
  5. 【請求項5】 上記カラーフィルタ形成工程において、
    画素電極以外で露出している部材が遮光膜である請求項
    1記載の液晶素子の製造方法。
  6. 【請求項6】 上記カラーフィルタ形成工程において、
    画素電極以外で露出している部材が撥水性を有し、上記
    インクが水性である請求項1記載の液晶素子の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 複数の画素を有し、画素毎に画素電極と
    該画素電極上に位置するカラーフィルタを有する液晶素
    子であって、請求項1〜6のいずれかに記載の液晶素子
    の製造方法によって製造されたことを特徴とする液晶素
    子。
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