JP2004046279A - 液晶表示素子用基板及びそれを含むカラー液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】　　十分なセルギャップを実現するとともに、画面内で均一なセルギャップを保持し、前記した従来技術の欠点、すなわち、セルギャップの変動に起因する表示品位の低下及び低温時における泡の発生の問題を克服する液晶表示素子用基板及びそれを含むカラー液晶表示素子を提供すること。
【解決手段】　液晶表示素子用基板上の非表示領域に固定されたスぺーサーを有し、そのスぺーサーの０．５〜０．６ＧＰａの圧縮応力に対する対荷重圧縮変位が、０．００１〜１μｍ／ｍＮである液晶表示素子用基板を提供する。また、本発明は、２枚の液晶表示素子用基板により液晶層を挟持したカラー液晶表示素子において、少なくとも一方の液晶表示素子用基板が、上記本発明の液晶表示素子用基板であることを特徴とする、カラー液晶表示素子を提供した。
【選択図】　なし

Description

　本発明は、スぺーサー機能を有する液晶表示素子用基板及びそれを含むカラー液晶表示素子に関する。

　従来使用されている液晶表示素子は、液晶層の厚み（セルギャップ）を保持するために、一般に、２枚の液晶表示素子用基板間にプラスチックビーズ、ガラスビーズ又はガラス繊維を挟んでスぺーサーとして使用している。これらのスぺーサーは、液晶表示素子を組み立てる際に、散布によって配置される。

　また、セルギャップを保持するために、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４には、カラーフィルターを形成する着色層を重ね合わせた構造をスぺーサーとして用いた液晶表示素子が提案されている。

特開昭５６−１４０３２４ 特開昭６３−８２４０５４ 特開平４−９３９２４ 特開平５−１９６９４６

　プラスチックビーズ等をスぺーサーとして用いるカラー液晶表示素子においては、プラスチックビーズ等のスぺーサーの位置が定まっておらず、液晶表示素子用基板上の表示領域にもスぺーサーが存在する。そのスぺーサーによる、光の散乱や透過により、液晶表示素子の表示品位が低下するという問題がある。

　プラスチックビーズ等のスぺーサーを散布して使用する液晶表示素子には、この他にも下記の問題がある。すなわち、スぺーサーが、球状あるいは棒状の形状であり、セル圧着時に点又は線で接触するために、配向膜や透明電極が破損し、表示欠陥が発生しやすいという欠点がある。さらに配向膜や透明電極の破損により、液晶が汚染され、液晶に印加される実効電圧が低下しやすいという欠点もある。

　カラーフィルターを形成する着色層を重ね合わせた構造をスぺーサーとして用いる、前記の開示技術で実際に得られた液晶表示素子においては、セルの温度変化によって表示不良が生じるという問題が起こり得る。例えば、低温時にはセル中に泡が発生することがある。この泡は表示品位を低下させる。

　また、カラーフィルターを形成する着色層を重ね合わせた構造をスぺーサーとして用いる、前記の開示技術で実際に得られた液晶表示素子において、セルギャップムラを生じ、表示品位の低下が起こる場合があった。液晶表示素子は、２枚の液晶表示素子用基板を均一な力で貼り合わせることは困難で力のムラが生じる。その状態で素子の周辺が封止された場合に歪みが残る。このようなわずかな歪みによりセルギャップが変動する度合いが大きくなる。従って、表示品位の低下が起きやすくなる場合がある。

　本発明の目的は、十分なセルギャップを実現するとともに、画面内で均一なセルギャップを保持し、前記した従来技術の欠点、すなわち、セルギャップの変動に起因する表示品位の低下及び低温時における泡の発生の問題を克服する液晶表示素子用基板及びそれを含むカラー液晶表示素子を提供することである。

　本願発明者らは、鋭意研究の結果、スぺーサーの特定の圧縮応力時における対荷重圧縮変位を特定の範囲内に設定することにより、上記の目的を達成することができることを見出し、本発明を完成した。

　すなわち、本発明は、液晶表示素子用基板上の非表示領域に固定されたスぺーサーを有し、そのスぺーサーの０．５〜０．６ＧＰａの圧縮応力に対する対荷重圧縮変位が、０．００１〜１μｍ／ｍＮである液晶表示素子用基板を提供する。また、本発明は、２枚の液晶表示素子用基板により液晶層を挟持したカラー液晶表示素子において、少なくとも一方の液晶表示素子用基板が、上記本発明の液晶表示素子用基板であることを特徴とする、カラー液晶表示素子を提供する。

　本発明の液晶表示素子用基板では、スぺーサーの対荷重圧縮変位が特定の範囲内にあるので、この基板を用いて液晶表示素子を作製した場合に、セルギャップの変動に起因する表示品位の低下の防止や低温時における泡の発生の低減という効果が奏される。

　以下、液晶表示素子用基板が着色剤を含んだカラーフィルターの場合を例として本発明をさらに詳細に説明する。

　カラーフィルターとしては、透明基板上にブラックマトリックスを設け、さらにその上に３原色から成る着色層を複数配列したものが好ましい。また、ブラックマトリックスとしては、樹脂及び遮光剤から成る樹脂ブラックマトリックスが好ましい。カラーフィルターは３原色から成る各着色層により被覆された画素を一絵素とし、多数の絵素により構成されている。ここで言う、ブラックマトリックスは、各画素間に配列された遮光領域を示し、液晶表示装置の表示コントラストを向上させるために設けられる。

　カラーフィルターに用いられる透明基板としては、特に限定されるものではなく、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、表面をシリカコートしたソーダライムガラスなどの無機ガラス類、有機プラスチックのフィルム又はシート等が好ましく用いられる。

　この透明基板上にブラックマトリックスが設けられる。ブラックマトリックスは、クロム等の金属又はそれらの酸化物等で形成してもよいが、樹脂及び遮光剤から成る樹脂ブラックマトリックスを形成することが製造コストや廃棄物処理コストの面から好ましい。この場合、ブラックマトリックスに用いられる樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などの感光性又は非感光性の材料が好ましく用いられる。ブラックマトリックス用樹脂は、画素や保護膜に用いられる樹脂よりも高い耐熱性を有する樹脂が好ましく、また、ブラックマトリックス形成後の工程で使用される有機溶剤に耐性を持つ樹脂が好ましいことからポリイミド系樹脂が特に好ましく用いられる。なお、好ましいポリイミド樹脂としては、後述のスぺーサーを形成するのに適した樹脂を挙げることができる。

　ブラックマトリックス用の遮光剤としては、カーボンブラック、酸化チタン、四酸化鉄等の金属酸化物粉、金属硫化物粉、金属粉の他に、赤、青、緑色の顔料の混合物等を用いることができる。この中でも、特にカーボンブラックは遮光性が優れており、特に好ましい。分散の良い粒径の小さいカーボンブラックは主として茶系統の色調を呈するので、カーボンブラックに対する補色の顔料を混合させて無彩色にするのが好ましい。

　ブラックマトリックス用の樹脂がポリイミドの場合、黒色ペースト溶媒としては、通常、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等のアミド系極性溶媒、γ−ブチロラクトンなどのラクトン系極性溶媒等が好適に使用される。

　カーボンブラックや、カーボンブラックに対して補色の顔料等の遮光剤を分散させる方法としては、例えば、ポリイミド前駆体溶液中に遮光剤や分散剤等を混合させた後、三本ロール、サンドグラインダー、ボールミルなどの分散機中で分散させる方法などがあるが、この方法に特に限定されない。また、カーボンブラックの分散性向上、あるいは塗布性やレベリング性向上のために種々の添加剤が加えられていてもよい。

　樹脂ブラックマトリックスの製法としては、黒色ペーストを透明基板上に塗布、乾燥した後に、パターニングを行う。黒色ペーストを塗布する方法としては、ディップ法、ロールコーター法、スピナー法、ダイコーティング法、ワイヤバーによる方法などが好適に用いられ、この後、オーブンやホットプレートを用いて加熱乾燥（セミキュア）を行う。セミキュア条件は、使用する樹脂、溶媒、ペースト塗布料により異なるが、通常６０〜２００℃で１〜６０分加熱することが好ましい。

　このようにして得られた黒色ペースト被膜は、樹脂が非感光性の樹脂である場合は、その上にポジ型フォトレジストの被膜を形成した後に、また、樹脂が感光性の樹脂である場合は、そのままかあるいは酸素遮断膜を形成した後に、露光、現像を行う。必要に応じて、ポジ形フォトレジスト又は酸素遮断膜を除去し、また、加熱乾燥（本キュア）する。本キュア条件は、前駆体からポリイミド系樹脂を得る場合には、塗布量により若干異なるが、通常２００〜３００℃で１〜６０分加熱するのが一般的である。以上のプロセスにより、透明基板上にブラックマトリックスが形成される。

　樹脂ブラックマトリックスの膜厚は、好ましくは０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．８μｍ〜１．５μｍである。この膜厚が０．５μｍよりも薄い場合には十分なセルギャップの確保が難しくなり、また、遮光性が不十分になることからも好ましくない。一方、膜厚が２．０μｍよりも厚い場合には、遮光性は確保できるものの、カラーフィルターの平坦性が犠牲になり易く、段差が生じやすい。

　本発明の液晶表示素子用基板では、非表示領域に固定されたスぺーサーを有する。液晶表示素子用基板が上記のようなカラーフィルターの場合には、非表示領域である上記ブラックマトリックス上にスぺーサーを形成することが好ましい。

　液晶表示素子は、２枚の液晶表示素子用基板を貼り合わせて作製される。この時、基板には、１００〜１０００Ｐａ程度の圧縮応力が負荷される。２枚の基板間のギャップを保つために形成されたスペーサーには、平均としては、基板に負荷される圧縮応力を、スペーサーの総断面積で割った値の圧縮応力が負荷される。従って、スペーサー１個に負荷される圧縮応力は、形成されたスペーサーの密度や、１個のスペーサー断面積によって異なる。一般的には、スペーサー１個に負荷される圧縮応力は、０．１〜１ＧＰａ程度であり、その範囲内の、特に０．５〜０．６ＧＰａの圧縮応力に着目し、対荷重圧縮変位を測定した。

　本発明の液晶表示素子用基板では、上記スぺーサーは、０．５〜０．６ＧＰａの圧縮応力に対する対荷重圧縮変位が０．００１〜１μｍ／ｍＮ、好ましくは０．００２〜０．５μｍ／ｍＮである。該対荷重圧縮変位が０．００１μｍ／ｍＮ未満であると、液晶表示素子用基板を用いて作製した液晶表示素子を−４０℃程度の低温に置くとセル内に泡が発生し、表示品位が低下する。一方、上記対荷重圧縮変位が１μｍ／ｍＮを超えると、２枚の液晶表示素子用基板を貼り合わせる際の力のムラにより液晶表示素子に歪みが残り、この歪みの故にセルギャップが変動して表示品位が低下し、また、液晶表示素子の周辺の封止部に沿って縞状のムラが生じやすくなる。

　ここで、対荷重圧縮変位の測定は、次のようにして行うことができる。すなわち、スぺーサー１個の圧縮試験を行った際の押込荷重（Ｆ）と押込変位（Ｌ）とを測定し、これらの関係をプロットする。対荷重圧縮変位はＬ／Ｆとして求められる。さらに、試験後のスぺーサー最上部の平坦部の面積（Ｓ）を測定する。圧縮応力は、Ｆ／Ｓにより求められる。なお、０．５〜０．６ＧＰａの圧縮応力の範囲の少なくともいずれか１点において、前記対荷重圧縮変位が０．００１〜１μｍ／ｍＮの範囲内に入るものは本発明の範囲に含まれる。

　スぺーサーの形状、すなわち、スぺーサーを基板と平行な面で切断した場合の横断面の形状は、特に限定されないが、円、楕円、角が丸い多角形、十字、Ｔ字又はＬ字形が好ましい。

　スぺーサーの高さは、１〜９μｍが好ましく、さらには２〜８μｍが好ましい。スぺーサーの高さが１μｍよりも低いと、十分なセルギャップを確保することが困難になり、一方、９μｍを超えると液晶表示素子のセルギャップが大きくなりすぎ、このため駆動に要する電圧が高くなり好ましくない。なお、ここで、スぺーサーの高さとは、１個のスぺーサーに着目し、表示部平坦部（カラーフィルターの場合には着色層、ＴＦＴ基板の場合には透明電極）と該スぺーサーの最上表面との間の距離を意味する。なお、基板上の表示部平坦部の高さにムラがある場合には、スぺーサーの最上表面と各表示部平坦部との間の距離のうち、最大のものを意味する。

　また、液晶表示素子用基板を２枚貼り合わせて液晶表示素子を形成した場合に、スぺーサーが対向する基板と接触する面積は１個当たり１０〜１０００μｍ²が好ましい。この面積が１０μｍ²未満であると、精密なパターンの形成や積層が難しく、１０００μｍ²を超えるとスぺーサーの形状にもよるが非表示領域上に完全に配置することが難しくなるので好ましくない。

　スぺーサーを構成する材料としては、本発明で規定される上記の特定の対荷重圧縮変位が得られる材料を選択して用いる。このような材料としてはポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等の感光性又は非感光性の材料が好ましく用いられる。なお、これらの材料の中でも上記の対荷重圧縮変位を満足するものを選択して用いることは言うまでもない。後述のように、着色層でスぺーサーを形成する場合には、これらの樹脂中に着色剤を分散又は溶解させて着色したものをスぺーサーとして用いる。感光性の樹脂としては、光分解型樹脂、光架橋型樹脂、光重合型樹脂などのタイプがあり、特に、エチレン不飽和結合を有するモノマ、オリゴマ又はポリマと紫外線によりラジカルを発生する開始剤とを含む感光性組成物、感光性ポリアミック酸組成物等が好適に用いられる。非感光性の樹脂としては、上記の各種ポリマーなどで現像処理が可能なものが好ましく用いられるが、透明導電膜の製膜工程や液晶表示装置の製造工程でかかる熱に耐えられるような耐熱性を有する樹脂が好ましく、また、液晶表示装置の製造工程で使用される有機溶剤への耐性を持つ樹脂が好ましく、また、言うまでもなく上記の対荷重圧縮変位を持つものが得やすい樹脂が好ましいことから、ポリイミド樹脂が特に好ましい。

　ここで、ポリイミド樹脂としては、特に限定されるものではないが、通常下記一般式［Ｉ］で表される構造単位を主成分とするポリイミド前駆体（ｎ＝１〜２）を、加熱又は適当な触媒によってイミド化したものが好適に用いられる。

　また、ポリイミド系樹脂には、イミド結合の他に、アミド結合、スルホン結合、エーテル結合、カルボニル結合等のイミド結合以外の結合が含まれていても差支えない。

　上記一般式[I]中、Ｒ¹は少なくとも２個以上の炭素原子を有する３価又は４価の有機基である。耐熱性の面から、Ｒ¹は環状炭化水素、芳香族環又は芳香族複素環を含有し、かつ、炭素数６〜３０の３価又は４価の基が好ましい。Ｒ¹の例として、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフタレン基、ペリレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、ジフェニルプロパン基、ベンゾフェノン基、ビフェニルトリフルオロプロパン基、シクロブチル基、シクロペンチル基等が挙げられるがこれらに限定されない。

　Ｒ²は少なくとも２個以上の炭素原子を有する２価の有機基であるが、耐熱性の面から、Ｒ²は環状炭化水素、芳香族環又は芳香族複素環を含有し、かつ炭素数６〜３０の２価の基が好ましい。Ｒ²の例として、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフタレン基、ペリレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、ジフェニルプロパン基、ベンゾフェノン基、ビフェニルトリフルオロプロパン基、ジフェニルメタン基、シクロヘキシルメタン基等が挙げられるがこれらに限定されない。構造単位[I]を主成分とするポリマーは、Ｒ¹、Ｒ²がこれらのうち各々１種から構成されていてもよいし、各々２種以上から構成される共重合体であってもよい。さらに、基板との接着性を向上させるために、耐熱性を低下させない範囲でジアミン成分として、シロキサン構造を有するビス（３−アミノプロピル）テトラメチルジシロキサンなどを共重合するのが好ましい。

　構造単位[I]を主成分とするポリマーの具体的な例として、ピロメリット酸二無水物、3,3',4,4'-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ビフェニルトリフルオロプロパンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-ビフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二無水物等から成る群から選ばれた１種以上のカルボン酸二無水物と、パラフェニレンジアミン、3,3'-ジアミノジフェニルエーテル、4,4'-ジアミノジフェニルエーテル、3,4'-ジアミノジフェニルエーテル、3,3'-ジアミノジフェニルスルホン、4,4'-ジアミノジフェニルスルホン、4,4'-ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4'-ジアミノジフェニルメタンなどの群から選ばれた１種以上のジアミンから合成されたポリイミド前駆体が挙げられるが、これらに限定されない。これらのポリイミド前駆体は公知の方法、すなわち、テトラカルボン酸二無水物とジアミンを選択的に組み合わせ、溶媒中で反応させることにより合成される。

　スぺーサーは、上記のような材料から構成されるが、着色層をこのような材料で構成し、着色層をフォトリソグラフィーでパターニングする際に、着色層がブラックマトリックス上に残留するようにパターニングすることによりブラックマトリックス上にスぺーサーを形成してもよい。カラーフィルターの場合、着色層は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３層を包含するものであり、各画素にはこれらの３色のいずれかの１つの着色層が設けられる。スぺーサーは、これらの着色層の１層、２層又は３層で構成することができる。着色層１層でスぺーサーを構成する場合には、スぺーサーが着色剤を含んだ樹脂の単一色から成り、２層又は３層でスぺーサーを構成する場合には、スぺーサーは着色剤を含んだ樹脂の色重ねから成ることになる。十分なセルギャップを確保するために、着色層３層でスぺーサーを形成することが通常好ましい。

　カラーフィルターを構成する着色層は、少なくとも３原色の色彩を含む。すなわち、加色法によりカラー表示を行う場合は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色が選ばれ、減色法によりカラー表示を行う場合は、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の３原色が選ばれる。一般には、これらの３原色を含んだ要素を１単位としてカラー表示の絵素とすることができる。着色層には、着色剤により着色された樹脂が用いられる。

　着色層に用いられる着色剤としては、有機顔料、無機顔料、染料等を好適に用いることができ、さらには、紫外線吸収剤、分散剤、レベリング剤等の種々の添加剤を添加してもよい。有機顔料としては、フタロシアニン系、アジレーキ系、縮合アゾ系、キナクリドン系、アントラキノン系、ペリレン系、ペリノン系が好適に用いられる。

　着色層を形成する方法としては、樹脂ブラックマトリックスを形成した基板上に塗布、乾燥した後に、パターニングを行う。着色剤を分散又は溶解させ着色ペーストを得る方法としては、溶媒中に樹脂と着色剤を混合させた後、三本ロール、サンドグラインダー、ボールミルなどの分散機中で分散させる方法などがあるが、この方法に特に限定されない。

　着色ペーストを塗布する方法としては、黒色ペーストの場合と同様、ディップ法、ロールコーター法、スピナー法、ダイコーティング法、ワイヤーバーによる方法等が好適に用いられ、この後、オーブンやホットプレートを用いて加熱乾燥（セミキュア）を行う。セミキュア条件は、使用する樹脂、溶媒、ペースト塗布量により異なるが通常６０〜２００℃で１〜６０分加熱することが好ましい。

　このようにして得られた着色ペースト被膜は、樹脂が非感光性の樹脂である場合は、その上にポジ型フォトレジストの被膜を形成した後に、また、樹脂が感光性の樹脂である場合は、そのままかあるいは酸素遮断膜を形成した後に、露光、現像を行う。必要に応じて、ポジ型フォトレジスト又は酸素遮断膜を除去し、加熱乾燥（本キュア）する。本キュア条件は、樹脂により異なるが、前駆体からポリイミド系樹脂を得る場合には、通常２００〜３００℃で１〜６０分加熱するのが一般的である。以上のプロセスにより、ブラックマトリックスを形成した基板上にパターニングされた着色層が形成される。

　上記のようにブラックマトリックスを形成した基板上に第１色目の着色層を全面にわたって形成した後に、不必要な部分をフォトリソグラフィ法により除去し、所望の第１色目の着色層のパターンを形成する。この場合、ブラックマトリックスの開口部を少なくとも被覆する部分と、着色層の積層によりスぺーサーを形成する部分に着色層を残す。第２色目、第３色目も同様な操作を繰り返し、ブラックマトリックスの開口部上には１層の着色層が、また、スぺーサーとして好ましくは３層の着色層が残るように着色層を形成する。開口部上の着色層とスぺーサーを形成する着色層とは連続していても、また、分離されていてもよい。もっとも、カラーフィルター上に透明電極として形成する酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜などを開口部上の着色層とスぺーサー間で断線させ、カラーフィルター側と対向基板との導通を防止する場合は、開口部上の着色層とスぺーサーを形成する着色層とは分離、分画されている方が好ましい。

　以上、主として液晶表示素子用基板がカラーフィルターである場合を例として説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、モノクロのフィルターであってもよいし、ＴＦＴ基板のような、トランジスターを複数個有する基板であってもよい。ＴＦＴ基板の場合には、スぺーサーは透明電極間の非表示領域上に形成される。上記した、スぺーサーの構成材料、形状、高さ、断面積等の説明は、ＴＦＴ基板の場合にもそのまま当てはまる。

　次に、上記カラーフィルターとＴＦＴ基板とを用いて作製したカラー液晶表示素子について説明する。図１には、該カラー液晶表示素子の好ましい具体例の断面図が模式的に示されている。図１中、１は透明基板、２は樹脂ブラックマトリックス、３は着色層例えば（Ｂ）、４は着色層例えば（Ｒ）、５は着色層例えば（Ｇ）、６は透明電極、７は配向膜である。一方、１３は、カラーフィルターと対向する透明電極基板の透明基板であり、１２は液晶駆動回路付属電極、１１は絶縁膜、１０は画素電極、９は配向膜である。８はカラーフィルターと透明電極基板の間に挟持される液晶である。図１に示されるように、液晶表示素子は、上記カラーフィルターと透明電極基板とを対向させて作製する。カラーフィルターには、必要に応じて着色層上に透明保護膜を設けても差支えないが、構成が複雑になり、製造コストはアップする。また透明保護膜のレベリング性によって、スペーサー高さは緩和される。また、カラーフィルター上にはＩＴＯ膜等の透明電極を形成する。カラーフィルターと対向する透明電極基板としては、ＩＴＯ膜などの透明電極が透明基板上にパターン化されて設けられる。透明電極基板上には、透明電極以外に、ＴＦＴ素子や薄膜ダイオード（ＴＦＤ）素子、及び、走査線、信号線等を設け、ＴＦＴ液晶表示素子やＴＦＤ液晶表示素子を作製することができる。透明電極を有するカラーフィルター及び透明電極基板上には液晶配向膜が設けられ、ラビング等による配向処理が施される。配向処理後にシール剤を用いてカラーフィルター及び透明電極基板を貼り合わせ、シール部に設けられた注入口から液晶を注入した後に、注入口を封止する。偏光板を基板の外側に貼り合わせた後にＩＣドライバーなどを実装することによりモジュールが完成する。カラーフィルター側に透明電極を設けない液晶表示素子、例えばイン・プレイン・スイッチング（ＩＰＳ）と呼ばれる方式の場合もこれに応じた構成となる。

　本発明の液晶表示素子用基板及びそれを用いたカラー液晶表示素子は、パソコン、ワードプロセッサー、エンジニアリング・ワークステーション、ナビゲーションシステム、液晶テレビ、ビデオなどの表示画面に用いられ、また、液晶プロジェクション等にも好適に用いられる。

　以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

(1) 樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製
　3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4'-ジアミノジフェニルエーテル、及び、ビス（３−アミノプロピル）テトラメチルジシロキサンをＮ−メチル−２−ピロリドン溶媒中で反応させ、ポリマー濃度２０重量％のポリイミド前駆体（ポリアミック酸）溶液を得た。

　下記の組成を有するカーボンブラックミルベースをホモジナイザーを用いて7000 rpmで３０分間分散し、ガラスビーズをろ過してブラックペーストを調製した。

カーボンブラックミルベース
　カーボンブラック（MA100、三菱化学（株）製） 　　　　４．６部
　ポリイミド前駆体溶液 　　　　　　　　　　　　　　　２４．０部
　Ｎ−メチルピロリドン 　　　　　　　　　　　　　　　６１．４部
　ガラスビーズ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　９０．０部

　300 x 350 mmのサイズの無アルカリガラス（日本電気ガラス（株）製、ＯＡ−２）基板上にスピナーを用いて、ブラックペーストを塗布し、オーブン中１３５℃で２０分間セミキュアした。続いて、ポジ型レジスト（Shipley "Microposit"RC100 30cp)をスピナーで塗布し、９０℃で１０分間乾燥した。レジスト膜厚は１．５μｍとした。露光機を用い、フォトマスクを介して露光を行った。

　次に、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを２重量％含む２３℃の水溶液を現像液に用い、基板を現像液にディップさせ、同時に１０ｃｍ幅を５秒で１往復するように基板を揺動させて、ポジ型レジストの現像とポリイミド前駆体のエッチングを同時に行った。現像時間は６０秒であった。その後、メチルセルソルブアセテートでポジ型レジストを剥離し、さらに、３００℃で３０分間キュアし、ポリイミドに転換し、樹脂ブラックマトリックス基板を得た。樹脂ブラックマトリックスの膜厚は、１．１μｍであった。

(2) 着色層とスぺーサーの作製
　次に、赤、緑、青の顔料として各々Color Index No.65300 Pigment Red 177で示されるジアントラキノン系顔料、Color Index No. 74265 Pigment Green 36で示されるフタロシアニングリーン系顔料、Color Index No.74160 Pigment Blue15-4で示されるフタロシアニンブルー系顔料を用意した。ポリイミド前駆体溶液と上記顔料を各々（ポリイミド前駆体／顔料）重量比９／１の割合で混合分散させて、赤、緑、青の３種類の着色ペーストを得た。

　まず、樹脂ブラックマトリックス基板上に青ペーストを塗布し、８０℃で１０分間熱風乾燥し、１２０℃２０分間セミキュアした。この後、ポジ型レジスト（Shipley "Microposit" RC100 30cp)をスピナーで塗布後、８０℃で２０分間乾燥した。マスクを用いて露光し、アルカリ現像液（Shipley "Microposit" 351)に基板をディップし、同時に基板を揺動させながら、ポジ型レジストの現像及びポリイミド前駆体のエッチングを同時に行った。その後、ポジ型レジストをメチルセルソルブアセテートで剥離し、さらに、３００℃で３０分間キュアした。着色画素部の膜厚は３．５μｍであった。このパターニングにより青色画素の形成とともに樹脂ブラックマトリックス上にスぺーサーの１段目を形成した。

　水洗後、同様にして、赤色画素の形成とともに樹脂ブラックマトリックス上にスぺーサーの２段目を形成した。赤色画素部の膜厚は３．８μｍであった。

　さらに水洗後、同様にして緑色画素の形成とともに樹脂ブラックマトリックス上にスぺーサーの３段目を形成し、カラーフィルターを作製した。緑色画素部の膜厚は３．５μｍであった。

　着色層の積層により樹脂ブラックマトリックス上に設けられたスぺーサー底部、すなわち青色部の面積は１個当たり約５００μｍ²であった。スぺーサーの高さは約７．５μｍであった。なお、スぺーサーは、３画素に１個の割合で画面内に設けた。また、スぺーサーの形状はほぼ円形であった。また、画面周辺に樹脂ブラックマトリックスで形成した額縁上の一部にも画面内と同様な密度で色重ねによるスぺーサーを設けた。

　この遮光層と赤画素、緑画素、青画素を有し、表示画面部及び額縁、額縁周辺部のシール部の樹脂ブラックマトリックス上にスぺーサーを有する無アルカリガラス基板上に、スパッタリング法にてＩＴＯ膜を形成し、液晶表示素子用基板として用いられるカラーフィルターを得た。ＩＴＯ膜の膜厚は１５０ｎｍであり、表面抵抗は２０Ω／□であった。

(3) 対荷重圧縮変位の測定
　微小圧縮試験機（島津製作所MCTE-500)を用いて、形成されたスぺーサーの１個（高さ７．５μｍ）の対荷重圧縮変位を測定した。試験条件は負荷速度を0.892 mN/S、最大負荷を６ mN とした。６ mN 負荷した後のスぺーサーの最上層平坦部の面積を光学顕微鏡を用いて測定したところ、１１μｍ²であった。従って、このときの圧縮応力は、０．５５Ｐａである。６ mN負荷時に生じた変位は１．３μｍであった。従って、このスぺーサーの対荷重圧縮変位は、６ｍＮ負荷時に生じた変位をその負荷で割ることにより求まり、０．５μｍ／ｍＮであった。

(4) カラー液晶表示素子の作製と評価
　このスぺーサーが設けられたカラーフィルターのＩＴＯ膜上にポリイミド系の配向膜を設け、ラビング処理を施した。また、同様に対向する液晶表示素子用基板についてもポリイミド系の配向膜を設け、ラビング処理を施した。この２枚の基板をエポキシ接着剤をシール剤として用いて貼り合わせた後に、シール部に設けられた注入口から液晶を注入した。液晶を注入後、注入口を封止し、さらに偏光板を基板の外側に貼り合わせ液晶表示素子を作製した。

　この液晶表示素子の表示品位は良好であった。この液晶表示素子を直視で観察したところ、表示ムラは現れなかった。斜視で注意深く観察したところ、わずかながら表示ムラが見られたが、表示品位の低下が問題となる程度ではなかった。また、−４０℃に１週間置いたが、泡の発生は見られなかった。更に−５０℃に一週間置いたが泡の発生は認められなかった。

比較例１
(1) 樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製
　カルボキシル基を含有するエポキシ・シリコーン樹脂の溶液とカーボンブラックを重量比６：４の割合で混合分散させて得られたブラックペーストを使用して実施例１と同様に、樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製を行った。

(2) 着色層とスぺーサーの作製
　実施例１と同様な手法を用い、カルボキシル基を含有するエポキシ・シリコーン樹脂の溶液と、赤、緑、青の顔料を各々重量比９：１の割合で混合分散させて得られた、赤、緑、青の３種類の着色ペーストを使用して、赤画素と緑画素と青画素を形成し、同時に、表示画面部及び額縁、額縁周辺部のシール部の樹脂ブラックマトリックス上にスぺーサーの形成を行った。

　このスぺーサーを有する基板上に、スパッタリング法にてＩＴＯ膜を形成し、液晶表示素子用基板の１つであるカラーフィルターを得た。

(3) 対荷重圧縮変位の測定
　実施例と同様な方法で、形成されたスぺーサーの１個（高さ７．５μｍ）の対荷重圧縮変位を測定したところ、１．５μｍ／ｍＮであった。

(4) カラー液晶表示素子の作製と評価
　実施例と同様に、液晶表示素子を作製した。液晶表示素子の周辺の封止部に沿って、縞状のムラが生じ、表示品位の低下が確認された。

(1) 樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製
　実施例１と同様な手法により、ポリイミド前駆体溶液にカーボンブラックマトリックスを分散混合したペーストを用い、樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製を行った。

(2) 着色層とスぺーサーの作製
　実施例１と同様な手法を用い、ポリイミド前駆体溶液と、赤、緑、青の顔料を各々（ポリイミド前駆体／顔料）重量比６：４の割合で混合分散させて得られた、赤、緑、青の３種類の着色ペーストを使用して、赤画素と緑画素と青画素を形成し、同時に、表示画面部及び額縁、額縁周辺部のシール部の樹脂ブラックマトリックス上にスペーサーの形成を行った。

　このスペーサーを有する基板上に、スパッタリング法にてＩＴＯ層を形成し、液晶表示素子用基板として用いられるカラーフィルターを得た。

(3) 対荷重圧縮変位の測定
　実施例１と同様な方法で、形成されたスペーサーの１個（高さ６μｍ）の対荷重圧縮変位を測定したところ、０．０２μｍ／ｍＮであった。

(4) カラー液晶表示素子の作製と評価
　実施例１と同様に、液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子の表示品位は非常に良好であった。この液晶表示素子を直視と斜視で観察したが、表示ムラは認められなかった。また、−４０℃に１週間置いたが、泡の発生は認められなかった。更に、−５０℃に１週間置いたが、泡の発生は認められなかった。

(1) 樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製
　実施例１と同様な手法により、ポリイミド前駆体溶液にカーボンブラックマトリックスを分散混合したペーストを用い、樹脂ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製を行った。

(2) 着色層とスぺーサーの作製
　実施例１と同様な手法を用い、ポリイミド前駆体溶液と、赤、緑、青の顔料を各々（ポリイミド前駆体／顔料）重量比３：７の割合で混合分散させて得られた、赤、緑、青の３種類の着色ペーストを使用して、赤画素と緑画素と青画素を形成し、同時に、表示画面部及び額縁、額縁周辺部のシール部の樹脂ブラックマトリックス上にスペーサーの形成を行った。

　このスペーサーを有する基板上に、スパッタリング法にてＩＴＯ層を形成し、液晶表示素子用基板として用いられるカラーフィルターを得た。

(3) 対荷重圧縮変位の測定
　実施例１と同様な方法で、形成されたスペーサーの１個（高さ５μｍ）の対荷重圧縮変位を測定したところ、０．００２μｍ／ｍＮであった。

(4) カラー液晶表示素子の作製と評価
　実施例１と同様に、液晶表示素子を作製した。この液晶表示素子の表示品位は良好であった。この液晶表示素子を直視と斜視で観察したが、表示ムラは認められなかった。また、−４０℃に１週間置いたが、泡の発生は認められなかった。更に、−５０℃に１週間置いたところ、非常に小さな泡の発生が数個認められたが、非表示領域でのみの発生であったため表示品位の低下にはつながらなかった。

比較例２
(1) 金属ブラックマトリックス及びシール部パターンの作製
　透明基板上に、クロム及びその酸化物から成る遮光膜を真空蒸着法により形成した。これにフォトレジストを塗布し、加熱乾燥によりフォトレジストの被膜を形成した。これを紫外線露光機を用いて、フォトマスクを介して露光した。露光後、アルカリ現像液に浸漬し、フォトレジストの現像を行った。その後、酸現像液により遮光膜をエッチングし、エッチング後、不要となったフォトレジスト層を剥離し、ブラックマトリックスを形成した。

(2) 着色層の作製
　実施例１と同様な手法を用いて、実施例３の赤、緑、青の３種類の着色ペーストを使用して赤画素と、緑画素と、青画素を形成した。このとき、実施例と異なり、表示画面部及び額縁、額縁周辺部のシール部のブラックマトリックス上にスぺーサーの形成は行わなかった。

(3) スぺーサーの作製
　シリコン酸化膜から成るスぺーサーをマスクスパッタリングによりブラックマトリックス上に形成した。

　このスぺーサーを有する基板上に、スパッタリング法にてＩＴＯ層を形成し、液晶表示素子用基板として用いられるカラーフィルターを得た。

(4) 対荷重圧縮変位の測定
　実施例と同様な方法で、形成されたスぺーサーの１個（高さ５μｍ）の対荷重圧縮変位を測定したところ、0.0005μｍ／mNであった。

(5) カラー液晶表示素子の作製と評価
　実施例と同様に、液晶表示素子を作製した。この表示素子を−４０℃に１週間置いたところ、泡が発生した。更に−５０℃に１週間放置したところ泡が大きくなり、また数が増加した。

本発明のカラーフィルタ−を使用したカラー液晶表示装置の模式断面図である。

符号の説明

　１　　透明基板（ガラス基板）
　２　　樹脂ブラックマトリックス
　３　　着色層（Ｂ）
　４　　着色層（Ｒ）
　５　　着色層（Ｇ）
　６　　透明電極
　７　　配向膜
　８　　液晶
　９　　配向膜
　１０　画素電極
　１１　絶縁膜
　１２　液晶駆動回路付属電極
　１３　透明基板（ガラス基板）
　１４　クロムブラックマトリックス
　１５　保護膜

Claims (10)

1. 　液晶表示素子用基板上の非表示領域に固定されたスぺーサーを有し、そのスぺーサーの０．５〜０．６ＧＰａの圧縮応力に対する対荷重圧縮変位が、０．００１〜１μｍ／ｍＮである液晶表示素子用基板。
2. 　前記対荷重圧縮変位が、０．００２〜０．５μｍ／ｍＮである請求項１記載の液晶表示素子用基板。
3. 　スぺーサー形状が円、楕円、角が丸い多角形、十字、Ｔ字又はＬ字形である請求項１又は２記載の液晶表示素子用基板。
4. 　基板がトランジスターを複数個有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液晶表示素子用基板。
5. 　基板が着色剤を含むカラーフィルターである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液晶表示素子用基板。
6. 　スぺーサーが着色剤を含んだ樹脂の単一色、又は色重ねから成る請求項１ないし３のいずれか１項記載の液晶表示素子用基板。
7. 　着色剤を含んだ樹脂がポリイミドであることを特徴とする請求項６記載の液晶表示素子用基板。
8. 　前記スぺーサーの高さが１〜９μｍである請求項１ないし７のいずれか１項記載の液晶表示素子用基板。
9. 　前記スぺーサーが、対向する基板と接触する面積が１個当たり１０〜１０００μｍ²である請求項１ないし８のいずれか１項記載の液晶表示素子用基板。
10. 　２枚の液晶表示素子用基板により液晶層を挟持したカラー液晶表示素子において、少なくとも一方の液晶表示素子用基板が、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の液晶表示素子用基板であることを特徴とする、カラー液晶表示素子。
    
    

Images