JP2005010731A - 新規なカラーフィルタの製法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は新規のカラーフィルタの製法に関するものである。
【解決手段】本発明に係るカラーフィルタの製法は、光透過型基板面上に、貼着面に凹部パターンがある平板金型を緊密に貼着させ、該凹部と光透過型基板とで形成された空間が平板金型におけるトンネルを経て外部に連通して、平板金型におけるトンネルを経て光重合高分子溶液が該凹部に注入され、該光透過型基板の裏面より紫外線で照射することで、該凹部に注入された光重合高分子溶液における固相物が反応して光透過型基板面に沈下する。
【選択図】図２

Description

本発明は光透過可能な平面基板上に光重合高分子パターンを作成する新規な方法に関し、特にカラーフィルタの製造に適用される方法に関するものである。

カラー液晶フラットパネルディスプレーは、広汎にノートブックパソコン、モニタやテレビ及び各種の中小サイズのカラー液晶スクリーンを有する携帯装置、例えば携帯情報端末（Personal Digital Assistant）や携帯電話等に使用されている。カラー液晶フラットパネルディスプレーとしては、主に、均一な面光源を提供するホワイトバックライトモジュールと、一般に電極を備えたカラーフィルタと対向電極を備えた光透過型基板との組み合わせからなり、２つの基板の間に１層の液晶が注入された液晶ボックスがあり、該液晶ボックスとその前後に貼り付けられた２つの偏光板とで形成された、各画素を通過する光通過量を制御するための光バルブ（Light Valve）と、前記電極端部に接続された駆動回路及び信号・電源制御システムを含む。カラーフィルタは主に、赤、緑、青の３色のフィルター膜パターンを光透過型基板上に塗布し各画素に対応して、光バルブを貫通する光の色の表現を制御する。

また、カラーフィルタの基板面上とフィルター膜の下に一部が開口された反射膜パターンを形成させたことで、液晶ボックス光バルブが各画素において一部が光透過し、一部が反射するようにした半反射型液晶ディスプレーというものもある。反射の部分において、光線進出のルートはフィルター膜よりその厚さが２倍以上であり、光透過部分において光線が一回だけ通過するため、フィルター膜の厚さの均一性や分布が色彩の表現に影響する重要な原因となっている。全体的に言えば、カラー液晶パネルの材料コストに占める比重が最大のカラーフィルタは、液晶ディスプレーのカラー画質を決めるキーコンポーネントである。

一般に、カラーフィルタは、赤、緑、青の３色が含まれたフィルター膜を１つの画素に組合せ、カラー液晶ディスプレー画面における１つの基本単位に対応する。即ち、１つの画素には赤、緑、青の３色のサブ画素が含まれている。液晶ボックス領域内における各サブ画素が対応した液晶が、駆動信号の制御に応じて配列を変化させた場合、光線は該サブ画素を通過し、偏光板より射出された光通過量には一定の変化がある。観察者はこの瞬間に該領域において赤、緑、青の３色のサブ画素が混合して表現した色に気づくこととなる。これは、カラー陰極線管を含めた一般のディスプレーに使用された３原色の混色によって表現する原理である。カラー液晶ディスプレー以外に、ホワイト発光である有機発光ダイオード又は高分子発光ダイオードディスプレー、色純度不足のプラズマディスプレーや電界放射ディスプレーにも、カラーフィルタを使用する必要がある。

カラーフィルタの赤、緑、青の３色のサブ画素は、通常、光不透過のグリッドマトリックスフレーム、所謂ブラックマトリックス（Black Matrix）によって、その位置が規定されるとともに、隣接したサブ画素の光漏れが防止され、画面の対比が増強されるようになっている。ブラックマトリックスフレームの線幅は通常、１０から数十ミクロンのサイズである。隣接した赤、緑、青の３色のサブ画素で合成された単一の方形画素は、その大きさが凡そ百ミクロン以上から数百ミクロンの範囲である。現に赤、緑、青の３色のサブ画素の配列としては、ノートブックパソコン、モニターやテレビ及び各種中小サイズカラー液晶ディスプレーを有する携帯装置例えばPDAや携帯電話等に汎用されたものがあり、その中では３色が隣接して垂直配列となっている形状が最も流行している。

従来は、平面基板上に精密パターンを形成し、各種の印刷法、及びレジストによってホトリソグラフィ（Photolithography）とともに作成していた。カラーフィルタの製造技術はこのような方式によって現在まで発展してきている。

近年において、カラーフィルタは顔料分散法（Pigment Dispersed Color Filter Method）によって製作され、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor,TFT）型又は超ねじれネマティック（Super Twisted Nematic,STN）型液晶パネルメーカに提供されている。また、過去においては電メッキ法によって液晶パネル用のカラーフィルタを製造することもあった。さらに、生産に使用されたのはなお染色法、印刷法及び各種の提案があり、日本の両角申治が編集した”Color Filter”という一書に詳しく説明されている。

顔料分散法製品は、高信頼度と精密パターンの製作能力によって主流になっている。その製造プロセスは、ガラス、石英又はプラスチック材質である光透過型基板上に、ブラックマトリックス、赤、緑、青の色パターンをホトリソグラフィ工程の重複利用により製作する。層毎のパターンはいずれも洗浄、塗布、乾燥、露光、現像と焼付けの工程を経て行なう。

ブラックマトリックスパターンは、１層の遮光クロム膜がスパッタされた光透過型基板上に、ポジ型レジストによって露光、現像及びエッチングという従来の光エッチング製造プロセスによって製作することができる。また、ネガ型のブラック樹脂レジストによってブラックマトリックスパターンを直接作成して、膜メッキ、エッチングとポジ型レジスト膜剥離の工程を省略することもできる。ブラックマトリックスは、一般に充分な遮光効果があること、光学濃度（Optical Density）を指標とすることが要求されている。大型ディスプレーは通常、３より大きく、中小サイズのものは１.０より低くならないのが望ましい。従って、一般に使用されているクロム膜の厚さは、凡そ数百ナノメータ（nanometer）以下の範囲であって、ブラック樹脂レジストは凡そ１から数ミクロンの範囲である。ブラックマトリックスパターンは、通常、最初の製造プロセスであって、各種の位置合わせパターンを設定する。

赤、緑、青の３色パターンは、ブラック樹脂レジストの製造プロセスと同様に、着色レジスト材料を使用し、塗布、乾燥、露光、現像と硬化の手順によって行なわれる。各フィルター膜の厚さは、凡そ１から数ミクロンの範囲であって、単色膜厚の均一度は最高値と最低値の比率が０.１〜０.２ミクロンの範囲である。TFT LCDにクロム膜が使用されたブラックマトリックスは、各色の膜厚差、いわゆる段差が０.２〜０.３ミクロンの範囲で許容されている。樹脂ブラックマトリックスを使用したものであれば、色重ねによって落差が大きくなるため、従来の製造プロセスにおいては厚さが数ミクロンの平坦層即ちオーバーコート（overcoat）を塗布することによって０.２ミクロンの平坦性を取得した。オーバーコートは、通常、熱硬化型高分子であって、基本的には高分子によって加熱・流動して、重力と表面張力で基板表面の歪みを隠している。その一方、大面積平板研磨の方法による平坦性への増強も既に当業者に常用されている。

半反射型カラーディスプレーの用途には、アルミニウム金属とその合金が常に反射膜として用いられており、ブラックレジスト、及び赤、緑と青色のフィルター膜は、同一のホトリソグラフィ法によって製品として作成される。ただし、各色サブ画素において反射膜の光透過部分と反射部分のフィルター膜の厚さは殆ど同様であるため、光透過部分が充分な純度と輝度を表現している場合、反射部分では光線の２回の進出によって輝度又は反射率が不足となっている。

着色レジストは顔料分散法の製造プロセスでは、顔料をネガ型レジスト溶液に分散することが使用されている。一般に、着色レジストは、顔料以外に、大部分の光重合高分子系のレジストと同様の構成がある。それらは、ラジカル重合が使用された単一又は複数の不飽和二重結合官能基を含めた光反応単体例えばアクリル酸類、メチルアクリル酸類、スチレン類等やそれらの誘導化合物、及び露光によってラジカルを生成する光重合開始剤 （Photoinitiator）を含める。各種の顔料分散法は、数多くの公開文献に掲示されており、複数の商用着色レジスト材料は、広汎に各カラーフィルタのメーカに使用されている。

本発明に係るカラーフィルタの製法は、光透過型基板面上に、貼着面に凹部パターンがある平板金型を緊密に貼着させ、該凹部と光透過型基板とで形成された空間が平板金型におけるトンネルを経て外部に連通して、平板金型におけるトンネルを経て光重合高分子溶液が該凹部に注入され、該光透過型基板の裏面より紫外線で照射することで、該凹部に注入された光重合高分子溶液における固相物が反応して光透過型基板面に沈降し、且つ該溶液にカラーフィルタパターンを製作する色料が含まれていることを特徴とする新規のカラーフィルタの製法とその独特の製品である。

顔料分散法によって製作されたカラーフィルタは、高信頼度と精密パターン製作能力のために主流となっている。ただし、該カラーフィルタには複数で煩雑なホトリソグラフィ（Photolithography）の工程が使用されており、また、高価な塗布と位置合わせ露光設備が必要であった。特に、生産効率のために基板面積が急速に拡大されている場合、その投資コストが一層生産者の負担になっている。本発明は、前記の課題に鑑みて、煩雑でかつ高価な製造プロセスを削減し、製造コストを低下するような、新規のカラーフィルタの製法を提供することを目的とする。

本発明は新規のカラーフィルタの製法であって、単面が開放された微細導流凹部を備えた平板金型を、ブラックマトリックスパターンが形成された光透過型基板に貼着した後、各着色光反応高分子溶液を各サブ画素位置の光透過型基板面と導流凹部との空間に充満して、光透過型基板側から光反応高分子溶液をその中の固相物が重合し、沈降し、光透過型基板に貼着するするように露光させる。本発明の製造プロセスは、少なくとも赤、緑、青の３色レジストの塗布、露光、現像等の高価な工程を削減し、生産コストを大幅に低減することができ、かつ、従来スピン塗布法のように基板面積の大小によって大きいサイズの制限を受けるということはないため、とりわけ超大型サイズの基板の製造に適している。

本発明に係る新規のカラーフィルタの製法は、図１の断面イメージ図に示されている。本発明の製造プロセスでは、図１に示すように、一側に互いに平行で且つそれぞれ赤、緑、青の３色サブ画素に対応した複数の凹部（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（２）、（３）、（４）で表示する）が図面の方向に垂直貫通した平板金型（１）を使用している。ここで、金型凹部側は、ブラックマトリックスパターンが形成された光透過型基板（５）に対向して貼着され、凹部隔壁（６）が直接ブラックマトリックスフレーム（７）に圧着されて、着色光重合高分子溶液を赤、緑、青の３色凹部と光透過型基板（５）との空間（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（８）、（９）、（１０）で表示する）に注入し充満させる。この際、光透過型基板（５）の裏面より着色光重合高分子溶液を紫外線（１１）で露光させる。紫外線（１１）が光透過型基板（５）を通過することは、赤、緑、青の３色の着色光重合高分子溶液における光反応組成を励起し、図２に示すように、もともと溶液中に溶解又は均一に分散された固相物（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（１２）、（１３）、（１４）で表示する）が、光反応重合によって光透過型基板（５）の表面に沈降する。前記光透過型基板（５）と平板金型（１）は、プレス又は真空吸引によって緊密に貼着することができる。もともと着色光重合高分子組成を分散又は溶解するための溶剤は、殆ど沈降した固相物から分離して、凹部の空間に充満する。この場合、プレス又は真空吸引の方法によって溶剤やトンネルに連通された余計な着色光重合高分子溶液が平板金型から排出され、そして、ガラス基板と平板金型とを分離させる。このようにして、平板金型を重複して使用することができる。

本発明に係る平板金型は、前記の凹部を備えるとともに、着色光重合高分子溶液の分流、注入を導引するトンネル、及び流体の直列接続、供給を制御するトンネルを含める。金型の外側には、着色光重合高分子溶液とその他の流体例えば金型内に各トンネルを洗浄するための溶剤や、真空吸引又は金型作り加圧のための外管、スイッチング用のバルブとポンプが提供されている。光透過型基板（５）と平板金型（１）との貼着は、一般のプラスチック鋳型射出の場合のように機械力によって圧着しても良い。

平板金型における三次元トンネル連通構造は、図３に示すように、１つのカラーフィルタにおいて某色サブ画素を直列接続する方向の凹部トンネル（１５）に対応した断面に沿って説明する。この図には、光透過型基板に接触した凹部トンネル層（１６）を準備し、それを流体の進出するための貫通孔（１７）が開けられた貫通孔層（１８）に緊密に貼着させ、該貫通孔層（１８）の上に各貫通孔より流体を各凹部に供給するための分流トンネル層（１９）が含まれている。３色光重合高分子溶液が、前記のあるサブ画素が直列接続された方向の分流トンネル層に流動し進出しようとするため、カラーフィルタに平行な赤、緑、青の３色の配列方向に対応した首尾には、それぞれ赤、緑、青の３色光重合高分子溶液用のための分流トンネル（２０）が３つある。分流トンネルの方向は、本図面に垂直であって凹部トンネルに直交し、接続箇所において貫通孔（１７）によって連通する。分流トンネル層（１９）の上には、材料吐き出し口（２２）が開けられ、材料吸い込み口（２３）に連通する材料吐き出し層（２１）がある。

図４は、貼着後のトンネル連通構造であって、１つのカラーフィルタにおいて画面の外フレームに近接した画素組を一部取って、平板金型の凹部面に対向した断面図を示し、各トンネルと貫通孔の位置について説明する。該図において、凹部トンネル層（図３（１６）参照）から始まる垂直陰影の部分は、光透過型基板に貼着された凹部トンネル層平面（２４）であることが示されている。該平面は、各着色光重合高分子溶液を隔離するための隔壁平面（２５）に延在する。凹部トンネル層の上は、貫通層（図３（１８）参照）であって、図４に十時方向に斜線陰影で表示した貫通孔（１７）がそれぞれ着色光重合高分子溶液別に従って凹部トンネル方向に交錯するように配列する。それより上層の分流トンネル（２０）では、各色光重合高分子溶液に対応して凹部トンネル（１５）に垂直配列し、貫通孔（１７）を経て同色である凹部トンネルに連通する。各着色光重合高分子溶液は、某色の材料吐き出し孔（２６）を例に挙げれば、図４に示すように、上層より分流トンネル（２０）に連通し導入されるのである。

前記製造プロセスに使用された光透過型基板（５）上におけるブラックマトリックスパターンは、黒色の光重合高分子溶液によって上記の製造プロセスに従って製作しても良い。ただし、それらの着色光重合高分子溶液は一種だけ使用すれば良い。凹部パターンは図５に示すように、ブラックマトリックスパターンと同様である。図５は、平板金型凹部トンネル層（１６）の平面イメージ図であって、斜線グリッド状長尺状パターン（２７）が各色サブ画素に対応したテーブル面であり、その間がブラックマトリックスパターンに対応し、ブラック光重合高分子溶液が流通するための凹部トンネル（２８）である。図５の左側と上側外周における斜線グリッドパターンは、前記各色サブ画素に対応したテーブル面（２７）と同様であり、ブラック光重合高分子溶液が流通するように規定されている。黒色である光重合高分子が沈降した後、金型開き、焼付け、硬化の工程を経てブラックマトリックスの製作を完成する。このように、本発明の製造プロセスでは、高価な精密塗布と位置合わせ露光機器を全く使用することなく、現像器に残存した有色廃液を処理する負担の免除ができるようになっている。

赤、緑、青の３色パターンが完成した後、従来の製造プロセスにより、基板に加熱ベーキングを行うことによって、赤、緑、青の３色の沈降した固相物が流動して、平坦性が増すとともに、熱架橋反応によって硬化する。最後に透明電極例えば酸化インジウム（Indium Tin Oxide,ITO）を塗布し、カラーフィルタの製作を完成する。ITOの塗布の前に、従来の塗布方式によって光透過可能な高分子オーバーコート（overcoat）を塗布し、より平坦である表面を獲得しても良い。その一方で、透明電極であるカラーフィルタを使用せずに、例えば広視角表示としての平面液晶ツイスト（In Plane Switchin,IPS）技術を応用しても良い。

ブラック樹脂レジストによってブラックマトリックスパターンを製作する方法は、環境に影響しそうなクロム膜のメッキとエッチングの工程を低減したことで次第に重視されるようになっている。ただし、ブラック樹脂の光学濃度が低く、厚さは常に約１ミクロン以上が必要であった。赤、緑、青色のレジストパターンを製作する場合、露光の位置合わせ精度と着色レジスト線幅の制御は、いずれも避けられない不確実性の誤差があるため、従来の顔料分散法では、光漏れのないように、各色パターンとブラックマトリックスパターンとの境界に一定の重ね合わせが必要であった。従って、ブラックマトリックスパターンの周縁には着色レジスト層の堆積が避けられなかった。このように、ブラック樹脂マトリックスの高光学濃度を求めることに伴って、その厚さも増加するため、カラーフィルタ表面の全体が平坦になることが一層困難となっている。

本発明に係るブラックマトリックスパターンがブラック樹脂で製作し、光透過型基板側から露光した場合、着色光重合高分子は、殆どブラックマトリックス内に沈降しているため、従来技術のように色重ねによって歪みが生じるという欠点を避けられるようになっている。

本発明はさらに、着色光重合高分子溶液において光反応によって沈降した固相物の濃度の調整により、硬化後の各色の膜厚がブラック樹脂マトリックスパターン膜厚に近づき、平坦層の使用の免除ができるようになっている。

本発明はさらに、着色光重合高分子溶液の注入前又は露光沈降の完成後に適当な膜厚と各色フィルタリング特性を獲得するために、未着色である透明の光重合高分子溶液により、同様の平板金型におけるトンネルを経て着色光重合高分子の使用と同様の注入、露光沈降方式によって行なう。未着色である透明の光重合高分子は、着色光重合高分子溶液が露光沈降を完成した後注入したものであれば、露光が重合した後も簡単に加熱し流動して平坦性を得た光重合高分子の組成を選択しても良い。本発明は、また、これらの新規の製造プロセスから製造された独特のカラーフィルタを提供することを目的とする。

本発明はさらに、各サブ画素を単位とするグリッド状サブ画素凹部の金型が赤、緑、青の３色パターンが沈降、硬化を完成した後、光透過型基板（５）上に１層のブラック樹脂レジストを全面的に塗布して、光透過型基板の裏面から紫外線（１１）で露光させることで、赤、緑、青の３色パターンの間のブラックレジストが重合し、赤、緑、青の３色パターン上にブラックレジストが３色顔料の紫外線への部分吸収による重合不足によって現像液で洗浄可能であるようにする新規の方法を提供することを目的とする。前記グリッド状サブ画素凹部である金型は、図６の金型の凹部面に対向する斜視イメージ図に示されるように、カラーフィルタにおけるグリッド状サブ画素に対応した長尺状凹部（２９）と、図３に示すように凹部トンネル層（１６）にあって、ブラックマトリックスパターンに対応した凹部隔壁（３０）と、各同色凹部を導通し、図３に示すように貫通孔層（１８）にあるサブ画素連通孔（３１）とを含める。本発明の製造プロセスでは、上記のようにして、平板金型が光透過型基板に位置合わせして貼着する工程を省略し、さらに精密設備の負担を低減するようになっている。なお、長尺状凹部（２９）と凹部隔壁（３０）に変更を行い、貫通孔層（１８）の製作を簡単化しても良い。図７に示す凹部トンネル層（１６）の平面図のように、カラーフィルタにおける各グリッド状サブ画素に対応した長尺状凹部（３２）の両端にサブ画素開口（３３）を残し、図６に示すサブ画素貫通孔（３１）の製作を省略することもできる。サブ画素開口（３３）に沈降した着色光重合高分子が加熱・流動した後、その厚さがその他の箇所より低くなるため、ブラックレジストの裏面に露光現像する製造プロセスにおいても、ブラックレジストが着色光重合高分子に残存することがある。従って、外観上は完全なグリッド状ブラックマトリックスを保持することができる。

赤、緑、青の３色が完成した後、光透過型基板上に１層のブラック樹脂レジストを全面的に塗布して、裏面から露光させ、現像後、赤、緑、青の３色サブ画素の間のブラック樹脂レジストのみを残し、ブラックマトリックスパターンを製作するという方法は、カラーフィルタ業者が熟知している技術であり、公開の文献例えばアメリカ特許願第５,２１３,８５０号に掲示されている。ただし、従来の顔料分散法に係る製造プロセスによってブラックマトリックスパターンに各色サブ画素開口位置を予定し、赤、緑、青の３色をそれぞれ製作する場合には、位置合わせ露光の不正確度に起因する各色サブ画素の間の距離を固定し、かつ正確なブラックマトリックスパターンを取得することができないという制限を受ける。前記のように本発明に係る製造プロセスでは、赤、緑、青の３色を、金型凹部パターンに応じて一度にレイアウトすることで、位置併せの問題がなく、正確でかつ精密なブラックマトリックスパターンを取得することができる。

本発明はさらに、半反射型カラーディスプレーに適用するカラーフィルタを製作する新規の方法を提供することを目的とする。図８の１つのサブ画素によって着色光重合高分子溶液に流動する方向の断面に示すように、光不透過の反射膜パターン（３４）が予め形成された光透過型基板（３５）に図６に示す金型（３６）を緊密に貼着させ、該金型の凹部隔壁（３０）が反射膜パターンにおいてブラックマトリックスパターンに対応した開口（３７）に圧着される。着色光重合高分子溶液が長尺状凹部（２９）に充満された後、光線方向が散乱した紫外線光源（３８）によって光透過型基板（３５）の裏面から凹部（２９）における固相物が殆ど沈降するまで照射する。このように、反射膜の各サブ画素範囲内における開口（３９）は、反射膜の上方に比べて、厚い着色光重合高分子の沈降（４０）がある。反射膜パターンにおいては各隣接した開口（３９）の間の反射膜の幅が、金型の凹部（２９）の深さより大きくならないことに限る。このように、紫外線を斜めに照射し、もともと活性のあるラジカル又は陽イオン型高分子連鎖反応特性に合わせ、反射膜の上方に紫外線の垂直露光がない領域に重合沈降を行なうことができる。金型開き後、光透過型基板が焼付けによって膜厚の均一性が上昇するとともに、反射膜の上方に充分なフィルター膜厚があることを確保する。フィルター膜が硬化した後、光透過型基板上にブラックレジストを塗布し、そして、前記裏面露光製造プロセスのように、図８に示す反射膜パターンにおいてブラックマトリックスパターンに対応した開口（３７）の基板面上のブラックレジストが現像後に残存する。

従来より、カラー半反射型ディスプレーではフィルター膜の反射膜開口（３９）における厚さが反射箇所と同様であるため、バックライトによって適当な色純度のカラー画面を表示する場合、そのバックライトのない反射式カラー画面は、光線がフィルター膜に二回吸収されることによって輝度不足の問題が生じていた。光透過箇所のフィルター膜の厚さを増加することができれば、簡単に光透過開口面積に合わせ、反射箇所と光透過箇所とのカラー画面のバランスを調整することができる。ただし、従来の製造プロセスでは、色毎に塗布、リソグラフィ結像、現像、及び焼付けの製造プロセスを一回重複するだけでしか光透過箇所のフィルター膜を増厚することができなかったが、このような製造コストの負担は、業者に受け入れられるのが実に難しい。従って、本発明に係る新規の製造プロセスでは、前記従来の製造プロセスのような重複した工程を省略し、かつ設備のコストを低減するとともに、反射と透過の２モードによる画面のバランスを上昇した。

本発明はさらに、大面積基板カラーフィルタの製造に生じた問題を解決し、コストを低減するための有効な新規の方法を提供することを目的とする。さらに、フィルター膜パターンとブラックマトリックスパターンとをそれぞれ独立に製作するという独特な製造プロセスによって、従来のように顔料分散法の製造プロセスにおいてパターンの重ねによって突起が生じて平坦層を厚く塗布し、ないし研磨しなければならないという問題を解決するための、平坦なカラーフィルタの製品を提供することができるようになっている。

本発明に係る平板金型の製作は、精密な多層プリント回路板の製造プロセスに用いられた位置合わせ積層圧着と同様の原則で製作を行なう。平板金型の内部には三次元トンネル構造、例えば、着色光重合高分子溶液の分流、注入を導引するトンネル、及び流体の直列接続、供給を制御するトンネルが含まれている。これらの三次元構造を、まず単純に層毎に分割し、各層をそれぞれ独立して製作し、そして位置合わせし貼着することで、各トンネルが連通し、かつ平板金型の両面外側にある凹部と材料吸い込み口に連通する。各層に使用された材料は電子実装に常用される金属材質から選択することができる。

原則的には良好な安定性を有する薄片状金属材料であればいずれも使用できる。特に、フォトエッチング方式によって貫通孔とトンネルを簡単に製造できる金属材質であるものが好ましい。金属材質は、よく見られるような薄片型で販売されているステンレス、銅、アルミニウム、鉄ニッケル合金などから選定可能である。フォトエッチングの製造プロセスでは、通常、一般のプリント回路板内層の製造プロセスと同じように、ポジ型又はネガ型のレジストを使用しており、塗布、露光、現像、エッチング、及び膜剥離などの工程を経て完成する。本発明に適用される各種の工業用ポジ型、ネガ型レジスト材料系は、Deforestの著書である”Photoresist Materials and Processing”に詳しく説明されている。

図３に示すような各金属層を製作する場合、同一の金属基板面上にフォトエッチングの工程を重複し、毎回のエッチングの深さを制御することで、図３に示すように、貫通層（１６）の合併やトンネル層（１７）の分流による三次元構造を完成しても良い。或は同一の金属基板に両面の位置合わせ露光とエッチングを行い、貼着の工程を一回減少しても良い。

各金属層が光エッチングの製作を完成した後、再び１層のオーバーコートを塗布しても良い。電気メッキ又は化学メッキの方式によってミクロン以下の厚さの１層の不活性金属を被覆し、或は一般の金属でダイカスト成形された薄片部材のように高分子電着方式によって数ミクロンの厚さを塗布して、加熱成膜の処理を行ない、金属層の表面を酸化の侵蝕から保護する。高分子電着塗料は、紫外線吸収用の組成例えば染料又は顔料を含めても良い。

通常電子実装に用いられる感光性有機誘電材質は、平板金型の製作に使用されても良い。その一例を挙げれば、よく見られるラジカル光重合反応による感光性ポリイミド、アクリルの改質によるエポキシ化合物又はフェノール樹脂、及び陽イオン光重合のその他の光反応高分子系等を利用しているものがある。これらの光反応高分子系は、ホトリソグラフィ結像（photolithography）法によって層毎に位置合わせすることでパターンを三次元のトンネル構造に積層するように製作する。

前記図３と図４における各層レベルの凹部トンネル、貫通穴、分流トンネル、及び材料吐き出し口等のサイズは、カラーフィルタ製品のパターンの精密度によって決まる。大型サイズのTFT液晶ディスプレーや携帯式中小サイズの液晶ディスプレーとしては、その赤、緑、青の３色サブ画素の中心から中心までのピッチは、殆ど１００ミクロン前後の範囲であって、ブラックマトリックス線幅は殆ど十数ミクロン以上である。従って、平面幅寸法としては、凹部トンネルも１００ミクロン前後の範囲であり、貫通穴がほぼ１００ミクロンより小さく、分流トンネルが数百ミクロンまで広くなり、各分流トンネルの間が約数十から数百ミクロンであり、材料吐き出し口寸法がより大きいデザインであっても良い。材料吐き出し口は、機械的な穴あけによって製作し、各流体が進出するための通路の接続に対応している。各層の厚さは、殆ど十数ミクロン以上の範囲である。各層の連通位置合わせの誤差は少なくとも５ミクロン以上であるため、製作上ではその精密度に対する要求が従来のカラーフィルタの製造プロセスのようには高くない。

金型製作において、各層間の貼着は樹脂ペーストで位置合わせし貼着することが可能である。樹脂ペーストは、着色光重合高分子溶液の溶剤性質に応じて、溶剤に侵蝕されやすくないものが好ましい。ペースト材は、常用の各種圧力検知型ペースト材例えば低ガラス遷移温度のアクリル重合物又はシリコンペーストやホットメルトから選定されることが好ましい。ペースト材はまた、常用の各種熱間硬化型の高分子化合物から選定されることも好適である。その一例として、不飽和アクリル官能基樹脂、エチレン系樹脂、エポキシ系樹脂、及びメラミン樹脂が挙げられる。

光透過型基板に貼着された凹部の間の隔壁は、前記のように金属材質で光エッチング方式によって製作しても良い。若しくは光反応高分子材料でホトリソグラフィ結像法によって製作しても良い。光反応高分子材料は、一般のレジスト材料から選定されるのが好ましく、特に分子構造の設計上において弾力性を有するネガ型レジストが好適である。常用のネガ型レジストは、アクリルラジカルによって感光性連鎖（架橋）反応を行なうような各種高分子樹脂やその混合物を利用しても良い。原則的には架橋反応後の高分子樹脂の着色光重合高分子溶液に対する抵抗性質に応じて選択する。レジストの組成には、紫外線を強烈に吸収できる分子構造の成分や染料又は顔料を添加しても良い。

本発明に係る着色光重合高分子溶液は、その粘度が１００cpsを超えないものが好ましい。粘度が高すぎると凹部に注入する時間が長くなって、生産に適さないが、従来の顔料分散法に用いられた製造プロセスによって、カラーフィルタを製作した着色レジストや、有機顔料以外のその他のネガ型着色レジスト又はその他の着色光重合高分子材料であればいずれも適用することができる。着色レジストと着色光重合高分子材料との唯一の違いは、前者は未露光と露光された材料が現像時に溶解と不溶解との対比があることを考慮しなければならないことである。原則的に前者と後者は本発明の応用においてそれほど大きな違いはない。有機顔料を使用した商用着色レジストは、その粘度が通常、２０cpsを超えないことが好ましい。原則的には前記各種レジスト又は光重合高分子溶液は殆ど、溶剤の添加量によって簡単にその粘度を調整することができる。

着色光重合高分子の組成は基本的に、色料、光重合反応イニシエーター、及び重合反応官能基を有する単体又は分子量の高いオリゴマー（Oligomer）を含め、前記重合単体は、単反応官能基を有するものであれば良く、２つ以上の反応官能基を有するものであっても良い。組成に適量の単反応官能基が含まれた場合、露光重合の構造は、加熱ベーキング（焼きつけ）の時に流動して平坦になり易いのである。本発明に係る製造プロセスでは、未着色の光重合高分子によって膜厚を調整することもできる。その成分は、色料以外に着色高分子の組成と同様であり、また、分散顔料を安定させるための分散材、架橋密度の熱重合反応官能基を増加し平坦性を促進する平滑剤（levering agent）等を加入しても良い。既に発表された数多くの文献には、有機顔料を使用してカラーフィルタに対して応用しているものがあり、例えばアメリカ特許第６,５１４,６４４号、アメリカ特許第６,３４８,２９８号、及びアメリカ特許第６,２８４,４３２号には有機溶剤型の着色光重合高分子組成について詳しく掲載されている。それと同様に、水性着色光重合高分子組成についても、アメリカ特許第６,４７５,６８３号、アメリカ特許第６,４１６,１７４号に掲載されている。

本発明に係る製造プロセスでは、光透過型基板と平板金型の凹部面とを圧着して、各色材料吸い込み口から真空吸引し、凹部の隔壁面と基板との貼着が緊密になるようにする。着色光重合高分子溶液が注入される前に、多方向バルブスイッチによって導引流量を制御する。一旦溶液が平板金型内の空間に充満された場合、各色材料吸い込み口が閉鎖して、その他の出口が真空吸引状態にあるように維持する。そして、光透過型基板の裏面から紫外線で照射して、溶液中の固相物が光透過型基板に沈降する。この場合紫外線を切断して、各材料吸い込み口を空気に開放させ、又は適当な溶剤を流入することで、その材料吸い込み口のトンネルに残存した液体を除去する。さらに第２層例えば光重合高分子溶液も沈降する必要があれば、前記の工程を重複することができる。それに反して、空気加圧の流し込みによって金型開きをし、光透過型基板と金型とを分離しても良い。完成された光透過型基板は、さらに過熱処理によって残留溶剤が除去され、光重合高分子の流動が平坦化する。更なる硬化は、通常、高温が必要であるため、分段加温の熱処理を採用することが可能である。原則的には、加温の熱処理は、高分子系の選択、光重合反応した後架橋構造と熱反応のデザインによって決まる。よく見られるアクリル系としては、流動平坦化が摂氏約１５０度以下であって、そして架橋重合が凡そ２００度から２５０度までの間に反応していない不飽和結合に上昇する。光重合高分子は光反応の場合に、有限の架橋構造を多く利用することによってその後の加熱・流動が持続的に進行する。有限の架橋構造は、光反応単体の組成において多くの低反応官能基、及び光反応機能を有しない高分子バインダー（binder）を使用することによって達成する。

一般のカラーフィルタの製造は、殆んどが同一の光透過型基板上に複数のカラーフィルタを製作し、例えば所謂TFT三代目生産ライン５５０mmx６５０mmの基板寸法に、４枚の対角１５インチサイズの大きさで、モニターのためのカラーフィルタを配置しても良ければ、或いは３７０mmx４７０mm基板に、携帯電話用の、対角２インチサイズの大きさより低い百枚のカラーフィルタを配置しても良い。本発明に係る技術によってカラーフィルタを製造する場合、図３に示す分流トンネル層（１９）において分流トンネル（２０）によって色分けして、各カラーフィルタに対応したトンネルに連通する。某色の溶液の注入と排出については、１つの材料吸い込み口のみによって各カラーフィルタに連通して単一の出口から排出する。材料吸い込み口と吐き出し口の数量と位置の配置は、同一の基板上にカラーフィルタがいくつ配置されているかによって決まる。

本発明に適用された保護膜とITO透明電極は、従来の製造プロセスに適用されたものと同様である。

上記の実施の形態は本発明を例示する目的で示すものであり、本発明は、それらによって何ら限定されるものではない。本発明に係る実質的な技術内容は、下記の特許請求の範囲に定義される。本発明はこの技術分野に精通したものが特許請求の範囲を脱しない範囲で色々な修飾や変更が可能であり、そうした修飾や変更は本発明の技術範囲に入るものである。

型締露光の断面イメージ図であって、赤、緑、青の３色サブ画素の凹部（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（２）、（３）、（４）で表示する）に対応し、光透過型基板（５）に位置合わせし接合し、凹部隔壁（６）が直接ブラックマトリックスフレーム（７）に圧着する平板金型（１）を含め、凹部と光透過型基板（５）の空間（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（８）、（９）、（１０）で表示する）に着色高分子溶液が注入されて、紫外線（１１）によって光透過型基板（５）の裏面から露光することを示す。 着色高分子露光沈降の断面イメージ図であって、平板金型（１）の凹部（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（２）、（３）、（４）で表示する）が光透過型基板（５）に位置合わせし接合し、凹部隔壁（６）が直接ブラックマトリックスフレーム（７）に圧着し、溶液中の固相物（それぞれ赤、緑、青の３色の順序によって（１２）、（１３）、（１４）で表示する）が紫外線（１１）によって露光して光透過型基板（５）の表面に沈降することを示す。 金型積層トンネルの断面図であって、某色サブ画素の方向を貫通する凹部トンネル（１５）と、光透過型基板（５）に接触する凹部トンネル層（１６）と、凹部に連通する貫通穴（１７）と、該貫通穴に所在する貫通穴層（１８）と、該貫通穴層（１８）の上の分流トンネル層（１９）内に赤、緑、青の３色画素配置方向に垂直する分流トンネル（２０）と、該分流トンネル（２０）の上に材料吐き出し口（２２）が開けられ材料吸い込み口（２３）に連通するための材料吐き出し層（２１）と、を含めることを示す。 金型におけるトンネル連通構造を示す斜視図であって、凹部トンネル（１５）層平面（２４）が各着色光重合高分子溶液を隔離する隔壁平面（２５）に延びる様子を凹部面から透視し、該隔壁平面（２５）の下は貫通穴層の貫通穴（１７）であって、該貫通穴（１７）より下層である分流トンネル（２０）のいずれか１つがその下の材料吐き出し口（２６）に連通することを示す。 凹部トンネル層の平面イメージ図であって、斜線グリッド状長尺状パターン（２７）は各色サブ画素に対応したテーブル面であり、その間にはブラック光重合高分子溶液が通るための凹部トンネル（２８）があることを示す。 金型に対向した凹部面の斜視図であって、グリッド状サブ画素に対応した長尺状凹部（２９）と、ブラックマトリックスパターンに対応した凹部隔壁（３０）と、各同色凹部を導通し貫通穴層にあるサブ画素連通穴（３１）とを含めることを示す。 凹部トンネル層を示す平面図であって、両端にサブ画素開口（３３）がありグリッド状サブ画素に対応した長尺状凹部（３２）を含めることを示す。 １つのサブ画素に対応した型締めの断面イメージ図であって、反射膜パターン（３４）が形成された光透過型基板（３５）貼着金型（３６）を含め、該金型の凹部隔壁（３０）が開口（３７）に圧着されており、着色光重合高分子溶液が長尺状凹部（２９）に充満された後、散乱した紫外線光源（３８）が光透過型基板（３５）の裏面から照射して、凹部（２９）における固相物がサブ画素範囲内にある反射膜上方と開口（３９）に沈降し、該箇所に厚い沈降（４０）があることを示す。

符号の説明

（１） 平板金型
（２） 赤色光重合高分子が注入された凹部
（３） 緑色光重合高分子が注入された凹部
（４） 青色光重合高分子が注入された凹部
（５） 光透過型基板
（６） 凹部隔壁
（７） ブラックマトリックスフレーム
（８） 赤色光重合高分子が注入された凹部と光透過型基板（５）との空間
（９） 緑色光重合高分子が注入された凹部と光透過型基板（５）との空間
（１０） 青色光重合高分子が注入された凹部と光透過型基板（５）との空間
（１１） 紫外線
（１２） 沈降された赤色光反応高分子固相物
（１３） 沈降された緑色光反応高分子固相物
（１４） 沈降された青色光反応高分子固相物
（１５） 凹部トンネル
（１６） 凹部トンネル層
（１７） 貫通孔
（１８） 貫通孔層
（１９） 分流トンネル層
（２０） 分流トンネル
（２１） 材料吐き出し層
（２２） 材料吐き出し口
（２３） 材料吸い込み口
（２４） 凹部トンネル層平面
（２５） 隔壁平面
（２６） 材料吐き出し孔
（２７） 長尺状パターン
（２８） 凹部トンネル
（２９） 凹部
（３０） 凹部隔壁
（３１） サブ画素連通孔
（３２） 長尺状凹部
（３３） サブ画素開口
（３４） 反射膜パターン
（３５） 光透過型基板
（３６） 貼着金型
（３７） 開口
（３８） 紫外線光源
（３９） 開口
（４０） 沈降

Claims (19)

1. 光重合高分子パターンの製法であって、光透過型基板面上に、貼着面に凹部パターンがある平板金型を緊密に貼着させ、該凹部と光透過型基板とで形成された空間が平板金型におけるトンネルを経て外部に連通して、平板金型におけるトンネルを経て光重合高分子溶液が該凹部に注入され、該光透過型基板の裏面より紫外線で照射することで、該凹部に注入された光重合高分子溶液における固相物が反応して光透過型基板面に沈降し、金型を開いて光重合高分子パターンを光透過型基板に完成させることを特徴とする光重合高分子パターンの製法。
2. 光重合高分子溶液の組成には色素が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の光重合高分子パターンの製法。
3. カラーフィルタの製法であって、光透過型基板面上に、貼着面に凹部パターンがある平板金型を緊密に貼着させ、該凹部と光透過型基板とで形成された空間が平板金型におけるトンネルを経て外部に連通して、平板金型におけるトンネルを経て光重合高分子溶液が該凹部に注入され、該光透過型基板の裏面より紫外線で照射することで、該凹部に注入された光重合高分子溶液における固相物が反応して光透過型基板面に沈降することを特徴とするカラーフィルタの製法。
4. 着色光重合高分子溶液における固相物が光透過型基板面に沈降した後、凹部に沈降した固相物以外の残留液体が除去され、色料を含まず且つ光重合した後加熱で平坦化可能の光重合高分子溶液が注入され、そして紫外線の重複照射をすることで、固相物が着色光重合高分子の上に沈降することを特徴とする請求項３に記載のカラーフィルタの製法。
5. カラーフィルタの製法であって、光透過型基板面上に、貼着面に複数組の凹部がある平板金型を緊密に貼着させ、該複数組の凹部と光透過型基板とで形成された空間が平板金型における該複数組に応じた独立のトンネルを経て外部に連通して、平板金型における複数組に応じた独立のトンネルを経て、該複数組別によって色の異なる着色光重合高分子溶液がそれぞれ該凹部に注入され、該光透過型基板の裏面より紫外線で照射することで、該凹部に注入された着色光重合高分子溶液における固相物が反応して光透過型基板面に沈降することを特徴とするカラーフィルタの製法。
6. 光透過型基板は、貼着面にブラックマトリックスパターンが形成され、平板金型の凹部箇所でブラックマトリックスにおける光透過可能な部分に位置合わせし貼着されることを特徴とする請求項５に記載のカラーフィルタの製法。
7. 着色光重合高分子溶液における固相物が光透過型基板面に沈降した後、凹部に沈降した固相物以外の残留液体が除去され、色料を含まず且つ光重合した後加熱で平坦化可能の光重合高分子溶液が注入され、そして紫外線の重複照射をすることで、固相物が着色光重合高分子の上に沈降することを特徴とする請求項６に記載のカラーフィルタの製法。
8. カラーフィルタであって、請求項７に記載の製法によって製作することを特徴とするカラーフィルタ。
9. 凹部には３組が分けられ、それぞれ赤、緑、青色の着色光重合高分子溶液が注入されることを特徴とする請求項５に記載のカラーフィルタの製法。
10. 平板金型の凹部が赤、緑、青の各色サブ画素パターンにグリッド状配列のように対応し、同色の隣接した凹部が平板金型における貫通孔によって互いに連通することを特徴とする請求項９に記載のカラーフィルタの製法。
11. 光透過型基板が固相物の沈降を完成した後、金型を開き、熱処理によって硬化した後、光透過型基板上に１層のブラックレジストを塗布し、光透過型基板の裏面より露光させ、現像によって固相物が沈降した箇所以外の露光された領域にブラックマトリックスパターンを残存することを特徴とする請求項１０に記載のカラーフィルタの製法。
12. カラーフィルタであって、請求項１１に記載の製法によって製作することを特徴とするカラーフィルタ。
13. 光透過型基板は貼着面に予め反射膜パターンが形成され、該反射膜パターンにはカラーフィルタのブラックマトリックスパターンに対応した光透過パターンと、各色サブ画素領域内に対応した複数の開口とが含まれ、各隣接した開口周縁の距離が金型凹部の深さより小さく、かつ平板金型と光透過型基板との貼着時に金型の凹部箇所が光透過型基板上における反射膜パターンの各色サブ画素の部分に位置合わせし貼着し、光透過型基板より散乱した紫外線で照射することを特徴とする請求項１１に記載のカラーフィルタの製法。
14. カラーフィルタであって、請求項１３に記載の製法によって製作することを特徴とするカラーフィルタ。
15. 平板金型の凹部が赤、緑、青の各色サブ画素パターンにグリッド状配列のように対応し、同色のサブ画素に対応し隣接した凹部の間にはその隣接した境界の長さより小さい開口が互いに連通することを特徴とする請求項９に記載のカラーフィルタの製法。
16. 光透過型基板が固相物の沈降を完成した後、金型を開き、熱処理によって硬化した後、光透過型基板上に１層のブラックレジストを塗布し、光透過型基板の裏面より露光させ、現像によってブラックマトリックスパターンを完成することを特徴とする請求項１５に記載のカラーフィルタの製法。
17. カラーフィルタであって、請求項１６に記載の製法によって製作することを特徴とするカラーフィルタ。
18. 光透過型基板は貼着面に予め反射膜パターンが形成され、該反射膜パターンにはカラーフィルタのブラックマトリックスパターンに対応した光透過パターンと、各色サブ画素領域内に対応した複数の開口とが含まれ、各隣接した開口周縁の距離が金型凹部の深さより小さく、かつ平板金型と光透過型基板との貼着時に金型の凹部箇所が光透過型基板上における反射膜パターンの各色サブ画素の部分に位置合わせし貼着し、光透過型基板より散乱した紫外線で照射することを特徴とする請求項１６に記載のカラーフィルタの製法。
19. カラーフィルタであって、請求項１８に記載の製法によって製作することを特徴とするカラーフィルタ。
    
    

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