JP2005055747A - カラーフィルタ基板、液晶表示装置、及び、カラーフィルタ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面の平坦性が悪いことに起因するディスクリネーションの発生を抑制したカラーフィルタ基板を提供する。
【解決手段】 透明基板１１上にブラックマトリクス１２を形成し、そのブラックマトリクス１２の開口境域及びブラックマトリクスと重なる領域に、色層１３を形成する。色層１３は、研磨工程により、傾斜角度θと、傾斜領域幅Ｌと、プレチルト角φとが、

を満たすように研磨される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、カラーフィルタ基板及びその製造方法に関し、更に詳しくは、カラーフィルタを用いてカラー表示を行う液晶表示装置に好適に使用できるカラーフィルタ基板及びその製造方法に関する。また、本発明は、液晶表示装置に関し、更に詳しくは、カラーフィルタを用いてカラー表示を行う液晶表示装置に関する。

一般に、カラーフィルタを用いたアクティブマトリクス型の液晶表示装置は、能動素子が配列される基板と、液晶層と、カラーフィルタを有するカラーフィルタ基板（対向基板）とを有し、能動素子が配列される基板と、カラーフィルタ基板とは、それぞれ液晶層を挟んで対向する位置に配置される。カラーフィルタ基板には、Ｒ、Ｇ、Ｂ三色の色層が形成され、画像のカラー表示を可能にしている。

図７は、従来のカラーフィルタ基板の構造を断面図として示している。カラーフィルタ基板は、ブラックマトリクス（ＢＭ）２２と、色層２３と、透明電極２４とを有する。このカラーフィルタ基板は、ガラス基板２１上にブラックマトリクス２２を形成した後に、色層２３を形成して得られる。色層２３は、例えば、１〜３μｍ程度の膜厚で形成される。色層２３上には、液晶層に電界を印加するための透明電極２４が形成される。

ブラックマトリクス２２は、光リークを防止し、或いは、液晶の配向欠陥などを覆い隠し、光透過領域を区画する。ブラックマトリクス２２は、一般的には、クロム膜、或いは、カーボン等を分散させた樹脂で形成される。しかし、クロムＢＭは、コスト高であるという問題があり、最近では、ブラックマトリクス２２には樹脂が用いられる傾向にある。

ところで、色層２３は、ブラックマトリクス２２上に形成されるため、ブラックマトリクス２２と色層２３とが重なる盛り上がり部分と、色層２３がブラックマトリクス２２の開口領域に形成される平坦部とでは、表面に段差が生じ、この段差が、ディスクリネーションの発生要因となる。ブラックマトリクス２２にクロム膜を用いた場合には、クロム膜の膜厚は０．１〜０．２μｍ程度と、色層２３に比して十分に薄いために、表面の段差は問題とならない。しかし、ブラックマトリクス２２に樹脂を用いた場合には、十分な光吸収性（遮光性）を得るためにその膜厚を１〜２μｍ程度とする必要があるため、表面の段差が大きく、ディスクリネーションが発生し易いという問題が発生する。

上記した問題に対し、従来の樹脂ブラックマトリクスを用いたカラーフィルタ基板では、色層２３と、透明電極２４との間に、アクリル樹脂やエポキシ樹脂からなるオーバーコート層を配置して、カラーフィルタ基板の表面の平坦性を向上させている。しかし、この場合には、オーバーコート層を形成する工程が余計にかかるため、コスト高につながるという問題がある。カラーフィルタ基板の表面を平坦化させる別の技術としては、特許文献１に記載された技術がある。この技術では、電着法により、色層を形成した後に、カラーフィルタ基板の色層側の表面を研磨することで、表面を平坦化している。

特許文献１では、その段落０００８に記載されるように、カラーフィルタ基板の平坦度として、０．５μｍ以上の段差を問題視している。一般に、カラーフィルタ基板では、例えば特許文献２の段落００１０に記載されるように、表面段差の許容範囲は、０．５μｍ以下とされている。
特開平８−１７９３０８号公報 特開平９−２３０１２４号公報（段落００１０）

上述のように、従来、カラーフィルタ基板の表面の段差を０．５μｍ以下に抑えれば、表面の段差に起因するディスクリネーションを抑制できると考えられてきた。しかし、本発明者らは、種々の実験やシミュレーションの結果、条件によっては、表面の段差を０．５μｍ以下に抑えるだけでは、表面の段差に起因するディスクリネーションを抑制できないことを見出した。

本発明は、液晶表示装置に用いた際に、表面の段差に起因するディスクリネーションの発生を抑制できるカラーフィルタ基板を提供することを目的とする。また、本発明は、本発明のカラーフィルタ基板を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、更に、本発明のカラーフィルタ基板を有する液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のカラーフィルタ基板は、透明基板上に形成された格子状のパターンを有する樹脂製の遮光層と、該遮光層の各格子の内部に露出する透明基板上及び前記遮光層の各格子の縁部上に塗布形成された色層と、該色層上に形成された配向膜とを備え、ねじれネマチック形液晶と共に使用するカラーフィルタ基板において、
前記色層は、前記各格子の縁部上に形成された盛り上がり部の一部が研磨された表面を有し、前記盛り上がり部の前記格子の内部から立ち上がる傾斜領域の前記透明基板に対する傾斜角度θと、前記傾斜領域の幅Ｌと、前記配向膜に接する液晶のプレチルト角φとの関係が、

を満たすことを特徴とする。

本発明のカラーフィルタ基板では、傾斜角度θと、傾斜領域幅Ｌと、プレチルト角φとが、上記式に示す関係を満たすように、色層の盛り上がり部の表面の一部が研磨されて削除されていることにより、表面の平坦性が悪いことに起因して発生するディスクリネーションを効果的に抑制できる。
一般に、表面の段差が大きなカラーフィルタ基板を用いた液晶表示装置では、その段差に起因してディスクリネーションが発生し、表示品質が低下する。カラーフィルタ基板の表面の段差については、ディスクリネーション抑制の観点から、０．５μｍ以下が許容範囲であるとされていた。本発明者らは、傾斜角度θと、傾斜領域幅Ｌと、プレチルト角φとによって、表面の平坦性が悪いことに起因するディスクリネーションを抑制できることを突き止め、本発明をなすに至ったものである。

本発明のカラーフィルタ基板では、前記傾斜領域の幅Ｌが２．５μｍ以下であること、或いは、前記傾斜角度θが５度から１０度の範囲であることが好ましい。この場合、高いプレチルト角φが得られる配向膜等を使用しなくとも、本発明のカラーフィルタ基板を用いた液晶表示装置における表示品質の低下を防止できる。プレチルト角φは、３度〜４度程度の範囲内にあることが好ましい。

本発明の液晶表示装置は、本発明のカラーフィルタを備え、液晶の駆動電圧が３〜５ボルトの範囲にあることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置では、本発明のカラーフィルタ基板によって、カラーフィルタ基板の表面の平坦性が悪いことに起因するディスクリネーションを効果的に抑制でき、コントラスト比として２００：１以上を達成できる。

本発明のカラーフィルタ基板の製造方法は、透明基板上に格子状のパターンを有する樹脂製の遮光層を形成する工程と、該遮光層に形成された各格子内に露出する透明基板上及び前記遮光層の前記各格子の縁部上に色層を形成する工程と、前記遮光層の各格子の縁部に形成された色層の盛り上がり部の一部表面を研磨する工程と、前記色層上に配向膜を形成する工程とを備え、前記研磨工程は、前記盛り上がり部の前記格子の内部から立ち上がる傾斜領域の前記透明基板に対する傾斜角度θと、前記傾斜領域の幅Ｌと、前記配向膜に接する液晶のプレチルト角φとの関係が、

を満たすように行われることを特徴とする。

本発明のカラーフィルタ基板の製造方法では、傾斜角度θと、傾斜領域幅Ｌと、プレチルト角φとが、上記式を満たすように、色層を研磨する。このような工程を経て製造されたカラーフィルタ基板を用いた液晶表示装置では、カラーフィルタ基板の表面の平坦性が悪いことに起因するディスクリネーションの発生が抑制され、表示品質の低下が防止される。

本発明のカラーフィルタ基板は、色層の一部が、傾斜角度θと、傾斜領域幅Ｌと、プレチルト角φとが、

を満たすように研磨されているため、表面の平坦性が悪いことに起因して発生するディスクリネーションを効果的に抑制することができる。また、本発明のカラーフィルタ基板の製造方法は、色層の一部を上記式を満たすように研磨して、ディスクリネーションを効果的に抑制することができるカラーフィルタ基板を製造することができる。
更に、本発明の液晶表示装置は、本発明のカラーフィルタ基板を用いて構成することで、ディスクリネーションを効果的に抑制して、表示品質の低下を抑制できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明のカラーフィルタ基板の断面構造を示している。カラーフィルタ基板１０は、ガラス基板等の透明基板１１上に形成された、ブラックマトリクス（ＢＭ）１２と、色層１３と、透明電極１４とを有する。このカラーフィルタ基板１０は、液晶層にねじれネマチック形液晶材料を有する、ノーマリーホワイト表示の液晶表示装置に使用される。液晶表示装置の液晶の駆動電圧は、例えば３．３Ｖ、４Ｖ、或いは、５Ｖである。液晶材料には、例えば駆動電圧が５ＶであればＺＬＩ４７９２（メルク製）を使用することができる。

ブラックマトリクス１２は、光リークを防止し、或いは、液晶の配向欠陥などを覆い隠し、光透過領域を区画する。この光透過領域は、液晶表示装置において、画素表示領域となる。ブラックマトリクス１２は、カーボン等が分散された樹脂からなり、例えば、２０μｍの幅で形成される。ブラックマトリクス１２には、光学的性能として、３以上の光学濃度ＯＤが要求されることが多く、この要求される光学的性能を満たすため、例えば１．３μｍ程度の膜厚で形成される。ここで、光学濃度ＯＤは、入射光強度をｌｏ、透過光強度をｌとして
ＯＤ＝−ｌｏｇ（ｌ／ｌｏ）
で定義される。

色層１３は、顔料分散法により、例えば１．６μｍ程度の膜厚で形成される。具体的には、色層１３は、ブラックマトリクス１２がパターニングされた透明基板１１上に、有機顔料を分散させたカラーレジストを塗布して、これを露光し、その後、現像、焼成プロセスを行って形成される。この色層１３の形成は、Ｒ、Ｇ、Ｂの三色についてそれぞれ行われる。色層１３は、透明基板１１上に形成された後に、研磨工程により、表面の一部が除去される。色層１３の研磨工程の後、色層１３上には、液晶層に電界を印加するための透明電極１４が形成される。その透明電極１４上には、例えばポリミイド樹脂からなる配向膜（図示せず）が形成され、カラーフィルタ基板１０は、その配向膜を介して、液晶層と接触する。配向膜表面の液晶のプレチルト角φは、例えば３度に設定される。

図２は、色層１３の研磨工程前のカラーフィルタ基板の一部を拡大して示している。なお、同図では、透明電極１４及びその上に形成される配向膜を省略して図示している。また、図示しない配向膜により、カラーフィルタ基板１０の表面に沿って、プレチルト角φで立ち上がる液晶分子を模式的に示している。ブラックマトリクス１２と色層１３とがオーバーラップする部分の幅は、例えば３μｍ程度である。

カラーフィルタ基板１０では、ブラックマトリクス１２と色層１３が重なることにより、盛り上がり部１５が生じる。同図に示すように、色層１３の研磨工程前では、盛り上がり部１５と、色層１３がブラックマトリクス１２の開口領域に形成される平坦部１６との間の段差（高さ）はＨ１であり、盛り上がり部１５の光透過領域側の傾斜領域１７の幅はＬ１であり、傾斜領域１７の傾斜角度はθ（＝ｔａｎ^-1（Ｈ１／Ｌ１））である。

図３は、図２に示す色層１３の研磨工程前のカラーフィルタ基板におけるプレチルト角φと、ディスクリネーション発生位置との関係のシミュレーション結果を示している。シミュレーションでは、傾斜領域１７の傾斜角度θが１０度であり、傾斜領域１７の幅Ｌ１が１０μｍであるときに、液晶に電界を印加してから、液晶の配向が安定状態となる時間が経過した後の液晶表示装置におけるディスクリネーション発生位置を求めた。なお、同図では、ディスクリネーション発生位置を、ブラックマトリクス１２によって遮光される遮光領域と、ブラックマトリクス１２の開口領域である光透過領域との境界、つまり、ブラックマトリクス１２のエッジを基準（０）とし、遮光領域側をマイナス、光透過領域側をプラスとして示している。

一般に、カラーフィルタ基板１０では、表面の傾斜領域においてリバースチルトが発生し、色層１３の平坦部１６での液晶の配向と、盛り上がり部１５での液晶の配向とに不連続点が生じて、ディスクリネーションが発生する。図３に示すように、図２に示す研磨工程前のカラーフィルタ基板では、プレチルト角φが３．５度程度より小さいときには、ブラックマトリクス１２のエッジよりも、光透過領域側でディスクリネーションが発生し、液晶表示装置の画素表示領域に光漏れが生じて、表示品質が低下する。

図３の例では、プレチルト角を４程度よりも大きくするとき、ディスクリネーション発生位置（液晶の配向の不連続点）が、ブラックマトリクス１２による遮光領域内となる。この場合、液晶表示装置では、実質的にディスクリネーションが観察されず、液晶表示装置の表示品質の低下が防止される。リバースチルトは、プレチルト角φの大きさと傾斜角度θの大きさの関係によって発生し、リバースチルトの発生を抑制するためには、プレチルト角φを大きく設定すればよいことが知られている。

ここで、プレチルト角φは、液晶材料と配向膜とによって決定されるが、このうち、配向膜では、使用する材用の選定や、ラビング強度を適切に設定することで、所望のプレチルト角φが得られる。しかし、高プレチルト角φを実現する配向膜は、使用できる材料が限定されるという問題や、材料に起因して信頼性が低いという問題、ラビング制御が困難でプレチルト角にばらつきが生じやすいという問題があり、プレチルト角をあまり高くできないという事情がある。

図４は、色層１３の研磨工程後のカラーフィルタ基板の一部を拡大して示している。色層１３の研磨工程では、前記の通り、機械研磨により、図２に示す、盛り上がり部１５の高さＨ１の段差を、図４に示す高さＨ２まで研磨する。このとき、傾斜領域１７の幅Ｌ１は、幅Ｌ２にまで減少する。色層１３の研磨工程では、例えば、傾斜角度θが７度であれば、傾斜領域１７の幅Ｌ２が２μｍになるまで、色層１３を研磨する。本発明者らは、研磨工程により、傾斜領域１７の幅をＬ１からＬ２に狭めることで、研磨工程前のカラーフィルタ基板では発生するディスクリネーションが、研磨工程後では発生しなくなることを、実験及びシミュレーションにより確かめた。傾斜領域１７の幅が減少することによるディスクリネーションの抑制は、以下のように説明することができる。

通常、液晶層では、カラーフィルタ基板１０との界面の液晶分子は、配向膜によって、プレチルト角φで配列され、その界面から離れた液晶分子は、界面の液晶分子の配列に沿って配列される。しかし、傾斜領域１７の幅が狭く、傾斜角度θとプレチルト角φとが所定の関係にあるときには、カラーフィルタ基板１０との界面から少し離れた位置の液晶分子は、その直下の界面の液晶分子の配列に従うよりも、周囲の液晶分子の配列に従うほうがエネルギー的に安定となる。このため、界面の液晶分子が、リバースチルトが生じる角度で配列している場合であっても、周囲の液晶分子の影響によって、リバースチルトが発生しない角度で配列されることになり、ディスクリネーションが抑制される。

従来、ディスクリネーションを抑制するためには、その表面の段差の高さを０．５μｍ以下に抑えることが必要であると考えられていた。本実施形態例では、透明電極１４を形成する前に、所定のプレチルト角φと傾斜角度θのもと、色層１３を機械研磨して、傾斜領域１７の幅を研磨前に比して狭くすることで、ディスクリネーションの発生を抑制している。このように、ディスクリネーションの抑制に関しては、段差の高さは、見かけ上のパラメータであり、ディスクリネーションは、プレチルト角φと、傾斜角度θと、傾斜領域の幅Ｌとの組み合わせによって抑制できるものであることが判明した。

図５は、プレチルト角φと傾斜角度θとの組み合わせによる、ディスクリネーション発生の有無のシミュレーション結果を示している。シミュレーションでは、傾斜領域の幅Ｌを１０μｍに設定し、プレチルト角φと傾斜角度θとを変化させて、ディスクリネーション発生の有無の境界を求めた。同図には、ディスクリネーションが、ブラックマトリクス１２のエッジ（０μｍ）で発生する場合のグラフと、エッジから５μｍだけ遮光領域側に入った位置（−５μｍ）で発生する場合のグラフとを示している。以下では、ばらつき等を考慮して、ディスクリネーション発生位置がブラックマトリクス１２のエッジから−５μｍであるときに、ディスクリネーションを安定的に抑制できるものとして説明する。

図５では、ディスクリネーション発生位置が−５μｍのグラフよりも上側に位置する傾斜角度θとプレチルト角φの組合せでは、ディスクリネーションが発生せず、下側に位置する組合せでは、ディスクリネーションが発生する。例えば、傾斜角度θが５度のとき、プレチルト角が２度であればディスクリネーションが発生し、プレチルト角が３度であればディスクリネーションは発生しない。同図に示すディスクリネーション発生位置が−５μｍのグラフを近似し、ディスクリネーションが発生しない傾斜角度θとプレチルトφとの関係を求めると、
φ≧０．２５θ＋１ （１）
が得られる。

図６は、プレチルト角φと傾斜領域幅Ｌとの組み合わせによる、ディスクリネーション発生の有無のシミュレーション結果を示している。シミュレーションでは、傾斜角度θを１０度に設定し、プレチルト角φと傾斜領域幅Ｌとを変化させて、ディスクリネーション発生の有無の境界を求めた。同図では、傾斜角度θを固定したとき、ディスクリネーションが、ブラックマトリクス１２のエッジ（０μｍ）で発生する場合のグラフと、エッジから５μｍだけ遮光領域側に入った位置（−５μｍ）で発生する場合のグラフとについて示している。

図６では、ディスクリネーション発生位置が−５μｍのグラフよりも下側に位置する傾斜領域幅Ｌとプレチルトφの組合せでは、ディスクリネーションが発生せず、上側に位置する組合せでは、ディスクリネーションが発生する。同図に示すディスクリネーション発生位置が−５μｍのグラフを近似し、ディスクリネーションが発生しない傾斜領域幅Ｌとプレチルトφとの関係を求めると、

から

が得られる（ただし（L^1/4-1.034）＞０）。

上述のように、ディスクリネーションの発生は、プレチルト角φと、傾斜角度θと、傾斜領域の幅Ｌとの組み合わせによって抑制できる。式１と式２とにおいて、不等式を等式で置き換えて、双方の式を加えると、

が得られる。式３の左辺から右辺を引き、これを判別式Ｄとすると、

となる。ディスクリネーションが発生しないプレチルト角φと、傾斜角度θと、傾斜領域の幅Ｌとの組み合わせは、式４の判別式ＤがＤ＞０の条件を満たす組み合わせである。

本実施形態例では、カラーフィルタ基板１０において、プレチルト角φと、傾斜角θと、傾斜領域の幅Ｌとが、式４を満たす関係となるように、色層１３を研磨する。例えば、プレチルト角φが３度であり、傾斜領域１７の傾斜角度θが１０度であるときには、傾斜領域幅Ｌが２．５７５μｍ以下となるように、色層１３を研磨する。このように、本実施形態例では、プレチルト角φと、傾斜領域１７の傾斜角度θとが既知であれば、その値から、研磨後の傾斜領域１７の幅Ｌを決定し、色層１３の研磨量を決定することができる。

一般に、必要以上に色層１３を研磨する場合には、平坦部１６の色層１３の一部が除去されて、液晶表示装置の表示品質が低下する。本実施形態例では、プレチルト角φに応じて、色層１３の研磨量を決定できるため、必要以上に色層１３を研磨して、液晶表示装置の表示品質を低下させることを防止できる。また、本実施形態例では、色層１３と透明電極１４との間に、オーバーコート層を必要とすることなく、ディスクリネーションの発生を抑えることができる。本実施形態例のカラーフィルタ基板１０を有する液晶表示装置では、コストを低減しつつ、表示品質の低下を防止でき、例えば２００：１のコントラスト比を実現できる。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のカラーフィルタ基板及びその製造方法は、上記実施形態例にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明のカラーフィルタ基板の断面構造を示す断面図。 色層１３の研磨工程前のカラーフィルタ基板の一部を拡大して示す断面図。 図２に示す色層１３の研磨工程前のカラーフィルタ基板におけるプレチルト角φと、ディスクリネーション発生位置との関係のシミュレーション結果を示すグラフ。 色層１３の研磨工程後のカラーフィルタ基板の一部を拡大して示す断面図。 プレチルト角φと傾斜角度θとの組み合わせによる、ディスクリネーション発生の有無のシミュレーション結果を示すグラフ。 プレチルト角φと傾斜領域幅Ｌとの組み合わせによる、ディスクリネーション発生の有無のシミュレーション結果を示すグラフ。 従来のカラーフィルタ基板の断面構造を示す断面図。

符号の説明

１０：カラーフィルタ基板
１１：透明基板
１２：ブラックマトリクス
１３：色層
１４：透明電極
１５：盛り上がり部
１６：平坦部
１７：傾斜領域

Claims (6)

1. 透明基板上に形成された格子状のパターンを有する樹脂製の遮光層と、該遮光層の各格子の内部に露出する透明基板上及び前記遮光層の各格子の縁部上に塗布形成された色層と、該色層上に形成された配向膜とを備え、ねじれネマチック形液晶と共に使用するカラーフィルタ基板において、
   前記色層は、前記各格子の縁部上に形成された盛り上がり部の一部が研磨された表面を有し、
   前記盛り上がり部の前記格子の内部から立ち上がる傾斜領域の前記透明基板に対する傾斜角度θと、前記傾斜領域の幅Ｌと、前記配向膜に接する液晶のプレチルト角φとの関係が、
   

   

   を満たすことを特徴とするカラーフィルタ基板。
2. 前記傾斜領域の幅Ｌが２．５μｍ以下である、請求項１に記載のカラーフィルタ基板。
3. 前記傾斜角度θが５度から１０度の範囲である、請求項１又は２に記載のカラーフィルタ基板。
4. 請求項１〜３の何れか一に記載のカラーフィルタを備え、液晶の駆動電圧が３〜５ボルトの範囲にあることを特徴とする液晶表示装置。
5. コントラスト比が２００：１以上である、請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 透明基板上に格子状のパターンを有する樹脂製の遮光層を形成する工程と、該遮光層に形成された各格子内に露出する透明基板上及び前記遮光層の前記各格子の縁部上に色層を形成する工程と、前記遮光層の各格子の縁部に形成された色層の盛り上がり部の一部表面を研磨する工程と、前記色層上に配向膜を形成する工程とを備え、
   前記研磨工程は、前記盛り上がり部の前記格子の内部から立ち上がる傾斜領域の前記透明基板に対する傾斜角度θと、前記傾斜領域の幅Ｌと、前記配向膜に接する液晶のプレチルト角φとの関係が、
   

   

   を満たすように行われることを特徴とするカラーフィルタの製造方法。

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