JP2009098499A - カラーフィルタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透過型表示装置と同等の色再現範囲を有し、光漏れがなく高コントラストな半透過型液晶表示装置を実現するカラーフィルタを提供する。
【解決手段】カラーフィルタ１は、透明な基板９上に、着色層７、保護層５、マルチギャップ層３を順に積層してなる。液晶表示装置で、反射領域となる第２領域では、透過領域となる第１領域よりも、着色層７の厚さを薄くし、液晶セルの間隔を狭めるマルチギャップ層３を設ける。着色層７をマルチギャップ層３より先に形成することで、着色層７は端部を有さず、液晶分子と接するマルチギャップ層３にのみ端部８を有し、非表示領域が小さい。そのため、カラーフィルタ１を用いる液晶表示装置は、高コントラストな半透過型液晶表示装置となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に適するカラーフィルタ等に関するものである。

屋外での視認性を実現するために、半透過型液晶表示装置が用いられている。半透過型液晶表示装置は、１画素中に、透過領域と反射領域を有するものである（例えば、特許文献１参照）。

図６を用いて、半透過型液晶表示装置の従来例を説明する。図６は、従来の半透過型の液晶表示装置１００の断面の、電子回路やＴＦＴ等の素子を省略した模式図である。液晶表示装置１００は、主にカラーフィルタ１０１と、液晶セル１０８、基板１１３とバックライトユニット１１５が順に設けられて形成されている。

カラーフィルタ１０１は、透明な基板１０２に、断面台形状のマルチギャップ層１０３と、その上にコーティングされ、画素に対応してパターニングされた着色層１０７が設けられている。更にその上には、透明電極１０６を設けている。着色層１０７と別の色の着色層１０７の間には、ブラックマトリクス１０５を設け、コントラストを向上させている。透明な基板１１３には、透明電極１０９が画素に対応して設けられ、透明電極１０９の一部分には反射電極１１１が設けられている。透明電極１０６と透明電極１０９および反射電極１１１の間に電圧を印加することで、液晶セル１０８に電圧を印加し、液晶分子１１７の配向を制御する。また、基板１１３の後ろ側には、バックライトユニット１１５が設けられている。バックライトユニット１１５と基板１１３の間には偏光板１１４が設けられ、基板１０２には、偏光板１１２が設けられている。

液晶表示装置１００は、反射電極１１１を有する反射領域と、反射電極１１１を有しない透過領域からなる。透過領域では、バックライトユニット１１５から発生した光は、偏光板１１４、基板１１３、透明電極１０９、液晶セル１０８、透明電極１０６、着色層１０７、基板１０２、偏光板１１２を通り、液晶表示装置１００の外部に到達する。また、反射領域では、液晶表示装置１００の外部から入射した光が、偏光板１１２、基板１０２、マルチギャップ層１０３、着色層１０７、透明電極１０６、液晶セル１０８を通過し、反射電極１１１で反射し、更に再び、液晶セル１０８、透明電極１０６、着色層１０７、マルチギャップ層１０３、基板１０２、偏光板１１２を通り、液晶表示装置１００の外部に到達する。

このように、１画素中に反射領域と透過領域を設けることで、明るい屋外では反射領域による表示を、屋内では透過領域による表示を観察することができ、半透過型液晶表示装置は、屋外でも屋内でも使用することができる。

反射領域においては、光は、着色層１０７と液晶セル１０８を２回通過する。そのため、反射領域に相当する部分の着色層１０７と液晶セル１０８の厚みを、透過領域におけるそれらより薄くすることで、反射領域における色再現範囲を透過型と同等にしている。特に、液晶セル１０８は、透過領域の半分の厚さである（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００４−１０２２４３号公報 藤森孝一、外２名、「高透過アドバンストＴＦＴ−ＬＣＤ技術」、シャープ技報、シャープ株式会社、２００３年４月、通巻第８５号、p.３４―３７

しかしながら、図６に示す液晶表示装置１００においては、液晶セル１０８内の液晶分子１１７の配向は、着色層１０７および透明電極１０６の形状に大きく影響を受ける。なお、透明電極１０６は、実際には着色層１０７の１０分の１から５分の１程度の厚さで、着色層１０７と同様の表面形状を持つため、図７、図８においては図示しない。図７（ａ）に示すように、着色層１０７ａと着色層１０７ｂの境目には、着色層間段差１１６が存在し、着色層間段差１１６における液晶分子１１７の配向は、平坦部における配向とは異なってしまう。そのため、着色層間段差１１６において光漏れが生じ、液晶表示装置１００のコントラストが低下してしまう。

図７（ｂ）に示すように、着色層間段差１１６における液晶配向の乱れを防ぐために、着色層１０７ａ、１０７ｂの上に保護層１１９を形成する。平坦な保護層１１９が液晶分子１１７に接することで、液晶分子１１７の配向に乱れは生じない。

また、図８に示すように、カラーフィルタ１０１の透過領域と反射領域の間には、端部１１８、１２０が存在する。端部１１８、１２０を透過する光は,平坦部とは異なる方向へ屈折される。そのため、端部１１８、１２０の領域は、透過および反射のどちらの表示にも寄与せず、非表示領域と呼ばれる。また、着色層１０７と接する液晶分子１１７は、着色層１０７の平坦部上の液晶分子１１７−１と、着色層１０７の端部１２０上の液晶分子１１７−２では、配向が異なる。そのため、非表示領域では液晶分子１１７−２により光漏れが生じ、液晶表示装置１００のコントラストが低下してしまう。

以上のとおり、着色層間段差および、非表示領域によってコントラストの低下が引き起こされる。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは光漏れのない高コントラストな液晶表示装置を実現するカラーフィルタを提供することである。

前述した目的を達成するために、第１の発明は光透過性の基板と、第１領域と、前記第１領域より膜厚が薄い第２領域とを有し、前記基板の上に形成された、特定の色の光を透過する着色層と、前記着色層上に形成された保護層と、前記保護層上の、前記着色層の第２領域に対応する箇所に形成された、マルチギャップ層と、を有することを特徴とするカラーフィルタである。

第２の発明は、光透過性の基板上に、第１領域と、前記第１領域より膜厚が薄い第２領域とを有する着色層を形成する工程（ａ）と、前記着色層上に保護層を形成する工程（ｂ）と、前記保護層上の、前記着色層の第２領域に対応する箇所にマルチギャップ層を形成する工程（ｃ）と、を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

第３の発明は、光透過性の基板上に、第１領域と、前記第１領域より膜厚が薄い第２領域とを有する着色層を形成する工程（ｄ）と、前記着色層の第１領域上に保護層を、前記着色層の第２領域上にマルチギャップ層を、形成する工程（ｅ）と、を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。
また、前記工程（ｅ）において、基板上に半透明膜と遮光膜、もしくはスリット部および／またはドット状の孔を有する遮光膜を有するマスクを用いることが好ましい。

本発明により、光漏れのない、高コントラストな液晶表示装置を実現するカラーフィルタを提供可能である。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

第１の実施形態に係るカラーフィルタ１について説明する。
図１は、カラーフィルタ１を示す図であり、図２はカラーフィルタ１とそれに接する液晶分子６を示す図である。基板９の上に着色層７が形成され、更にその上に保護層５が形成されている。保護層５の上に、マルチギャップ層３が形成されており、マルチギャップ層３は、着色層７の第２領域上に形成されている。また、液晶分子６は、マルチギャップ層３および保護層５に接する。

着色層７は、第１領域と、第１領域より膜厚の薄い第２領域を有しており、第１領域は主に透過領域に、第２領域は主に反射領域に対応する。透過領域においては、光は着色層７を１回のみ通過するが、反射領域においては、光は着色層７を２回通過する。このとき、反射領域と透過領域において、表示される色が変わらないように、第２領域の膜厚を薄くし、色の濃さを薄くしている。

基板９は、一般にカラーフィルタに用いられる基板を使用することができる。例えば、ホウ珪酸ガラス、アルミノホウ珪酸ガラス、無アルカリガラス、石英ガラス、合成石英ガラス、ソーダライムガラス、ホワイトサファイアなどの可撓性のない透明なリジット材、あるいは、透明樹脂フィルム、光学用樹脂フィルムなどの可撓性を有する透明なフレキシブル材を用いることができる。前記フレキシブル材としては、ポリメチルメタクリレート等のアクリル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース、シンジオタクティック・ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂、ポリエーテルニトリル、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリシクロヘキセン、ポリノルボルネン系樹脂、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド等からなるものを挙げることができるが、一般的なプラスチックからなるものも使用可能である。特に、無アルカリガラスは、熱膨脹率の小さい素材であり、寸法安定性および高温加熱処理における特性に優れている。

着色層７は、カラーフィルタに用いられる着色層であり、顔料を含んだ感光性樹脂組成物である。感光性樹脂としては、ポジ型およびネガ型のいずれも用いることができる。ポジ型レジスト材料としては特に限定されるものではなく、例えばノボラック樹脂をベース樹脂とした化学増幅型レジスト等が挙げられる。また、ネガ型レジスト材料としては特に限定されるものではなく、例えば架橋型樹脂をベースとした化学増幅型レジストやアクリル系樹脂をベースとした光硬化型レジスト、具体的にはポリビニルフェノールに架橋剤を加え、さらに酸発生剤を加えた化学増幅型レジストやアクリル系共重合樹脂、多官能アクリレートモノマーおよび光重合開始剤を含有する紫外線硬化型レジスト等が挙げられる。本実施の形態においては、ネガ型感光性樹脂を用いた場合を説明する。

特に、感光性樹脂として、メタクリル酸メチル−スチレン−アクリル酸共重合体を３２重量部、エポキシ樹脂を１８重量部、ジペンタエリスリトールペンタアクリレートを４２重量部、イルカギュア９０７(チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)を８重量部、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを３００重量部混合した組成物を用いることが好ましい。

保護層５は、感光性樹脂よりなり、着色層７を構成する感光性樹脂と同様のものが使われる。保護層５は、オーバーコート層とも呼ばれ、赤色、緑色、青色の各着色層間段差による液晶分子の配向の乱れを防止する。

マルチギャップ層３は、感光性樹脂からなり、着色層７を構成する感光性樹脂と同様のものが使われる。マルチギャップ層３により、透過領域と反射領域の、液晶セルを通過する光の経路を等しくし、位相差値を一定にすることができる。

図２に示すように、マルチギャップ層３と保護層５が液晶分子６に接する。保護層５上と、マルチギャップ層３の頂部の平坦部の上では、液晶分子６−１の配向は乱されないが、端部８の上においては、端部８の影響を受け、液晶分子６−２の配向は乱され、液晶分子６−１と液晶分子６−２の配向は異なる。

第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１の製造方法を説明する。図３は、カラーフィルタ１の製造工程を示す図である。

まず、図３（ａ）に示すように、基板９の上に、着色層７を形成する。着色層７の形成は、顔料を含む感光性樹脂を塗布することにより行われる。感光性樹脂の塗布方法としては、例えばスピンコート法、キャスティング法、ディッピング法、バーコート法、ブレードコート法、ロールコート法、グラビアコート法、フレキソ印刷法、スプレーコート法、ダイコート法等を挙げられる。

次に、図３（ａ）に示すように、透明部１３と半透明部１５を有するマスク１１を用いて露光する。透明部１３は、光１７を通し、半透明部１５においては光１７の強度を減らして透過させる。そのため、図３（ｂ）に示すように、着色層７に、ネガ型感光性樹脂を用いることで、露光量が多い透明部１３に対応する部分に厚い第１領域が、露光量の少ない半透明部１５に対応する部分に薄い第２領域が形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、着色層７の全体の上に、保護層５を形成し、露光や加熱などを行うことで、保護層５の樹脂の重合を進め、硬化させる。次の工程で保護層５が溶解しないようにするためである。更に、図３（ｄ）に示すように、保護層５の上に透明樹脂層２７を成膜する。
保護層５と透明樹脂層２７は、着色層７の形成と同様の方法で形成される。

次に、図３（ｄ）に示すように、マスク２１を用いて、透明樹脂層２７に露光し、パターニングを行う。透明樹脂層２７に、ネガ型感光性樹脂を用いることで、図３（ｅ）に示すように、透明部２５に対応する場所では、樹脂の重合が進み、マルチギャップ層３が形成され、遮光部２３に対応する場所では、樹脂の重合が進まないため、現像の際に、樹脂が溶け出し、何も残らない。よって、保護層５の上に、マルチギャップ層３が形成され、カラーフィルタ１が形成される。

第１の実施の形態によれば、図２に示すカラーフィルタ１は、図８に示したカラーフィルタ１０１に比べて、非表示領域が小さい。カラーフィルタ１０１において、着色層１０７はマルチギャップ層１０３の上に形成されており、液晶分子１１７が接触する着色層１０７の端部１２０は、塗布工程の特徴からマルチギャップ層１０３の端部１１８に比べて大きくなる。一方、第１の実施の形態によれば、着色層７を形成した後にマルチギャップ層３を形成するので、液晶分子６が接触する部分のマルチギャップ層３の端部８は、着色層１０７の端部１１８および１２０を合わせた領域より少ない。そのため、カラーフィルタ１は、カラーフィルタ１０１に比べて非表示領域が小さくなる。

また、第１の実施の形態によれば、カラーフィルタ１は、保護層５を有するため、図７に示した従来例のような着色層間段差はなく、液晶の配向の乱れは起きない。

また、第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１は、従来例におけるカラーフィルタ１０１と同様に、反射領域において、マルチギャップ層３を持ち、着色層７の膜厚が透過領域における着色層７よりも薄いため、高い色再現性を有する液晶表示装置を実現可能である。

次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係るカラーフィルタ２の製造工程を示す図である。図４（ｄ）と図１を比べたとおり、カラーフィルタ１とカラーフィルタ２は、異なる製造工程により製造された、同じ構造を持つカラーフィルタである。以下の実施形態で第１の実施形態に係るカラーフィルタ１と同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）と同じ工程により、基板９の上に着色層７が形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、透明樹脂層３４を形成する。透明樹脂層３４は、透明樹脂層２７よりも保護層５に相当する分だけ厚い。透明樹脂層３４は、透明樹脂層２７と同様の方法で形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、透明部３１と半透明部３３を有するマスク２９を用いて、透明樹脂層３４を感光する。透明樹脂層３４は、露光量に応じて、重合し、露光がより多く行われた場所はより厚く、露光がより少なく行われた場所はより薄くなり、透明樹脂層３４を現像すると、図４（ｄ）に示すように、保護層４５とマルチギャップ層４３を形成する。

図４（ｃ）において用いられる、マスク２９は、透明部３１と半透明部３３を有するマスクであればよく、図５（ａ）と図５（ｂ）に示すマスク３６、マスク４０を用いることができる。

また、マスク１１は、基板３５上に半透明膜３７と遮光膜３９を有するマスクを用いることができ、マスク２１は、基板３５上に遮光膜３９を有するマスクを用いることができる。

図５（ａ）は、マスク３６を示す図である。マスク３６は、透明な基板３５の上に半透明膜３７と遮光膜３９を有する。基板３５上に何の膜も有さない箇所が透明部に、基板３５上に半透明膜３７のみを有する箇所が半透明部に、基板３５上に遮光膜３９を有する箇所が遮光部となる。

基板３５に用いられる透明基板は、基板９に用いられる基板を用いることができる。

遮光膜３９は、実質的に露光光を透過しないものであり、露光波長における平均透過率が０．１％以下であることが好ましい。このような遮光膜としては、一般にフォトマスクに用いられる遮光膜を用いることができ、例えばクロム、酸化クロム、窒化クロム、酸化窒化クロム、モリブデンシリサイド、タンタル、アルミニウム、ケイ素、酸化ケイ素、酸化窒化ケイ素などの膜が挙げられる。中でも、クロム、酸化クロム、窒化クロム、酸化窒化クロム等のクロム系膜が好適に用いられる。このようなクロム系膜は、最も使用実績があり、コスト、品質の点で好ましいからである。このクロム系膜は、単層であってもよく、２層以上が積層されたものであってもよい。

遮光膜３９の膜厚としては、特に限定されるものではなく、例えばクロム膜の場合には５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とすることができる。

遮光膜３９の成膜方法としては、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法などの物理蒸着法（ＰＶＤ）が用いられる。

半透明膜３７は、特に限定されるものではなく、例えばクロム、モリブデンシリサイド、タンタル、アルミニウム、ケイ素等の酸化物、窒化物、炭化物などの膜が挙げられる。半透明膜３７および遮光膜３９を同一エッチング設備、工程でパターニングし得るという利点から、半透明膜は遮光膜と同系の材料からなる膜であることが好ましい。前述するように遮光膜３９がクロム系膜であることが好ましいことから、半透明膜３７も、酸化クロム、窒化クロム、酸化窒化クロム、酸化窒化炭化クロムなどのクロム系膜であることが好ましい。また、これらのクロム系膜は、機械的強度に優れており、さらには退光性がなく安定しているため、長時間の使用に耐えうるマスクとすることができる。

特に、半透明膜３７は酸化窒化炭化クロム（Ｃｒ_ｘＯ_ｙＮ_ｚＣ_ｗ）膜であることが好ましい。この場合、ｗは＜０．０１、ＣｒとＯとＮとの元素比率はＣｒ：３０〜６０％、Ｏ：３０〜７０％、Ｎ：０〜４０％であることが好ましく、中でもＣｒ：３５〜４５％、Ｏ：４０〜６０％、Ｎ：２〜２０％であることが好ましい。

また、半透明膜３７は、単層であってもよく、複数の層で構成されていてもよい。これにより、複数の透過率を有する多階調のマスクとすることができる。

半透明膜３７の膜厚としては、例えばクロム膜の場合は５〜５０ｎｍ程度とすることができ、また酸化クロム膜の場合は５ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とすることができる。半透明膜３７の透過率はその膜厚により変わるので、膜厚を制御することで所望の透過率とすることができる。また、半透明膜３７が酸素、窒素、炭素などを含む場合は、その透過率は組成により変わるので、膜厚と組成とを同時にコントロールすることで所望の透過率を実現できる。

半透明膜３７の成膜方法としては、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法などの物理蒸着法（ＰＶＤ）が用いられる。例えばスパッタリング法を用いて酸化窒化炭化クロム膜を成膜する場合は、Ａｒガス等のキャリアガス、酸素（炭酸）ガス、窒素ガスを反応装置内に導入し、Ｃｒターゲットを用いた反応性スパッタリング法にて酸化窒化炭化クロム膜を成膜することができる。この際、酸化窒化炭化クロム膜の組成の制御は、Ａｒガス、酸素（炭酸）ガス、窒素ガスの流量の割合を制御することにより行うことができる。

図５（ｂ）は、マスク４０を示す図である。マスク４０は、透明な基板３５の上に遮光膜３９を有し、遮光膜３９の一部は、スリット部４１となっている。基板３５上に何の膜も有さない箇所が透明部に、基板３５上に、遮光膜３９を有し、スリット部４１が設けられた部分が半透明部に、スリット部４１が設けられていない部分が遮光部となる。

スリット部４１には、露光機の解像限界以下の太さのスリットが設けられている。このスリットは、解像限界以下のサイズであるため、それ自身は感光性樹脂層上に結像せずに、周囲の非開口部領域も含めたエリアに、サイズに応じた露光光を透過する。このため、マスク４０は、スリット部に、あたかも半透明膜があるかのように機能する。また、スリットの数や太さを変えることで、スリット部４１での透過率を変化させることができる。また、スリットではなく、ドット状の孔を設けてもよい。

第２の実施の形態におけるカラーフィルタ２は、液晶表示装置のカラーフィルタとして、カラーフィルタ１と同様の効果を有する。

また、第２の実施の形態において、カラーフィルタ２は、マルチギャップ層４３と保護層４５を同時に形成できるため、第１の実施の形態に比べて、製造工程を少なくできる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係るカラーフィルタの好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１を示す図。 第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１と液晶分子６を示す図。 第１の実施の形態に係るカラーフィルタ１の製造工程を示す図。 第２の実施の形態に係るカラーフィルタ２の製造工程を示す図。 半透明部を有するマスク３６,４０を示す図。 従来例に係る液晶表示装置１００を示す図。 従来例に係る着色層間段差１１６を示す図。 従来例に係るカラーフィルタ１０１と液晶分子１１７を示す図。

符号の説明

１、２………カラーフィルタ
３………マルチギャップ層
５………保護層
６………液晶分子
７………着色層
８………端部
９………基板
１１………マスク
１３………透明部
１５………半透明部
１７………光
２１………マスク
２３………遮光部
２５………透明部
２７………透明樹脂層
２９………マスク
３１………透明部
３３………半透明部
３４………透明樹脂層
３５………基板
３６………マスク
３７………半透明膜
３９………遮光膜
４０………マスク
４１………スリット部
４３………マルチギャップ層
４５………保護層
１００………液晶表示装置
１０１………カラーフィルタ
１０２………基板
１０３………マルチギャップ層
１０５………ブラックマトリクス
１０６………透明電極
１０７………着色層
１０８………液晶セル
１０９………透明電極
１１１………反射電極
１１２………偏光板
１１３………基板
１１４………偏光板
１１５………バックライトユニット
１１６………着色層間段差
１１７………液晶分子
１１８………端部
１１９………保護層
１２０………端部

Claims (4)

1. 光透過性の基板と、
   第１領域と、前記第１領域より膜厚が薄い第２領域とを有し、前記基板の上に形成された、特定の色の光を透過する着色層と、
   前記着色層上に形成された保護層と、
   前記保護層上の、前記着色層の第２領域に対応する箇所に形成された、マルチギャップ層と、
   を有することを特徴とするカラーフィルタ。
2. 光透過性の基板上に、第１領域と、前記第１領域より膜厚が薄い第２領域とを有する着色層を形成する工程（ａ）と、
   前記着色層上に保護層を形成する工程（ｂ）と、
   前記保護層上の、前記着色層の第２領域に対応する箇所にマルチギャップ層を形成する工程（ｃ）と、
   を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
3. 光透過性の基板上に、第１領域と、前記第１領域より膜厚が薄い第２領域とを有する着色層を形成する工程（ｄ）と、
   前記着色層の第１領域上に保護層を、前記着色層の第２領域上にマルチギャップ層を、形成する工程（ｅ）と、
   を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
4. 前記工程（ｅ）において、
   基板上に半透明膜と遮光膜とを有するマスクまたは、
   基板上に、スリット部および／またはドット状の孔を有する遮光膜を有するマスクを
   用いることを特徴とする請求項３記載のカラーフィルタの製造方法。

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