JP2009265483A - カラーフィルタ及びそれを備えた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶の垂直配向を利用したＶＡ方式において、マルチドメイン配向を実施して視野角の広い液晶表示装置を実現する手段として、画素色層を形成した領域内の透明電極にスリット等の開口部を設けるタイプを採用する場合に、画素色層を覆うオーバーコート層を不要とするカラーフィルタ及びそれを備えた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置に用いるカラーフィルタにおいて、液晶の配向規制手段として画素色層を形成した領域内で透明電極に開口部を設けており、その開口部の画素色層の内、少なくとも１色の画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いていることを特徴とするカラーフィルタを用いる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置（ＬＣＤ）用のカラーフィルタに関するものであり、特に液晶の垂直配向を透明電極のスリット等の開口部を有する構造により規制する方式のＬＣＤを形成するためのカラーフィルタに関する。

近年、平面型ディスプレイ装置が多く使われるようになってきており、中でもＬＣＤ（液晶表示装置）は、特にカラーフィルタによって色表示を行う多色カラータイプがテレビ、モニタ、携帯端末等の表示パネルに利用が進んでいる。多色カラー化のために一般にマイクロセル構造のカラーフィルタが多用され、カラーフィルタは液晶表示パネルの表示品質を決める重要な役割を担っている。カラーフィルタはガラス板やプラスチック板などの透明基板上に所定の色の画素色層を形成している。また、液晶の配向を制御するために、画素色層上に酸化インジウムや酸化亜鉛などからなる透明電極を形成している。

一方、ＬＣＤの応用分野が広がるにつれて、その視野角の狭さが問題となり、種々の改良提案がなされてきた。中でもＶＡ（Vertical Alignment）方式とＩＰＳ（In-Plane Switching）方式の２方式は、大型の高品位テレビ用途に利用が進んでいる。

ＶＡ方式は、初期状態の液晶の垂直配向を基本にしており、誘電率異方性が負のネマチック液晶が使われる。電圧印加により、液晶分子が立った状態から寝た状態に変化し、偏光板との組み合わせで、暗から明に透過率が変化する。電圧無印加の初期状態に黒表示となるＶＡ方式は一般的により黒い色が出せるため、コントラストが高く、通常のＴＮ（Twisted Nematic）方式より応答速度も速い。

ＶＡ方式で視野角を改善する手段として、一つの画素中で液晶分子の配向状態を変える分割配向を行うように複数のドメインを形成するマルチドメイン配向が一般的であるが、これは温度変化や中間調表示に対しても均一性を維持する方法として適している。

マルチドメイン配向を実現する手段としては、カラーフィルタに形成した、液晶分子の配向を制御する電極に突起部を形成したり、スリット等の開口部を設けたりする方法がある。（特許文献１参照）この場合、初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置は、マルチドメイン配向させるためのきっかけを与える部位を透明電極上に形成することになる。すなわち、突起部を有するタイプでは、突起部の傾斜面が液晶分子の傾きに影響を与え、スリット等の開口部を設けるタイプでは、透明電極の開口部エッヂ付近で基板表面に対して斜め方向の電界が発生し、この電界の傾きが液晶分子の傾きに影響を与える。従って、それらの突起部やスリット等の開口部の平面デザインを画素上にどのように設計するかにより、マルチドメイン配向の状態が決められる。

上記のマルチドメイン配向を実現する手段として、スリット等の開口部を画素領域内の透明電極に設ける場合は、開口部の画素色層が透明電極の被覆なしに液晶垂直配向膜の薄い層を通して液晶層と近接することになり、画素色層を構成する色材からの電気的な特性の影響を液晶層が直接受けてしまい、液晶の配向乱れや液晶表示装置としての駆動の閾値のズレによる焼き付き現象等の表示不良が生じる。

色材の電気特性は主として着色剤である顔料の性質によるものであり、カラーフィルタとしての色特性を初めとする要求特性と両立させることが困難である場合が多い。このため、スリット等の開口部を透明電極に設けるタイプのＶＡ方式のマルチドメイン配向を実
施する場合には、液晶に影響を与えることのない電気特性を有する透明樹脂材料からなる保護層（オーバーコート層）を画素色層の上に設けることが必要であった。
特開平１１−２４２２２５号公報

液晶の垂直配向を利用したＶＡ方式において、マルチドメイン配向を実施して視野角の広い液晶表示装置を実現する手段として、上述の２方法が代表的である。突起部を有するタイプでは、電気絶縁性の樹脂から成る突起物を高さやテーパー部の形状を制御して透明電極上に形成する必要があり、製造工程が繁雑になる。また、画素領域内の透明電極にスリット等の開口部を設けるタイプでは、突起部を有するタイプと較べて、カラーフィルタの高開口率化、従って液晶表示装置としての明るさの向上を図る上で、特に画素サイズが小さくなる場合の微細化対応において有利であるとされる。しかし、画素色層を構成する色材からの電気的な特性の影響を遮るために、オーバーコート層を画素色層を覆うように形成しておく必要があり、その分だけ製造工程が長くなるばかりでなく、オーバーコート層の品質の均一性、異物混入の無いように、無欠陥性に格別の注意を要するため、製造歩留まり上も問題が残る。

本発明が解決しようとする課題は、液晶の垂直配向を利用したＶＡ方式において、マルチドメイン配向を実施して視野角の広い液晶表示装置を実現する手段として、画素色層を形成した領域内の透明電極にスリット等の開口部を設けるタイプを採用する場合に、画素色層を覆うオーバーコート層を不要とするカラーフィルタ及びそれを備えた液晶表示装置を提供することである。

請求項１記載の発明は、透明基板上に複数色の画素色層と透明電極とが積層された、初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置に用いるカラーフィルタにおいて、液晶の配向規制手段として画素色層を形成した領域内で透明電極に開口部を設けており、その開口部の画素色層の内、少なくとも１色の画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いていることを特徴とするカラーフィルタである。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のカラーフィルタにおいて、全ての画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いていることを特徴とするカラーフィルタである。

請求項３記載の発明は、請求項１に記載のカラーフィルタにおいて、刳り貫かれない他の画素色層の色材もしくは透明樹脂を用いて、刳り貫き部位を埋め込んでいることを特徴とするカラーフィルタである。

請求項４記載の発明は、請求項１または３に記載のカラーフィルタにおいて、透明電極の開口部に合わせて刳り貫かれる画素色層の色材が、刳り貫かれない他の画素色層の色材、または埋め込みに用いられる透明樹脂より高い誘電正接を有していることを特徴とするカラーフィルタである。

請求項５記載の発明は、画素色層が緑、赤、青色の層からなり、刳り貫かれる画素色層の色材が緑であり、埋め込まれる材料が赤または青の画素色層の色材、もしくは、透明樹脂であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載のカラーフィルタである。

請求項６記載の発明は、請求項２に記載のカラーフィルタにおいて、全ての画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いた後、刳り貫いた画素色層の色材の最大の誘電正接より低い誘電正接を有する材料を用いて刳り貫き部位を埋め込んでいることを特徴とする
カラーフィルタである。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載のカラーフィルタを備えることを特徴とする初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置である。

請求項１に記載した発明によれば、液晶の垂直配向を利用したＶＡ方式において、マルチドメイン配向を実施して視野角の広い液晶表示装置を実現する手段として、画素色層を形成した領域（画素領域）内の透明電極にスリット等の開口部を設けるタイプを採用する場合に、平面視では開口部の下に画素色層が無いことになる。従来は平面視で開口部より露出していた画素色層を覆うためのオーバーコート層を不要とするカラーフィルタを提供することができる。従って、オーバーコート層形成に伴う工程負荷や品質保証面の負荷も軽減される。また、突起部を有するタイプと較べて、カラーフィルタの高開口率化、従って液晶表示装置としての明るさの向上を図る上で、特に画素サイズが小さくなる場合の微細化対応において有利となる。

また、請求項２に記載した発明によれば、請求項１に記載した発明による効果を同様に期待できる上、画素色層の全色にわたって透明電極の開口部に画素色層を残さないので、マルチドメイン配向の色間の特性を同等とすることができ、液晶表示装置の表示品位をさらに高めることに寄与するカラーフィルタを提供することができる。

また、請求項３に記載した発明によれば、画素領域内の透明電極の開口部に合わせた画素色層の刳り貫き部位を、他の物質で埋め込むので、画素色層の連なる面を平坦にすることができ、透明電極、垂直配向膜も含めたカラーフィルタの表面をほぼ平坦にかつ均一に形成できるので、液晶表示装置とするための液晶セルの構造を望ましい形状にできる。

また、請求項４に記載した発明によれば、画素領域内の透明電極の開口部に露出する画素色層の内、特に誘電正接の高い材料を優先的に刳り貫き、または刳り貫いた後に誘電正接の低い材料で埋め込むので、画素色層の色材からの電気的な特性の悪影響を回避できる。その結果、液晶表示装置としてマルチドメイン配向のＶＡ方式を実現する上で、液晶の配向乱れや液晶表示装置の駆動の閾値のズレによる焼き付き現象等の表示不良を生じ難くすることに寄与するカラーフィルタを提供することができる。

また、請求項５に記載した発明によれば、一般的に赤、緑、青の３色で構成されるカラーフィルタの画素色層の内、緑の色層を作る色材が最も誘電正接が高く、画素領域内の透明電極の開口部に露出すると、上記の表示不良を引き起こし易いので、緑の露出を特に避けることにより、表示不良のない液晶表示装置の製作に寄与するカラーフィルタを提供することができる。

また、請求項６に記載した発明によれば、マルチドメイン配向の色間の特性を同等とすることができ、カラーフィルタの表面をほぼ平坦に形成できる上に、表示不良を生じ難くすることに寄与するカラーフィルタを提供することができる。

また、請求項７に記載した発明によれば、液晶の垂直配向を利用したＶＡ方式において、マルチドメイン配向を実施して視野角の広い液晶表示装置を実現する手段として、画素領域内の透明電極にスリット等の開口部を設けるタイプを採用する場合に、画素色層を覆うオーバーコート層を不要とするカラーフィルタを備えた液晶表示装置を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面に従って説明する。

図１は従来のマルチドメイン配向規制の一例を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。カラーフィルタは、ガラス等の透明基板１上に顔料分散方式等の一般的な手段で画素色層２が形成され、透明樹脂材料のオーバーコート層３を介してＩＴＯで代表される透明導電膜で共通電極４が形成されている。一般にスパッタ法で膜付けされる透明導電膜をフォトエッチングの手法でスリット等の開口部１４を形成し、数μｍ幅の微細な開口部も可能である。粗い共通電極パターンを形成する場合は、フォトエッチング工程を不要とするマスクスパッタ法で直接形成することも可能であるが、本方式のように開口部を精密に形成する際は、フォトエッチング法を一般的に用いる。

上述のカラーフィルタにＴＦＴ基板９を対向させる場合は、詳細な構造は図示していないが、カラーフィルタの画素領域と対向するＴＦＴ基板９の面を画素電極８が覆い、液晶セル化の工程で上記２枚の対向する基板同士のセル内側にあたる部分に配向膜が形成される。マルチドメイン配向規制の例では垂直配向膜５をフレキソ印刷やインクジェットの手法で塗布する。垂直配向膜５は、ベースとなるポリイミド樹脂にアルキル基やフッ素含有基のような疎水構造を導入することにより、９０°のプレチルト角を達成できる。２枚の基板間に誘電率異方性が負のネマチック液晶を注入し封止する。液晶の注入は従来からの真空注入法以外にも、滴下注入タイプのＯＤＦ（One Drop Fill）法も可能である。図では液晶分子６の集合状態を模式的に示す。

液晶の垂直配向を利用したＶＡ（Vertical Alignment）方式において、マルチドメイン配向を実施して視野角の広い液晶表示装置を実現する手段として、カラーフィルタ側の画素色層を形成した領域（画素領域）内の共通電極４として機能する透明電極にスリット等の開口部１４を形成しておくことが本方式の特徴である。液晶表示装置において、上記の共通電極４と前記ＴＦＴ基板９側の画素電極８との２つの電極間に電圧を印加することにより、初期状態で垂直配向をしている液晶分子６の集合体で表される液晶層が、電圧の上昇と共に傾きを大きくしていく。傾きの初めにおける液晶分子６の倒れる向きには液晶セル内の電気力線７のエッヂ部での傾きが影響する。従って、スリット等の開口部の両エッヂ近辺上方において、電圧印加により液晶分子が倒れる向き１０は開口部の左右で逆になる。

なお、垂直配向膜５は共通電極４の開口部の底にも形成されているが、この部分では液晶の配向状態を変化させるための電極が欠けているため有効な表示部とはならないので、垂直配向膜５が無い状態でも良い。電圧駆動による有効画素上の液晶分子の動きを高速で行うためには、むしろ共通電極４の開口部の底には垂直配向膜５が無い状態の方が良い場合もある。

図１において、オーバーコート層３を必要とする理由を図２により説明する。図２はオーバーコート層３を有しないカラーフィルタを用いた例で、従来のマルチドメイン配向規制における不具合を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。画素色層２を形成する色材は顔料と樹脂を少なくとも含むが、構成材料の電気的特性により、中でも誘電正接（tanδ）が大きい緑の顔料を含む場合は、共通電極４の開口部のエッヂ部における電気力線７の傾きが小さくなり、マルチドメイン配向規制が乱れる。また、垂直配向膜５の膜厚は高だか数ｎｍ〜数十ｎｍと薄いため、画素色層２から流出するイオン性不純物による液晶への化学的汚染の影響も皆無にはできない。これらの要因により、画素色層２による液晶分子の配向撹乱作用１１が生じ、その結果、液晶の配向乱れや液晶表示装置としての駆動の閾値のズレによる焼き付き現象等の表示不良が生じる。これを防ぐためには、数百ｎｍ〜数μｍの厚さのオーバーコート層３を画素色層２の上に形成することが最適とされてきた。

図３は、本発明の一例を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。図３は図２における不具合を除去するために、共通電極４の開口部１４の下にある画素色層２のみを刳り貫くものであって、他の構造部分は図２と同じである。初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置における液晶の配向規制手段として、画素領域内に透明電極の開口部を設けており、その開口部の画素色層の内、少なくとも１色の画素色層を透明電極の開口部の平面視形状に合わせて刳り貫いている。刳り貫き対象とする画素色層は１色に限らず、例えば３色構成のカラーフィルタであれば、３色全てにわたって、透明電極の開口部の下の画素色層を刳り貫くことも可能であり、後者の方がマルチドメイン配向における色間の特性を同等とすることができる。

画素色層の刳り貫き部分１２には、垂直配向膜５が残っても残らなくてもよいが、いずれにしても表示領域外となる。画素色層の刳り貫き部分１２は、共通電極４のパターン形成のフォトエッチングに引き続いて刳り貫き加工することも可能であるが、例えば顔料分散法で画素色層を一色ずつパターン形成する際に、必要な色について、後に共通電極４の開口部とすべき個所の画素色層の刳り貫き部分を除去パターンの一部として一括形成する方が工程上は容易である。ただし、共通電極４の開口部のパターニングプロセスとの位置合わせには、より高い精度を必要とする。

上記のプロセスにおいて、刳り貫き対象とする色をどのように選択するかは、場合による。すなわち、例えば、周波数範囲１０〜１００Ｈｚの領域で、誘電正接の値が０．１を超えるような緑の色材に対しては、優先的に刳り貫きを実施するが、赤や青の色材で上記の値が０．０２以下である場合には、必ずしも実施しない。しかし、使用する垂直配向膜５や液晶分子６の特性、また、画素電極８と共通電極４との距離に係わる液晶セルギャップや共通電極４における透明電極の開口部の幅等の幾何学的要因、さらに液晶表示装置の画像表示のための駆動条件などを考慮して設計すれば良い。最も低い誘電正接を求められる場合には、全ての色において、画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫くことが最良となる。

図４は、本発明の他の一例を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置における液晶の配向規制手段として、画素領域内に透明電極の開口部を設けており、その開口部の画素色層の内、少なくとも１色の画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫き、刳り貫かれない他の画素色層の色材もしくは透明樹脂を用いて、刳り貫き部位を埋め込む。刳り貫き対象とする画素色層は１色に限らず、例えば３色構成のカラーフィルタであれば、３色全てにわたって、透明電極の開口部の画素色層を刳り貫くことも可能であり、その場合は、３色全ての刳り貫き部位に埋め込み物１３を配置する。

本発明の先の例と同様に、後に共通電極４の開口部とすべき個所の画素色層の刳り貫き部分１２を、顔料分散法で画素色層を一色ずつパターン形成する際に、必要な色について、除去パターンの一部として一括形成する。このプロセスに引き続いて、刳り貫かれた部分に埋め込み物１３を配置する。もしくは、開口部を有する共通電極４の形成までを終えた後に、画素色層の刳り貫き部分１２を加工し、埋め込み物１３を配置しても良い。

埋め込み物１３には、刳り貫き対象とされる画素色層の色材より低い誘電正接を有する、刳り貫き対象外の画素色層の色材もしくは透明樹脂を用い、全面に塗布した後に、画素色層の刳り貫き部分に入った塗布物のみを選択的に残して他を除去しても良い。また、インクジェット法やマイクロディスペンス法により、適量の埋め込み物を画素色層の刳り貫き部分のみに選択的に供給後、硬化させても良い。埋め込み物１３と共通電極４が形成されたカラーフィルタ上に、垂直配向膜５を前述の方法で塗布することは、埋め込み物の無い場合よりも、下地の平坦性が良いので、より高品質の塗布状態が望める。

刳り貫き部分の色材より、埋め込み物が低い誘電正接をもつように設計されることは前述の説明と同様である。簡単な場合には、緑の画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫き、しかる後に、赤または青の画素色層の色材、もしくは、透明樹脂を埋め込み物として使用する。また、透明電極の開口部における誘電正接を全色均一に低く設定したい場合には、全ての画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いた後、刳り貫いた画素色層の色材の最大の誘電正接より低い誘電正接を有する材料を用いて、刳り貫き部位を埋め込む。この時、均一に埋め込むことは、平坦性を高くする上で望ましい。なお、一般に誘電正接の値は顔料成分の特性が支配的であり、顔料を含まない透明樹脂は低い値を示す。オーバーコート材料が低い誘電正接を有するのも同じ事情である。

本発明で、種々述べた上記の例のように、画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫き、または、刳り貫き後に低い誘電正接の材料により埋め込むことを特徴とする、初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置に用いるカラーフィルタを提示した。これらのカラーフィルタを備える初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置は、液晶材料、配向膜、ＴＦＴ基板、バックライト、偏光板、その他の光学補償フィルム、画像駆動用デバイス、電源装置などをカラーフィルタとともに選択してなる他の液晶表示装置と同様に、種々の選択により構成される。

従来のマルチドメイン配向規制の一例を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。 従来のマルチドメイン配向規制における不具合を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。 本発明の一例を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。 本発明の他の一例を説明するための液晶表示装置の断面拡大模式図である。

符号の説明

１・・・・透明基板
２・・・・画素色層
３・・・・オーバーコート層
４・・・・共通電極
５・・・・垂直配向膜
６・・・・液晶分子
７・・・・電気力線
８・・・・画素電極
９・・・・ＴＦＴ基板
１０・・・電圧印加により液晶分子が倒れる向き
１１・・・画素色層による液晶分子の配向撹乱作用
１２・・・画素色層の刳り貫き部分
１３・・・埋め込み物
１４・・・開口部

Claims (7)

1. 透明基板上に複数色の画素色層と透明電極とが積層された、初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置に用いるカラーフィルタにおいて、液晶の配向規制手段として画素色層を形成した領域内で透明電極に開口部を設けており、その開口部の画素色層の内、少なくとも１色の画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いていることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 請求項１に記載のカラーフィルタにおいて、全ての画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いていることを特徴とするカラーフィルタ。
3. 請求項１に記載のカラーフィルタにおいて、刳り貫かれない他の画素色層の色材もしくは透明樹脂を用いて、刳り貫き部位を埋め込んでいることを特徴とするカラーフィルタ。
4. 請求項１または３に記載のカラーフィルタにおいて、透明電極の開口部に合わせて刳り貫かれる画素色層の色材が、刳り貫かれない他の画素色層の色材、または埋め込みに用いられる透明樹脂より高い誘電正接を有していることを特徴とするカラーフィルタ。
5. 画素色層が緑、赤、青色の層からなり、刳り貫かれる画素色層の色材が緑であり、埋め込まれる材料が赤または青の画素色層の色材、もしくは、透明樹脂であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載のカラーフィルタ。
6. 請求項２に記載のカラーフィルタにおいて、全ての画素色層を透明電極の開口部に合わせて刳り貫いた後、刳り貫いた画素色層の色材の最大の誘電正接より低い誘電正接を有する材料を用いて刳り貫き部位を埋め込んでいることを特徴とするカラーフィルタ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のカラーフィルタを備えることを特徴とする初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層を有する液晶表示装置。