JP2010019879A - フォトスペーサを備えたカラーフィルタ基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】カラーフィルタ基板上に、レジスト材料を用いてフォトスペーサを形成した場合に、フォトスペーサ頂部に凹みが生じ、後工程で当該部位に滞留したポリイミド樹脂が皮膜となって残存し、パネル化した後に液晶中に拡散するという問題がある。
【解決手段】透明基板1上に、少なくともブラックマトリックス2、カラーフィルタ及びフォトスペーサ30を備えるカラーフィルター基板において、該カラーフィルタを構成する着色画素20の下部にブラックマトリックス2を敷設することで着色画素の一部を台状に隆起させ、該台状の部位にフォトスペーサ30を形成し、前記フォトスペーサの裾終端部31が、前記台状隆起部の側面傾斜部分に乗るか、及び/又は該側面傾斜部を被覆するように形成されているカラーフィルター基板。
【選択図】図3

Description

本発明は、液晶表示装置の対抗する基板間距離を保持するためのフォトスペーサを備えたカラーフィルタ基板に関する。
液晶表示装置は、一対の透光性基板間に液晶を狭持している。一方の透光性基板にはTFT等の駆動回路が形成され、他方の透光性基板には、遮光膜、カラーフィルター等が形成されている。液晶表示装置の大型化にともなって透光性基板間の数μmの距離(以下、セルギャップ)を正確に保持する必要から、従来の樹脂製もしくはガラス製のビーズスペーサを液晶内に散布して保持する方式から、フォトリソグラフィー技術により樹脂組成物からなる柱状の突起物を形成する方法に移行しつつある(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
ビーズを散布する方式の液晶表示装置においては、黒色表示時にスペーサ用ビーズを介して光が散乱によって漏れたり、ビーズ近傍において液晶配向が乱れることにより、コントラストが低下し表示画質が劣化するなどの問題があった。これに対し、フォトリソグラフィー技術によりレジスト材料を用いて形成する突起物、いわゆる、フォトスペーサと称されるものは、配置の自由度、高さの均一性、液晶中を移動しない、工程中での汚染が少ないなど、ビーズ散布方式に較べ多くの利点を有し、通常はカラーフィルタ基板側のカラーフィルタ層の上方側に配設される。カラーフィルタ製造と同様の工程で製造できるからである。
一方、カラーフィルタ基板は、一般的に赤・緑・青の三色からなる着色層が、透光性基板上に線状あるいはトライアングル配列等、適切なパターンで配置されるものである。先ず、透光性基板上に着色画素を区画して混色を防止するための仕切り堰となるブラックマトリックス(以下、BMと略記することがある)を形成する。BM材料としては金属薄膜あるいは黒色の感光性樹脂組成物を用いることができるが、定法のフォトリソグラフィー法によりパターン形成するのが好ましい。続いて、緑色感光性樹脂組成物を塗布し、これもフォトリソグラフィー法により、例えば線状にパターニングして緑色着色層を形成する。この工程を、赤、青の感光性樹脂組成物に繰り返して、緑、赤、青の着色層が配置したカラーフィルタ基板を得ることができる。
特開2001−201750号公報 特開2003−186021号公報 特開2001−201750号公報 特開2003−75808号公報
続いて、柱状のフォトスペーサ(以下、PSと記す)を形成する。形成する位置は表示に影響を与えない位置、例えば隣接する表示画素間の間隙に形成されているBM上が最も望ましいが場合によっては画素上に形成されることもある。PSとしてセルギャップを維持する力は、弾性率などの物性的性質を別にすると、PSの総面積で決まる。個々のPSの面積が狭ければ多数のPSを敷設する必要があるが、面積が広いとPSの数は少なくてすむ。レジスト材料の一般的な物性的性質と敷設に許容できる面積等を考慮すると、カラフィルター上あるいはBM上に、直径が60μm以下で高さが数μm程度の円柱状あるいは多角形状のPSを画素当たり1個程度設置するのが望ましい態様である。しかしながら
、実際に製造するとベーク等の後工程中に、PS頂部が陥没し凹む現象が生じることが分かった。
PS頂部に窪みができるのは、レジスト軟化温度以上、例えば200℃以上に温度上昇があるとレジスト材料に流動性が生じる結果、表面張力により周辺部からレンズ状に整形するが、柱状レジストの中心部まで整形が及ばなかったか、あるいは硬化収縮による頂部の凹み量が多かったためと考えられる。こうした凹みがあると、この基板に配向制御用のポリイミド樹脂溶液を塗布して乾燥させた場合、凹みに滞留してできる樹脂が皮膜として残り、パネル化すると剥がれ落ちて液晶中に散らばる可能性がある。これが生じると液晶表示装置の表示品質に回復不能なダメージを与える。
そこで本発明は、フォトスペーサの頂部凹陥部に樹脂が多量に滞留するような凹みが生じない、できるだけ平坦な頂部を有する柱状のフォトスペーサを備えたカラーフィルタ基板を提供することを課題とした。
上記課題を達成するための請求項1の発明は、透明基板上に、少なくともブラックマトリックス、カラーフィルタ及びフォトスペーサを備えるカラーフィルタ基板において、該カラーフィルタを構成する着色画素の下部にブラックマトリックスが敷設され、該着色画素の一部が台状に隆起し、該台状の部位にフォトスペーサが形成されたことを特徴とするカラーフィルタ基板である。
フォトスペーサが形成される土台部分を底上げすることでフォトスペーサ自体の厚みを抑え、フォトレジスト軟化時のレンズ形状への自発的な整形性を高め且つ硬化収縮の程度を抑えるものである。
請求項2の発明は、前記フォトスペーサの裾終端部が、前記台状隆起部の側面傾斜部にあるか、及び/又は該側面傾斜部を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項1記載のカラーフィルター基板である。
フォトスペーサが軟化し流動化してレンズ状に整形される場合、レンズ端部の下地に対する接触角を垂直方向にすることで表面張力が中心部まで伝播し凹みを生じにくくする。
請求項3の発明は、前記台状に隆起させる部位が、カラーフィルタ基板に対抗して貼りあわされるTFT基板のTFT素子の部位に対応する部位であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のカラーフィルタ基板である。
PSの有無に関わらず、もともと画像表示に使用されないカラーフィルタの部位にPSを形成することを意味している。
本発明になるカラーフィルタ基板は、柱状フォトスペーサの頂部に凹みがなく、当該箇所にポリイミド等の厚い樹脂皮膜が残存することがない。したがって、パネル化した後、樹脂皮膜が剥がれて液晶中に拡散することがない。また、フォトスペーサを元来表示に使用しない部位に形成することができるため、開口率が低下する等の表示品質に影響を与えることが少ない。
以下に、本発明になるフォトスペーサを備えるカラーフィルタ基板の構成及び製造方法の一例を、図面を使用して説明する。用いた感光性着色組成物の材料については最後にまとめて記載した。
<ブラックマトリックス形成>
まず、0.7mm厚の無アルカリ透光性基板(OA−2、日本電気硝子(株)製)上に、黒色の感光性樹脂組成物を塗布し乾燥した後に、フォトマスクを用いて所定のパターンに露光し、現像およびポストベークを行うことで、ブラックマトリックスを形成する。BMの膜厚は、含有するカーボンブラック量から必要な光学濃度を見積もり所望の膜厚に設定することが望ましく、一般には、およそ1〜2μm程度である。
図1に示すように、通常BM2はカラーフィルタを構成する隣接する着色画素3,4,5の隙間を埋めるように形成されるが、本発明では、これ以外に着色画素3,4,5下部の一部6に潜り込むように同時に形成する。これは当該BMを被覆するように形成される着色画素を局部的に底上げして台状とするためである。図1で示すように着色画素に対しのBM2から突出するように配置するが、画素間のBMから切り離して孤立して形成してもかまわない。また、着色画素内に突出する位置6はコーナー部分か、図で示すようにコーナーから離れた辺上に設けてもかまわない。
また、一般に着色画素の形状を長方形とすると、その面積全部が表示に有効に使用されるわけでなく、対抗基板となるTFT基板のTFT素子と対向する部分は表示に使用されない無駄になる部分である。だからできればこの部分に含まれるか重なる部位にBM2を突出するように設けるのが、表示に影響を与えることが少ないので望ましい。この位置は一般にコーナー近辺である。BMが突出して形成される部分6のサイズは30〜50μm□程度で形成する。
突出するBM2の側面の傾斜角度については露光方法を調整して垂直に近いものからから緩いものまで複数の傾斜角を有するBM2を形成した。
<カラーフィルタ形成>
次に、BMを形成した透光性基板1上に、カラーフィルタとなる着色画素3,4,5を順次形成する。着色画素は、複数色の画素から構成されており、色としては、赤、緑、青(RGB)の組み合わせあるいはイエロー、マゼンダ、シアン(YMC)の組み合わせが挙げられる。着色画素の製法としては、スリットコート法やスピンコート法、ロールコート法などの塗布法で着色層を形成し、その後フォトリソグラフィー法によりパターニングするか、インクジェット法や、グラビア印刷法、フレキソ印刷法などの方法が使用できる。しかし、高精細、分光特性の制御性及び再現性等を考慮すれば、透明な樹脂中に顔料、光開始剤、重合性モノマー等と共に適当な溶剤に分散させた感光性着色組成物を透明基板上に塗布製膜して特定の色の着色層を形成し、この着色層をパータン露光、現像することで特定色の着色画素を形成し、この工程を必要な色数だけ繰り返し行ってカラーフィルタとするフォトリソグラフー法が最も好ましい。
具体的には、まず、赤色のネガ型感光性組成物を塗布、乾燥した後に、赤色着色画素の配置パターンに対応した開口部を有するフォトマスクを用いてパターン露光し、定法の現像及びポストベーク処理を施すことで、赤色着色画素を形成することができる。以下、同一の工程を色数分繰り返すことにより、緑色着色画素および青色着色画素が形成されたカラーフィルター基板を得ることができる。各色の塗布膜厚は、分光透過率などを考慮すると通常はプリベーク後の膜厚で1〜2μm程度である。現像液にはアルカリ性水溶液を用いる。アルカリ性水溶液の例としては、炭酸ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、または両者の混合水溶液、もしくはそれらに適当な界面活性剤などを加えたものが挙げられる。本実施例では6.3質量%の炭酸ナトリウム水溶液を使用し、現像後、水洗、乾燥して特定色の着色パターンもしくは着色画素が得られる。
BM2上に着色画素20が積層され台状に隆起した様子を図2に模式的に示した。図2
(a)は、図1のX−X’での断面視図、同(b)はY−Y’における断面視図である。着色画素20下部に形成されたBM2が画素間BMと切り離されている場合はX−X’,Y−Y’方向とも図1(a)であってX−X’とY−Y’の断面視で差異はない。X−X’とY−Y’の違いは、図2(b)の右側は着色画素間のBMと直接につながっているので着色画素のエッジの形状が他と異なる可能性があるということだけである。着色画素のコーナーにBM2が設けられた場合には、断面視形状はY−Y’の場合のみとなる。また、台状隆起部の位置6については、X−X’方向またはY−Y’方向でずらすことができる。すなわち画素間BM2側にずらすことが可能であり、その方が一般的に表示に与える影響が少ない(いずれも図示せず)。
次に、酸化インジウム系のターゲットをスパッタリングして、上記のカラーフィルタ基板の着色画素上に150nm厚の透明導電膜を形成した(図示せず)。この場合、着色画素間の段差の低減、着色材料からの不純物溶出を防止するためのオーバーコート層を透明導電膜下部に予め設けておいても構わない。
<フォトスペーサ形成>
透明導電膜を形成した上記カラーフィルタ基板上に、ポジ型フォトレジスト(LC1800−21、ロームアンドハース電子材料社製)を2.4μmの厚みとなるように塗布し、ホットプレート上で120度で100秒間のプレベーク処理を施し、PSとなるべきポジ型フォトレジスト層を得た。セルギャップは通常4〜6μmに設定されるので台状に隆起した分を考慮してフォトレジスト層の厚みを設定する。
次に、カラーフィルタ基板上のフォトレジスト層に対し、波長365nm、照度46mWで露光量が50mJとなるように、ギャップを100μmとするプロキミティー露光(近接露光)を行った。その後6.3質量%の炭酸ナトリウム水溶液にて80秒間の現像処理を施した。最後に230℃で20分のポストベーク処理を施すことで、PSを着色画素で台状に隆起した部位6上に形成することができた。
台状に隆起した着色画素20上に積層したPS30の様子を図3に模式的に示した。この場合、PS30の外形形状を決める可能性があるPSの裾の終端部31の位置については、いくつか可能性がある。大きく分けると、PS終端部がカラーフィルタの傾斜部(台状隆起部の側面傾斜部)に乗っている場合(図3(a))、及び該傾斜部を被覆するように形成される場合である(図3(b)、(c))。
傾斜する角度αを変えて上記2つの場合についてPSの凹みについて調べたところ、台状隆起部のX−X’方向とY−Y’方向の傾斜角αが15度程度以下であって、PSの裾終端部31が台形形状底辺の位置から台形の高さhの30%に相当する斜辺の位置までの間にある場合に最も凹みが少なかった。傾斜角αが15度を超えるような場合は、PS終端部が傾斜部全体を被覆するようにPSが形成される方がPS頂部の凹みが少なかった。図3(c)の画素間BM上にPS終端部がかかる場合も同様であった。傾斜部にPS終端部が乗ると、PSが軟化した場合の接触角βが実効的に増加するので、これがPSの柱状中心部を持ち上げるような波及効果を有するからと推測される。
以上に記載したように、着色画素の一部を台状に隆起させた上で、当該隆起部位上にフォトスペーサを形成し、該スペーサの裾終端部の位置を隆起部の傾斜部分に位置ずけることでレジストスペーサ頂部の凹みを抑制できることがわかった。
最後に使用した材料について記載する。
<感光性着色組成物>
上記実施例で使用したブラックマトリックスおよび、着色層用の感光性着色樹脂組成物は
、透明な樹脂中に、着色剤となる顔料、光開始剤、重合性モノマー等を適切な溶剤により分散させて製造する。分散させる方法はミルベース、3本ロール、ジェットミル等様々な方法があり特に限定されるものではない。感光性着色組成物の調整方法の詳細は省略するが、使用した材料について下記に記載する。
<遮光材料>
遮光材としては、カーボンブラック、酸化チタン、酸窒化チタン、四酸化鉄などの金属酸化物や顔料、その他既知の遮光材料を用いることができる。本実施例ではカーボンブラックを用いた。また、遮光層の色調を調整するために、以下に示す補色の着色顔料を必要に応じて混合してもよい。
<着色顔料>
赤色着色層もしくは赤色画素を形成するための赤色着色組成物には、例えばC.I.Pigment Red 7、9、14、41、48:1、48:2、48:3、48:4、81:1、81:2、81:3、97、122、123、146、149、168、177、178、179、180、184、185、187、192、200、202、208、210、215、216、217、220、223、224、226、227、228、240、246、254、255、264、272、279等の赤色顔料を用いることができる。赤色着色組成物には、黄色顔料、橙色顔料を添加併用することができる。
黄色顔料としてはC.I.Pigment Yellow 1、2、3、4、5、6、10、12、13、14、15、16、17、18、20、24、31、32、34、35、35:1、36、36:1、37、37:1、40、42、43、53、55、6
0、61、62、63、65、73、74、77、81、83、86、93、94、95、97、98、100、101、104、106、108、109、110、113、114、115、116、117、118、119、120、123、125、126、127、128、129、137、138、139、144、146、147、148、150、151、152、153、154、155、156、161、162、164、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、179、180、181、182、185、187、188、193、194、199、213、214等が挙げられる。橙色顔料としてはC.I.Pigment Orange 36、43、51、55、59、61、71、73等が挙げられる。
緑色着色組成物には、例えばC.I.Pigment Green 7、10、36、37等の緑色顔料を用いることができる。緑色着色組成物には赤色着色組成物と同様の黄色顔料を添加併用することができる。
青色着色組成物には、例えばC.I.Pigment Blue 15、15:1、15:2、15:3、15:4、15:6、16、22、60、64、80等の青色顔料、好ましくはC.I. Pigment Blue 15:6を用いることができる。また、青色着色組成物には、C.I.Pigment Violet 1、19、23、27、29、30、32、37、40、42、50等の紫色顔料、好ましくはC.I.Pigment Violet 23を添加併用することができる。
また、上記着色組成物あるいは有機顔料と組み合わせて、彩度と明度のバランスを取りつつ良好な塗布性、感度、現像性等を確保するために、無機顔料を組み合わせて用いることも可能である。無機顔料としては、黄色鉛、亜鉛黄、べんがら(赤色酸化鉄(III))、カドミウム赤、群青、紺青、酸化クロム緑、コバルト緑等の金属酸化物粉、金属硫化物粉、金属粉等が挙げられる。さらに、調色のため、耐熱性を低下させない範囲で染料を含有させることができる。
<透明樹脂>
透明樹脂は、可視光領域の400〜700nmの波長領域において透過率が好ましくは80%以上、より好ましくは95%以上の樹脂である。透明樹脂には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および感光性樹脂が含まれる。透明樹脂には、必要に応じて、その前駆体である、放射線照射により硬化して透明樹脂を生成する重合成モノマーもしくはオリゴマーを単独で、または2種以上混合して用いることができる。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ブチラール樹脂、スチレン−マレイン酸共重合体、塩素化ポリエチレン、塩素化ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル系樹脂、アルキッド樹脂、ポリスチレン、ポリアミド樹脂、ゴム系樹脂、環化ゴム系樹脂、セルロース類、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリイミド樹脂等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フマル酸樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。
感光性樹脂としては、水酸基、カルボキシル基、アミノ基等の反応性の置換基を有する線状高分子にイソシアネート基、アルデヒド基、エポキシ基等の反応性置換基を有する(メタ)アクリル化合物やケイヒ酸を反応させて、(メタ)アクリロイル基、スチリル基等の光架橋性基を該線状高分子に導入した樹脂が用いられる。また、スチレン−無水マレイン酸共重合物やα−オレフィン−無水マレイン酸共重合物等の酸無水物を含む線状高分子をヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート等の水酸基を有する(メタ)アクリル化合物によりハーフエステル化したものも用いられる。
重合性モノマーおよびオリゴマーとしては、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、β−カルボキシエチル(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテルジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルジ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリシクロデカニル(メタ)アクリレート、エステルアクリレート、メチロール化メラミンの(メタ)アクリル酸エステル、エポキシ(メタ)アクリレート、ウレタンアクリレート等の各種アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステル、(メタ)アクリル酸、スチレン、酢酸ビニル、ヒドロキシエチルビニルエーテル、エチレングリコールジビニルエーテル、ペンタエリスリトールトリビニルエーテル、(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシメチル(メタ)アクリルアミド、N−ビニルホルムアミド、アクリロニトリル等が挙げられる。これらは、単独でまたは2種類以上混合して用いることができる。
紫外線照射により硬化する場合には、さらに光重合開始剤、増感剤、連鎖移動剤等を添加する。
<有機溶剤>
有機溶剤としては、例えばシクロヘキサノン、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、1−メトキシ−2−プロピルアセテート、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチルベンゼン、エチレングリコールジエチルエーテル、キシレン、エチ
ルセロソルブ、メチル−nアミルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテルトルエン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、イソブチルケトン、石油系溶剤等が挙げられ、これらを単独でもしくは混合して用いる。
ブラックマトリックス、着色層、フォトスペーサ用ブラックマトリックスの位置関係を説明する平面視図である。 ブラックマトリックスと着色画素の積層部を模式的に説明する断面視図である。(a)着色画素内(X−X’での断面視図)、(b)ブラックマトリックス上(Y−Y’での断面視図) (a)、(b)、(c)ブラックマトリックス、着色層、フォトスペーサ積層部を模式的に説明する断面視図である。
符号の説明
1、透光性基板
2、ブラックマトリックス(BM)
3、4,5 着色画素(カラーフィルタ)
6、着色画素部分に辺部分から突出したブラックマトリックス
8、ブラックマトリックスの側面
9、フォトスペーサの側面
20、カラーフィルタ層
30、フォトスペーサ(PS)
31、フォトスペーサの裾終端部

Claims (3)

  1. 透明基板上に、少なくともブラックマトリックス、カラーフィルタ及びフォトスペーサを備えるカラーフィルタ基板において、該カラーフィルタを構成する着色画素の下部にブラックマトリックスが敷設され、該着色画素の一部が台状に隆起し、該台状の部位にフォトスペーサが形成されたことを特徴とするカラーフィルタ基板。
  2. 前記フォトスペーサの裾終端部が、前記台状隆起部の側面傾斜部にあるか、及び/又は該側面傾斜部を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項1記載のカラーフィルター基板。
  3. 前記台状に隆起させる部分が、カラーフィルタ基板に対抗するTFT基板のTFTの部位に対応する部分であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のカラーフィルタ基板。
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