JP2010175813A - カラーフィルタ基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＳ方式で必要な着色層ごとに必要な液晶膜厚を、着色層ごとの厚み（高さ）を調整して実現しようとする場合、該着色層を保護するために必要不可欠な保護層を着色層上に形成する場合でも、該着色層に予め付与した高低差が維持される保護層を備えるカラーフィルタ基板及びその簡便な製造方法を提供することを目的とした。
【解決手段】着色層２０上の感光性透明保護層を、階調マスクを介して露光し、現像して、画素間で膜厚の異なる透明保護層２５を形成することで、着色層２２Ｒ，２３Ｇ，２４Ｂ上の透明保護層２５の膜厚が画素間で異なり、着色層上の透明保護層の最小膜厚と最大膜厚との差が０．２μｍ〜１．２μｍの範囲であることを特徴とするカラーフィルタ基板である。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示装置用カラーフィルタ基板に係わり、特には、着色層上に透明保護層を配したマルチステップ（多段差）構造のカラーフィルタ基板に関する。

カラー液晶表示装置は、パーソナルコンピュータ、モニタ、テレビ、携帯電話など、様々な製品に使用されるようになり、急速に普及が進んでいる。カラーフィルタは液晶表示装置のカラー表示化に必要不可欠な部材である。近年、この液晶表示装置においては高画質化が進み、高色再現性や広視野角、高速応答性を備える様々な方式のものが出現してきている。

この中でも、横電界方式（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；以下、ＩＰＳ方式と記す）の液晶表示装置は、優れた視野角特性を有する液晶表示装置として知られているが、さらなる視野角特性の向上のため、液晶層の屈折率差Δｎと液晶層の厚みｄの積（リタデーション：Δｎ・ｄ）の最適化が、液晶層の厚みｄを変化させることにより検討されている（特許文献１，２）。液晶層の厚みｄの調整については、液晶を狭持する対向する基板の離間距離（ギャップ）が一定であることから、単純な層構成のカラーフィルタ基板側に形成される着色層の高さを着色層ごとに微調整することで制御されることが多い。

ここで、ＩＰＳ方式では着色層と液晶との間にバリアー性の高い電極がないため、着色層から液晶層への汚染防止や着色層の保護目的で、着色層上に透明樹脂による保護膜（オーバーコート膜）が一般的に設けられている。前記の液晶層の厚さ調整として、カラーフィルタの膜厚を制御することは、赤色、緑色、青色といった着色層の膜厚をそれぞれ調整することで実施しているが、保護膜は平坦化膜という面も持っているため、一般的な方法で着色層上に保護膜を形成した場合、着色層での膜厚差を緩和してしまい、狙いの膜厚差を達成できなくなってしまうことが多い。
また、保護膜の形成による着色層膜厚差の緩和を考慮して、着色層の膜厚を調整することで所望の膜厚差を達成することもできるが、塗布、パターニング工程における生産上の制約から限界がある。その他、着色層上の保護膜の膜厚が異なる領域を、複数回塗り分けることで所望の膜厚差を達成することもできるが、工程数が増えてしまうという問題がある。

特開２００１−２９０１４９号公報 特開２００５−１２８４９８号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ＩＰＳ方式で必要な着色層ごとに必要な液晶層の厚みを、着色層ごとの厚み（高さ）を調整して実現しようとする場合、該着色層を保護するために不可欠な保護層を着色層上に形成するが、このような場合であっても該着色層に予め付与した高低差が維持される保護層を備えるカラーフィルタ基板及びその簡便な製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するための請求項１に係る発明は、本発明のカラーフィルタ基板は、透
明基板上に赤色画素、緑色画素、青色画素からなる着色層、ブラックマトリクス及び感光性透明保護層を備えるカラーフィルタ基板において、着色層上の透明保護層の膜厚が画素間で異なり、着色層上の透明保護層の最小膜厚と最大膜厚との差が０．２μｍ〜１．２μｍの範囲であることを特徴とするカラーフィルタ基板としたものである。

請求項２に係る発明は、前記赤色画素、緑色画素上の透明保護層の膜厚が、同じであることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ基板としたものである。

請求項３に係る発明は、前記赤色画素、緑色画素上の透明保護層の膜厚が、１．０μｍ〜２．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ基板としたものである。

請求項４に係る発明は、前記着色層の膜厚が１．２μｍ〜３．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ基板としたものである。

請求項５に係る発明は、前記着色層上の感光性透明保護層の塗布膜を、階調マスクを介して露光し、現像して、画素間で膜厚の異なる透明保護層を形成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のカラーフィルタ基板の製造方法としたものである。

本発明になるカラーフィルタ基板は、透明基板上にブラックマトリクス、赤色画素、緑色画素、青色画素からなる着色層と、前記着色層上に形成された透明保護層とを備えてなり、対向基板と貼り合わせて液晶を封じた液晶表示装置では、着色層に対応する液晶層の厚み（セルギャップ）を最適なものとすることができるので、表示品質に優れた液晶表示装置となる。

本発明になる製造方法は、着色層上に透明保護層を形成する際に、透明保護層用の感光性樹脂組成物の塗布膜に階調マスクを介して露光、現像して、画素ごとに所望の膜厚に形成するため、透明保護層に着色層に対する追従性を持たせる必要がなく、極々局所的な平坦化と所望の膜厚差の形成を両立した高品質のカラーフィルタ基板を提供でき、かつ階調マスクを使用した露光方法を好適に用いることで、異なる膜厚の透明保護層を形成するために複数工程を要することなく、１工程で実施できるため、簡便にカラーフィルタ基板を製造することができる。

従来の透明保護層の形成方法によって形成されたマルチステップ構造を有するカラーフィルタ基板の構造の一例を示す断面視の図である。 本発明になる透明保護層の形成方法によって形成されたマルチステップ構造を有するカラーフィルタ基板の構造の一例を示す断面視の図である。 （イ）〜（ニ）は、本発明のカラーフィルタ用透明保護層の形成方法を説明する工程図である。

以下に、本発明の実施の形態の一例を説明する。

図１は、従来方法で透明保護層を形成したマルチステップ（多段）構造のカラーフィルタ基板の一例を示す断面視の図である。図１に示すように、透明保護層（１５）は、一般に透明基板（１０）上にブラックマトリックス（１１）、赤色画素と緑色画素よりも青色画素（１４）の膜厚が高く形成された着色画素（１２、１３、１４）を有するカラーフィ
ルタ上に形成されている。従来方法では透明保護層形成後の着色画素間の膜厚差（Ｂ）は、着色画素形成時の膜厚差（Ａ）から、図１に模式的に示すように緩和するのが普通である。マルチステップ（多段）構造のカラーフィルタ基板において、この膜厚差が０．２μｍより小さいと有効な差とはならず、表示特性の向上効果は得られない。

また、膜厚差が１．２μｍより大きくなるような場合は、セルギャップが最も小さくなる青色画素において、液晶の旋光性が発現するのに十分な液晶層の厚みがないため、黒表示時の漏れ光などが発生する問題がある。

図２は、本発明の透明保護層の形成方法によって形成されたカラーフィルタ基板の一実施例を示す断面視図である。図２に示すように、本発明によって形成された透明保護層（２５）は、透明基板（２０）上にブラックマトリックス（２１）、着色画素（２２，２３，２４）が形成されたカラーフィルタ上に形成されても、透明保護層形成後の着色画素間の膜厚差（Ｂ’）は着色画素形成時の膜厚差（Ａ）を維持することができる。

本発明のカラーフィルタ基板を構成する透明基板としては、ガラスやプラスチック板やフィルムなど用いることができる。一般的には熱膨張率が小さく、高温での寸法精度に優れている無アルカリガラスが広く用いられている。

透明基板上に設けられるブラックマトリックスは、公知の方法を用いて形成することができる。たとえば、クロムやチタンなどの金属あるいは金属酸化物の薄膜をスパッタ等の方法により基板上に形成し、それをエッチングなどの手法によりパターニングを施し形成する方法や、感光性樹脂組成物中にカーボンブラックや金属酸化物などの遮光性微粒子や複数種からなる顔料あるいは染料などの着色剤を混在させ、これを基板上に塗布しフォトリソグラフィー法により形成する方法などが挙げられるが、本発明においてはいずれの方法により形成しても良い。

本発明のカラーフィルタ基板を構成する着色層は、カラー表示に必要な構成であれば特に限定されず、適宜適切なものを組み合わせて使用することができる。各色画素とも顔料分散レジストを用い、フォトリソグラフィー法によって所定のパターン形状に形成することができる。即ち、所望の色を表現するように調整された顔料を含む感光性組成物を透明基板上に塗布し、パターン露光、現像を行うことで１色目の着色画素の形成を行う。これを所定の色数だけ繰り返すことによって、目的とする着色画素を得ることが可能である。前記方法以外に、印刷法、インクジェット法、転写法、または前述のフォリソグラフィー法を含む方法を組み合わせて形成してもよい。このような着色層の厚みとしては、青色画素と赤色・緑色画素との間に膜厚差を設けているため、使用する感光性樹脂組成物の着色材含有率が高くなることによる色ムラ、基板との密着性不良などが発生しない範囲として、１．２μｍ〜３．０μｍが好ましい。

本発明で用いる透明保護層材料には、不飽和二重結合を有する化合物、光重合開始剤を含む感光性樹脂組成物が用いられ、カラーフィルタ上に塗布、露光、現像、ベークを行うことで透明保護層の形成を行う。感光性樹脂は少なくとも３６５ｎｍに感光性のあるものであれば特に限定されるものではないが、特に３６５ｎｍ以下に吸収極大をもつ感光性成分を含むものがより好ましい。

本発明における透明保護層の形成においては、上記感光性樹脂と階調マスクを組み合わせ、用いる階調マスクの波長選択性に応じ、光重合開始剤の種類を適宜選択することによって感光性樹脂の感度を調節し、高膜厚部分と低膜厚部分とで露光量及び露光波長の違いを大きくし、透明保護層の部分的な膜厚制御がより容易となる。例として、高圧水銀灯での露光におけるｋ線（３１４ｎｍ）に応じては、波長２８０〜３３０ｎｍに吸収ピークを持つ感光性重合開始剤、ｉ線（３６５ｎｍ）に応じては、波長３５０〜４１０ｎｍに吸収ピークを持つ感光性重合開始剤を使用すると感光性透明樹脂層の膜厚差形成に有利となる。

波長２８０〜３３０ｎｍに吸収ピークを持つ感光性重合開始剤の例としては、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニルプロパン-1-オン、1-（4-イソプロピルフェニル）-2-ヒドロキシ-2-メチルプロパン-1-オン、1-（4-ドデシルフェニル）-2-ヒドロキシ-2-メチルプロパン-1-オン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-[4-（メチルチオ）フェニル]-2-モルホリノプロパン-1、3-3-ジメチル-4-メトキシベンゾフェノン、4-ジメチルアミノ安息香酸エチル、4-ジメチルアミノ安息香酸（n-ブトキシ）エチル、4-ジメチルアミノ安息香酸イソアミル、4-ジメチルアミノ安息香酸2-エチルヘキシルなど、波長３５０〜４１０ｎｍに吸収ピークを持つ感光性重合開始剤としては、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾフェノン、2-クロルチオキサンソン、2-メチルチオキサンソン、2,4-ジメチルチオキサンソン、イソプロピルチオキサンソン、2,4-ジクロロチオキサンソン2,4-ジエチルチオキサンソン、2,4-ジイソプロピルチオキサンソン、アシルホスフィンオキサイド、ベンジル、カンファーキノン、4,4'-ジメチルアミノベンゾフェノン、4,4'-ジエチルアミノベンゾフェノンなどが挙げられるが、これらの波長領域に吸収ピークを持つ光重合開始剤、開始助剤、増感剤、鋭感剤であれば必ずしもこれに限定されず、上記開始剤の2種類以上を組み合わせても良い。

透明保護層の膜厚としては、局所的な平坦化や着色層の保護の効果が十分で、かつその膜厚制御が容易であるように、着色層の赤色画素、緑色画素上の透明保護層の膜厚を、１．０μｍ〜２．５μｍ程度の範囲で設定する。

図３（イ）〜（ニ）は、本発明による液晶表示装置用カラーフィルタ基板の製造方法の概念を示す工程図である。まず、図３（イ）に示すように、透明基板（３０）上にブラックマトリクス（３１）及び青色画素の膜厚が赤・緑色画素の膜厚よりも高い設計となった着色画素（３２，３３，３４）が形成された、画素間段差（Ａ）を有するカラーフィルタ上に、ネガ型感光性樹脂の塗布膜（３５）を設ける。ネガ型感光性樹脂の塗布膜を設けることによって、着色層の画素間段差（Ａ）は、一般にはネガ型感光性樹脂の塗布膜表面では緩和されたものとなる。

次に、図３（ロ）に示すように、ネガ型感光性樹脂の塗布膜に階調マスク（３６）を介して紫外線（４０）を露光する。階調マスクは、透過部（３９）、半透過部（３８）、遮光部（３７）で構成され、カラーフィルタ基板の透明保護層を形成する部位においては、膜厚が高く設計された青色画素のパターンに対応した開口部を透過部、その他の透明保護層の形成部を半透過部となっている。このようなフォトマスクを介して、塗布膜に紫外線を照射すると、遮光領域は未露光、透過領域は全露光、半透過領域は透過領域と比較して露光量が小さい状態となり、現像液に対する溶解度が異なる３種類の感光領域を形成できる。

続いて、図３（ハ）に示すように、現像液（４１）を用いて、塗布膜（３５）のエッチングを行う。ネガ型感光性樹脂においては、全露光領域の塗布膜は溶解性が小さくなり、未露光領域の塗布膜は全て溶解する。また、半透過領域の塗布膜は一部が溶解し、全露光領域よりも低い膜厚の透明保護層が形成される。すなわち、塗布膜のハーフエッチングにより、膜厚が異なる領域を有する透明保護層が形成され、塗布時に緩和された着色画素間の膜厚差を所望の膜厚差（Ｂ）に調整することができる。

本発明で用いる階調マスクとしては、Ｃｒや酸化クロムなどの単層膜の膜厚を部分的に変化させたフォトマスクや、これら同一の金属を含む膜を多層積層させ、単層部分で半透
過領域、積層部分で遮光領域が形成されたフォトマスク、半透過領域形成材料として酸化インジウムと酸化スズからなるＩＴＯ薄膜、あるいはＴｉ、Ｗを含む化合物薄膜、あるいはＴｉ、Ｍｏを含む化合物薄膜等を用いたフォトマスクなどが用いられる。

本発明においては、制御する透明保護層の膜厚の観点から、階調マスクの半透過領域の光透過率は、波長３００〜３４０ｎｍにおいて０％以上４５％以下、３４０〜３７０ｎｍにおいて５％以上７５％以下、３７０〜５００ｎｍにおいて２５％以上１００％以下であることが好ましい。
上記の光透過率範囲の下限より小さいと、十分な露光量が得られず、オーバーコート層の厚みが薄くなりすぎ、保護膜としての役割を果たせないおそれがある。また上記範囲の上限より大きいと、薄膜部分の膜厚が厚くなり、その結果、形成できる膜厚差が十分でなくなる。

現像により、着色画素上の透明保護層の膜厚調整を行った後、ベーキングを行い、塗布膜を硬化させ、図３（ニ）に示す透明保護層形成後の着色画素間の膜厚差を着色画素形成時と同程度に調整した透明保護層（３５’）を得る。本発明は、上記のようにして透明保護層を形成するので、表面の平坦性に優れた透明保護層材料であっても、着色画素の画素間段差を追従した透明保護層を形成することができる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

＜実施例１＞
無アルカリガラス基板上に、膜厚１．５μｍ程度の樹脂ブラックマトリックスと膜厚２．０μｍ程度の赤色画素と緑色画素、膜厚２．５μｍ程度の青色画素の３色の着色画素を形成したカラーフィルタを作製した。次に、前記カラーフィルタ上に透明保護層形成用材料として、下記の感光性樹脂組成物１をスピンコートした。

感光性樹脂組成物１の組成
・スチレン／ベンジルメタクリレート／メタクリル酸共重合体 １００重量部
（モル比１０／６０／３０、分子量３４０００）
・ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート １００重量部
・イルガキュア９０７（チバスペシャリティケミカルズ製） １２重量部
・ジエチルチオキサントン ２重量部
・レベリング剤 ０．２重量部
・シクロヘキサノン ５０６重量部

次に、９０℃で５分間乾燥した後、青色画素部においては透過領域、青色画素以外の透明保護層の形成領域に対応したＩＴＯ薄膜からなる半透過領域を有するフォトマスクを用い、この塗布膜の全面に２００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線露光を行った。また、この階調マスク半透過領域の光透過率は、３６５ｎｍにおける透過率が３０％、３３５ｎｍにおける透過率が１５％、３１４ｎｍにおける透過率が５％であった。

続いて、スプレー現像にて塗布膜の現像を行った。ここでの塗布膜のハーフエッチングの後、２３０℃のオーブンで３０分の加熱処理を行い、透明保護層をカラーフィルタ上に設けた。得られた透明保護層の表面での画素間段差は、約０．５μｍであった。

＜実施例２＞
透明保護層の形成に用いた階調マスクのＩＴＯ薄膜からなる半透過領域の光透過率が、３６５ｎｍにおける透過率が５０％、３３５ｎｍにおける透過率が３０％、３１４ｎｍにおける透過率が１０％である以外は実施例１と同様の方法でカラーフィルタ基板を形成した。得られた透明保護層の表面での画素間段差は、約０．４μｍであった。

＜実施例３＞
透明保護層の形成に用いた階調マスクのＩＴＯ薄膜からなる半透過領域の光透過率が、３６５ｎｍにおける透過率が２０％、３３５ｎｍにおける透過率が１６％、３１４ｎｍにおける透過率が１３％である以外は実施例１と同様の方法でカラーフィルタ基板を形成した。得られた透明保護層の表面での画素間段差は、約０．３μｍであった。

＜比較例１＞
透明保護層の形成に、透過領域、遮光領域のみを有するフォトマスクを用いる以外は実施例１と同様の方法でカラーフィルタ基板を形成した。得られた透明保護層の表面の段差は、約０．１μｍ程度と着色層の画素間段差を緩和し、マルチステップ（多段）構造としては不十分なものであった。

＜比較例２＞
透明保護層の形成に用いた階調マスクの半透過領域が遮光部より薄い膜厚のＣｒ膜からなり、その光透過率が、３６５ｎｍにおける透過率が２０％、３３５ｎｍにおける透過率が５％、３１４ｎｍにおける透過率が２％である以外は実施例１と同様の方法でカラーフィルタを形成した。階調マスクの半透過領域に対する透明保護層用の感光性樹脂組成物の感度が十分でなく、得られた透明保護層の表面での画素間段差は約１．３μｍとなり、このカラーフィルタ基板を用いた液晶表示装置において青色の漏れ光が確認された。

１０、２０、３０・・・ガラス基板
１１、２１、３１・・・ブラックマトリクス
１２、１３、１４、２２、２３、２４、３２、３３、３４・・・着色画素
１５、２５、３５’・・・オーバーコート層
３５・・・オーバーコート塗布膜
３６・・・階調マスク
３７・・・透過領域
３８・・・半透過領域
３９・・・遮光領域
４０・・・紫外線
４１・・・現像液
Ａ・・・着色画素間の画素間段差
Ｂ、Ｂ’・・・オーバーコート層形成後の画素間段差

Claims (5)

1. 透明基板上に赤色画素、緑色画素、青色画素からなる着色層、ブラックマトリクス及び透明保護層を備えるカラーフィルタ基板において、着色層上の透明保護層の膜厚が画素間で異なり、着色層上の透明保護層の最小膜厚と最大膜厚との差が０．２μｍ〜１．２μｍの範囲であることを特徴とするカラーフィルタ基板。
2. 前記赤色画素、緑色画素上の透明保護層の膜厚が、同じであることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ基板。
3. 前記赤色画素、緑色画素上の透明保護層の膜厚が、１．０μｍ〜２．５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ基板。
4. 前記着色層の膜厚が１．２μｍ〜３．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ基板。
5. 前記着色層上の感光性透明保護層の塗布膜を、階調マスクを介して露光し、現像して、画素間で膜厚の異なる透明保護層を形成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のカラーフィルタ基板の製造方法。

Images