JP2011075806A - カラー液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタの配置構造に拘わらず、表示領域の全域にわたり液晶層厚が確実に均一化されて表示領域の周辺に表示ムラが発生することの無いカラー液晶表示素子を提供する。
【解決手段】画素を区画する開口５１がマトリクス配置で形成されたブラックマスク５の各開口５１内にカラーフィルタ６を構成する赤、緑、青の各色要素６R、６G、６Bがはみ出すことなく充填され、各色画素（サブピクセル）Ｐr、Ｐg、Ｐbがマトリクス配置された表示領域Ｄ1を囲む周辺の額縁領域Ｄ2には、ダミーカラーフィルタ７が、表示領域Ｄ1と額縁領域Ｄ2との境界ラインＬから距離Ｃだけ離隔させて略全周にわたり配設され、これらダミーカラーフィルタ７、カラーフィルタ６を覆って平坦化保護膜８が被着されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、カラーフィルタを内蔵するカラー液晶表示素子に関する。

フルドットカラー表示を行う液晶表示装置では、特許文献１に示されるように、各絵素（ピクセル）を３つの画素(サブピクセル)に区分し、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の３原色に対応したカラーフィルタを構成する各色要素片をサブピクセル毎に配置したカラー液晶表示パネルが用いられる。また、カラー液晶表示パネルでは、漏れ光や各カラーフィルタ間での光の混色を防ぐために、表示領域の周辺領域（以下、額縁領域という）や表示領域内の各サブピクセル間を遮光するブラックマスクが設けられている。このブラックマスクは、通常、黒色顔料等を含有させたフォトレジスト樹脂材料を用いて製造される。

上述の液晶表示装置では、カラー液晶表示パネルによる画像表示を行った際に、このカラー液晶表示パネルの表示領域の周辺に表示ムラが発生することがあった。これは、基板上に形成されたブラックマスクの開口部にカラーフィルタの各色要素片を配置した後にこれらを覆って被着される平坦化保護層表面の、表示領域とその周囲の額縁領域との境界付近において、高さが不均一となる凹凸部分が発生するためである。

具体的に説明すると、表示領域には、各サブピクセルからブラックマスク上にはみ出したカラーフィルタの重なり部分が生じているため、その分表示領域における平坦化保護層の高さが高くなっているため、表示領域と額縁領域との境界付近では、表示領域から額縁領域に向かって平坦化保護層の高さが低くなる傾斜部分が発生してしまう。

液晶層を透過する光の色相に関与する因子であるリタデーション（光の位相差）は、透過光の屈折率異方性Δｎと液晶層厚ｄとの積Δｎ・ｄで表される。従って、平坦化保護層の高さが不均一になるということは、液晶層厚が不均一になることであり、これは透過光のリタデーションのばらつきを招き、表示ムラを発生させる原因となる。

そこで、特許文献２に示すように、平坦化保護層の高さを高くする要因となっているサブピクセル間のブラックマスクへのカラーフィルタのはみ出しを解消したカラー液晶表示装置が提案されている。

特開２００６−３３７５９０号公報 特開平８−３２７９９９号公報

しかるに、特許文献２に示されるようにサブピクセル間のブラックマスクへのカラーフィルタのはみ出しを解消しても、表示領域の周辺に表示ムラが発生することがあった。

本発明の目的は、カラーフィルタの配置構造に拘わらず、表示領域の全域にわたり液晶層厚が確実に均一化されて表示領域の周辺に表示ムラが発生することの無いカラー液晶表示素子を提供することである。

本発明の請求項１に記載されたカラー液晶表示素子は、表示の観察側に配置され、表面に第１の電極が形成された第１の基板と、前記第１の基板の電極形成面に対向させて配置され、対向面に第２の電極が形成された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板の対向する各電極形成面間に挟持された液晶層と、前記第１の電極と前記第２の電極との対向部に形成される複数の画素に対応させて前記第１の基板或いは前記第２の基板の何れかに配設されたカラーフィルタと、少なくとも、複数の画素に対応させてカラーフィルタが配設された表示領域を取り囲む周辺部に、配設された遮光膜と、前記周辺部の遮光膜上で、前記表示領域と前記周辺部との境界ラインから所定距離だけ離隔させた位置に、前記境界ラインに沿って前記カラーフィルタと同じ材料で配設されたダミーカラーフィルタと、前記遮光膜、前記カラーフィルタ、及び前記ダミーカラーフィルタを覆って被着形成された平坦化保護膜とを、有することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１のカラー液晶表示素子において、前記ダミーカラーフィルタ及び前記カラーフィルタを構成する各色要素片が、同一の矩形に形成され、前記ダミーカラーフィルタを前記境界ラインから離隔させる距離が、画素の幅方向においては１画素の幅の２倍に、画素の長さ方向においては１画素の長さに、それぞれ設定されている、を特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２のカラー液晶表示素子において、前記遮光膜が樹脂製ブラックマスクであること、を特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の内の何れかの請求項に記載のカラー液晶表示素子において、前記遮光膜が表示領域の各画素間にも配設され、前記カラーフィルタの各色要素片が遮光膜により区画された画素空間内にはみ出すことなく充填設置されていること、を特徴とするものである。

本発明によれば、表示領域から額縁領域との境界ラインを越えてその近傍にわたり液晶層厚が均一化されて表示領域の周辺に枠状の表示ムラが発生することの無いカラー液晶表示素子が得られる。

本発明の一実施形態としてのカラー液晶表示素子示す平面図である。 図１のII−II線断面図である。 前記カラー液晶表示素子の製造に使用するマスクを示した平面図であり、(ａ)はブラックマスクの製造に使用するマスクを、(ｂ)はカラーフィルタの製造に使用するマスクを、それぞれ示している。 (ａ)は本発明の一実施形態としてのカラー液晶表示素子における表示領域と額縁領域との境界部近傍での平坦化保護層表面の形状を誇張して示した拡大説明図で、(ｂ)は比較例としてのカラー液晶表示素子における(ａ)に対応する拡大説明図である。 従来のカラー液晶表示素子における表示領域と額縁領域との境界部近傍での平坦化保護層表面の形状を誇張して示した拡大説明図で、(ａ)は液晶注入前の空セル状態を示し、(ｂ)は液晶注入後の状態を示している。

本実施形態のカラー液晶表示素子は、単純マトリクス方式のＳＴＮ（スーパーツイステテッドネマテイック：Super Twisted Nematic）型カラー液晶表示素子であり、図２に示されるように、一対のガラス基板１、２のうちの表示の観察側に位置させる前ガラス基板１の内面（対向側表面）には、ストライプ状をなす複数条の走査電極３が互いに平行に敷設されている。走査電極３は、膜厚が０．２μｍ程度のＩＴＯ（indium tin oxide）等の透明導電膜からなる。そして、それら走査電極３を覆って、ポリイミド樹脂等の透明絶縁樹脂材料からなる前配向膜４が略全面にわたり一様に被着されている。

一方、前ガラス基板１とは反対側（表示の背面側）に配置される後ガラス基板２の内面には、遮光膜としてのブラックマスク５が積層形成されている。ブラックマスク５は、カーボンブラック等の黒色素剤を含有するポジタイプのフォトレジスト樹脂を材料とし、図３(ａ)に示すようなマスク版Ｍ5を用いたフォトリソグラフィーにより、１．４μｍ程度の膜厚でパターン形成されている。このように、ブラックマスク５を樹脂材料で形成することにより、複数の開口Ｍ51がマトリクス配置されたパターンのブラックマスクを少ない工数で容易に製造することができる。

ブラックマスク５にマトリクス配置で形成されている開口５１は１個の画素スペースを画定しており、各開口５１には、カラーフィルタ６を構成する赤、緑、青の各色要素片６R、６G、６Bがそれぞれ所定の配置で充填設置されている。本実施形態では、ブラックマスク開口５１に各色要素片６R、６G、６Bが充填されて形成されている各色画素（サブピクセル）Ｐr、Ｐg、Ｐbの列Ｒr、Ｒg、Ｒbが順繰りに並設されたストライプ配置が採用されている。即ち、矩形の各色画素Ｐr、Ｐg、Ｐbがマトリクス配置された平面外形が矩形をなす表示領域Ｄ1の行方向Ｘに各色画素（サブピクセル）Ｐr、Ｐg、Ｐbが順番に入れ替わって並び、列方向Ｙに同色の色画素（サブピクセル）Ｐr、Ｐg、Ｐbがそれぞれ１列に並んでいる。

ここで、各色要素片６R、６G、６Bは、対応する各開口５１内に、はみ出すことなく１．３μｍ程度の厚さに充填されており、したがって、ブラックマスク５の表面は、各色要素片６R、６G、６Bが充填された開口５１がマトリクス配置された表示領域Ｄ1からその周辺のブラックマスク材だけの額縁領域Ｄ2にわたる略全域が略平坦な面となっている。

上述のような色要素のはみ出しの無いストライプ配置のカラーフィルタ６は、図３(ｂ)に示すカラーフィルタ製造用マスク版Ｍ6を用いて、フォトリソグラフィーにより形成される。図３(ａ)に示したブラックマスク製造用マスク版Ｍ5の１列に並んだ開口Ｍ51に整合する開口Ｍ61の列が所定の配置で複数列形成されたマスク版Ｍ6を用い、フォトリソグラフィーにより１色ごとに前記マスク版Ｍ6をブラックマスクの開口５１の１列ピッチづつ正確にずらして各色要素片６R、６G、６Bを対応する開口５１内に充填することにより、容易に製造できる。この方法によれば、１枚のマスクＭ6を各色に共用するから、その分、コストが低減される。なお、各色要素片６R、６G、６Bの充填設置方法としては、フォトリソグラフィーに限らず、熱転写方法等も好適に用いられる。

そして、図１に示すように、ブラックマスク５の額縁領域Ｄ2に対応する領域つまりカラーフィルタ色要素片６R、６G、６B配置用の開口が設けられていない周辺エリアには、ダミーカラーフィルタ７が配設されている。本実施形態のダミーカラーフィルタ７は、表示領域Ｄ1のカラーフィルタ６と同様に赤、緑、青の３種類のダミー色要素片７R、７G、７Bからなり、表示領域Ｄ1と額縁領域Ｄ2との境界ラインＬから所定距離Ｃだけ離隔させ、額縁領域Ｄ2の略々全周にわたり前記境界ラインＬに沿って配設されている。

本実施形態のダミーカラーフィルタ７は、額縁領域Ｄ2の行方向Ｘに平行な一対のエリアにそれぞれ赤、緑、青の各ダミー色要素片７R、７G、７Bが順繰りに並ぶ一対のダミーカラーフィルタ行７１と、列方向Ｙに平行な一対のエリアにそれぞれ同色のダミー色要素片７R、７G、７Bの各列が１列づつ列方向Ｙに平行に３列並んだ一対のダミーカラーフィルタ列７２とで、構成されている。

ここで、ダミーカラーフィルタ７の境界ラインＬからの離隔距離Ｃは、行方向Ｘに１行に並んだダミーカラーフィルタ行７１と前記境界ラインＬからの離隔距離Ｃyは、矩形をなす１画素ｐの長さａに一対の画素間隙２ｃを加えた距離(ａ＋２ｃ)に設定されている。また、列方向に３列に並んだダミーカラーフィルタ列７２と前記境界ラインＬからの離隔距離Ｃxは、幅がｂの画素ｐの２列分の幅２ｂに画素間隙ｃを加えた距離(２ｂ＋ｃ）に設定されている。

ダミーカラーフィルタ７の製造に際しては、カラーフィルタ６を形成するマスクＭ6を用いて、それらと同じ工程でフォトリソグラフィー法により形成される。

したがって、図３(ｂ)に示すように、カラーフィルタ製造用マスクＭ6には、ダミーカラーフィルタ用開口Ｍ62が、ダミーカラーフィルタ７の配置に対応させて穿設されている。すなわち、一対のダミーカラーフィルタ行７１（図１参照）それぞれに対応させ、複数の行方向開口Ｍ62xが行方向Ｘに２画素の幅２ｂと３条の画素間隙３ｃを隔てて１列に穿設され、一対のダミーカラーフィルタ列７２それぞれに対応させ、複数の列方向開口Ｍ62yが列方向Ｙに１列に穿設されている。

カラーフィルタの製造工程においては、赤の各色要素片の形成が終了したら、上述のマスクＭ６を１画素列ピッチ分だけ行方向Ｘにずらし、この後、緑の色要素片を形成し、また緑の色要素片の形成が終了したら同様にマスクＭ６を１画素列ピッチ分だけ行方向Ｘにずらして青の色要素片を形成する。このようにして、１枚のカラーフィルタ用マスクＭ６を所定ピッチずらすだけの簡単なマスク操作により、カラーフィルタ６とダミーカラーフィルタ７を同時に少ない工数で形成することができる。

図２に示されるように、カラーフィルタ６及びダミーカラーフィルタ７を覆って表示領域Ｄ1から額縁領域Ｄ2にわたるブラックマスク５の略全面に、透明な平坦化保護膜８が被着されている。本実施形態の平坦化保護膜８は、印刷法によりアクリル樹脂を材料として２μｍ程度の厚さに塗布形成されている。

平坦化保護膜８の表面には、複数状の表示電極９が前記表示電極３に直交する方向に平行に延在敷設され、これら表示電極９を覆って後配向膜１１が被着されている。これら表示電極９及び後配向膜１１も、前述した走査電極３及び前配向膜４と同じ材料で同じ方法により形成されている。

上述の後ガラス基板２と前述した前ガラス基板１は、それぞれの電極形成面（内面）を対向させて、シール材１２により所定の間隙を保ち接合されている。この基板間には、多数の球形のギャップ材１３を均等に散布した状態で介在させてあり、前、後ガラス基板１、２間の間隙がギャップ材１３の粒径に対応する大きさに保持されている。

シール材１２と前、後ガラス基板１、２で囲まれたセル空間内には、周知の例えば真空注入法により液晶１４が注入され封止されている。本実施形態のカラー液晶表示素子は、ＳＴＮ型であるから、液晶分子のツイスト配向角度が２８０°程度と大きいネマティック液晶が封入されている。

以上のように形成された本実施形態のカラー液晶表示素子においては、図４(ａ)に示すように、前記ダミーカラーフィルタ７に対応してその配設エリア上方の後配向膜１１表面が盛り上がっている。ここで、前述したようにダミーカラーフィルタ７と表示領域Ｄ1との間に離隔距離Ｃが確保されているから、この離隔距離Ｃの領域内でダミーカラーフィルタ７上方の盛り上がり面とカラーフィルタ６上方の平坦面との段差Ｇ1が略解消され、表示領域Ｄ1に限ればその全域にわたり平坦な表面が確保されている。

その結果、表示領域Ｄ1の全域にわたり、両配向膜４、１１の平坦な表面により挟持された層厚が均一な液晶層１４が得られ、特にＳＴＮ型カラー液晶表示素子に生じ易い表示領域Ｄ1周辺に沿った枠状の表示ムラの発生が確実に防止される。

ここで、上述した所期の効果を得るのに、本発明によるダミーカラーフィルタ７の配置構成が有効である理由について説明する。

まず、本実施形態のカラー液晶表示素子からダミーカラーフィルタ７を除去した場合、図５(ａ)に示すように、ブラックマスク５の表示領域Ｄ1に対応するエリアには、マトリクス配置で形成されている開口５１内にカラーフィルタ６を構成する各色要素６R、６G、６Bがはみ出すことなく充填され、その表面は各色要素６R、６G、６B間のブラックマスク５先端が若干（０．１μｍ程度）突出する程度で略平坦である。したがって、ブラックマスク５の表面は、全域にわたり略平坦である。

しかるに、平坦なブラックマスク５表面に被着された平坦化保護膜８とこの上に形成された表示電極９を覆う配向膜１１の表面には、図５(ａ)に示すように、境界ラインＬの近傍で凹凸が生じている。この凹凸は、カラーフィルタ６とブラックマスク５及び平坦化保護膜８をそれぞれ形成する各樹脂材料の表面張力の相違に起因する。

本実施形態では、ブラックマスク５の材料としてカーボンブラックを分散させたアクリル性樹脂、カラーフィルタ６の材料としてフタロシアニン系の有機顔料分散型アクリル樹脂、平坦化保護膜８の材料としてアクリル樹脂を用いるから、カラーフィルタ６材料に対する平坦化保護膜８材料の接触角が、ブラックマスク５材料に対する平坦化保護膜８材料の接触角よりも小さい。つまり、平坦化保護膜８材料は、ブラックマスク５材料に対するよりもカラーフィルタ６材料に対して濡れ性（親和性）が良い。したがって、平坦化保護膜８材料はブラックマスク５材料側つまりカラーフィルタ６の無いブラックマスク５だけの額縁領域Ｄ2側に引き寄せられ、これが原因となって、図５(ａ)に示されるように境界ラインＬから額縁領域Ｄ2側に凹凸が発生する。

セル空間内に液晶を真空注入法により注入するには、一旦セル内を減圧した後、外圧を大気開放にして液晶を注入するが、上述した後配向膜１１の凹部１１１はキャップ材１３により支持されない浮いた状態であるため、大気開放により急激に外側から加圧されると、図５(ｂ)に示すように、局部的に間隙が狭くなる。その結果、境界ラインＬ近傍の液晶層厚が薄くなり、これが境界ラインＬに沿った表示ムラ（枠ムラ）を発生させる要因となる。

上述の後配向膜１１表面の凹凸を解消するため、図４(ｂ)に示すように、ダミーカラーフィルタ７を境界ラインＬに対し間隔を空けずに配設した場合、後配向膜１１のダミーカラーフィルタ７覆う部分の盛り上がり面とカラーフィルタ６を覆う部分の平坦面との段差Ｇ2が表示領域Ｄ1内に生じるため、この段差Ｇ2が境界ラインＬの内側に沿って枠ムラを発生させる要因となる。

上述した理由から、図４(ａ)に示すように、ダミーカラーフィルタ７の配設位置を境界ラインＬから所定距離Ｃだけ離隔させることにより、表示領域Ｄ1内での液晶挟持面の平坦性が確保され、枠ムラの発生が確実に防止される。ここで、各方向の離隔距離Ｃx、Ｃｙは、上述した寸法に限らず、ダミーカラーフィルタ７の高さや平坦化保護膜８、ブラックマスク５、及びカラーフィルタ６のそれぞれの材料物性とくに表面張力等に応じて最適に設定されるべきものであるが、過度に大きく確保すると表面張力による凹凸発生防止効果が希釈されるから、大略
２ｂ≦Ｃx＜６ｂ（ｂは１画素の幅）
ａ≦Ｃy＜３ａ（ａは１画素の長さでａ＜ｂ）
の範囲に設定されるのが好ましい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、表示領域Ｄ1の画素間にもブラックマスク５が格子状に配設されているが、画素間には隣り合うカラーフィルタ要素が重なり合っているだけでブラックマトリクスが設けられていないカラー液晶表示素子等にも、本発明は有効に適用される。

また、本発明は、単純マトリクス型のカラー液晶表示素子に限らず、アクティブマトリクス型のカラー液晶表示素子等、他の種々のカラー液晶表示素子に適用できることは、勿論である。

１ 前ガラス基板
２ 後ガラス基板
３ 表示電極
４ 前配向膜
５ ブラックマスク
６ カラーフィルタ
６R、６G、６B 色要素片
７ ダミーカラーフィルタ
７R、７G、７B ダミー色要素片
８ 平坦化保護膜
９ 走査電極
１１ 後配向膜
１１１ 凹部
１２ シール材
１３ ギャップ材
１４ 液晶

Claims (4)

1. 表示の観察側に配置され、表面に第１の電極が形成された第１の基板と、
   前記第１の基板の電極形成面に対向させて配置され、対向面に第２の電極が形成された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板の対向する各電極形成面間に挟持された液晶層と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との対向部に形成される複数の画素に対応させて前記第１の基板或いは前記第２の基板の何れかに配設されたカラーフィルタと、
   少なくとも、複数の画素に対応させてカラーフィルタが配設された表示領域を取り囲む周辺部に、配設された遮光膜と、
   前記周辺部の遮光膜上で、前記表示領域と前記周辺部との境界ラインから所定距離だけ離隔させた位置に、前記境界ラインに沿って前記カラーフィルタと同じ材料で配設されたダミーカラーフィルタと、
   前記遮光膜、前記カラーフィルタ、及び前記ダミーカラーフィルタを覆って被着形成された平坦化保護膜とを、有することを特徴とするカラー液晶表示素子。
2. 前記ダミーカラーフィルタ及び前記カラーフィルタを構成する各色要素片は、同一の矩形に形成され、前記ダミーカラーフィルタを前記境界ラインから離隔させる距離は、画素の幅方向においては１画素の幅の２倍に、画素の長さ方向においては１画素の長さに、それぞれ設定されていることを特徴とする請求項１に記載のカラー液晶表示素子。
3. 前記遮光膜は、樹脂製ブラックマスクであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のカラー液晶表示素子。
4. 前記遮光膜が表示領域の各画素間にも配設され、前記カラーフィルタの各色要素片が遮光膜により区画された画素空間内にはみ出すことなく充填設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れかの請求項に記載のカラー液晶表示素子。