JP2011107379A - カラーフィルタとその製造方法、及びそのカラーフィルタを用いた液晶表示パネル - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタを構成する複数の着色層がブラックマトリクス上で互いに延出して重なり合う場合に、ブラックマトリクスと着色層とを覆う透明電極層にクラックを発生させないカラーフィルタを提供すること。
【解決手段】透明な基板１と、該基板上に設けられた、開口部を有するブラックマトリクス２と、該開口部の各々に配置された色画素を構成する複数の着色層３と、前記ブラックマトリクスと前記着色層とを覆う透明電極層４とを有し、隣り合う２以上の着色層がブラックマトリクス表面上に延出して互いに重なり合う重なり部を有するカラーフィルタであって、前記重なり部の延出端部上を含むブラックマトリクス上の領域の一部を前記透明電極を設けない領域４ｎとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に使用されるカラーフィルタとその製造方法、及びそれを用いた液晶表示パネルに関する。

カラー液晶表示装置は、コンピュータ端末やテレビ画像表示を中心に、多色カラー表示に必要な薄型軽量の表示装置として、急速に普及が進んでいる。カラー液晶表示装置を構成する主要部である液晶表示パネルとして種々の構成が提案されており、アクティブマトリクス駆動タイプのＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）方式やＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式の表示装置用の液晶表示パネルが一般的に多用されている。

前記ＴＮ方式やＶＡ方式の多色カラー表示装置用の液晶表示パネルは、そのセル構成を説明するための断面模式図である図２に示すように、液晶６を挟む２枚の基板１のそれぞれに設けた電極により多色の画素分割駆動して表示する構造を有している。カラーフィルタ（ＣＦ）側の構造は、透明な基板１上に遮光性を与えるブラックマトリクス２と、その開口部を選択的に埋めて色画素を構成する着色層（赤）３ｒや着色層（青）３ｂや着色層（緑）等の着色層とを設け、それらの有効領域全体を覆う共通電極層として透明電極層４を設け、さらにその上に液晶配向膜（ＣＦ側）５ａが覆う構成となっている。また、液晶６を挟んで対向する基板上には、画素電極層７を液晶配向膜（画素電極側）５ｂが覆う構成となっている。画素電極層７は、簡略化して示してあり、画素選択のためのスイッチング素子を含む構造を広く指している。また、図示していないが、前記２枚の基材１に挟まれたセル構造の外に、偏光板や照明用部材等が多様な形態で存在する。

一方、特に小型のカラー液晶表示装置の高精細化を実現するために、画素の狭ピッチ化とブラックマトリクス（ＢＭ）の線幅の細線化が進んでいる。従来には、ＢＭ上にオーバーラップする着色層は、隣り合う異なる色の着色層と重なるまで延出することは少なく、ＢＭの線幅内で隣の着色層とギャップを隔てて配置されることが多かったが、ＢＭの細線化に伴い、ＢＭ上で異なる着色層が重なることを許容する設計がなされるようになり、図２のように、ＢＭ上で比較的大きな凹凸を伴う断面形状を呈することが生じやすい。

前記液晶表示パネルの構造において、パネルの表示品質を高く維持する上で、カラーフィルタ表面を平坦化することが好ましい。従って、上述のようにＢＭ上で異なる着色層が重なることを許容する場合は、重なり部分を後工程で研磨したり、重なり部分を構成する着色層の端部をＢＭ面に対して緩やかな傾斜を持たせる工夫などにより、表面の凹凸の悪影響を軽減した（特許文献１参照）。

特開２００６−２２７２９５号公報

カラーフィルタの着色層がブラックマトリクス上で延出して異なる着色層同士が重なり合い、表面の凹凸を生じ易いことは、上述の対策をもってしても完全には避けられない。まして、色画素の配列の形態によっては、２つの着色層の重なりのみならず、３つの着色
層の重なりも発生し、盛り上がりが大きくなる。また、重なり部の盛り上がりが大きくなった着色層の延出端部には微小な凹部も発生し易い。

このような表面の凹凸を有する着色層の有効領域全体をブラックマトリクスも含めて覆う共通電極層としての透明電極層を形成すると、その製造工程の途中または、透明電極層形成後の熱処理等の工程において、透明電極層にクラックが発生することがある。クラックは、ブラックマトリクス表面の着色層の重なり部に生じた起点からブラックマトリクス開口部の色画素面上にまで容易に延長増大することが多く、透明電極層に発生するクラックを有するカラーフィルタを液晶表示パネルに組み込むと、液晶配向駆動に不均一が生じ、表示不良を引き起こす。

本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、カラーフィルタを構成する複数の着色層がブラックマトリクス上で互いに延出して重なり合う場合に、ブラックマトリクスと着色層とを覆う透明電極層にクラックを発生させないカラーフィルタとその製造方法を提供することである。また、本発明が解決しようとする他の課題は、液晶配向駆動の不均一による表示不良を回避できる液晶表示パネルを提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、透明な基板と、該基板上に設けられた、開口部を有するブラックマトリクスと、該開口部の各々に配置された色画素を構成する複数の着色層と、前記ブラックマトリクスと前記着色層とを覆う透明電極層とを有し、隣り合う２以上の着色層がブラックマトリクス表面上に延出して互いに重なり合う重なり部を有するカラーフィルタであって、
前記重なり部の延出端部上を含むブラックマトリクス上の領域の一部を前記透明電極を設けない領域とすることを特徴とするカラーフィルタである。

また、請求項２に記載の発明は、前記重なり部の延出端部上の一部の前記透明電極を設けない領域の１箇所の面積を２０〜５０μｍ^２としたことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタである。

また、請求項３に記載の発明は、前記重なり部の延出端部上の一部に前記透明電極を設けない領域を形成する方法として、透明電極層形成後にフォトリソグラフィ法とエッチング法によりパターン形成することを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタの製造方法である。

また、請求項４に記載の発明は、前記重なり部の延出端部上の一部に前記透明電極を設けない領域を形成する方法として、透明電極層形成前のフォトリソグラフィ法と透明電極層形成後のリフトオフ工程によりパターン形成することを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタの製造方法である。

また、請求項５に記載の発明は、液晶を挟む２枚の基板のそれぞれに設けた電極により多色駆動表示する液晶表示パネルであって、多色表示のための電極付き基板として、請求項１または２に記載のカラーフィルタを用いたことを特徴とする液晶表示パネルである。

本発明により、
カラーフィルタを構成する複数の着色層がブラックマトリクス上で互いに延出して重なり合う形態のカラーフィルタであっても、ブラックマトリクスと着色層とを覆う透明電極層にクラックを発生させないカラーフィルタを容易に提供することができる。また、デジタ
ルスチルカメラの液晶表示パネルのように、微細化したデルタ配列の色画素で画像を表現する場合にも、液晶配向駆動の不均一による表示不良を回避できる液晶表示パネルを提供することができる。

本発明のカラーフィルタの平面配置を説明するための平面模式図である。 従来の液晶表示パネルのセル構成を説明するための断面模式図である。 本発明の液晶表示パネルのセル構成を説明するための断面模式図である。 着色層の重なり部の形状を説明するための断面拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に従って説明する。
図１は、本発明のカラーフィルタの平面配置を説明するための平面模式図である。図面を記載する紙面と平行に配した透明な基板１（図示せず）上に、太い実線の直線に挟まれる領域の線幅を有して縦横に連なるブラックマトリクス２を形成する。ブラックマトリクス（ＢＭ）２は、液晶表示パネルの各画素間を遮光して仕切ることにより、表示品質を高めることができるものであって、カーボン等の遮光性の顔料を含む感光性樹脂を塗布後に露光、現像するフォトリソグラフィー法により、あるいは金属や金属酸化物等の無機薄膜を成膜後にフォトリソグラフィ法とエッチング法により、パターン形成することができる。

次に、前記ＢＭ２の開口部となる孤立した各領域を色画素として選択的に配列して、例えば、赤、緑、青の３色を繰り返す複数の着色層３で開口部全体を埋め尽くす。図では、着色層３の配置例に従って、各色の着色層を着色層（赤）３ｒ、着色層（緑）３ｇ、着色層（青）３ｂ、とする。これらの着色層は、顔料に所望の着色顔料を用いて、前記ＢＭで説明した第一の製法例と同様に、顔料を含む感光性を有する透明樹脂によるフォトリソグラフィー法により形成できるが、各色画素の配置とＢＭの位置合わせ精度を考慮して、通常は、ＢＭ線幅の一部をオーバーラップさせて開口部に隙間を作らないようにする。また、画素が狭ピッチ化しＢＭの細線化が進むと、後述のように、異なる隣り合う２以上の着色層がＢＭ表面上に延出して互いに重なり合う重なり部を有するような設計も行われる。

前記ブラックマトリクス２と前記着色層３との全体を透明電極層４（図示せず）で覆う。透明電極層４は、ＩＴＯ（インジウム・錫・酸化物）等の薄膜で形成し、スパッタリング法や真空蒸着法等の一般的な薄膜形成方法が利用される。但し、特徴的であることには、透明電極層中の透明電極を設けない領域４ｎを、後述のように設ける。

図１において、ブラックマトリクス２の線幅を示す太い実線に挟まれる部分の中央部に破線で挟まれた領域が、前記異なる着色層が重なる領域を示す。この領域は、隣り合う２以上の着色層がＢＭ表面上に延出して互いに重なり合う重なり部であって、このような重なり部の詳細を図４の着色層の重なり部の形状を説明するための断面拡大図で示す。

図４に示すとおり、基板１上のブラックマトリクス２のパターン上に乗り上げて、例えば着色層（赤）３ｒが先ずパターン形成され、その後、着色層（青）３ｂが延出端部を前記着色層（赤）３ｒの延出端部に乗り上げて重なるようにパターン形成されることにより、異なる着色層の重なり部８が生じる。ＢＭの厚さにより程度は異なるが、通常は、材料の塗布と硬化の特性に従って、この領域が全体に盛り上がるとともに、微小な凹部９が形成される。

このような表面の凹凸を有する着色層の有効領域全体をブラックマトリクスも含めて覆う共通電極層としての透明電極層をＩＴＯ等の薄膜で形成すると、その製造工程の途中または、透明電極層形成後の熱処理等の工程において、透明電極層にクラックが発生するこ
とがある。この現象は、有機樹脂膜よりなる着色層を覆う無機薄膜の透明電極層が膜のストレスを解放する結果と見られており、特に無機薄膜の下地の有機層の微小な凹凸を起点として発生しやすい傾向が認められる。透明電極層を成膜するスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成工程の成膜条件により膜のストレス（内部応力）をできるだけ緩和して、クラックを低減することもある程度可能である。しかし、透明電極層の優れた電気的光学的特性とクラックの完全防止とを両立させる条件を選択することは難しい。

前記クラックは、ブラックマトリクス表面の着色層の重なり部上の透明電極層に生じた起点からブラックマトリクス開口部の色画素面上の透明電極層にまで容易に延長増大することが多く、透明電極層に発生するクラックを有するカラーフィルタを液晶表示パネルに組み込むと、液晶配向駆動に不均一が生じ、表示不良を引き起こす。従って、前記起点となるクラックを発生させないことが透明電極層を有するカラーフィルタの製造上で特に重要である。

本発明は、カラーフィルタを構成する複数の着色層がブラックマトリクス上で互いに延出して重なり合う場合に、ブラックマトリクスと着色層とを覆う透明電極層にクラックの起点を発生させないことを主眼とするものである。具体的には、図１に示す本発明のカラーフィルタの平面配置を説明するための平面模式図において、図示されてはいないがブラックマトリクスと着色層との全面を覆っている透明電極層（共通電極層）の中で、各着色層の重なり部の中でも特に重なりの大きい部分のみ、太い実線の円で表すように、選択的に透明電極を設けない領域４ｎとして形成する。前記透明電極を設けない領域４ｎは、ブラックマトリクス２上の領域の中にあって、隣り合う２以上の着色層がＢＭ表面上に延出して互いに重なり合う破線で挟まれた重なり部の一部を含む領域である。

図３は、本発明の液晶表示パネルのセル構成を説明するための断面模式図である。
カラーフィルタ側の断面が、図２の従来の構成と異なることを示しており、透明電極層中の透明電極を設けない領域４ｎを点線の破線で示す。この部分は、図１の平面模式図において太い実線の円で示した透明電極を設けない領域４ｎに対応しており、透明電極層４がＢＭ上の一部で存在しないことを示し、また、その透明電極を設けない領域４ｎが、図４に示した着色層の凹部９などの重なり部８の延出端部上を含むＢＭ上の領域の一部であることを示す。

なお、前記透明電極層中の透明電極を設けない領域４ｎは、カラーフィルタに付与されるべき共通電極層としての機能を損なわない範囲で、透明電極層に発生しやすいクラックの起点を与えないための予防措置として形成されるものであって、ブラックマトリクス上に離散的に前記領域４ｎを形成しても、各色画素に対する液晶の光シャッター機能は電気的にも光学的にも影響されない。

上述の意味から、前記透明電極層中の透明電極を設けない領域４ｎは、前記着色層の重なり部の延出端部上を含むブラックマトリクス上の領域の一部で、光シャッター機能に影響を与えない範囲であって、かつ、クラックの起点となることを避ける充分なサイズを有することが望ましい。前記領域４ｎの平面形状は特に限定されないが、円形を代表例として、比較的等方的な正多角形に近い形状が望ましい。円形の場合には、直径４μｍから１０μｍの範囲が望ましく、さらに好ましくは、直径５〜８μｍ程度が最適である。一般化した形状を１箇所の面積で規定すれば、２０〜５０μｍ^２程度が好ましい。

前記重なり部の延出端部上の一部に前記透明電極を設けない領域４ｎを形成する方法を以下に説明する。最も一般的な方法は、前記透明電極層を上述のスパッタリング法等の薄膜形成工程により成膜した後に、フォトリソグラフィ法とエッチング法により、所望の領域のみの透明電極層を除去するようにパターン形成する。

例えば、ブラックマトリクスと着色層パターンとを形成済みのカラーフィルタの清浄表面にＩＴＯ膜を約１００ｎｍの厚さに均一にスパッタ成膜した後、ポジタイプの感光性樹脂を０．８μｍ厚程度に塗布し、透明電極を設けない領域４ｎに対応する部分のみ透光性で他の領域は遮光性としたフォトマスクを用いて露光し、アルカリ現像する。光照射された部分が現像工程でフォトレジストが溶解して開口部となり、次のエッチング工程でシュウ酸により、開口部に露出したＩＴＯを選択除去することができる。最後に、残されたフォトレジストを珪酸塩を含んだ剥膜液で剥膜して透明電極層のパターン形成ができる。上記ＩＴＯ膜のエッチング工程とフォトレジストの剥膜工程とは、一般的なドライエッチングプロセスを適用してドライ環境で行うことも可能である。なお、図１に示す着色層の配置例で、透明電極を設けない領域４ｎは、各着色層の４隅のブラックマトリクス上の交点部分毎に直径６μｍの円形状に形成した。

前記重なり部の延出端部上の一部に前記透明電極を設けない領域４ｎを形成する他の方法は、リフトオフ方式を用いる方法である。すなわち、透明電極層の成膜をする前に、前記方法とは逆のネガタイプの感光性樹脂を用い、前記と同様のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ法により、透明電極を設けない領域４ｎに対応する部分のみに残る光硬化性のフォトレジストパターンを厚さ約２．０μｍに形成する。その後、前記フォトレジストパターンを覆うように、前記と同様のＩＴＯ膜を成膜し、最後に、フォトレジストの剥膜工程と類似のリフトオフ工程を行い、残留フォトレジストとその上のＩＴＯ膜を同時に溶解または剥離する。リフトオフ工程に使用する液はネガタイプの感光性樹脂の現像液、例えば前記着色層の現像液と同様に水酸化ナトリウムを含む現像液を使用できる。なお、図１に示す着色層の配置例で、透明電極を設けない領域４ｎは、各着色層の４隅のブラックマトリクス上の交点部分毎に直径６μｍの円形状に形成した。

なお、カラーフィルタにＰＳ（フォトスペーサ、またはポストスペーサ）と称される固定スペーサを用いる場合は、ＰＳの先端部が対向側の基板表面と接触するため、前記透明電極層の上にＰＳを形成して電気的な短絡を防ぐ構造としなければならない。しかし、本発明のカラーフィルタで、上記のように、透明電極を設けない領域４ｎを、各着色層の４隅のブラックマトリクス上の交点部分毎に設ける設計であれば、透明電極層を形成する前に、各着色層の４隅のブラックマトリクス上の交点部分に選択的にＰＳを設けることが可能となる。このことは、着色層を形成する樹脂を扱う製造工程に引き続いて弾性特性を最適化した樹脂からなるＰＳを形成する製造工程を採用できるので、工程上の効率を高めるという新たな利点を生む。

次に、本発明のカラーフィルタを用いた液晶表示パネルは、透明電極層４を選択的に設けたカラーフィルタに、図３の断面図に示すように、ポリイミド等の液晶配向膜（ＣＦ側）５ａを塗布して配向処理を施してから、対向基板との間に液晶を挟むセル化工程を行って、作製される。透明電極層中の透明電極を設けない領域４ｎ上に塗布される液晶配向膜（ＣＦ側）５ａは、他の部分とは異なる下地を有するので、フレキソ印刷等の塗布条件とラビング等の配向処理の条件は、個々に最適化が必要である。

本発明のカラーフィルタを用いた液晶表示パネルは、前記基材１に挟まれた構造外にも、偏光板や保護膜や照明用部材等が多様な形態で存在する。また、前記液晶表示パネルの製造工程は、最近の液晶滴下方式（ＯＤＦ）のセル化工法に代表されるように、スペーサ配置方法の開発も伴う多種の方法が可能である。上記の液晶表示パネル作製に係る材料および方法の改良は、一般に、本発明のカラーフィルタを用いない場合と同様に適用できる。

１・・・基板
２・・・ブラックマトリクス（ＢＭ）
３・・・着色層
３ｒ・・着色層（赤）
３ｇ・・着色層（緑）
３ｂ・・着色層（青）
４・・・透明電極層（共通電極層）
４ｎ・・透明電極層中の透明電極を設けない領域
５ａ・・液晶配向膜（ＣＦ側）
５ｂ・・液晶配向膜（画素電極側）
６・・・液晶
７・・・画素電極層
８・・・異なる着色層の重なり部
９・・・凹部

Claims (5)

1. 透明な基板と、該基板上に設けられた、開口部を有するブラックマトリクスと、該開口部の各々に配置された色画素を構成する複数の着色層と、前記ブラックマトリクスと前記着色層とを覆う透明電極層とを有し、隣り合う２以上の着色層がブラックマトリクス表面上に延出して互いに重なり合う重なり部を有するカラーフィルタであって、
   前記重なり部の延出端部上を含むブラックマトリクス上の領域の一部を前記透明電極を設けない領域とすることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 前記重なり部の延出端部上の一部の前記透明電極を設けない領域の１箇所の面積を２０〜５０μｍ^２としたことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 前記重なり部の延出端部上の一部に前記透明電極を設けない領域を形成する方法として、透明電極層形成後にフォトリソグラフィ法とエッチング法によりパターン形成することを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタの製造方法。
4. 前記重なり部の延出端部上の一部に前記透明電極を設けない領域を形成する方法として、透明電極層形成前のフォトリソグラフィ法と透明電極層形成後のリフトオフ工程によりパターン形成することを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタの製造方法。
5. 液晶を挟む２枚の基板のそれぞれに設けた電極により多色駆動表示する液晶表示パネルであって、多色表示のための電極付き基板として、請求項１または２に記載のカラーフィルタを用いたことを特徴とする液晶表示パネル。

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