JP2011209747A - ブラックマトリックス基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多面付けパターンを形成したブラックマトリックス層を有するブラックマトリックス基板の製造方法において、顔料を分散させた液状の感光性樹脂組成物をスピン塗布するときに、塗布不良を生じないブラックマトリックス基板の製造方法を提供する。
【解決手段】透明基板上にブラックマトリックス層１２を形成したブラックマトリックス基板１０の製造方法であって、前記ブラックマトリックス層１２が複数の表示部を有する多面付けで形成されており、前記ブラックマトリックス層１２の画素開口部１３が矩形状もしくは略矩形状もしくは矩形以外の多角形状であり、前記画素部開口部１３の面積Ｐa（μｍ²）と面付け間隔Ｐｄ（μｍ）とを求め、その関係を示す値Ｐa／Ｐｄ（μｍ）が、下記の式（1）を満たすことを特徴とする。（１）１．０μｍ≦Ｐa／Ｐｄ
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーの液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス（以後、有機ＥＬと記す。）表示装置等に用いられる表示装置用カラーフィルタまたはモノクロフィルタのブラックマトリックス基板の製造方法に関するものである。

近年、フラットディスプレイとして、カラーの液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置が注目されており、これらの表示装置にはカラーフィルタが用いられている。例えば、カラー液晶表示装置には、一例として、透明基板上に遮光性の高いブラックマトリックス層を形成し、その上に複数の着色パターン（通常、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色）からなる着色層を設けたカラーフィルタと、そのカラーフィルタ上に透明電極および配向層を備えた基板と、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ素子）、画素電極および配向層を備えた対向電極基板と、これら両基板を所定の間隙をもたせて対向させ、シール部材で密封して、上記間隙に液晶材料を注入して形成された液晶層とから概略構成された透過型の液晶表示装置がある。また、上記のカラーフィルタの基板と着色層との間に反射層を設けた反射型の液晶表示装置もある。

ブラックマトリックス層は、発色効果や表示コントラストを上げるために、着色パターンのＲ、Ｇ、Ｂの各画素の境界部分に形成される。また、アクティブマトリックス方式の液晶表示装置では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）をスイッチング素子として用いているため、光リーク電流を抑制する必要がある。このため、ブラックマトリックス層に対してより高い遮光性が要求されている。

従来、カラーフィルタを製造するためのブラックマトリックス基板としては、透明基板上に、クロム等の金属または金属化合物の薄膜をフォトエッチングしてブラックマトリックス層を形成したもの、親水性樹脂レリーフを染色してブラックマトリックス層としたもの、黒色顔料等を分散した感光樹脂組成物を用いてブラックマトリックス層を形成したもの、黒色電着塗料を電着してブラックマトリックス層を形成したもの、印刷によりブラックマトリックス層を形成したもの等がある。

上記のブラックマトリックス基板の中でも、金属または金属化合物の薄膜よりなるブラックマトリックス基板は、高品質、高精度のパターン形成が可能なのでカラーフィルタに広く用いられている。このブラックマトリックス基板の製造には、基板上にブラックマトリックス層の材料としてのクロム、酸化クロム等の金属、もしくは金属化合物を薄膜状に成膜し、成膜された薄膜上に、例えば、ポジ型のフォトレジストを用いてレジストパターンを形成し、次に、成膜された金属薄膜の露出部分をエッチングし、次いでレジストパターンを剥膜し、クロム、酸化クロム等の金属薄膜からなるブラックマトリックス層が形成される。また、近年、黒色顔料等を分散した感光樹脂組成物を用いて形成されたブラックマトリックス基板は、遮光性に加え体積抵抗を高くすることが可能なので、そのような特性が求められる液晶表示方式等に使用されている。樹脂によるブラックマトリックス基板は、ガラス基板上に黒色顔料等を分散した感光樹脂組成物を塗布し、所定のパターンで露光し、現像するという、いわゆるフォトリソグラフィ法により形成される。

カラーフィルタの着色パターンの代表的な形成方法は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂからなる顔料をそれぞれ分散した液状の各色の感光性樹脂組成物を、順次、上記のブラックマトリックス基板上に塗布し、所定のパターンで露光し、現像するという、いわゆるフォトリソグラフィ法により形成される。このカラーフィルタの形成においては、生産効率を高め製造コストを低減するために、通常、表示部の絵柄を同一の基板上に複数設けた多面付けカラーフィルタ基板が用いられている。多面付けカラーフィルタ基板は、通常、同じく多面付けされたＴＦＴ基板と貼り合わされて、個別の液晶パネルに切断される。

上述したカラーフィルタの着色パターンの形成工程において、着色した液状の感光性樹脂組成物の塗布方法としては、スピン塗布法、ロール塗布法、ダイ塗布法、ナイフ塗布法、エクストルージョン塗布法、ビード塗布法、インクジェット法等の種々の塗布方法が用いられている。これらの塗布方法の中で、スピン塗布法は比較的簡易な装置で塗布可能であり、塗布法としての使用実績が長いため、広く用いられている。
スピン塗布法は、例えば、矩形の被塗布基板を塗布ユニットに搬入してスピンチャックに装着し、基板が静止した状態で、塗布ノズルから基板の略中心に液状の感光性樹脂組成物を吐出し、その後、スピンチャックにより基板を回転し、遠心力によって感光性樹脂組成物を基板表面に広げ、基板上に感光性樹脂組成物の塗布膜を形成している。
スピン塗布法は、塗布材料である感光性樹脂組成物の使用効率が１０％程度と低く、高価な感光性樹脂組成物を無駄にしないために、吐出する液状の感光性樹脂組成物の量をできるだけ少なくし、かつ基板上に均一に塗布する必要がある。そのために、少ない塗布液量で均一に塗布する塗布装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１１３２１７号公報

しかしながら、従来の多面付けのブラックマトリックス基板を用い、少ない塗布液量で顔料を分散させた液状の感光性樹脂組成物（例えば、塗布液粘度：２〜１５ｃｐｓ、表面張力：２５〜３０ｍＮ／ｍ、固形分：１５〜２５％）をスピン塗布するときに、ブラックマトリックス基板の表面にブラックマトリックス層が形成されているため、その影響で液状の感光性樹脂組成物が真円状に拡散していかず、回転塗布時にしばしば塗り残しを生じたりする問題があった。一方、塗り残しを避けるために、塗布液量を多くすると、感光性樹脂組成物の使用量が増えるという問題だけでなく、液状の感光性樹脂組成物が基板の裏面に回り込みをして、感光性樹脂組成物が裏面に残存し、次工程以降の不良の原因になるという問題があった。
上記の塗り残し不良は、塗布不良を生じた基板を再洗浄し、高価な感光性樹脂組成物の塗布液量を増やして再塗布しなければならず、製造コスト増大を伴い、製品納期管理の上でも問題となっていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多面付けパターンを形成したブラックマトリックス層を有するブラックマトリックス基板を用いたカラーフィルタまたはモノクロフィルタの製造において、顔料を分散させた液状の感光性樹脂組成物を少ない塗布液量でスピン塗布するときに、塗布不良を生じないブラックマトリックス基板の製造方法を提供するものである。

本発明は、ブラックマトリックス層の画素開口部の幅が狭いと、しばしば塗り残し塗布不良が生じるという問題があり、また、面付け間隔が広くても塗り残し塗布不良が生じ易いという問題があり、ブラックマトリックス層の表示部の絵柄により塗布不良の発生度合いが異なることに着目し、塗り残し塗布不良の生じないブラックマトリックス基板の適正条件を定めたものである。

請求項１の発明は、 表示装置用カラーフィルタまたはモノクロフィルタに用いられ、透明基板上にブラックマトリックス層を形成したブラックマトリックス基板の製造方法であって、前記ブラックマトリックス層が複数の表示部を有する多面付けで形成されており、前記ブラックマトリックス層の画素開口部が矩形状もしくは略矩形状もしくは矩形以外の多角形状であり、前記画素部開口部の面積Ｐa（μｍ² ）と面付け間隔Ｐｄ（μｍ）とを求め、その関係を示す値Ｐa／Ｐｄ（μｍ）が、下記の式（1）を満たすことを特徴とする。
（１） １．０μｍ≦Ｐa／Ｐｄ

請求項２の発明は、請求項１に記載のブラックマトリックス基板の製造方法において、前記ブラックマトリックス層が、金属および／または金属化合物を材料とした薄膜、または黒色顔料を有する樹脂材料より構成されていることを特徴とするブラックマトリックス基板の製造方法である。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のブラックマトリックス基板の製造方法において、前記ブラックマトリックス層の厚さは、０．０６μｍ〜２．０μｍの範囲であることを特徴とするブラックマトリックス基板の製造方法である。

本発明によれば、ブラックマトリックス層の画素開口部の面積と面付け間隔との関係を示す値が一定の数値以上のブラックマトリックス基板を提供することにより、液状の着色感光性樹脂組成物をスピン塗布する際に、塗布液量を増やすことなく安定した液量で塗り残しのない塗布が可能となる。

図１（ａ）は、本発明のブラックマトリックス基板の上面外観図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるブラックマトリックス基板の一部を拡大した模式図である。 本発明のブラックマトリックス基板の表示部の絵柄が４面付けの場合の上面外観図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１（ａ）は、透明基板１１上に金属および／または金属化合物薄膜を材料として形成されたブラックマトリックス層１２を有するブラックマトリックス基板１０の上面外観図である。図１（ａ）では、表示部の絵柄が２面付けされた場合のブラックマトリックス基板１０を例示しており、面付け間隔をＰｄとしている。

ブラックマトリックス層が３面付けの場合は、透明基板の長手方向に等間隔の面付け間隔でブラックマトリックス層が形成される。図２は、ブラックマトリックス基板２０のブラックマトリックス層２２の表示部の絵柄が４面付けの場合の上面外観図である。４面付け以上の場合には、図２に示すように透明基板２１の横方向と縦方向の双方に面付けされる。本発明においては、図２に示す、横方向の面付け間隔Ｐｄｘと縦方向の面付け間隔Ｐｄｙは、同じ値でもよいし、または異なっていてもよい。本発明においては、Ｐｄｘ、Ｐｄｙの場合を含めて、Ｐｄとして扱うものである。

以下、図１の２面付けの場合を例に説明する。
透明基板１１としては、通常、表示装置用カラーフィルタに用いられる無アルカリガラス基板、石英ガラス基板等が用いられる。本発明においては、ガラスの大きさは、ガラス基板の略中央部に感光性樹脂組成物溶液を吐出するいわゆる中央ディスペンスによるスピン塗布法が適用可能な大きさが好ましい。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるブラックマトリックス層１２の一部を拡大した模式図であり、格子状に細分化したブラックマトリックス層１２から露出している透明基板１２の微小単位が画素開口部１３となり、各画素開口部１３は矩形状もしくは略矩形状もしくは矩形以外の多角形状をなすものである。本発明において略矩形状としては、開口部の四隅がカットされた形状、あるいは四隅が丸みを有する形状、あるいは四隅の一部が凹部や凸部に変形している形状、あるいは横電界方式の液晶表示装置に用いられるような矩形を屈曲させた形状を含み、また、開口部を形成する辺に凹凸がある形状をも含むものである。画素開口部１３は、ｘ方向に幅Ｐｘ、ｙ方向に幅Ｐｙの寸法で多数配列している。

上記のブラックマトリックス層１２の線幅は約６〜５０μｍが好ましく、各格子に囲まれる画素開口部１３の大きさは、通常、短寸法であるｘ方向は約４０〜１５０μｍ程度が好ましく（したがって、ｘ方向の画素ピッチは約４６〜２００μｍ）、長寸法であるｙ方向は約１２０〜４５０μｍ程度（したがって、ｙ方向の画素ピッチは約１２６〜５００μｍ）が好ましい。

本発明においては、ブラックマトリックス層１２の画素部開口部１３の面積Ｐa（μｍ² ）と面付け間隔Ｐｄ（μｍ）との関係を示す値Ｐa／Ｐｄ（μｍ）が、下記の式（1）を満たすことにより、液状の着色感光性組成物をスピン塗布する際に、塗布液量を増やすことなく安定した液量で塗り残しのない塗布が可能となるものである。
（１） １．０μｍ≦Ｐa／Ｐｄ
式（１）において、Ｐa／Ｐｄが１．０μｍ未満であると、塗布液量を増やさないと塗り残しが生じてしまい塗布不良となる。画像の高精細化に伴い、画素開口部はより小さくなる技術傾向にあり、それに応じてＰａもより小さい値となる。面付け間隔を調整することで、Ｐa／Ｐｄを１．０μｍ以上とし、塗布液量を増やさず、塗り残しを防ぐことが可能となる。しかし、Ｐａに関しては、想定される画素面積、Ｐｄに関しては、後の工程での切断加工を想定すると、Ｐa／Ｐｄの値は３０μｍ以下であることが好ましい。

本発明において、画素開口部１３が小さくなると、ブラックマトリックス基板１０表面の単位面積あたりの凹凸による障壁が多くなり、液状の感光性樹脂組成物は塗布しづらくなり、さらに、面付け間隔Ｐｄが広がると、液状の感光性樹脂組成物はブラックマトリックス層１２の遮光膜のないガラス基板表面の上を優先的に広がって流れ落ちてしまい、塗布しづらくなるからであるが、Ｐa／Ｐｄの値を式（１）の範囲とすることにより、塗布液量を増やすことなく安定した液量で塗り残しのない塗布が可能となるものである。

本発明においては、ブラックマトリックス層１２としては、クロム等の金属または金属化合物の薄膜をフォトエッチングしてブラックマトリックス層を形成したもの、カーボンブラック等の黒色顔料を分散した感光樹脂組成物を用いてブラックマトリックス層を形成したもの、黒色電着塗料を電着してブラックマトリックス層を形成したもの等が用いられるが、膜厚を薄くしても遮光性の高い金属または金属化合物の薄膜によるブラックマトリックス層がより好ましい。

本発明において、ブラックマトリックス層１２として金属および／または金属化合物薄膜を用いる場合には、遮光膜材料として実績が高く、薄膜成膜やその高精度パターンエッチングが比較的容易なクロム、クロム酸化物、クロム窒化物、クロム弗化物、クロム酸化窒化物、クロム酸化炭化物、クロム酸化窒化炭化物から選ばれた１層または２層以上からなる薄膜が好ましい。金属としてのクロムの反射率を低減したい場合には、クロムと共に上記のいずれかのクロム化合物を併用し、クロム／クロム化合物の２層薄膜あるいはクロム化合物／クロム／クロム化合物の３層薄膜とするのが好ましい。上記のクロム等の金属および／または金属化合物薄膜は、真空蒸着法、スパッタリング法等の真空成膜法により形成される。

本発明において、ブラックマトリックス層１２の厚さとしては、０．０６μｍ〜２．０μｍの範囲であるのが好ましい。０．０６μｍ未満であると、光学的な黒濃度が不足するからであり、一方、２．０μｍを超えると塗布時に障害となり易くなり、ブラックマトリックス層を形成するパターン精度も低下してくるからである。

本発明のブラックマトリックス基板１０は、ブラックマトリックス層１２上への液状の各色の感光性樹脂組成物の塗布だけでなく、Ｒ、Ｇ、Ｂからなるカラーフィルタ層上に保護層を塗布する場合においても、保護層用の樹脂溶液の塗布液量を増やすことなく安定した液量で塗り残しのない塗布ができる。

本発明のブラックマトリックス基板は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色のカラー表示装置に用いられるカラーフィルタとして、あるいはモノクロの表示装置に用いられるモノクロフィルタとして好適である。本発明において、モノクロとは、単色を意味するものである。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
（実施例１）
透明基板としてコーニング社製７０５９基板（大きさ：３００ｍｍ×４００ｍｍ）を洗浄後、スパッタリング法によりクロムを８０ｎｍの厚さに成膜し、クロムを遮光膜とするブランクスを形成した。
次に、上記のクロムブランクスに２面付けのブラックマトリックス層のパターンをフォトエッチング法により形成し、ブラックマトリックス基板を得た。ブラックマトリックス層の画素開口部の幅Ｐｘ、Ｐｙ、画素面積Ｐａ、面付け間隔Ｐｄは以下の値とした。
・Ｐｘ：１０２．５（μｍ）
・Ｐｙ：３０７．５（μｍ）
・Ｐａ：３１５１９（μｍ² ）
・Ｐｄ：２７１００（μｍ）

次に、上記のブラックマトリックス基板を洗浄後、下記の第１色目の赤色パターン用樹脂組成物Ｒをスピン塗布し、塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量を求めたところ、塗布液量２１ｃｃで塗布することができた。
（赤色パターン用樹脂組成物Ｒ）
・バインダー樹脂：アクリル系共重合体
・モノマー：ジペンタエリスリトール多官能アクリレート
・顔料：赤顔料Ｐ．Ｒ．２５４
黄顔料Ｐ．Ｙ．１３８
・分散剤：カプロラクトン共重合体
・光重合開始剤：チバガイギー社製イルガキュア３６９
ジエチルチオキサントン
ビイミダゾール
・溶剤 ：プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート

（実施例２）
ブラックマトリックス層の画素開口部の幅Ｐｘ、Ｐｙ、画素面積Ｐａ、面付け間隔Ｐｄを以下の値とした以外は、実施例１と同様にして、塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量を求めたところ、２４ｃｃであった。
・Ｐｘ：８２．２５（μｍ）
・Ｐｙ：２５８．７５（μｍ）
・Ｐａ：２１２８２（μｍ² ）
・Ｐｄ：１４２０２（μｍ）

（実施例３）
ブラックマトリックス層の画素開口部の幅Ｐｘ、Ｐｙ、画素面積Ｐａ、面付け間隔Ｐｄを以下の値とした以外は、実施例１と同様にして、塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量を求めたところ、２４ｃｃであった。
・Ｐｘ：６８（μｍ）
・Ｐｙ：２０４（μｍ）
・Ｐａ：１３８７２（μｍ² ）
・Ｐｄ：７３７２（μｍ）

（実施例４）
ブラックマトリックス層の画素開口部の幅Ｐｘ、Ｐｙ、画素面積Ｐａ、面付け間隔Ｐｄを以下の値とした以外は、実施例１と同様にして、塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量を求めたところ、２２ｃｃであった。
・Ｐｘ：９３（μｍ）
・Ｐｙ：２７９（μｍ）
・Ｐａ：２５９４７（μｍ² ）
・Ｐｄ：７３７２（μｍ）

（比較例１）
ブラックマトリックス層の画素開口部の幅Ｐｘ、Ｐｙ、画素面積Ｐａ、面付け間隔Ｐｄを以下の値とした以外は、実施例１と同様にして、塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量を求めたところ、２７ｃｃとなり、塗布液量が多く必要とされた。
・Ｐｘ：５７．５（μｍ）
・Ｐｙ：１７２．５（μｍ）
・Ｐａ：９９１９（μｍ² ）
・Ｐｄ：１４１７２（μｍ）

（比較例２）
ブラックマトリックス層の画素開口部の幅Ｐｘ、Ｐｙ、画素面積Ｐａ、面付け間隔Ｐｄを以下の値とした以外は、実施例１と同様にして、塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量を求めたところ、２６ｃｃであり、塗布液量が多く必要とされた。
・Ｐｘ：５６．５（μｍ）
・Ｐｙ：１６９．５（μｍ）
・Ｐａ：９５７３（μｍ² ）
・Ｐｄ：１０２８７（μｍ）

上記の実施例１〜４、および比較例１、２をまとめて表１に示す。表１にはＰａ／Ｐｄ（μｍ）の値と塗布特性の○×判定による評価を示す。塗り残しが生じない均一な塗布ができる塗布液量が、２６ｃｃ以上となる場合を不適として×にしている。

表１の比較例１、２に示されるように、ブラックマトリックス層の画素開口部が小さく、しかも面付け間隔が大きく、Ｐａ／Ｐｄが１．０μｍ未満の場合には、塗布液量が増加してしまい、不適（×）と評価された。一方、実施例３、４に示されるように、ブラックマトリックス層の画素開口部が小さくても、面付け間隔が小さく、Ｐａ／Ｐｄが１．０μｍ以上の場合には、塗布液量が少なく、均一な塗布面が形成され、良好（○）と評価された。

１０、２０ ブラックマトリックス基板
１１、２１ 透明基板
１２、２２ ブラックマトリックス層
１３ 画素開口部
１４ 遮光膜
Ｐｄ 面付け間隔
Ｐｄｘ 面付け間隔（ｘ方向）
Ｐｄｙ 面付け間隔（ｙ方向）
Ｐｐｘ 画素開口部の幅（ｘ方向）
Ｐｐｙ 画素開口部の幅（ｙ方向）

Claims (3)

1. 表示装置用カラーフィルタまたはモノクロフィルタに用いられ、透明基板上にブラックマトリックス層を形成したブラックマトリックス基板の製造方法であって、
   前記ブラックマトリックス層が複数の表示部を有する多面付けで形成されており、前記ブラックマトリックス層の画素開口部が矩形状もしくは略矩形状もしくは矩形以外の多角形状であり、前記画素部開口部の面積Ｐa（μｍ² ）と面付け間隔Ｐｄ（μｍ）とを求め、その関係を示す値Ｐa／Ｐｄ（μｍ）が、下記の式（1）を満たし、顔料を分散させた液状の感光性樹脂組成物を少ない塗布液量でスピン塗布するときに、塗布不良を生じないことを特徴とするブラックマトリックス基板の製造方法。
   （１） １．０μｍ≦Ｐa／Ｐｄ
2. 前記ブラックマトリックス層が、金属および／または金属化合物を材料とした薄膜、または黒色顔料を有する樹脂材料より構成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラックマトリックス基板の製造方法。
3. 前記ブラックマトリックス層の厚さは、０．０６μｍ〜２．０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のブラックマトリックス基板の製造方法。

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