JP2014119694A - カラーフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】意図的に間隙を生じるように設計されたカラーフィルタにおいて、着色画素３に対する露光位置がずれても、色味のバラツキの無い、高精細化と低消費電力化を実現できるカラーフィルタを提供する。
【解決手段】着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックス２と、着色透明樹脂を用いた着色画素３よりなるカラーフィルタにおいて、
前記着色画素３外形が、前記ブラックマトリクスの開口部周縁より内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのボトム外周部６と着色画素のボトム外周部６との間隙８の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、
しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクス２とカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラー液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置に内蔵されるカラーフィルタのうち、高精細化と低消費電力化を実現できるカラーフィルタに関する。

カラー液晶表示装置においてカラー表示を行うために、光透過部に開口部のあるパターンを形成した遮光層（ブラックマトリクス）と、該光透過部に赤、緑、青の感光性着色樹脂をパターン形成して着色画素層としたカラーフィルタが一般的に用いられている。最近の液晶表示装置に関する市場の要求の一つとして低コスト化があり、そのためにブラックマトリクスとして高価な金属または酸化金属膜を基板上に形成したものをパターンエッチングする方法に代えて、光透過部の着色画素層と同様の感光性着色樹脂を用いる方法が考案されて実用化しており、バックライトの低消費電力のためＢＭ線幅が細くなっている。

しかしながら、従来の着色画素部のレジストパターンは、ブラックマトリクスとの間隙が生じないよう、位置合わせ精度の余裕を見て、ブラックマトリクス開口部よりわずかに大きな外形形状としていた。また、露光位置精度のばらつきにより、ＢＭの細線化が厳しくなってしまう。

このような断面形状であると、例えば、液晶表示パネルを形成する際、対向基板との間に散布して両基板の間のギャップの厚みを一定に規制する役割を果たすビーズ４の一部が、図４に示すように着色画素部３の突起９部分に位置した場合、正確なギャップ間隔が得られなくなるという問題があった。さらに、前記両基板の間に注入される液晶が液晶表示パネルとして動作する際、図９の突起９部分により液晶の配向乱れが生じ、表示品位に悪影響を及ぼすという問題があった。

そのような問題を解決するために、カラーフィルタの色パターン外形が、ブラックマトリクスの開口部周縁より内側に設ける提案がなされている。しかしながら、カラーフィルタの色パターン外形形状の断面を見ると、最外形部分では膜厚が薄くなっており、その部分では、間隙からの漏れる光の量が多く、十分なフィルターとしての機能をもっていないため、位置ばらつきを吸収できるが、間隙からの光漏れがおおきくなってしまう。また、さらに画素の小さな高精細むけＣＦではその影響を受けやすくなる（特許文献１）。

よって、ブラックマトリックス上に着色画素が重なり、突起９が生じることは無くなったが、間隙からの白色光の漏れを想定して、あらかじめ着色画素の色を濃くするように色設計をしても色のバラツキが生じてしまい、その用途が、色再現特性に対する要求があまり高くない分野に限られてしまっている。

また、着色画素の形成時、露光位置がずれると、間隙の面積が変わってしまい、色のバラツキの原因となり、同様に色再現特性に対する要求があまり高くない分野に限られてしまう。

特開２００１−３３６１３号公報

本発明は、上記の問題点に鑑み為されたもので、意図的に間隙を生じるように設計されたカラーフィルタにおいて、着色画素に対する露光位置がずれても、色味のバラツキの無い、高精細化と低消費電力化を実現できるカラーフィルタを提供することにある。

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、着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素部よりなるカラーフィルタにおいて、
前記着色画素外形が、前記ブラックマトリクスの開口部周縁より内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのボトム外周部と着色画素のボトム外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、
しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態ではＢＭとＲＧＢのボトム同士が重ならない外形形状とした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、着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
異なる色に隣接する方向の着色画素のボトム外周部が、ブラックマトリックスパターンのボトム外着色画素部のトップ外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタである。

また、請求項３に記載の発明は、着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
異なる色に隣接する方向の着色画素のボトム外周部が、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部よりも内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのトップ外周部と着色画素のトップ外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタである。

また、請求項４に記載の発明は、着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
異なる色に隣接する方向の着色画素のボトム外周部が、ブラックマトリックスパターンのボトム外周部よりも内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのトップ外周部と着色画素のボトム外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタである。

また、請求項５に記載の発明は、ブラックマトリックスパターンのボトム外周部と着色画素のボトム外周部との間隙の面積と、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部とボトム外周部間隙の面積と、着色画素のトップ外周部とボトム外周部間隙の面積から、
漏れ光を計算し、着色画素の濃度をあらかじめ濃くしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のカラーフィルタである。

本願発明により、突起も生じないカラーフィルタ表面を形成できると共に、着色画素部とブラックマトリクスとの間隙値やボトム外周部とトップ外周部との間隙値が定義でき、
ボトム外周部とボトム外周部間隙や、ボトム外周部とトップ外周部との間隙等からの光の漏れを精度良く補正することが可能となり、色再現特性には必ずしも厳密さを必要としない用途に限られていたものを、高精細の用途にまで用途を拡大できる。

本願発明の間隙値の一例を示した概念断面図である。 本願発明の間隙値の一例を示した概念断面図である。 本願発明の間隙値の一例を示した概念断面図である。 本願発明の間隙値の一例を示した概念断面図である。 本願発明の間隙の一例を示した概念平面図である。 本発明のカラーフィルタの一部分を示す説明図である。 本発明のカラーフィルタのうちブラックマトリクスのみが形成された基板と、カラーフィルタパターン用マスクが重ね合わされた状態を示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明のカラーフィルタを示す断面図である。 従来のカラーフィルタの様子を示す断面図である。

以下本発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、着色画素３外形と、ブラックマトリクス２の開口部周縁との間隙を、ブラックマトリックスパターンのボトム外周部６と着色画素３のボトム外周部７との間隙で、規定したことを示した概念図である。

図２は着色画素３外形と、ブラックマトリクス２の開口部周縁との間隙を、ブラックマトリックスパターンのボトム外周部６と着色画素３のトップ外周部７との間隙で、規定したことを示した概念図である。

図３は着色画素３外形と、ブラックマトリク２の開口部周縁との間隙を、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部７と着色画素３のトップ外周部７との間隙で、規定したことを示した概念図である。

図４は着色画素３外形と、ブラックマトリクスの開口部周縁との間隙を、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部７と着色画素３のボトム外周部６との間隙で、規定したことを示した概念図である。

ブラックマトリックスパターンのトップ外周部７とボトム外周部６の間隙は、膜厚がボトム外周部６に向かって薄くなり、遮蔽能もボトム外周部６に向かって弱くなる。同等に着色画素３のトップ外周部７とボトム外周部６の間隙においても、膜厚がボトム外周部６に向かって薄くなり、遮蔽能もボトム外周部７に向かって弱くなる。

トップ外周部とボトム外周部の間隙は、ブラックマトリックス２、赤、青、緑の着色画素３によって微妙に違ってくるため、この差を考慮して、赤、青、緑の着色画素３の濃度の色設計を行うことで、バラツキが低減できる。

本発明のカラーフィルタをその一実施形態に基づいて以下に詳細に説明する。まず無アルカリガラス製の基板１上に、黒色顔料を分散した紫外線硬化型感光性樹脂（例えば、富士ハントエレクトロニクステクノロジー株式会社製、製品名「ＣＫ−２０００」）をスピンコータにより塗布・乾燥させ、所定のパターン形状のフォトマスクを介して紫外線を照射し、ベーキング後、現像処理する。こうして形成されたブラックマトリックス２は、赤、緑、青の各色の画素間の遮光層として機能して表示画像のコントラスト向上に役立つものであり、ブラックマトリックス２層の厚さは、透過濃度（ｌｏｇ１０Ｉ０／Ｉ1，但しＩ０は入射光量、Ｉ1は透過光量）の値を２〜３以上にする必要から例えば、１．０μｍ程度、高精細用のカラーフィルタにおいては、透過濃度が５〜６以上、膜厚は１．５μｍ程度となっている。

続いて、赤色、緑色、青色の各色の着色画素３を、図８に示すように、前記ブラックマトリクス２のパターン開口部の内側に島状に設ける。まず赤色着色材料として、赤色顔料を分散した紫外線硬化型感光性樹脂（例えば 富士ハントエレクトロニクステクノロジー株式会社製、製品名「ＣＲ‐２０００」）をスピンコータにより塗布・乾燥させ、図７に示すような所定形状パターンのカラーフィルタ用マスク５を介して紫外線を照射し、次いでベーキング後、現像処理する。なお、ここで用いるフォトマスク（カラーフィルタ用マスク５）は、ネガ型感光性樹脂の感光後残存部が開口したパターン形状であり、その形状については、以下に記載する。ここで赤色のカラーフィルタ３Ｒの厚さは、所望の分光特性を得るために１．０〜１．２μｍ程度、高精細用においては、２〜２．５μｍが適当である。

ここで上記着色画素３の外形形状（裾部分を除く、パターントップの外形）は、図８（ａ）の間隙８に示すように、ブラックマトリクス２との間に間隙部分（透過部）が生ずる形状にし、ブラックマトリクス２を形成した基板１と、上記着色画素３形成時のフォトマスクとの位置合わせ精度の誤差分だけずれた場合、すなわち図８（ｂ）の間隙８′に示す如き状態になった場合でも、ブラックマトリクス２と着色画素３の最上部外周とが、突起を生じた状態では重ならない程度の余裕をもった外形形状とする。

ブラックマトリクス２と着色画素３とのボトム同士が重ならない外形形状にするための間隙は、露光位置合わせ精度によって決まり、例えば、正規の設計位置から±１μｍの範囲で位置ズレが発生する露光装置であれば、設計上の間隙は１μｍとなり、そこから±１μｍの範囲で位置がズレルので、実製品の間隙は０〜２μｍとなる。

具体的には、現状での位置合わせ精度（誤差）は１〜３μｍ程度であるので、図７における８”に示す、ブラックマトリクス２とカラーフィルタ用マスク５の各周縁部間の幅は、その半分程度は確保することが必要である。ただし、着色画素３の形成後の外周テーパー部（裾部分）がマスクの外形形状より大きく形成されて、ブラックマトリクス２のテーパー部にかかった場合にはその分だけ着色画素３の裾部分が持ち上がる。また、現像の程度により外形形状がマスクの外形形状より大幅に太く形成される場合がある。すなわちその結果、図６に示すように、着色画素３が形成されたカラーフィルタ基板上で間隙８に示す間隙は、図７における間隙８”よりも狭くなる。

これらのことを考慮すると、間隙８は、ブラックマトリクス２とカラーフィルタ用マスク５の各周縁部間の間隙の幅は２〜５μｍの範囲にあることが望ましい。また、着色画素３が形成されたカラーフィルタ基板上で間隙８の幅は、０〜６μｍの範囲にあることが望ましい。

次いで同様な操作を行い、緑色および青色の着色画素３を形成する。着色材料として、緑色顔料を分散した紫外線硬化型感光性樹脂（例えば 富士ハントエレクトロニクステクノロジー株式会社製、製品名「ＣＧ−２０００」）および青色顔料を分散した紫外線硬化型感光性樹脂（例えば 富士ハントエレクトロニクステクノロジー株式会社製、製品名「ＣＢ−２０００」）を使用し、各々スピンコータにより塗布・乾燥させ、同様に所定形状パターンのマスクを介して紫外線を照射し、次いでベーキング後、現像処理することを繰り返して、カラーフィルタ基板を完成する。

着色画素３を、ブラックマトリクス２のパターン開口部の内側に島状に設けるため、着
色画素３がブラックマトリクス２の端部に重なって、その重なり部分が大きな突起となることが無い。また、現像の程度により着色画素３の外形形状がマスク形状より大幅に太く形成されることや、着色画素３の外周テーパー部がマスクの外形形状より外側に形成される場合があることを考慮すると、間隙の幅を２〜５μｍとすることが望ましく、これにより、適切に着色画素３とブラックマトリクス２との境界が最小化され、かつ大きな突起も生じないカラーフィルタ表面が得られる。

ブラックマトリックスパターンのボトム外周部と着色画素３のボトム外周部との間隙からは完全な白色光が漏れ、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部とボトム外周部間隙からは、弱い白色光が漏れ、着色画素３のトップ外周部７とボトム外周部６間隙からは、色毎に波長がずれた光が漏れるため、それぞれの面積により、着色画素３の濃度をあらかじめ色の濃度が濃くなるように色設計を行う。

間隙からの白色光の漏れに対する、着色画素３の濃度の補正としては、例えば、５０μｍ×１５０μｍのブラックマトリックス開口に対し、開口長辺部両側に３μｍずつ間隙を形成した場合、着色画素の膜厚を約１．１倍にすることで、マクロ的に観察した際の濃度低下をおさえられる。

あらかじめブラックマトリックス外周部と着色画素外周部に間隙を設けておき、着色画素に対する露光位置がずれても、間隙の面積が変わらないよう成っているため、人間の目で観察すると、間隙があることが判断できず、また、着色画素３がずれたとしても間隙の面積は変わらず、着色画素３の濃度をあらかじめ濃くしてあるため、色味の変化を抑えることができる。

従来のラックマトリックスパターンと着色画素３に間隙を設ける方法は、色再現特性が必ずしも厳密さを必要としない用途に限られていたが、本願発明により、使用用途を広げることができ、高精細用途への展開が可能となった。

１・・・基板
２・・・ブラックマトリクス
３・・・着色画素
４・・・スペーサー
５・・・カラーフィルタ用マスク
６・・・ボトム外周部
７・・・トップ外周部
８・・・間隙
９・・・突起

Claims (5)

1. 着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
   前記着色画素外形が、前記ブラックマトリクスの開口部周縁より内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのボトム外周部と着色画素のボトム外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、
   しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態ではＢＭとＲＧＢのボトム同士が重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタ。
2. 着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
   異なる色に隣接する方向の着色画素のボトム外周部が、ブラックマトリックスパターンのボトム外周部よりも内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのボトム外周部と着色画素のトップ外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタ。
3. 着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
   異なる色に隣接する方向の着色画素のボトム外周部が、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部よりも内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのトップ外周部と着色画素のトップ外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタ。
4. 着色遮光性樹脂を用いたブラックマトリックスと、着色透明樹脂を用いた着色画素よりなるカラーフィルタにおいて、
   異なる色に隣接する方向の着色画素のボトム外周部が、ブラックマトリックスパターンのボトム外周部よりも内側にあり、かつブラックマトリックスパターンのトップ外周部と着色画素のボトム外周部との間隙の幅が０μｍより大きく、６μｍより小さい範囲にあり、しかも、カラーフィルタのパターン外形形状は、ブラックマトリクスとカラーフィルタの最上部外周とが突起を生じた状態では重ならない外形形状としたことを特徴とするカラーフィルタ。
5. ブラックマトリックスパターンのボトム外周部と着色画素のボトム外周部との間隙の面積と、ブラックマトリックスパターンのトップ外周部とボトム外周部間隙の面積と、着色画素のトップ外周部とボトム外周部間隙の面積から、
   漏れ光を計算し、着色画素の濃度をあらかじめ濃くしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のカラーフィルタ。