JP2016031513A - 高精細カラーフィルタ - Google Patents
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Description
上記2種類の柱状スペーサの形成方法としては、例えば、階調マスクを用いたフォトリソグラフィ法が好適に用いられている(例えば、特許文献1)。具体的には、階調マスクとして、ガラス基材、半透明膜、および遮光膜を有し、高さの高いメイン柱状スペーサの形成部位に対応する透明領域、高さの低いサブ柱状スペーサの形成部位に対応する半透明領域、およびその他の領域に対応する遮光領域を有する階調マスクを用いて、カラーフィルタの遮光部および着色層上に形成された感光性樹脂組成物の塗膜に露光光を照射する方法である。上記方法においては、上記階調マスクを介して露光光が照射されることにより、感光性樹脂組成物の塗膜において、メイン柱状スペーサの形成部位に比べてサブ柱状スペーサの形成部位における光反応を抑制することができ、高さの異なるメイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサを形成することができる。
しかしながら、形成面積の小さいメイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサを上述した階調マスクを用いたフォトリソグラフィ法により形成した場合、メイン柱状スペーサの高さおよびサブ柱状スペーサの高さの差のばらつきが大きくなるという問題がある。
本発明の高精細カラーフィルタは、透明基材と、上記透明基材上に形成され開口部を有する遮光部と、上記透明基材上の上記開口部に形成された複数色の着色層と、上記遮光部上に形成され少なくとも1色の着色層を有する台座部および上記台座部上に形成されたメインスペーサ部を有するメイン柱状スペーサと、上記遮光部上に形成されサブスペーサ部のみを有するサブ柱状スペーサとを有し、上記透明基材表面から上記メイン柱状スペーサの頂部までの高さが、上記透明基材表面から上記サブ柱状スペーサの頂部までの高さよりも高いことを特徴とするものである。
また、「画素」とは、画像を構成する最小単位である。例えば赤、緑、青の3個の副画素で1個の画素が構成されている場合、本明細書においては1個の副画素を「画素」という。
本明細書において、「透明基材表面からメイン柱状スペーサの頂部までの高さ」を「メイン柱状スペーサの高さ」、「透明基材表面からサブ柱状スペーサの頂部までの高さ」を「サブ柱状スペーサの高さ」と称して説明する場合がある。また、メイン柱状スペーサの高さとサブ柱状スペーサの高さとの差を「MS段差」と称して説明する場合がある。
図1(a)は本発明の高精細カラーフィルタの一例を示す概略平面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A線断面図であり、図1(c)は図1(a)のB−B線断面図である。図1(a)〜(c)に示すように、本発明の高精細カラーフィルタ1は、透明基材2と、透明基材2上に形成され開口部を有する遮光部3と、透明基材2上の開口部に形成された赤色着色層4R、緑色着色層4Gおよび青色着色層4Bを有する着色層4と、遮光部3上に形成され緑色着色層5Gaおよび青色着色層5Baを有する台座部5aならびに台座部5a上に形成されたメインスペーサ部5bを有するメイン柱状スペーサ5と、遮光部3上に形成されサブスペーサ部6bのみを有するサブ柱状スペーサ6とを有するものである。また、本発明においては、透明基材2表面からメイン柱状スペーサ5の頂部までの高さx1が、透明基材2表面からサブ柱状スペーサ6の頂部までの高さx2よりも高いことを特徴とする。図1(b)では、メイン柱状スペーサ5における台座部5aおよびサブ柱状スペーサ6におけるサブスペーサ部6bが遮光部3上に形成された赤色着色層4R上に形成されている例について示している。
図7(a)、(b)は、従来のカラーフィルタにおける高さの異なる2種類の柱状スペーサの形成方法の一例を示す工程図である。まず、図7(a)に示すように、従来の方法においては、遮光部3および着色層4が形成された透明基材2上にネガ型感光性樹脂を含む感光性樹脂組成物を塗布して塗膜30を形成する。次に、上記塗膜30を階調マスクM’を介して露光光Lを照射する。階調マスクM’としては、例えば、ガラス基板21と、半透明膜22と、遮光膜23とを有し、透明基板21が露出した透明領域tと、透明基板21上に半透明膜22のみが形成された半透明領域hと、透明基板21上に遮光膜23が形成された遮光領域sとを有するものが用いられる。また、階調マスクM’は、高さの高いメイン柱状スペーサの形成部位に透明領域t、高さの低いサブ柱状スペーサの形成部位に半透明領域h、その他の領域に遮光領域sが配置されるものである。上記階調マスクM’を用いて露光を行うことにより、塗膜30のメイン柱状スペーサの形成部位においては光反応を十分に進行させることができ、サブ柱状スペーサの形成部位においては光反応の進行を抑制することができる。そのため、現像後、図7(b)に示すように、メイン柱状スペーサ15の高さに比べてサブ柱状スペーサ16の高さを小さくすることができる。
本発明におけるメイン柱状スペーサは、台座部と、メインスペーサ部とを有するものである。また、本発明においては、上記透明基材表面から上記メイン柱状スペーサの頂部までの高さが、上記透明基材表面から上記サブ柱状スペーサの頂部までの高さよりも高いことを特徴とする。
より具体的には、後述するサブ柱状スペーサにおけるサブスペーサ部が遮光部上に直接形成されている場合は、メイン柱状スペーサにおけるメインスペーサ部は遮光部上に直接形成された台座部上に形成される。一方、後述するサブ柱状スペーサにおけるサブスペーサ部が遮光部上に形成された着色層上に形成されている場合は、メイン柱状スペーサにおけるメインスペーサ部は遮光部、着色層および台座部の順に形成された台座部上に形成される。
本発明においては、上記台座部およびサブスペーサ部が、遮光部上に形成された着色層上に形成されていることが好ましい。より線幅の細い遮光部を有する高精細カラーフィルタとすることができるからである。
本発明における台座部は、遮光部上に形成されるものであり、少なくとも1色の着色層を有するものである。
台座部における着色層の積層数は、後述する着色層の厚み、およびカラーフィルタが用いられる液晶表示装置のセルギャップに応じて適宜選択される。
具体的な台座部の厚みとしては、特に限定されないが、0.5μm〜2.5μmの範囲内、なかでも1.0μm〜2.0μmの範囲内であることが好ましい。台座部の厚みが厚すぎる場合、台座部の厚みが薄すぎる場合、所望のMS段差を設けることが困難となる可能性があるからである。
「台座部の厚み」とは、例えば、図1(b)に示すyで示される距離をいう。また、台座部が複数色の着色層の積層体で形成されている場合は、総厚みをいう。
台座部の形成方法としては、遮光部上に所望の厚みを有する台座部を形成することができれば特に限定されないが、通常、着色層と同時に形成される。例えば、後述する複数色の着色層をフォトリソグラフィ法を用いて形成する場合に、透明基材上の開口部に形成される着色層と同時に、遮光部上にも着色層を形成することで台座部を形成することができる。
本発明におけるメインスペーサ部は、上記台座部上に形成されるものである。
メインスペーサ部の平面視形状としては、一般的な柱状スペーサの形状と同様とすることができ、たとえば、円形状、楕円形状、多角形状等を挙げることができるが、円形状であることが好ましい。
メインスペーサ部の平面視上の大きさが大きすぎる場合は、台座部上にメインスペーサ部を形成することが困難となる可能性があるからであり、メインスペーサ部の平面視上の大きさが小さすぎる場合は、本発明の高精細カラーフィルタを液晶表示装置に用いた場合にメインスペーサ部がつぶれる可能性があるからである。
メインスペーサ部の厚みが厚すぎる場合、メインスペーサ部の厚みが薄すぎる場合は、液晶表示装置とした際のセルギャップを良好なものとすることが困難となる可能性があるからである。メインスペーサ部の厚みとは、台座部表面からメインスペーサ部の頂部までの距離をいい、例えば、図1(b)において、z1で示される距離をいう。
本発明におけるメイン柱状スペーサの高さとしては、高精細カラーフィルタの用途に応じて適宜選択することができ、特に限定されないが、3.5μm〜7.5μmの範囲内、なかでも4.5μm〜6.3μmの範囲内であることが好ましい。
メイン柱状スペーサの高さが高すぎる場合、または低すぎる場合は、液晶表示装置とした際に十分なセルギャップを維持することが困難となる可能性があるからである。なお、メイン柱状スペーサの高さとは、例えば、図1(b)においてx1で示される距離をいう。
メイン柱状スペーサの厚みが高すぎる場合、または低すぎる場合は、液晶表示装置とした際に十分なセルギャップを維持することが困難となる可能性があるからである。なお、メイン柱状スペーサの厚みとは、例えば、図1(b)においてz2で示される距離をいう。
上記メイン柱状スペーサの割合が多すぎる場合は、本発明の高精細カラーフィルタを液晶表示装置に用いた場合に、液晶材料の熱膨張および熱収縮にセルギャップが追従しにくくなる可能性があるからである。一方、上記メイン柱状スペーサの割合が少なすぎる場合は、本発明の高精細カラーフィルタを液晶表示装置に用いた場合に、つぶれやすくなる可能性があるからである。
本発明におけるサブ柱状スペーサは、上記遮光部上に形成されサブスペーサ部のみを有するものである。
サブスペーサ部は、遮光部上に形成されていればよく、遮光部上に直接形成されていてもよく、遮光部上に形成された着色層上に形成されていてもよい。本発明においては、なかでも、サブスペーサ部は、遮光部上に形成された着色層上に形成されていることが好ましい。遮光部の線幅をより小さくすることができるからである。
サブスペーサ部の平面視上の大きさとしては、面視形状が円形状である場合の下底の直径が、7μm〜20μmの範囲内、なかでも8μm〜15μmの範囲内であることが好ましい。
サブスペーサ部の平面視上の大きさが大きすぎる場合は、台座部上にサブスペーサ部を形成することが困難となる可能性があるからであり、サブスペーサ部の平面視上の大きさが小さすぎる場合は、本発明の高精細カラーフィルタを液晶表示装置に用いた場合にサブスペーサ部がつぶれる可能性があるからである。
なお、サブスペーサ部の厚みとは、例えば、図1(b)においてz3で示される距離をいう。
本発明におけるサブ柱状スペーサの高さとしては、高精細カラーフィルタの用途に応じて適宜選択することができ、特に限定されないが、2.6μm〜7.2μmの範囲内、なかでも3.9μm〜5.9μmの範囲内であることが好ましい。
サブ柱状スペーサの高さが高すぎる場合、または低すぎる場合は、液晶表示装置とした際に十分なセルギャップを維持することが困難となる可能性があるからである。なお、サブ柱状スペーサの高さとは、例えば、図1(b)においてx2で示される距離をいう。
本発明に用いられる遮光部は、透明基材上に形成されるものである。
遮光部の開口部の形状としては、一般的なカラーフィルタに用いられるものと同様とすることができ、例えば、ストライプ形状、くの字形状、デルタ配列等を挙げることができる。
「遮光部の線幅」とは、例えば、図1(a)〜(c)においてw1、w2で示す距離をいう。また、遮光部の線幅が、異なる線幅w1、w2を有する場合は、通常、両者が上記数値範囲に含まれるように、調整される。
なお、本発明においては、TFTのゲート電極の位置に対応する遮光部の線幅については、40μm以下となるように調整される。
また、本発明においては、メイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサが形成される遮光部の線幅が、15μm〜50μmの範囲内、なかでも20μm〜40μmの範囲内であることが好ましい。
メイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサの高さを調整しやすいからである。なお、「メイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサが形成される遮光部の線幅」とは、例えば、図1(a)、(b)においてw1で示す距離をいう。
本発明における複数色の着色層は、上記透明基材上の上記開口部に形成されるものである。
色材としては、各色の顔料や染料等を挙げることができる。赤色着色層に用いられる赤色色材としては、例えば、ペリレン系顔料、レーキ顔料、アゾ系顔料、キナクリドン系顔料、アントラキノン系顔料、アントラセン系顔料、イソインドリン系顔料等が挙げられる。緑色着色層に用いられる緑色色材としては、例えば、ハロゲン多置換フタロシアニン系顔料もしくはハロゲン多置換銅フタロシアニン系顔料等のフタロシアニン系顔料、トリフェニルメタン系塩基性染料、イソインドリン系顔料、イソインドリノン系顔料等が挙げられる。青色着色層に用いられる青色色材としては、例えば、銅フタロシアニン系顔料、アントラキノン系顔料、インダンスレン系顔料、インドフェノール系顔料、シアニン系顔料、ジオキサジン系顔料等が挙げられる。これらの顔料や染料は単独で用いてもよく2種以上を混合して用いてもよい。
バインダー樹脂としては、例えば、アクリレート系、メタクリレート系、ポリ桂皮酸ビニル系、もしくは環化ゴム系等の反応性ビニル基を有する感光性樹脂が用いられる。
着色層には、光重合開始剤や、必要に応じて増感剤、塗布性改良剤、現像改良剤、架橋剤、重合禁止剤、可塑剤、難燃剤等を含有させてもよい。
白色着色層の膜厚および形成方法は、着色層と同様である。
本発明における透明基材は、上述した各構成を支持するものである。
透明基材としては、一般的にカラーフィルタに用いられているものを用いることができ、例えば、石英ガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、合成石英板等の可撓性のない無機基板、および、透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する樹脂基板等を挙げることができる。なかでも無機基板を用いることが好ましく、無機基板のなかでもガラス基板を用いることが好ましい。さらには、ガラス基板のなかでも無アルカリタイプのガラス基板を用いることが好ましい。無アルカリタイプのガラス基板は寸度安定性および高温加熱処理における作業性に優れ、かつ、ガラス中にアルカリ成分を含まないことから、アクティブマトリックス方式による液晶表示装置用のカラーフィルタに好適に用いることができるからである。
本発明の高精細カラーフィルタは、上述した各構成を有していれば特に限定されず、必要な構成を適宜選択して追加することができる。
このような構成としては、例えば、オーバーコート層を挙げることができる。本発明の高精細カラーフィルタがオーバーコート層を有する場合、図4(a)、(b)に示すように、オーバーコート層7は、通常、遮光部3、着色層4および台座部5aを覆うように形成される。オーバーコート層については、一般的なカラーフィルタに用いられるものと同様とすることができるため、ここでの説明は省略する。
本発明の高精細カラーフィルタの製造方法は、上述した各構成を有するカラーフィルタを製造することができれば特に限定されず、一般的なカラーフィルタの形成方法と同様とすることができる。本発明においては、なかでも、メイン柱状スペーサにおけるメインスペーサ部と、サブ柱状スペーサにおけるサブスペーサ部とをフォトリソグラフィ法を用いて同時に形成する工程を有することが好ましい。
本発明の高精細カラーフィルタは、液晶表示装置に用いられるものである。液晶表示装置の駆動方式については特に限定されず、種々の駆動方式のものに用いることができる。
また、本発明の高精細カラーフィルタは、モバイル用途の液晶表示装置に好適に用いることができる。
(感光性樹脂組成物の調製)
重合槽中にメタクリル酸メチル(MMA)を63重量部、アクリル酸(AA)を12重量部、メタクリル酸−2−ヒドロキシエチル(HEMA)を6重量部、ジエチレングリコールジメチルエーテル(DMDG)を88重量部仕込み、攪拌し溶解させた後、2,2´−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)を7重量部添加し、均一に溶解させた。その後、窒素気流下、85℃で2時間攪拌し、更に100℃で1時間反応させた。得られた溶液に、更にメタクリル酸グリシジル(GMA)を7重量部、トリエチルアミンを0.4重量部、及びハイドロキノンを0.2重量部添加し、100℃で5時間攪拌し、共重合樹脂溶液(固形分50%)を得た。
<感光性樹脂組成物の組成>
・上記共重合樹脂用液(固形分50%)…16重量部
・ジペンタエリスリトールペンタアクリレート(サートマー社 SR399)…24重量部
・オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂(油化シェルエポキシ社 エピコート180S70)…4重量部
・2−メチル−1−(4−メチルチオフェニル)−2−モルフォリノプロパン−1−オン…4重量部
・ジエチレングリコールジメチルエーテル…52重量部
まず、下記分量の成分を混合し、サンドミルにて十分に分散し、黒色顔料分散液を調製した。
・黒色顔料…23重量部
・高分子分散材(ビックケミー・ジャパン(株) Disperbyk111)…2重量部
・溶剤(ジエチレングリコールジメチルエーテル)…75重量部
・上記黒色顔料分散液…61重量部
・上記の感光性樹脂組成物…20重量部
・ジエチレングリコールジメチルエーテル…30重量部
得られた遮光部の線幅は、30μmであった。
次に、下記組成の赤色用感光性樹脂組成物、緑色用感光性樹脂組成物、および青色用感光性樹脂組成物を調製した。
・C.I.ピグメントレッド177…10重量部
・ポリスルホン酸型高分子分散剤…3重量部
・上記の感光性樹脂組成物…5重量部
・酢酸−3−メトキシブチル…82重量部
<緑色用感光性樹脂組成物の組成>
・C.I.ピグメントグリーン36…10重量部
・ポリスルホン酸型高分子分散剤…3重量部
・上記の感光性樹脂組成物…5重量部
・酢酸−3−メトキシブチル…82重量部
<青色用感光性樹脂組成物の組成>
・C.I.ピグメントブルー15:6…10重量部
・ポリスルホン酸型高分子分散剤…3重量部
・上記の感光性樹脂組成物…5重量部
・酢酸−3−メトキシブチル…82重量部
次いで、0.05wt%水酸化カリウム水溶液(液温23℃)中に1分間浸漬してアルカリ現像し、塗膜の未硬化部分のみを除去した。その後、基板を180℃の雰囲気下に30分間の加熱処理を施して、遮光部の開口部および遮光部上に赤色着色層を形成した。
以上により、赤、緑、青の3色の着色層を形成した。また、遮光部上に緑色着色層で構成された台座部を形成した。
上記着色層、および台座部を形成した基板上に、感光性樹脂組成物をスピンコーティング法により塗布、乾燥し、乾燥塗膜1.5μmの感光性樹脂層を形成したのち、焼成することにより、オーバーコート層を形成した。
オーバーコート層を形成した基板上に、感光性樹脂組成物をスピンコーティング法により塗布、乾燥し、乾燥塗膜3.5μmの感光性樹脂層を形成したのち、感光性樹脂層から100μmの距離に、上記メイン柱状スペーサの形成部位およびサブ柱状スペーサの形成部位に対応する透過領域を有するバイナリマスクを配置して、プロキシミティアライナにより2.0kWの超高圧水銀ランプを用いて紫外線を10秒間照射した。次いで、0.05wt%水酸化カリウム水溶液(液温23℃)中に1分間浸漬してアルカリ現像し、感光性樹脂層の未硬化部分のみを除去した。その後透明基材を200℃の雰囲気中に30分間の加熱処理を施して、台座部上にメインスペーサ部を形成し、遮光部上の緑色着色層上にサブスペーサ部とを形成した。以上により、カラーフィルタを作製した。
遮光部上の赤色着色層上に緑色着色層および青色着色層を積層して台座部を形成したこと、およびサブスペーサ部を赤色着色層上に形成したこと以外は、実施例1と同様にカラーフィルタを作製した。
遮光部上の赤色着色層上に緑色着色層および青色着色層を積層して台座部を形成したこと、オーバーコート層を形成しなかったこと、およびサブスペーサ部を青色着色層上に形成したこと以外は、実施例1と同様にカラーフィルタを作製した。
サブスペーサ部を赤色着色層上に形成したこと以外は、実施例3と同様にカラーフィルタを作製した。
台座部を形成しなかったこと、遮光部上に形成された青色着色層上に下記の方法により、メイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサを形成したこと以外は、実施例1と同様にカラーフィルタを作製した。
オーバーコート層を形成した基板上に、感光性樹脂組成物をスピンコーティング法により塗布、乾燥し、乾燥塗膜3.5μmの感光性樹脂層を形成したのち、感光性樹脂層から100μmの距離に、上記メイン柱状スペーサの形成部位に対応する透過領域、サブ柱状スペーサの形成部位に対応する半透明領域を有する階調マスクを配置して、プロキシミティアライナにより2.0kWの超高圧水銀ランプを用いて紫外線を10秒間照射した。次いで、0.05wt%水酸化カリウム水溶液(液温23℃)中に1分間浸漬してアルカリ現像し、感光性樹脂層の未硬化部分のみを除去した。その後透明基材を200℃の雰囲気中に30分間の加熱処理を施して、メイン柱状スペーサおよびサブ柱状スペーサを形成した。
オーバーコート層を形成しなかったこと以外は、比較例1と同様にしてカラーフィルタを作製した。
以下の測定方法により、遮光部の開口部における同一色の着色層表面の基準としたときの、メイン柱状スペーサの上面までの高さ、サブ柱状スペーサの上面までの高さ、両者の差を測定した。
走査型光学干渉計により、5個のメイン柱状スペーサについて、5個のサブ柱状スペーサについて測定した。
また、両者の差については、同一基準の高さ結果から求めた高さ差をMS段差とした。
測定結果から、平均値、およびレンジ(range)を求めた。結果を表2および表3ならびに図5(a)〜(c)および図6(a)〜(c)に示す。表中の、「メインPS」、「サブPS」、および「差」は、それぞれ、遮光部の開口部における同一色の着色層表面の基準としたときの、メイン柱状スペーサの上面までの高さ、サブ柱状スペーサの上面までの高さ、両者の差を示す。また、図5(a)、図6(a)において、折れ線グラフは上記メイン柱状スペーサの上面までの高さの平均値、棒グラフは上記メイン柱状スペーサの上面までの高さの平均値のばらつきを示している。図5(b)、図6(b)において、折れ線グラフはサブ柱状スペーサの上面までの高さの平均値、棒グラフはサブ柱状スペーサの上面までの高さのばらつきを示している。図5(c)、図6(c)において、上記両者の差の平均値、棒グラフは上記両者の差のばらつきを示している。
2 … 透明基材
3 … 遮光部
4 … 着色層
4R、5Ra … 赤色着色層
4G、5Ga … 緑色着色層
4B、5Ba … 青色着色層
5a … 台座部
5b … メインスペーサ部
5 … メイン柱状スペーサ
6b … サブスペーサ部
6 … サブ柱状スペーサ
Claims (2)
- 透明基材と、
前記透明基材上に形成され開口部を有する遮光部と、
前記透明基材上の前記開口部に形成された複数色の着色層と、
前記遮光部上に形成され少なくとも1色の着色層を有する台座部および前記台座部上に形成されたメインスペーサ部を有するメイン柱状スペーサと、
前記遮光部上に形成されサブスペーサ部のみを有するサブ柱状スペーサと
を有し、
前記透明基材表面から前記メイン柱状スペーサの頂部までの高さが、前記透明基材表面から前記サブ柱状スペーサの頂部までの高さよりも高いことを特徴とする高精細カラーフィルタ。 - 前記メイン柱状スペーサおよび前記サブ柱状スペーサが形成された前記遮光部の線幅が、15μm〜50μmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の高精細カラーフィルタ。
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