JP2019101210A - カラーフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】ＢＭにより区画される画素部のコーナー部分に（コーナー部が９０°以下であることに起因する）パターン太りが発生することに伴い開口面積が小さくなってしまう影響を低減した新規な画素部形状（ＢＭパターン）を具備する液晶表示素子用カラーフィルタを提供する。【解決手段】透明基板上に、ブラックマトリクス層と着色画素層が形成された液晶表示用カラーフィルタであって、ブラックマトリクス層は、厚さ１〜３μｍの黒色樹脂層からなる線幅４〜２５μｍのマトリクスパターンであり、マトリクスパターンにより区画される画素形状が台形であるカラーフィルタ。【選択図】図１

Description

本発明は、高精細化が進む液晶表示装置向けカラーフィルタに関し、ＢＭ（ブラックマトリクス）により規定される画素形状の改良に応じて、画素開口率が高く高輝度な表示を実現できる液晶表示装置用カラーフィルタに関する。

近年、液晶表示装置の高精細化が進み、テレビの画素数増加による高画質化では、ＨＤＴＶ（水平解像度≧６５０本）→フルハイビジョン（水平１９２０×垂直１０８０＝２０７万画素）→４Ｋ（水平３８４０×垂直２１６０＝８２９万画素）→８Ｋ（水平７６８０×垂直４３２０＝３３１８万画素）と、ＵＨＤＴＶ（Ultra High Definition Television；超高精細テレビ）の実用化に向けた開発が取り組まれている。

カラーフィルタでは、表示コントラストを高めるため，アクティブエリアのＴＦＴ基板を遮光するため，ＴＦＴの引き回し配線を隠すためなどの目的で、ガラス基板上にＢＭが形成され、ＢＭの格子間に、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）などの各着色画素が形成され、その上層に透明導電膜が形成される。ＢＭは、環境面の問題や製造の簡便さなどから、構成材料が従来のクロムに替わり、黒色顔料を分散させた感光性樹脂ペーストを用い、露光マスクでパターン化することによって形成する方法に基づく製造物（フォトリソ法による樹脂ＢＭ）が普及している。（特許文献１参照）
液晶表示装置はＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等のアクティブ素子を有する基板と着色画素およびそれらを区画するＢＭを有するカラーフィルタ基板を対向して貼り合わせ、空隙部に液晶を注入した後に偏光板，バックライトユニットと組み合わせて製造される。液晶層に印加される電圧を制御することで各着色画素の透過率を調整しフルカラー表示が可能となる。

液晶表示装置の視認性改善のため、従前より高輝度化，高コントラスト化および高精細化の検討が進められてきており、カラーフィルタにおいても、着色画素同士を仕切るＢＭの線幅の細線化（線幅は１０μｍ以下）への取り組みが見られるなど、画素の開口の大きさは重要な要因となっている。

一方で、樹脂ＢＭでは、所定の光学濃度を確保するための膜厚をクロムパターンと比較して厚くする必要もあり、感光性の有無は問わず、黒色樹脂層を厚く形成〜パターニングすることが要求され、ＢＭの高精細化に伴う製造上のハードルも高くなっている。膜厚が薄くても光を遮光するのに充分な濃度を持ち、反射率が低く、膜強度が高く、複教色画素との重なり部分における凸状の突起を低下し、かつ、低露光量でＢＭが形成できる黒色感光性樹脂組成物の改良に係る提案も見られている。

樹脂ＢＭに限らず、フォトリソ工程を経て得られるＢＭでは、パターンの高精細化に伴い、露光，現像，エッチングの各プロセスで設計パターンの再現性が不完全であるという課題を有しており、特に、現像プロセスでの現像液の細部への回り込みが不十分であることに起因する「パターン太り」の現象が顕著である。図２は、フォトリソ法を用いて形成したカラーフィルタを構成する従来形状（矩形）のＢＭ１の形状を示したもので、ＢＭの縦方向と横方向の交差部は、露光光の回折の影響，現像液の開口部４隅への回り込みが不十分である影響等により、ＲＧＢの着色画素が形成される矩形状に区画された画素部のコーナー部分にパターン太りによる丸みを帯びているため、画素開口が本来の設計値よりも小さくなっていることを示している。

ＢＭの画素コーナーの丸まり（太り）がなく、画素開口が本来の設計値どおりのカラーフィルタを提供することを目的とした提案として、矩形状ＲＧＢ着色画素を囲むＢＭが、縦・横パターンの交差部を除いて形成してあり、ＢＭを設けていない前記縦・横パターンの交差部にＲＧＢ着色層の積層体を充填した構成のカラーフィルタに係る提案が公知である。（特許文献２参照）図３は、特許文献２の発明によるカラーフィルタを構成するＢＭを示しており、矩形状ＲＧＢ着色画素を囲むＢＭが、縦棒パターン１ａ・横棒パターン１ｂの交差部５を除いて形成してあり、ＢＭ１を設けていない縦棒パターン１ａ・横棒パターン１ｂの交差部５が、ＲＧＢ着色層の積層体となる。

特開２００９−２４４５２３号公報 特開２０１６−９０８３３号公報

本発明は、ＢＭにより区画される画素部のコーナー部分にパターン太りが発生することに伴い開口面積が小さくなってしまう影響を低減した新規な画素部形状（ＢＭパターン）を具備する晶表示素子用カラーフィルタを提供することを目的とする。

本発明によるカラーフィルタは、
透明基板上に、ブラックマトリクス層と着色画素層が形成された液晶表示用カラーフィルタであって、
ブラックマトリクス層は、厚さ１〜３μｍの黒色樹脂層からなる線幅４〜２５μｍのマトリクスパターンであり、
マトリクスパターンにより区画される画素形状が台形であることを特徴とする。

隣接する画素間ではマトリクスパターンが交差する箇所を持たない配列としても良い。

隣接する画素間でマトリクスパターンが交差する箇所を持つ場合、線幅ａの画線と線幅ａの画線の交点部分のパターン太り量がａ^２×０．８６未満であることが好適である。

隣接する画素間でマトリクスパターンが交差する交点部分の何れかの箇所に、設置面積がａ^２×１．５７未満のフォトスペーサーを配置しても良い。

ＢＭにより区画される着色画素部の形状を台形とすることにより、４隅が一様に９０°の矩形の場合と異なり、四角形の内角でパターン太りの少ない鈍角の部分を有しており、鋭角の部分にのみパターン太りが大きくなる影響を集約させることになるため、四角形の４隅で一様にパターン太りによる丸みを帯びることがない。

縦横のストライプ群が交差した状態の矩形画素が規定されるＢＭでは、一様にそれぞれ４箇所でパターン太りしたＢＭ格子線の交点が、縦方向，横方向それぞれで同一直線上に存在して配列されるため、配置ピッチの周期性に応じたモアレ発生の危惧を必然的に備えるが、パターン太りしたＢＭ格子線の交点が縦方向，横方向の何れかで千鳥状（ジグザグ状）となる本発明では、モアレ発生の危惧が低減される。

本発明によるカラーフィルタの画素（ＢＭ）パターン例を示す説明図。 フォトリソ法を用いて形成したカラーフィルタを構成する従来形状（矩形）のＢＭの形状を示す説明図。 先行技術（特許文献２）の発明によるカラーフィルタを構成するＢＭを示す説明図。 従来形状（矩形）のＢＭにおける画線交差部（交点）の拡大説明図。 フォトスペーサー（ＰＳ）を形成したカラーフィルタを示す説明図。 線幅ａのＢＭ交差部に納まって設置されうる円形断面ＰＳの最大サイズを示す説明図。 図１（ａ），図４に示す画素（ＢＭ）パターン例における「ＢＭ交点」の拡大図。 本発明の変形例（非等脚な台形）のパターン例を示す説明図。

以下、本発明の実施形態について、従来技術との対比を交えながら説明する。

図４は、従来形状（矩形）のＢＭにおける画線交差部（交点）の拡大説明図である。それぞれ線幅ａの縦線，横線が設計通りにパターニングされる場合（図４（ａ））、交差部の面積＝ａ²の正方形であるが、「パターン太り」を招いた場合、交差部の周囲４箇所に太り部分を生じる。線幅ａに相当する半径の円弧（点線）と交差部により挟まれる、同図で「太り」と記す領域の面積は、４箇所合計で４ａ^２−πａ^２＝（４−π）×ａ^２≒０．８６×ａ^２であり、設計交差部の面積の０．８６倍にあたる太り面積が加わった丸みを帯びた交差部となる。実際の現象における太り部分の形状，輪郭を円弧と仮定する場合の半径は、設計条件，製造条件に応じて多様となる筈であるが、ここでは線幅ａを基準として考えることとする。

ＩＰＳ，ＶＡ，ＯＣＢといった様々な表示モードのＴＦＴ−ＬＣＤが提案されており、最新高品位モードの液晶セルにおいて、カラーフィルタで、２枚のガラス(カラーフィルタとＴＦＴアレイ)のセルギャップを高度に制御して画質の向上を図る目的で、分散ビーズスペーサーに代わりカラムスペーサーを利用した一層高精度なセルギャップ制御方式が適用される場合、フォトスペーサー（ＰＳ）を形成することもあり、画素に重ならない様、矩形状ＲＧＢ着色画素を囲むＢＭ（縦方向と横方向）の交差部にＰＳが設けられる。（図５参照）
ＰＳも感光材料からなるため、形成箇所となるＢＭの画線交差部も線幅の減少や、着色画素の上層に透明導電膜が形成されることに伴い、微細化サイズと形成スペースの確保の問題が生じることとなる。図６は、線幅ａのＢＭ交差部に納まって設置されうる円形断面ＰＳの最大サイズを点線で図示している。同図から、円形のＰＳ最大設置面積は、数式（１）に示す通りである。

従って、ＢＭの画線交差部の面積が５７％増加してあれば、ＰＳが最大面積となる時にも設置対応が可能と考えられる。図４（ｂ）の場合、８６％の面積増加ではＰＳ設置箇所の確保の上では問題ないが、着色画素部（開口）の縮小の問題への考慮が必要となる。尚、これまでの説明では縦線，横線が共に線幅ａで交差部（交点）の面積＝ａ^２に対しての増減を指標としていたが、縦線，横線の線幅がそれぞれａ，ｂと異なる場合は、交差部（交点）の面積＝ａ×ｂに対しての増減を指標として同様に考えられる。

図１は、本発明によるカラーフィルタの画素（ＢＭ）パターン例を示す説明図である。

図１（ａ）は、画素単位となる同一形状・サイズの等脚台形が、行（上下）方向では、２本の平行線間で上底と下底が左右に反転を繰り返して並び、列（左右）方向では、隣接
する台形間で上底同士および下底同士が共通となる様に左右に反転を繰り返して並べて敷き詰められた構成である。

台形の脚をなす線分は、列（左右，水平）方向には直線状に連続しないジグザグ線として配置され、台形の脚をなす線分と底辺をなす線分との交点（同図内で「ＢＭ交点」として点線の円で示す）も、列（左右，水平）方向では直線状ではなくジグザグに位置している。

図１（ｂ）は、画素単位となる同一形状・サイズの当脚台形が、行（上下）方向では、２本の平行線間で上底と下底が左右に反転を繰り返して並び、列（左右）方向では、隣接する台形間で上底同士および下底同士が一致せずにずれて左右に反転を繰り返して並べて敷き詰められた構成の画素（ＢＭ）パターン例である。言い換えると、画素形状は左右非対称な台形であるとは言え、図１（ａ）では、行（上下）方向および列（左右）方向で各画素の重心が整然と配列されたダイアゴナル（モザイク）状配列であるのに対して、図１（ｂ）では、行（上下）方向で各画素の重心がピッチずれしたデルタ（トライアングル）状配列に類似する。

図１（ｃ）は、画素単位となる同一形状・サイズの当脚台形が、行（上下）方向では、２本の平行線間で上底と下底が左右に反転を繰り返して並び、列（左右）方向では、隣接する台形間が同じ形状・向きで繰り返して並べて敷き詰められた構成の画素（ＢＭ）パターン例である。図１（ａ）（ｂ）では、列（左右）方向で隣り合う台形画素は交互に上底，下底の向きが入れ替わっているのに対して、図１（ｃ）では、列（左右）方向に並ぶ台形画素は一様に左右の同一方向を向いている。

図１（ｂ）（ｃ）の場合、図１（ａ）と異なり、「ＢＭ交点」は交差する箇所（交点からは４本の線分が延びる）は一切持たず、交点（同図内で点線の円で示す）から延びる線分は３本に限られているが、その分だけ交点の数は増加している。尚、本発明においては、交点から４本以上の線分が延びる様に（隣接する線分間で成される角度は問わない）、ＢＭ画線が交わる形態を「交差」と称し、交点から３本の線分が延びる形態は「交差」とは称さないこととする。

図７（ａ）は、図１（ａ）に示す画素パターン例における「ＢＭ交点」の拡大図である。図７（ｂ）には、図４に示す矩形の画素パターン例（従来技術）における「直交したＢＭ交点」の拡大図を対比して示す。図７（ａ）では、画素（開口部）が台形であるため、ＢＭ交点の周囲は、下側２箇所のθ（鋭角）と上側２箇所の（１８０°−θ：鈍角）を成す。図７（ｂ）では、ＢＭ交点の周囲４箇所は一様に９０°である。

フォトリソ工程（特に、現像処理）におけるパターン太りはＢＭ画線により挟まれる箇所が「鋭角」をなす画素開口で顕著であり、「鈍角」部分ではその影響は少ない傾向にある。図７（ａ）では同図に「θ」と記す２箇所の方でパターン太りが大きく発生する傾向があるが、図７（ｂ）に示す直交成分のみのＢＭでは、交点の周囲４箇所に一様にパターン太りが生じ、９０°の場合に「交点太り」が感覚的に最も顕著に感じられる傾向にある。

ＢＭパターンの交差角度を９０゜から浅くする（θ→小）ほど、交点太り量（面積）が少なくなるものの、交差角度を極端につけると、画素の縦横比が極端に大きくなり、配置できる画素数が少なくなり、ディスプレイの画面設計上の制約が生じてしまう。ＢＭパターンの交点太りを抑制し、画素開口の面積を確保する一方で、最新高品位モードの液晶セル向けカラーフィルタでのＰＳ（柱状突起を感光材料により作成するフォトスペーサ）の形成に対する要求もあり、線幅が微細化するＢＭでは、交差部の太りを利用してＰＳの設置面積を確保することや、さらなる設置面積の増加のため、ＰＳ設置用の台座加工を施す取り組みも行なわれてきた。交差部の太り量を極端に少なくすると、ＰＳの台座面積が確保されず、ＰＳの倒れや脱落を招きやすく、カラーフィルタの性能低下につながるという問題がある。画面設計上の制約，画素開口の面積，ＰＳの設置面積などを勘案して、本発明による台形の画素開口の場合、ＢＭパターンの交差角度としては、４５°〜６５゜程度に設定することが好ましい。

以下、本発明の実施形態での変形例を説明する。
（１）図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態では、上下方向に延びるＲＧＢ３原色のストライプ列を画素分割した場合に係る図示であるが、上下方向で隣接する画素毎に異なる色の着色画素を配置しても良い。
（２）図１（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態では、同一形状・同一サイズの画素はそれぞれ等脚台形である場合に係る図示であるが、非等脚な台形（内角の組み合わせ：鋭角ａ，鋭角ｂ，鈍角ｃ，鈍角ｄ）でも良い。図８に例示した非等脚な台形画素は、内角に直角部分を持つ台形（内角の組み合わせ：９０°，９０°，鋭角，鈍角）による配列パターンの例であるが、その場合は、マトリクスパターンが十字に直交して交差する箇所を持たない配列とすることが、本発明の主旨を逸脱するものではない。

本発明に係る樹脂ＢＭ用の樹脂ペーストに関しては、感光型／非感光型、あるいは感光型におけるポジ型／ネガ型の何れについても適用することができ、厚さ１〜３μｍの黒色樹脂層からなる線幅４〜２５μｍのマトリクスパターンが以下に述べる既知手法により作製される。

感光タイプの場合は、ガラス基板等からなる透明基板上に、アクリル系あるいはポリイミド系樹脂にカーボンブラックあるいはチタンブラックなどの顔料を分散した黒色の感光性レジストをスピンナーあるいはスリットコーターなどの装置を用い塗布し、感光性黒色樹脂層を形成し、額縁領域と表示領域とで透過率の等しいフォトマスクを用いたパターン露光〜現像等のパターニング処理を行って、ＢＭを形成する。

非感光型ペーストの場合は、同じくガラス基板等からなる透明基板上に、アクリル系あるいはポリイミド系樹脂にカーボンブラックあるいはチタンブラックなどの顔料を分散した黒色の非感光性樹脂ペーストをスピンナーあるいはスリットコーターなどの装置を用いて塗布し、その上にアクリル系あるいはノボラック系に代表される感光性レジストを塗布することで、感光性黒色樹脂層を形成し、額縁領域と表示領域とで透過率の等しいフォトマスクを用いたパターン露光〜現像等のパターニング処理を行って、ＢＭを形成する。

１ ＢＭ（ブラックマトリクス）
１ａ 縦棒パターン
１ｂ 横棒パターン
５ 交差部

Claims (5)

1. 透明基板上に、ブラックマトリクス層と着色画素層が形成された液晶表示用カラーフィルタであって、
   ブラックマトリクス層は、厚さ１〜３μｍの黒色樹脂層からなる線幅４〜２５μｍのマトリクスパターンであり、
   マトリクスパターンにより区画される画素形状が台形であることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 隣接する画素間ではマトリクスパターンが交差する箇所を持たない配列であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ。
3. 隣接する画素間でマトリクスパターンが交差する箇所を持つ場合、画線の交差角度が４５°〜６５°の鋭角部分と１３５°〜１１５°の鈍角部分を有することを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ。
4. 隣接する画素間でマトリクスパターンが交差する箇所を持つ場合、線幅ａの画線と線幅ａの画線の交点部分のパターン太り量がａ^２×０．８６未満であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ。
5. 隣接する画素間でマトリクスパターンが交差する交点部分の何れかの箇所に、設置面積がａ^２×１．５７未満のフォトスペーサーを配置してなる請求項４記載のカラーフィルタ。