JP2520399B2 - カラ−液晶パネルの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多色あるいは天然色のカラー表示用液晶パ
ネルの製造方法に関するものである。

〔発明の背景〕

近年、コンピューターやテレビを代表とする各種情報
機器の発達に伴い、その情報の出力端としての表示装置
の役割は益々大きくなってきている。この表示装置とし
ては従来からCRT（陰極線管）が最も広く使用されてい
るが、近年、その薄型性や低消費電力性等の故にLCD
（液晶表示装置）の占める比率が急拡大している。一
方、表示装置が人間の視覚に訴えるという性格を持つこ
とから、一般にカラー表示であることが好ましいのは言
うまでもない。従って、カラーLCDの必要性は極めて大
きなものとなってきている。

〔従来技術と問題点〕

カラーLCDを実現するためにこれまでに種々の考案が
なされてきた。それは、例えばECB（電気制御複屈折）
方式、ゲストホスト方式、複屈折フィルム−TN（ツイス
テッドネマチック）方式、旋光分散−コレステリック方
式等であるが、天然色表示性と構造的信頼性の面から現
在の所、液晶を光シャッターとして用いて、これと赤
（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色フィルターとを組
み合わせたカラーLCDが最も有力である。

第３図はカラーフィルター型のカラーLCDの動作原理
を説明するための構成概念図で、白色の入射光13はカラ
ーフィルター11を透過してスペクトル成分の選択がなさ
れた後、光シャッターである液晶パネル12に於いて透過
光量の調整が行なわれ、人間の眼15には出射光14（ここ
ではＲとＧが透過しており黄〜黄緑色となる）が観測さ
れる。尚、入射光13に対して、カラーフィルター11と液
晶パネル12の相対位置関係は逆転しても構わない。

第４図は従来技術を示し、液晶パネルに於けるカラー
フィルターの形成場所を示す断面図で、対向するガラス
板21、22と液晶層24によって構成された液晶パネルにカ
ラーフィルター23が形成されており、第４図（ａ）は液
晶パネルの外側にカラーフィルター23が形成されたもの
で（外在型と呼ぶ）、第４図（ｂ）は液晶パネルの内側
にカラーフィルター25が形成されたものである（内在型
と呼ぶ）。この両者の主要な相違点としては、カラーフ
ィルターの液晶層への化学的な妨害による信頼性の低下
を考慮する必要が無いという点で外在型が優れており、
カラーフィルターと光シャッターである液晶パネルとの
距離が小さくて表示装置を斜め方向から見た時にも不必
要な混色を起こさないという点で内在型が優れている。
そして、現在の液晶パネルの目指す方向が高密度高精細
化であることを考えると、上記の混色の問題は極めて重
大と言わざるを得ず、カラーフィルターを液晶パネルの
内側に形成する内在型でカラーLCDを作成することが強
く望まれている。

以上の観点から、以下には内在型のカラーLCDについ
て述べ、その問題点の整理を行なう。第５図は第４図
（ｂ）に示す内在型での透明電極とカラーフィルターと
の位置関係を示す断面図で、第５図（ａ）はガラス板21
の上の透明電極31の上にカラーフィルター23が形成され
ている（上フィルター構造と呼ぶ）のに対し、第５図
（ｂ）ではガラス板21の上のカラーフィルター23の上に
透明電極31が形成されている（下フィルター構造と呼
ぶ）。なお、第５図（ａ）、第５図（ｂ）において、32
はガラス板22の上の透明電極である。この上フィルター
構造と下フィルター構造との、重大な差異は、液晶駆動
上で現われる。これを説明するために、上フィルター構
造の等価回路を第６図に示す。すなわち、対向する透明
電極に対応する端子43、44の間にカラーフィルターによ
るカラーフィルター容量41の容量成分C_CFと液晶層によ
る液晶容量42の容量成分C_LCとが直列に結合された形と
なり、端子43、44間に印加された電圧V_Aの一部であるV
_LCしか液晶駆動に寄与しないことになる。これを定量的
に表記すれば V_LC＝V_A・C_CF/（C_LC＋C_CF） ……（１） となる。そして、この様な電圧降下の影響により上フィ
ルター構造では、従来の液晶パネルに比べて見掛け上の
液晶駆動の電圧を上げなければならず、その程度は通常
20％以上となり、甚しい場合には100％以上にもなる。
一方、液晶駆動用のIC（集積回路）の動作耐圧はラッチ
・アップ等の特性により定まるが、その余裕度はせいぜ
い20〜30％であり、上フィルター構造にはほとんど適用
できなくなる。更に、たとえIC耐圧の面で条件を満たし
えたとしても、カラーフィルターによる容量成分C
_CFが、カラーフィルターの膜圧d_CFに対して反比例（C_CF
∝d_CF ^-1）するため、d_CFの厳密な管理が要求されること
になり、製造上の重大な問題となっている。仮りに、d
_CFの値がLCDの場所によって異なると画面内での明るさ
のむらとなって現れ、カラーフィルターの色の間でd_CF
が異なる場合には画像の色再現性の悪化となる。通常d
_CFは１〜２μｍであるので、これを±0.1μｍ程度の幅
で制御する必要がある。さて、これ迄に述べた、IC動作
耐圧とカラーフィルター膜厚の制御性は技術とともに解
決可能な問題とも言えるが、上フィルター構造に於ける
もう一つの重要な、そして原理的に避けることの出来な
い問題として、画像コントラストの低下がある。この問
題は、勿論能動素子を用いたアクティブ、マトリクス方
式の駆動を用いれば回避できるものではあるが、単純マ
トリクス方式（非アクティブ、ストリクス全体を指し２
重マトリクス方式等も含むものとする）では重大な問題
である。この様なコントラストの低下の起こる理由は、
C_LCが液晶層への印加電圧V_LCとともに増大するため（液
晶分子の誘電異方性に起因する）で、第（１）式から明
らかな様に、V_Aの内の実質的に液晶層に印加される電圧
V_LCの割合が、V_Aの増大とともに減少することにある。

この様に、上フィルター構造は技術的にも、また本質
的にも多くの問題を孕んでいる。尚、これに対する有効
な対策として、カラーフィルターの膜厚を大幅に薄くす
ることが考えられるが、本来のカラーフィルターの機能
である彩度を保つことが困難となり、これも現実的とは
言えない。以上の様に、上フィルター構造を実現しよう
とすると、種々の重大な問題が発生しやすく、その根源
は何れもカラーフィルターによる電圧降下と言える。そ
こで、この電圧降下の影響を受けない構造という見地か
ら考えると、第５図（ｂ）の下フィルター構造が好まし
いものであることが明らかである。

これまでの議論から、下フィルター構造が液晶駆動上
から最適のカラーLCD構造と結論できるが、実際には極
めて限定された範囲でしか使用されていない。すなわ
ち、薄膜トランジスタ（TFT）型のアクティブ、マトリ
クス方式のカラーLCD（例えば、日経エレクトロニク
ス、P.211、No.351（1984）参照）では標準的な構造と
なっているが、この場合、カラーフィルターを形成した
基板側には能動素子を配置しないのが一般的なので、カ
ラーフィルター側の透明電極は全面ペタでパターニング
を必要としないという大きな利点がある。従って、透明
電極の膜質、抵抗値等に対する制約も極めて少なく、技
術的にも重大な問題は無いのである。

一方、下フィルター構造を単純マトリクス方式のカラ
ーLCDに適用しようとした場合には、アクティブ、マト
リクス方式とは比較にならない様な種々の困難性が存在
する。その中でも特に大きな問題としてあるのは、透明
電極の抵抗値及びそのパターニング性と言える。すなわ
ち、単純マトリクス方式の場合は、カラーフィルター部
分では概ねストライプ状の微細なパターンを形成する必
要があり、しかもその抵抗値も面積抵抗値で数十Ω以下
に下げなければ十分な画像品質を得ることができないの
であるが、下フィルター構造では一般に酸性染料による
染色型のカラーフィルターが透明電極形成の際に存在す
ることから、そのカラーフィルターの耐熱性と耐薬品性
のために低温での透明電極形成と温和な条件でのパター
ニングとが要求され、結果的にカラーLCD用基板として
の所期の要求仕様を満足することは甚だ困難であった。
また、この他にもカラーフィルターの平坦性、機械的強
度、カラーフィルター中の不純物による液晶の汚染、等
の問題もあり、これらが、下フィルター構造の単純マト
リクス型カラーLCDの実現を阻んできた。尚、上記問題
点は単純マトリクス方式に限定して述べたが、同様の議
論は２端子型のアクティブ、マトリクス方式にも適用さ
れる。この２端子型は、MIM（Metal−Insulator−Meta
l）あるいはDR（Diode−Ring）等に代表されるもので、
既に述べた３端子型のTFTと異なり、カラーフィルター
側基板の透明導電膜のパターニングが必要であり、要求
される性能はほぼ単純マトリクス方式と同等である。

〔発明の目的〕

本発明はかかる下フィルター構造のカラーパネルが内
包する諸問題を解決し、良好な画質でかつ信頼性も高
く、尚かつ経済性もを有する理想的なカラー液晶パネル
の製造方法を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

本発明はカラー液晶パネルの一方の透明基板を、透明
基板上にカラーフィルターと有機透明薄膜とストライプ
状の透明電極の順に形成する製造方法において、カラー
フィルターを有機顔料を分散したインキを用いたオフセ
ット印刷法により透明基板上に形成する工程と、カラー
フィルターの表面をローラー加圧により平坦化する工程
と、有機透明薄膜をガラス転移温度が180℃以上の樹脂
を用いてカラーフィルター上に印刷法により形成する工
程と、180℃以上250℃以下の温度でスパッタリング法に
より透明導電膜を形成しこの透明導電膜をエッチングし
て概ねストライプ状の透明電極を形成する工程とを有す
る。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明による内在型下フィルター構造のカラ
ー液晶パネルの断面図を示す。

まず、透明基板であるガラス板21上にカラーフィルタ
ー23を形成する。透明基板としてはガラスが通常用いら
れ、必要に応じて表面は酸化シリコンで被覆するもので
ある。カラーフィルター23としては一般にゼラチン薄膜
を酸性染料で染色着色させたものが使用されているが、
このタイプのカラーフィルターはゼラチン及び酸性染料
の何れも耐熱性が必ずしも良くなく、おおむね180℃、
１時間以上の加熱により、顕著な色特性の変化が起こ
る。

一方、本発明によるカラー液晶パネルは後述するよう
に透明導電膜の形成条件として、180℃以上の加熱が必
要であり、この意味から、通常のゼラチン染色型のカラ
ーフィルターを用いることはできない。更にまた、仮に
この耐熱性の問題が何らかの形で改良できたとしてもこ
の様なゼラチン染色型のカラーフィルターは、ゼラチン
のパターニングと染色を三原色に対して行なう必要があ
り、工程が複雑なばかりでなく、ゼラチン薄膜をスピン
ナーを用いて形成しなければならないという工程上の不
利な制約もあり、生産的見地から見た時の低価格化が極
めて困難である。以上の種々の欠点を解決するカラーフ
ィルターとして、顔料分散型の印刷フィルターを用いた
のが本発明によるカラー液晶パネルである。この場合顔
料としては有機、無機の両方があるが、演色性の点から
有機顔料がすぐれる。また印刷フィルターの印刷方法と
しては、オフセット印刷が有力である。オフセット印刷
は厳密には版面と印刷面とを直接に接触せず、ゴムブラ
ンケットを媒介として間接的に印刷インキを転移する方
法のことである。しかしほとんどの場合、版として平版
が用いられるので一般的にオフセット平版印刷と同様に
用いられており、ここでもこの意味で用いている。オフ
セット印刷が有力であることの理由は、第１に本願の対
象となるカラーフィルターでは硬いガラス面を印刷面と
するので、ゴムブランケットのように弾力を有する媒体
を用いて印刷するのが好ましいのである。また第２に平
版では版に湿気を与え、インキを載せたくない非画線部
には薄い水の層を形成してインキが付着しないようにす
る手法を取るわけであるが、この様に水を用いるときに
は水に溶け出すことのない顔料系のインキしか使用でき
ないのである。後述するように、本願発明においては顔
料系印刷カラーフィルターを形成することが特性的にみ
て重要であるが、この場合にオフセット印刷と顔料を分
散したインキとのマッチングは非常に良いといえる。
尚、印刷インキで顔料を分散させる媒体であるビヒクル
としては、アルキド樹脂、エポキシ樹脂等をガラス印刷
用に調整したものとする。このような顔料分散インクと
オフセット印刷との組み合わせで、100μｍ以下の微細
なパターンのカラーフィルターを形成することができ
る。こうして、形成したカラーフィルターは、従来のゼ
ラチン染色型でゼラチン及び染料の双方の耐熱性が劣っ
ていたのに比べ、ビヒクル及び顔料が200℃、１時間以
上の加熱に十分に耐える特性を有する。特に、色特性の
基準をゆるめて耐熱性の良好な顔料を選び、加熱雰囲気
を窒素中あるいは真空中とすることで250℃、１時間程
度の処理も可能である。更にまた、顔料系では染料系よ
りも耐光性が向上する副次的なメリットもある。しか
も、印刷法の特長として、簡単な設備で生産性が高く、
ひいては低価格のカラーフィルターを供給することがで
きる。さて、この様に長所の多い印刷フィルターではあ
るが、印刷後の形状は凹凸が多く、内在型のカラーLCD
として用いるには問題である。これは主に、後述する透
明導電膜のパターニングの際に発生するもので数十μｍ
程度の微細なパターンを切ると断線したり、クラックが
はいったりする。また、やはり後述する透明保護膜を用
いた時に、透明導電膜形成後のストレスによって、該保
護膜に多数のしわが発生し、その結果透明電極の断線を
生ずることにもなる。

以上の様な問題は印刷カラーフィルターの表面形状を
何らかの方法で平坦化することで解決あるいは大幅に改
善される。平坦化はローラーによる潰し、あるいは研磨
等の機械的手法によって行なうのが効果的である。平坦
化の基準は凹凸の幅として１μｍ以下で十分である。

次に有機透明薄膜51について述べる。該透明薄膜の主
要な目的は以下の４点である。

（１） カラーフィルター中の不純物が液晶層中に溶出
するのを防止する。

（２） カラーフィルターの表面形状の凹凸をならす。

（３） 透明導電膜との密着性を向上させて、該導電膜
のパターニングを容易にする。

（４） 透明導電膜のパターニング工程時の薬品による
カラーフィルターのダメージを防ぐ。

このうち、（１）については本発明で用いる印刷カラ
ーフィルター23の場合、直接液晶層と接した場合でも許
容限度内の不純物（特にアルカリイオン）の溶出しか認
められず主要な目的とは言えない。ただし、他の不純物
を多く含むカラーフィルターを使用する場合は必要であ
り、また前記２端子型のアクティブ、マトリクス方式の
カラーLCDに用いる場合にも液晶の比抵抗を高く保つ必
要があり、（１）も重要なポイントとなる。（２）につ
いては、塗布型の有機透明薄膜を用いることで、そのチ
キソトロピックな性質により十分な平坦化効果が得られ
る。（３）、（４）については、物性がらみの問題であ
り、ある程度の経験的判断となり、特に（４）について
通常ITOのパターニング工程となり、耐酸性と耐剥離液
性が要求される。

以上の様な観点から、多数の有機高分子系透明膜を検
討した結果、ポリイミド系透明膜が最も好ましい特性を
有することが明らかになった。他の、アクリル系、ウレ
タン系、エポキシ系、アルキド系等の透明膜も使用可能
ではあるがポリイミド系樹脂に比べると透明導電膜のパ
ターニング性が劣っている。その原因は透明膜と透明導
電膜との密着性の良否にあると考えられる。また、後述
する特に透明導電膜の形成は180℃以上に基板を加熱し
て行なうものであるが、この時下地の透明膜が十分に機
械的強度を有する必要があり、この意味から透明膜を構
成する樹脂のガラス転移温度（Tg）は180℃以上である
ことが好ましい。前記ポリイミド系樹脂は通常300℃位
のTgを持ち、この点でも最も適した透明膜と言える。
尚、これらの透明膜材料には高い透明性と200℃以下で
の硬化とが要求されることは当然である。

有機透明薄膜の形成方法としてはスピンナー塗布、デ
ィップ、印刷等がありその何れにてもよいが、一般に液
晶パネルを作成する場合にはシール材下等はガラス面で
あることが好ましく、必然的に該透明膜も形成領域を限
定する場合が多くなる。従って、工程の簡便さから印刷
法が最も良く、この場合、スクリーン印刷、オフセット
印刷等の方法が適用できる。また、この見地からも前記
ポリイミド系樹脂は印刷性が良く好ましい材料と言え
る。

次に前記有機透明薄膜上に透明導電膜を形成しこれを
パターニングして透明電極31とする。透明導電膜として
はITOが最も一般的であるが、カラーフィルター23の耐
熱性のために250℃以下で形成する必要がある。このた
めの最も有力な方法は、スパッタリング法であり、良好
な特性の膜を比較的低温で形成することができる。ただ
し、スパッタリング法によるITO膜は180〜200℃を堺に
して、それより上の温度では結果性が増し、比抵抗が下
がると同時に、後のエッチングによるパターニング性も
急速に良くなる。従って、基板温度としては180℃以上2
50℃以下が良質のITO膜をカラーフィルター劣化を起す
ことなく形成できる条件である。

ITOのパターニングは通常のレジストと塩酸系エッチ
ング液を併用して容易に行なうことができる。また、レ
ジストの剥離は弱アルカリ系あるいは有機溶剤系の剥離
液によるやや温和な条件で行えば全く問題ない。

第２図には本発明の別の実施例を示す。ここでは透明
電極31まではカラーフィルターを顔料分散型の印刷フィ
ルターとし、このカラーフィルターに平坦化処理を施す
ことも第１図と同じであるが、更にその上に部分的に金
属電極61を形成したものである。この場合、金属電極61
も熱的には250℃以下で形成した膜よりなるが、スパッ
タ法、蒸着法メッキ法等が利用でき、金属としてもCr、
Al、Ni、Au等が使える。金属電極の目的としては主とし
て、透明電極の抵抗値の低下不足分を補うものである。
尚、金属電極61と透明電極31との上下関係は逆転してい
ても、また下に有機透明薄膜51やカラーフィルター23が
無い部分に形成されていても構わないが、少なくとも、
金属電極と透明電極とは電気的に接続されている必要が
ある。

こうして、電極パターニングまで終了した基板は通常
の配向処理を経て、別に用意したガラス基板と重ね合わ
せることでパネル化する。こうして下フィルター構造の
カラーLCDとなるが、このパネル化の工程に関しては、
従来の上フィルター構造のパネルとほぼ同じ取扱いで十
分である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来カラーフィルター外在型のカラ
ーLCDで見られた様な斜め方向から見た時の混色は無
く、しかも、前記した上フィルター構造で問題となる液
晶駆動電圧の上昇と画質の低下とを防止できる。しか
も、平坦化した顔料分散型の印刷法によるカラーフィル
ターを用いることで熱的特性が向上し、コスト的にも利
点が大きい。また、有機透明薄膜（特にポリイミド系樹
脂）を用いることで、その上に形成する透明電極のパタ
ーニング性が非常に良好となり、かつカラーフィルター
表面の平坦化も更に改善されてカラーLCDとしての特性
にも好結果をもたらす。また、透明導電膜としては低温
領域としては膜質が向上する180℃以上でのスパッタ法
によることで、抵抗値、エッチング性の双方で良質の膜
が得られる。そして、これらの効果の集積として、良好
な画質のカラーLCDを形成することができる。

本発明によれば、表示性能の優れたカラーLCDを容易
に作成することができ、歩留り、コスト面の量産性から
も非常に効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明に基づく実施例を示し、第１図
は一実施例におけるカラー液晶パネルの断面図、第２図
は他の実施例におけるカラー液晶パネルの断面図、第３
図は従来のカラーフィルター方式によるカラーLCDの動
作原理を説明するための構成概念図、第４図（ａ）、第
４図（ｂ）、第５図（ａ）、第５図（ｂ）は従来のカラ
ーフィルターと液晶パネルとの位置関係を説明する断面
図で、第４図（ａ）は外在型、第４図（ｂ）は内在型、
第５図（ａ）は内在型の上フィルター構造、第５図
（ｂ）は内在型の下フィルター構造であり、第６図は上
フィルター構造の等価回路図である。 11、23……カラーフィルター、 12……液晶パネル、 21、22……ガラス板、 31、32……透明電極、 51……有機透明薄膜、 61……金属電極。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−3122（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−237441（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明基板、透明基板上に形成されたカラー
   フィルター、カラーフィルターを被覆して形成された有
   機透明薄膜、およびすくなくとも有機透明薄膜上では概
   ねストライプ状の形状を有する透明電極とを備える透明
   基板を一方の構成要素とし、この構成要素の製造方法
   は、 カラーフィルターを有機顔料を分散したインキを用いた
   オフセット印刷法により透明基板上に形成する工程と、
   カラーフィルターの表面をローラー加圧により平坦化す
   る工程と、有機透明薄膜をガラス転移温度が180℃以上
   の樹脂を用いてカラーフィルター上に印刷法により形成
   する工程と、180℃以上250℃以下の温度でスパッタリン
   グ法により透明導電膜を形成しこの透明導電膜をエッチ
   ングして概ねストライプ状の透明電極を形成する工程と
   を有することを特徴とするカラー液晶パネルの製造方
   法。