JP3757079B2

JP3757079B2 - カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JP3757079B2
Application number: JP14712499A
Authority: JP
Inventors: 貴久半貫
Original assignee: NEC LCD Technologies Ltd
Current assignee: Tianma Japan Ltd
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: JP2000338504A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカラー液晶表示装置に係り、特に横電界方式のＴＦＴ―ＬＣＤなどに好適なカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、各種の情報電子機器の表示装置として広く使用されている。液晶表示装置は、少なくとも一方が透明で、かつ一方または双方に画素選択用の電極あるいは電極とスイッチング素子を形成した一対の基板の間に誘電異方性を有する液晶層を挟持した構成からなり、該基板の電極あるいは電極とスイッチング素子を選択することで所要の画素を点灯させて画像表示を行うものである。また、上記基板の表示領域の液晶層との界面にはラビング処理した液晶配向制御層（配向膜）が形成され、液晶層を構成する分子を所定の方向に配向させている。
【０００３】
カラー液晶表示装置では、上記のような一対の基板の透明な基板に複数（一般には３種類：３原色）のカラーフィルタを形成し、カラーフィルタの透過光または反射光を制御してカラー表示が得られる。カラーフィルタ基板は、透明基板上に各色の着色層とこの着色層の境界部分に遮光層（所謂、ブラックマトリックス、以下ＢＭと記す）が形成されている。アクティブ・マトリックス方式のカラー液晶表示装置では、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたものが多く、このＴＦＴを用いたカラー液晶表示装置では、光リーク電流を抑制する必要がある。また、アクティブ・マトリックス方式の液晶表示装置はコントラストが高いため、ラビング処理がなされていない部分、すなわち表示領域の外周はラビング処理されていない部分があり、この部分からの光漏れが発生する。この光漏れを防止するために、表示領域を囲む額縁部を設けている。ＢＭは、ＴＦＴ―ＬＣＤの画素部のＴＦＴへの光入射を防止し、バックライト光を遮光してコントラストを確保する等の表示品質を向上する目的に使用される。
【０００４】
液晶表示装置としては、視野角特性を改善するために、基板に対して主として平行な電界を発生させ、液晶層を構成する液晶分子を基板に対して略々平行に駆動させる横電界方式（ＩＰＳ方式とも称する）が提案されている。
【０００５】
図７は従来のＩＰＳ方式液晶表示装置のカラーフィルタ基板を説明する模式図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は表示領域の拡大図である。図中、１はカラーフィルタ基板、２は額縁部（表示領域の外周部）、３は表示領域、４ａは表示領域のＢＭ、５ａはカラーフィルタ色層であり、５Ｒ，５Ｇ，５Ｂはそれぞれ赤色の色層，緑色の色層，青色の色層を示す。
【０００６】
図示したように、３色のカラーフィルタ色層５ａの赤色の色層５Ｒ，緑色の色層５Ｇ，青色の色層５Ｂのそれぞれは表示領域のＢＭ４ａで区画され、コントラストを向上させている。
【０００７】
上記ＢＭ４ａ材料としては、従来クロム薄膜のような金属ＢＭが知られているが、ＢＭの反射率の低減とコストの低減を目的に顔料分散レジスト等からなるＢＭが開発されるようになった。
【０００８】
図８は顔料分散レジスト等からなるＢＭを使用したＩＰＳ方式液晶表示装置の構造例を説明する要部断面図であって、図中符号５ａはカラーフィルタ色層であり、６ａはカラーフィルタ側ガラス基板、６ｂは電極側ガラス基板、７ａは色層保護用の第１の保護膜、７ｂは電極保護用の第２の保護膜、８ａはカラーフィルタ側偏光板、８ｂは電極側偏光板、９ａは液晶層を制御するカラーフィルタ側配向膜、９ｂは電極側配向膜、１０ａ，１０ｂは電極、１１ａは配向された液晶層、１１ｂは非配向の液晶層、１２はシール材である。
【０００９】
この液晶表示装置はカラーフィルタ色層５ａを形成したカラーフィルタ基板と、画素選択用のスイッチング素子ＴＦＴを駆動する電極１０ａ，１０ｂを形成したＴＦＴ基板の間に液晶層１１を挟持し、周辺をシール材１２で封止して構成される。液晶層１１は各基板に形成したカラーフィルタ側配向膜９ａと電極側配向膜９ｂでの表示領域３の分子方向が所定の向きに配向されている（配向された液晶層１１ａを参照）が、額縁部２の液晶層はは非配向の状態になっている（非配向の液晶層１１ｂを参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図８において、表示領域を構成するカラーフィルタ色層５ａ（赤色の色層５Ｒ，５緑色の色層Ｇ，青色の色層５Ｂ）の境界は顔料分散レジスト等からなるＢＭ４ａで区画され、額縁部にはＢＭ４ａと同一材料のＢＭ４Ｂが形成されているが、ＢＭ４ｂの光学濃度（以下、ＯＤ値という）が小さく、輝度をかせぐために強力なバックライトが使用されるモニター用途のディスプレイでは額縁部から光が漏れる問題があった。
【００１１】
特開平１０―１７０９５８号公報や特開平７―１９１２１３号公報には、カラーフィルタの額縁部を顔料分散型樹脂と金属膜の積層構造として液晶表示装置のカラーフィルタ基板の遮光性を改善する方法が提案されており、額縁部のＯＤ値改善に効果を上げているが、まだ額縁部の光漏れを完全に防止するに至っていない。
【００１２】
特開平１０―６２７６９号公報にはカラーフィルタの外周部にも表示領域と同じような配列にＢＭとＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３原色の色層を設け、外周部のＢＭはＲ，Ｇ，Ｂの３層の積層膜で構成し、素子基板側には色層に対応する位置に金属の遮光層を設けて額縁部を遮光する方法が開示されているが、上記の特開平１０―１７０９５８号公報や特開平７−１９１２１３号公報と同様に、額縁部の光漏れを完全に防止するに至っていない。
【００１３】
また、特開平１０―６２７６８号公報にも特開平１０―６２７６９号公報と同様な単層の着色層、または、互いに異なる２つの色の着色層（赤色と青色）の積層膜からなる遮光層をカラーフィルタの額縁部に設けてカラーフィルタの額縁部の遮光性を改善する方法が開示されているが、カラーフィルタ額縁部の遮光性には上述の特開平１０―６２７６９号公報同様な問題が生じている。
【００１４】
上記の特開平１０―１７０９５８号公報や特開平１０―６８９６９号公報には、額縁部に設けた顔料分散型樹脂のＢＭ表面に表示領域のカラーフィルタを形成する赤、緑または青の顔料分散型樹脂膜の１つの層や２つの層を形成し、カラーフィルタの額縁部の光漏れを防止する方法が提案されている。
【００１５】
図６は、上記特開平１０―１７０９５８号公報に開示されているＩＰＳ方式液晶表示装置の構造例の要部断面図である。図中の符号で図７と同じものは、図７と同一部分に対応する。額縁部のＢＭ上にはカラーフィルタの色層５ａと同じ材料の色層（額縁部の色層５ｄを参照）を積層した構造となっている。なお、図６において符号１３はスペーサ材を示す。
【００１６】
上記の公報で開示された方法では、ＢＭとＢＭ上に積層された色層との相乗作用によりカラーフィルタの額縁部のＯＤ値は３．５程度に向上できる効果があるが、カラーフィルタ額縁部からの光漏れを防止するためには、ＯＤ値として４以上が必要とされるために、なお額縁部の光漏れを完全に防止するに至っていない。
【００１７】
特開平９―４９９１６号公報や特開平９―４９９１７号公報には、樹脂ＢＭおよびシール部に相当する領域に設けられた独立した樹脂ＢＭパターン上に３原色からなる着色層の積層により形成されたある面積のスペーサーを複数個設けたカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置が開示されている。この方法では従来のスペーサによる光散乱や透過による表示品質の低下が防止やセルギャップ制御に効果を得ているが、上記従来例と同様にカラーフィルタ額縁部の光漏れを完全に防止するには至っていない。
【００１８】
本発明は、上記の従来技術におけるカラーフィルタ額縁部における光漏れを防止したカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表示領域に第１のブラックマトリックスで区画された３原色をそれぞれ表示する色層を有し、前記表示領域周辺の額縁部に第２のブラックマトリックスが枠状に形成され、前記色層と前記第１及び第２のブラックマトリックス上に第１の保護膜を有するカラーフィルタ基板と、画素選択用のスイッチング素子ＴＦＴを駆動する電極と、前記電極上に第２の保護膜を有する電極基板との間に液晶層を挟持し、周辺をシール材で封止してなる横電界方式の液晶表示装置において、前記カラーフィルタ基板の前記表示領域の前記第１のブラックマトリックス上には、３原色をそれぞれ表示する色層の積層膜からなる第１の色層の柱が建てられ、前記カラーフィルタ基板の前記額縁部には、枠状に隙間なく前記第２のブラックマトリックスが形成され、前記第２のブラックマトリックス上には額縁部に沿って液晶注入部を除いた部分に枠状に３原色をそれぞれ表示する色層の積層膜からなる第２の色層の柱が建てられ、前記液晶注入部の前記電極基板の前記額縁部表面には金属系遮光層が形成されていることを特徴として構成される。
【００２０】
本発明においては、カラーフィルター基板の前記額縁部の前記ブラックマトリックス上に枠状に３原色の積層膜からなる第1の色層の柱を建てることによって、ブラックマトリックスと第1の色層の柱の相乗作用によって額縁部のＯＤ値を４以上向上でき、額縁部の光漏れを防止できると同時に額縁部のギャップ制御ができ、表示領域との液晶セルのギャップ差を低減できる効果がある。
【００２１】
本発明においては、前記カラーフィルタ基板の前記額縁部の前記液晶層の注入口部には前記第1の色層の柱が除去され、前記注入口部の前記電極基板の前記額縁部表面には金属系遮光層を形成することによって液晶注入を容易し、液晶注入口部の光漏れを防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施の形態について図１〜図４を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態のカラー液晶表示装置（ＩＰＳ方式のアクティブマトリックス型）のカラーフィルタ基板を模式的に説明した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は画素部（表示領域）の拡大図である。同図において、１はカラーフィルタ基板、２は額縁部（表示領域の外周部）、３は表示領域、４ａは表示領域のＢＭ、５a（５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ）はカラーフィルタ色層（赤、緑、青）、５ｂは表示領域に設けられた第２の色層の柱、１４は液晶注入口部である。図示したように、３色の色層５Ｒ，５Ｇ，５ＢのそれぞれはＢＭ４ａで区画され、コントラストを向上させている。
【００２３】
図２は本発明の第１の実施形態のカラー液晶表示装置のカラーフィルタ基板側から見た平面模式図である。図１と同一符号は同一部分に対応する。
【００２４】
図３は図２のＡ―Ａ'で切断したアクティブマトリックス型の液晶表示装置の要部断面図である。この液晶表示装置はカラーフィルタ色層５ａを形成したカラーフィルタ基板と、画素選択用のスイッチング素子ＴＦＴ（図中には表示していない）を駆動する電極１０ａ，１０ｂを形成した電極基板の間に液晶層１１を挟持し、周辺をシール材１２で封止た構成からなる。４ｂは額縁部のＢＭ、５ｂは表示領域のＢＭ上に設けられ、液晶セルのスペーサの役割と光散乱を防止する役割をする表示領域の第１の色層の柱であり、カラーフィルタ色層の３原色の色層の積層膜から構成されている。５ｃは額縁部に積層された第２の色層の柱であり、額縁部に沿って液晶注入部１４（図２参照）を除いた部分に枠状に形成されていることに大きな特徴がある。表示領域のＢＭ上に積層された第１の色層の柱５ｂと同じ構成の色層の積層膜からなる。第２の色層の柱５ｃは額縁部のＢＭ４ｂとの相乗作用によりカラーフィルタの額縁部の遮光性を改善する作用効果を有し、また額縁部の液晶セルのギャップを制御する作用効果もある。
【００２５】
また図中、６ａはカラーフィルタ側ガラス基板、６ｂは電極側ガラス基板、７ａはカラーフィルタ色層５ａ，第１の色層の柱５ｂおよびの第２の色層の柱５ｃの保護のための第１の保護膜、７ｂは電極保護用の第２の保護膜、８ａはカラーフィルタ側偏光板、８ｂは電極側偏光板、９ａはカラーフィルタ側配向膜、９ｂは電極側配向膜、１０ａ，１０ｂは電極、１１は液晶層、１２はシール材であり、図１と同一符号は同一部分に対応する。
【００２６】
図４は本発明の第１の実施形態のカラー液晶表示装置の構成を説明する図２の液晶注入口部１４のＢ―Ｂ'で切断した断面図であり、図中符号１０ｃは金属系遮光層、１５は封孔材である。図３と同一符号は同一部分に対応する。図４のように液晶注入部には図３の額縁部に形成された色層（第２の色層の柱５ｃ）は形成されず、電極側ガラス基板６ｂ表面に金属系遮光層１０ｃを設けて液晶注入部の遮光性を保持するようにした。
【００２７】
次に、図３及び図４を参照して本発明の第１の実施形態のＩＰＳ方式アクティブマトリックス型の液晶表示装置の形成方法を説明する。
【００２８】
本発明が適用される液晶表示装置は、まず表面が研磨された厚みが１．１ｍｍの透明のガラス基板上に、厚さ１〜１．５μｍの黒鉛もしくは酸化チタン系黒色顔料分散型レジストを塗布し、表示領域３と額縁部２とにＢＭ４ａ及び４ｂを形成する。ガラス基板としては石英ガラス、無アルカリガラス、ソーダライムガラスなどが使用できる。ガラス基板の代わりに透明樹脂基板も用いることができる。
【００２９】
次に、レジスト塗布、マスク露光、現像、ベーキング工程を３回繰り返して厚さ１〜１．５μｍの赤色層（５Ｒ)、青色層(５Ｂ)、緑色層(５Ｇ)の各層を形成する。なお、レジストとしてはポリイミド系樹脂やエポキシ系樹脂等の樹脂液に赤色はジアントラキノン系顔料、緑色はフタロシアニングリーン系顔料、青色はフタロシアニンブルー系顔料を分散させたものが使用され、ポリイミド前駆体液にこれらの顔料を混合分散させて形成したレジストが使用できるが、顔料、レジスト樹脂はこれらの材料に特に限定はされない。この色層を形成する際、既知の方法により、表示領域部のＢＭ４ａ上に面積２０μｍ×３０μｍ、厚さ３．５〜４．５μｍの３色の第１の色層の柱５bを表示領域のに建てる。同時に、額縁部分に形成されているＢＭ４ｂ上に液晶注入口部１４のみを外した額縁部に表示領域の第１の色層の柱５ｂと同じ材料で厚さ３．５〜４．５μｍ，幅３〜５ｍｍの３原色の色層の積層膜である第２の色層の柱５ｃを形成する。
【００３０】
次に、カラーフィルタ色層，ＢＭおよび色層の柱表面にポリイミド系樹脂により保護膜（カラーフィルタ側保護膜７ａで表示）と配向膜（カラーフィルタ側配向膜９ａで表示）を形成する。
【００３１】
一方、相対する電極側ガラス基板も厚みが１．１ｍｍで表面を研磨したガラス基板上に既知の方法により電極１０ａ，１０ｂのパターンを形成する。この際、同時に液晶注入口部１４に金属系遮光層１０cを設ける。金属系遮光層１０ｃとしてはクロム、酸化クロム、モリブデン、アルミニウム、タンタルからえらばれた一つもしくはそれらの化合物等が使用できる。次に、プラズマＣＶＤにより、厚さ約５００ｎｍのシリコンナイトライド膜（ＳｉＮｘ）または酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂膜）をガラス基板上に被覆して電極保護膜７ｂを形成した後、カラーフィルタ側配向膜９ａと同じ材料で電極側配向膜９ｂを形成する。
【００３２】
次に、透明ガラス基板の周囲にエポキシ樹脂系のシール材１２を枠状に塗付し、２枚の透明ガラス基板を重ね合わせ、加圧した状態で加熱して、シール材１２を硬化させて両透明ガラス基板の液晶注入口を除く周囲をシールした後、両透明ガラス基板間に液晶を真空注入して、液晶注入口部１４を封孔材１５で封止してカラー液晶パネルを完成する。
【００３３】
以下、本発明の実施の動作について詳細に説明する。尚、以下の説明において、光学濃度ＯＤ値として、光波長４００〜８００ｎｍの範囲でＯＤ値＝−Ｌｏｇ₁₀Ｙと定義する。ＹはＣＩＥ色度座標のＣ光源を使用したときの視感透過率である。上記の実施の形態の構成で示したように、額縁部のＢＭ上に色層を積層することにより額縁部のＯＤ値を大きくすることができる。
【００３４】
なお、吸収度は−Ｌｏｇ₁₀Ｔであり、Ｔを透過率で示すと、Ｙ値と透過率Ｔは、次式に示した関係を持つ。
【００３５】

本実施の形態における額縁部のＹ値とＯＤ値の関係を表１に示す。表１に示すように、黒色顔料分散型レジストによる黒色のＢＭに、赤、緑、青の色層を積層した場合には、ＯＤ値は４．５になる。このようにＢＭ上に色層を３層重ねた場合は、優れた遮光性を示す。したがって、額縁部ＢＭ上に色層を３層重ね、これを枠状に形成することにより、上記の特開平９―４９９１６号公報や特開平９―４９９１７号公報のように額縁部のＢＭ上に微小面積（スポット状）の色層のスペーサを設けた構造と比較して額縁部の遮光性を著しく向上できる効果が得られる。この場合、前述の通り、液晶注入を容易にさせるため液晶注入口部１４には色層を積層させず、この部分の遮光性を保つために電極基板側に形成された金属系遮光層で遮光を達成する。ここで、額縁部のみを色層の枠（柱）で形成すると表示部付近のパネルギャップが額縁部と異なり、表示品質の低下を来すため、表示領域にも同様に色層の柱を設ける。これにより、表示領域と額縁部ともにパネルのギャップが均一になり、表示品質の向上につながる。
【００３６】
【表１】

【００３７】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図５は本発明の第２の実施の形態のアクティブマトリックス型のカラー液晶表示装置の要部断面図である。
【００３８】
図５のように本実施の形態では、上記の第１の実施の形態における第１の色層の柱を第１の保護膜の材料で形成するものである。額縁部の３原色の色層からなる第２の色層の柱は、上記の第１の実施の形態と同じ工程によってカラーフィルタ５ａと同じ材料で形成され、第１の色層の柱は表示領域のＢＭ上に第１の保護膜７ａと同じ材料のポリイミド系樹脂を使用して、フォトリソグラフィでスペーサ層を形成するようにする。さらにこれらの柱と額縁部の第２の色層の柱５ｃおよびカラーフィルタ色層５ａを覆う第１の保護膜を形成する。
【００３９】
本実施の形態における液晶注入口部の構造は上記の第１の実施の形態と同様な構造を採用することができ、第１の実施の形態と同様に額縁部におけるＯＤ値４．０以上の遮光性をうることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、カラーフィルタの額縁部の液晶注入口部を除くＢＭ上に枠状に３原色からなる色層の積層膜の柱を建てることによって、ＩＰＳ方式のカラー液晶表示装置における表示領域の外周部（額縁）での透過光強度を低減することができ、ＯＤ値４．０以上の遮光性を得ることができ、また、液晶注入を容易に行うことができると同時に、額縁部におけるパネルギャップを均一に保つことができ、表示品質に優れたカラー液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のカラー液晶表示装置のカラーフィルタ基板を模式的に説明した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のカラー液晶表示装置のカラーフィルタ基板側から見た平面模式図である。
【図３】図２のＡ―Ａ'で切断したカラー液晶表示装置の要部断面図である。
【図４】図２のＢ―Ｂ'で切断した液晶注入口部１４付近の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のカラー液晶表示装置の要部断面図である。
【図６】従来のＩＰＳ方式液晶表示装置の構造例の要部断面図である。
【図７】従来のＩＰＳ方式液晶表示装置のカラーフィルタ基板を説明する模式図である。
【図８】従来のカラーフィルタに顔料分散レジスト等からなるＢＭを使用したＩＰＳ方式液晶表示装置の構造例を説明する要部断面図でる。
【符号の説明】
１カラーフィルタ基板
２額縁部
３表示領域
４ａ表示領域のＢＭ
４ｂ額縁部のＢＭ
５ａカラーフィルタ色層
５ｂ第１の色層の柱
５ｃ第２の色層の柱
５ｄ額縁部の色層
６ａカラーフィルタ側ガラス基板
６ｂ電極側ガラス基板
７ａ第１の保護膜
７ｂ第２の保護膜
８ａカラーフィルタ側偏光板
８ｂ電極側偏光板
９ａカラーフィルタ側配向膜
９ｂ電極側配向膜
１０ａ，１０ｂ電極
１０ｃ金属系遮光層
１１液晶層
１２シール材
１３スペーサ材
１４液晶注入口部
１５封孔材

Claims

表示領域に第１のブラックマトリックスで区画された３原色をそれぞれ表示する色層を有し、前記表示領域周辺の額縁部に第２のブラックマトリックスが枠状に形成され、前記色層と前記第１及び第２のブラックマトリックス上に第１の保護膜を有するカラーフィルタ基板と、画素選択用のスイッチング素子ＴＦＴを駆動する電極と、前記電極上に第２の保護膜を有する電極基板との間に液晶層を挟持し、周辺をシール材で封止してなる横電界方式の液晶表示装置において、前記カラーフィルタ基板の前記表示領域の前記第１のブラックマトリックス上には、３原色をそれぞれ表示する色層の積層膜からなる第１の色層の柱が建てられ、前記カラーフィルタ基板の前記額縁部には、枠状に隙間なく前記第２のブラックマトリックスが形成され、前記第２のブラックマトリックス上には額縁部に沿って液晶注入部を除いた部分に枠状に３原色をそれぞれ表示する色層の積層膜からなる第２の色層の柱が建てられ、前記液晶注入部の前記電極基板の前記額縁部表面には金属系遮光層が形成されていることを特徴とするカラー液晶表示装置。
前記金属系遮光層がクロム，酸化クロム，モリブデン，アルミニウム，タンタルのいずれか一つもしくはこれらの化合物からなることを特徴とする請求項１に記載のカラー液晶表示装置。
前記カラーフィルタ基板の前記額縁部のＯＤ値が４．０以上であることを特徴とする請求項１に記載のカラー液晶表示装置。
前記第１の色層の柱および前記第２の色層の柱の材料が前記カラーフィルタの前記第１のブラックマトリックスで区画された色層と同じ材料からなることを特徴とする請求項１に記載のカラー液晶表示装置。
前記第１の保護膜の材料としてポリイミド系樹脂を使用したことを特徴とする請求項１に記載のカラー液晶表示装置。