JP3902691B2

JP3902691B2 - 液晶表示用カラーフィルタおよびその製造方法

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Publication number: JP3902691B2
Application number: JP13169997A
Authority: JP
Inventors: 忠宏古川; 達彦村井
Original assignee: Kyodo Printing Co Ltd
Current assignee: Kyodo Printing Co Ltd
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2017-05-05
Also published as: JPH10307205A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶層に面するよう配置される液晶表示用カラーフィルタであって、特に、反射型のようにカラーフィルタの全体の明るさが重視されるものに関する。
【０００２】
【発明の背景】
最近、液晶表示装置の中で反射型が注目されている。反射型液晶パネルは、バックライトを用いずに装置周囲の自然光を利用する点で、透過型のものに比べ消費電力を小さくすることができるので携帯用の表示装置として有用である。この反射型のものをカラー表示させる方法として、カラーフィルタを用いる方法がある。カラーフィルタを含む反射型の液晶パネル自体は、たとえば、特開平８−３０４８１６号あるいは特開平９−６８６０８号の各公報が示すように、光シャッタとしての液晶層の一面にカラー表示のためのカラーフィルタ、その液晶層の他面側に光反射機能をもつ反射層を備えている。こうしたカラーフィルタを用いる方式は、背景色をペーパーホワイトにし、広い色表示範囲を目指すことが容易で、カラーフィルタを用いない他の方法に比べ有利である。
【０００３】
ところで、従来からの透過型の液晶表示パネルにおいては、パネルの背面にバックライトがあるため、カラーフィルタとしては色が濃く、かつ色の再現範囲の広いものを用いることができる。たとえば、カラーフィルタの明るさについて、光がカラーフィルタを１回通過するものとして計算し、各色の明度Ｙ値の平均は２０〜３０程度のもので充分である。そこで、バックライトをもつ透過型の液晶表示パネルに対しては、従来一般に、色の鮮やかさの点でよりすぐれた３原色（つまり、レッド、グリーン、ブルー）のカラーフィルタが多用されている。
しかし、反射型の液晶表示パネルでは、表示に自然光を利用し、しかも、カラーフィルタの色の組合せそのものが白表示となることから、カラーフィルタとして、できるだけ明るいものが必要とされる。その点、カラーフィルタの中を光が２回通過するものとして計算すると、ペーパーホワイトの観点から前に述べた明度Ｙ値の平均が４０以上であることが必要とされる。この高い明度Ｙ値、特にその値が５０以上の領域では、３原色のレッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタよりも、イエロー、マゼンタ、シアンの補色系の方が色再現範囲が広くなる。したがって、明るさが要求される反射型の液晶表示用のカラーフィルタとしては、明るい範囲で演色範囲が大きい補色系の方が有利であるということができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の点から、発明者等は、明るさの点ですぐれたイエロー、マゼンタ、シアンの補色系のカラーフィルタを研究対象とし、その表示特性をさらに改良することを企てた。補色系のカラーフィルタにおける最大の難点は、レッド、グリーン、ブルーの原色の良い色を出すことが困難である点にある。そこで、この発明は、イエロー、マゼンタ、シアンの補色系のカラーフィルタの利点を生かしつつ、色度図上における色表示範囲をさらに広げ、レッド、グリーン、ブルーの原色についても色純度にすぐれた良い色を出すことができるようにすることを第１の課題とする。
【０００５】
第１の課題を解決する場合、カラーフィルタの色要素として、イエロー、マゼンタ、シアンの色に加えて、レッド、グリーン、ブルーの原色の色を加えることが考えられる。しかし、補色系の３つの色に加えて、原色系の３つの色を加えて６色にする場合、各色についての色パターンを形成する工程数を単に３から６に増やしたのでは、製造コストを増大するだけである。そこで、この発明は、製造工程数を増やすことなく、カラーフィルタの色要素を増やすことができるようにすることを第２の課題とする。
【０００６】
さらに、カラーフィルタの色の数が増えると、その色数が増えた分だけ表示画面が粗くなり、たとえば、画面にスジが出るなどの不都合を生じるおそれがある。そこで、この発明は、そうしたスジなどが生じないようにすること、さらには、文字や数字の白黒表示、あるいは絵柄などのカラー表示をそれぞれ適切に行うことを第３の課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明のカラーフィルタは、イエロー、マゼンタ、シアンの補色系の色を基調としたカラーフィルタである。フルカラー表示の場合には、色パターンとして、イエロー、マゼンタ、シアンの３色のすべてを含むが、２色表示などの用途によっては、イエロー、マゼンタ、シアンの中の２色だけを含むこともある。そうしたイエロー、マゼンタ、シアンの少なくとも２色以上の色パターンは、ガラス板等の透明基板上に位置し、全体としてカラーフィルタ層を形成する。ここでは、このカラーフィルタ層の中に、イエロー、マゼンタ、シアンのいずれか一つの色パターンの一層からなる部分と、イエロー、マゼンタ、シアンの中のいずれか２つの色パターンが二層に重なり合った二層部分を設ける。二層部分は、イエローとマゼンタがレッド、イエローとシアンがグリーン、シアンとマゼンタがブルーをそれぞれ形成するように、３原色であるレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色を形成する。このように、イエロー、マゼンタ、シアンの補色系の色パターンを利用して、原色の色を得るようにしているため、補色系の色に加えて原色の色を備えるにもかかわらず、色パターンを形成する製造工程数を増やさずにすませることができる。なお、一層部分と二層部分との面積比は通常１とするが、特定の色を強調する表示を行うような場合には、その強調したい色の表示に関与する色要素の面積を他のものに比べて大きくすることもできる。
【０００８】
ここで、透過型の液晶表示用のカラーフィルタにおいては、各色パターンの色が濃く、その膜厚は１〜２μｍと厚い。そのため、それらを重ねれば、大きな段差が生じ、液晶の配向不良や不都合なセルギャップを生じてしまう。それに対し、反射型のように明るさが要求されるものにおいては、各色パターンの色は薄く、膜厚がたとえば０．７μｍ〜０．２μｍ、より好ましくは０．４５μｍ以下にするのが良い。０．７μｍという上限値は、光の干渉による影響を避け、しかもまた、樹脂中の色材（特に、染料）の耐光性を向上させることを考慮して定めた数値である。また、０．２μｍという下限値は、ウエットエッチング等のプロセス上、余りにも薄くすると、樹脂の中から色材（特に、染料）が溶け出すことを考慮して定めた数値である。この発明では、こうした膜厚が薄い点に着目し、補色系の色パターンを部分的に重ね合わせ、重ね合わせた部分に原色を形成するようにしたのである。なお、反射型の場合、周囲から入射する光がカラーフィルタ層の中を２回通過するため、カラーフィルタ層の波長４２０ｎｍ〜６１０ｎｍにおける分光透過率の最小値がそれぞれの色で４〜４０％となるように色を薄くすべきである。
【０００９】
次に、図面を参照しながら、この発明の実施の形態を考慮しつつ、この発明の内容をより具体的に説明する。
図１〜図４は、この発明によるカラーフィルタの各例を示し、図１〜図３がストライプ配列、図４がモザイク配列である。反射型の液晶表示パネル自体は、厚さ１ｍｍ前後のガラス板などの２枚の透明基板１０，２０と、これら２枚の透明基板１０，２０の間に挾むように封入したホストゲスト液晶層３０とを備え、さらに、一方の透明基板１０の内側の一面に、カラーフィルタの主体であるカラーフィルタ層５０、また、他方の透明基板２０の内側の一面に反射層７０をそれぞれ備える。そして、透明基板１０側のカラーフィルタ層５０上に互いに分離した画素電極６０、透明基板２０の側に反射層７０を兼ねる共通電極をそれぞれ備えている。しかし、この発明は、ホストゲスト方式の液晶表示パネルに限定されることなく、ＴＮ方式などの他の方式のものにも適用することができる。
【００１０】
さて、カラーフィルタ層５０は、色パターンとして、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の３つの色を含み、しかも、それらの色パターンについて、いずれかの色パターンが一層だけの一層部分と、互いに異なる色の色パターンが二層に重なった二層部分とがある。一層部分は、各色パターンの補色系の色の色要素（この色要素を色画素ともいう。）を形成し、また、二層部分は、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の３原色の色の色要素を形成する。なお、一般に行われるように、ここでも各色あるいは色要素について、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｒ、Ｇ、Ｂのようにアルファベットを用いて示すこともある。図１〜図３に示すストライプ配列の場合、一層部分Ｙ，Ｍ，Ｃと二層部分Ｒ，Ｇ，Ｂのストライプ幅は、各色が同じであり、４０〜１５０μｍ程度であり、また、図４に示すモザイク配列の場合も、正四角形状の各色要素の大きさは、縦および横がともに４０〜１５０μｍ程度である。こうした一層部分と二層部分とは、ストライプあるいはモザイクいずれの配列においても、透明基板１０の一面上に交互に配置されている。ここで、各色パターンのパターン形状については、それぞれの配列（つまり、各図のもの）において各色（Ｙ，Ｍ，Ｃ）が全く同じである。そのため、パターニングの順序は、異なるが、各色の色パターンを形成するためのマスクを共通化することができる。また、図１のものでは、Ｙ、Ｃ、Ｍの順序、図２のものでは、Ｃ、Ｍ、Ｙの順序、図３のものでは、Ｍ、Ｙ、Ｃの順序でそれぞれパターニングすることによって、パターニングの工程数を補色系の色の数の３つですますことができる。図５は、図１のストライプ配列を得るための処理工程を示し、ａの工程では、イエローの色パターン５０Ｙ、それに続くｂの工程では、シアンの色パターン５０Ｃ、その後に続くｃの工程では、マゼンタの色パターン５０Ｍを順次パターニングすることを示している。その図５からも、各色パターン５０Ｙ，５０Ｃ，５０Ｍのパターン形状が同じであり、パターニングの工程数が３であることを理解することができるであろう。なお、各色パターンについては、ポリイミド等の樹脂を、染料や顔料の色材によって着色したものをパターン材料とし、公知のフォトリソグラフィ技術などによって容易に得ることができる。
【００１１】
【光学あるいは表示特性】
カラーフィルタの光学あるいは表示特性については、通常、分光透過率、色度および明度（各色のＹ値の平均値）をもって評価する。そうした評価をするとき、分光透過率は、カラーフィルタを光が１回通過したときの値で示す。それに対し、色度および明度については、反射型の光の通過経路を考慮した場合、カラーフィルタを光が２回通過したときを対象にするのが好ましい。そこで、この発明では、それに基づく評価を行った。なお、評価に際しては、ＪＩＳのＺ８７２０における標準の光Ｃを用いた。図６は、この発明にしたがってイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の色パターンの重ね合わせによって得たレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の３原色についての分光透過率を示す分光特性図であり、図７は、同じ明度Ｙ値（４０を少し超える値）における通常の一層によるレッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の３原色についての分光透過率を示す同様の分光特性図である。これらの２つの図を比較することによって、この発明によれば、通常の一層によるＲ、Ｇ、Ｂに比べて色濃度を大きくすることができること、つまりは、色表示ないしは色再現の範囲を広げることができることが分かる。また、図８は、図６のものにおけるイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の色パターンの一層部分（つまり、Ｙ、Ｍ、Ｃの色要素）についての分光透過率を示す分光特性図である。この図８からは、Ｙ、Ｍ、Ｃの補色系の色要素が非常に明るいことを理解することができるであろう。なお、計算によると、この図８と同じ特性のＹ、Ｍ、Ｃの補色系の色要素のみによる３色のカラーフィルタの明度Ｙ値は５４を超える値となる。さらに、図９は、図６および図８の特性をもつカラーフィルタによる色度図上のｘｙ座標を示している。この図９からは、この発明によるカラーフィルタによる色表示範囲が、ＲＧＢあるいはＹＭＣそれぞれ３色の一般のカラーフィルタに比べて、大きく拡大されることが分かる。ちなみに、図１０は、比較の意味で形成したＲＧＢ３色のカラーフィルタ（図７の分光特性をもつもの）における色度図であり、図１１は、ＹＭＣ３色のカラーフィルタにおける色度図である。
【００１２】
ところで、今までのカラーフィルタでは、フルカラーあるいはマルチカラー表示をするとき、液晶に加える電圧を多段階に切り換えることによって、液晶を中間的に開く駆動方式をとっているが、この発明のカラーフィルタにおいては、６色というより多い色でカラー表示するので、単なるオン、オフの組合せ制御によって、表示する色数を多くすることができる。しかし、その一面、１色を表現するために、今までの３画素から６画素に増えることから、表示が粗くなるという難点がある。その点、前記した図１のストライプ配列では、同系の色が並び周期的に濃淡を生じる配置であるため、白色表示したとき、スジ状の模様が生じるおそれがある。これを防止する手段として、ストライプの幅をより小さくすることも考えられるが、色要素の配列自体を工夫する方法が有効である。すなわち、互いに隣り合う、つまり近接する色要素を、レッド（Ｒ）とシアン（Ｃ）、グリーン（Ｇ）とマゼンタ（Ｍ）、ブルー（Ｂ）とイエロー（Ｙ）のように補色関係にするという方法である。図２〜図４のものは、この方法による配列である。これらの配列では、互いに隣り合わせた補色関係の２つの色要素をペアとし一つの単位として白黒表示することができる。特に、図２、図３および図４のものは、文字や数字等の表示に好適である。従来のように、ＲＧＢあるいはＹＭＣの各３色によって白黒の表示を行うためには、それら３つの色画素を同時に用いなければならない。したがって、この発明では２つの色画素で白黒表示を行うことができるので、３つの色画素を必要とする従来のものに比べて１．５倍の高精細な表示を行うことができる。また、図２のものは、ＲとＭが近接しているので、ＲＧＢ系の表示にすぐれ、図４のものでは、互いに異なる比較的に遠い色が隣り合っているため、粗さが目立たない表示をする上で有利である。さらに、図３のものでは、ＲとＭが互いに離れているので、自然な色画像を表示する上で有利である。
【００１３】
また、色的に近いＹとＧ、ＣとＢ、あるいはＲとＭをそれぞれペアとし、ＲＧＢ系の表示をすることもできる。このとき、完全に液晶をオンさせた時を１、オフさせた時を０として考えると、たとえば、図１２に示すように、Ｇの色を表示するときは、Ｇの色画素を１に対してＹの色画素を０から１の間で液晶に印加する電圧の値を制御することによって、ＧとＧ＋Ｙ（このＧ＋Ｙは、ＧとＹとを１対１でペアで表示したときの色を示す。）の色画素を結ぶ線上に示すＧの色を表現することができる。その際、Ｙの色画素をオンするために液晶に印加する電圧を高めるにつれ、表示できるＧの色画素の色純度はＧ＋Ｙの方向へずれた色となるが、明るさはかせぐことができる。このときのＧの色画素の色は、ＧとＧ＋Ｙの間の色となり、表示装置の特性に合わせて適当なＧの色画素を選定することができ、任意の色純度のＧを設定することができる。同様に、Ｒの色画素の色は、ＲとＲ＋Ｍ（このＲ＋Ｍは、ＲとＭとを１対１でペアで表示したときの色を示す。）の間の色となり、任意の色純度のＲを設定することができ、また、Ｂの色画素の色は、ＢとＢ＋Ｃ（このＢ＋Ｃは、ＢとＣとを１対１でペアで表示したときの色を示す。）の間の色となり、任意の色純度のＢを設定することができる。
【００１４】
このように、図１２の色度図で表わされるＲＧＢの３原色を用いた表示方法をとれば、その表示範囲は、ＧとＧ＋Ｙ、ＲとＲ＋ＭおよびＢとＢ＋Ｃの線上の一点を頂点とした３角形の内側となる。
また、文字や英数字等をカラー表示するに際しては、ＲＧＢやＹＭＣ等の各色画素をそのまま使用すれば良い。それに対し、絵や写真のような画像データを自然の色に近づけてカラー表示するためには、ＲＧＢとＹＭＣの６色のバランスを考慮して液晶を駆動させるのは困難である。その点、すでに述べたように、ＧとＹ、ＲとＭおよびＢとＣをそれぞれペアにして中間調の表示が容易なＲＧＢを表示することによって、自然色に近い色を液晶の駆動系に負担をかけずに行うことができる。
【００１５】
【実施例】
図６の分光特性、および図９の色度図のデータをもつカラーフィルタのイエロー、マゼンタ、シアンの色パターンの作成例を示す。
１色目のイエローについては、色パターン作成のための塗布液として、含金属アゾ系染料であるソルベントイエロー６３を６０ｇ、樹脂固形分１００ｇに溶剤を含むポリイミド前駆体溶液４４００ｇ、シランカップリング剤、表面改質剤および耐光性向上のための金属錯体を添加剤として加えた着色液を用意した。この着色液を使用し、定法によってコーティング、パターニングおよびベーク処理を行い、イエローの色パターンを形成した。その膜厚は０．３μｍであった。
また、２色目のシアンについては、色パターン作成のための塗布液として、トリフェニルメタン系染料であるアシッドブルー９を２５ｇ、樹脂固形分１００ｇに溶剤を含むポリイミド前駆体溶液３９００ｇ、シランカップリング剤、表面改質剤および耐光性向上のための金属錯体を添加剤として加えた着色液を用意した。この着色液を使用し、前と同様にしてシアンの色パターンを形成した。その際、色パターンの一部を１色目のイエローの色パターンと重ね、グリーンのパターン（色要素）も形成した。そのシアンの色パターンの膜厚は０．３９μｍであった。
さらに、３色目のマゼンタについては、色パターン作成のための塗布液として、キサンテン系染料であるＩ．Ｊレッド３１９Ｈ（ダイワ化成製、商品名）を１４．４ｇ、樹脂固形分１００ｇに溶剤を含むポリイミド前駆体溶液３４００ｇ、シランカップリング剤、表面改質剤および耐光性向上のための金属錯体を添加剤として加えた着色液を用意した。この着色液を使用し、前と同様にしてマゼンタの色パターンを形成した。その際、色パターンの一部を１色目および２色目の各パターンと重ね、ブルーおよびレッドの両パターン（色要素）も形成した。そのマゼンタの色パターンの膜厚は０．３５μｍであった。必要により、各色パターンの上に保護膜（いわゆるトップコート）を形成することができる。ここで、各色パターンの形成順序について、より好ましくは、ベーク処理を考慮し耐熱性がより高いものを先に、また、重ね合わせ部分における段差をより小さくするため膜厚の小さいものを先に、それぞれ設定するのが良い。したがって、そうした観点から、２色目のシアンと３色目のマゼンタとの形成順序を入れ替えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を適用したカラーフィルタの第１の例を示す図である。
【図２】この発明を適用したカラーフィルタの第２の例を示す図である。
【図３】この発明を適用したカラーフィルタの第３の例を示す図である。
【図４】この発明を適用したカラーフィルタの第４の例を示す図である。
【図５】図１の第１の例を得るための処理工程を示す工程図である。
【図６】この発明によるカラーフィルタの分光特性図である。
【図７】比較のためのＲＧＢ系のものの分光特性図である。
【図８】ＹＭＣの部分についての分光特性図である。
【図９】この発明によるカラーフィルタの色度図であり、６色を含むものの色表示範囲を示す図である。
【図１０】ＲＧＢ３色のカラーフィルタの色度図である。
【図１１】ＹＭＣ３色のカラーフィルタの色度図である。
【図１２】この発明によるカラーフィルタの色度図であり、色再現範囲が制御可能であることを示す図である。
【符号の説明】
１０，２０透明基板
３０液晶層
５０カラーフィルタ層
７０反射層

Claims

カラー表示のための色要素としてイエロー、マゼンタ、シアン、レッド、グリーン、ブルーの６色の色パターンを備えるカラーフィルタ層を透明基板上に支持し、その透明基板上のカラーフィルタ層を液晶層に面するよう配置するカラーフィルタであって、前記カラーフィルタ層は、イエロー、マゼンタ、シアンの各色の一層からなる一層部分と、それらイエロー、マゼンタ、シアンの中のいずれか２つの色パターンが二層に重なり合った二層部分とを備え、二層部分によって、レッド、グリーン、ブルーのいずれかの原色を形成し、
さらに、前記色要素の配列について、イエローに対しブルー、マゼンタに対しグリーン、シアンに対しレッドと互いに補色関係にあるものが隣り合うにしたことを特徴とする液晶表示用カラーフィルタ。
前記一層部分と前記二層部分とが、前記透明基板上、交互に配置された、請求項１のカラーフィルタ。
前記カラーフィルタは、前記カラーフィルタ層の一面から入射する光が他面側で反射されてカラーフィルタ層の中を２回通過する反射型の液晶表示用である、請求項１のカラーフィルタ。
前記カラーフィルタ層は、樹脂とそれを着色する色材とからなり、前記一層部分の厚さが０．７μｍ〜０．２μｍである、請求項３のカラーフィルタ。
前記カラーフィルタ層の波長４２０ｎｍ〜６１０ｎｍにおける分光透過率の最小値がそれぞれの色で４〜４０％である、請求項３のカラーフィルタ。
請求項１のカラーフィルタを製造するに際し、
ａ．前記透明基板上に、イエロー、マゼンタ、シアンの中のいずれか一つの色の第１の色パターンを形成する工程
ｂ．前記第１の色パターンを形成した透明基板上に、イエロー、マゼンタ、シアンの中、第１の色パターンとは異なる色の第２の色パターンを、その一部が前記第１の色パターンを被うように形成する工程。
ｃ．前記第１および第２の両色パターンを形成した透明基板上に、イエロー、マゼンタ、シアンの中、第１および第２の両色パターンとは異なる色の第３の色パターンを、その一部が前記第１および第２の各色パターンをそれぞれ被うように形成する工程
とを備え、前記３色の色パターンのパターニングのための工程数が、それら３色の色パターンの色の数と同じであることを特徴とする、液晶表示用カラーフィルタの製造方法。