JP4069615B2

JP4069615B2 - Color filter and liquid crystal display element

Info

Publication number: JP4069615B2
Application number: JP2001364075A
Authority: JP
Inventors: 克彦板東; 直生松崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003161826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示パネル等に用いられるカラーフィルタ及びブラックマトリクス、特にインクジェット方式を用いるカラーフィルタ製造方法に用いられるブラックマトリクス、該カラーフィルタを具備した液晶素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年パーソナルコンピューターの発達、特に携帯用のパーソナルコンピューターの発達に伴い液晶ディスプレイ、特にカラー液晶ディスプレイの需要が増加する傾向にある。しかしながら更なる普及のためにはコストダウンが必要であり、特にコスト的に比重の高いカラーフィルタのコストダウンに対する要求が高まっている。
【０００３】
カラーフィルタの主な製造方法としては、印刷法、電着法、染色法または顔料分散法があるが、これらの方法に共通している問題はＲ、Ｇ、Ｂを形成するために同一工程を３回行う必要があり、必然的にコスト的に高くなると共に工程が多ければ多いほど歩留りが低下することである。この問題を改良するために特開昭５９−７５２０５号公報、特開昭６３−２３５９０１号公報、特開平１−２１７３０２号公報、特開平４−１２３００５号公報、特開平７−１４６４０６号公報等には、インクジェット方式を用いてカラーフィルタを製造する方法が開示されている。
【０００４】
これらは前記従来方法とは異なり、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色素を含有する着色液（以下インクという）をフィルタ基板にノズルより吐出し、該インクをフィルタ基板上で乾燥させて着色部を形成させる。この方法によればＲ、Ｇ、Ｂの各着色部の形成を一度に行なうことができ、更に着色液の使用量にも無駄が生じないため大幅な生産性の向上、コストダウン等の効果が期待できる。
従来のカラーフィルタに用いられてきたブラックマトリクスは、金属クロム膜を酸化クロム膜などの酸化物層でサンドイッチ構造とすることにより可視光に対する吸収係数が大きく、また光学濃度が高い材料を、スパッタ法や、イオンプレーティング法などの真空成膜法により薄膜で形成していた。
【０００５】
しかしながらインクジェット法では、ブラックマトリクスをインク保持枠体として使用するため、カラーフィルタの色特性を満足する着色部の厚みを得るためには、少なくとも１μｍ以上の厚みが必要となるため、真空成膜による金属ブラックマトリクスによる枠体化は現実的に形成が不可能であり、樹脂ブラックマトリクスが用いられている。
また、この樹脂ブラックマトリクスは、遮光特性としての光学濃度を、成分中に含有させる黒色顔料で得るためにも、少なくとも１μｍ以上の厚みが必要とされる。
【０００６】
一般的な樹脂ブラックマトリクスはアルカリ溶解タイプのネガレジストにカーボンブラックに代表される黒色顔料や、または赤、緑、青、黄色、紫などの顔料を混ぜてなる混色黒色顔料を単独もしくは混合で分散させて構成されたものが用いられる。
【０００７】
このようなネガレジストタイプのフォトリソグラフィー法によるパターニング工程は、まずブラックマトリクスとする所望のパターンを形成したフォトマスクを介して紫外線露光を行う。ネガレジストは露光部が光のエネルギーで架橋反応を起こし光硬化することにより現像液に対しての溶解性が未露光部より低下する。その後、炭酸ナトリウムなどの希アルカリ系の現像液を用いて未露光部を選択的に溶解除去後、現像液を洗浄することにより所望のパターンを形成する。
【０００８】
しかしながら、樹脂ブラックマトリクスは、黒色顔料を含有するため、露光時にレジスト材料の下部まで光エネルギーが到達しづらく、従って、露光による光硬化部分はレジスト層の表層部に留まる。そのため、図１（ａ）に示すように現像時に光硬化が不十分な透明基板側がサイドエッチングされる。また現像・リンス後の熱硬化工程であるポストベークでは２００℃前後の熱に数分から数十分曝されるため、サイドエッチング上部のオーバーハング部分が熱ダレにより脱落した、図１（ｂ）のようなテーパー形状となる場合が一般的である。
【０００９】
また、高耐熱性材料を使用した場合やポストベーク条件の緩やかな場合には現像後の逆テーパー状態が維持される場合もあるが、どちらの場合も、表層面側肩形状は、現像液に曝されている間は僅かにではあるが等方的にエッチングされるため、完全なる矩形とはならず曲面的形状となる。また、その後の熱硬化工程ではこの傾向は少なくとも増長される。特にこれらの傾向は膜が厚く、また光学濃度が高いほど顕著となる。
【００１０】
インクジェット法においては、使用されるインクはヘッドの吐出安定性を考慮して一般的には５ｃｐｓ以下程度の低粘度インクが用いられている。そのためインク中の固形分量は色材が染料及び顔料に関わらず数重量％〜十数重量％程度しか含有させられず、乾燥後のインクの厚み即ち着色部の厚みは乾燥前の数分から数十分の一程度となる。このためカラーフィルタの色特性を満足する着色部の厚みを得るためには、着色部の体積に対して数倍から数十倍以上の容量のインクを充填する必要がある。この方法としては、枠体となるブラックマトリクスを撥インク性とし凸状のインクメニスカスを保持させることにより高さの低い枠体で必要量のインクを充填する方法が例えば特開平７−３５９１５号公報、特開平７−８４１２２号公報などで提案されている。その後、充填されたインクは、乾燥及び硬化され、着色部となる。
【００１１】
図２にブラックマトリクスの断面形状と、充填されたインクが乾燥により平坦となる着色部膜厚の関係を示す。インク乾燥メカニズムは、ブラックマトリクスの断面形状に影響され、より矩形に近いほど表層面に近い面で平坦な着色部となる。しかし、樹脂ブラックマトリクスでは曲面を持たない理想的な矩形とはなりえないため、平坦な着色部を形成するためには必ずブラックマトリクスより着色部が薄くなり、ブラックマトリクスと着色部の間で段差が生ずる。このために、後工程の液晶素子製造工程で、ブラックマトリクスと着色部の段差部近傍において配向処理であるラビングが不完全となり、液晶分子の非配向やまたリバースチルトドメインによるディスクリネーションライン等の配向異常を生じさせ、液晶表示素子として光漏れやコントラストの低下等の重大な表示欠陥が発生する問題があった。
【００１２】
そのためには、着色部形成面上に平坦化膜であるオーバーコートの形成が必要となり、インクジェット法の最大の長所である低価格化を阻害することとなっていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、樹脂ブラックマトリクスと着色部の段差部近傍において完全なラビング処理が行え、配向異常を生じさせない構成を提供することである。これにより、オーバーコートなしの構成で配向異常のない高品質なカラーフィルタ基板を提供し、およびこのカラーフィルタ基板を用いて、低価格で表示特性に優れた液晶表示素子を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明のカラーフィルタは、透明基板上に、樹脂ブラックマトリクスと、前記樹脂ブラックマトリクス間に設けられた着色部とを有するもので、前記樹脂ブラックマトリクスの上端面部と着色部とのなす角度が１０〜２５°であることを特徴とする。さらに、透明基板上に、樹脂ブラックマトリクスと、前記樹脂ブラックマトリクス間に設けられた着色部とを有するもので、前記樹脂ブラックマトリクスの側面と前記透明基板とのなす角度が２０〜５５°であり、且つ前記樹脂ブラックマトリクスの上端面部と着色部とのなす角度が１０〜２５°であることを特徴とする。さらに、本発明のカラーフィルタの製造方法は、前記樹脂ブラックマトリクス間にインクジェット方式でインクを付与して着色部を形成することを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明の液晶表示素子は、前記カラーフィルタと一対となる対向基板間に液晶を挟持してなることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項１に記載のカラーフィルタは、透明基板上に設けられたブラックマトリックスと前記ブラックマトリックスの所定の位置に設けられた着色部とを有するカラーフィルタにおいて、前記ブラックマトリクスに前記着色部表面とが接する部分の接線と前記ブラックマトリックスの上端面とのなす角度が１０〜２５°であることを特徴とするカラーフィルタであることを特徴としたものであり、後工程の液晶素子製造工程で、ブラックマトリクスと着色層の段差部近傍においても配向処理であるラビングが良好に行え、各画素の隅々まで液晶分子の規則正しく配列が実現できる。
【００１９】
次に、本発明の請求項２に記載のカラーフィルタでは、透明基板上に設けられたブラックマトリックスと前記ブラックマトリックスの所定の位置に設けられた複数の着色部とを有するカラーフィルタにおいて、前記ブラックマトリックスの側面と前記透明基板の表面とのなす角度が２０〜５５°であり、且つ前記ブラックマトリクスに前記着色部表面とが接する部分の接線と前記ブラックマトリックスの上端面とのなす角度が１０〜２５°であることを特徴としたものであり、後工程の液晶素子製造工程で、ブラックマトリクスと着色層の段差部近傍においても配向処理であるラビングが良好に行え、各画素の隅々まで液晶分子の規則正しく配列が実現できるとともに、液晶素子製造工程のプロセスマージンの拡大による高い歩留まりが達成でき、更には液晶材料や配向膜材料などに代表される液晶素子製造工程使用材料の選択範囲が広がるため、材料の低価格化など、カラーフィルタの低価格化に大きく貢献できる。
【００２０】
次に、本発明の請求項３に記載のカラーフィルタの製造方法では、着色するためのインクをインクジェットヘッドから吐出することにより前記着色部を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載のカラーフィルタを特徴としたものであり、低価格で、且つ混色や色むらのないカラーフィルタの製造に好適である。
【００２１】
次に、本発明の請求項４に記載の液晶表示素子では、請求項１乃至請求項２のいずれかに記載のカラーフィルタを用いて構成されたことを特徴とする液晶表示素子を特徴としたものであり、コントラストの低下や光漏れ等の表示欠陥のない液晶表示素子が実現できる。
【００２２】
本発明で用いるブラックマトリクス材料は、樹脂成分と黒色の顔料及びまたは、赤、緑、青、黄、紫などの顔料を混ぜてなる混色黒色顔料と、これらの成分を分散溶解させるための溶媒を含む感光性樹脂である。
【００２３】
樹脂材料としては、一般的な黒色感光性樹脂用として用いられているアクリル樹脂のような感光性樹脂であればネガ型でもポジ型でもよい。
【００２４】
また黒色の顔料成分としては、カーボンブラックや、赤、緑、青、黄、紫などの顔料を混ぜてなる混色黒色顔料としての有機顔料等を用いることができる。
【００２５】
感光性樹脂を用いて透明基板上に仕切り部を形成するには、例えばスピンコート等によって１〜３μｍ程度の厚みを持った薄膜を全面に形成した後、露光、現像、洗浄、ポストベークすることで形成することができる。
【００２６】
ここで、前記露光、現像、洗浄、ポストベーク等のパターニング条件をコントロールすることで、ブラックマトリクスの形状及びその後の着色部形状をコントロールすることができる。
【００２７】
本発明で用いられる着色部材料は、顔料や染料等と適当な樹脂、その他添加剤からなり、これらを分散・溶解させるための有機溶剤を含む非水性材料が好適であるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
着色部の形成方法としては、インクジェット印刷機を用いるインクジェット印刷法が好適であるが、本発明の構成をなし得るものであればなんでもよい。
【００２９】
本発明で用いる透明基板は、例えばガラスが多く用いられるが、プラスチックフィルムやプラスチックシートでもかまわない。また必要に応じて、透明基板と仕切り部及び着色インクとの密着性を向上させるために、透明基板上にあらかじめ密着性を向上させるような薄膜を形成しておくこともできる。
【００３０】
以下、本発明の請求項１乃至請求項５に記載された発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、ここで示す実施の形態はあくまでも一例であって、必ずしもこの実施の形態に限定されるものではない。
【００３１】
図３は、本実施の形態に係わるカラーフィルタの断面構成を示す。図３に示すブラックマトリクス２は、スピンコーターにより黒色顔料等を分散したノボラック樹脂系ネガレジストを３．５μｍの厚さで形成した。その後フォトリソグラフィー法を用いて露光、現像、リンスを行いパターン形成した。現像工程において基板全面において均一な現像が可能なスプレー現像を用いた。現像工程のパラメータとしては、現像液の種類、濃度、温度、スプレーの圧力、基板の送り速度であり、これらの条件とその後のポストベークの条件により、ブラックマトリクス２の断面テーパー形状と表層面側肩形状をコントロールした。ポストベークは水平層流熱風循環方式乾燥炉を用いて行い、膜厚はポストベークにより減少し最終的には２．５μｍとなった。その後、ブラックマトリクス２間に、インクジェット印刷機を用いて赤、緑、青の三原色着色インク吐出し、乾燥、硬化することにより平坦な着色部３を形成した。
【００３２】
図３に示すブラックマトリクス２の側面中央部から底面にかけて引いた接線と透明基板１とのなす角度θ１をもって上記側面と透明基板１とのなす角度とする。また、着色部３表層面の前記ブラックマトリクス２の接部から前記ブラックマトリクス２の上端面にかけて引いた接線のなす角度θ２をもってブラックマトリクス２の上端面部と着色部３とのなす角度とする。
【００３３】
角度θ１は、角度が大きくなるとブラックマトリクス２と着色部３が平坦となる膜厚の段差は小さくなるが、従来技術で説明したように樹脂ブラックマトリクスでは理想的な矩形とはなり得ず、着色部３が平坦化となる膜厚は最終的にはブラックマトリクス２の表層面側肩形状に影響され、ブラックマトリクス２の表層面と着色部３の表層面が同一高さの面にはならない。角度θ１は５５°以上で着色部３が平坦となる厚みの増加が飽和し、約０．７μｍの段差となった。
【００３４】
角度θ１は、現像時のサイドエッチングにより溶解した側壁部分の上部がポストベークによる熱で軟化脱落することにより形成され、また樹脂材料の耐熱特性による熱ダレの影響も加味されることにより発生する。このような形成プロセスのために、角度θ１をより小さくしようとした場合、サイドエッチングの量を大きくする必要がある。これは現像時にブラックマトリスク２の透明基板１側との接触面積を小さくし、ブラックマトリクス２の表層面側を大きくオーバーハングさせることになり、この結果、現像後の一般的な洗浄工程で行われる純水の高圧スプレー洗浄でブラックマトリクスパターン欠落やオーバーハング部の欠けを容易に生じさせてしまう。特にカラーフィルタ製造に用いられる透明基板１は、３００ｍｍ×４００ｍｍ以上のサイズが用いられるため全面において欠陥のないパターン形成は極度に困難である。
【００３５】
表１に角度θ１とブラックマトリクスパターンの欠落及び部分的な欠けに代表されるパターン欠陥の関係を示す。ここで、安定して高い歩留まりで形成可能な角度θ１は２０°以上であった。
【００３６】
【表１】

【００３７】
角度θ１をパラメータとしたブラックマトリクスに、インクジェット法で着色部を形成したカラーフィルタを用いて作製した液晶表示素子の配向特性を確認したところ、角度θ１が５５°以上では液晶分子の非配向やリバースチルトドメインに起因する配向異常が発生し、液晶表示素子としてはコントラストの低下や表示部からの光漏れによる表示欠陥が発生した。これは、液晶表示素子の配向工程であるラビング工程でブラックマトリクスと着色層境界の段差部角度に阻害され、液晶分子を配向させることのできる十分なラビング処理が行えていないためであった。
【００３８】
図４にラビング工程の概念図を示す。ラビング処理は、液晶分子を規則正しく配列させ且つ基板に対して一定角度で液晶分子を傾斜させるために、カラーフィルタ上に形成されたポリイミド樹脂に代表される配向膜（図示しない）をバフなどのラビング用布１０１をローラー１０２に巻き付けて回転させることで配向膜を擦って行われる。そのパラメータとしては、配向膜の種類、ラビング用布の種類、ローラーの回転数、ローラー下を通過する基板の送り速度、ニップ幅で表されるラビング用布の押付圧力等である。
【００３９】
また、ブラックマトリクス２の上端面部と着色部３とのなす角度θ２は、ブラックマトリクスの表層面側肩形状に影響され、これはブラックマトリクスの材料特性と作製工程での熱履歴により決定される。したがって角度θ２を小さくすることは材料の耐熱性を低下させるか高温の熱履歴を与えることである。
【００４０】
表２に、角度θ２とカラーフィルタ特性の関係を示す。角度θ２が１０°より小さくなるとブラックマトリクス表層面の平坦な部分が減少し、インクジェット法でインクを吐出して着色部を形成する場合に安定的なインク保持が困難となり、いわゆる隣接画素へのインクの流出が発生し、画素間での混色となるため表示欠陥となった。
【００４１】
【表２】

【００４２】
また、角度θ２を２５°より大きくすると前述したラビング工程で同様に十分な処理が行えず液晶分子の配向異常が発生した。
【００４３】
また、角度θ１が２０〜５５°であり且つ角度θ２が１０〜２５°のカラーフィルタでは、表３に示す通りラビング条件の各パラメータのマージンが広がり、高い歩留まりで安定した液晶表示素子の生産が行えた。
【００４４】
【表３】

【００４５】
【実施例】
以下、図５を用いて本発明の実施例について詳細に説明する。
（実施例１）ブラックレジストとして東京応化工業社製「ＣＦＰＲＢｋ−６１０Ｓ」を用い、透明基板１としては、３２０ｍｍ×４００ｍｍ×０．７ｍｍのコーニング１７３７ガラス基板を用いた。
【００４６】
先ず、前記ガラス基板に水洗を施し、乾燥後、東京応化工業社製のスピンコーターによって前記ブラックレジストを当該ガラス基板１上に塗布した。この時のスピン条件は６００ｒｐｍで１５秒間回転させた。スピンコート後、９０℃のホットプレート上で１８０秒間、乾燥プリベークを行い、得られたブラックレジスト層の膜厚は３．５μｍであった。その後、日立電子エンジニアリング社製露光機で、ネガ型マスクを介して、露光条件を積算露光量が９０ｍＪ／ｃｍ２、プロキシギャップを１００μｍで露光を行った。
【００４７】
以上の条件で得られた露光済みの基板の現像を行った。現像液は東京応化工業社製「ＣＦＰＲ現像液Ｎ−Ａ３Ｋ」を２０倍希釈して用いた。現像装置はスプレー洗浄装置を用いて、６０秒行った後、直ちに純水高圧スプレー洗浄を行い現像液のリンスを行った。
【００４８】
次に、タバイエスッペック社製乾燥ベーク炉を用いてポストベークを行った。ポストベークの条件は、２１０℃で２０分間行いブラックマトリクス２を形成した。
【００４９】
次に、インクジェット印刷機を用いて、赤、緑、青の着色インクをブラックマトリクス２間に吐出後、タバイエスッペック社製乾燥炉で着色部３が平坦になるようにインクの溶媒を蒸発させた。
【００５０】
次に、アイグラフィック社製のメタルハライドランプを用いた紫外線硬化装置により着色部３のインクを光重合させ、最後に２３０℃の熱ベークを中央システムエンジニアリング社製ホットプレートで３分間行った。
【００５１】
このカラーフルタ基板の一部を、日立製作所社製走査電子顕微鏡Ｓ−４３００にて断面形状観察を行ったところ、ガラス基板１とブラックマトリクス２の側面のなす角度は４０°であり、ブラックマトリクス２の上端面部と着色部３とのなす角度が３０°であった。
【００５２】
前記カラーフィルタ基板１２上にＩＴＯ膜４を０．１４μｍの膜厚でスパッタリング法により全面に形成し、さらに、ポリイミドの配向膜５を０．１０μｍの膜厚でオフセット印刷法により全面に形成し、ラビングして第１の基板を形成した。次いで、ＴＦＴを画素毎に形成したアクティブマトリクス基板１１を用いて、ポリイミドの配向膜５を０．１０μｍの膜厚でオフセット印刷法により全面形成し、ラビングして第２の基板を形成した。この該第１基板と該第２基板とを電極面が相対向するように配置して、基板周辺をシール６して空セルを形成した。この該空セル内にネマチック液晶７を注入し、注入口（図示しない）を封止して液晶セルを作製した。この該液晶セルの両側に偏光板８を配置してアクティブマトリクス型の液晶表示素子を作製した。
【００５３】
この該液晶表示素子を用いて、ネマチック液晶７に電圧を印可し、その液晶の配向状態を観察したところ、画素の隅々まで液晶が規則正しく配列し、コントラスト低下等の表示欠陥なく美しいカラー表示が可能であった。
（実施の形態２）
ブラックレジスト材料と現像条件以外は、実施の形態１と全く同じ方法で、カラーフィルタ基板を作製した。
【００５４】
ブラックレジストとしては東京応化工業社製「ＣＦＰＲＢｋ−６２０Ｓ」を用いた。この材料は、前述のＣＦＰＲＢｋ−６１０Ｓの組成を変更して耐熱特性を多少低下させたものであり、ブラックマトリクスの上端面部と着色部とのなす角度のコントロールに有効であった。
【００５５】
また、前記材料を用いて現像時のサイドエッチングをコントロールするために、５５秒の現像時間とした。
【００５６】
このカラーフルタ基板の一部を、日立製作所社製走査電子顕微鏡Ｓ−４３００にて断面形状観察を行ったところ、ガラス基板とブラックマトリクスの側面のなす角度は６０°であり、ブラックマトリクスの上端面部と着色部とのなす角度が１８°であった。
【００５７】
このカラーフィルタ基板を用いて、該液晶表示素子を作製した。
【００５８】
この該液晶表示素子を用いて、ネマチック液晶に電圧を印可し、その液晶の配向状態を観察したところ、画素の隅々まで液晶が規則正しく配列し、コントラスト低下等の表示欠陥なく美しいカラー表示が可能であった。
（実施の形態３）
現像条件及びポストベーク条件以外は、実施の形態１と全く同じ方法で、カラーフィルタ基板を作製した。
【００５９】
前記材料を用いて現像時のサイドエッチングをコントロールするために、６５秒の現像時間とし、更に、ブラックマトリクスの上端面部と着色部とのなす角度をコントロールするために、ポストベークを、２３０℃で２５分で行った。
【００６０】
このカラーフルタ基板の一部を、日立製作所社製走査電子顕微鏡Ｓ−４３００にて断面形状観察を行ったところ、ガラス基板とブラックマトリクスの側面のなす角度は３５°であり、ブラックマトリクスの上端面部と着色部とのなす角度が２２°であった。
【００６１】
このカラーフィルタ基板を用いて、該液晶表示素子を作製した。
【００６２】
この該液晶表示素子を用いて、ネマチック液晶に電圧を印可し、その液晶の配向状態を観察したところ、画素の隅々まで液晶が規則正しく配列し、コントラスト低下等の表示欠陥なく美しいカラー表示が可能であった。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、樹脂ブラックマトリクスと着色部の段差部近傍において完全なラビング処理が行え、配向異常を生じさせない構成を提供することができる。
【００６４】
これにより、オーバーコートなしの構成で配向異常のない高品質なカラーフィルタ基板を実現し、およびこのカラーフィルタ基板を用いて、低価格で表示特性に優れた液晶表示素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）樹脂ブラックマトリクスにおける現像時の一般的な断面形状図
（ｂ）樹脂ブラックマトリクスにおけるポストベーク時の一般的な断面形状図
【図２】樹脂ブラックマトリクスの断面形状と着色部膜厚の関係図
【図３】本発明の実施の形態におけるカラーフィルタの断面形状図
【図４】液晶表示素子におけるラビング処理の模式図
【図５】本発明の液晶表示素子の一例を示す断面形状図
【符号の説明】
１透明基板
２ブラックマトリクス
３着色部
４ＩＴＯ膜
５配向膜
６シール
７ネマチック液晶
８偏光板
１１アクティブマトリクス基板
１２カラーフィルタ基板
１０１ラビングローラー
１０２ラビング用布[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a color filter and a black matrix used in a liquid crystal display panel or the like, and more particularly to a black matrix used in a color filter manufacturing method using an ink jet method, and a liquid crystal element including the color filter.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of personal computers, especially portable personal computers, the demand for liquid crystal displays, particularly color liquid crystal displays, has been increasing. However, cost reduction is necessary for further spread, and there is an increasing demand for cost reduction of color filters that are particularly high in cost.
[0003]
The main production methods for color filters include printing, electrodeposition, dyeing or pigment dispersion, but the problems common to these methods are the same steps for forming R, G and B. It is necessary to perform the process three times, which inevitably increases the cost and decreases the yield as the number of processes increases. In order to improve this problem, JP-A-59-75205, JP-A-63-235901, JP-A-1-217302, JP-A-4-123005, JP-A-7-146406, etc. Discloses a method of manufacturing a color filter using an ink jet method.
[0004]
These are different from the conventional methods in that a colored liquid (hereinafter referred to as ink) containing R, G, and B dyes is ejected from a nozzle onto a filter substrate, and the ink is dried on the filter substrate to form a colored portion. Let According to this method, the colored portions of R, G, and B can be formed at one time, and the amount of the colored liquid used is not wasted, so there is a significant improvement in productivity and cost reduction. I can expect.
The black matrix that has been used in conventional color filters is made of a material that has a high absorption coefficient for visible light and a high optical density by sputtering a metal chromium film with an oxide layer such as a chromium oxide film. Alternatively, the thin film is formed by a vacuum film forming method such as an ion plating method.
[0005]
However, since the black matrix is used as the ink holding frame in the ink jet method, a thickness of at least 1 μm is required to obtain the thickness of the colored portion that satisfies the color characteristics of the color filter. A frame using a metal black matrix cannot be practically formed, and a resin black matrix is used.
Further, this resin black matrix is required to have a thickness of at least 1 μm or more in order to obtain an optical density as a light-shielding property with a black pigment contained in the component.
[0006]
A general resin black matrix is a mixture of a black pigment typified by carbon black or a mixed color black pigment made by mixing a pigment such as red, green, blue, yellow, and purple alone or mixed with an alkali-soluble negative resist. What is configured is used.
[0007]
In the patterning step by such a negative resist type photolithography method, first, ultraviolet exposure is performed through a photomask on which a desired pattern as a black matrix is formed. In the negative resist, the exposed portion undergoes a crosslinking reaction with light energy and is photocured, so that the solubility in the developing solution is lower than that in the unexposed portion. Thereafter, a non-exposed portion is selectively dissolved and removed using a dilute alkaline developer such as sodium carbonate, and then the developer is washed to form a desired pattern.
[0008]
However, since the resin black matrix contains a black pigment, it is difficult for light energy to reach the lower part of the resist material at the time of exposure. Therefore, the photocured portion by exposure remains in the surface layer portion of the resist layer. Therefore, as shown in FIG. 1A, the side of the transparent substrate that is insufficiently photocured during development is side-etched. Further, in post-baking, which is a thermosetting process after development and rinsing, the overhanging portion on the upper side etching has fallen off due to heat sagging because it is exposed to heat of around 200 ° C. for several minutes, as shown in FIG. Such a taper shape is generally used.
[0009]
In addition, when a high heat resistant material is used or when the post-bake conditions are mild, the reverse taper state after development may be maintained. Since it is slightly isotropically etched while being exposed, it is not a complete rectangle but a curved shape. In addition, this tendency is at least increased in the subsequent thermosetting process. In particular, these tendencies become more prominent as the film is thicker and the optical density is higher.
[0010]
In the ink jet method, the ink used is generally a low viscosity ink of about 5 cps or less in consideration of ejection stability of the head. Therefore, the solid content in the ink is such that the coloring material contains only about several weight% to several tens weight% regardless of the dye and the pigment, and the thickness of the ink after drying, that is, the thickness of the colored portion is several minutes to several tens of minutes before drying. It is about a minute. For this reason, in order to obtain the thickness of the colored portion that satisfies the color characteristics of the color filter, it is necessary to fill the ink with a capacity of several times to several tens of times the volume of the colored portion. As this method, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-35915 discloses a method in which a black matrix as a frame is made ink repellent and a convex ink meniscus is held to fill a necessary amount of ink with a frame having a low height. And Japanese Patent Laid-Open No. 7-84122. Thereafter, the filled ink is dried and cured to form a colored portion.
[0011]
FIG. 2 shows the relationship between the cross-sectional shape of the black matrix and the thickness of the colored portion where the filled ink becomes flat when dried. The ink drying mechanism is affected by the cross-sectional shape of the black matrix, and the closer to the rectangle, the flatter the colored portion on the surface closer to the surface. However, since the resin black matrix cannot be an ideal rectangle without a curved surface, in order to form a flat colored part, the colored part is always thinner than the black matrix, and there is a step between the black matrix and the colored part. Will occur. For this reason, in the subsequent liquid crystal element manufacturing process, rubbing, which is an alignment process, becomes incomplete in the vicinity of the stepped portion of the black matrix and the colored portion, and liquid crystal molecules are not aligned and disclination lines due to the reverse tilt domain, etc. There has been a problem that alignment defects are caused and serious display defects such as light leakage and a decrease in contrast occur in the liquid crystal display element.
[0012]
For this purpose, it is necessary to form an overcoat as a flattened film on the colored portion forming surface, which hinders cost reduction, which is the greatest advantage of the inkjet method.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a configuration in which a complete rubbing process can be performed in the vicinity of a stepped portion between a resin black matrix and a colored portion and no alignment abnormality is caused. Accordingly, an object of the present invention is to provide a high-quality color filter substrate having no orientation abnormality with a configuration without an overcoat, and to provide a liquid crystal display element having excellent display characteristics at a low price by using this color filter substrate. To do.
[0015]
The color filter of the present invention has a resin black matrix and a colored portion provided between the resin black matrices on a transparent substrate, and an angle formed between an upper end surface portion of the resin black matrix and the colored portion is 10. It is ˜25 °. Furthermore, it has a resin black matrix and a colored portion provided between the resin black matrices on a transparent substrate, and an angle formed between a side surface of the resin black matrix and the transparent substrate is 20 to 55 °. And the angle which the upper end surface part of the said resin black matrix and a coloring part make is 10-25 degrees, It is characterized by the above-mentioned. Furthermore, the color filter manufacturing method of the present invention is characterized in that a colored portion is formed by applying ink between the resin black matrices by an ink jet method.
[0016]
Furthermore, the liquid crystal display element of the present invention is characterized in that a liquid crystal is sandwiched between the color filter and a pair of opposing substrates.
[0018]
The color filter according to claim 1 of the present invention is a color filter having a black matrix provided on a transparent substrate and a colored portion provided at a predetermined position of the black matrix. The color filter is characterized in that an angle formed between a tangent of a portion in contact with the surface and an upper end surface of the black matrix is 10 to 25 °, and a liquid crystal element manufacturing process in a subsequent process Thus, even in the vicinity of the stepped portion between the black matrix and the colored layer, rubbing as an alignment process can be performed satisfactorily, and liquid crystal molecules can be regularly arranged to every corner of each pixel.
[0019]
Next, in the color filter according to claim 2 of the present invention, in the color filter having a black matrix provided on a transparent substrate and a plurality of colored portions provided at predetermined positions of the black matrix, the black filter The angle formed between the side surface of the matrix and the surface of the transparent substrate is 20 to 55 °, and the angle formed between the tangent of the portion where the colored matrix surface is in contact with the black matrix and the upper end surface of the black matrix is 10 to It is characterized by 25 °, and in the subsequent manufacturing process of the liquid crystal element, rubbing, which is an alignment treatment, can be satisfactorily performed in the vicinity of the stepped portion of the black matrix and the colored layer. Along with the regular alignment of molecules, high yield is achieved by expanding the process margin of the liquid crystal device manufacturing process. Furthermore, since the selection range of materials used in the manufacturing process of the liquid crystal element typified by liquid crystal material and alignment film material is expanded, it can greatly contribute to the cost reduction of the color filter such as the cost reduction of the material.
[0020]
Next, the method for producing a color filter according to claim 3 of the present invention, according to claim 1 or claim 2, characterized in that to form the colored portion by discharging ink for coloring the ink jet head The color filter according to any one of the above is characterized by being suitable for the production of a color filter that is inexpensive and free of mixed colors and color unevenness.
[0021]
Next, a liquid crystal display element according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that the liquid crystal display element is constituted by using the color filter according to any one of the first and second aspects. Therefore, a liquid crystal display element free from display defects such as a decrease in contrast and light leakage can be realized.
[0022]
The black matrix material used in the present invention is a mixed color black pigment obtained by mixing a resin component and a black pigment and / or a pigment such as red, green, blue, yellow, and purple, and a solvent for dispersing and dissolving these components. It is a photosensitive resin containing.
[0023]
The resin material may be a negative type or a positive type as long as it is a photosensitive resin such as an acrylic resin used for a general black photosensitive resin.
[0024]
As the black pigment component, carbon black, an organic pigment as a mixed color black pigment obtained by mixing pigments such as red, green, blue, yellow, and purple can be used.
[0025]
In order to form a partitioning part on a transparent substrate using a photosensitive resin, for example, a thin film having a thickness of about 1 to 3 μm is formed on the entire surface by spin coating or the like, followed by exposure, development, washing, and post-baking. Can be formed.
[0026]
Here, by controlling the patterning conditions such as exposure, development, washing, and post-baking, the shape of the black matrix and the subsequent colored portion shape can be controlled.
[0027]
The coloring material used in the present invention is preferably a non-aqueous material comprising an organic solvent for dispersing and dissolving the pigment, dye, and the like, an appropriate resin, and other additives, but is not limited thereto. It is not something.
[0028]
An ink-jet printing method using an ink-jet printer is suitable as a method for forming the colored portion, but any method can be used as long as the configuration of the present invention can be achieved.
[0029]
As the transparent substrate used in the present invention, for example, glass is often used, but a plastic film or a plastic sheet may be used. Moreover, in order to improve the adhesiveness of a transparent substrate, a partition part, and coloring ink as needed, the thin film which improves adhesiveness can also be previously formed on a transparent substrate.
[0030]
Embodiments of the invention described in claims 1 to 5 of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, embodiment shown here is an example to the last, Comprising: It is not necessarily limited to this embodiment.
[0031]
FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of the color filter according to the present embodiment. In the black matrix 2 shown in FIG. 3, a novolac resin-based negative resist in which a black pigment or the like is dispersed by a spin coater is formed with a thickness of 3.5 μm. Thereafter, exposure, development, and rinsing were performed using a photolithography method to form a pattern. In the development process, spray development was used that enables uniform development over the entire surface of the substrate. Development process parameters include developer type, concentration, temperature, spray pressure, and substrate feed rate. Depending on these conditions and subsequent post-bake conditions, the cross-sectional taper shape of the black matrix 2 and the surface side The shoulder shape was controlled. The post-baking was performed using a horizontal laminar hot-air circulation type drying furnace, and the film thickness was decreased by post-baking and finally became 2.5 μm. After that, red, green, and blue primary color inks were discharged between the black matrixes 2 using an ink jet printer, dried, and cured to form flat colored portions 3.
[0032]
The angle θ1 formed between the tangent drawn from the center of the side surface of the black matrix 2 shown in FIG. 3 to the bottom surface and the transparent substrate 1 is defined as the angle formed between the side surface and the transparent substrate 1. Further, an angle θ2 formed by a tangent drawn from the contact portion of the black matrix 2 on the surface of the colored portion 3 to the upper end surface of the black matrix 2 is defined as an angle formed by the upper end surface portion of the black matrix 2 and the colored portion 3.
[0033]
As the angle θ1 increases, the difference in film thickness at which the black matrix 2 and the colored portion 3 become flat becomes smaller as the angle increases. However, as described in the prior art, the resin black matrix cannot be an ideal rectangle and is colored. The film thickness at which the portion 3 is flattened is finally affected by the shoulder shape on the surface side of the black matrix 2, and the surface layer surface of the black matrix 2 and the surface layer surface of the colored portion 3 do not have the same height. When the angle θ1 is 55 ° or more, the increase in thickness at which the colored portion 3 becomes flat is saturated, resulting in a step of about 0.7 μm.
[0034]
The angle θ1 is generated when the upper portion of the side wall portion melted by the side etching at the time of development is softened and dropped by heat due to post-baking, and the influence of thermal sag due to the heat resistance characteristics of the resin material is taken into account. Due to such a formation process, when the angle θ1 is to be made smaller, it is necessary to increase the amount of side etching. This reduces the contact area of the black matrix 2 with the transparent substrate 1 side during development and causes the surface side of the black matrix 2 to overhang greatly. As a result, this is performed in a general cleaning step after development. The high pressure spray cleaning of pure water easily causes missing black matrix patterns and missing overhangs. In particular, since the transparent substrate 1 used for manufacturing the color filter has a size of 300 mm × 400 mm or more, it is extremely difficult to form a pattern having no defect on the entire surface.
[0035]
Table 1 shows the relationship between the angle θ1 and pattern defects represented by black matrix pattern missing and partial missing. Here, the angle θ1 that can be stably formed at a high yield was 20 ° or more.
[0036]
[Table 1]

[0037]
When the orientation characteristics of a liquid crystal display device manufactured using a color filter in which a colored portion is formed by an inkjet method on a black matrix with the angle θ1 as a parameter was confirmed, when the angle θ1 was 55 ° or more, the liquid crystal molecules were not oriented or reversed. An alignment abnormality caused by the tilt domain occurred, and the liquid crystal display element had a display defect due to a decrease in contrast and light leakage from the display portion. This is because the rubbing process, which is the alignment process of the liquid crystal display element, is hindered by the step portion angle between the black matrix and the colored layer boundary, and a sufficient rubbing process that can align the liquid crystal molecules is not performed.
[0038]
FIG. 4 shows a conceptual diagram of the rubbing process. In the rubbing treatment, an alignment film (not shown) typified by a polyimide resin formed on a color filter is rubbed with a buff or the like in order to align liquid crystal molecules regularly and tilt the liquid crystal molecules at a constant angle with respect to the substrate. The alignment film is rubbed by winding the cloth 101 around the roller 102 and rotating it. The parameters include the type of alignment film, the type of rubbing cloth, the number of rotations of the roller, the feed speed of the substrate passing under the roller, and the pressing pressure of the rubbing cloth represented by the nip width.
[0039]
Further, the angle θ2 formed by the upper end surface portion of the black matrix 2 and the colored portion 3 is influenced by the shoulder shape on the surface side of the black matrix, which is determined by the material characteristics of the black matrix and the thermal history in the manufacturing process. Therefore, reducing the angle θ2 means reducing the heat resistance of the material or giving a high temperature thermal history.
[0040]
Table 2 shows the relationship between the angle θ2 and the color filter characteristics. When the angle θ2 is smaller than 10 °, the flat portion of the black matrix surface layer decreases, and it becomes difficult to stably hold the ink when the colored portion is formed by ejecting ink by the ink jet method. Occurred, resulting in color mixing between pixels, resulting in a display defect.
[0041]
[Table 2]

[0042]
Further, when the angle θ2 was larger than 25 °, sufficient treatment could not be performed similarly in the rubbing process described above, and liquid crystal molecule alignment abnormality occurred.
[0043]
Further, in the color filter in which the angle θ1 is 20 to 55 ° and the angle θ2 is 10 to 25 °, the margin of each parameter of the rubbing condition is widened as shown in Table 3, and a stable liquid crystal display element can be produced with a high yield. I did it.
[0044]
[Table 3]

[0045]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
Example 1 “CFPR Bk-610S” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. was used as a black resist, and a 320 mm × 400 mm × 0.7 mm Corning 1737 glass substrate was used as the transparent substrate 1.
[0046]
First, the glass substrate was washed with water, dried, and then the black resist was applied onto the glass substrate 1 using a spin coater manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. The spinning condition at this time was rotated at 600 rpm for 15 seconds. After spin coating, dry prebaking was performed on a hot plate at 90 ° C. for 180 seconds, and the resulting black resist layer had a thickness of 3.5 μm. Thereafter, exposure was performed with an exposure device manufactured by Hitachi Electronics Engineering Co., Ltd. through a negative mask at an exposure condition of 90 mJ / cm <2> and a proxy gap of 100 [mu] m.
[0047]
The exposed substrate obtained under the above conditions was developed. The developer used was “CFPR developer N-A3K” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., diluted 20 times. The developer was sprayed for 60 seconds using a spray cleaning device, and then immediately washed with pure water and high pressure to rinse the developer.
[0048]
Next, post-baking was performed using a dry bake oven manufactured by Tabai Spepp. Post baking was performed at 210 ° C. for 20 minutes to form a black matrix 2.
[0049]
Next, after ejecting red, green, and blue colored inks between the black matrix 2 using an ink jet printer, the solvent of the ink is evaporated so that the colored portion 3 is flattened in a drying oven manufactured by Tabay Speck. It was.
[0050]
Next, the ink of the colored part 3 was photopolymerized by an ultraviolet curing device using a metal halide lamp manufactured by IGraphic, and finally, heat baking at 230 ° C. was performed for 3 minutes on a hot plate manufactured by Chuo System Engineering.
[0051]
When a sectional shape of a part of the color filter substrate was observed with a scanning electron microscope S-4300 manufactured by Hitachi, Ltd., the angle formed by the side surfaces of the glass substrate 1 and the black matrix 2 was 40 °. The angle formed between the upper end surface portion and the colored portion 3 was 30 °.
[0052]
An ITO film 4 is formed on the color filter substrate 12 with a thickness of 0.14 μm by sputtering, and a polyimide alignment film 5 is formed with a thickness of 0.10 μm on the entire surface by offset printing. A first substrate was formed by rubbing. Next, using the active matrix substrate 11 in which TFTs were formed for each pixel, a polyimide alignment film 5 was formed on the entire surface by offset printing with a film thickness of 0.10 μm and rubbed to form a second substrate. The first substrate and the second substrate were arranged so that the electrode surfaces face each other, and the periphery of the substrate was sealed 6 to form an empty cell. A nematic liquid crystal 7 was injected into the empty cell, and an injection port (not shown) was sealed to prepare a liquid crystal cell. An active matrix liquid crystal display element was manufactured by disposing polarizing plates 8 on both sides of the liquid crystal cell.
[0053]
Using this liquid crystal display element, a voltage was applied to the nematic liquid crystal 7 and the alignment state of the liquid crystal was observed. As a result, the liquid crystal was regularly arranged to every corner of the pixel, and a beautiful color display without display defects such as contrast reduction was achieved. It was possible.
(Embodiment 2)
A color filter substrate was produced in exactly the same manner as in Embodiment 1 except for the black resist material and development conditions.
[0054]
As the black resist, “CFPR Bk-620S” manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. was used. This material was obtained by changing the composition of the CFPR Bk-610S described above to slightly reduce the heat resistance, and was effective in controlling the angle formed between the upper end surface portion of the black matrix and the colored portion.
[0055]
Moreover, in order to control the side etching at the time of development using the said material, it was set as the development time of 55 seconds.
[0056]
When a cross-sectional shape of this color filter substrate was observed with a scanning electron microscope S-4300 manufactured by Hitachi, Ltd., the angle formed between the glass substrate and the side surface of the black matrix was 60 °, and the upper end surface portion of the black matrix The angle formed by the colored portion was 18 °.
[0057]
The liquid crystal display element was produced using this color filter substrate.
[0058]
Using this liquid crystal display element, voltage is applied to nematic liquid crystal and the alignment state of the liquid crystal is observed. As a result, the liquid crystal is regularly arranged to every corner of the pixel, and beautiful color display is possible without display defects such as contrast reduction. Met.
(Embodiment 3)
A color filter substrate was produced in exactly the same manner as in Embodiment 1 except for the development conditions and post-bake conditions.
[0059]
In order to control the side etching at the time of development using the material, the development time is 65 seconds, and in addition, in order to control the angle formed between the upper end surface portion of the black matrix and the colored portion, post-baking is performed at 230 ° C. It took 25 minutes.
[0060]
When a cross-sectional shape of this color filter substrate was observed with a scanning electron microscope S-4300 manufactured by Hitachi, Ltd., the angle formed between the glass substrate and the side surface of the black matrix was 35 °, and the upper end surface portion of the black matrix And the colored part was 22 °.
[0061]
The liquid crystal display element was produced using this color filter substrate.
[0062]
Using this liquid crystal display element, voltage is applied to nematic liquid crystal and the alignment state of the liquid crystal is observed. As a result, the liquid crystal is regularly arranged to every corner of the pixel, and beautiful color display is possible without display defects such as contrast reduction. Met.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a configuration in which complete rubbing treatment can be performed in the vicinity of the stepped portion between the resin black matrix and the colored portion and no alignment abnormality occurs.
[0064]
As a result, it is possible to realize a high-quality color filter substrate having no alignment abnormality with a configuration without an overcoat, and to provide a liquid crystal display element having excellent display characteristics at a low price by using this color filter substrate.
[Brief description of the drawings]
1A is a general cross-sectional shape diagram during development in a resin black matrix; FIG. 1B is a general cross-sectional shape diagram during post-baking in a resin black matrix; FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a color filter according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic view of rubbing treatment in a liquid crystal display element. FIG. 5 is a cross-section illustrating an example of a liquid crystal display element of the present invention. Shape [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transparent substrate 2 Black matrix 3 Coloring part 4 ITO film 5 Alignment film 6 Seal 7 Nematic liquid crystal 8 Polarizing plate 11 Active matrix substrate 12 Color filter substrate 101 Rubbing roller 102 Rubbing cloth

Claims

In a color filter having a black matrix provided on a transparent substrate and a colored portion provided at a predetermined position of the black matrix, a tangent of a portion where the surface of the colored portion is in contact with the black matrix and the black matrix An angle formed with an end face is 10 to 25 °.

In a color filter having a black matrix provided on a transparent substrate and a plurality of colored portions provided at predetermined positions of the black matrix, an angle formed between a side surface of the black matrix and a surface of the transparent substrate is 20 to 55. The color filter according to claim 5, wherein an angle formed between a tangent of a portion where the black matrix is in contact with the surface of the colored portion and an upper end surface of the black matrix is 10 to 25 °.

The color filter according to claim 1, wherein the colored portion is formed by discharging ink for coloring from an inkjet head.

A liquid crystal display element comprising the color filter according to claim 1 .