JP4100589B2 - 液晶表示用カラーフィルタおよびその製造方法 - Google Patents

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】
【先願の内容およびこの発明の解決すべき課題】
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。先願である特願平９−１３１６９９号は、その研究の成果である。この発明は、その先願を基礎とし、その先願の内容をさらに発展させるものである。そこで、この発明の解決すべき課題については、先願の内容を基にして説明することができる。
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、先願では、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の課題とした。
【０００５】
この第１の課題に対する先願の基本的な考え方は、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点にある。先願では、イエロー、マゼンタ、シアンのいずれかの色の一層からなる一層部分と、それらの色の２つの色が二層に重なった二層部分とを備える方法を採った。二層部分がレッド、グリーン、ブルーの原色を形成するので、各色についての色パターンを形成する工程数を増やすことなく、カラーフィルタの色要素を６つに増やすことができる。
先願では、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ことを考慮した対応をもした。たとえば、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色パターンを隣り合うように配置した。
【０００６】
こうした先願は、色度図上における色表示範囲を広げることを主眼としていたため、色パターンの色として、イエロー、マゼンタ、シアンの色は勿論のこと、レッド、グリーン、ブルーの３つの原色のすべての色をも含ませることを良しとしていた。ところが、そのような複数の色のうち、ブルーとイエローとの明るさが他の色に比べて大きく異なる（ブルーは暗すぎ、イエローは明るすぎる）ため、それらがカラーフィルタ上で目立ち、表示に不都合を生じるおそれがあることが判明した。たとえば、ストライプ配列の場合はスジ状の模様、また、格子配列の場合は格子状の模様をそれぞれ生じるという不都合である。
そこで、この発明は、先願の技術をさらに改良し、ブルーとイエローとが起因して生じる不都合な模様が生じないようにすることを主な課題とする。
【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、補色系の色を基調とし、そこに原色の色を加えるようにしたカラーフィルタであり、原色の色について、二層の重なりによって得るものである。ただ、他の色に比べて明るさが大きく異なるイエローを一層部分から外し、また、原色のブルーを用いないようにしている。一層部分と二層部分とを含む複数の色の色パターンは、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。一層部分には、マゼンタ、シアンがあり、二層部分には、イエロー、マゼンタ、シアンの中のいずれか２つの色が重なり合い、レッド、グリーンの原色を形成する部分とがある。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が格子あるいは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色要素電極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の色パターンは、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の３つの色からなり、しかも、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（この色要素を色絵素ともいう。）を形成し、また、二層部分は３原色の色の色要素を形成する。この発明では、特に、イエロー（Ｙ）が一層部分に入らないようにし、しかもまた、レッド（Ｒ）、グリーン（Ｇ）、ブルー（Ｂ）の３原色の中のブルー（Ｂ）を外すようにしている。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Ｍ，Ｃと二層部分Ｒ，Ｇ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）を全く同じにしたり、少なくとも一部を同じにすることができる。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の少なくとも一部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、Ｃ、Ｙ、Ｍ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。すなわち、Ｙに注目すれば、それを一番目、二番目あるいは三番目のいずれの段階でも形成することができる。また、ＣとＭとは、順序を入れ替えることができる。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。また、図６は、図２のストライプ配列を得るための処理工程、図７は、図３のストライプ配列を得るための処理工程であり、それらにおいても各色のパターン形状が同じであり、また、全体のパターニングの工程数が３である。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８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）の原色についての分光透過率を示す分光特性図であり、図９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９は、図８のものにおけるマゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の色パターンの一層部分（つまり、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１０からは、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。さらに、図１１は、図８および図１０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１１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、拡大されることが分かる。ちなみに、図１２は、比較の意味で形成したＲＧＢ３色のカラーフィルタ（図９の分光特性をもつもの）における色度図であり、図１３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、４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、色要素が今までの３つ（つまり、３つの種類）から４つに増えることから、表示が粗くなるという難点がある。その点、前記した図１および図３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）のように補色関係にするという方法である。図２および図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。なお、４つの色要素のものは、６つの色要素のものに比べて色数が少ないために、表示素子の駆動が容易である。
【００１３】
【実施例】
図８の分光特性、および図１１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。
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、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すでに形成した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、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すでに形成したイエローの色パターンと重ね、レッドのパターン（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、シアンと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】図２の第２の例を得るための処理工程を示す工程図である。
【図７】図３の第３の例を得るための処理工程を示す工程図である。
【図８】この発明によるカラーフィルタの分光特性図である。
【図９】比較のためのＲＧＢ系のものの分光特性図である。
【図１０】ＹＭの部分についての分光特性図である。
【図１１】この発明によるカラーフィルタの色度図であり、４色を含むものの色表示範囲を示す図である。
【図１２】ＲＧＢ３色のカラーフィルタの色度図である。
【図１３】ＹＭＣ３色のカラーフィルタの色度図である。
【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 (10)

1. 透明基板上に、液晶層に面するよう配置されるカラーフィルタであって、互いに異なる複数の色の色パターンを含むカラーフィルタ層を備え、このカラーフィルタ層は、マゼンタ、シアンの色パターンの一層からなる一層部分と、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とを備え、二層部分が、レッド、グリーンの原色を形成することを特徴とする液晶表示用カラーフィルタ。
2. 前記一層部分が占める色パターンの領域と前記二層部分が占める領域とが、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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 前記一層部分と前記二層部分とがカラー表示のための色要素を構成し、前記カラーフィルタ層は、マゼンタ、シアン、レッド、グリーンの４色の色要素を備える、請求項１のカラーフィルタ。
7. 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、請求項１あるいは６のカラーフィルタ。
8. 透明基板上に、液晶層に面するよう配置されるカラーフィルタであって、互いに異なる複数の色の色パターンを含むカラーフィルタ層を備え、このカラーフィルタ層は、マゼンタ、シアンの色パターンの一層からなる一層部分と、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とを備え、二層部分が、レッド、グリーンの原色を形成する液晶表示用カラーフィルタを製造するに際し、
   ａ１．前記透明基板上に、イエローの色の第１の色パターンを形成する工程
   ｂ１．前記第１の色パターンを形成した透明基板上に、マゼンタあるいはシアンの中のいずれか一方の色の第２の色パターンを、前記第１の色パターンを部分的に被うように形成する工程。
   ｃ１．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、マゼンタあるいはシアンの中、前記ｂ１の一方の色とは異なる他方の色の第３の色パターンを、前記第１の色パターンを部分的に被うように形成する工程
   とを備え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。
9. 透明基板上に、液晶層に面するよう配置されるカラーフィルタであって、互いに異なる複数の色の色パターンを含むカラーフィルタ層を備え、このカラーフィルタ層は、マゼンタ、シアンの色パターンの一層からなる一層部分と、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とを備え、二層部分が、レッド、グリーンの原色を形成する液晶表示用カラーフィルタを製造するに際し、
   ａ２．前記透明基板上に、マゼンタあるいはシアンの中のいずれか一方の色の第１の色パターンを形成する工程
   ｂ２．前記第１の色パターンを形成した透明基板上に、マゼンタあるいはシアンの中、前記ａ２の一方の色とは異なる他方の色の第２の色パターンを、前記第１の色パターンを部分的に被うように形成する工程。
   ｃ２．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、イエローの色の第３の色パターンを、前記第１あるいは第２の各色パターンを部分的に被うように形成する工程
   とを備え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。
10. 透明基板上に、液晶層に面するよう配置されるカラーフィルタであって、互いに異なる複数の色の色パターンを含むカラーフィルタ層を備え、このカラーフィルタ層は、マゼンタ、シアンの色パターンの一層からなる一層部分と、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とを備え、二層部分が、レッド、グリーンの原色を形成する液晶表示用カラーフィルタを製造するに際し、
    ａ３．前記透明基板上に、マゼンタあるいはシアンの中のいずれか一方の色の第１の色パターンを形成する工程
    ｂ３．前記第１の色パターンを形成した透明基板上に、イエローの色の第２の色パターンを、前記第１の色パターンを部分的に被うように形成する工程。
    ｃ３．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、マゼンタあるいはシアンの中、前記ａ３の一方の色とは異なる他方の色の第３の色パターンを、前記第２の色パターンを部分的に被うように形成する工程
    とを備え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。

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