JP4261657B2 - カラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーテレビ、パーソナルコンピュータ、パチンコ遊戯台等に使用されているカラー液晶ディスプレイの構成部材であるカラーフィルタ及びその製造方法に関し、特に、インクジェット方式を利用して各色の着色部を形成するカラーフィルタ及びその製造方法に関する。さらに、本発明は、該カラーフィルタを用いた液晶素子基板と、該基板を用いて構成される液晶素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータの発達、特に携帯用パーソナルコンピュータの発達に伴い、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、さら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重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】
従来から、カラーフィルタの要求特性を満足しつつ、上記の要求に応えるべく種々の方法が試みられているが、未だ全ての要求特性を満足する方法は確立されていない。以下にそれぞれの方法を説明する。
【０００４】
第一の方法が染色法である。染色法は、先ずガラス基板上に染色用の材料である水溶性の高分子材料を形成し、これをフォトリソグラフィ工程により所望の形状にパターニングした後、得られたパターンを染色浴に浸漬して着色されたパターンを得る。これを３回繰り返すことにより、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の着色層を形成する。
【０００５】
第二の方法は顔料分散法であり、近年最も盛んに行なわれている。この方法は、先ず基板上に顔料を分散した感光性樹脂層を形成し、これをパターニングすることにより単色のパターンを得る。さらに、この工程を３回繰り返すことにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの着色層を形成する。
【０００６】
第三の方法としては電着法がある。この方法は、先ず基板上に透明電極をパターニングし、顔料、樹脂、電解液等の入った電着塗装液に浸漬して第一の色を電着する。この工程を３回繰り返してＲ、Ｇ、Ｂの着色層を形成し、最後に焼成するものである。
【０００７】
第四の方法としては、熱硬化型の樹脂に顔料を分散させ、印刷を３回繰り返すことにより、Ｒ、Ｇ、Ｂを塗り分けた後、樹脂を熱硬化させることにより着色層を形成するものである。
【０００８】
また、上記いずれの方法においても、着色層の上に保護層を形成するのが一般的である。
【０００９】
これらの方法に共通している点は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の着色層を形成するために、同一の工程を３回繰り返す必要があり、コスト高になることである。また、工程が多いほど歩留が低下するという問題を有している。さらに、電着法においては、形成可能なパターン形状が限定されるため、現状の技術ではＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を用いたアクティブマトリクスタイプ（いわゆるＴＦＴタイプ）には適用困難である。また、印刷法は、解像性が悪いため、ファインピッチのパターンの形成には不向きである。
【００１０】
上記の製造方法の問題点を補うべく、特開昭５９−７５２０５号公報、特開昭６３−２３５９０１号公報、特開平１−２１７３０２号公報等にインクジェット方式を用いたカラーフィルタの製造方法が提案されている。
【００１１】
インクジェット方式を用いたカラーフィルタの製造方法においては、
（１）製造プロセスが簡略
（２）低コスト
（３）染料を用いることができるため、着色材の選択幅が広い
という長所がある。染料は顔料に比較して種類が多く、使用目的に合わせて任意の色再現が可能である。さらに、顔料を用いたカラーフィルタに比較して、染料を用いたカラーフィルタはコントラストが高いという特徴がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、染料は顔料に比較して、一般的に、
（Ａ）耐熱性が低い
（Ｂ）水や有機溶剤に対する溶解性が高い
という短所がある。即ち、染料を用いてカラーフィルタを作製した場合に、それぞれ以下のような問題点を生じる。
【００１３】
（Ａ）着色部上にスピンコート等により保護層を形成する際に、保護層材料中に含まれる有機溶剤等により、着色部と保護層材料との界面において染料のマイグレーションを生じる場合があり、その場合には、着色部と保護層との密着性が低下する、或いは、保護層が着色してしまう等の障害が発生する可能性がある。
（Ｂ）着色部上に透明導電膜を形成する際に、高温下で酸素含有雰囲気中に曝されるため、着色部の表面層において染料が酸化してしまう場合がある。染料の酸化が発生した場合、色調が変化する、或いはコントラストが低下してしまう等の障害が発生する可能性がある。
【００１４】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、インクジェット方式によるカラーフィルタにおいて、保護層や透明導電膜形成工程の影響を受けない着色部を形成することにあり、特に、染料を用いた場合の保護層の着色や密着性の低下、或いは透明導電膜形成によるコントラスト低下などを防止し、カラーフィルタ特性に優れたカラーフィルタを提供し、さらには該カラーフィルタを用いた信頼性の高い液晶素子基板及びカラー表示特性に優れた液晶素子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のカラーフィルタの製造方法は、透明基板上に遮光層を形成する工程と、該遮光層上を含む透明基板上に、光照射或いは光照射と熱処理によってインク吸収性が変化する感光性樹脂組成物層を形成する工程と、該感光性樹脂組成物層をパターン露光し、遮光層の少なくとも開口部に対応する領域にインク吸収性を有する被着色部を形成し、該被着色部以外の領域に該被着色部よりもインク吸収性の低い非着色部を形成する工程と、上記被着色部にインクジェット方式により着色インクを付与して着色する工程と、着色された被着色部に光照射或いは熱処理を施して硬化させ、着色部を形成する工程と、上記着色部内の深さ方向の着色材の濃度分布が透明基板側で高くなるように、上記着色部を洗浄する工程と、を有することを特徴とする
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を挙げて本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のカラーフィルタの製造方法の一実施形態の工程図である。図１において、（ａ）〜（ｇ）は下記工程（ａ）〜（ｇ）に対応する断面模式図である。以下、各工程について説明する。
【００２０】
工程（ａ）
透明基板１上に開口部を有する遮光層（通常ブラックマトリクスと呼ばれる）２を形成する。本発明において用いられる透明基板１としては、一般にガラス基板が用いられるが、液晶素子用カラーフィルタとしての透明性や機械的強度等の必要特性を有するものであれば、ガラス基板に限定されるものではなく、各種プラスチック基板なども用いることができる。
【００２１】
また、遮光層２は、通常０．１〜０．５μｍの厚さを有し、クロム等の金属をスパッタ法或いは蒸着等により成膜し、所定の形状にパターニングして形成する。
【００２２】
工程（ｂ）
遮光層２上を含む透明基板１上に、光照射或いは光照射と熱処理によってインク吸収性が変化する感光性樹脂組成物によりインク受容層３を形成する。本発明において用いられる感光性樹脂組成物としては、光照射或いは光照射と熱処理によってインク吸収性が消失或いは減少するネガ型と、発現或いは増加するポジ型のいずれでも用いることができる。
【００２３】
ネガ型の感光性樹脂組成物の具体例としては、例えば基材樹脂としては、水酸基、カルボキシル基、アルコキシ基、アミド基等の官能基を有するアクリル系樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、またはヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体或いはそれらの変性物、またはポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール等が挙げられる。さらに、これらの樹脂を光照射或いは光照射と熱処理により反応させるために架橋剤、光開始剤を用いることも可能である。具体的には、架橋剤としては、メチロール化メラミン等のメラミン誘導体が、また光開始剤としては重クロム酸塩、ビスアジド化合物、ラジカル系開始剤、カチオン系開始剤、アニオン系開始剤等が使用可能である。また、これらの感光剤を複数種混合して、或いは他の増感剤と組み合わせて使用することもできる。
【００２４】
また、ポジ型の感光性樹脂組成物の具体例としては、例えばポリシラン等のジシラン結合を有するシリコーン系樹脂、またはヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルアルコール、クレゾールノボラック樹脂、ポリパラヒドロキシスチレン等の水酸基含有樹脂とナフトキノンジアジド類の混合物、または前記水酸基含有樹脂の水酸基をアセチル基、トリメリルシリル基等でブロックした樹脂とカチオン系光開始剤の混合物等が使用可能である。
【００２５】
上記感光性樹脂組成物は、スピンコート、ロールコート、バーコート、スプレーコート、デイップコート等の塗布方法により透明基板１上に塗布し、必要に応じてプリベークを施してインク受容層３とすれば良く、その形成方法は、特に限定されるものではない。
【００２６】
工程（ｃ）
インク受容層３をフォトマスク４を用いてパターン露光し、インク吸収性の低い（或いはない）非着色部５とインク吸収性の高い（或いは有する）被着色部６を形成する。本実施形態は、インク受容層を露光によりインク吸収性を消失するネガ型の感光性樹脂組成物で形成した場合を示す。当該工程により、遮光層２上に非着色部５を形成する。非着色部５は隣接する被着色部６間でのインクの混色を防止するために設けるものである。
【００２７】
非着色部５は遮光層２上に形成され、特に、遮光層２の幅よりも狭くなるように形成することにより、後述する着色部８が遮光層２と重なる位置まで延出して形成され、白抜けが防止される。。
【００２８】
工程（ｄ）
インクジェット記録装置（不図示）を用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂの各着色インク５を所定の位置の被着色部６に付与する。本発明において着色インクとしては、染料系及び顔料系のいずれでも用いることができるが、本発明は特に染料を用いた場合の問題点を解決したものであり、染料系のインクが好ましく用いられる。
【００２９】
また、インクジェット用のインクの好適な媒体としては、水及び水溶性有機溶剤の混合溶媒であり、水としては種々のイオンを含有する一般の水ではなく、イオン交換水（脱イオン水）を使用することが好ましい。
【００３０】
また、その他併用し得る水溶性有機溶剤の例としては、メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒ−ブチルアルコール等の炭素数１〜４のアルキルアルコール類、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類、アセトン、ジアセトンアルコール等のケトン類またはケトアルコール類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等のポリアルキレングリコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコール、ヘキシレングリコール、ジエチレングリコール等のアルキレン基が２〜４個の炭素を含有するアルキレングリコール類、グリセリン類、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル等の多価アルコールの低級アルキルエーテル類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、２−ピロリドン等が挙げられる。これらの水溶性有機溶剤の中でも、ジエチレングリコール等の多価アルコール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル等の多価アルコールの低級アルキルエーテル、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等が好適に用いられる。
【００３１】
また、上記成分の他に、必要に応じて所望の物性値を持つインクとするために、界面活性剤、消泡剤、防腐剤等を添加しても良い。
【００３２】
また、インクは常温で液体のものに限らず、室温やそれ以下で固化するインクであって、室温で軟化するもの、もしくは液体であるもの、或いは通常のインクジェット方式ではインク自体を３０℃〜７０℃の範囲内で温度調整を行ってインクの粘性を安定な範囲に制御していることから、インク吐出時にインクが液状をなすものが好適に用いられる。
【００３３】
さらに、インクジェット方式としては、エネルギー発生素子として電気熱変換体を用いたバブルジェットタイプ、或いは圧電素子を用いたピエゾジェットタイプ等が使用可能であり、着色面積及び着色パターンは任意に設定することができる。
【００３４】
工程（ｅ）
着色インク７が十分に被着色部６内に浸透した後、必要に応じて乾燥処理を施し、さらに、光照射或いは熱処理を施して着色された被着色部を硬化させ、着色部８を形成する。
【００３５】
工程（ｆ）
着色部８の表面層に存在する着色材を除去するために洗浄処理を行なう。洗浄に用いる洗浄液としては、着色材を溶解可能な液体であり、着色材として染料を用いた場合には、純水或いはアルカリ水溶液等が有効に使用可能である。さらに、洗浄方法としては、ディップ洗浄、スピン洗浄、シャワー洗浄等の洗浄方法が可能であり、特に限定されるものではない。
【００３６】
当該工程によって、着色部８の表面層の着色材が洗浄除去されるため、着色部８内には深さ方向に着色材の濃度分布が発生し、透明基板１側でその濃度が高くなる。
【００３７】
工程（ｇ）
必要に応じて保護層９を形成する。保護層９としては、光硬化タイプ、熱硬化タイプ或いは光熱併用タイプの樹脂材料、蒸着、スパッタ等によって形成された無機膜等を用いることができ、カラーフィルタとした場合の透明性を有し、その後の透明導電膜形成プロセス、配向膜形成プロセス等に耐え得るものであれば使用可能である。
【００３８】
本発明においては、着色部８の表面層の着色部濃度が低いため、該着色部６からの着色材のマイグレーションが低減し、保護層９を密着性良く形成することができる。また該保護層９を形成せずに、着色部８上に直接透明導電膜を形成して液晶素子を構成する場合でも、透明導電膜形成工程における酸素含有雰囲気による着色部８表面層の染料酸化による色調変化が低減される。
【００３９】
本発明の液晶素子基板は、図１（ｆ）或いは（ｇ）に示されるカラーフィルタ上に、透明導電膜を形成してなるものである。前記したように、本発明のカラーフィルタは、着色部の表面層の着色材が洗浄除去されて濃度が低くなっているため、その上に透明導電膜を形成してなる本発明の液晶素子基板は、着色材の影響を受けにくく、保護層と着色部の密着性が高い、或いは、透明導電膜形成時の着色材の酸化による着色部の色調変化の低減した液晶素子基板である。
【００４０】
次に、本発明のカラーフィルタを用いて構成した液晶素子について説明する。図２は本発明の液晶素子の一実施形態であって、アクティブマトリクス型液晶素子の一例の断面模式図である。図２において、１２は共通電極、１３は配向膜、２０は基板、２２は画素電極、２３は配向膜、１４は液晶層であり、図１と同じ部材には同じ符号を付した。
【００４１】
カラー表示の液晶素子は、一般的にカラーフィルタ側基板（１）とＴＦＴ基板（２０）とを合わせ込み、液晶化合物１４を封入することにより形成される。液晶素子の一方の基板の内側に、ＴＦＴ（不図示）と透明な画素電極２２がマトリクス状に形成される。また、もう一方の基板１の内側には、画素電極２２に対向する位置にＲ、Ｇ、Ｂの各着色部８が配列するようにカラーフィルタ層が設置され、その上に透明な共通電極１２が一面に形成される。さらに、両基板の面内には配向膜１３、２３が形成されており、これらをラビング処理することにより液晶分子を一定方向に配列させることができる。
【００４２】
基板１、２０の外側にはそれぞれ偏光板（不図示）が接着され、バックライトとして一般的に蛍光灯（不図示）と散乱板（不図示）の組み合わせを用い、液晶化合物をバックライト光の透過率を変化させる光シャッターとして機能させることにより表示を行なう。
【００４３】
本発明の液晶素子においては、本発明のカラーフィルタを用いて構成していれば良く、他の構成部材については、その素材や製法等、従来の液晶素子の技術を適用することが可能である。
【００４４】
【実施例】
（実施例１）
ガラス基板上に厚さ０．１５μｍのクロムからなる遮光層（ブラックマトリクス）を形成し、その上に、下記に示す組成からなるアクリル系共重合体９７重量部
メチルメタクリレート ５０重量部
ヒドロキシエチルメタクリレート ３０重量部
Ｎ−メチロールアクリルアミド ２０重量部
及びトリフェニルスルフォニウムヘキサフルオフルオロアンチモネート３重量部を、エチルセロソルブに溶解してなる感光性樹脂組成物を膜厚２μｍとなるようにスピンコートし、９０℃で２０分間のプリベークを行なってインク受容層を形成した。
【００４５】
次いで、ブラックマトリクスの幅よりも狭いストライプ状の開口部を有するフォトマスクを介して、ブラックマトリクス上のインク受容層の一部をストライプ状にパターン露光し、さらに１２０℃のホットプレート上で１分間の熱処理を施し、インク受容層に被着色部と非着色部を形成した。
【００４６】
インクジェット記録装置を用い、以下の組成からなるＲ、Ｇ、Ｂの各染料系インクを所定の位置の被着色部に付与した。
【００４７】
（インク組成）
Ｒインク
Ｃ．Ｉ．アシッドオレンジ１４８ ６重量部
Ｃ．Ｉ．アシッドレッド２８９ １重量部
ジエチレングリコール ３０重量部
イオン交換水 ６３重量部
Ｇインク
Ｃ．Ｉ．アシッドイエロー２３ ３重量部
亜鉛フタロシアニンスルホアミド ３重量部
ジエチレングリコール ３０重量部
イオン交換水 ６４重量部
Ｂインク
Ｃ．Ｉ．ダイレクトブルー１９９ ６重量部
ジエチレングリコール ３０重量部
イオン交換水 ６４重量部
【００４８】
インクが十分被着色部に浸透した後、９０℃で５分間のインク乾燥を行ない、さらに２００℃で６０分間の熱処理を行なってインク受容層全体を硬化させた。
【００４９】
次に、スピン洗浄にて純水を用いて着色部の洗浄処理を行なった。図３〜図５に、洗浄処理前後の着色部における膜厚方向の染料濃度の測定結果を示す。染料濃度の測定は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析装置）を用い、各染料分子中に含まれる金属原子の量（Ｒはクロム、Ｇは亜鉛、Ｂは銅）を測定し、炭素原子の量と比較することにより規格化された濃度として求めた。図３〜図５から明らかなように、Ｒ、Ｇ、Ｂの着色部はいずれも洗浄処理後には表面層における染料濃度が減少している。
【００５０】
次に、着色部上に二液型の熱硬化型樹脂組成物（ＪＳＲ社製「ＳＳ６６９９Ｇ」）を膜厚が１μｍとなるようにスピンコートし、９０℃で３０分間のプリベークを行なった後、２５０℃で６０分間の熱処理を行なって保護層を形成した。
【００５１】
このようにして作製されたカラーフィルタを、顕微分光測定装置（オリンパス社製）を用いて着色部の色度測定を行なったところ、異常は観察されなかった。また、基盤目剥離試験を行なったところ、保護層の剥離は生じなかった。
【００５２】
さらに、上記保護層上に、厚さ０．１２μｍのＩＴＯ膜を形成し、液晶素子基板とした。この基板について再び顕微分光測定装置を用いて着色部の色度測定を行なったところ、異常は観察されなかった。また、基盤目剥離試験を行なったところ、保護層の剥離は生じなかった。
【００５３】
（実施例２）
洗浄液として、アルカリ水溶液（ｐＨ＝１１）を用いた以外は、実施例１と同様にしてカラーフィルタを作製した。得られたカラーフィルタについて、実施例１と同様に顕微分光測定装置を用いて着色部の色度測定を行なったところ、異常は観察されなかった。また、基盤目剥離試験を行なったところ、保護層の剥離は生じなかった。
【００５４】
（実施例３）
保護層を形成せずに着色部上に直接ＩＴＯ膜を形成する以外は、実施例１と同様にして液晶素子基板を作製した。得られた液晶素子基板について、実施例１と同様に顕微分光測定装置を用いて着色部の色度測定を行なったところ、異常は観察されなかった。また、基盤目剥離試験を行なったところ、ＩＴＯ膜の剥離は生じなかった。
【００５５】
（比較例１）
洗浄処理を行なわない以外は、実施例１と同様にしてカラーフィルタを作製した。得られたカラーフィルタについて、実施例１と同様に顕微分光測定装置を用いて着色部の色度測定を行なったところ、染料の保護層中へのマイグレーションに起因するスペクトルの変化が観察された。また、基盤目剥離試験を行なったところ、保護層の剥離を生じた。
【００５６】
（比較例２）
洗浄処理を行なわない以外は、実施例３と同様にして液晶素子基板を作製した。得られた液晶素子基板について、実施例３と同様に顕微分光測定装置を用いて着色部の色度測定を行なったところ、染料の酸化に起因するスペクトルの変化が観察された。また、基盤目剥離試験を行なったところ、ＩＴＯ膜の剥離を生じた。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、カラーフィルタの着色部の表面層の着色材濃度が低減されているため、該着色部上に保護層を形成した場合でも、これらの界面における着色材のマイグレーションが防止され、保護層の密着性低下が防止される。また、保護層の着色も防止される。さらに、着色部上に透明導電膜を形成する場合でも、当該形成工程における酸素含有領域に曝される着色材が少ないため、該着色材の酸化による色調変化が抑えられ、コントラストの低下が防止される。
【００５８】
よって、本発明によれば、保護層と着色部の密着性が高く、保護層の着色のない良好なカラーフィルタ、及び、色調変化がなく高コントラストな液晶素子基板が提供され、カラー表示特性に優れた信頼性の高い液晶素子が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカラーフィルタの製造方法の一実施形態の工程図である。
【図２】本発明の液晶素子の一実施形態の断面模式図である。
【図３】本発明の実施例１におけるＲの着色部の染料濃度の測定結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例１におけるＧの着色部の染料濃度の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例１におけるＢの着色部の染料濃度の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 透明基板
２ 遮光層
３ インク受容層
４ フォトマスク
５ 非着色部
６ 被着色部
７ 着色インク
８ 着色部
９ 保護層
１２ 共通電極
１３ 配向膜
１４ 液晶層
２０ 基板
２２ 画素電極
２３ 配向膜

Claims (3)

1. 透明基板上に遮光層を形成する工程と、
   該遮光層上を含む透明基板上に、光照射或いは光照射と熱処理によってインク吸収性が変化する感光性樹脂組成物によりインク受容層を形成する工程と、
   上記インク受容層をパターン露光し、遮光層の少なくとも開口部に対応する領域にインク吸収性を有する被着色部を形成し、該被着色部以外の領域に該被着色部よりもインク吸収性の低い非着色部を形成する工程と、
   上記被着色部にインクジェット方式により着色インクを付与して着色する工程と、
   着色された被着色部に光照射或いは熱処理を施して硬化させ、着色部を形成する工程と、
   上記着色部内の深さ方向の着色材の濃度分布が透明基板側で高くなるように、上記着色部を洗浄する工程と、
   を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
2. 上記着色部の洗浄工程において、液体洗浄剤を用いる請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
3. 上記着色インクが染料を含有し、上記液体洗浄剤が水である請求項２記載のカラーフィルタの製造方法。

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