JP4357019B2

JP4357019B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4357019B2
Application number: JP34184198A
Authority: JP
Inventors: 征三郎清水; 勝之内藤
Original assignee: Toshiba Mobile Display Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2018-12-01
Also published as: JP2000171784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーフィルタを用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、それぞれ配向膜を有する２枚の電極基板を、配向膜同士が対向するように配置し、その間に液晶層を挾持して構成されている。これらの２枚の電極基板は、周辺領域に配置されたシール材および封止材によって貼り合わされているとともに、その間には基板間距離を保持するために粒状スペーサまたはフォトリソグラフィー法により形成された樹脂からなるスペーサ柱が配置されている。
【０００３】
このような液晶表示装置によりカラー表示する場合には、２枚の基板の一方に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）からなる着色層が配置され、必要に応じて着色層上やスイッチング素子を有する基板上に、樹脂からなる透明保護膜が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成される液晶表示装置において、着色層を構成する材料など、液晶層または配向膜と直接接する材料に起因して、表示むら、焼き付けが発生する場合があった。
【０００５】
本発明は、このような事情の下になされ、液晶層または配向膜と接触する材料に起因する表示むらを防止した液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題につき、種々検討を加えた結果、液晶表示装置の表示むらは、着色層の中の有機不純物が液晶層や配向膜中に溶出し、その結果、配向むらや焼き付け現象などの表示むらが発生することによるものであることを見出だした。すなわち、着色層には、アルキル酸、フェニルカルボン酸、フェニルカルボン酸誘導体、フェニレンジカルボン酸、フェニレンジカルボン酸誘導体、アルキルアミン、アニリン、アニリン誘導体、フェニレンジアミン、フェニレンジアミン誘導体、フェニレンアミンカルボン酸、フェニレンアミンカルボン酸誘導体、アルキルイミド、フタルイミド誘導体、シアノベンゼン誘導体、およびジシアノベンゼン誘導体などの有機不純物が含まれており、これが液晶層や配向膜中に溶出し、その結果、表示むらを発生させる原因であることが分かった。
【０００７】
更に、これらの不純物は、着色層の中でも緑色層に多く含まれていることが分かった。すなわち、通常、液晶表示装置のカラーフィルタの緑色着色材料に用いられる顔料は、Ｇ７やＧ３６の顔料であるが、これらは上記のような不純物が多く含まれている。また、緑色着色材料を着色ペーストに分散する際の分散剤にも上記のような多くの不純物が含まれている。
【０００８】
更に調べていくと、着色層に用いる着色剤に含有される顔料を分散させるための分散剤は、耐熱性が悪く、分解し易いものが多く、上記不純物は分散剤が分解した際に発生することが多いことが分かった。特に、このような不純物の発生は、緑色着色層に用いられる分散剤に多くみられることが分かった。
【０００９】
これは、Ｇ７やＧ３６等のような、塩素化銅フタロシアニンまたは臭素化銅フタロシアニンといった緑色顔料では、他の赤、青の着色層に用いられる顔料と比べて、これら顔料を分散するための分散剤の選択が困難であることもあり、従来、緑色着色層に用いられてきた分散剤では、不純物の問題は解決できていなかったからである。
【００１０】
特に、着色層上にパターニングされた電極が配置されるような構造、すなわち液晶表示装置を構成したときに、液晶層と着色層とが直接接触または配向膜を介して隣接する構造をとる場合に、この不純物の問題は、特に顕著である。
【００１１】
例えば、このような構造としては、アレイ基板上に着色層を配置し、この着色層上にパターニングされた画素電極が配置されるＣＯＡ（カラーフィルタオンアレイ）構造や、横電界モードでアレイ基板と対向する基板に着色層や配向膜を配置した構造などが挙げられる。
【００１２】
更には、着色層上のほぼ前面を電極で覆っている構造であっても、液晶表示装置の状態でトランスファが配置される領域付近で電極が形成されず、液晶層と着色層が直接接触するような領域が部分的にある場合においても、不純物の問題が生じる場合がある。
【００１３】
そこで、本発明者らは、分散剤の熱的性質を調べたところ、着色層形成工程時の温度から―２０℃以上高い分解温度を有する分散剤、好ましくは着色層形成工程時の温度より高い分解温度を有する分散剤を用いることにより、製造工程中の有機不純物の発生を抑えることができることを見出した。ここで、分散剤としては、着色層形成工程時の温度より２０℃程度低い分散剤を用いても、分解物が極く少量のため、実質上問題にならず、工程時温度から―２０℃以上高い分解温度を有する分散剤であればよい。
【００１４】
本発明において、分解温度とは、分散剤を含む着色剤を加熱処理して着色層を形成した場合に、この着色層を液晶で抽出した時の有機不純物の抽出量が１００ｐｐｍとなった時の加熱処理温度である。この加熱処理温度から―２０℃付近では、有機不純物の抽出量は約１０ｐｐｍ程度である。有機不純物の抽出量は、液晶セルとしたときの値を示すもので、硬化後の着色層の材料を液晶に抽出した時の値を示している。
【００１５】
有機不純物の液晶への溶出量は、有機不純物を含む着色材料の硬化片１０ｍｍ³と液晶５０ｃｃをアンプル管に収容し、封止した後、８０℃で１００時間保存し、次いで分析することにより求めることが出来る。抽出に用いる液晶材料としては、フッ素系液晶やシアノ系ネマティック液晶を使用する事が出来、具体的にはＺＬ１−１５６５（Ｅ．メルク社製）のシアノ系液晶またはＬＯＸＯＮ５００１（チッソ社製）のフッ素系液晶を用いた。測定機には、ガスクロマト分析装置である島津１４Ａ（島津社製）を用いた。
【００１６】
また、上記で定義した分解温度は、熱重量分析における屈曲点とほぼ対応する。分散剤を加熱していくと、図３に示すグラフの実線のように、溶剤や吸着水分が飛んで徐々に重量減少が生じ、分解が開始されると、温度上昇に対する重量減少が激しくなり、カーブを描く。この分解前のグラフの点線Ａの延長と分解後のグラフの点線Ｂの延長との交点（屈曲点）が分解温度である。
【００１７】
更に、具体的に用いる分散剤としては、一般的な着色層形成工程時の温度及び着色層形成工程以降で着色層が加熱される状態となる工程時、例えば２枚の基板の貼り合せ工程時などの工程温度を考慮すると、分解温度が２００℃以上のものを用いることが望ましい。
【００１８】
すなわち、本発明は、一対の基板間に液晶層を挟持してなる液晶表示装置であって、前記複数の着色層の少なくとも１つを形成するための分散剤として、前記着色層形成工程時の温度から―２０℃以上高い分解温度、好ましくは、着色層形成工程時の温度よりも高い分解温度を有する分散剤を用いたことを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【００１９】
また、本発明は、基板の一主面上に交差して配置された複数の信号線及び複数の走査線と、前記交差部毎に配置されたスイッチング素子と、前記信号線、前記走査線及び前記スイッチング素子の少なくとも一部を覆うように配置された、少なくとも緑色部分を含む着色層と、前記着色層に形成されるスルーホール部により前記スイッチング素子の各々に接続されるとともに、前記着色層上に配置された複数の画素電極と、を有するアレイ基板、前記アレイ基板と対向して配置された対向基板、前記アレイ基板と前記対向基板とを所定の間隙をあけて配置して接着する液晶注入口を除いて基板外周に配置されたシール手段、前記間隙間を保持するスペーサ、前記液晶注入口から前記間隙に注入されてなる液晶層、および前記液晶注入口を封止する封止材とを備えた液晶表示装置において、前記着色層に用いた分散剤は、着色層形成工程時の温度から―２０℃以上高い分解温度を有することを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【００２０】
更に、本発明は、基板の一主面上に交差して配置された複数の信号線及び複数の走査線と、前記交差部毎に配置されたスイッチング素子と、前記信号線、前記走査線及び前記スイッチング素子の少なくとも一部を覆うように配置された、赤色部分、緑色部分、および青色部分を含む着色層と、前記着色層に形成されるスルーホール部により前記スイッチング素子の各々に接続されるとともに、前記着色層上に配置された複数の画素電極と、を有するアレイ基板、前記アレイ基板と対向して配置された対向基板、前記アレイ基板と前記対向基板とを所定の間隙をあけて配置して接着する液晶注入口を除いて基板外周に配置されたシール手段、前記間隙間を保持するスペーサ、前記液晶注入口から前記間隙に注入されてなる液晶層、および前記液晶注入口を封止する封止材とを備えた液晶表示装置において、前記着色層の緑色部分を形成するために用いた分散剤は、２００℃以上の分解温度を有することを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【００２１】
なお、前記スペーサを黒色樹脂により構成し、この黒色樹脂に含まれる分散剤として、２００℃以上の分解温度を有するものを用いることも可能である。
【００２２】
なお、上述の、分散剤を分解することにより着色剤中に含有されることとなる有機不純物として、下記（１）式で表されるアルキル酸、下記（２）式で表されるフェニルカルボン酸またはフェニルカルボン酸誘導体、下記（３）式で表されるフェニレンジカルボン酸またはフェニレンジカルボン酸誘導体、下記（４）式で表されるアルキルアミン、下記（５）式で表されるアニリンまたはアニリン誘導体、下記（６）式で表されるフェニレンジアミンまたはフェニレンジアミン誘導体、下記（７）式で表されるフェニレンアミンカルボン酸またはフェニレンアミンカルボン酸誘導体、下記（８）式で表されるアルキルイミド、下記（９）式で表されるフタルイミド誘導体、下記（１０）式で表されるシアノベンゼン誘導体、下記（１１）式で表されるジシアノベンゼン誘導体が挙げられる。
【００２３】
【化１】

【００２４】
【化２】

【００２５】
【化３】

【００２６】
以上の式において、Ｒ₁は炭素数１ないし２０のアルキル基、Ｒ₂は―Ｈまたは炭素数１ないし２０のアルキル基、Ｒ₃は炭素数１ないし2０のアルキル基、Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚは炭素数１ないし１０のアルキル基、炭素数１ないし１０のアルコキルル基、―Ｆ、―Ｃｌ、―Ｂｒ、―Ｃ_６Ｈ₅、―Ｈから選ばれる１つ、ｎは１または２である。
【００２７】
本発明において使用可能な、着色層に含まれる顔料として、下記に示すものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
緑色顔料例
【化４】

【００２９】
青色顔料例
【化５】

【００３０】
赤色顔料例
【化６】

【００３１】
本発明において、着色層形成工程の最高温度を２２０℃としたとき、使用可能な分散剤として、以下のものを挙げることが出来る。
【００３２】
塩基性高分子系分散剤
ＰＢ７１１（味の素（株）社製）、分解温度：２４０℃
ＰＢ８２１（味の素（株）社製）、分解温度：２２０℃
ブロック共重合体（顔料に強い親和性を有する）
Disperbyk-161（ビッグケミージャパン（株）社製）、分解温度：２２０℃
くし形コーポリマーＳＯＬＳＰＲＥＲＳＥ３４７５０
（ゼネカ（株）社製）、分解温度：２２０℃
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１および図２を参照して説明する。
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図であり、図２は、図１の液晶表示装置のカラーフィルタ基板を示す断面図である。
【００３５】
図１に示すように、液晶表示装置１０は、対向基板１２０とカラーフィルタ基板１１０の間に液晶層７０を挟持しており、これらの２枚の基板間距離は、例えば粒状スペーサ３１によって保持されている。そして、対向基板１２０とカラーフィルタ基板１１０は、液晶注入口を除く基板外周を囲むように配置されるシールによって接着され、液晶注入口には封止材が塗布されている。本実施形態では、液晶材料としてＺＬＩ−１５６５（Ｅ−メルク社製）、シール材料として熱硬化型エポキシ系接着剤ＥＳ−５５００（三井東圧化学（株）社製）を用いた。
【００３６】
対向基板１２０は、透明基板２１上にＩＴＯからなる透明電極２２および配向膜１３を順次配置して構成されている。
【００３７】
図２に示すように、カラーフィルタ基板（アレイ基板）１１０は、透明基板１１上にＭｏＷ（モリブデン・タングステン）からなる走査線（図示せず）及びゲート電極１６を配置し、走査線及びゲート電極１６を覆うように酸化シリコンおよび窒化シリコンからなるゲート絶縁膜１２を配置して構成されている。
【００３８】
ゲート絶縁膜１２上には、アモルファスシリコンなどの半導体層１５が配置され、更にＭｏ／Ａｌ／Ｍｏの３層構造からなるソース電極２０、ドレイン電極１８、信号線（図示せず）が配置されている。信号線及び走査線は交差して配置され、その交差部毎にゲート電極１６、ゲート絶縁膜１２、半導体層１５、ソース電極２０、ドレイン電極１８からなるスイッチング素子１４と、このスイッチング素子に接続する画素電極３０が配置されている。
【００３９】
そして、スイッチング素子１４を覆うように、緑色着色層（Ｇ）２４ａ、青色着色層（Ｂ）２４ｂ、赤色着色層（Ｒ）２４ｃがストライプ状に配置されている。画素電極３０は、この着色層２４上に配置されており、着色層２４に形成されているスルーホール２６を介してソース電極２０と接続している。更に、画素電極３０及び着色層２４を覆うように、基板全面には配向膜１３が配置されている。
【００４０】
着色層材料としては、赤色顔料（ピグメントレッド）を含む紫外線硬化型アクリル樹脂ＣＲＹ−Ｓ６２３Ｃ（赤色）、緑色顔料（ピグメントグリーン７、ピグメントグリーン３ｂ）を含むＣＧＹ−Ｓ６２４Ｄ（緑色）、青色顔料（ピグメントブルー１６）を含むＣＢＶ−Ｓ６２５Ｃ（青色）（富士フィルムオーリン（株）社製）を、配向膜材料としては、ポリイミドＡＬ−１０５１（ＪＳＲ株式会社製）を用いた。なお、緑色層の分散剤として、ＰＢ７１１（味の素（株）社製）を用いた。この分散剤の分解温度は、２４０℃である。
【００４１】
次に、本実施形態に係る液晶表示装置の製造工程について説明する。
【００４２】
まず、カラーフィルタ基板１１０の製造工程について説明する。透明基板１１上に、スパッタリング法により約０．３μｍのモリブデン・タングステン膜を堆積し、パターニングすることにより、ゲート電極１６、及び走査線を形成した。次いで、ＣＶＤ法により、アモルファスシリコン膜を堆積し、これをパターニングして、ＴＦＴの半導体層１５を形成した。
【００４３】
次に、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）を順次堆積し、パターニングして、信号線、ソース電極２０、およびドレイン電極１８を形成した。
【００４４】
その後、紫外線硬化型アクリル系緑色レジスト液（上記ＣＧＹ−Ｓ６２４Ｄ）を、電極が形成された基板上にスピンナ塗布した。続いて、約９０℃で約５分間プリベークし、所定のマスク・パターンを用いて、１５０ｍＪ／ｃｍ²の強度の紫外線により露光した。ここで用いるフォトマスクパターンは、緑色着色層に対応するストライプ形状パターンと、画素電極３０とソース電極１２との接続のためのスルーホール２６として直径１５μｍの円形形状パターンを有している。
【００４５】
続いて、約０．１重量％のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドライド）水溶液を用いて、緑色レジスト膜を約６０秒間現像し、さらに水洗い後、約２００℃で１時間ほどポストベークを行うことによって、スルーホール２６を有する緑色着色層２４ａを形成した。
【００４６】
続いて、青色着色層２４ｂ，赤色着色層２４ｃを、緑色着色層２４ａと同様の工程により形成した。その際、緑色着色層２４ａのパターンの端が、青色着色層２４ｂや赤色着色層２４ｃの端で覆われている構成とした。これは、上記のように、各着色層を加工する際に用いる露光マスクを適合するように作製することで達成された。なお、これらの着色層の形成に際しての温度は、２２０℃であり、使用した分散剤の分解温度より低いものであった。
【００４７】
次に、着色層２４上にスパッタリング法によりインジウム・すず酸化物（ＩＴＯ）を堆積し、これをパターニングすることにより画素電極３０を形成し、ポリイミドからなる配向膜材料を基板全面に塗布し、配向処理を施して配向膜を形成して、カラーフィルタ基板１１０を得た。
【００４８】
次に、透明基板２１上にスパッタリング法によりＩＴＯを約１００ｎｍの厚さに堆積して対向電極２２を形成し、続いてポリイミドからなる配向膜材料を基板全面に塗布し、配向処理を施して配向膜を形成して、対向基板１２０を得た。
【００４９】
対向基板１２０の配向膜面上に、直径約５μｍの粒状スペーサ３１を１平方ｍｍあたり約１００個の割合で散布した。続いて、図３に示すように、対向基板１２０の外周周辺部に所定の大きさを有するファイバを混入したシール材２５を、液晶所注入用の注入口を除いて塗布した。この対向基板１２０、カラーフィルタ基板１１０とをシール材２５により貼り合わせて、空状態のセルが完成する。
【００５０】
次に、カイラル材が添加されたネマティック液晶材料を、注入口３２からセル内に真空注入し、注入後、注入口３２を封止材３３としての紫外線硬化樹脂を用いて封止したあと、セルの両側にそれぞれ偏光板を配置することにより液晶表示装置が完成する。
【００５１】
このようにして作製された液晶表示素子は、緑色層の顔料分散材剤として分解温度が２２０℃であるＰＢ８２１（味の素（株）社製）を用いているため、緑色層からの不純物の溶出を抑制することができ、配向むらや焼き付きなどの表示むらがなかった。
【００５２】
なお、上に述べた例では、２枚の基板を一定に保つためのスペーサとして、粒状スペーサを基板上に散布する方法をとったが、基板上に樹脂層を所定の膜厚、所定の形状にパターニングすることにより形成することも可能である。この場合、樹脂層として上記の着色層を積層して形成する方法や、着色層とは別に、透明又は黒色の材料を用いることも出来る。黒色材料としては、顔料として赤、緑、青の顔料をレジストに分散させたものを使用することができる。また、これらは、感光性材料を用いるか、または非感光性材料の場合には感光性レジストを用いてエッチングすることにより形成することが出来る。
【００５３】
また、上に述べた例では、緑色層の上に他の色層を部分的に積層するパターンとしたが、緑色層の上に他の着色層を積層しない構成でも、緑色層形成の後に他の色層を形成するという製造方法をとれば、用いる液晶材料や配向膜材料の種類によっては、緑色層表面近くに多く存在する不純物を、他の色層を形成する際に洗浄除去することにより、用いる液晶材料や配向膜材料の種類によっては、配向むらや焼き付きなどの表示むらを実行上問題ない程度に抑制できることも分かった。
【００５４】
ただし、緑色層の顔料分散剤として、分解温度２００℃以上のものを用いた場合のほうが、表示むらを効果的に改善することが出来る。
【００５５】
また、上記実施形態では、スイッチング素子が配置されるアレイ基板側にカラーフィルタを配置しているが、対向基板上にカラーフィルタを配置する場合にも適用できることは言うまでもない。
【００５６】
本実施形態では、緑色の着色層に用いられる分散剤の分解温度について考慮したが、緑色用の分散剤に限られず、分解により有機化合物を発生させる着色層の構成部剤である分散剤などのうち、分解により有機化合物を発生させる構成部剤を用いた場合に、本発明を適用することが出来る。
【００５７】
また、本実施形態においては、ＴＮモードについて記載しているが、これに限られるものではなく、正の誘電異方性液晶を用いるＴＮ、ＳＴＮ、ＥＣＢ、ＧＨ、ＩＰＳ（横電界）モード、負の誘電異方性液晶を用いるＶＡＮ、ＥＣＢ、ＧＨ、ＩＰＳモードなどの各種モードの液晶表示装置、相転移系液晶、強誘電系液晶、反強誘電系液晶などを用いた液晶表示装置にも適用できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によると、着色層、特に緑色層の顔料分散剤として、形成温度以上、特に２００℃以上の分解温度を有するものを用いいことにより、着色層からの不純物の溶出を抑制することができ、配向むらや焼き付きなどの表示むらを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置を示す縦断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る液晶表示装置のアレイ基板を示す縦断面図。
【図３】分散剤の分解温度を示す特性図。
【符号の説明】
１０…液晶表示装置
１１，２１…基板
１２…ゲート絶縁膜
１３…配向膜
１４…スイッチング素子
１５…半導体層
１６…ゲート電極
１８…ドレイン電極
２０…ソース電極
２２…対向電極
２４…着色層
２６…スルーホール
３０…画素電極
３１…スペーサ
７０…液晶層
１１０…カラーフィルタ基板
１２０…対向基板。

Claims

一対の基板間に液晶層を挟持してなる液晶表示装置であって、前記一対の基板のいずれか一方には、異なる色の複数の着色層が形成されており、前記複数の着色層の少なくとも１つを形成するための分散剤として、前記着色層形成工程時の温度及び２２０℃よりも高い分解温度を有する分散剤を用いたことを特徴とする液晶表示装置。
前記複数の着色層は緑色着色層を有し、前記分散剤は前記緑色着色層に含有されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
基板の一主面上に交差して配置された複数の信号線及び複数の走査線と、前記交差部毎に配置されたスイッチング素子と、前記信号線、前記走査線及び前記スイッチング素子の少なくとも一部を覆うように配置された、異なる色の複数の着色層と、前記着色層に形成されるスルーホール部により前記スイッチング素子の各々に接続されるとともに、前記着色層上に配置された複数の画素電極と、を有するアレイ基板、
前記アレイ基板と対向して配置された対向基板、
前記アレイ基板と前記対向基板とを所定の間隙をあけて配置して接着する液晶注入口を除いて基板外周に配置されたシール手段、
前記間隙間を保持するスペーサ、
前記液晶注入口から前記間隙に注入されてなる液晶層、および
前記液晶注入口を封止する封止材
とを備えた液晶表示装置において、
前記複数の着色層の少なくとも１つを形成するための分散剤として、前記着色層形成工程時の温度及び２２０℃よりも高い分解温度を有する分散剤を用いたことを特徴とする液晶表示装置。
前記複数の着色層は緑色着色層を有し、前記分散剤は前記緑色着色層に含有されることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
前記スペーサが黒色樹脂からなり、この黒色樹脂に含まれる分散剤は、２００℃以上の分解温度を有することを特徴とする請求項３または４に記載の液晶表示装置。
基板上に異なる色の複数の着色層が配置された液晶表示装置用カラーフィルタ基板において、
前記複数の着色層の少なくとも１つを形成するための分散剤として、前記着色層形成時の温度及び２２０℃よりも高い分解温度を有する分散剤を用いたことを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルタ基板。