JP4376266B2 - カラーフィルタ基板およびそれを備える液晶表示パネル - Google Patents

Description

本発明はカラーフィルタ基板およびそれを備える液晶表示パネルに関する。

液晶表示装置は、小型、薄型、低消費電力、および軽量という特徴を有するため、現在、各種の電子機器に広く用いられている。特に、スイッチング素子を有するアクティブマトリクス型液晶表示装置は、パソコン等のＯＡ機器、テレビ等のＡＶ機器や携帯電話などに広く採用されている。また、近年、液晶表示装置の大型化や、高精細化、画素有効面積比率の向上（高開口率化）、広視野角化、または色純度向上などの表示品位の向上が急速に進んでいる。

液晶表示装置は、一般に、互いに対向するように配置された一対の基板（例えばアクティブマトリクス基板とカラーフィルタ基板）と、これら一対の基板の間に配置された液晶層とを有する液晶表示パネルと、液晶表示パネルに所定の信号や電圧を供給する駆動回路とを有する。更に、透過型または半透過型の液晶表示装置は、バックライトなどの照明装置を有する。なお、駆動回路の一部は液晶表示パネルに一体に形成されることもある。最近は、更に、ＴＶ受信器を備えた液晶テレビが急速に普及しつつある。

液晶表示パネルにおいて、液晶層の厚さ（セルギャップと呼ばれることもある）は、スペーサと呼ばれる部材によって規定される。スペーサとしては、プラスチックビーズなどの粒状スペーサや、基板に感光性樹脂を用いて形成された柱状構造体（「柱状スペーサ」、「ドット状スペーサ」あるいは「フォトスペーサ」と呼ばれることがある。）が用いられている。液晶層の厚さは、表示モードによるものの、例えば近年広く利用されている垂直配向モード（ＶＡモード）の液晶パネルにおいては、リタデーションに直接影響するため、高い表示品位を得るためには、所定の値に設定・維持することが重要である。また、大画面の液晶パネルにおいては、表示領域の全体に亘って液晶層の厚さを所定の厚さに設定・維持する必要があり、スペーサの構造および配置の最適化は重要な技術課題となっている。

一方で、液晶表示パネルの大型化が進むに連れて、液晶表示パネルの製造方法における液晶層を形成するプロセスに「滴下法」が採用されつつある（例えば特許文献１参照）。

従来は、「（真空）注入法」という方法が広く用いられていた。この方法は、一対の基板を所定の間隙を形成するようにシール剤を用いて貼り合せることによって得られた液晶セル（空セル）を真空チャンバー内に保持し、液晶セル内の空気を除去した後、液晶セルのシール部の一部に設けられた注入口を液晶材料に接触させた状態でチャンバー内を常圧に戻し、大気圧により液晶材料を液晶セルに注入した後、注入口を樹脂で封止するという方法である。大型液晶パネルの製造にこのような注入法を採用すると、液晶材料の注入に長時間を要し、製造効率が著しく低下する。

そこで注入法よりもプロセス時間を短くできる滴下法が採用されつつある。

滴下法では、上記特許文献１に記載されているように、一対の基板のうち一方の基板の表面にシール剤を用いて長方形の枠状のシール部を形成し、シール部に包囲された領域内に液晶材料を滴下し、これを他方の基板と貼り合わせ、シール剤を固化（典型的には硬化）させることによって、液晶層を備えた液晶表示パネルが得られる。この滴下法は、大型液晶表示パネルの製造においては非常に重要な技術となっている。

滴下法が有する問題の１つに、液晶層に気泡が発生するという問題がある。気泡の発生原因には、種々のものが知られており、例えば、特許文献２には液晶材料の供給量が不足するための気泡を低減する対策が開示されている。また、特許文献３には、カラーフィルタなどから発生するガス（カラーフィルタなど表面に吸着した水を含む）に起因する気泡を低減する方法が開示されている。さらに、特許文献４には、液晶材料の熱収縮による液晶層の厚さの変化にスペーサが追随しないことにより低温において発生する「低温気泡」を低減するための対策が開示されている。特許文献４に記載の液晶表示パネルは、高さが異なる２種類の柱状スペーサを設け、且つ、高い方の柱状スペーサの弾性変形範囲内で低い方の柱状スペーサにも外部荷重が掛かるように設定することによって、高い方のスペーサのみで温度変化に伴うセルギャップの収縮を吸収し、低温気泡の発生を低減する。
特公平８−２０６２７号公報 特開２００２−１０７７４０号公報 特開平１１−１７４４７７号公報 特開２００３−８４２８９号公報

しかしながら、本発明者が種々検討したところ、上記の特許文献に記載されていない要因でも、気泡が発生することがわかった。

滴下法では、一方の基板上のシール部で包囲された領域内に液晶材料を滴下した後、他方の基板を貼り合せる際に、液晶材料がのびる（あるいは、広がる）ことによって液晶セルの全体に液晶材料が行渡るのであるが、液晶材料がのび難い（広がり難い）と、局所的に液晶材料が不足する状態となり、その結果、気泡が発生する。この気泡はガスを含まないので、特に「真空気泡」と呼ばれることがある。真空気泡は、液晶材料ののび難さが原因であるので、スペーサ密度（配置密度：単位面積当りのスペーサの本数）が高くなると発生し易くなる。

一方、スペーサ密度が低くなり過ぎると、隣接スペーサ間の距離が長くなるので、注入法および滴下法における大気開放時の大気圧による液晶セルへの外圧によるスペーサの変形量およびスペーサ間のガラス基板のたわみ量が増大し、局所的にセルギャップが狭くなり、真空気泡が発生し易くなる。また、液晶表示パネルの大型化（すなわち画素サイズの大型化）に伴い隣接スペーサ間の距離が長くなるので、この問題は顕著になる。さらに、液晶表示パネルの額縁領域（表示領域の周辺領域であってシール部の内側の領域をいう。）においては、シール剤に混入された粒状スペーサと表示領域内のスペーサとの間の距離が大きいため、ガラス基板のたわみによりセルギャップが局所的に狭くなり、真空気泡が発生し易くなる。

ここでは、滴下法における問題を説明したが、注入法を用いる場合には、液晶材料の注入時間が長くなることによるスループットの低下を招く。

本発明は上記諸点に鑑みてなされたものであり、本発明の主な目的は、滴下法における真空気泡の発生や、注入法におけるプロセスの時間の増大を抑制することができる構造を備えたカラーフィルタ基板を提供することにある。

本発明のカラーフィルタ基板は、液晶表示パネルに用いられるカラーフィルタ基板であって、透明基板と、前記透明基板上に設けられた少なくとも３色の着色層と、表示領域内の画素周辺部に設けられたセルギャップを規定する第１柱状構造体と、前記表示領域内の画素周辺部または前記表示領域外に設けられた第２柱状構造体であって、前記第１柱状構造体よりも高さが小さく、前記第１柱状構造体との高さの違いが、前記第１柱状構造体の弾性変形範囲を超えていることを特徴とする。

ある実施形態において、前記表示領域内の画素周辺部および／または前記表示領域外の額縁領域にブラックマトリクスを有し、前記第１および第２柱状構造体は、前記ブラックマトリクス上に形成されている。

ある実施形態において、前記第１柱状構造体と前記第２柱状構造体との差は０．４μｍ以上である。

ある実施形態において、前記第１柱状構造体は複数の樹脂層を有し、前記第２柱状構造体は、前記第１柱状構造体の前記複数の樹脂層の内の少なくとも１つの樹脂層を有していない。

ある実施形態において、前記第１柱状構造体は複数の樹脂層を有し、前記第１柱状構造体と前記第２柱状構造体とは、共通の樹脂層を有し、前記共通の樹脂層は同じ厚さを有している。

ある実施形態において、前記複数の樹脂層は感光性樹脂層を含む。前記感光性樹脂層はポジ型であってもネガ型であってもよい。また、複数の樹脂層の一部がポジ型で、他をネガ型としてもよい。

ある実施形態において、前記複数の樹脂層は、前記少なくとも３色の着色層の内の少なくとも２層を含む。

ある実施形態において、画素領域内に配向制御用突起構造体をさらに有する。配向制御用突起構造体は、例えば、ＭＶＡ型液晶表示パネルのリブである。

ある実施形態において、前記配向制御用突起構造体は、前記第２柱状構造体と共通の層を有する。

ある実施形態において、前記表示領域内において、前記第２柱状構造体は行方向または列方向において互いに隣接する２つの前記第１柱状構造体間の距離を略２等分する位置に配置された第２柱状構造体を含む。

ある実施形態において、前記表示領域外にシール部を有し、前記第２柱状構造体は、前記表示領域の最も外側に配置された前記第１柱状構造体または前記第２柱状構造体と前記シール部との最短距離を略２等分する位置に配置された第２柱状構造体を含む。

ある実施形態において、垂直配向膜をさらに備える。

本発明の液晶表示パネルは、上記のいずれかのカラーフィルタ基板を備えることを特徴とする。前記液晶表示パネルは、滴下法で形成されても良いし、真空注入法で形成されてもよい。

本発明の液晶テレビは、上記液晶表示パネルを備えることを特徴とする。

本発明のカラーフィルタ基板は、表示領域内の画素周辺部に設けられたセルギャップを規定する第１柱状構造体と、第１柱状構造体よりも高さが小さく、第１柱状構造体との高さの違いが第１柱状構造体の弾性変形範囲を超えている第２柱状構造体を有しており、第２柱状構造体は表示領域内の画素周辺部または表示領域外に設けられている。第１柱状構造体は柱状スペーサとして機能し、第２柱状構造体は液晶材料ののび易さ（広がり易さ、流れ易さ）を改善するように作用する。その結果、本発明によると、滴下法における真空気泡の発生や、注入法におけるプロセスの時間の増大を抑制することができる。

本発明による実施形態の液晶表パネル１００の模式的な平面図である。 図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域内の断面構造の一例を示す模式図である。 図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域内の断面構造の他の例を示す模式図である。 図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域内の断面構造のさらに他の例を示す模式図である。 図１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域内の断面構造のさらに他の例を示す模式図である。 図１中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域外の断面構造の一例を示す模式図である。 図１中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域外の断面構造の他の例を示す模式図である。 図１中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域外の断面構造のさらに他の例を示す模式図である。 図１中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、液晶表示パネル１００の表示領域外の断面構造のさらに他の例を示す模式図である。 本発明による実施形態の他の液晶表パネルの模式的な平面図である。 柱状構造体の弾性変形範囲を説明するための圧縮荷重と圧縮歪量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０：透明基板
２０：カラーフィルタ基板
２１：カラーフィルタ層
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ：着色層
２１’：柱状構造体を構成する着色層
２２：配向制御突起構造（リブ）
３０：アクティブマトリクス基板
４０：液晶層
９０：ブラックマトリクス（黒色樹脂層）
１００：液晶表示装置
１０１：第１柱状構造体
１０３：対向電極（透明電極）
１０２：第２柱状構造体
１０２ａ：表示領域内に設けられた第２柱状構造体
１０２ｂ：表示領域外（額縁領域）に設けられた第２柱状構造体
１０４：配向膜
１０５：シール剤
１０６：シール剤に混入されたスペーサ（シールスペーサ）

本発明は、本発明者が液晶材料ののび易さについて鋭意検討した結果得られた新たな知見に基づいている。

従来、真空注入法や滴下注入法において液晶セルが大気開放された後、液晶材料をのび易くするためには、セルギャップを維持することが第一義的に重要であると考えられていた。そこで、スペーサの変形やガラス基板のたわみによってセルギャップが狭くなるのを防止するために、スペーサ密度を増大する、あるいは、スペーサの弾性率を高くするなどの方法がとられてきた。しかしながら、スペーサ密度を上昇するとむしろ上述したように真空気泡が発生し易くなる。

本発明者が種々実験を行った結果、柱状スペーサよりも低い（スペーサとして機能しない高さの）柱状構造体を設けると、液晶セルが大気開放されたときセルギャップが狭くなるにも拘らず、真空気泡の発生が抑制されるという現象が起こることを見出した。この理由は必ずしも明確ではないが、以下のように考察している。なお、本発明はこの考察によって限定されるものではない。

柱状構造体を覆うように配向膜を形成すると、柱状構造体の上面（および側面）に形成される配向膜は薄くなる。これは液状の配向膜材料を付与するためである。他の領域よりも薄いこの配向膜は、液晶材料に対する配向規制力が弱く、その結果、液晶分子の配向が一定しない状態で液晶材料がのびる（流動する）。特に、実験に用いた垂直配向膜と垂直配向用液晶材料の組み合わせにおいては、液晶材料がのびる方向（基板面内方向）に対して液晶分子が直交するように配向すると流動抵抗が高いのに対し、配向規制力の弱い柱状構造体の上部（または近傍）において液晶分子の配向が乱れることにより流動抵抗が低下したものと考えられる。

本発明の実施形態のカラーフィルタ基板は、表示領域内の画素周辺部に設けられたセルギャップを規定する第１柱状構造体と、第１柱状構造体よりも高さが小さく、第１柱状構造体との高さの違いが第１柱状構造体の弾性変形範囲を超えている第２柱状構造体を有しており、第２柱状構造体は表示領域内の画素周辺部または表示領域外に設けられている。第１柱状構造体は柱状スペーサとして機能し、第２柱状構造体は液晶材料ののび易さ（広がり易さ、流れ易さ）を改善する。従って、滴下法における真空気泡の発生や、注入法におけるプロセスの時間の増大を抑制することができる。

表示領域内に設けられた第２柱状構造体は、滴下法や真空注入法において大気開放され外力が液晶セルに負荷され、セルギャップが狭くなった場合においても、第２柱状構造体が設けられた基板（例えばカラーフィルタ基板）に対向する基板（例えばアクティブマトリクス基板）の表面に接触することは無く、その上に液晶材料が流れるスペースが形成される。表示領域外（額縁領域）に設けられた第２柱状構造体は、その配置密度によっては対向する基板と接触することがあるが、表示領域内の第２柱状構造体と同様に液晶材料ののび易さを改善する。好ましい実施形態においては、第２柱状構造体は、セルギャップを規定するスペーサ（第１柱状構造体およびシール剤に混入された粒状スペーサ）との間のセルギャップが最も狭くなる位置に配置され、その部分における液晶材料ののび易さを改善する。

以下では、本発明の効果が顕著に得られる垂直配向型の液晶表示パネルに適用する場合を例示するが、本発明はこれに限られず、ＩＰＳやＴＮなどの水平配向型液晶層を用いる液晶表示パネルにも適用できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態のカラーフィルタ基板およびそれを備える液晶表示パネルを説明する。

まず、図１および図２〜図５を参照しながら、液晶表示パネルの表示領域内の構成を説明する。

図１は、本発明による実施形態の液晶表示パネル１００の模式的な平面図ある。図２〜図５のそれぞれは、図１中のＡ−Ａ’線に沿った模式的な断面図であり、第１柱状構造体１０１および第２柱状構造体１０２の構成のバリエーションを示しており、平面配置はいずれも図１に示した通りである。

液晶表示パネル１００は、カラーフィルタ基板２０と、アクティブマトリクス基板３０と、カラーフィルタ基板２０とアクティブマトリクス基板３０との間に設けられた液晶層４０とを有している。液晶層４０は、シール剤１０５によって包囲された領域内に設けられており、垂直配向膜１０４に配向規制されており、電圧無印加時には垂直配向状態をとる。なお、アクティブマトリクス基板３０の液晶層４０側の表面に形成されている垂直配向膜およびその他の構成要素は簡単のために省略する。アクティブマトリクス基板３０は例えば公知の種々のＴＦＴ基板である。

カラーフィルタ基板２０は、透明基板（例えばガラス基板）１０と、その上に形成されたブラックマトリクス（ＢＭ膜または遮光膜ということもある。）９０、カラーフィルタ層２１と、第１柱状構造体１０１と、第２柱状構造体１０２と、対向電極（透明電極）１０３と、配向膜１０４とを有している。カラーフィルタ層２１は、少なくとも３色の着色層を含めばよく、ここでは、赤着色層２１Ｒ、緑着色層２１Ｇおよび青着色層２１Ｂを例示する。カラーフィルタ層２１は、典型的には着色樹脂層で形成される。ブラックマトリクス９０も着色樹脂層（すなわち黒色樹脂層）で形成しても良いし、あるいは金属層などで形成してもよい。カラーフィルタ基板２０は、画素領域内に配向制御用突起構造体２２を有しており、液晶表示パネル１００はＭＶＡ型の液晶表示パネルである。もちろん、必要が無ければ配向制御用突起構造体２２を省略できることは言うまでもない。

おな、ここでは、赤色、緑色、青色の各色を表示する最小単位を画素と呼び、３つの色画素から構成されるカラー表示の最小単位をカラー表示画素と呼ぶことにする。カラー表示画素は、３色以上の画素を含んでも良い。

スペーサとして機能する第１柱状構造体１０１は、表示領域内の画素周辺部に設けられており、額縁領域には設けられていない。これは、後述するように、表示品位の観点から、額縁領域の液晶層の厚さが表示領域内の液晶層の厚さよりも小さいことが好ましいためである。第１柱状構造体１０１は、一般に、約２μｍから約４μｍの範囲内の所定の高さを有している。

第１柱状構造体１０１よりも高さが低く、スペーサとして機能しない第２柱状構造体１０２は、表示領域内に配置されたもの１０２ａおよび表示領域外（額縁領域）に配置されたもの１０２ｂとを含んでいる。なお、いずれか一方だけでも液晶材料の流動性を改善する効果を得ることができる。第２柱状構造体１０２の高さは、第１柱状構造体１０１の高さよりも小さく、第１柱状構造体１０１との高さの違いが、第１柱状構造体１０１の弾性変形範囲を超えている。第１柱状構造体１０１の高さが約２μｍの場合、一般的に樹脂を用いると、弾性変形範囲（限界）は、約０．４μｍ未満である。後に示す例では、第１柱状構造体１０１の高さの弾性範囲が約０．２μｍから約０．３μｍであるのに対し、第２柱状構造体１０２の高さとの差を０．５μｍ以上に設定している。なお、第１柱状構造体１０１および第２柱状構造体１０２の「高さ」は、例示したようにいずれもがＢＭ膜９０上に形成される場合には、ＢＭ膜９０上の高さを指し、ＢＭ膜が省略される場合（アクティブマトリクス基板側の遮光構造を利用する場合）にはガラス基板１０上の高さを指す。

表示領域内における第１柱状構造体１０１および第２柱状構造体１０２ａの配置は、図１に示したように、第１柱状構造体１０１と第２柱状構造体１０２とを交互に千鳥に配置する。すなわち、第２柱状構造体１０２は行方向または列方向（画素のマトリクス配列によって規定される）において互いに隣接する２つの第１柱状構造体１０１間の距離を略２等分する位置に配置する。この位置のセルギャップが最も小さくなるからである。なお、第１柱状構造体１０１および第２柱状構造体１０２の配置はこれに限られない。

アクティブマトリクス基板３０は、例えば、以下の様にして製造することができる。

透明基板上に、走査信号用配線（ゲート配線）（図示せず）と補助容量配線（図示せず）を形成するためにスパッタリングによりＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ積層膜などの金属を成膜し、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成、塩素系ガスなどのエッチングガスを用いてドライエッチングし、レジストを剥離することで同時に形成する。その後、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などからなるゲート絶縁膜、アモルファスシリコン等からなる活性半導体層、リンなどをドープしたアモルファスシリコン等からなる低抵抗半導体層をＣＶＤにて成膜、その後、データ信号用配線（ソース配線）（図示せず）、ドレイン引き出し配線（図示せず）、補助容量形成用電極（図示せず）を形成するためにスパッタリングによりＡｌ／Ｔｉなどの金属を成膜し、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成、塩素系ガスなどのエッチングガスを用いてドライエッチングし、レジストを剥離することで同時に形成する。なお、補助容量は補助容量配線（図示せず）と補助容量形成電極（図示せず）の間に約４００ｎｍのゲート絶縁膜をはさんで形成されている。その後ソースドレイン分離のために低抵抗半導体層を塩素ガスなどを用いてドライエッチングしＴＦＴ素子（図示せず）を形成する。次にアクリル系感光性樹脂などからなる層間絶縁膜（図示せず）をスピンコートにより塗布し、ドレイン引出し配線（図示せず）と画素電極を電気的にコンタクトするためのコンタクトホール（図示せず）をフォトリソグラフィー法で形成する。層間絶縁膜（図示せず）は約３μｍである。さらに画素電極（図示せず）を形成するためにスパッタリングによりＩＴＯを成膜し、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成、塩化第二鉄などのエッチング液によりエッチングし、画素電極パターンを得る。以上によりアクティブマトリクス基板３０を得る。

カラーフィルタ基板２０は、例えば以下の様にして製造できる。

透明基板１０上にスピンコートによりカーボンの微粒子を分散したネガ型のアクリル系感光性樹脂液を塗布した後、乾燥を行い、黒色感光性樹脂層を形成する。続いてフォトマスクを介して黒色感光性樹脂層を露光した後、現像を行って、ブラックマトリクス層（ＢＭ）９０を形成する。このとき第１着色層（例えば赤着色層）、第２着色層（例えば緑着色層）、および第３着色層（例えば青着色層）が形成される領域に、それぞれ第１着色層用の開口部、第２着色層用の開口部、第３着色層用の開口部（それぞれの開口部は各画素電極に対応）が形成される。次に、スピンコートにより顔料を分散したネガ型のアクリル系感光性樹脂液を塗布した後、乾燥を行い、フォトマスクを用いて露光および現像を行い赤着色層を形成する。

その後、第２着色層用（例えば緑着色層）、および第３着色層用（例えば青着色層）についても同様に形成し、カラーフィルタ層２１が完成する。

以下、図２〜図５の断面図を参照しながら、第１柱状構造体１０１および第２柱状構造体１０２の構造および配置を説明する。

まず、図２を参照する。

カラーフィルタ層２１を形成したのち、ＩＴＯなどからなる対向電極１０３をスパッタリングにより形成する。

その後スピンコートによりネガ型のアクリル系の感光性樹脂を塗布した後、乾燥を行い、フォトマスクを用いて露光および現像を行い、表示領域についてはセルギャップを規定する第１柱状構造体１０１を形成する。

その後同様の方法で塗布膜を薄く塗布を行い、第１柱状構造体１０１よりも高さが低くかつセルギャップの形成に寄与しない第２柱状構造体１０２を形成する。

第２柱状構造体１０２の配置については、注入法、滴下法よる真空引き後の大気開放による外圧による第１柱状構造体１０１の変形とガラス基板のたわみによりセルギャップのもっとも狭くなる位置に配置を行う。

具体的な配置として、第１柱状構造体１０１の配置は柱の大きさ（直径）がφ１８μｍ時においては、図１に示すように第１柱状構造体１０１を定ピッチ（例えば７８７μｍ）で規則的にスペーサの配置を行う。第２柱状構造体１０２においては第１柱状構造体１０１に対して、第１柱状構造体１０１の変形とガラス基板のたわみによりセルギャップがもっとも狭くなる点について配置を行う。具体的には図１に示すように第１柱状構造体１０１を頂点とする四角形の中心に配置する。なお、図１０に示すように第１柱状構造体１０１の配置が規則的でない場合、第１柱状構造体１０１の変形とガラス基板のたわみによりセルギャップがもっとも狭くなる位置に配置することでもっとも効果が得られるが、配向乱れや開口率の低下が予想される為、セルギャップのもっとも狭くなる領域の近傍のブラックマトリクス上（画素周辺部）に配置することが好ましい。

その後、ポジ型のフェノールノボラック系感光性樹脂液を塗布した後、乾燥を行い、フォトマスクを用いた露光および現像を行い垂直配向制御用突起２２を形成する。第１柱状構造体１０１、第２柱状構造体１０２についてはポジ型、配向制御突起構造体２２についてはネガ型の材料を使用しても良い。また、すべて同一の材料を使用することが出来、また第１柱状構造体１０１に対して第２柱状構造体１０２の高さ、配向制御突起構造体２２は露光量を変化させることで同時形成を実施することも出来る。

なお、本実施形態ではＢＭ膜厚を１．６μｍ、第１〜第３の着色層のそれぞれの膜厚を１．８μｍ、第１柱状構造体１０１の下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、第１柱状構造体１０１の高さを２．３μｍ、第２柱状構造体１０２の高さを１．８μｍ、配向制御突起構造体２２の高さを１．７μｍとした。この場合の第１柱状構造体１０１の高さと第２柱状構造体１０２の高さの差は０．５μｍである。

また本実施形態を第１柱状構造体１０１、第２柱状構造体１０２、配向制御突起構造体２２を露光量もしくはマスク開口サイズによる露光量を変更することで、１回の成膜、露光、現像プロセスで同時形成を行ってもかまわない。

次に、図３を参照する。

図３に示す実施形態の液晶表示パネルのように、第１柱状構造体１０１と第２柱状構造体１０２を形成する際にネガ型レジストまたはポジ型レジストにて形成する第１柱状構造体１０１、第２柱状構造体１０２および配向制御突起２２のうち、第１柱状構造体１０１の下層部に３色積層（たとえば赤着色層と緑着色層と青着色層）、第２柱状構造体１０２の下層部に２着色層（たとえば緑着色層と青着色層）の着色層を配置させ、高さの違う第１柱状構造体１０１と第２柱状構造体１０２と配向制御突起構造体２２を同時に形成することも出来る。

なお本実施形態ではＢＭ膜厚１．６μｍ、第１〜第３の着色層膜厚を１．８μｍ、第１柱状構造体１０１の下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、１．１μｍ、０．７５μｍの順で形成し、スペーサ形成材料の膜厚０．４５μｍとした。第２柱状構造体１０２については下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、１．１μｍとし、スペーサ形成材料の膜厚を０．７μｍ、配向制御突起構造体２２を１．７μｍとした。この場合の第１柱状構造体１０１の高さと第２柱状構造体１０２の高さの差は０．５μｍである。

また本実施形態において第１柱状構造体１０１の下層部を２層、第２柱状構造体１０２を１層もしくは第１柱状構造体１０１の下層部を１層、第２柱状構造体１０２の下層部には積層なしの構造により、第１柱状構造体１０１に対して第１柱状構造体１０１よりも高さの低い第２柱状構造体１０２の形成を行ってもかまわない。

このように、第１柱状構造体１０１を複数の樹脂層で構成し、第２柱状構造体１０２を第１柱状構造体１０１を構成する複数の樹脂層の内の少なくとも１つの樹脂層を省略することによって、簡単なプロセスで第１柱状構造体１０１と第２柱状構造体１０２との高さの違い得ることができる。第１柱状構造体１０１と第２柱状構造体１０２とが、共通の樹脂層を有し、共通の樹脂層が同じ厚さを有する構成を採用すると、プロセスをさらに簡略化できる。例えば、上述した特許文献４に記載の方法では、着色層の厚さを変化させることによって、２つの柱状スペーサの高さの差を所定の範囲内（高い方のスペーサの弾性変形範囲内）としているが、製造プロセスが複雑となる上、高さの制御が難しい。さらに、着色層の厚さを変えると、表示の際の色づきが発生することがあるが、同じ厚さの着色層を用いればこのような問題の発生も無い。

また、本発明者の検討によると、このようなカラーフィルタ層を構成する着色層を積層する構成を採用する場合、個々の第１柱状構造体１０１のサイズ（基板面に平行な断面の面積）を比較的大きくする必要があり、適度なパネル弾性を確保する為には、スペーサ（第１柱状構造体）の本数を少なくする必要ある。またネガ型感光性樹脂を使用する場合、一般的に柱状構造体自身の弾性率が高いため、設置本数を少なくする必要がある。このような場合には、ガラス基板のたわみ量が多くなるが、本発明に従って第２柱状構造体を配置することによって、液晶材料ののび易さが改善され、真空気泡の発生を抑制することができる。従って、本発明は、着色層を重ね合わせて第１柱状構造体１０１を形成する構成において特に有利である。

次に、図４を参照する。

図４に示す実施形態の液晶表示パネルのように、第１柱状構造体１０１は着色層の３色積層（たとえば赤着色層と緑着色層と青着色層）、第２柱状構造体１０２は２着色層（たとえば緑着色層と青着色層）のみで形成し、配向制御突起構造体２２のみを別形成することも可能である。

なお、本実施形態ではＢＭ膜厚を１．６μｍ、第１〜第３の着色層膜厚を１．７μｍ、第１柱状構造体１０１の下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、１．１μｍ、０．７５μｍの順で形成した。第２柱状構造体１０２については下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、１．１μｍとし、配向制御突起構造体２２を１．７μｍとした。この場合の第１柱状構造体１０１の高さと第２柱状構造体１０２の高さの差は０．７５μｍである。

また本実施形態において第１柱状構造体１０１を着色層の２色積層、第２柱状構造体１０２を１色の構造にすることにより、第１柱状構造体１０１に対して第１柱状構造体１０１よりも高さの低い第２柱状構造体１０２の形成を行ってもかまわない。

次に、図５を参照する。

図５に示す実施形態の液晶表示パネルのように、第１柱状構造体１０１は着色層の３色積層（たとえば赤着色層と緑着色層と青着色層）、第２柱状構造体１０２は２着色層（たとえば緑着色層と青着色層）２１’のみで形成し、配向制御突起構造体２２もまた着色層による３色積層構造により形成することも可能である。

なお、本実施形態ではＢＭ膜厚を１．６μｍ、第１〜第３の着色層の膜厚を１．７μｍ、第１柱状構造体１０１の下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、１．１μｍ、０．７５μｍの順で形成した。第２柱状構造体１０２については下層部の着色層２１’の膜厚を１．７μｍ、１．１μｍとし、配向制御突起構造体２２を１．７μｍとした。この場合の第１柱状構造体１０１の高さと第２柱状構造体１０２の高さの差は０．７５μｍである。

また本実施形態において、第１柱状構造体１０１を着色層の２色積層、第２柱状構造体１０２を１層、構造にすることにより、第１柱状構造体１０１に対して第１柱状構造体１０１よりも高さの低い第２柱状構造体１０２の形成を行ってもかまわない。

上記の実施形態では樹脂からなるＢＭの場合を示したが、金属からなるＢＭでも実施することができる。また、スピンコート法で着色層を形成した例を示したが、ダイコート法やドライフィルムラミネート方式により実施することもできる。

上記の実施形態では、第１柱状構造体１０１と第２柱状構造体１０２の高さの差はそれぞれ０．５μｍ、０．５μｍ、０．７５μｍ、０．７５μｍであり、注入法、滴下法における大気圧による外圧における第１柱状構造体１０１の変形量とガラス基板のたわみ量では第２柱状構造体１０２は接触しない高さである。また、第１柱状構造体１０１の弾性変形範囲は約０．２μｍから約０．３μｍの範囲内にある。なお、弾性変形範囲（限界）は、例えば微小硬度計（島津製作所製 ＤＵＨ−２０１）によって測定することができる。柱状構造体に印加する圧縮荷重を増大させたときに「座屈」が起こる最小の圧縮歪量として求められる。

例えば、樹脂からなる着色層と感光性樹脂層との積層構造を有する柱状構造体（１本）について微小硬度計を用いて測定した圧縮荷重と圧縮歪量との関係を示すグラフを図１１に示す。図１１には、圧縮荷重に対して圧縮歪量の変化率（曲線の傾き）が不連続に変化する点（これを「座屈ポイント」と呼ぶ。）が２つ現れている。ＳＥＭ観察によると、圧縮歪量が小さい方の点（座屈ポイント１）では、下地層の着色層が破壊され上層の感光性樹脂層が着色層にめり込むという現象がおきており、圧縮歪量が小さい方の点（座屈ポイント１）では、上層の感光性樹脂層の破壊が起きている。ここで例示した、柱状構造体の弾性変形範囲は、圧縮歪量が小さい方の点（座屈ポイント１）における圧縮歪量である。なお、樹脂からなるＢＭ膜上に柱状構造体を形成した場合には、柱状構造体自身の座屈が起こる前に、ＢＭ膜の座屈（破壊）が起こることがある。このような場合には、柱状構造体の弾性変形範囲として、ＢＭ膜と柱状構造体との積層構造体の弾性変形範囲を用いればよい。

次に、図６〜図９を参照しながら、図１に示した液晶表示パネル１００の額縁領域の構成を説明する。図６〜図９のそれぞれは、図１中のＢ−Ｂ’線に沿った模式的な断面図であり、第２柱状構造体１０２ｂの構成のバリエーションを示しており、平面配置はいずれも図１に示した通りである。また、図６〜図９の対応する表示領域内の構成は、それぞれ図２〜図５に対応し、第２柱状構造体１０２ｂは、それぞれ対応する第２柱状構造体１０２ａと同じ断面構造を有している。但し、第２柱状構造体１０２ｂは表示領域内に形成される第２柱状構造体１０２ａよりも大きい（基板法線方向から見たときのサイズ）ことが好ましい。表示領域内では第２柱状構造体１０２ａを画素周辺部に設けるために、そのサイズが制約され、製造プロセスが煩雑になることがあるが、表示領域外にはそのような制約が無いため十分な大きさにできる。例えば、表示領域内では第２柱状構造体１０２ａを１５μｍφとする場合でも、表示領域外の第２柱状構造体１０２ｂを３０μｍφ以上とすることができる。

額縁領域にも第２柱状構造体１０２ｂを設けることによって、液晶材料ののび易さを改善することができるのは、上述の通りである。

第２柱状構造体１０２ｂは、表示領域の最も外側に配置された第１柱状構造体１０１または第２柱状構造体１０２ａとシール部との最短距離を略２等分する位置に配置する。この位置でセルギャップが最も狭くなるからである。この位置に第２柱状構造体１０２ｂを配置しても十分な効果が得られない場合、設けた第２柱状構造体１０２ｂとシール部との最短距離を略２等分する位置と、設けた第２柱状構造体１０２ｂと表示領域の最も外側に配置された第１柱状構造体１０１または第２柱状構造体１０２ａとの最短距離を略２等分する位置とにさらに２本の第２柱状構造体１０２ｂを配置する。これでも十分でない場合には、さらにそれぞれを略２等分する位置に４本の第２柱状構造体１０２ｂを配置する。

例えば、シール部１０５の幅が１．６ｍｍ、シールスペーサ１０６の直径が５．４μｍ、額縁部の幅が３．３９ｍｍである場合、シール部１０５と表示領域間でガラス基板のたわみによりセルギャップが最も狭くなる点に第２柱状構造体１０２ｂを配置する。具体的には、セルギャップが最も狭くなる点は、ガラス基板のたわみが最大となる点であり、シールスペーサ１０６で支えられている部分と、表示領域の第１柱状構造体１０１で支えられている部分との中心点になる。次に上記配置をおこなった第２柱状構造体１０２とシールスペーサでささえられている部分の中心点および表示領域の第１柱状構造体１０１で支えられている部分の中心点に第２柱状構造体１０２を配置する。この配置間隔はシール剤に対する直交する方向への配置であるが、シール剤に平行の方向には、直交方向の配置の間隔と同ピッチに配置を行えばよい（図１参照）。

なお、額縁領域にはセルギャップを規定する第１柱状構造体１０１を配置しないことが好ましい。

額縁領域においては、柱状構造体１０１の下地となるブラックマトリクス９０は比較的広いので、その上に付与した樹脂材料（液体、溶液または溶融した状態）が流れることによる薄膜化（平坦化）が起こらない。従って、額縁領域に柱状構造体１０１を形成すると、下地膜の影響で薄膜化が起こる表示領域内よりも、柱状構造体１０１の高さが０．１μｍ〜０．２μｍ程度高くなる。額縁領域のセルギャップが表示領域内のセルギャップと比較して、相対的に高くなると、表示品位が低下する。特に、垂直配向（ＶＡ）方式の場合は、周辺部のセルギャップが高くなることで、黒表示における白浮きが顕著化し品位悪化につながる為、パネル周辺部のセルギャップは表示領域に対して低めに設計することが望ましい。上記の実施形態では、額縁領域に第１柱状構造体１０１を設けず、セルギャップに寄与しない第２柱状構造体１０２だけを配置することによって、セルギャップが高くなることによる表示品位悪化を防止するとともに、真空注入法による注入時間の延長および滴下法における真空気泡の発生を防止することができる。

なお、額縁領域における真空気泡は初期状態では表示品位上問題はないが、長時間の使用で画面内に移動することで不良となる為対策する必要がある。額縁領域は配向膜を塗布しないことで界面抵抗が少なくなり、液晶材料をのび易くすることも可能であるが、表示領域内には安定した膜厚で配向膜を設ける必要があり、また位置ずれについても考慮する必要がある為、１０００μｍ程度額縁領域にも配向膜を設けることが好ましい。

上記のカラーフィルタ基板とアクティブマトリクス基板とを用いて、液晶表示パネルを例えば以下の様にして製造する。

アクティブマトリクス基板とカラーフィルタ基板に対して滴下法の場合は、配向膜塗布前に脱ガス処理として、２１０℃、６０分の焼成を行い、その後、基板洗浄を行う。配向膜塗布を例えば膜厚を０．０６μｍで行う。配向膜塗布後には配向膜焼成として２００℃、４０分の焼成を行う。次に配向膜塗布後洗浄を行った後、脱ガス処理としてさらに２００℃、５０分の焼成を行う。この工程により、この脱ガス処理を行うことで吸着水分などによる気泡発生を防止している。

次にＴＮ方式の場合はラビング処理を行う。条件は毛あたり０．６ｍｍ、ローラー回転数６００ｒｐｍ、ステージ速度６０ｍｍ／秒である。次にアクティブマトリクス基板側の周囲にＵＶ硬化型シール樹脂を塗布し、カラーフィルタ基板に導電性ビーズを含有した上下導通材を塗布後、滴下法により液晶の滴下を行う。

液晶表示パネルとしては、２２型ＷＶＧＡ（Ｗｉｄｅ Ｖｉｄｅｏ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｌｌａｙ）のものを用い、液晶滴下法により液晶によってセルギャップを３．７μｍとなるよう最適な液晶量を滴下する。具体的には、１滴量の条件は１．６５ｍｇとし、総滴下点数は２７６点、総液晶滴下量は４５５ｍｇとしシールの内側部分に規則的に滴下を行う。さらに、上記のようにシール描画および液晶滴下を行ったカラーフィルタ基板とアクティブマトリクス基板を貼合せ、装置内の雰囲気を１Ｐａまで減圧を行い、この減圧下において基板の貼合せを行った後、雰囲気を大気圧にしてシール部分が押しつぶされ、所望のシール部のギャップが得られる。

次にシール部分の所望のセルギャップを得た構造体について、ＵＶ硬化装置にてＵＶ照射を行いシール樹脂の仮硬化を行う。ＵＶの硬化条件は２０００ｍＪ／ｃｍ²である。さらにシール樹脂の最終硬化を行う為、１３０℃７０分でのベークを行う。この時点でシール樹脂の内側に液晶が行き渡り液晶がセル内に充填された状態に至る。ベーク完了後に構造体を液晶表示パネル単位に分断を行うことで液晶表示パネルが完成する。

注入法の場合は上記により形成されたアクティブマトリクス基板とカラーフィルタ基板に対して、基板洗浄を行い、配向膜塗布を膜厚０．０６μｍで行う。配向膜塗布後には配向膜焼成として２００℃４０分の焼成を行った後、配向膜塗布後洗浄を行う。次にカラーフィルタ基板側の周囲に熱硬化型シール樹脂を塗布し、９０℃で８００秒のプリベークを行う。アクティブマトリクス基板にカーボンペーストを含有した導電性ペーストを塗布し、基板の貼合せを行った後、１２０℃−２４０秒の熱プレスにてシール部のギャップ出しを行い１６０℃−２４０秒の熱プレスにてシールの仮硬化を行う。圧力は０．１６Ｎ・ｍである。この時点で所望のシール部のギャップが得られる。その後シール樹脂の最終硬化を行う為、１６０℃−６０分でベークを行う。次にベーク完了後に構造体を液晶表示パネル単位に分断を行う。分断を行った後、６０℃、１Ｐａで２時間の脱ガス処理を行う。

脱ガス処理を完了したパネルを次に真空チャンバー内で１Ｐａまでの真空引きを行い２４０分放置後、液晶材料への接液を行う。接液を行った後、真空チャンバーにＮ₂ガスを徐々にリークさせ、真空チャンバー内の圧力を大気圧まで戻す。その後１０時間の放置により所望の液晶量がパネル内に充填される。所望の液晶量が充填されたパネルについて注入孔にＵＶ硬化型のエンドシール樹脂の塗布を行い、樹脂をパネル内に５００μｍ程度浸透させたのち５０００ｍＪ／ｃｍ²のＵＶ照射を行い硬化させることで液晶表示パネルが完成する。

この液晶表示パネルに対して、必要に応じて駆動回路などを接続することによって、液晶表示装置を得ることができる。

以上のように形成された液晶表示装置は、滴下された液晶材料がセル内に十分行き渡り、残留気泡が発生せず、かつ配向異常による表示品位の低下も見られず、良好な表示品位を得ることができる。

上記カラーフィルタ基板を用い、セルギャップを規定する第１柱状構造体１０１に対してセルギャップの最も狭くなる位置にセルギャップの形成には寄与しない第２柱状構造体１０２を配置することで、第２柱状構造体１０２は液晶注入時の配向膜の界面抵抗を小さくすることが出来、注入法での注入時間の延長による処理能力の低下、滴下法における液晶材料ののび不足による真空気泡の発生を抑制することができる。

本発明によると、注入法より製造される液晶表示装置の注入時間の延長を抑えることで処理能力の低下することを防止でき、また滴下法における液晶のび不足による真空気泡の発生を抑え、良好な表示品位の液晶表示装置を得ることができる。

Claims (14)

1. 液晶表示パネルに用いられるカラーフィルタ基板であって、
   透明基板と、
   前記透明基板上に設けられた少なくとも３色の着色層と、
   表示領域内の画素周辺部に設けられたセルギャップを規定する第１柱状構造体と、
   前記表示領域内の画素周辺部または前記表示領域外に設けられた第２柱状構造体であって、前記第１柱状構造体よりも高さが小さく、前記第１柱状構造体との高さの違いが、前記第１柱状構造体の弾性変形範囲を超えている、カラーフィルタ基板。
2. 前記表示領域内の画素周辺部および／または前記表示領域外の額縁領域にブラックマトリクスを有し、前記第１および第２柱状構造体は、前記ブラックマトリクス上に形成されている、請求項１に記載のカラーフィルタ基板。
3. 前記第１柱状構造体と前記第２柱状構造体との差は０．４μｍ以上である、請求項１または２に記載のカラーフィルタ基板。
4. 前記第１柱状構造体は複数の樹脂層を有し、前記第２柱状構造体は前記第１柱状構造体の前記複数の樹脂層の内の少なくとも１つの樹脂層を有していない、請求項１から３のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
5. 前記第１柱状構造体は複数の樹脂層を有し、前記第１柱状構造体と前記第２柱状構造体とは、共通の樹脂層を有し、前記共通の樹脂層は同じ厚さを有している、請求項１から４のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
6. 前記複数の樹脂層は感光性樹脂層を含む、請求項４または５に記載のカラーフィルタ基板。
7. 前記複数の樹脂層は、前記少なくとも３色の着色層の内の少なくとも２層を含む、請求項４または５に記載のカラーフィルタ基板。
8. 画素領域内に配向制御用突起構造体をさらに有する、請求項１から７のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
9. 前記配向制御用突起構造体は、前記第２柱状構造体と共通の層を有する、請求項８に記載のカラーフィルタ基板。
10. 前記表示領域内において、前記第２柱状構造体は行方向または列方向において互いに隣接する２つの前記第１柱状構造体間の距離を略２等分する位置に配置された第２柱状構造体を含む、請求項１から９のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
11. 前記表示領域外にシール部を有し、前記第２柱状構造体は、前記表示領域の最も外側に配置された前記第１柱状構造体または前記第２柱状構造体と前記シール部との最短距離を略２等分する位置に配置された第２柱状構造体を含む、請求項１から１０のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
12. 垂直配向膜をさらに備える請求項１から１１のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載のカラーフィルタ基板を備える液晶表示パネル。
14. 請求項１３に記載の液晶表示パネルを備える液晶テレビ。

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