JP4479704B2 - 液晶表示装置用カラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置用カラーフィルターに係り、特に、優れた表示特性を示す液晶表示装置の実現を可能とするカラーフィルターに関する。

カラーフィルターは、ガラス基板上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色微細パターンからなる画素を設けたものであり、一般に、コントラスト向上のため、ブラックマトリックスと呼ばれる遮光層を設けているものが多い。

ブラックマトリックスの材質としては、薄膜化が可能であり、かつ高い遮光性を有する金属クロム系が広く用いられてきたが、近年、環境問題やコストの点で樹脂への置き換えが進んでいる。樹脂からなるブラックマトリックスは、金属クロムからなるブラックマトリックスと比較し、遮光性が低いため、膜厚を大きくする必要がある。

しかし、ブラックマトリックスの膜厚を大きくすると、色画素とブラックマトリックスとが重なる部分の盛り上がりが大きくなってしまう。色画素と樹脂ＢＭの重なる部分の盛り上がりが大きいと、このようなブラックマトリックスを備えるカラーフィルターを用いて液晶表示装置を組み立てた場合、液晶分子の配向不良が生じ、ディスクリネーションやちらつき等の表示不良や、画素の額縁付近での光漏れ要因によるコントラストの低下などの不具合が生じてしまう。

そのため、一般には色画素および樹脂からなるブラックマトリックス上にオーバーコート層を設けることによって表面平滑性を図り、上記不具合の対策を行っていた。

しかし、オーバーコート層を設けることにより製造コストが高くなるという問題があり、オーバーコート層を設けることなく上記問題を解決することが求められている。

また、樹脂からなるブラックマトリックスの端部を薄くすることにより、色画素との重なり部の突出を防止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ブラックマトリックスの端部の角度を１０°以下とし、突出部の高さを１．９μｍ以下とすることにより液晶配向の異常の防止を図ることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、いずれの方法によっても、上記問題を確実に解決することは困難である。
特開平９−１８９８９９号公報 特開２００２−３５７８２８号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされ、オーバーコート層を設けることなく、ディスクリネーションやちらつきなどの表示不良、及び額縁付近の光漏れによるコントラストの低下が生じない、優れた表示特性を示す液晶表示装置の実現を可能とする液晶表示装置用カラーフィルターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、透明基板と、この透明基板上に形成された樹脂からなる遮光層と、この遮光層により区分された領域に形成された複数色の着色層とを具備するカラーフィルターにおいて、前記遮光層のフリンジ部分の断面は、順テーパー状の連続する輪郭曲線を有し、前記着色層のフリンジ部分は、前記遮光層のフリンジ部分上に重なっており、前記遮光層と着色層のフリンジ部分の重なり幅ｄが下記式を満足することを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルターを提供する。

（１/３）ｈcotθ≦ｄ≦２ｈcotθ
（式中、ｈは遮光層の膜厚であり、θは、遮光層の断面において、フリンジ部分の輪郭曲線が透明基板面と接する点と該曲線上の最大膜厚となる点を結ぶ直線と、透明基板面とがなすテーパー角度である。）
この場合、上記テーパー角度θが４５°以下であることが望ましい。また、遮光層上の着色層の盛り上がり部の高さが０．５μｍ以下であり、該盛り上がり部の着色層側の傾斜面の傾斜角度Φが２０°以下であることが望ましい。

更に、遮光層は、３．０／μｍ以上の光学濃度を有し、その膜厚ｈが１．０μｍ以上であることが望ましい。

また、上記したような液晶表示装置用カラーフィルターのいずれかを用いた液晶表示装置も本発明により提案される。

本発明の一態様に係る液晶表示装置用カラーフィルターは、透明樹脂からなるオーバーコート層を設けない構成とすることができる。

本発明によると、オーバーコート層を設けることなく、ディスクリネーションやちらつき等の表示不具合が発生せず、また、額縁付近の光漏れによるコントラスト低下が生じない安価な液晶表示装置用カラーフィルターを提供することが可能である。

以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明者らは、液晶表示装置のカラーフィルタにおける、遮光膜としての樹脂からなるブラックマトリックス（以下、樹脂ＢＭと略す。）と色画素（着色層）との重なりにより生じる問題を解決するため、以下に説明するように、様々な検討を行った。

通常、透明基板１上に形成された樹脂ＢＭ２の左右のフリンジ部分は、図１（ａ）に示すように順テーパー状であり、膜厚が薄くなっている。なお、ｈは樹脂ＢＭ２の膜厚であり、テーパ角度θは、フリンジ部分の輪郭曲線が透明基板３と接する点Ａと該曲線上の最大膜厚となる点Ｂを結ぶ直線と、透明基板３の面とがなす角度である。このような樹脂ＢＭ２により区分された領域に色画素（着色層）３を形成すると、図１（ｂ）に示すように、それらの隣接する端部において、色画素３は樹脂ＢＭ２の端部上に、重なり幅ｄをもって重なる。

本発明者らは、液晶表示装置のカラーフィルタにおける、樹脂ＢＭ２と色画素３との重なりにより生じる問題を解決するため、図１（ｃ）に示すように、樹脂ＢＭ２上の色画素３の表面からの盛り上がり高さＨと、図１（ｄ）に示すように、色画素３の盛り上がり部の色画素側からの盛り上がり傾斜角度Φに着目し、これらパラメーターと液晶表示装置の表示不良との関係について詳細に検討した。その結果を下記表１に示す。なお、液晶表示装置の表示不良とは、液晶の配向不良によるディスクリネーションやちらつきなどの表示不良、及び画素周辺部の光漏れによるコントラストの低下である。

上記表１から、樹脂ＢＭ２上の色画素３の盛り上がり高さＨが０．５μｍより大きく、かつ色画素の盛り上がり部の色画素側の盛り上がり角度Φが２０°を超える場合に、液晶表示装置の表示不良が生じることがわかる。即ち、液晶表示装置の表示不良を防止するためには、樹脂ＢＭ２上の色画素３の盛り上がり高さＨを０．５μｍ以下とし、色画素３の盛り上がり部の色画素側の盛り上がり角度Φを２０°以下とすればよい。

本発明者らは、更に詳細に検討を重ねた結果、次のような知見を得た。即ち、図１（ａ）に示すように、樹脂ＢＭ２のフリンジ部は膜厚が薄いため、図１（ｂ）に示すように、このフリンジ部の範囲内で色画素と重なるようにすれば、重なり部における色画素の盛り上がり高さＨを低くすることができる。この場合、色画素と樹脂ＢＭとが、フリンジ部の範囲を大きく超えて重なる場合には、重なり部における色画素の盛り上がり高さＨが大きくなり、表示不良が生じてしまう。一方、色画素と樹脂ＢＭとを、フリンジ部の極く狭い範囲で重ねようとすると、誤差やズレにより色画素と樹脂ＢＭとが重ならない場合が生じ、光漏れによりコントラストが低下してしまう。

したがって、理想的には、図２（ａ）に示すように、樹脂ＢＭのフリンジ部全体において色画素と樹脂ＢＭとが重なればよい。この場合、樹脂ＢＭ２と画素３との重なり幅ｄ、樹脂ＢＭ２のフリンジ部のテーパ角θ、及び樹脂ＢＭ２の膜厚ｈとは、下記の関係となる。

ｄ＝ｈｃｏｔθ
重なり幅ｄは、上記式を中心として、所定の許容範囲を設定することができる。

即ち、ｄの許容範囲の下限を、図２（ｂ）に示すように、ｄ＝（１／３）ｈｃｏｔθとし、上限を、図２（ｃ）に示すように、ｄ＝２ｈｃｏｔθとすることができる。ｄの許容範囲の下限をｄ＝（１／３）ｈｃｏｔθとしたのは、フリンジ部全体において色画素と樹脂ＢＭとが重なる幅ｄ＝ｈｃｏｔθの１／３程度であれば、ズレが生じたとしても、色画素と樹脂ＢＭとが重ならない場合が生じることはないからである。

一方、ｄの許容範囲の上限をｄ＝２ｈｃｏｔθとしたのは、以下の理由による。図３は、樹脂ＢＭの膜厚ｈ＝１．２μｍ、樹脂ＢＭのテーパ角θ＝２０°である場合の重なり幅ｄと色画素の盛り上がり高さＨとの関係を示す。図３のグラフから、重なり幅ｄが２ｈcotθを超えた近傍に、画素盛り上がり高さＨの増加曲線の変曲点があることがわかる。即ち、重なり幅ｄが２ｈcotθを超えると色画素の盛り上がり高さＨが急激に増加するので、重なり幅ｄを２ｈcotθ以下としたのである。

従って、重なり幅ｄは、下記の式を満たせばよいことがわかる。

（１／３）ｈｃｏｔθ≦ｄ≦２ｈｃｏｔθ
上記式を満たすことにより、色画素のフリンジ部と樹脂ＢＭのフリンジ部とを重ねることが可能となり、色画素の盛り上がり高さＨを低減することができる。

また、本発明者による検討の結果、樹脂ＢＭのテーパー角θを小さくすることにより、画素盛り上がり角度Φを低減することができることがわかった。樹脂ＢＭのテーパー角度θは４５°以下、好ましくは２０°以下とすることにより、画素盛り上がり角度Φが２０°以下となり、表示不良が発生しない液晶表示装置を得ることができる。さらに、樹脂ＢＭには、コントラストアップのため光遮光性を有する必要があり、十分な光遮光効果を発揮するには、光学濃度（ＯＤ値）を３．０／μｍ以上とし、かつ膜厚ｈを１．０μｍ以上とすることが望ましい。

更に、本発明者は、テーパー角度θを種々変えて、重なり幅ｄと画素盛り上がり高さＨとの関係を検討した結果、図４に示す結果を得た。図４に示す結果から、画素盛り上がり高さＨが一定の場合に、テーパー角度θが小さいほど、重なり幅ｄを大きくとれることがわかる。図４において、斜線の領域は、好ましい使用範囲を示す。

以下に本発明の実施例と比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。

色画素用レジストおよび樹脂ＢＭ用レジストを以下の組成により調製した。なお、「部」はいずれも「重量部」である。

＜レッドレジスト処方＞
ＰＲ．２５４ ５ 部
ＰＲ．１７７ ０．５部
分散剤 ０．１部
アクリル樹脂 ５．４部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート ２．０部
開始剤 １．０部
シクロヘキサノン ６６ 部
エチルエトキシプロピオネート ２０ 部
合計 １００部
＜グリーンレジスト処方＞
ＰＧ．３６ ６．０部
ＰＹ．１５０ １．０部
分散剤 ０．１部
アクリル樹脂 ４．９部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート １．０部
開始剤 １．０部
シクロヘキサノン ６６ 部
エチルエトキシプロピオネート ２０ 部
合計 １００部
＜ブルーレジスト処方＞
ＰＢ．１５：６ ３．０部
分散剤 ０．１部
アクリル樹脂 ４．９部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート ４．０部
開始剤 １．５部
増感剤 ０．５部
シクロヘキサノン ６６ 部
エチルエトキシプロピオネート ２０ 部
合計 １００部
＜樹脂ＢＭ−Ａレジスト処方＞
カーボンブラック ５．０部
分散剤 ０．３部
アクリル樹脂 ６．７部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート ２．５部
開始剤 ０．５部
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート ８５ 部
合計 １００部
＜樹脂ＢＭ−Ｂレジスト処方＞
カーボンブラック ５．０部
分散剤 ０．５部
アクリル樹脂 ５．３部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート ２．８部
開始剤 ０．７部
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート ８５ 部
合計 １００部
＜樹脂ＢＭ−Ｃレジスト処方＞
カーボンブラック ５．０部
分散剤 １．０部
フルオレン骨格エポキシアクリレート ４．９部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート ３．０部
開始剤 １．０部
添加剤 ０．１部
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート ８５ 部
合計 １００部
実施例１
透明基板上に樹脂ＢＭ−Ａレジストを厚さ１．２μｍでコートし、これをフォトリソグラフィープロセスによりパターニングして、樹脂ＢＭ−Ａを形成した。この際、樹脂ＢＭ−Ａの断面ＳＥＭ写真から、この樹脂ＢＭ−Ａのフリンジ部の断面形状が順テーパー状であり、テーパー角度θが１０°であることを確認した。

次に、厚さ２．０μｍのレッド画素層、グリーン画素層、ブルー画素層をフォトリソグラフィープロセスにより順次形成し、カラーフィルターを得た。樹脂ＢＭ−Ａと各色画素との重なり幅ｄを４μｍとした。この重なり幅ｄは、２ｈcotθ（１１μｍ）以下であり、（１／３）ｈcotθ（１．８３μｍ）以上である。

このカラーフィルターの色画素盛り上がり高さを接触式膜厚測定機にて測定したところ、０．２９μｍであり、断面ＳＥＭ写真により画素盛り上がり角度Φを測定したことろ、０°であった。

実施例２
透明基板上に樹脂ＢＭ−Ｃレジストを厚さ１．２μｍでコートし、これをフォトリソグラフィープロセスによりパターニングして、樹脂ＢＭ−Ｂを形成した。この際、樹脂ＢＭ−Ｂの断面ＳＥＭ写真から、この樹脂ＢＭ−Ｂのフリンジ部の断面形状が順テーパー状であり、テーパー角度θが２０°であることを確認した。

次に、厚さ２．０μｍのレッド画素層、グリーン画素層、ブルー画素層をフォトリソグラフィープロセスにより順次形成し、カラーフィルターを得た。樹脂ＢＭと各色画素との重なり幅を３μｍとした。この重なり幅ｄは、２ｈcotθ（７μｍ）以下であり、（１／３）ｈcotθ（１．１７μｍ）以上である。

このカラーフィルターの色画素盛り上がり高さを接触式膜厚測定機にて測定したところ、０．３０μｍであり、断面ＳＥＭ写真により画素盛り上がり角度Φを測定したことろ、１０°であった。

比較例１
透明基板上に樹脂ＢＭ−Ｂレジストを厚さ１．２μｍでコートし、これをフォトリソグラフィープロセスによりパターニングして、樹脂ＢＭ−Ｂを形成した。この際、樹脂ＢＭ−Ｂの断面ＳＥＭ写真から、この樹脂ＢＭ−Ｂのフリンジ部の断面形状がテーパー状であり、テーパー角度θが４５°であることを確認した。

次に、厚さ２．０μｍのレッド画素層、グリーン画素層、ブルー画素層をフォトリソグラフィープロセスにより順次形成し、カラーフィルターを得た。樹脂ＢＭ−Ｂと各色画素との重なり幅を３μｍとした。この重なり幅ｄは、２ｈcotθ（２μｍ）を越えている。

このカラーフィルターの色画素盛り上がり高さを接触式膜厚測定機にて測定したところ、０．８μｍであり、断面ＳＥＭ写真により画素盛り上がり角度Φを測定したことろ、２０°であった。

比較例２
透明基板上に樹脂ＢＭ−Ｃレジストを厚さ１．２μｍでコートし、これをフォトリソグラフィープロセスによりパターニングして、樹脂ＢＭ−Ｃを形成した。この際、樹脂ＢＭ−Ｂの断面ＳＥＭ写真から、この樹脂ＢＭ−Ｂのフリンジ部の断面形状がテーパー状であり、テーパー角度θが２０°であることを確認した。

次に、厚さ２．０μｍのレッド画素層、グリーン画素層、ブルー画素層をフォトリソグラフィープロセスにより順次形成し、カラーフィルターを得た。樹脂ＢＭ−Ｃと各色画素との重なり幅を８μｍとした。この重なり幅ｄは、２ｈcotθ（２μｍ）を越えている。

このカラーフィルターの色画素盛り上がり高さを接触式膜厚測定機にて測定したところ、０．６μｍであり、断面ＳＥＭ写真により画素盛り上がり角度Φを測定したことろ、８°であった。

以上の実施例１、２、比較例１、２の結果を下記表にまとめた。

上記表１より、重なり幅ｄが（１／３）ｈｃｏｔθと２ｈｃｏｔθの間にある実施例１、２では、表示不良はないのに対し、重なり幅ｄが２ｈｃｏｔθを超えている比較例１、２は、いずれも表示不良が生じているのがわかる。

本発明の一実施形態に係るカラーフィルタの原理を説明するための図。 本発明の一実施形態に係るカラーフィルタの原理を説明するための図。 本発明の一実施形態に係るカラーフィルタの重なり幅ｄと色画素の盛り上がり高さＨとの関係を示す特性図。 本発明の一実施形態に係るカラーフィルタのテーパー角度θを種々変えて、重なり幅ｄと画素盛り上がり高さＨとの関係を示す特性図。

符号の説明

１…透明基板、２…樹脂ＢＭ、３…色画素。

Claims (5)

1. 透明基板と、この透明基板上に形成された樹脂からなる遮光層と、この遮光層により区分された領域に形成された複数色の着色層とを具備するカラーフィルターにおいて、前記遮光層のフリンジ部分の断面は、順テーパー状の連続する輪郭曲線を有し、前記着色層のフリンジ部分は、前記遮光層のフリンジ部分上に重なっており、前記遮光層と着色層のフリンジ部分の重なり幅ｄが下記式を満足することを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルター。
   （１／３）ｈcotθ≦ｄ≦２ｈcotθ
   （式中、ｈは遮光層の膜厚であり、θは、遮光層の断面において、フリンジ部分の輪郭曲線が透明基板面と接する点と該曲線上の最大膜厚となる点を結ぶ直線と、透明基板面とがなすテーパー角度である。）
2. 前記テーパー角度θが４５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置用カラーフィルター。
3. 前記遮光層上の着色層の盛り上がり部の高さが０．５μｍ以下であり、該盛り上がり部の着色層側の傾斜面の傾斜角度Φが２０°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置用カラーフィルター。
4. 前記遮光層は、３．０／μｍ以上の光学濃度を有し、その膜厚ｈが１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液晶表示装置用カラーフィルター。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の液晶表示装置用カラーフィルターを用いたことを特徴とする液晶表示装置。

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