JP4945889B2 - カラーフィルタ基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カラー液晶表示装置等に用いられるカラーフィルタ基板に関する。

近年、カラー液晶ディスプレイの普及に伴い、カラーフィルタの大型化、低コスト化への要求が高まってきている。
現在、カラーフィルタ製造する方法は、フォトリソグラフィー方式が主流であり、この方式は、高精細なパターンを形成できる。しかしながら、ブラックマトリックスだけではなく、着色層の形成工程においても、パターン部分以外の部分の大量の顔料等の材料をエッチング処理時に廃棄することとなる。さらに、それぞれの着色層を形成する際に、それぞれ製造に必要な工程を経なければならず、製造工程数も多いことにより、低コスト化には限界がある。

一方、インクジェット方式はR、G、Bの各着色部の形成を一度に行うことができ、さらに、パターン形成部にのみ着色層を形成できるので、顔料等の材料の無駄もほとんど発生せず、大幅なコストダウンが期待できる。
このようなインクジェット方式を用いたカラーフィルタ基板の製造方法としては、例えば特許文献１から特許文献３に記載されている。

しかしながら、これらの方法では、染料を用いた着色層の場合にはそのまま適用できるが、顔料を用いた着色層を形成する場合、着色層のパターニング時にインク受容層に十分に溶媒や顔料が吸収されず、インク受容層表面で着色層を形成する着色インクが広がり、パターニング精度が悪くなっていた。また着色インクが十分に吸収された場合でも均一に広がらず、着色層の面内の色ムラや色抜けが生じやすかった。このようにインクジェット方式でカラーフィルター基板を製造する際、多くの問題を有している。

なお、前述の染料を用いたカラーフィルタ基板は、顔料を用いたカラーフィルタ基板と比較して耐候性に劣るため、耐候性の優れた顔料を用いることが主流であるが、インクジェット方式でインク受容層を有するカラーフィルタ基板はなかった。
特開平１１−６４６２２号公報 特開平１１−１０９１２１号公報 特開平１０−４８４１５号公報

本発明は、染料を用いたインクからなる着色層のみならず、特に顔料を用いたインクにより着色層を形成しても、パターニング時にパターン精度に問題が発生しない、あるいは着色層の面内の色ムラや色抜けの問題が生じないカラーフィルタ基板を提供することであり、使用する材料の無駄がほとんど発生せず、大幅なコストダウンが可能な製造方法を提供することである。

本発明はこれらの問題点を解決するためになされたものであり、カラーフィルタ基板としての要求特性に優れ、特に混色の無い色特性に優れたカラーフィルタ基板の製造方法を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明は、透明基板上に高分子樹脂を含むインク受容層を形成し、該インク受容層にインクジェット法によりブラックマトリックスおよび着色層を形成するカラーフィルタ基板の製造方法であって、前記インク受容層の高分子樹脂としてポリメタクリル酸メチルを、前記着色層の着色インクに用いられる溶媒としてエチレングリコールメチルエーテルアセテートを、前記ブラックマトリックスの黒色インクに用いられる溶媒としてジエチレングリコールモノエチルエーテル又はエチレングリコールモノメチルエーテルをそれぞれ用い、前記着色層は赤、青、緑の着色インクを塗布してなり、前記着色層を形成する工程は、前記赤、青、緑の着色インクのうちの１色を前記インクジェット法により受容層上に形成し、乾燥後、次の１色を形成する工程を繰り返すことを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法である。

本発明によると、インク受容層の高分子樹脂のＳＰ値と着色インクに用いられる溶媒のＳＰ値との差の絶対値（ａ）が、インク受容層の高分子樹脂のＳＰ値と黒色インクに用いられる溶媒のＳＰ値との差の絶対値（ｂ）よりも小さいので、着色層のインクが不必要に広がらず、シャープなパターンが形成される。
ここで、インク受容層は、インクジェットヘッドから吐出されたインクを受容する層であり、高分子樹脂により形成した場合、ブラックマトリックおよび着色層を形成するインクの溶媒を吸収させる役割を持つ。この場合、インクの溶媒を吸収時には前記高分子樹脂が膨潤あるいは溶解するが、インクに用いられている溶媒に対して、溶解度の高い高分子樹脂であると、ドットの広がりが大きくなるが、インクは透明基板上に均一に広がる傾向にある。

一方、溶解度の低い高分子樹脂であると、インクが溶媒に溶解せず膨潤するために、ドットの広がりが小さくなる。一般的にカラーフィルタは、ブラックマトリックスは、カラー層よりも幅の細いパターンにより形成される。
そこで、細いパターンを形成させる黒色インクは、透明基板へ着弾時に広がりを少なくする必要がある。そのためインク受容層には、高分子樹脂のＳＰ値と着色インクに用いられる溶媒のＳＰ値との差の絶対値（ａ）が、高分子樹脂のＳＰ値と黒色インクに用いられる溶媒のＳＰ値との差の絶対値（ｂ）よりも小さい場合、同じ吐出量のインクを付与させた場合でも、黒色インクはより細いパターンが形成でき、一方着色層は着弾時にドットの広がりはあるものの、インクが均一に広がり、着色面ムラの少ないカラーフィルタを得ることができる。

さらに前記絶対値（ａ）が、絶対値（ｂ）を比較し、それらの絶対値の差が０．５以上の場合、あるいは前記絶対値（ａ）が１以内である場合、前記絶対値（ｂ）が１以上である場合であると、黒色インクはさらに幅の細い線が形成でき、あるいは着色層はさらにインクが均一に広がることにより、上記特性がさらに著しく発揮されるため、優れたパターニングが可能となり好ましい。

以下に本発明の実施の形態を、図面を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１に本発明によるカラーフィルタ基板の製造方法の一実施例を図示した。図１のカラーフィルタ基板では、透明基板１上にインク吸収層２が形成される。その上にインクジェット法を用いて、黒色インクによりブラックマトリックス３、着色インクにより赤色(Ｒ)、緑色(Ｇ)、青色(Ｂ)の着色層４を形成させ、本発明のカラーフィルタを得る。
本発明の透明基板１には、硝子基板、石英基板、プラスチック基板等が使用できる。中でも硝子基板を用いた場合、透明性に優れるだけでなく、強度、耐熱性、耐候性に優れるカラーフィルタを得ることができる。
またポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルファイド（ＰＥＳ）等のプラスチック基板を用いることにより、薄く軽いカラーフィルタを得ることができる。

インク受容層２は、高分子樹脂を含む材料で形成される。前記高分子樹脂は、特に限定されるものではないが、透明であれば使用することができる。この高分子樹脂の具体例を挙げると、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリウレタン、ビニル樹脂、スチレン樹脂、エステル樹脂等が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、インク受容層には必要に応じて、フィラー等を混合させることが可能である。

一般にカラーフィルタは、ブラックマトリックスは着色層よりも幅の細いパターニングが必要である。ブラックマトリックス、着色層ともにインクジェット法により形成する場合、黒色インクはより小さなドットを形成させる必要があるが、一方では着色層は目的とする画素の大きさまでドットの広がりは許容されるが、画素内の色ムラを抑制しなければならない。その為に、黒色インク、着色インクのそれぞれ着弾時に形成されるドット形状を変化させる必要があり、インク受容層の高分子樹脂のＳＰ値と着色インクに用いられる溶媒のＳＰ値との差の絶対値（ａ）が、高分子樹脂のＳＰ値と黒色インクに用いられる溶媒のＳＰ値との差の絶対値（ｂ）よりも小さいことが必要である。

黒色インクは、通常黒顔料、結着剤、溶媒などで構成され、必要に応じて分散剤、安定剤等を含有させる。
黒顔料としては、カーボンブラック、有機顔料、アニリンブラック、黒鉛等挙げられるが、これに限定されるものではない。また、これらを数種類複合させても良い。
結着剤としては黒顔料を結合させる樹脂等が用いられ、具体例としては、カゼイン、ゼラチン、ポリビニールアルコール、カルボキシメチルアセタール、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂などが用いられ、色素との関係にて適宜選択される。耐熱性や耐光性が要求される際にはアクリル樹脂が好ましい。
また溶媒は黒顔料を良く分散し、結着剤を溶解させる溶媒を選択する。
分散剤として例をいくつか挙げると、非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、また、イオン性界面活性剤としては、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリ脂肪酸塩、脂肪酸塩アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩など、その他に、有機顔料誘導体、ポリエステルなどがあげられる。分散剤は一種類を単独で使用してもよく、また、二種類以上を混合して使用してもよい。

着色インクは、着色剤、結着剤、溶媒などで構成され、必要に応じて分散剤、安定剤等を含有させる。着色剤としては顔料、染料ともに用いることができるが、耐候性に優れる点より顔料を用いることが好ましい。
ここで着色剤として使用する顔料の具体例を挙げると、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ９、１９、３８、４３、９７、１２２、１２３、１４４、１４９、１６６、１６８、１７７、１７９、１８０、１９２、２１５、２１６、２０８、２１６、２１７、２２０、２２３、２２４、２２６、２２７、２２８、２４０、ＰｉｇｍｅｎｔＢｌｕｅ １５、１５：６、１６、２２、２９、６０、６４、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ７、３６、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ ２０、２４、８６、８１、８３、９３、１０８、１０９、１１０、１１７、１２５、１３７、１３８、１３９、１４７、１４８、１５３、１５４、１６６、１６８、１８５、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｏｒａｎｇｅ３６、 Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｖｉｏｌｅｔ２３、などであるが、これらに限定されるものではない。さらにこれらは要望の色相を得るために2種類以上を混合して用いても構わない。また結着剤、分散剤は上記黒色インクの例で挙げた化合物を同様に用いることが出来る。

黒色インク、着色インクは、インクジェット方式における適性の表面張力範囲35ｍＮ／ｍ以下で、且つ、沸点が130℃以上に調整することが好ましい。表面張力が35ｍＮ／ｍ以上であるとインクジェット吐出時のドット形状の安定性に著しい悪影響を及ぼし、また、沸点が130℃以下であるとノズル近傍での乾燥性が著しく高くなり、その結果、ノズル詰まり等の不良発生を招くので好ましくない。表面張力、沸点は溶媒にて調整可能であり、必要に応じて適時選択される。

使用するインクジェット装置としては、インク吐出方法の相違によりピエゾ変換方式と熱変換方式があり、特にピエゾ変換方式が好適である。インクの粒子化周波数は5〜100ＫＨｚ程度、ノズル径としては5〜80μｍ程度，ヘッドを３個配置し、１ヘッドにノズルを60〜500個組み込んだ装置が好適である。また必要に応じて乾燥やUV硬化を行うこともできる。

また、本発明でのカラーフィルタ基板には、必要に応じて最上層に保護層を設けることができる。保護層は透明な樹脂膜より形成されることが望ましい。これにより表面の平滑性が向上し、さらにインク受容層の空隙を遮蔽するために耐候性も向上する。

透明基板上にインク受容層を形成させる方法としては、種々の塗工方法を用いることができる。例えば、スピンコート法、ダイコート法、ワイヤーバー法等である。その後、インクジェット方式によりインク受容層上へ黒色インクと着色インクを付与させ、ブラックマトリックスと着色層を形成させる。その際、黒色インクを先に付与させ、ブラックマトリックスを形成した後に着色インクを付与させることにより、ブラックマトリックスが隔壁の役割となり、着色層の混色防止となるために好ましい。また着色インクは一般的には赤、青、緑の色より成るが、これらを一度に形成させてもよく、或いは1色を形成させ、乾燥後に次の1色を形成させても良い。
以下に本発明の実施例を具体的に説明する。

(インク受容層の作成)
インク受容層樹脂として、ポリメタクリル酸メチル（ＳＰ値９．５）を、膜厚７μｍとなるようにスピンコータによって無アルカリガラス基板（コーニング社製、品番1737）上に塗布して、インク受容層を形成させた。
(着色インクの調整)
顔料５重量部、結着剤２重量部、分散剤０．１重量部の割合で、エチレングリコールメチルエーテルアセテート溶媒（ＳＰ値９．２）の中に分散させ、赤色、青色、緑色の各着色インクを得た。この際、顔料濃度が１２〜１５％となるように、各色の溶媒の量を調整した。
(黒色インクの調整)
黒顔料5重量部、結着剤2重量部、分散剤０．１重量部の割合で、ジエチレングリコールモノエチルエーテル溶媒（ＳＰ値１０．２）の中に分散させ、黒色インクを得た。この際、顔料濃度が１２％となるように溶媒の量を調整した。
（カラーフィルタ基板の作製）
前記インク受容層を形成させたガラス基板上のインク受容層の上に、12ｐｌ，180ｄｐｉヘッド（セイコーインスツルメンツ社製）を搭載したインクジェット印刷装置により、黒色インクを付与させてブラックマトリックスをストライプ状に形成させた。その後、赤、青、緑の着色インクを前記インクジェット印刷装置により1色ずつ順次付与させ、カラー層を形成させた。このようにして得られたカラーフィルタ基板は、混色も無く、面内の色ムラも少なく、パターニングがシャープなカラーフィルタ基板であった。

(インク受容層の作成)
インク受容層樹脂として、ポリメタクリル酸メチル（ＳＰ値９．５）を、膜厚７μｍとなるようにスピンコータによって無アルカリガラス基板（コーニング社製、品番1737）上に塗布して、インク受容層を形成させた。
(着色インクの調整)
顔料5重量部、結着剤2重量部、分散剤０．１重量部の割合で、エチレングリコールメチルエーテルアセテート溶媒（ＳＰ値９．２）の中に分散させ、赤色、青色、緑色の各着色インクを得た。この際、顔料濃度が１２〜１５％となるように、各色の溶媒の量を調整した。
(黒色インクの調整)
黒顔料5重量部、結着剤2重量部、分散剤０．１重量部の割合で、エチレングリコールモノメチルエーテル溶媒（ＳＰ値１１．４）の中に分散させ、黒色インクを得た。この際、顔料濃度が１２％となるように溶媒の量を調整した。
（カラーフィルタ基板の作製）
前記インク受容層を形成させたガラス基板上のインク受容層の上に、12ｐｌ，180ｄｐｉヘッド（セイコーインスツルメンツ社製）を搭載したインクジェット印刷装置により、黒色インクを付与させてブラックマトリックスをストライプ状に形成させた。その後、赤、青、緑の着色インクを前記インクジェット印刷装置により1色ずつ順次付与させ、カラー層を形成させた。このようにして得られたカラーフィルタ基板は、混色も無く、面内の色ムラも少なく、パターニングがシャープなカラーフィルタ基板であった。特にブラックマトリックスはシャープな形状であった。

＜比較例１＞
(インク受容層の作成)
インク受容層樹脂として、ポリメタクリル酸メチル（ＳＰ値９．５）を、膜厚７μｍとなるようにスピンコータによって無アルカリガラス基板（コーニング社製、品番1737）上に塗布して、インク受容層を形成させた。
(着色インクの調整)
顔料５重量部、結着剤２重量部、分散剤0.1重量部の割合で、エチレングリコールメチルエーテルアセテート溶媒（ＳＰ値９．２）の中に分散させ、赤色、青色、緑色の各着色インクを得た。この際、顔料濃度が１２〜１６％となるように、各色の溶媒の量を調整した。
(黒色インクの調整)
黒顔料5重量部、結着剤2重量部、分散剤0.1重量部の割合で、エチレングリコールメチルエーテルアセテート溶媒（ＳＰ値９．２）の中に分散させ、黒色インクを得た。この際、顔料濃度が12%となるように溶媒の量を調整した。
（カラーフィルタ基板の作製）
前記インク受容層を形成させたガラス基板上のインク受容層の上に、12ｐｌ，180ｄｐｉヘッド（セイコーインスツルメンツ社製）を搭載したインクジェット印刷装置により、黒色インクを付与させてブラックマトリックスをストライプ状に形成させた。その後、赤、青、緑の着色インクを前記インクジェット印刷装置により1色ずつ順次付与させ、カラー層を形成させた。このようにして得られたカラーフィルタ基板は、一部で混色が発生した。

本発明でのカラーフィルタ基板の断面図

符号の説明

１ 透明基板
2 インク受容層
3 ブラックマトリックス
４ 着色層

Claims (1)

1. 透明基板上に高分子樹脂を含むインク受容層を形成し、該インク受容層にインクジェット法によりブラックマトリックスおよび着色層を形成するカラーフィルタ基板の製造方法であって、
   前記インク受容層の高分子樹脂としてポリメタクリル酸メチルを、前記着色層の着色インクに用いられる溶媒としてエチレングリコールメチルエーテルアセテートを、前記ブラックマトリックスの黒色インクに用いられる溶媒としてジエチレングリコールモノエチルエーテル又はエチレングリコールモノメチルエーテルをそれぞれ用い、前記着色層は赤、青、緑の着色インクを塗布してなり、
   前記着色層を形成する工程は、前記赤、青、緑の着色インクのうちの１色を前記インクジェット法により受容層上に形成し、乾燥後、次の１色を形成する工程を繰り返すことを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法。

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