JP5221066B2 - Film laminated substrate, counter substrate for liquid crystal panel and liquid crystal panel - Google Patents
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Description
この発明は、膜積層基板および液晶パネル用対向基板および液晶パネルに関する。 The present invention relates to a film laminated substrate, a counter substrate for a liquid crystal panel, and a liquid crystal panel.
平板状の基板の少なくとも片面に複数層の薄膜を積層した膜積層基板は、従来から、偏光板や反射防止フィルタ等として広く知られている。また、液晶パネル用対向基板として、平板状の基板の片面に「液晶画素配列に対応するマイクロレンズアレイ」を形成し、形成されたマイクロレンズアレイにより、照明光を遮光用のブラックマトリックスの各画素部分に集光させることにより、光利用効率を高めることが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a film laminated substrate in which a plurality of thin films are laminated on at least one surface of a flat substrate has been widely known as a polarizing plate, an antireflection filter, or the like. In addition, as a counter substrate for a liquid crystal panel, a “micro lens array corresponding to a liquid crystal pixel array” is formed on one side of a flat substrate, and each pixel of a black matrix for blocking illumination light by the formed micro lens array It is known to increase the light utilization efficiency by condensing light on a part.
これらの膜積層基板において積層される薄膜のうちには、膜形成の過程で膜面方向(膜の表面に沿う方向)に応力が発生するものも多い。 Of the thin films stacked on these film laminated substrates, many of them generate stress in the film surface direction (direction along the film surface) during the film formation process.
一方において、膜を積層形成される平板状の基板は「薄型化」が進んでおり、形成された薄膜に発現する応力の作用で容易に「反り」を生じてしまう。膜積層基板が反ると「膜積層基板本来の機能」が損なわれてしまう。 On the other hand, “thinning” of a flat substrate on which films are laminated is progressing, and “warping” easily occurs due to the stress exerted on the formed thin film. When the film laminated substrate is warped, the “original function of the film laminated substrate” is impaired.
このような基板の反りを矯正する方策として、膜を積層される側と反対側の基板面に引っ張り応力を発現する薄膜を形成し、基板表裏の膜による引っ張り応力を相殺させて、基板面の平面性を確保する方法が提案されている(特許文献1)。 As a measure for correcting such warpage of the substrate, a thin film that expresses tensile stress is formed on the substrate surface opposite to the side on which the film is laminated, and the tensile stress due to the film on the front and back of the substrate is offset, A method for ensuring flatness has been proposed (Patent Document 1).
近来、膜の材料として「ゾルゲル材料」の使用が意図されている。ゾルゲル材料は無機材料であり、堅固な薄膜を形成できるので耐環境性に優れている。即ち、成膜過程でゾルゲル材料のシロキサン結合を完全にすると「シリカガラスによる3次元骨格構造体」となる。この状態が「硬化した状態(硬化層)」であり、化学的に安定した極めて強固な構造である。また、材料の組成により屈折率の調整が可能であるところから、所望の屈折率を持ち「光学的に使用できる薄膜」を容易に得られる利点もある。 Recently, the use of “sol-gel materials” as membrane materials is contemplated. The sol-gel material is an inorganic material and can form a firm thin film, and thus has excellent environmental resistance. That is, when the siloxane bond of the sol-gel material is completely formed during the film formation process, a “three-dimensional skeleton structure made of silica glass” is obtained. This state is a “cured state (cured layer)”, which is a chemically stable and extremely strong structure. In addition, since the refractive index can be adjusted by the composition of the material, there is an advantage that a “thin film that can be used optically” having a desired refractive index can be easily obtained.
しかしながら反面、ゾルゲル材料の薄膜は成膜の過程で「強い引っ張り応力」を発生させやすい。これは成膜の際、シリカガラスによる3次元骨格構造体が形成される過程で脱水反応が生じ、膜の収縮が生じるためである。この問題は、ゾルゲル材料に限らず「SiO2を骨格とする重縮合材料」を成膜するときの一般的な現象である。「SiO2を骨格とする重縮合材料」としてはゾルゲル材料の他にHSQやシルセスキオキサンを挙げることができる。 However, a sol-gel material thin film tends to generate “strong tensile stress” during the film formation process. This is because during film formation, a dehydration reaction occurs in the process of forming a three-dimensional skeleton structure made of silica glass, and the film shrinks. This problem is a general phenomenon when not only a sol-gel material but also a “polycondensation material having a SiO 2 skeleton” is formed. Examples of the “polycondensation material having SiO 2 skeleton” include HSQ and silsesquioxane in addition to the sol-gel material.
このような「SiO2を骨格とする重縮合材料」の薄膜を平板状の基板に形成した場合に、上記の如き引っ張り応力の作用で基板が反ることが大きな問題となる。
このような「反り」を特許文献1記載の方法で矯正しようとする場合、薄膜の表面が自由表面であると、矯正に伴い「SiO2を骨格とする重縮合材料の薄膜」にクラック(亀裂)が生じる虞がある。また、特許文献1記載の方法は、平板状の基板の表裏に成膜する必要があり、表面側に成膜する工程と裏面側に成膜する工程とが全くの別工程であるため、片面に成膜したのち、基板を裏返して他面に成膜する工程を必要とし、成膜の工程数が多くなる。
When such a thin film of “polycondensation material having SiO 2 as a skeleton” is formed on a flat substrate, the substrate is warped by the action of the tensile stress as described above.
When trying to correct such “warp” by the method described in Patent Document 1, if the surface of the thin film is a free surface, cracks (cracks in the polycondensation material thin film having a SiO 2 skeleton) accompany the correction. ) May occur. In addition, the method described in Patent Document 1 needs to form films on the front and back of a flat substrate, and the process of forming a film on the front side and the process of forming a film on the back side are completely separate processes. After the film formation, a process of turning the substrate upside down and forming the film on the other surface is required, and the number of film formation processes increases.
この発明は、上述したところに鑑み、平板状の基板の「反りの問題」を有効に解決した新規な膜積層基板およびこの膜積層基板を用いる液晶パネル用対向基板・液晶パネルの実現を課題とする。 In view of the above, the present invention has an object to realize a novel film laminated substrate that effectively solves the “problem of warping” of a flat substrate and a counter substrate / liquid crystal panel for a liquid crystal panel using the film laminated substrate. To do.
この発明の膜積層基板は「平板状の基板の少なくとも片面にN(4≧N≧2)層の薄膜を積層形成してなる膜積層基板」であって、以下の如き特徴を有する(請求項1)。
即ち、平板状の基板の少なくとも片面に「成膜時に膜面方向に収縮するシリカベースの
ゾルゲル材料を焼成した薄膜」と「成膜時に膜面方向に伸張するSiO2の薄膜」とによ
る薄膜対が、M対(1≦M≦N/2)形成されてなる。
「SiO 2 の薄膜」は、スパッタリングにより形成される。
そして「成膜時に膜面方向に収縮する薄膜(シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄
膜)と、成膜時に膜面方向に伸張する薄膜(スパッタリングによるSiO2の薄膜)との各薄膜対において、成膜時に膜面方向に収縮する薄膜の焼成後の膜厚:d1と、成膜時に膜面方向に伸張する薄膜の膜厚:d2が、
d2=(1/4.5)d1
を満足する。
これにより、片面に積層形成されるN層の薄膜全体として、膜面方向の応力が相殺され、基板に反りを生じさせる応力が作用しないように「M対の各薄膜の膜厚」が設定されている。
「膜面方向の応力」は、膜の表面方向に沿って作用する応力であり、基板を撓ませる力
を作用させる。この発明の膜積層基板では、上記の如く「基板の少なくとも片面に、M対
の薄膜対が積層形成される」が、片面に積層形成されたN層の薄膜全体として、膜面方向
の応力が相殺される。
The film laminated substrate of the present invention is “a film laminated substrate formed by laminating and forming N (4 ≧ N ≧ 2) thin films on at least one surface of a flat substrate”, and has the following characteristics. 1).
That is, a thin film pair consisting of “a thin film obtained by firing a silica-based sol-gel material that shrinks in the film surface direction during film formation” and “a thin film of SiO 2 that extends in the film surface direction during film formation” on at least one surface of a flat substrate. Are formed in M pairs (1 ≦ M ≦ N / 2) .
The “SiO 2 thin film” is formed by sputtering.
And in each thin film pair of a thin film that shrinks in the film surface direction during film formation (thin film obtained by firing a silica-based sol-gel material) and a thin film that extends in the film surface direction during film formation (a thin film of SiO 2 by sputtering ) The film thickness after firing of the thin film that shrinks in the film surface direction during film formation: d1, and the film thickness of the thin film that extends in the film surface direction during film formation: d2
d2 = (1 / 4.5) d1
Satisfied.
As a result, the “film thickness of each M pair of thin films” is set so that the stress in the film surface direction is canceled out and the stress that causes warping of the substrate does not act on the entire N layer thin film formed on one side. ing.
The “stress in the film surface direction” is a stress acting along the surface direction of the film, and exerts a force that bends the substrate. In the film laminated substrate of the present invention, as described above, “M pairs of thin films are laminated on at least one surface of the substrate”, but the stress in the film surface direction is reduced as the entire N layer thin film formed on one surface. Offset.
例えば、N層の薄膜の層数:N=2の場合(薄膜対の数:M=1)であれば、基板片面に積層形成される2層の薄膜において、膜面方向の応力が相殺される。即ち、1つの薄膜が「引っ張り応力」を生じるものとすれば、他の1つの薄膜が「伸張応力(膜面方向に伸びようとする応力)」を発生させ、引っ張り応力を伸張応力で相殺する。 For example, if the number of N thin films is N = 2 (the number of thin film pairs: M = 1) , the stress in the film surface direction is offset in the two thin films formed on one side of the substrate. The That is, if one thin film generates “tensile stress”, the other thin film generates “extension stress (stress that tends to extend in the direction of the film surface)” and cancels the tensile stress with the tensile stress. .
この場合、例えば基板上に直接形成される第1層の薄膜が引っ張り応力を生じる場合、その上に成膜される第2層の薄膜には伸張応力を生じさせ、この伸張応力により第1層の「引っ張り応力による収縮」を引き伸ばす。そして、2層の膜全体として、膜面方向の応力を相殺して「基板に反りを生じさせる応力が作用しない」ようにするのである。 In this case, for example, when the first layer thin film directly formed on the substrate generates a tensile stress, the second layer thin film formed on the first layer generates a tensile stress. Extends the “shrinkage due to tensile stress”. Then, as a whole of the two-layer film, the stress in the film surface direction is offset so that “the stress causing the warp to the substrate does not act”.
このようにすることは「第1層の膜の材料と膜厚」および「第2層の膜の材料と膜厚」を調整することにより可能である。
即ち、基板の片側に形成する膜が2層である場合に付いて説明を補足すると、2層の膜を積層形成したときに、基板表面(膜形成面)に作用する基板表面方向の応力をF、第1層の膜面方向の応力をF1、第2層の膜面方向の応力をF2とすると、F、F1、F2の間には、
F=F1+F2 (1)
の関係がなりたつ。
This can be done by adjusting the “material and film thickness of the first layer film” and the “material and film thickness of the second layer film”.
That is, supplementing the explanation for the case where the film formed on one side of the substrate is two layers, the stress in the substrate surface direction acting on the substrate surface (film formation surface) when the two layers of films are laminated is formed. F, if the stress in the film surface direction of the first layer is F1, and the stress in the film surface direction of the second layer is F2, between F, F1 and F2,
F = F1 + F2 (1)
The relationship became.
一方、第1層の膜の、膜面方向の応力:F1は、第1層の厚み:D1に比例し、
F1=a・D1 (2)
と表され、第2層の膜の、膜面方向の応力:F2は、第2層の厚み:D2に比例し、
F2=b・D2 (3)
と表される。比例定数:a、bは「膜の材料」により定まる。
On the other hand, the stress in the film surface direction: F1 of the film of the first layer is proportional to the thickness of the first layer: D1,
F1 = a · D1 (2)
The stress in the film surface direction: F2 of the film of the second layer is proportional to the thickness of the second layer: D2,
F2 = b · D2 (3)
It is expressed. Proportional constants: a and b are determined by “film material”.
また、応力:F1、F2による基板の反り量:C1、C2は、応力:F1、F2の大きさに比例し、基板により定まる比例定数:αを用いて、
C1=αF1=αaD1 (4)
C2=αF2=αbD2 (5)
で与えられる。
Further, the amount of warpage of the substrate due to stress: F1, F2: C1, C2 is proportional to the magnitude of the stress: F1, F2, and the proportionality constant: α determined by the substrate is used.
C1 = αF1 = αaD1 (4)
C2 = αF2 = αbD2 (5)
Given in.
従って、応力:F1による反り量:C1が、応力:F2による反り量:C2により相殺される条件は、
C1+C2=0 (6)
であり、(4)、(5)式により、
αaD1+αbD2=0 (7)
が成り立てばよい。
Therefore, the condition that the warpage amount C1 due to the stress F1 is offset by the warpage amount C2 due to the stress F2 is:
C1 + C2 = 0 (6)
(4) and (5),
αaD1 + αbD2 = 0 (7)
Should just hold.
このとき、aD1=―bD2となるから、F1=−F2であり、基板表面(膜形成面)に作用する基板表面方向の応力は「F=F1+F2=0」となる。 At this time, since aD1 = −bD2, F1 = −F2, and the stress in the substrate surface direction acting on the substrate surface (film formation surface) is “F = F1 + F2 = 0”.
条件:aD1=−bD2
から、第1層の膜厚:D1に対し、第2層の膜厚:D2を、
D2=−(a/b)D1 (8)
と設定すれば「基板の反り」は生じない。反り量:C1、C2は互いに逆符号であるから、a、bも逆符号であり「−(a/b)D1」は正の量である。
Condition: aD1 = −bD2
From the thickness of the first layer: D1, the thickness of the second layer: D2,
D2 = − (a / b) D1 (8)
If the setting is made, “substrate warpage” does not occur. Warpage amount: Since C1 and C2 have opposite signs, a and b are also opposite signs, and “− (a / b) D1” is a positive amount.
反りの生じない条件(8)式において、比例定数:a、bは第1層、第2層の膜材料に
よりそれぞれ定まるから、第1層と第2層の膜の材料と膜厚:D1、D2を、(8)式を
満足するように選択することにより基板の撓み(反り)を防止できる。
請求項1では、M(N/2≧M≧1)対の薄膜対の、各対をなす薄膜の一方は「成膜時に膜面方向に収縮する薄膜(シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜)」であり、他方は「成膜時に膜面方向に伸張する薄膜(スパッタリングによるSiO2の薄膜)」であり、成膜時に膜面方向に収縮する薄膜の焼成後の膜厚:d1は上記式(8)における「D1」であり、成膜時に膜面方向に伸張する薄膜の膜厚:d2は上記式(8)における「D2」であり、上記式(8)における定数:
(a/b)は「(1/4.5)」である。
なお、後述する実施例2におけるように、N層の薄膜が、2対の薄膜対で形成される場合、各薄膜対における膜厚:d1、d2は「薄膜対ごと」に異なっていても良い。
In the condition (8) in which no warp occurs, the proportionality constants: a and b are determined by the film materials of the first layer and the second layer, respectively, so the material and film thickness of the first layer and the second layer and the film thickness: D1, By selecting D2 so as to satisfy the equation (8), it is possible to prevent the substrate from being bent (warped).
According to claim 1, one of the thin film pairs of M (N / 2 ≧ M ≧ 1) pairs is “a thin film that contracts in the film surface direction during film formation (a thin film obtained by firing a silica-based sol-gel material). The other is “a thin film that stretches in the film surface direction during film formation (SiO 2 thin film by sputtering )”, and the film thickness after firing of the thin film that contracts in the film surface direction during film formation: d1 is the above “D1” in Expression (8), and the film thickness d2 of the thin film extending in the film surface direction during film formation is “D2” in Expression (8) above, and the constant in Expression (8) above:
(A / b) is “(1 / 4.5)”.
When the N-layer thin film is formed of two thin film pairs as in Example 2 to be described later, the film thicknesses d1 and d2 in each thin film pair may be different for each “thin film pair”. .
第1層の膜に作用する膜面方向の応力が引っ張り力であると、第1層の膜には、第2層の膜から「第1層の収縮を膜面方向に引き伸ばそうとする力」が作用するが、第1層の膜表面には第2層が密着しているので、第1層の膜にクラックが発生するのが有効に防止される。 If the stress in the film surface direction acting on the first layer film is a tensile force, the film of the first layer receives from the film of the second layer “a force to extend the contraction of the first layer in the film surface direction. However, since the second layer is in close contact with the film surface of the first layer, the occurrence of cracks in the film of the first layer is effectively prevented.
上には、基板上に2層の膜を積層する場合を説明したが、薄膜の層数を3層以上に増や
す場合にも、上記の説明を敷衍することができる。
即ち、薄膜の層数:Nが、薄膜対の数:Mに対して2Mより大きい場合、N層の薄膜のうちには、薄膜対を構成しないものがあるが、この場合「薄膜対を構成しない薄膜」は、成膜時に応力を発生しない層とする(請求項2)。
なお、基板の片面に3層の膜を積層する場合、上記請求項2のように、3層のうちの1層に引っ張り応力を発生させ、他の1層に伸張応力を発生させ、残りの1層は「特に応力の発生しない膜」としてもよい。
「成膜時に応力を発生しない層」は、例えば、前記「シリカベースのゾルゲル材料を焼
成した薄膜」や「スパッタリングによるSiO2の薄膜」であっても、層厚が十分に薄くて「基板を反らせるような大きさ」の応力を発生しない場合であれば「成膜時に応力を発生しない層」であることができる。
The case where two layers of films are stacked on the substrate has been described above, but the above description can be applied to the case where the number of thin films is increased to three or more.
That is, the number of layers of thin films: N is the number of thin film pairs: greater than 2M against M, while the thin films of N layers, it is one that does not constitute the thin film pairs, constituting the case "thin film pairs The “non-thin film” is a layer that does not generate stress during film formation (claim 2).
When three layers of films are laminated on one side of the substrate , as described in claim 2 above , tensile stress is generated in one of the three layers, tensile stress is generated in the other layer, and the rest One layer may be “a film in which stress is not particularly generated” .
The “layer that does not generate stress during film formation” is, for example, the above-mentioned “thin film obtained by firing a silica-based sol-gel material” or “a thin film of SiO 2 by sputtering”. In the case where no stress of a “size that warps” is generated, it can be a “layer that does not generate stress during film formation”.
また、偶数層(N=2または4)の膜を形成する場合であれば、引っ張り応力の発生する層と伸張応力の発生する層を交互に積層することにより、積層された膜全体としての膜面方向の応力を相殺することができる。 In the case of forming an even-numbered layer (N = 2 or 4) film, a layer as a whole layered film is formed by alternately laminating a layer generating tensile stress and a layer generating tensile stress. The stress in the surface direction can be canceled out.
基板の片面に積層される薄膜数:Nの下限は2であるが上限は特に制限が無く、通常積層される層数(例えば数十ないし数百層)が可能である。 The number of thin films laminated on one side of the substrate: The lower limit of N is 2, but the upper limit is not particularly limited, and the number of layers usually laminated (for example, tens to hundreds) is possible.
請求項1に記載されているように、N層の薄膜は「平板状の基板の少なくとも片面」に形成される。基板の他方の面は、膜形成されていても膜形成されていなくても良い。他方の面に膜形成がされている場合、形成される膜が「膜面方向に応力を発生させない」膜であれば、全体として基板に撓み(反り)を生じさせない。また、他方の面においても上記の如く「引っ張り応力を生じる膜」と「伸張応力を生じる膜」を、上記片側の面におけると同様に組合せて、全体として膜面方向の応力を相殺し、基板の両側で、基板表面方向の応力が発生しないようにすればよい。 As described in claim 1, the N-layer thin film is formed on “at least one surface of a flat substrate”. The other surface of the substrate may or may not be formed. When a film is formed on the other surface, if the film to be formed is a film that “does not generate stress in the film surface direction”, the substrate as a whole will not be bent (warped). Further, as described above, the “film that generates tensile stress” and the “film that generates extensional stress” are combined in the same manner as in the above-described one side surface to cancel the stress in the film surface direction as a whole. It is only necessary to prevent the stress in the substrate surface direction from being generated on both sides of the substrate.
なお、請求項1に記載されたように「基板の片面に積層形成されるN層の薄膜全体として、膜面方向の応力が相殺され、基板に反りを生じさせる応力が作用しない」のであるから、膜面方向の応力は「応力が相殺されて完全に0になる必要」は必ずしもなく、相殺された結果、引っ張り応力もしくは伸張応力が若干残存しても、残存応力が「基板に実質的な反りを生じさせる」ものでなければ問題ない。 In addition, as described in claim 1, “as the whole N layer thin film formed on one side of the substrate, the stress in the direction of the film is offset and the stress causing the warp on the substrate does not act”. The stress in the film surface direction is not necessarily “necessary to cancel out the stress to be completely zero”. As a result of the cancellation, even if some tensile stress or extensional stress remains, the residual stress is “substantial to the substrate. If it does not cause “warping,” there is no problem.
請求項1記載の膜積層基板は、平板状の基板の、N層の薄膜を形成される側の面に、マイクロ光学面が形成されていることができる(請求項3)。 In the film laminated substrate according to claim 1 , a micro optical surface can be formed on the surface of the flat substrate on the side where the N-layer thin film is formed (claim 3) .
請求項3記載の膜積層基板は、平板状の基板の、N層の薄膜を形成される側の面に形成されているマイクロ光学面は例えば「マイクロレンズアレイ」であることができるが、さらに「マイクロレンズアレイの配列」であることができる(請求項4)。 In the film laminated substrate according to claim 3, the micro optical surface formed on the surface of the flat substrate on the side where the thin film of the N layer is formed can be, for example, a “micro lens array”. It can be “an arrangement of microlens arrays” (claim 4).
この発明の「液晶パネル用対向基板」は請求項4記載の膜積層基板の、平板状の基板の片面に「マイクロレンズアレイの配列」が形成され、平板状の基板上に積層形成されたN層の薄膜の上に、配列されたマイクロレンズアレイごとに、マイクロレンズの配列に応じた遮光用のブラックマトリックスパターンと透明電極膜が形成され、マイクロレンズアレイごとに切り離して得られる液晶パネル用対向基板である。 The “opposite substrate for a liquid crystal panel” according to the present invention is an N substrate in which an “array of microlens arrays” is formed on one side of a flat substrate and the laminated substrate is formed on the flat substrate. A black matrix pattern for light shielding and a transparent electrode film corresponding to the arrangement of the microlens are formed on the thin film of the layer for each arranged microlens array, and are separated for each microlens array. It is a substrate.
この発明の液晶パネルは「請求項5記載の液晶パネル用対向基板と、駆動電極基板との間に液晶層を封入してなる液晶パネル」である。 The liquid crystal panel of the present invention is “a liquid crystal panel in which a liquid crystal layer is sealed between a counter substrate for a liquid crystal panel according to claim 5 and a drive electrode substrate”.
以上に説明したように、この発明によれば「基板に実質的な反りの無い膜積層基板」を実現でき、この膜積層基板を用いて「反りの無い良好な液晶パネル用対向基板・液晶パネル」を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a “film laminated substrate substantially free of warpage in a substrate”, and use this film laminated substrate to provide “a counter substrate / liquid crystal panel for a good liquid crystal panel without warping”. Can be realized.
以下、具体的な実施の形態を説明する。
図1は、液晶パネルの実施の1形態を説明図として示している。図に示されているのは液晶パネルの厚み方向の構造であり、符号10はマイクロレンズアレイ基板、符号12は膜積層構造部、符号14はブラックマトリックスパターン、符号15は透明導電膜、符号16は液晶、符号18は電極膜、符号20は基板である。
Hereinafter, specific embodiments will be described.
FIG. 1 shows an embodiment of a liquid crystal panel as an explanatory diagram. The figure shows the structure in the thickness direction of the liquid crystal panel.
マイクロレンズアレイ基板10は平行平板状であって、その片面(図で上方の面)にマイクロレンズMLがアレイ配列して形成されている。マイクロレンズMLのアレイ配列は液晶パネルにおける画素の配列に合同的に対応している。
The
マイクロレンズアレイ基板10のマイクロレンズアレイが形成された面に、膜積層構造部12が形成されている。後述するように、膜積層構造部12は、2層以上の薄膜を積層形成した構造部であり、積層形成された積層構造体全体として「膜面方向の応力が相殺され、基板であるマイクロレンズ基板10に反りを生じさせる応力が作用しない」ように、複数の薄膜の材料と膜厚が設定されている。
On the surface of the
即ち、この実施の形態において、マイクロレンズアレイ基板10に積層構造部12を形成したものが「膜積層基板」であり、平板状の基板10の積層構造部12が形成される側の面にマイクロ光学面として、マイクロレンズアレイが形成されているのである。
That is, in this embodiment, the
そして、積層構造部12の表面部分に、画素間のクロストークを防止するための遮光用のブラックマトリックスパターン14が形成され、更にその上に透明導電膜15が形成されている。透明電極膜15は、ブラックマトリックスパターン14を全体として覆うように単一構造の膜として形成されている。ブラックマトリックスパターン14、透明導電膜15は従来から知られたものである。
A light blocking
マイクロレンズアレイ基板10と積層構造部12とブラックマトリックスパターン14および透明導電膜15は「液晶パネル用対向基板」を構成する。
The
基板20に形成された電極膜18は、基板20の片面全体に「各画素を個別に駆動するTFTの2次元的な配列(ブラックマトリックスパターン14の開口部の配列に対応している。)」として形成されている。電極膜18とこれを形成された基板20とは「駆動電極基板」を構成する。従って、液晶16は、液晶パネル用対向基板と駆動電極基板との間に封入されて挟持される。このように、液晶16が駆動電極基板と液晶パネル用対向基板との間に封止されて液晶パネルが構成されている。
The
電極膜18の「各TFTに選択的に電圧を印加すると、電圧を印加されたTFTと透明電極膜15との間の部分で液晶18に電界が作用する。上記電圧を変調することにより、液晶パネルを駆動できる。
“When a voltage is selectively applied to each TFT of the
図示されない照明光は、図1におけるマイクロレンズアレイ基板10の外表面(図1で下方の平坦な面)から「平行光束に近い直線偏光状態の光束」として入射し、個々のマイクロレンズMLにより集光され、各マイクロレンズに対応する「ブラックマトリックスパターンの開口部」に集光する。この状態で、上記の如く液晶パネルを駆動することにより「液晶パネルに表示される画像情報により2次元的に変調された光束」を得ることができ、この光束を結像レンズにより結像光束として、スクリーン等の表示面上に結像投影すれば画像を表示できる。
Illumination light (not shown) enters as a “linearly polarized light beam close to a parallel light beam” from the outer surface of the
以下、請求項5に記載の液晶パネル用対向基板を具体的な作製例に即して説明する。 Hereinafter, the counter substrate for a liquid crystal panel according to claim 5 will be described according to a specific manufacturing example.
実施例1の「液晶パネル用対向基板」は図2に示す如き構成を有する。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図1におけると同一の符号を付する。
即ち、実施例1の液晶パネル用対向基板は、図2に示す如く、マイクロレンズアレイ基板10のマイクロレンズMLがアレイ配列形成された面に、2層の薄膜121、122を積層形成して「液層構造部(図1において符号12で示す部分)」としたものである。
The “opposite substrate for liquid crystal panel” of Example 1 has a configuration as shown in FIG. In order to avoid complications, the same reference numerals as those in FIG.
That is, the counter substrate for the liquid crystal panel of Example 1 is formed by laminating two
このような液晶パネル用対向基板を以下のように作製した。
図4に示すような円形状の石英基板100を用意した。石英基板100は平行平板状で直径:100mm、厚さ:1mmである。この石英基板100の直径:80mmの円内に、マイクロレンズアレイMLAを多数個配列した。マイクロレンズアレイMLAは全て同一構造のものである。
Such a counter substrate for a liquid crystal panel was produced as follows.
A
このマイクロレンズアレイMLAの配列形成された面に、図2に示す薄膜121と122とを積層形成するのであるが、これらの薄膜121、122として、以下のものを用いた。即ち、薄膜121として「シリカベースのゾルゲル材料を焼成したもの」、薄膜121として「スパッタリングによるSIO2の薄膜」を用いた。
The
これらの薄膜において膜面方向の応力を相殺させる条件を調べるため、図5(a)に示すように、石英基板100と同サイズの石英基板100A(マイクロレンズアレイは形成されていない。)を用意し、その片面に、粘度:15cPの「シリカベースのゾルゲル材料」をゾル状態で滴下し、1500rpmの回転速度で30秒間スピンコートし、液膜121Aとした。この液膜121Aに対して「90度Cで120秒間のプリベーク」を行い、次いで250度Cで600秒間加熱して「焼成」した。
In order to investigate the conditions for canceling the stress in the film plane direction in these thin films, a
図5(b)は焼成後の状態を示す。符号121Bが「焼成により得られた膜」を示す。焼成後の膜121Bは厚さ:4.5μmとなった。
FIG.5 (b) shows the state after baking.
焼成されたゾルゲル材料の薄膜121Bは、前述の如く「シリカガラスによる3次元骨格構造体」であるが、焼成の過程で生じる脱水反応により収縮し、膜面方向に引っ張り応力を生じ、焼成後、図5(b)に示すように石英基板100Aの反り(ゾルゲル材料の焼結による薄膜121B側に凹となる反り)を発生した。
The fired sol-gel material
干渉測定器により図の反り量:ξを測定したところ、石英基板100Aの直径:80mmの円内(マイクロレンズアレイの配列を形成する領域)において、直径:80mmに対して反り量:ξ=2.4μmであった。
When the warpage amount: ξ in the figure was measured by an interferometer, the warpage amount: ξ = 2 with respect to the diameter: 80 mm in the circle of the
次に、図6に示すように、同じ材料・同じ形態の石英基板100Bの片面にスパッタリングでSiO2の薄膜122Bを成膜した。成膜された薄膜122Bは膜厚:0.5μmとなった。
Next, as shown in FIG. 6, a SiO 2
スパッタリングにより成膜されるSiO2の薄膜122Bは、成膜の際「伸張応力」を発現させるので、伸張応力の作用により、石英基板100Bは、図6に示すように「薄膜122Bの側に凸」となるように反りを生じる。即ち、ゾルゲル材料の焼成による薄膜121Bの「引っ張り応力の作用」による石英基板100Aの反りの向きと、スパッタリングで成膜されるSiO2の薄膜122Bによる石英基板121Bの反りの向きは互いに逆である。
Since the SiO 2
石英基板121Bの反り量:ηを、干渉測定器により測定したところ、直径:80mmに対して反り量:η=1.2μmであった。この結果を、先に説明した「膜面方向の応力が相殺する条件」に当てはめてみる。
When the warpage amount: η of the
まず、焼成されたゾルゲル材料の薄膜121Bによる反り量:
C1=ξ=αaD1=αa・4.5=2.4μm、
スパッタリングで形成されたSiO2の薄膜122Bによる反り量:
C2=η=αbD2=αb・0.5=−1.2μm
であるから、
a=2.4/4.5α、b=−1.2/0.5α
であり、
(a/b)=(2.4×0.5)/(4.5×−1.2)=−(1/4.5)
となる。
First, the amount of warpage of the fired sol-gel material by the
C1 = ξ = αaD1 = αa · 4.5 = 2.4 μm,
Warpage amount due to SiO 2
C2 = η = αbD2 = αb · 0.5 = −1.2 μm
Because
a = 2.4 / 4.5α, b = −1.2 / 0.5α
And
(A / b) = (2.4 × 0.5) / (4.5 × −1.2) = − (1 / 4.5)
It becomes.
応力が相殺する条件:
D2=−(a/b)D1 (8)
に当てはめると、ゾルゲル材料の焼結による薄膜の膜厚が4.5μmである場合には、スパッタリングによるSiO2の薄膜の膜厚を4.5/4.5=1μmの厚さにすれば、石英基板の反りは生じないことになる。
そこで、図4に示した石英基板100の「マイクロレンズアレイMLAの配列が形成された面」に、上記と同一の条件で「ゾルゲル層の焼結による薄膜」を形成した。この薄膜を図7(a)に符号121aで示す。このときマイクロレンズアレイ配列面上の薄膜121aの厚さは4μmとなった。石英基板100の反りを防止するために、スパッタリングによりSiO2の薄膜121bを膜厚:0.9μm(≒4μm/4.5)に形成したところ、石英基板100には「反り」が実質的に発生しなかった。
Conditions for canceling stress:
D2 = − (a / b) D1 (8)
If the film thickness of the thin film by sintering of the sol-gel material is 4.5 μm, the film thickness of the SiO 2 thin film by sputtering is 4.5 / 4.5 = 1 μm. There is no warping of the quartz substrate.
Therefore, a “thin film by sintering of a sol-gel layer” was formed on the “surface on which the arrangement of the microlens array MLA was formed” of the
SiO2の薄膜形成後、SiO2の薄膜の上にCr(クロム)をスパッタリングで90nm成膜してCr層とし、Cr層上にフォトリソグラフィによりブラックマトリックスパターンを形成し、ウエットエッチングにより「レジスト層のブラックマトリックスパターン」をCr層に転写したのち、レジストの残渣を「硫酸/過酸化水素水混合液」で洗浄して除去した。 After film formation of SiO 2, and Cr layer was 90nm deposited Cr and (chromium) by sputtering on the thin SiO 2 film, a black matrix pattern is formed by photolithography on the Cr layer, "the resist layer by wet etching After transferring the “black matrix pattern” to the Cr layer, the resist residue was removed by washing with a “sulfuric acid / hydrogen peroxide mixture”.
その後、パターニングされたCr層上に透明導電膜としてITOを厚さ:130nmに成膜後、配列されているマイクロレンズアレイを別個に切り離して、一つ一つが「マイクロレンズアレイ基板と積層構造部とブラックマトリックスと透明導電膜とを有する、図2に示す如き液晶パネル用対向基板」を得た。切り離された各「液晶パネル用対向基板」には実質的な反りが無かった。 Then, after forming ITO as a transparent conductive film on the patterned Cr layer to a thickness of 130 nm, the arrayed microlens arrays are separated separately, and each one is “microlens array substrate and laminated structure part” 2 having a black matrix and a transparent conductive film as shown in FIG. 2 was obtained. Each separated “opposite substrate for liquid crystal panel” had no substantial warpage.
ここで、マイクロレンズアレイ基板に膜形成を行う点について若干付言すると、マイクロレンズアレイ基板において、マイクロレンズアレイを設ける意義は、前述の如く、光源側からの光をマイクロレンズによりブラックマトリックスパターンの開口部へ集光させることによりブラックマトリックスパターンによる遮光を軽減し、光源から放射される光の利用効率を高めることにある。 Here, to add a little about the point of film formation on the microlens array substrate, the significance of providing the microlens array in the microlens array substrate is that the light from the light source side is opened by the microlens as described above. By concentrating the light on the portion, the light shielding by the black matrix pattern is reduced, and the utilization efficiency of the light emitted from the light source is increased.
液晶パネルは薄型であることが好ましく、液晶パネルを薄くする観点からすると、マイクロレンズアレイ基板とブラックマトリクスパターンとの間隔は小さいほうがよい。この間隔を短くするにはマイクロレンズアレイにおける個々のマイクロレンズの焦点距離を短くすればよいが、焦点距離が短いとマイクロレンズによる集光性が強まり、液晶パネルにおける画素を通過した光の発散性が大きくなり、投射レンズへ全ての光を有効に入射させることが難しくなる。 The liquid crystal panel is preferably thin. From the viewpoint of thinning the liquid crystal panel, the distance between the microlens array substrate and the black matrix pattern is preferably small. To shorten this distance, the focal length of each microlens in the microlens array can be shortened. However, if the focal length is short, the light condensing by the microlens is enhanced, and the divergence of the light passing through the pixels in the liquid crystal panel is increased. Becomes larger, and it becomes difficult to make all the light effectively enter the projection lens.
このような問題を避けるためにマイクロレンズの焦点距離を大きくすると、液晶パネルを薄型化することが困難になる。そこで、マイクロレンズによる集光性を緩和しつつ、液晶パネルの薄型化を担保する方法として、マイクロレンズの「空気中における焦点距離」を小さく設定し、マイクロレンズアレイとブラックマトリックスとの間に「屈折率の高い材料を充填」することが考えられる。 If the focal length of the microlens is increased to avoid such a problem, it is difficult to reduce the thickness of the liquid crystal panel. Therefore, as a method of ensuring the thinning of the liquid crystal panel while reducing the light condensing property by the microlens, the “focal length in the air” of the microlens is set to be small, and “ It is conceivable to “fill a material having a high refractive index”.
実際、マイクロレンズアレイに平行光束が入射して、空気中においてマイクロレンズの焦点距離:fの位置に集光するものとし、マイクロレンズとブラックマトリックスパターンの間が空気または真空であると両者の間隔はfになるが、両者間に屈折率:N(>1)の材質を充填すると、両者の間隔は光学的距離として1/Nに圧縮されるので、両者の間隔:D、屈折率:Nの積:DNが上記焦点距離:fに等しくなるように、間隔:Dを設定することができ、N>1であるからD<fとなり、マイクロレンズの空気中の焦点距離:fより短い間隔:Dで「光をブラックマトリックスパターンの開口部へ集光させる」ことが可能になる。 Actually, a parallel light beam is incident on the microlens array and is condensed in the air at a focal length f of the microlens, and when the space between the microlens and the black matrix pattern is air or vacuum, the distance between the two However, if a material having a refractive index of N (> 1) is filled between the two, the distance between the two is compressed to 1 / N as an optical distance, so the distance between the two is D and the refractive index is N. The distance: D can be set so that DN is equal to the focal length: f. Since N> 1, D <f, and the focal length in air of the microlens is shorter than f. : D makes it possible to “focus light on the openings of the black matrix pattern”.
上記実施例1の場合だと、ゾルゲル材料の焼結による薄膜121aは厚さ:4μm、スパッタリングによるSiO2の薄膜121bは厚さ:0.9μmであり、薄膜121aの屈折率をn1、薄膜121bの屈折率をn2とすれば、マイクロレンズ面とブラックマトリックスとの機械的な間隔は4.9μmであるが、光学的な間隔は「4・n1+0.9・n2」となり、n1>1、n2>1であるから、光学的な間隔はこれに等価な空気中の間隔よりも大きくなる。従って、焦点距離の長いマイクロレンズを用いることによりマイクロレンズによる集光性を抑制しつつ液晶パネルの薄型化を実現できる。
In the case of Example 1, the
因みに、実施例1において、石英基板100の屈折率は1.46、マイクロレンズの曲率半径は4μmで、空気中における焦点距離:f=8μm、ゾルゲル材料の焼結層121aの屈折率:n1=1.41、SiO2の層の屈折率:n2は1.45である。
Incidentally, in Example 1, the refractive index of the
実施例2の「液晶パネル用対向基板」は、図3に示す如き構成を有する。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図1におけると同一の符号を付する。
即ち、実施例2の液晶パネル用対向基板は、図3に示す如く、マイクロレンズアレイ基板10のマイクロレンズMLがアレイ配列形成された面に、4層の薄膜1211、1221、1212、1222を積層形成して「液層構造部」としたものである。
The “opposite substrate for liquid crystal panel” of Example 2 has a configuration as shown in FIG. In order to avoid complications, the same reference numerals as those in FIG.
That is, in the counter substrate for the liquid crystal panel of Example 2, as shown in FIG. 3, four layers of
このような液晶パネル用対向基板を、以下のように作製した。
実施例1において用いたのと同一の石英基板100を用意した。石英基板100は平行平板状で直径:100mm、厚さ:1mmである。石英基板100の直径:80mmの円内に、マイクロレンズアレイMLAを多数個配列した。マイクロレンズアレイMLAは全て同一構造のものである。
Such a counter substrate for a liquid crystal panel was produced as follows.
The
このマイクロレンズアレイMLAの配列形成された面に、図3に示す4層の薄膜1211、1221、1212、1222とを積層形成する。これらの薄膜として、以下のものを用いた。即ち、薄膜1211、1212として「シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜」、薄膜1221、1222として「スパッタリングによるSIO2の薄膜」をそれぞれ用いた。
On the surface on which the microlens array MLA is formed, four layers of
実施例1に示したように「シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜」による反り量と、「スパッタリングによるSIO2の薄膜」による反り量とは既に分っている。従って、薄膜1211と薄膜1221の厚みをそれぞれD11、D21とすれば、これらの薄膜:1211、1221で膜面方向の応力を相殺させる条件は、
D21=−(a/b)D11=(1/4.5)D11
である。
As shown in Example 1, the amount of warping due to “a thin film obtained by firing a silica-based sol-gel material” and the amount of warping due to “a thin film of SIO 2 by sputtering” are already known. Therefore, if the thicknesses of the
D21 = − (a / b) D11 = (1 / 4.5) D11
It is.
同様に、薄膜1212と薄膜1222の厚みをそれぞれD12、D22とすれば、これらの薄膜:1212、1222で膜面方向の応力を相殺させる条件は、
D22=−(a/b)D12=(1/4.5)D12
である。
従って、膜厚:D11、D12、D21、D22を、上記の条件を満足するように設定すれば、4層の薄膜1211、1221、1212、1222の全体として膜面方向の応力を相殺させて石英基板100に実質的な「反り」が発生しないようにできる。
Similarly, if the thicknesses of the
D22 = − (a / b) D12 = (1 / 4.5) D12
It is.
Therefore, if the film thicknesses D11, D12, D21, and D22 are set so as to satisfy the above-described conditions, the stress in the film surface direction is canceled as a whole for the four layers of the
図7(b)に示すように、石英基板100上に、シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜1211aを、実施例1の方法と同様の方法で、厚さ:D11=33μmに形成し、その上にSIO2のスパッタリング膜1221aを厚さ:D21=0.75μmに形成し、さらに、シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜1212bを厚さ:D12=3.3μmに形成し、その上にSIO2のスパッタリング膜1222bを厚さ:D22=0.75μmに形成した。
As shown in FIG. 7B, a
その結果、石英基板100に実質的な反りは生じなかった。
SiO2の薄膜1222bを成膜後、SiO2の薄膜1222bの上にCrをスパッタリングで90nm成膜してCr層とし、その上に、フォトリソグラフィによりブラックマトリックスパターンを形成し、ウエットエッチングによりレジスト層のブラックマトリックスパターンをCr層に転写し、レジストの残渣を「硫酸/過酸化水素水混合液」で洗浄して除去した。
As a result, the
After forming the SiO 2
その後、ブラックマトリックスパターンとしてパターニングされたCr層上に、透明導電膜としてITOを130nmの厚さに成膜後、配列されているマイクロレンズアレイを別個に切り離して、一つ一つが「マイクロレンズアレイ基板と積層構造部とブラックマトリックスと透明導電膜とを有する液晶パネル用対向基板」を得た。この液晶パネル用対向基板には実質的な反りが無かった。 After that, after forming ITO as a transparent conductive film to a thickness of 130 nm on the Cr layer patterned as a black matrix pattern, the arrayed microlens arrays were separated separately, and each one was “microlens array”. A liquid crystal panel counter substrate having a substrate, a laminate structure, a black matrix, and a transparent conductive film was obtained. This counter substrate for a liquid crystal panel had no substantial warpage.
因みに、実施例2で用いた石英基板100に形成された各マイクロレンズの焦点距離:f=12μmは実施例1のもの(8μm)よりも大きく、従って、マイクロレンズ面とブラックマトリックスパターンの間の光学距離を大きくするために、4層の薄膜の「積層厚さ」を実施例1の場合よりも大きくする必要があり、このため、石英基板100上に、シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜とスパッタリングによるSIO2の薄膜とを交互に4層積層形成して「4層の薄膜全体として、膜面方向の応力を相殺」して石英基板100に反りを生じさせる応力が作用しないようにしている。
Incidentally, the focal length of each microlens formed on the
このようにする代わりに、石英基板100上に、シリカベースのゾルゲル材料を焼成した薄膜を1層とSIO2のスパッタリング膜を1層、計2層に積層して応力を相殺するようにしてもよい。しかし、この場合、光学的膜厚を大きくするために各薄膜の厚さが大きくなる。前述のように、形成された薄膜の膜面方向の応力は膜厚に比例するので、形成する薄膜の膜厚が大きくなると膜に生じる膜面方向の応力も大きくなる。
Instead of doing this, on the
このため、厚さの大きい2層で応力を相殺させると、膜間で大きな応力相殺が行われることになり、場合によっては、シリカベースのゾルゲル材料を焼成して厚い薄膜を形成する段階で石英基板に永久歪が生じてしまう虞もあり、永久歪が生じてしまうと、スパッタリングによるSIO2の薄膜の伸張応力をもってしても石英基板の歪を除去できず、石英基板に反りが残存してしまう虞もある。 For this reason, if stress is canceled by two layers having a large thickness, large stress cancellation is performed between the films. In some cases, the silica-based sol-gel material is baked to form a thick thin film. There is a possibility that permanent distortion may occur in the substrate. If permanent distortion occurs, the distortion of the quartz substrate cannot be removed even with the elongation stress of the SIO 2 thin film caused by sputtering, and the quartz substrate remains warped. There is also a risk of it.
このような観点からすると、形成すべき積層膜の厚さがある程度大きい場合には、引っ張り応力を発生する薄膜と伸張応力を発生する薄膜とを4層以上に交互に積層し、全体として応力相殺を行うのが良い。 From this point of view, when the thickness of the laminated film to be formed is large to some extent, the thin film that generates tensile stress and the thin film that generates tensile stress are alternately stacked in four or more layers, and the stress cancellation as a whole Good to do.
10 マイクロレンズアレイ基板
ML マイクロレンズ
12 膜積層構造部
14 ブラックマトリックスパターン
16 液晶
18 電極膜
20 基板
10 Microlens array substrate
ML micro lens
12 Film laminated structure
14 Black matrix pattern
16 liquid crystal
18
Claims (6)
上記成膜時に膜面方向に収縮する薄膜と、成膜時に膜面方向に伸張する薄膜との各薄膜
対において、成膜時に膜面方向に収縮する薄膜の焼成後の膜厚:d1と、成膜時に膜面方
向に伸張する薄膜の膜厚:d2が、
d2=(1/4.5)d1
を満足することにより、
上記片面に積層形成されるN層の薄膜全体として、膜面方向の応力が相殺され、基板に反りを生じさせる応力が作用しないように上記M対の各薄膜の膜厚が設定されていることを特徴とする膜積層基板。 A film laminated substrate formed by laminating N layers (4 ≧ N ≧ 2) thin films on at least one surface of a flat substrate, and a silica base that shrinks in the film surface direction during film formation on at least one surface of the substrate M pairs (1 ≦ M ≦ N / 2) are formed of a thin film obtained by firing the sol-gel material of the above and a thin film of SiO 2 by sputtering that extends in the film surface direction during film formation,
In each thin film pair of the thin film that contracts in the film surface direction during film formation and the thin film that extends in the film surface direction during film formation, the film thickness after firing of the thin film that contracts in the film surface direction during film formation: d1; The film thickness d2 of the thin film that extends in the film surface direction during film formation is d2
d2 = (1 / 4.5) d1
By satisfying
The film thickness of each of the M pairs of thin films is set so that the stress in the film surface direction is canceled out and the stress that causes warping of the substrate does not act as the entire N layer thin film formed on one side. A laminated film substrate characterized by the above.
薄膜対の数:Mが1であり、薄膜対を構成しない薄膜は、成膜時に応力を発生しない層であることを特徴とする膜積層基板。 The film laminated substrate according to claim 1,
Number of thin film pairs: A film laminated substrate , wherein M is 1 and the thin film that does not constitute the thin film pair is a layer that does not generate stress during film formation.
平板状の基板の、N層の薄膜を形成される側の面に、マイクロ光学面が形成されている
ことを特徴とする膜積層基板。 The film laminated substrate according to claim 1 or 2,
A film laminated substrate, wherein a micro-optical surface is formed on a surface of a flat substrate on a side where an N-layer thin film is formed.
平板状の基板の、N層の薄膜を形成される側の面に形成されているマイクロ光学面が、マイクロレンズアレイもしくはマイクロレンズアレイの配列であることを特徴とする膜積層基板。 The film-formed substrate according to claim 3,
A film laminated substrate, wherein the micro optical surface formed on the surface of the flat substrate on the side on which the N-layer thin film is formed is a microlens array or an array of microlens arrays.
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