JP5245443B2 - カラーフィルタ、及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、フラットパネルディスプレイ、特に液晶表示装置に用いられるカラーフィルタに関する。

近年、パーソナルコンピュータの発達、特に携帯用パーソナルコンピュータの発達に伴い、液晶ディスプレイ、とりわけカラー液晶ディスプレイの需要が増加する傾向にあり、現在まで、様々なカラーフィルタが考案されている。

一般的に、液晶表示素子用のカラーフィルタは、ブラックマトリクスを設けたガラス透明基板上にＲＧＢ３原色がパタニングされたカラー画素層を形成した後、オーバーコート層などを形成し、さらにその上に液晶表示素子の電極となる透明導電膜を積層して提供される。透明電極は、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化アンチモン、酸化ガリウム、酸化マグネシウムなど金属酸化物から複数種を組み合わせて、３０ｎｍから５００ｎｍ程度の範囲でオーバーコート層上に成膜されることが一般的である。透明電極には、酸化インジウムに５〜１５重量％の酸化錫を添加したＩＴＯと呼ばれる透明導電膜が最も多く用いられている。

また、オーバーコート層は一般に、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂など熱硬化性や光硬化性の樹脂組成物を用いて形成されている。このオーバーコート層には、平滑で強靭であること、透明性を有すること、耐熱性および耐光性が高く長期間にわたって黄変、白化等の変質を起こさないこと、耐水性、耐溶剤性、耐酸性および耐アルカリ性に優れていることが求められる。

しかしながら、従来のカラーフィルタは、その製造過程にて、オーバーコート層上にスパッタリングによりＩＴＯなどから成る透明電極層を形成する際には、オーバーコート層は２００〜２４０℃の高温に曝される。そのため、膨張・収縮による寸法変動を完全に抑制することは困難であり、当該オーバーコート層に接している透明電極層に割れ、はがれ、シワ、ムラなどの不具合が生じやすくなるという問題を有していた。特に透明基板ガラスのコーナー部において、透明電極層の不具合が発生しやすかった。これら透明電極層の不具合は、その膜質変化や透過率変化を伴うことが多く、局部的な抵抗値変化も伴って、液晶表示装置の表示ムラにつながる問題があった。

特許文献１には、耐熱性の十分でない有機のカラーフィルタ上へ、導電性や透明性ならびに微細パタニング性が良好な透明電極層を形成する方法が開示されている。ここでは、スパッタリング工程における基板温度を１５０℃以下で、ターゲット基材として酸化錫を６〜９重量％含有するＩＴＯ基材を用い、透明電極層を製膜後１６０〜２５０℃の温度範囲で熱処理する製造方法で、比抵抗が２×１０^-4Ω・ｃｍ前後の良好な電気特性をもつ透明電極層が示されている。

また、特許文献２には、透明電極層の表面抵抗が小さくカラーフィルタ基板の画素膜やオーバーコート膜にクラックや細かいしわが発生することを防止するカラーフィルタ基板が開示されている。ここでは、ＩＴＯ膜を４０〜１２０℃の基板温度で、アルゴンなどの不活性ガスと酸素の分圧を適当な値に制御してスパッタリングにより形成し、その後２２０〜３３０℃の温度範囲でアニール処理をすることで、室温で比抵抗が３×１０^-4Ω・ｃｍ以下で、３０〜３００ＭＰａの引っ張り応力が存在するＩＴＯ膜とする。このＩＴＯ膜はその後高温下に置かれても、残留する圧縮応力を小さいレベルに抑制するとしている。
なお、これは前記した特許文献１に示されているとおり、共にカラーフィルタにおけるＩＴＯの公知となっている製膜方法のひとつであり、これだけでは、近年の大型液晶テレビ等液晶表示装置の大型化に伴うカラーフィルタ基板の大型化によって、基板中央部とコーナー部での多面付けした各パネル同士の均質性の維持や、特に基板コーナー部での透明電極層のクラック防止や膜質変化防止の効果は不十分であった。
特開平０１−２５９３２０号公報 特許第３９６５７１６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、透明電極層に割れ、はがれ、シワ、ムラなどの不具合が発生しないカラーフィルタ、及びそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、透明電極層とカラー画素層との間にオーバーコート層が設けられたカラーフィルタにおいて、前記カラーフィルタ面内における前記透明電極層の引張り応力と厚みの積が前記オーバーコート層の引張り応力と厚みの積より大きく、
透明電極層の引張り応力と厚みの積の範囲が３５〜６０Ｎ／ｍであることを特徴とするカラーフィルタである。

また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１記載のカラーフィルタを具備することを特徴とする液晶表示装置である。

透明電極層とカラー画素層との間にオーバーコート層が設けられたカラーフィルタにおいて、従来のクラックやしわ等の不具合の発生は各層における面方向の力の大小関係がその要因となっている。本発明によれば、透明電極層の面方向に働く力すなわち透明電極層の引っ張り応力と厚みの積を、オーバーコート層の面方向に働く力すなわちオーバーコート層の引っ張り応力と厚みの積より大きくすることで透明電極層におけるムラやクラックの発生が抑制される。

また、本発明では、透明電極層の引張り応力と厚みの積の範囲を３５〜６０Ｎ／ｍとすることで、通常１〜３μｍの厚みで適用される２０〜３３ＭＰａ程度の引っ張り応力を有するオーバーコート層に対して、良好な導電性及び生産性に影響するＩＴＯの膜厚みでの適用が可能である。ここで、透明電極層の引張り応力と厚みの積を３５Ｎ／ｍ未満とすると、オーバーコート層の必要な厚みを確保することが難しくなり、反対に６０Ｎ／ｍ以上とすることは、ＩＴＯ膜質の制御が難しいため膜の厚みを上げることで対応することになるが、生産性が低下し、ＩＴＯ膜の面内ばらつきが大きくなり、また、オーバーコート層への密着が弱くなる別の問題が発生する。

また、本発明のカラーフィルタを適用することで、大型の多面付け基板に形成したカラーフィルタを用いて、その後ＩＴＯ層上に配向膜を形成し、ガラス基板のカラー層を形成していない面に偏光板を貼合した後、液晶表示装置のパネルに組み込むことで、大型基板の中央部及びコーナー部から取り出される各多面付けのパネル同士で差がなく、表示欠陥のない良好な画像を得ることが可能となる。

上述したように、オーバーコート層上に透明電極層を成膜したカラーフィルタ基板において、透明電極層のムラやクラックは、カラーフィルタ基板のコーナー部で発生する頻度が高く、このとき透明電極層の応力に注目すると透明電極層の引張り応力に分布が生じ、中心部での応力が最も大きく、周辺部、特に基板コーナーに近づくほど応力が小さくなる傾向が認められる。

この現象は、透明電極結晶化のための加熱工程後、室温まで冷やされたときの熱収縮による寸法変動が透明電極層よりオーバーコート層の方が大きいため、透明電極層はオーバーコート層に引きずられて透明電極層単層の場合よりもより収縮するため、引張り応力が結果的に緩和されるからだと考えられる。

このとき、オーバーコート層の熱収縮による変動は基板中央部では小さく、基板コーナー部では最も大きくなるため、その上層の透明電極層の応力緩和は中心部で小さく、コーナー部で大きくなると考えられる。

そのために、透明電極層の応力緩和が大きいコーナー部ほど透明電極層とオーバーコート層界面の両層の熱収縮率差による歪みが大きくなり、層間剥離によるムラや透明電極層の割れなどの不具合が生じ易くなっていると推定される。

ここで、面方向に働く力は（応力）×（断面積）で表されるが、カラーフィルタにおける各層の断面積の大小関係は厚みの大小関係に一致すると見なせるので、透明電極層における面方向に働く力をオーバーコート層の面方向に働く力より大きくするためには、透明電極層における（応力）×（厚み）をオーバーコート層における（応力）×（厚み）より大きくすればよい。

本発明において、透明電極層、およびオーバーコート層の応力は次のように測定することができる。

熱処理後の透明電極層は結晶性を有するので、参考文献１等に示されたＸ線回折（ＸＲＤ）法により、回折ピークの標準結晶状態からの差からその層内における内部応力を測定することができる。
＜参考文献１＞
三谷英樹、福良二郎：真空、１８巻、１６８ページ（１９７５年）。

ここで、透明電極層はカラーフィルタの最表面層となるため、透明電極層の応力は、カラーフィルタ基板の任意の位置からサンプルを切り出して測定することができる。具体的には、まず、ガラス基板上にカラー画素層、オーバーコート層、透明電極層を積層させることにより構成されるカラーフィルタから１辺約２０mmの正方形に切り出したサンプル片の透明電極層のＸ線回折ピークを表１に示す条件にて測定する。

同じ格子面からの回折ピークであっても、内部応力により結晶格子が変形すると、回折ピークは僅かにシフトする。表１に示した条件にて得られた測定結果からピーク角度（２θ）とｓｉｎ²Ψとの関係をプロットすると、得られた直線の傾きから、式１より、内部応力を算出することができる。

応力 ＝ 傾き × 応力定数 （式１）
ここで、 応力定数＝−（１／２）×［Ｅ／（１＋ν）］×ｃｏｔθ₀×（π／１８０）
Ｅ：透明電極ヤング率、
ν：透明電極ポアソン比
θ₀：透明電極の格子の変形が無い状態での回折ピーク角度
である。

一方、樹脂成分から成るオーバーコート層は、非晶質であることから、ＸＲＤ法で応力を測定することはできず、参考文献２等で示された関係式を利用して、オーバーコート層を成膜前後のシリコン基板曲率半径の変化を測定することにより応力を求める。
＜参考文献２＞
Ａ．Ｂｒｅｎｎｅｒ ａｎｄ Ｓ．Ｓｅｎｄｅｒｏｆｆ：Ｊ．Ｒｅｓ．Ｎａｔ１．Ｂｕｒ．Ｓｔａｎｄ．４２，１０５（１９４９）。

詳細な手順は以下のとおりである。

（１）薄膜ストレス測定装置ＦＬＸ２３２８（Ｔｅｎｃｏｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）にて、厚さ５２５μｍ、直径４インチのシリコン基板の曲率半径を測定する。

（２）前記（１）のシリコン基板の片面にオーバーコート層を形成する。

（３）オーバーコート層形成後のシリコン基板の曲率半径を測定する。

（４）式２よりオーバーコート層の応力を算出する。

応力 ＝ Ｅｈ²／［６（１−ν）Ｒｔ］ （式２）
ここで、 Ｅ：シリコン基板のヤング率
ｈ：シリコン基板の厚さ
ν：シリコン基板のポアソン比
Ｒ：シリコン基板有効曲率半径
［Ｒ＝Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１−Ｒ２）
Ｒ１：オーバーコート層成膜前のシリコン基板曲率半径
Ｒ２：オーバーコート層成膜後のシリコン基板曲率半径］
ｔ：オーバーコート層の厚さ
である。

なお、ＸＲＤ法の応力測定データと曲率半径法による応力測定データには整合性があり、直接比較することが可能である。表２に透明電極として使用される代表的材料である酸化インジウムスズ（以下ＩＴＯと略称する）をシリコン基板上に形成したサンプルについて、各方法にて測定した応力値を示す。この結果より、各測定法による結果はほぼ等しくなることが分った。

以上のことより、本発明の透明電極層の引張り応力と厚みの積がオーバーコート層の引張り応力と厚みの積より大きいことを特徴とするカラーフィルタにおいては、透明電極層の引張り応力は、カラーフィルタ基板についてＸＲＤ法により測定した値を用いる。また、オーバーコート層の引張り応力は、シリコン基板を用いて曲率半径から測定した値を用いる。なお、このシリコン基板を用いて曲率半径から測定する方法にて測定した種々のアクリル系オーバーコート材の、厚み１．０〜３．０μｍにおける硬化後の引張り応力は２１〜３２ＭＰａであった。

次に、本発明のカラーフィルタの一実施形態での製法および構成例について述べる。

カラーフィルタの基板としては、ソーダガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどの透明基板が用いられる。通常、この基板上にクロムなどから成る無機系ブラックマトリックスや、黒色顔料が分散された樹脂などからなる有機系ブラックマトリックスなどが形成される。

次ぎに積層されるカラー画素層としては通常、フォトリソ法により形成される染色膜、顔料分散膜などが用いられるが、耐熱性、耐光性などの点から顔料分散膜が好ましい。

このようにして作製されたカラーフィルタ上に、熱硬化性または光硬化性のアクリル系樹脂、またはポリイミド系樹脂組成物を塗布した後、焼成または紫外線照射により硬化させ、オーバーコート層を形成する。オーバーコート層の引張り応力は、これを構成する樹脂種、あるいはポリマー、モノマー、硬化剤などの組成で、もしくは熱処理などの硬化条件で調整できる。

次に、上記オーバーコート層上に透明電極層を形成する。透明電極層の引張り応力は、透明電極層の組成、あるいは、成膜条件（導入ガス量、基板温度、成膜時の出力など）や成膜後の熱処理条件で調整可能である。

このようにして作製されるカラーフィルタにおいて、オーバーコート層と透明電極層との厚みの大小を調整するなどにより、透明電極層の引張り応力と厚みの積がオーバーコート層の引張り応力と厚みの積より大きくすることで、本発明のカラーフィルタが得られる。

以下に、本発明の具体的実施例について説明する。図１は本発明のカラーフィルタの一実施形態の平面パターンを示す説明図で、（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ後述する透明電極（ＩＴＯ）層の引っ張り応力測定位置を示す。

＜実施例１＞
まず、縦９２０ｍｍ、横７３０ｍｍ、厚み０．７ｍｍのガラス基板１上にフォトリソ工程により厚み１μｍのブラックマトリクスパターンを形成した。その後、この基板にアクリル樹脂と顔料を混錬して成るＲ、Ｇ、Ｂ３色のカラーレジストにて、フォトリソ工程によりＲ、Ｇ、Ｂの画素パターンを形成した。各色層の厚みは１．０〜１．３μｍであった。

このようにしてカラーパターンから成る１２面の表示部２が形成された面全体に、エポキシ基を含有する樹脂と硬化剤としてブロックカルボン酸溶液を混合した熱硬化性アクリル系透明樹脂からなるオーバーコート材Ａの塗液を、スリットコーティング方式により塗工した。乾燥後オーブン中で２３０℃３０分間加熱することにより、厚み１．５μｍのオーバーコート材Ａ層を形成した。このオーバーコート材Ａ層の曲率半径から求めた引張り応力は２２．７ＭＰａであった。なお、カラーフィルタ製造工程でオーバーコート層が受ける熱履歴前後において、当該オーバーコート層の引張り応力は変化しないことを確認した。

上記オーバーコート材Ａ層上にスパッタリング法にて約７０℃の基板温度でスパッタリングにより厚み１７０ｎｍのＩＴＯ層を形成した後、２３０℃で６０分間アニール処理を行うことによりＩＴＯ層を結晶化させた。

ここで、図１に示すカラーフィルタ基板上の（イ）、（ロ）、（ハ）の各位置よりカラーフィルタの小片を切り出し、ＸＲＤ法にてＩＴＯ層の引張り応力の測定をしたところ、
中心部（イ）にて３１３．３ＭＰａ、コーナー部（ハ）にて３３６．９ＭＰａ、（イ）と（ハ）の中間点（ロ）にて３２９．６ＭＰａであった。

このようにして得られたカラーフィルタにおけるオーバーコート材Ａ層、およびＩＴＯ層の、引っ張り応力と、引っ張り応力と厚みの積および、７３０ｍｍ×９２０ｍｍサイズのカラーフィルタ基板１０枚中のＩＴＯムラおよびクラックが発生した枚数との関係を、実施例１の結果として表３に示す。

表３に示したように、実施例１において、ＩＴＯ層の引張り応力と厚みの積をオーバーコートＡ層の引張り応力と厚みの積より大きくすることにより、ＩＴＯ層でのムラ、およびクラックの発生を抑制することができた。

＜実施例２＞
オーバーコート材Ａ層の厚みを１．０μｍ、ＩＴＯ層の厚みを１４０ｎｍにした以外は実施例１と同じ材料、同じプロセスにて製造したカラーフィルタについての結果を実施例２の結果として表４に示す。

表４に示したように、実施例２においても、ＩＴＯ層の引張り応力と厚みの積をオーバーコート材Ａ層の引張り応力と厚みの積より大きくすることにより、ＩＴＯ層でのムラ、およびクラックの発生を抑制することができた。

＜実施例３＞
オーバーコート材を、エポキシ基を含有する樹脂と硬化剤としてカルボン酸溶液を混合した熱硬化性アクリル系透明樹脂からなるオーバーコート材Ｂに置き換えた以外は実施例１と同じ材料、プロセスにて製造したカラーフィルタについての結果を実施例３の結果として表５に示す。

表５に示したように、ＩＴＯ層の引張り応力と厚みの積をオーバーコート材B層の引張り応力と厚みの積より大きくすることにより、ＩＴＯ層でのムラ、およびクラックの発生を抑制することができた。
＜実施例４＞
実施例２にて作製したカラーフィルタを、ＩＴＯ層上に配向膜を形成し、ガラス基板のカラー層を形成していない面に偏光板を貼合した後、液晶表示装置のパネルに組み込み画像を表示したところ、表示欠陥のない良好な画像を得ることができた。

以下に、本発明の比較例につき説明する。

＜比較例１＞
オーバーコート層の厚みを１．５μｍ、ＩＴＯ層の厚みを１４０ｎｍにした以外は実施例１、２と同じ材料、プロセスにて製造したカラーフィルタについての結果を比較例１の結果として表６に示す。

＜比較結果＞
表６に示したように、ＩＴＯ層の引張り応力と厚みの積がオーバーコート層の引張り応力と厚みの積より小さい場所においては、ＩＴＯムラおよびクラックが発生した。

また、比較例１にて作製したカラーフィルタを、ＩＴＯ層上に配向膜を形成し、ガラス基板のカラー層を形成していない面に偏光板を貼合した後、液晶表示装置のパネルに組み込み画像を表示したところ、ＩＴＯにムラおよびクラックが生じていた部分で、容易に視認できるスジ状の画像欠陥が発生した。

本発明のカラーフィルタの一実施形態の平面パターンを示す説明図。

符号の説明

１・・・カラーフィルタ基板
２・・・表示部
３・・・透明電極（ＩＴＯ）層の引っ張り応力測定位置（イ）（ロ）、（ハ）

Claims (2)

1. 透明電極層とカラー画素層との間にオーバーコート層が設けられたカラーフィルタにおいて、前記カラーフィルタ面内における前記透明電極層の引張り応力と厚みの積が前記オーバーコート層の引張り応力と厚みの積より大きく、
   透明電極層の引張り応力と厚みの積の範囲が３５〜６０Ｎ／ｍであることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 請求項１記載のカラーフィルタを具備することを特徴とする液晶表示装置。