JP5733065B2 - 液晶表示パネルとその修復方法 - Google Patents

Description

この発明は、透明基板上に形成されたスイッチング素子で駆動するアクティブマトリクス型の液晶表示装置に用いられる液晶表示パネルに関するものである。

近年、液晶表示パネル等のＦＰＤはその軽量、薄型、低消費電力等の影響でテレビ、カーナビ、コンピュータを始めとして多くの分野で利用されている。そのパネルサイズは年々大型化、画素の無欠陥化の要求が大きくなり、欠陥部の修復技術は製造工場内の生産性を向上するために必要不可欠である。液晶表示パネルは互いに対向する一対の基板を有し、基板間がスペーサーによって一定に保持されており、その基板間は液晶が満たされている。１つの基板は、薄膜ドランジスタ（以下、ＴＦＴと記載）とＴＦＴに接続する画素電極を形成したアクティブマトリクス型のアレイ基板であり、それに対向する基板には通常カラーフィルタ（以下、ＣＦと記載）が形成されている。ＣＦが形成されている基板をカラーフィルタ基板（ＣＦ基板）とも言う。

それぞれの基板上には導電膜が形成されており、互いの導電膜間において蓄えられた電荷により、液晶の駆動を制御している。ＴＦＴのトランジスタ形成部や配線部における液晶の駆動は、画素からなる表示部のそれと比較すると制御することが困難であるため、対向するＣＦ側に遮光領域（以下ＢＭと記載）を形成し、光の透過を抑制することで、美しい表示が可能となる。

アレイ基板は多数の独立した画素を有しているが、その一つにＴＦＴ製造工程でパターン異常が発生したり、対向基板（ＣＦ基板）との間に異物や不純物が混入したりすると、その画素は周囲より明るい輝点欠陥となり、品質の低下を招く。たとえ輝点画素が数万画素の中の１つで生じたとしても、近年では輝点が存在しない高品質な液晶パネルの市場要求が強くなっているため、不良品となる場合がある。こうした不具合の発生に対しては、修復技術が重要となる。つまり、数万画素中の１つの欠陥を修復するという、比較的容易な方法で歩留まりや品質を向上させることができる。

欠陥画素が周囲より明るい輝点不良の画素を修復する方法として、周囲の画素より目立たなくするために黒点化を行う方法が知られている。画素の黒点化とは、画素を常時黒表示とすることである。黒点化のリペア技術として、レーザー光の照射により画素電極をゲートに接続させ、一定の電圧をかけることで、常時黒表示をさせる方法がある。これはＴＦＴにパターン欠陥が生じた場合に有効な方法であるが、たとえばアレイ基板とＣＦ基板との間の液晶中に異物が存在することにより生じる欠陥には用いることができないというデメリットを持つ。また、レーザー光を照射した部分の接続強度は正常な部位に比べると弱いため、後になって当該接続が外れて輝点不良が再発する危険が伴う。

黒点化を電気的に制御する方法以外に、画素そのものを黒く色づけることで、黒点化をする技術も存在する。例えばＣＦの色材内にカーボンを封入したマイクロカプセルを混入させ、レーザーによりカーボンを色材内に散乱させる技術（特許文献１参照）や、ＣＦのＢＭ部にレーザーを照射させることでＢＭの黒色部を削り取り、色材とガラス内に拡散させて黒点化させる技術（特許文献２参照）が知られている。

しかし、前者の方法では色材内にカーボンを封入させることにより、液晶表示パネルの透過率を低下させ、性能を犠牲にするデメリットが大きい。また、後者には高開口率な高性能の液晶表示パネルだとＢＭ部が細く形成されており、画素を黒点化するに十分な量のＢＭを確保できず、黒点化が困難であるというデメリットがある。

特開平４−３６１２２８号公報 特表２０１１−５０４５９９号公報

背景技術におけるいずれの手法によっても、液晶表示パネルの性能を低下させることや、リペアが不完全な結果となってしまうことが、課題として残る。本発明は、液晶表示パネルの性能を低下させることなく、より確実に欠陥部をリペアすることができるように工夫した材料を使用し、リペアを実施することで、上記の課題を解決し、ひいては歩留まり向上・品質向上につなげることを目的としている。

本発明は、液晶と前記液晶に電圧を印加する画素電極と、前記画素電極に電圧を印加するスイッチング素子と、前記画素電極以外の領域を覆って前記画素電極と対向する開口部を有する遮光部と、前記開口部の全面と重なり合うように形成される色材と、前記遮光部の一部であって、前記開口部に隣接する黒色粉末封入ポケットと前記黒色粉末封入ポケットを覆うように形成する封入部と、前記黒色粉末封入ポケット内に封入されている黒色粉末とを有することを特徴とする液晶表示パネルに関するものである。

本発明によれば、液晶表示パネルの表示領域における画素周辺部に黒点化に必要な黒色の粉末を封入しておき、輝点欠陥が存在する画素に隣接する黒色粉末部にレーザーを照射し、黒色粉末を欠陥画素内に拡散させることで、輝点欠陥を黒点化させることが容易にできるように工夫したものである。しかも本来の液晶表示パネルの性能を低下させることなく、リペアを確実に実施できるメリットがある。

本発明の実施の形態１にかかる液晶表示パネルのカラーフィルタ平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる液晶表示パネルのカラーフィルタ断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる液晶表示パネルの修復方法を示すカラーフィルタ断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる液晶表示パネルの修復方法を示すカラーフィルタ平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示パネルのカラーフィルタ平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示パネルのカラーフィルタ断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示パネルの修復方法を示すカラーフィルタ断面図である。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図１に、本発明の実施の形態１にかかるＣＦ基板の平面図を示す。図２は、図１においてＡ−Ａで示す箇所の断面図である。図３は、本発明の実施の形態１にかかる輝点欠陥の修復を示すＣＦ基板の断面図である。

図１、２から、ＣＦ基板においてはガラス基板１上に、遮光部２が形成されている。遮光部２は、格子状で開口部３を有する。ここで、開口部３は表示領域内の１画素（図示しない）に対応している。すなわち、アレイ基板上で薄膜トランジスタ等のスイッチング素子により電位が印加される画素電極（図示しない）と対応している。遮光部２はブラックマトリクスからなる第１遮光部２ａを備えており、さらに黒色粉末封入ポケット４と封入材５とを備えた第２遮光部２ｂを備えている。

第２遮光部２ｂは、第１遮光部２ａが形成されていない領域に形成されるが、少なくとも１つの開口部３に隣接するように形成されている。図１においては、１つの開口部３をはさんで対向するように２つの第２遮光部２ｂが開口部３に隣接して配置されているが、第２遮光部２ｂの数や位置はこの限りではない。１つの開口部あたりの数が多いほど黒化の効果も増大するが、１個以上あれば発明の効果を奏する。第２遮光部２ｂは局所的・離散的に配置しなくても、たとえば、開口部３の周辺を囲むように形成してもよい。

前述した通り、第２遮光部２ｂは、ガラス基板１上に形成された黒色粉末封入ポケット４とそれを覆うようにして形成されている封入材５とを有する。図２からわかるように、第２遮光部２ｂの一部である封入材５は色材７に隣接している。そして、黒色粉末封入ポケット４は封入材５に覆われており色材７とは隣接していない。

ここで、第２遮光部２ｂも第１遮光部２ａと同じく遮光機能を有する必要があるため、黒色粉末封入ポケット４の中に封入される黒色粉末６も光透過率が低いほうがのぞましい。具体的にはカーボン(黒鉛)粉末や金属酸化物粉末等の黒色粉末がのぞましい。封入材５は黒色粉末６が外に漏れないように被覆するためのものである。封入材５も遮光機能のためには、光透過率が低い方が望ましく、具体的には樹脂ブラックマトリクス（樹脂ＢＭ）がのぞましい。

開口部３を覆うように色材７が形成されている。色材７はカラーフィルタの色と対応し、一般的にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のいずれかである。しかし、カラーフィルタがＲＧＢ以外の色を含む４色以上を有している場合、色材７の色もＲＧＢ以外の色を有することとなる。カラーフィルタが透明な色を含む場合は、色材７も光学的に透明であり、本発明における色材とはそのようなものも含んでいる。

色材７と遮光部２との間にすき間があるとそこから光が漏れるため、開口部３付近で色材７と遮光部２とは一部重畳する。すなわち、色材７は開口部３だけでなく、開口部３付近の遮光部２も覆う。ここで、色材７は第２遮光部２ｂを完全に覆っており、色材７の形成される領域の端部は第１遮光部２ａ上に位置していてもよい。必ずしもこのように完全に覆う必要は無いものの、その方が黒化の効果が高いためであるが、その理由については後述する。

図１、２から、色材７や遮光部２を覆うようにして、樹脂等からなる平滑材８(オーバーコート)が形成されている。この平滑材は無くてもよい。さらに、平滑材８を覆うようにして透明導電材９が形成されている。この透明導電材９は液晶表示パネルにおいて、ＴＦＴ等のスイッチング素子が形成されるアレイ基板上の画素電極と液晶を介して対向する共通電極を構成するものである。したがって、ＩＰＳ等の横電界方式のように共通電極をアレイ基板上に形成する場合には、透明導電材９は形成せず、色材７や遮光部２上には平滑材８のみを形成する。

次に、図１、２に示すカラーフィルタの製造方法について説明する。
ガラス基板１上に第１遮光部２ａとなるブラックマトリクスを形成する。まず、クロム等の金属膜をスパッタ法や蒸着法などの成膜方法により形成する。その後、写真製版プロセスを経て、図１に示すように第１遮光部２ａの形状にパターニングを行う。

次に、第２遮光部２ｂに黒色粉末６を形成する。具体的には、微細ノズルから黒色粉末を第２遮光部２ｂに適量を滴下することにより黒色粉末ポケット４を形成する。その後、黒色粉末ポケット４の上から微細ノズルで樹脂ＢＭ等を適量落とした後、ＵＶ硬化や熱硬化などの方法で硬化させることにより黒色粉末を密封する封入材５となす。

さらに、色材７を塗布・パターニングもしくは、マスク蒸着法により形成する。この際、画素周辺部において色材７は遮光部２と重畳するように形成し、さらに色材７は第２遮光部２ｂの封入材５を覆うように形成する。その後、平滑材８を塗布する。その後、透明導電材９をスパッタ法や蒸着法により成膜して、適宜パターニングを行う。

次に、図１、２に示すカラーフィルタに対応する画素において輝点欠陥が生じた場合に、それを黒点欠陥とするための修復方法について図３を用いて説明する。図３にレーザー照射後のＣＦ基板の断面図を示す。レーザー１０をＣＦのガラス基板１側より照射し、封入材５を破損させ、開口部３における色材７とガラス基板１との隙間へと黒色粉末６を拡散させることにより、ＣＦ基板の開口部３に対応する領域を黒化させる。

ここで、もし色材７が封入材５を覆っていなければ、黒色粉末６は開口部３以外の領域、たとえば第１遮光部２ａに拡散してしまい、十分な黒化がなされないことになる。本実施の形態１においては、色材７が封入材５を覆っているため、黒色粉末６が開口部３の色材７とガラス基板１の隙間へと拡散し、黒化がなされる。レーザーの波長は、適宜決めてよく、一般的には、1064ｎｍ、532ｎｍ、355ｎｍ、266ｎｍ等を用いる。

なお、実施の形態１においては、ＴＦＴ等のスイッチング素子を備えたアレイ基板と液晶を介して対向するカラーフィルタ基板を例にして説明したが、その限りではない。アレイ基板上にカラーフィルタを形成するＣＦ・オン・アレイと呼ばれる液晶パネルにおいても適用することは可能である。この場合、アレイ基板上に形成されたカラーフィルタを囲む遮光部に黒色粉末封入部を設けることにより同様の効果を得ることが可能である。

また、第１遮光部と第２遮光部とは同じレイヤーで形成したが、異なる層で形成してもよい。この場合、遮光効果を増すために第１遮光部と第２遮光部とは一部重畳していてもよい。
実施の形態２

実施の形態１では黒色粉末を用いた輝点欠陥の黒点化について説明したが、画素の寸法が大きいパネルや開口率が高いパネルにおいては、画素全体を十分に黒点化できる黒色粉末を格納するスペースが得られない可能性がある。本実施の形態２においては、実施の形態１の修復方法に加えて、レーザーをＣＦ基板の開口部の中央部に照射することによりＣＦを直接的に黒化させる工程も追加することを特徴とする。

画素全体を黒化するために十分な量の黒色粉末を格納するスペースが無い場合、レーザー照射により黒色粉末が開口部内へと拡散しても、開口部の中央部まで到達しきれないことがある。この場合、結果として液晶表示パネルの画素周辺部は黒くなるものの、画素中央部のみ十分な黒化ができないことになる。一方、レーザー照射によりＣＦの色材を直接黒化する方法には、画素周辺部にレーザーを照射した場合、その周辺に配向異常領域を発生させるデメリットがあるものの、レーザー照射領域を画素中央部に限定すれば上記の問題はかなり軽減されることとなる。

本実施の形態２においては、黒色粉末を格納するスペースが少ないパネルにおいて、実施の形態１に係る黒化の方法と、レーザーによりＣＦを直接的に黒化する方法とを組み合わせることにより双方のデメリットを補いあい、画素の中央部も周辺部も含む全面について十分に黒化させることが可能となる。

次に、実施の形態２にかかる修復方法について、図４を用いて説明する。まずＣＦもしくはＴＦＴガラス面側より開口部中央部３ｂにレーザー１０を照射し、開口部の中央部３ｂにおける色材７や有機膜等を炭化させ、それらの光透過率を低下させる。すなわち、画素を黒点化する。この時、画素周辺部３ａにはレーザー１０を照射しないようにする。

次に画素周辺部３ａの第２遮光部２ｂに封入した黒色粉末ポケット４にレーザー１０をＣＦ基板のガラス基板１側より照射し、封入材５を破損させ、色材７とガラス基板１の隙間に黒色粉末６を拡散させることにより、ＣＦ基板の開口部の周辺部３ａを黒化させる。

なお、レーザー１０をＣＦ基板に直接的に照射してＣＦを黒化させる工程と、レーザー照射により黒色粉末を拡散させる工程の順番は、いずれが先であってもよいし、同時に行ってもよい。たとえば、ＣＦ基板の開口部の中央部３ｂに照射する系統と、黒色粉末６にレーザーを照射する系統とを別に有するレーザー照射装置を用いてもよい。ここで、別系統とは、異なるレーザー素子を複数有していてもよいし、時分割で照射工程を分けてもよい。照射領域によって、最適なレーザーのパワー、波長、パルス幅等のパラメータを切り換えてもよい。また、あらかじめ画素の寸法、隣接画素との隙間、ブラックマトリクスの寸法を設定させるか画像認識で読み取って、レーザーの照射前に照射領域を設定してもよい。

さらに、色材７の光透過率を低下させる領域と、黒色粉末６を拡散させることにより黒化させる領域が開口部３内で一部重畳してもよい。これらを組み合わせることにより、さらなる黒点化の制御性の向上と生産性の増大とを達成することができる。
実施の形態３

実施の形態１においては、黒色粉末を遮光部内に配置する形態について説明した。本実施の形態３では、アレイ基板と対向基板との面内のギャップを制御するための柱スペーサー内に黒色粉末を封入し、レーザーの照射により画素内に黒色粉末を拡散させることを特徴とする。その構造や方法について、以下、図５〜７を用いて説明する。

図５は、本実施の形態３にかかる液晶表示パネルの平面図であり、図６は、図５においてＢ−Ｂで示す箇所の断面図である。図５において、遮光部２に囲まれた開口部３の全面と重なり合うように形成されている色材７と近接するように柱スペーサー１１が形成されている。ここで、柱スペーサー１１は一般的にセルギャップを一定間隔で保つために形成されているが、図５に示すように遮光部２内に配設される。

図５においては、柱スペーサー１１は、各開口部につき１個形成しているが、その数、位置はこのかぎりではない。数は１個以上あればよく、位置は画素の４辺どこに設置させてもよい。

次に、断面図の図６も用いて柱スペーサー１１を説明する。本実施の形態３においては、具体的には、図６のように、ガラス基板１上にBM(ブラックマトリクス)２、色材７、更には液晶の駆動方法の違いにより必要なら有機膜等からなる平滑材８、およびITO等の透明導電材９を形成してなる。ＣＦの柱スペーサー１１を形成する領域は遮光部２内に位置するが、その箇所には第１遮光部２ａや色材７や有機膜等からなる平滑材８を形成しないで柱スペーサー１１用の窪み１２を形成する。そして、その窪み１２内に柱スペーサー１１を形成する。図６においては、柱スペーサー１１は色材７と直接接触しておらず近接しているが、直接接触していてもよい。ここでいう近接とは直接接触する場合も含んでいる。

柱スペーサー１１の中央部は空洞にしておき、上部に穴を形成する。ここが黒色粉末ポケット４に該当する。黒色粉末ポケット４内に黒色粉末６を適量入れ、柱スペーサー１１の上部において封入材５で黒色粉末６を封入し固化させる。黒色粉末６は光の透過率が低い材料が望ましく、カーボン(黒鉛)粉末や金属酸化物粉末等が良い。また、封入材５は柱スペーサー１１と同様の材料等を用いる。

柱スペーサー１１は一般的にセルギャップを一定間隔で保つために形成されており、ＢＭ部(０．１μm程度)よりはるかに厚みがある(２〜５μm程度)。したがって、柱スペーサー１１の内部には遮光部２よりも多量の黒色粉末６を封入することができるため、画素が大きく開口率が高いパネルにおいても十分に黒点化が可能となる。

また黒色粉末６を多量に含むことを可能とするため、黒色粉末ポケット４の厚みは色材よりも厚くするとよい。

次に輝点欠陥を黒点とする修復の方法を図７に示す。ＣＦ基板の裏面から黒色粉末ポケット４にレーザー１０を照射することにより、開口部３における色材７とその下層の基板１との隙間に黒色粉末６を拡散させるという点で、実施の形態１の記載とほぼ同様の修復方法である。実施の形態１と異なる点は、本実施の形態３においては、レーザー１０は封入材５を破壊するのではなく、柱スペーサー１１の周囲の透明導電材９と第１遮光部２ａとを破壊する点であり、レーザー照射条件も適宜調整する必要がある。

なお、本実施の形態においては、カラーフィルタ基板のブラックマトリクスにレーザーを照射する製造方法について記載したが、この形態に限られることはない。

たとえば、カラーフィルタやブラックマトリクスがアレイ基板上にあってもよい。対向電極を形成する基板が、対向基板ではなくアレイ基板であるようなＩＰＳやＦＦＳにおいても適用可能である。この場合、色材７は必ずしもガラス基板１上に形成しなくともよい。たとえば、アレイ基板上のＴＦＴや画素電極と同じレイヤーに色材７を形成してもよいし、ＴＦＴや画素電極を覆う絶縁膜上に形成してもよい。色材７に対応する開口部３を有するような遮光部もアレイ基板上に適宜形成することができる。

特に、アレイ基板においてはＣＦ基板よりもレイヤー数が多いため、第２遮光部と色材とを第１遮光部とは異なるレイヤーに形成してもよい。たとえば、アレイ基板上の遮光部と画素電極との間の容量を考慮する必要がある場合、第１遮光部と画素電極との間の絶縁層の数を第２遮光部と画素電極との間の絶縁層の数よりも大きくしてもよい。

また、本実施の形態においては、光を透過する画素電極を例にして説明したが、光を反射する画素電極を配して外光を利用する反射型液晶表示装置においても適用可能である。もちろん、反射画素電極と透過画素電極とを備えた半透過型液晶表示装置においても適用可能である。

また、カラーフィルタが無いモノクロ型の表示装置においても、ブラックマトリクスと黒色粉末が拡散する隙間があれば、本発明の製造方法を適用することができる。なお、この場合、色材といっても光学的には透明な樹脂等となる。すなわち、本発明の意義は黒化であるため、色材の中には透明なものを含むこととなる。

本実施の形態を適宜組み合わせてもよい。たとえば、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせてもよい。

１ ガラス基板
２ 遮光部、２ａ 第１遮光部、２ｂ 第２遮光部、
３ 開口部、３ａ 開口部周辺部、３ｂ 開口部中央部
４ 黒色粉末封入ポケット、５ 封入材、６ 黒色粉末
７ 色材、８ 平滑材、９ 透明導電材
１０ レーザー、１１ 柱スペーサー、１２ 窪み

Claims (6)

1. 液晶と、
   前記液晶に電圧を印加する画素電極と、
   前記画素電極に電圧を印加するスイッチング素子と、
   前記画素電極以外の領域を覆って、前記画素電極と対向する開口部を有する遮光部と、
   前記開口部の全面と重なり合うように形成される色材と、
   前記遮光部の一部であって、前記色材に隣接する封入部と
   前記封入部に覆われている黒色粉末封入ポケットと、
   前記黒色粉末封入ポケット内に封入されている黒色粉末と、
   を有することを特徴とする液晶表示パネル。
2. 液晶と、
   前記液晶に電圧を印加する画素電極と、
   前記画素電極に電圧を印加するスイッチング素子と、
   前記画素電極以外の領域を覆って、前記画素電極と対向する開口部を有する遮光部と、
   前記開口部の全面と重なり合うように形成される色材と、
   前記遮光部内に配設されて、前記色材に近接する柱スペーサーと
   前記柱スペーサーに覆われている黒色粉末封入ポケットと、
   前記柱スペーサーの上部にあって前記黒色粉末封入ポケットを封止する封入部と、
   前記黒色粉末封入ポケット内に封入されている黒色粉末と、
   を有することを特徴とする液晶表示パネル。
3. 前記黒色粉末封入ポケットは、前記色材よりも厚いことを特徴とする請求項２に記載の液晶表示パネル。
4. 請求項１ないし３のいずれかの請求項に記載の液晶表示パネルに対して、
   レーザー光を前記黒色粉末封入ポケットに照射することにより
   前記黒色粉末を前記遮光部から前記開口部へと拡散させる工程を含むことを特徴とする
   液晶表示パネルの修復方法。
5. 前記開口部の中央部に対応する領域の前記色材にレーザー光を照射することにより、
   前記色材の光透過率を低くする工程をさらに含むことを特徴とする
   請求項４に記載の液晶表示パネルの修復方法。
6. 前記遮光部内にあって前記色材に近接する柱スペーサーを有し、
   前記柱スペーサーは、前記黒色粉末封入ポケットを有していることを特徴とする請求項４または５に記載の液晶表示パネルの修復方法。

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