JP5831328B2 - 液晶表示装置用カラーフィルタ - Google Patents

Description

本発明は液晶表示装置用カラーフィルタに関するものである。

近年、液晶表示装置は軽量、薄型、低消費電力等の特性を活かし、ＴＶやノートＰＣ、携帯情報端末、デジタルカメラ等、様々な用途で使用されている。

これら液晶表示装置をカラー化するために用いられるカラーフィルタは、例えば、透明基板上にブラックマトリックス、次いで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の着色膜を形成し、この上に透明保護膜や、透明導電膜、スペーサ等を形成させたものである。

カラーフィルタを備えたカラー液晶表示装置の一般的な構成について簡単に説明する。例えば図１に示すように、透明基板１０に少なくともＲ、Ｇ、Ｂの３色のカラーフィルタ層１２（Ｒ、Ｇ、Ｂ）（着色層）と、画素間の光漏れを遮光するブラックマトリクス層１１と、前記着色層およびブラックマトリクス層の保護と表面の平坦化を目的とした透明保護膜層１３と、透明導電膜層１４を備えたカラーフィルタと、別の透明基板１０に配向膜１５と、透明画素電極１６を備えたアレイ基板１０２（配線基板）とを、スペーサ１９によって規定される所定の間隔で保持し、周辺をシール材２０でシールして一対の透明基板となし、液晶層１８を封入した構造となっている。特に、ブラックマトリクス層を、遮光剤を分散させた樹脂で形成する場合、ブラックマトリクス層の厚みによってカラーフィルタ表面の凹凸が大きくなるため、カラーフィルタ表面を平坦化するために透明保護層が必須となる。

前記シール材２０でシールしているシール部（領域Ａ）には、液晶表示装置の信頼性試験等において剥がれることがないように高い密着力が求められる。しかしながら、近年ではスマートフォン用途など表示画面の拡大が進み、非表示領域の縮小化が求められ、シール幅の縮小が必要となっている。このような構成においては、外部から加えられた衝撃や圧力によって、シール部により大きな力がかかり、シール部下のカラーフィルタ形成層となる透明保護膜と透明導電膜の間で剥がれが発生するという問題があった。

この問題点を解決するために、透明保護膜または透明導電膜をパターン化し、シール部において透明保護膜と透明導電膜を積層させないように形成し、液晶表示装置を得る方法が開示されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、この方式では、表示画面のサイズや配置によって個別のフォトマスク等の部材が必要となり、コストアップとなる。

また、シール部に透明保護膜をはじく表面処理剤をあらかじめ形成し、透明保護膜をカラーフィルタ全面に塗布した後、表面処理剤を除去することで、密着性の高い液晶表示装置を得る方法が開示されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、この方式においては、表面処理剤の形成および除去という２つの工程が追加されるため、コストアップとなる。

また、透明保護膜上を大気圧プラズマに曝した後に透明導電膜を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献３）。この方式を適用することにより、コストアップを最小限に抑えつつ透明保護膜と透明導電膜の密着力を向上させることができる。しかしながら、近年のシール幅の縮小化により、これだけではシール部での密着性の向上効果は不十分であった。

一方、透明導電膜とカラー画素層との間に透明保護膜が設けられたカラーフィルタにおいて、透明導電膜の引っ張り応力と厚みの積を、透明保護膜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導電膜におけるムラやクラックの発生を抑制するカラーフィルタが開示されている（特許文献４）。

特開平５−２６５００９号公報 特開平７−１１０４７１号公報 特開２００５−２８３７８５号公報 特開２００９−１９２５７５号公報

上記問題点に鑑み、本発明は、少なくともブラックマトリクス層、透明保護膜層、透明導電膜層で構成されるカラーフィルタにおいて、コストアップすることなくシール部の密着力を向上させることを課題とする。

本発明者らは、ブラックマトリクス層、透明保護膜層、透明導電膜層の内部応力に着目した。そして、特許文献４のように、透明保護層と透明導電層の内部応力に限定するのでなく、各層の内部応力の総和の値に着目し、これが密着性と相関があることを見出し、さらに、特に好適な範囲を見出したものである。

この発明は、シール部のカラーフィルタの密着性を向上させるために、以下のカラーフィルタによって達成される。
（１）表示領域を囲むように非表示領域が形成され、前記非表示領域は少なくともブラックマトリクス層、透明保護膜層、透明導電膜層で構成された液晶表示装置用カラーフィルタであって、前記非表示領域に設けられた各形成層の内部応力の総和が５〜２５ＭＰａとなることを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルタ。
（２）前記非表示領域における透明導電膜層の内部応力が圧縮応力である（１）記載の液晶表示装置用カラーフィルタ。
（３）前記ブラックマトリクス層は、ポリイミド樹脂からなり、かつその膜厚が０．８〜１ｕｍである（１）または（２）に記載の液晶表示装置用カラーフィルタ。
（４）前記透明保護膜層は、透明樹脂からなり、かつその膜厚が０．８〜１ｕｍである（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。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載のカラーフィルタを具備する液晶表示装置。

この発明によれば、シール部のカラーフィルタの密着性を向上させることが可能となり、しいては液晶表示装置のパネル強度を向上させることができる。また、カラーフィルタの製造工程を増やすことなく、コストのかからない液晶表示装置用カラーフィルタを提供することができる。

従来の一般的な液晶表示装置の模式断面図の一例である。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

１．本発明のカラーフィルタの構成
本発明の液晶表示装置用カラーフィルタの構成を以下に説明する。本発明のカラーフィルタは、図１と同様に、透明基板の上に、樹脂ブラックマトリックス、感光性レジスト、着色膜（赤、青、緑）、透明保護膜、透明導電膜、固定スペーサが順次形成されている。

ここで、本発明で用いられる透明基板は、特に限定されるものではなく、石英ガラスやホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、表面をシリカコートしたソーダライムガラスなどの無機ガラス類、有機プラスチックのフィルム又はシート等が用いられる。

樹脂ブラックマトリクスとしては、樹脂中に遮光材を分散させてなる樹脂ブラックマトリクスが好ましく用いられる。樹脂としては、耐熱性、耐薬品性等の点からポリイミドやアクリルが好ましいが、高遮光性が可能であり、かつ表示領域内におけるブラックマトリクス線幅の細線化が可能なポリイミド樹脂を用いるのがより好ましい。

ブラックマトリクスの膜厚は、一般的に薄膜になるほど遮光特性が悪化し、バックライトの光漏れが懸念され、また厚膜になるほど表示領域の表面凹凸が大きくなり、表示品位の低下が懸念される。加えて、シール部下のカラーフィルタの密着性向上には、ブラックマトリクスの内部応力を小さくするためにより薄膜であることが好ましく、０．８〜１．０μｍの範囲が好ましい。

遮光材としての黒色顔料の例としてはピグメントブラック７、チタンブラックなどが挙げられるが、これらに限定されず、種々の顔料を使用することができる。なお、顔料は必要に応じて、ロジン処理、酸性基処理、塩基性基処理などの表面処理が施されているものを使用してもよい。

本発明で用いるブラックマトリクス層の遮光性は、その膜厚が薄膜となっても、液晶表示装置のバックライトの光漏れを防止可能であることが前提となる。具体的には１ｕｍあたりのＯＤ値が５以上であることが好ましい。

色材料としては、着色成分と樹脂成分を含むペーストであり、樹脂成分としては、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂およびポリオレフィン系樹脂等の材料が好ましく用いられる。

透明保護膜としては、透明材質であり、かつ平坦化層としての役割を有するものであればどのようなものであってもかまわない。透明保護膜の材質としては、エポキシ系の膜、アクリルエポキシ膜、アクリル膜、シロキサンポリマ系の膜、ポリイミド膜、ケイ素含有ポリイミド膜、ポリイミドシロキサン膜等が用いられる。

透明保護膜の形成は、カラーフィルタの表面保護だけでなく、着色膜間の段差等の凹凸を平坦化させる効果があることから、形成するのが好ましい。本発明では、カラーフィルタ全面に透明保護膜を形成する。このとき、透明保護膜の膜厚は、材料にもよるが、一般的には薄いとカラーフィルタ表面の平坦性向上の効果が得られず、厚いと表面自体の硬度が低下し、透明導電膜形成時に透明保護膜との界面で歪み内部応力が発生しやすくなることから、０．８〜１．０μｍの範囲が好ましい。ここでいう透明膜は、具体的には可視光領域の平均透過率が９５％以上の樹脂であることをいう。

透明導電膜としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化スズ等及びその合金を用いることができる。本発明では、カラーフィルタ全面に透明導電膜を形成する。透明導電膜の膜厚は、一般的には薄いと導電膜自体の硬度が弱くなり、ムラやクラックが発生しやすく、逆に厚いと膜の透明性が悪くなることから、１０００〜２０００オングストロームの範囲で形成することが好ましい。ここでいう透明膜は、具体的には可視光領域の平均透過率が９８％以上の金属膜であることをいう。

固定スペーサとしては、シール材と同様、熱硬化性もしくは光硬化性の樹脂が用いられる。材質としては、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等の感光性又は非感光性の材料が好ましく用いられる。

２．本発明のカラーフィルタの製造方法
本発明で用いられるカラーフィルタの製造方法の一例を以下に示す。まず、透明基板上に非感光性の樹脂ブラックマトリクスを形成する。ブラックマトリクスの形成方法は、ダイコート法、スピンコート法、ダイスピンコート法、ロールコート法、ディピィング法等が好ましく用いられる。この後、バキュームチャンバーを用いて真空乾燥を行い、オーブンやホットプレートを用いて加熱乾燥（セミキュア）を行う。セミキュア条件は、使用する材料により異なるが、通常６０〜２００℃で１〜６０分加熱することが好ましい。次いで、感光性レジスト材料をブラックマトリクスと同様に、塗布、加熱乾燥（プリベーク）した後、露光、現像を行う。プリベイク条件は、通常７０〜１５０℃で１〜６０分加熱するのが一般的である。
その後、感光性レジスト膜を剥離する工程にて剥離を行い、加熱乾燥（本キュア）を行う。本キュア条件は、ブラックマトリクスにおいて、前駆体からポリイミド系樹脂を得るために、通常２００〜３００℃で１〜６０分加熱するのが一般的である。

次に、着色膜を形成する。形成方法は、着色膜が非感光性樹脂であれば、ブラックマトリクスと同様の方法で着色膜のみを所定の領域へ形成する。
着色膜が感光性樹脂であれば、着色膜そのものが感光性であるため、感光性レジストの形成および剥離工程が不要となり、塗布、真空乾燥、加熱乾燥、露光、現像、本キュアを行い、所定の領域へ形成する。

その後、透明保護膜を形成する。本発明では、カラーフィルタ全面に透明保護膜を形成する。ブラックマトリクスや着色膜と同様に塗布、必要に応じて真空乾燥、加熱乾燥した後、本キュアを行う。パターン加工は行わないため、露光工程やエッチング工程が不要となり、コストを上げることなく形成することができる。

次いで、透明導電膜を形成する。成膜法としては、蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなど種々の方法があるが、比較的容易に、大面積でムラ無く、低抵抗の導電膜を形成することができるスパッタリング法が広く用いられている。本発明では、カラーフィルタ全面に透明導電膜を成膜し、パターン加工は行わない。したがって、透明保護膜の形成と同様、露光工程やエッチング工程が不要となり、コストを上げることなく形成することができる。

また、本発明では、透明導電膜の内部応力を圧縮応力とすることで密着性を向上させることができるが、この内部応力のコントロールは、透明導電成膜時の成膜温度を変化させることによって容易に行うことができる。

その後、必要に応じて固定スペーサを着色膜と同様の方法で形成する。

以上のように得られた本発明のカラーフィルタは、表示領域を囲むように非表示領域が形成され、前記非表示領域は少なくともブラックマトリクス層、透明保護膜層、透明導電膜層で構成され、各形成層の内部応力の総和が５〜２５ＭＰａであり、これによって高い密着性が得られる。

上記各形成層の内部応力は、上記膜厚の他にも、各形成層の材質やパターン形成面積、成膜温度によってもコントロールすることができる。これら形成層の内部応力の総和は、各形成層の内部応力を数ＭＰａ程度と抑えることで、その和を５〜２５ＭＰａとすることも考えられるが、ブラックマトリクスや透明保護膜は、樹脂形成のための本キュアにより内部応力が引っ張り応力となることから、成膜温度によってコントロールが容易な透明導電膜膜の内部応力を圧縮応力とすることが好ましい。

上記のように得られたカラーフィルタおよびこれを用いた液晶表示装置の用途としては、パソコン、エンジニアリング・ワークステーション、ナビゲーションシステム、液晶テレビ、デジタルカメラ、携帯電話などの液晶表示画面に用いられ、また、液晶プロジェクション等にも好適に用いられる。また、光通信や光情報処理の分野において、液晶を用いた空間変調素子としても好適に用いられる。空間変調素子は、素子への入力信号に応じて、素子に入射する光の強度や位相、偏光方向等を変調させるもので、実時間ホログラフィーや空間フィルター、インコヒーレント／コヒーレント変換等に用いられるものである。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。

内部応力の測定
測定方法は、レーザー光を利用した基板曲率法を用いた。測定方法は、薄膜応力測定器Ｆ２３００Ｓ（ＦＬＥＸＵＳ製）を用いて、基板上の膜の曲率半径を測定し、下記式（１）から応力を算出した。（ａ）ブラックマトリクス層、透明保護膜層、透明導電膜層をまとめて測定、（ｂ）透明導電膜層のみ測定、の２通り行った。
（式１） 応力 ＝ Ｅｈ^２／（１−ν）６Ｒｔ
Ｅ／（１−ν）：基板の二軸弾性係数
ｈ：基板の厚さ
Ｒ：基板の曲率半径
ｔ：薄膜の厚さ
ここで、本発明のいう引っ張り応力および圧縮応力の定義は、上記式１より算出した応力の値がプラスであれば引っ張り応力、マイナスであれば圧縮応力とする。

密着強度の測定
測定方法は、引っ張り試験機Ｅｚ−ｔｅｓｔ（島津製作所製）を用いて、セバスチャン法によるカラーフィルタシール部の密着強度を測定した。

実施例および実施例
カーボンブラックからなる黒色顔料、ポリアミック酸、溶剤を撹拌混合して得られた非感光性黒色ペーストを、ガラス基板（コーニング製、Ｅａｇｌｅ２０００）にダイコータで塗布し、ホットプレートで１３５℃、１０分間乾燥して、黒色の樹脂塗膜を形成した。ポジ型フォトレジスト（ＡＺ社製）をカーテンフローコータで塗布、ホットプレートで９０℃、５分間プリベイクし、超高圧水銀灯を用いて１２０ｍＪ／ｃｍ２ 紫外線照射してマスク露光した後、２．２５％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて、フォトレジストの現像と樹脂塗膜のエッチングを同時に行い、パターンを形成、メチルセロソルブアセテートでレジストを剥離し、ホットプレートで２９０℃、１０分間加熱することでイミド化させ、ブラックマトリクスを形成した。

ブラックマトリクスを形成した基板を水洗後、赤顔料、ポリアミック酸、溶剤を撹拌混合して得られた非感光性赤色ペーストをダイコータで塗布し、ホットプレートで１２０℃、１０分乾燥して、赤色の樹脂塗膜を形成した。この後、ポジ型フォトレジスト（ＡＺ社製）をダイコータで塗布、ホットプレートで９０℃、５分間プリベイクし、超高圧水銀灯を用いて１２０ｍＪ／ｃｍ^２紫外線照射してマスク露光した後、２．２５％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて、フォトレジストの現像と樹脂塗膜のエッチングを同時に行い、パターンを形成、メチルセロソルブアセテートでレジストを剥離し、ホットプレートで２８０℃、１０分加熱することでイミド化させ、膜厚２．３μｍの赤色着色パターンを形成した。

ブラックマトリックス、赤色着色パターンを形成した基板を水洗後、同様にして、緑色、青色ペーストを塗布、パターン加工し、それぞれ膜厚２．３μｍの緑色、青色の着色パターンを形成した。

ブラックマトリクス、赤色、緑色、青色の着色パターンを形成した基板を水洗後、アクリル系樹脂溶液をダイコータで基板全面に塗布し、基板温度が８０℃となるように加熱しながら６０秒真空乾燥を施した後、ホットプレートで２３０℃、１０分加熱焼成することでアクリル系樹脂を硬化させ、透明保護膜を形成した。

ブラックマトリクス、赤色、緑色、青色の着色パターン、透明保護膜を形成した基板を水洗後、ＤＣマグネトロンスパッタリング法にて膜厚１４０ｎｍの透明導電膜を基板全面に成膜した。
またこれらの得られたカラーフィルタ上および対向する配線基板にそれぞれポリイミド系の配向膜を設け、ラビング処理を施し、この２枚の基板を樹脂ブラックマトリクスにかかるようにシール剤を塗布し貼り合わせ、次にシール部に設けられた注入口から液晶を注入した後注入口を封止し、さらに偏光板を基板の外側に貼り合わせることによって、液晶表示装置を作製した。

以上の課程で得られたカラーフィルタにおいては、ブラックマトリクスおよび透明保護膜の膜厚と透明導電膜の内部応力をそれぞれ変化させたときの密着強度と、それらを液晶表示装置にした際のバックライト光の光漏れの結果を、実施例および比較例として表１に示す。

実施例と比較例の比較において、実施例１〜６はカラーフィルタで高い密着性が得られ、かつ、液晶表示装置にした際のバックライト点灯時の光漏れもなく良好であった。これに対し、比較例１〜２は、実施例１〜３のカラーフィルタの内部応力の総和を５〜２５ＭＰａの範囲外となるよう透明導電膜の内部応力を調整したものであるが、実施例１〜３に比べて密着強度が低下した。

実施例７、８は、ブラックマトリクスおよび透明保護膜の膜厚をそれぞれ０．８〜１．０ｕｍの範囲外となるよう調整し、カラーフィルタの内部応力の総和を５〜２５ＭＰａの範囲となるよう透明導電膜の内部応力を調整したものであるが、実施例７のように、それぞれの膜厚が厚くなると密着強度に低下傾向が見られた。反対に実施例８のように薄膜化すると密着強度は向上するが、ブラックマトリクスの遮光性が低下してバックライト点灯時の光漏れが発生し、また透明保護膜による平坦性が低下してカラーフィルタ表面の段差が大きくなり、液晶表示装置の画面に表示ムラが発生する結果になった。

比較例３は、実施例１〜３のブラックマトリクスと透明保護膜の膜厚において、透明電極膜の内部応力を圧縮応力から引っ張り応力に調整したものであるが、形成層の内部応力の総和が大きくなりすぎることで、密着強度が大幅に低下した。

１０ ：透明基板
１１ ：樹脂ブラックマトリクス
１２ ：着色層
１３ ：透明保護膜
１４ ：透明導電膜
１５ ：配向膜
１６ ：透明画素電極
１８ ：液晶
１９ ：スペーサ
２０ ：シール剤
１０１：カラーフィルタ
１０２：配線基板

Claims (5)

1. 表示領域を囲むように非表示領域が形成され、前記非表示領域は少なくともブラックマトリクス層、透明保護膜層、透明導電膜層で構成された液晶表示装置用カラーフィルタであって、前記非表示領域に設けられた各形成層の内部応力の総和が５〜２５ＭＰａとなることを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルタ。
2. 前記非表示領域における透明導電膜層の内部応力が圧縮応力である請求項１記載の液晶表示装置用カラーフィルタ。
3. 前記ブラックマトリクス層は、ポリイミド樹脂膜からなり、かつその膜厚が０．８〜１ｕｍである請求項１または２に記載の液晶表示装置用カラーフィルタ。
4. 前記透明保護膜層は、透明樹脂からなり、かつその膜厚が０．８〜１ｕｍである請求項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。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のカラーフィルタを具備する液晶表示装置。

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