JP6075021B2 - カラーフィルタおよび平面型カラー表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、カラーフィルタとそれを用いる平面型カラー表示装置に関する。

近年、薄型の電子表示装置が多用されるようになり、特にカラー表示が可能な平面型カラー表示装置により、多量の画像を見やすく簡便に出力できる技術が格段に進歩している。平面型カラー表示装置として、液晶表示装置が広く普及し、有機ＥＬ表示装置も利用が進んでいる。

液晶表示装置において、カラーフィルタは、バックライトからの白色光を液晶のスイッチング素子により画素毎に選択的に通過させた光を、所定の波長領域に限定して吸収されない着色光を出射する手段として利用され、カラー表示に必須の重要部品となっている。液晶表示装置のカラー表示に用いられるカラーフィルタは、ガラス等の透明基板上にブラックマトリクスによる遮光パターンと、遮光パターン間に規則的に配置される着色透明画素パターンとを形成し、必要に応じて透明電極層を上層に設ける。アクティブマトリクス方式の液晶駆動を行う場合には、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）等による駆動回路を形成した電極基板に液晶層と配向膜を介して、前記カラーフィルタを設けた基板を対向させて封止することにより、表示装置用セルを製造することができる。

有機ＥＬ表示装置は、基板上に少なくとも陽極と有機発光層と陰極とを含み、電極間に電界をかけることにより、該有機発光層に電子と正孔を注入し発光させる有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子と略称）からなり、有機ＥＬ素子は自発光型素子であることから、液晶ディスプレイのようにバックライトを用いなくても表示が可能である。また、素子構造が単純であるため、薄く、軽量な素子を作製することができる。有機ＥＬ表示装置は、自発光素子の発光波長域を制御し選択することによって、原理的にカラーフィルタを用いなくてもカラー表示が可能であるが、有機ＥＬ素子からの発光波長をカラーフィルタにより色補正することにより、表示品位を向上することができるため、カラーフィルタを効果的に用いることができる。

カラーフィルタは、着色透明画素をパターン形成して、透過光の波長領域を制限するため、一般的に表示装置の高輝度化とそれに伴う低消費電力化の達成に対して障害となる。表示品位のレベルを高く保ちつつ高輝度表示が可能な明るいカラーフィルタと表示装置が、特許文献１および特許文献２により提案されている。

上記の特許文献では、いずれも通常のカラーフィルタにおける着色画素パターンに使用される赤色（Ｒ）緑色（Ｇ）青色（Ｂ）の配列に加えて白色（Ｗ）の画素パターンを追加して配列することにより明るいカラーフィルタを用いることを提案している。
図３は、カラーフィルタの画素の平面配列の例を模式的に示す。太い実線で囲った矩形の領域が表示装置の表示ドットに対応する一画素を示し、細い実線の仕切りにより画素を構成する異なる色相からなる単位画素の配列を示す。単位画素の配列の代表例として、図３（ａ）は、ストライプ状配列、図３（ｂ）は、田の字状配列をいずれも４色構成の例で示す。ストライプ状配列の画素１が、赤色単位画素１Ｒ、緑色単位画素１Ｇ、青色単位画素１Ｂ、白色単位画素１Ｗの４つの領域の規則的配列からなり、田の字状配列の画素２が、赤色単位画素２Ｒ、緑色単位画素２Ｇ、青色単位画素２Ｂ、白色単位画素２Ｗの４つの領域の規則的配列からなることを示している。
以下の説明では、単位画素の平面配列に関して、図３（ａ）のストライプ状配列の４色構成を例として述べる。

図２は、上述の白色単位画素を有するカラーフィルタの例について、断面構成の異なる２つの例を説明するための模式断面図である。いずれの例も、ガラス等の透明基板３の片側表面に遮光パターンとなるブラックマトリクス４を形成した後、異なる色相からなる複数種類の単位画素を規則的にブラックマトリクス間に配置した画素層５を形成し、画素層上を透明なオーバーコート樹脂層６で共通に被覆してなる。

図２（ａ）は、白色単位画素５Ｗが専用の色相を有する透明樹脂材料からなり、他の赤色単位画素５Ｒ、緑色単位画素５Ｇ、青色単位画素５Ｂと同様のプロセスで形成される。この例では、白色単位画素を含まない従来の場合と較べて、単純に１色分の形成プロセスが追加されるので、製造工程の長さに起因する製造コストを高くするとともに、良品率の低下要因ともなる。

図２（ｂ）は、白色単位画素５Ｗが専用の色相を有する透明樹脂材料を持たない例であって、白色単位画素の占めるべき空間は、赤色単位画素５Ｒ、緑色単位画素５Ｇ、青色単位画素５Ｂ形成後に、オーバーコート樹脂層６で埋められる。この例では、白色単位画素とオーバーコート樹脂層とを一括形成できるため、コストや良品率への影響は小さいが、白色単位画素上のオーバーコート樹脂層に無視できない凹み量ｄを有する凹みが発生し、カラーフィルタ全体の平坦性を損なうことになるため、品質上、好ましくない。

特開平１１−２９５７１７号公報 特開２００６−２５９１３５号公報

前述の白色単位画素を形成するカラーフィルタにおいて、製造工程上の問題や平坦性に関わる品質上の問題があることの他に、さらに色度上の問題がある。すなわち、オーバーコート樹脂層と一括形成したり、専用の白の色相を有する顔料をオーバーコート樹脂層と同様の樹脂材料と混合して用いたりする場合に、オーバーコート樹脂層の樹脂材料に起因する僅かな黄色の着色の影響が残り、白色単位画素の色度値が若干黄色に偏り、その結果、カラーフィルタ全体としてのホワイトバランスが黄味寄りになる問題がある。
図２（ａ）に示した構成のカラーフィルタであれば、白色単位画素５Ｗを構成する材料に若干の青色を呈するように青色顔料を混合して予め調整することにより、透明なオーバーコート樹脂層の材料に起因する僅かな黄色の着色の影響を打ち消すことも可能であるが、材料設計と工程の複雑さは解消しない。

本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、白色の単位画素を有する複数の画素と複数の画素上を透明なオーバーコート樹脂層で共通に被覆する構造を有するカラーフィルタを、製造工程を長くすることなく、高品質で容易に提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、ガラス等の透明基板上にブラックマトリクスによる遮光パターンとカラー表示を行うための複数の画素からなり、各画素が白色の単位画素と青色の単位画素とを少なくとも含む異なる色相からなる複数種類の単位画素を規則的に配列してなり、前記複数の画素上を透明なオーバーコート樹脂層で共通に被覆する構造を有し、白色の単位画素を配置する領域のオーバーコート樹脂層下の一部に青色の単位画素の表示に使用する材料からなる青色の微小パターンを配置してなるカラーフィルタであって、前記青色の微小パターンの高さが前記単位画素より低く、前記ブラックマトリックスの高さよりも高いことを特徴とするカラーフィルタである。

また、請求項２に記載の発明は、各画素に含まれる複数種類の単位画素が、赤色、緑色、青色、白色の４種類の色相からなることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタである。

また、請求項３に記載の発明は、白色の単位画素内に配置する青色の微小パターンが、円形状または矩形状の複数個からなることを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタである。

また、請求項４に記載の発明は、白色の単位画素内に配置する青色の微小パターンの合計面積が、白色の単位画素の表示面積の二分の一を超えず、二十分の一以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラーフィルタである。

また、請求項５に記載の発明は、白色の単位画素内のオーバーコート樹脂層の凹み量が、オーバーコート樹脂層の膜厚の十分の一以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラーフィルタである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のカラーフィルタを用いることを特徴とする平面型カラー表示装置である。

本発明は、カラー表示を行うための複数の画素からなるカラーフィルタであって、各画素が白色の単位画素と青色の単位画素とを少なくとも含む異なる色相からなる複数種類の単位画素を規則的に配列してなり、前記複数の画素上を透明なオーバーコート樹脂層で共通に被覆する構造を有し、白色の単位画素を配置する領域のオーバーコート樹脂層下の一部に青色の単位画素の表示に使用する材料からなる青色の微小パターンを配置してなることを特徴とするので、
白色の単位画素を有する複数の画素と複数の画素上を透明なオーバーコート樹脂層で共通に被覆する構造を有するカラーフィルタを、製造工程を長くすることなく、高品質で容易に提供することができる。

本発明のカラーフィルタの一例を説明するための模式断面図である。 従来のカラーフィルタの断面構成の異なる２つの例を説明するための模式断面図である。 カラーフィルタの画素の平面配列の異なる２つの例を説明するための模式平面図である。 本発明のカラーフィルタの青色の微小パターンの形状を説明するための模式平面図である。

以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明のカラーフィルタの一例を説明するための模式断面図である。
本発明は、カラー表示を行うための複数の画素からなるカラーフィルタであって、各画素を構成する画素層５が白色の単位画素５Ｗと青色の単位画素５Ｂとを少なくとも含む異なる色相からなる複数種類の単位画素を規則的に配列してなる。本例では、最も一般的な例として、各画素に含まれる複数種類の単位画素が、赤色、緑色、青色、白色の４種類の色相からなる例を示し、赤色単位画素５Ｒ、緑色単位画素５Ｇとを上記の他に有する。
また、本発明のカラーフィルタは、前記複数の画素上を透明なオーバーコート樹脂層６で
共通に被覆する構造を有し、白色の単位画素５Ｗを配置する領域のオーバーコート樹脂層下の一部に、青色の単位画素の表示に使用する材料からなる青色の微小パターン５１Ｂを配置してなる。

赤色、緑色、青色の各単位画素５Ｒ、５Ｇ、５Ｂは、それぞれ独自の色相を有する着色透明樹脂材料により、ガラス等の透明基板３上のブラックマトリクス４のパターンで仕切られた開口部にあたる単位画素の表示面積領域を均一に埋めてなる。一方、白色の単位画素５Ｗは、前記青色の微小パターン５１Ｂにより白色の単位画素の表示面積領域の一部を選択的に埋めるとともに、白色の単位画素の表示面積領域の余白の部分は、画素全体を覆う前記オーバーコート樹脂層６により埋めてなる。

本発明の断面構造を有するカラーフィルタを形成するには、ガラス等の透明基板３の片面上に、感光性の遮光材料を用いた通常のフォトリソグラフィー法により、ブラックマトリクス４をパターン形成した後、赤色、緑色、青色の各単位画素５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを感光性の各色の着色透明材料を用いたフォトリソグラフィー法により、順次パターン形成する。ここで、青色の単位画素５Ｂをパターン形成する際に、白色の単位画素５Ｗの領域に、前記青色の微小パターン５１Ｂを青色の単位画素５Ｂと同一の材料により一括してパターン形成する。その後、有効領域内の複数の画素の全体を透明なオーバーコート樹脂層６で共通に被覆する。被覆のための塗布や転写のプロセス以外に、必要に応じて光や熱を用いた通常の硬化手段を利用することができる。

図４は、本発明のカラーフィルタの青色の微小パターンの形状を説明するための模式平面図である。ブラックマトリクス４のパターンで仕切られた開口部にあたる白色の単位画素５Ｗに青色の微小パターン５１Ｂが形成されている。青色の微小パターン５１Ｂは、円形状または矩形状の複数個からなるように形成することが好ましい。円形状の意味は、広義の円形を指しており、真円形に限定されず、長円形、楕円形、卵形を含む凸状の閉曲線に囲まれた少なくとも一つの対称軸を有する平面図形を指す。

矩形とともに上記のような円形により比較的単純な形状の複数個の微小パターンを設けることは、青色の単位画素５Ｂとの一括パターン形成工程により、微小パターンの盛り上がり形状を容易に制御する上で好ましい。微小パターンの盛り上がり形状を容易に制御することは、白色の単位画素５Ｗ中にあって、青色の微小パターン５１Ｂがそれを含む１個の白色の単位画素全体の色相を平均化して青味に寄せる効果を制御して与えるとともに、微小パターンの周囲および微小パターン上に後に形成するオーバーコート樹脂層６の凹み量ｄ（図１に示す白色単位画素上のオーバーコート樹脂層の凹み量）をできるだけ小さくする効果を与える上でも好ましい。

また、本発明は、前記白色の単位画素内に配置する青色の微小パターンの合計面積が、白色の単位画素の表示面積の二分の一を超えず、二十分の一以上であることが望ましい。青色の微小パターンの合計面積が、白色の単位画素の表示面積の二分の一を超えるほど大きいと、各微小パターンの高さが青色の単位画素５Ｂより低いとはいえ、青色の単位画素を構成する材料と同一の材料を用いているので、白色の単位画素の平均化した色相が青味に大きく偏ってしまうとともに、折角設けた白色の単位画素による明るさ向上の効果が小さくなり、暗くなってしまう。

また、青色の微小パターンの合計面積が、白色の単位画素の表示面積の二十分の一未満であると、白色の単位画素全体の色相を平均化して青味に寄せる効果も、オーバーコート樹脂層の凹み量をできるだけ小さくする効果も小さくなり過ぎるので、白の色相や画素平坦性を改良して色表示品位を向上させたカラーフィルタを提供する本発明の目的が達成できない。

なお、白色の単位画素の平均化した色相として目指す色度値は、Ｃ光源、ガラスリファレンスの場合のｘｙ色度座標表現で、
（ｘ、ｙ）＝（０．２９９、０．３０１）〜（０．３０６、０．３１１）
程度が妥当であり、カラーフィルタ全体としてのホワイトバランスは、同一表現で、
（ｘ、ｙ）＝（０．３０２、０．３１５）〜（０．３０８、０．３２２）
とすることができる。
上記の色度値を目指すには、オーバーコート樹脂層の樹脂材料に起因する僅かな黄色の着色の影響を考慮して、赤、緑、青の各色の単位画素の硬化後の着色透明樹脂の色特性から最適化する必要がある。

上記のような青色の微小パターンの合計面積の制約をおおよその傾向で示した図を図４に表す。図４（ａ）では、微小パターンの合計面積が比較的小さい場合であり、例えば、白色単位画素の短い方の配列ピッチｐに対して、個々の微小パターンの幅が五分の一程度であり、長手方向には長さ方向の合計が四分の一程度であれば、材料の盛り上がり高さの減少分や円形状であることを考慮すると、開口部の比率を考慮しても、前記白色の単位画素の表示面積の二十分の一という制約に近い状態となる。
また、図４（ｂ）では、微小パターンの合計面積が比較的大きい場合であり、例えば、白色単位画素の短い方の配列ピッチｐに対して、個々の微小パターンの幅が二分の一程度であり、長手方向には長さ方向の合計が二分の一程度であれば、開口部の比率を考慮すると、材料の盛り上がり高さの減少分や円形状のものもあることを考慮しても、前記白色の単位画素の表示面積の二分の一という制約に近い状態となる。

また、本発明は、前記白色の単位画素内のオーバーコート樹脂層の凹み量が、オーバーコート樹脂層の膜厚の十分の一以下であることが望ましい。すなわち、赤、緑、青の各色の単位画素の硬化した着色透明樹脂の膜厚が通常のカラーフィルタと同様に１．５〜２．５μｍである場合を例にとれば、オーバーコート樹脂層の膜厚が最大でも２．５μｍ程度とすることが妥当であり、白色の単位画素内のオーバーコート樹脂層の凹み量が０．２５μｍ以下であればカラーフィルタとしての平坦性が一定のレベル以上に保たれ、液晶表示セルに組み込む際の表示品位に及ぼす影響が少ないので望ましい。
白色の単位画素内に配置する青色の微小パターンの配置、サイズ、膜厚を含めた設計条件により、オーバーコート樹脂層の膜厚に対する凹み量の比率が変動する。また、前記比率は、オーバーコート樹脂層を構成する材料の性質やその処理条件にも依存する。

また、本発明は、前述した本発明に係るカラーフィルタを用いて、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等の平面型カラー表示装置を提供することができる。高品質で容易に提供できるカラーフィルタを用いることにより、平面型カラー表示装置の表示品位を向上することができる。

１・・・画素（ストライプ状配列）
１Ｒ、２Ｒ、５Ｒ・・・赤色単位画素
１Ｇ、２Ｇ、５Ｇ・・・緑色単位画素
１Ｂ、２Ｂ、５Ｂ・・・青色単位画素
１Ｗ、２Ｗ、５Ｗ・・・白色単位画素
２・・・画素（田の字状配列）
３・・・透明基板
４・・・ブラックマトリクス
５・・・画素層
６・・・オーバーコート樹脂層
５１Ｂ・・・青色の微小パターン
ｄ・・・白色単位画素上のオーバーコート樹脂層の凹み量
ｐ・・・白色単位画素の短い方の配列ピッチ

Claims (6)

1. ガラス等の透明基板上にブラックマトリクスによる遮光パターンと
   カラー表示を行うための複数の画素からなり、
   各画素が白色の単位画素と青色の単位画素とを少なくとも含む異なる色相からなる複数種類の単位画素を規則的に配列してなり、
   前記複数の画素上を透明なオーバーコート樹脂層で共通に被覆する構造を有し、
   白色の単位画素を配置する領域のオーバーコート樹脂層下の一部に青色の単位画素の表示に使用する材料からなる青色の微小パターンを配置してなるカラーフィルタであって、
   前記青色の微小パターンの高さが前記単位画素より低く、前記ブラックマトリックスの高さよりも高いことを特徴とするカラーフィルタ。
2. 各画素に含まれる複数種類の単位画素が、赤色、緑色、青色、白色の４種類の色相からなることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 白色の単位画素内に配置する青色の微小パターンが、円形状または矩形状の複数個からなることを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタ。
4. 白色の単位画素内に配置する青色の微小パターンの合計面積が、白色の単位画素の表示面積の二分の一を超えず、二十分の一以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラーフィルタ。
5. 白色の単位画素内のオーバーコート樹脂層の凹み量が、オーバーコート樹脂層の膜厚の十分の一以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラーフィルタ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のカラーフィルタを用いることを特徴とする平面型カラー表示装置。

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