JP6672883B2 - カラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に用いるカラーフィルタに関する。

液晶表示装置は、一対の透光性基板間に液晶を挟持して構成されている。一方の透光性基板上にはＴＦＴ等の駆動回路が形成され（以下、ＴＦＴ基板と称する）、他方の透光性基板上には、ブラックマトリクス、着色画素等が形成されてカラーフィルタを構成している。

着色画素が形成された透光性基板（以下、カラーフィルタと称する）は、一般的に赤・緑・青の三色からなる着色画素が、透光性基板上にストライプ状あるいはトライアングル配列等、適切なパターンで配置されるものである。先ず、透光性基板上に、着色画素を区画して混色を防止するための仕切り堰となるブラックマトリクスを形成する。ブラックマトリクス材料としては金属薄膜あるいは黒色の感光性樹脂組成物を用い、フォトリソグラフィー法によりパターン形成する。

続いて、緑色感光性樹脂組成物を塗布し、これもフォトリソグラフィー法により、例えばストライプ状にパターニングして緑色着色画素を形成する。この工程を、赤、青の感光性樹脂組成物に繰り返して、緑、赤、青の着色画素が配置されたカラーフィルタを得ることができる。

ここで、隣接する着色画素同士が会合するブラックマトリクスの上部部分においては、ブラックマトリクス上に着色画素が乗り上げることによりツノ段差と呼ばれる突起による凹凸が生じる。そのブラックマトリクスの上部の着色画素の上に直接に透明導電層による透明電極が形成されると、断線してカラーフィルタ表面の電気抵抗値が上昇する可能性が高い。またこのような部分では応力が集中しやすいために、透明導電層の透明電極形成工程以降での加熱・冷却工程において、透明導電層にクラックが生じることによりパネル品質が低下することが予想される。

そこで、特許文献１の技術では、着色画素上を透明なオーバーコート層で被覆してツノ段差の凹凸を平坦化し、そのオーバーコート層の上に透明導電層を形成していた。

特開２００２−２２８８２６号公報

しかし、このような液晶表示装置をノーマリホワイトモードで使用し、カラーフィルタやＴＦＴ基板の画素電極の間に電界を加えて色表示を行う際に、隣接する画素の両方で黒表示を行った場合に画素電極間に発生する横方向電界によって液晶層に光漏れ領域が発生する。

液晶表示装置を斜めから見た場合に、液晶層の光漏れ領域を通して隣接する色画素が観察されるために視認性が悪化する問題がある。この問題は、液晶層の光漏れ部分をブラックマトリクスで遮蔽することで解決する。しかし、液晶層の下の画素電極の下側のオーバーコート層の下の着色画素の更に下の層にブラックマトリクスが形成されていることが、液晶層とブラックマトリクスの高さの差を大きくする。

更に、近年は、液晶表示装置でより濃い色を表示するために、着色画素の厚さが増大する傾向にあり、それに伴い着色画素のツノ段差の凹凸も大きくなる傾向にある。そのため、そのツノ段差を被覆して平坦化するオーバーコート層の厚さも増大する傾向にある。

液晶層とブラックマトリクスの高さの差を生じるオーバーコート層及び着色画素の厚さが厚くなってきているため、液晶層の光漏れ領域を、液晶表示装置を斜めから見た場合に液晶層の光漏れ領域を通して隣接する色画素が観察されて視認性が悪化する問題が大きくなってきている。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、着色画素の厚さとオーバーコート層の厚さが厚い液晶表示装置の光漏れを効果的に遮蔽できるカラーフィルタを提供することにある。

本発明は、カラーフィルタの製造方法であって、透光性基板上に青色着色画素と青色着色画素の材料でアライメントマークを形成する工程と、次に、その他の着色画素を形成する工程と、前記着色画素の上に第１のオーバーコート層を形成する工程と、前記第１のオーバーコート層上に、前記アライメントマークを用いて位置を合わせてブラックマトリクスを形成する工程と、第２のオーバーコート層を形成する工程を含むことを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記のカラーフィルタの製造方法であって、前記第２のオーバーコート層の上に透明導電層、スペーサを順次形成する工程又は、スペーサを形成する工程を含むことを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

本発明のカラーフィルタは、液晶表示装置の液晶層の高さに近い高い位置にブラックマトリクスを持つカラーフィルタを製造することで、液晶表示装置の光漏れを効果的に遮蔽できるカラーフィルタが得られる効果がある。

また、本発明は、透明導電層を形成する下地として、ブラックマトリクスの上に第２のオーバーコート層を形成してブラックマトリクスを透明導電層５に直接に触れないようにすることで、第２のオーバーコート層の上の透明導電層とブラックマトリクスの絶縁性を良くできる効果がある。

特に本発明は、ブラックマトリクスを第２のオーバーコート層によって透明導電層５から絶縁する構成を持つので、従来は絶縁性を悪化させるため使用できなかったカーボン濃度が高い遮光性の高いブラックマトリクスを使ってブラックマトリクスの遮光性を高くしたカラーフィルタを構成することができる効果がある。

本発明の実施形態のカラーフィルタの製造方法を説明する断面図（その１）である。 本発明の実施形態のカラーフィルタの製造方法を説明する断面図（その２）である。 本発明の実施形態のカラーフィルタの製造方法を説明する断面図（その３）である。 本発明の実施形態のカラーフィルタの製造方法を説明する断面図（その４）である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図３（ｂ）及び図４は、本発明の第１の実施形態に係わるカラーフィルタの断面図である。

図３のカラーフィルタの断面図において、１は透光性基板、２は着色画素であり、透光性基板１上に形成し、所定領域に区画して形成する。着色画素２のうち、青色着色画素を２Ｂ、赤色着色画素を２Ｒ、緑色着色画素を２Ｇと区別して符号を付す。

図３において、３は透明な第１のオーバーコート層であり、着色画素２上に形成する。４はこの第１のオーバーコート層３上に形成されたブラックマトリクスであり、着色画素２の色の区画の境界部分を遮光する。５はＩＴＯ等からなる透明導電層であり、ブラックマトリクス４の上面か、又は、ブラックマトリクス４の上の第２のオーバーコート層６の上に形成する。ＰＳはフォトスペーサであり、透明導電層５の上に形成する。これらによりカラーフィルタを構成する。

この構成のカラーフィルタを製造することで、透明導電層５に近い高さのブラックマトリクス４を持つカラーフィルタが得られる。それにより、液晶表示装置の光漏れを、ブラックマトリクス４の幅を広げずに効果的に遮蔽できるカラーフィルタが得られる効果がある。

ここで、例えば膜厚が２．５μｍの着色画素２上に膜厚１．５μｍの第１のオーバーコート層３を形成し、その上に膜厚が１．３μｍのブラックマトリクス４を形成する。それにより、膜厚が２．５μｍの着色画素２Ｂ、２Ｒ、２Ｇの各色画素の端部の重なりにより生じる１μｍ〜１．５μｍ程度の凹凸が０．３μｍ以下まで平坦化される。

その様に平坦化された第１のオーバーコート層３の上にブラックマトリクス４を形成することで、着色画素２上に直接にブラックマトリクス４を形成する場合に生じるブラックマトリクス４の膜厚のバラツキやブラックマトリクス４の線幅が局所的に細る線幅むらを無くすことができる効果がある。

透光性基板１の材料は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダガラスなどの無機ガラス、ＰＥＴ、ＰＥＳ、ＰＣなどのプラスチック基板、又はこれらガラス基板やプラスチッ
ク基板上に、酸化シリコンや酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化シリコンなどの無機薄膜を成膜したものを、使用の目的・用途に応じて使い分けて用いることができる。

（着色画素２の材料）
着色画素２の材料は、複数色の着色画素２Ｂ、２Ｒ、２Ｇから構成し、色としては、赤、緑、青（ＲＧＢ）の組み合わせあるいはイエロー、マゼンダ、シアン（ＹＭＣ）の組み合わせが挙げられる。これに加え、明度を上げるために着色画素の一部を透明な画素とすることができる。

着色画素２の上には第１のオーバーコート層３を形成し、その第１のオーバーコート層３の上にブラックマトリクス４を形成する。ブラックマトリクス４は、例えば、第１のオーバーコート層３上に黒色の感光性樹脂組成物を塗布、乾燥した後に、フォトマスクを用いて所定のパターンに露光し、現像およびポストベークを行うことで形成する。

ブラックマトリクス４及び着色画素２形成用の感光性着色樹脂組成物は、透明樹脂中に、着色剤となる顔料、光開始剤、重合性モノマー等を適切な溶剤により分散させて製造する。

本実施形態に用いることができる感光性着色樹脂組成物の原材料の一例を説明する。
（ブラックマトリクス４の遮光材料）
ブラックマトリクス４の遮光材としては、カーボンブラック、酸化チタン、酸窒化チタンなどの金属酸化物や顔料、その他既知の遮光材料を用いることができる。また、遮光層の色調を調整するために、以下に示す補色の着色顔料を必要に応じて混合してもよい。

（着色画素２の着色顔料）
青色着色組成物には、例えばＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５、１５：１、１５：２、１５：３、１５：４、１５：６、１６、２２、６０、６４、８０等の青色顔料、好ましくはＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５：６を用いることができる。また、青色着色組成物には、Ｃ．Ｉ．ＰｉｇｍｅｎｔＶｉｏｌｅｔ １、１９、２３、２７、２９、３０、３２、３７、４０、４２、５０等の紫色顔料、好ましくはＣ．Ｉ．ＰｉｇｍｅｎｔＶｉｏｌｅｔ ２３を添加併用することができる。

赤色着色画素もしくは赤色画素を形成するための赤色着色組成物には、例えばＣ．Ｉ．ＰｉｇｍｅｎｔＲｅｄ ７、９、１４、４１、４８：１、４８：２、４８：３、４８：４、８１：１、８１：２、８１：３、９７、１２２、１２３、１４６、１４９、１６８、１７７、１７８、１７９、１８０、１８４、１８５、１８７、１９２、２００、２０２、２０８、２１０、２１５、２１６、２１７、２２０、２２３、２２４、２２６、２２７、２２８、２４０、２４６、２５４、２５５、２６４、２７２、２７９等の赤色顔料を用いることができる。赤色着色組成物には、黄色顔料、橙色顔料を添加併用することができる。

黄色顔料としてはＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｙｅｌｌｏｗ １、２、３、４、５、６、１０、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、２０、２４、３１、３２、３４、３５、３５：１、３６、３６：１、３７、３７：１、４０、４２、４３、５３、５５、６０、６１、６２、６３、６５、７３、７４、７７、８１、８３、８６、９３、９４、９５、９７、９８、１００、１０１、１０４、１０６、１０８、１０９、１１０、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９、１２０、１２３、１２５、１２６、１２７、１２８、１２９、１３７、１３８、１３９、１４４、１４６、１４７、１４８、１５０、１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１６１、１６２、１６４、１６６、１６７、１６８、１６９、１７０、１７１、１７２、１７３、１７４、１７５、１７６、１７７、１７９、１８０、１８１、１８２、１８５、１８７、１８８、１９３、１９４、１９９、２１３、２１４等が挙げられる。橙色顔料としてはＣ．Ｉ．ＰｉｇｍｅｎｔＯｒａｎｇｅ ３６、４３、５１、５５、５９、６１、７１、７３等が挙げられる。

緑色着色組成物には、例えばＣ．Ｉ．Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ ７、１０、３６、３７等の緑色顔料を用いることができる。緑色着色組成物には赤色着色組成物と同様の黄色顔料を添加併用することができる。

また、上記着色組成物あるいは有機顔料と組み合わせて、彩度と明度のバランスを取りつつ良好な塗布性、感度、現像性等を確保するために、無機顔料を組み合わせて用いることも可能である。無機顔料としては、黄色鉛、亜鉛黄、べんがら（赤色酸化鉄（ＩＩＩ））、カドミウム赤、群青、紺青、酸化クロム緑、コバルト緑等の金属酸化物粉、金属硫化物粉、金属粉等が挙げられる。さらに、調色のため、耐熱性を低下させない範囲で染料を含有させることができる。

（第１のオーバーコート層３）
第１のオーバーコート層３の材料は、可視光領域の４００〜７００ｎｍの波長領域において透過率が好ましくは８０％以上、より好ましくは９５％以上の樹脂を用いる。第１のオーバーコート層３には、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、ポリイミド系樹脂、プロピニル系樹脂等を用いることができる。

また、第１のオーバーコート層３の膜厚は、透過光用領域の着色画素２上の平坦性確保および着色画素２の保護が可能な厚さに形成する。例えば膜厚２．５μｍの着色画素２を形成した場合は、ＲＧＢパターン同士の重なり量にもよるが、１μｍから１．５μｍ程度の着色画素２の凹凸が発生する場合がある。

例えば膜厚１．３μｍのブラックマトリクス４のパターンを直接に、着色画素２上に形成すると、下地の着色画素２の凹凸具合によってブラックマトリクス４の膜厚がばらつく原因になる。もし下地の着色画素２の高さが局所的に高い部分があると、ブラックマトリクス用の感光性樹脂組成物を塗布した際に、その塗布膜の表面高さの平坦化作用によって、その部分のブラックマトリクス用の感光性樹脂組成物の塗布膜厚が薄くなってしまう。ブラックマトリクス用の感光性樹脂組成物の塗布膜厚が薄いと、現像が進み易くなるため、その部分のブラックマトリクス４のパターンの線幅が局所的に細くなるブラックマトリクス４のパターンの線幅むらの原因になってしまう。

第１のオーバーコート層３の膜厚は、厚いほど表面の平坦性は良くなるが、１μｍから１．５μｍ程度の着色画素２の凹凸がある場合に、膜厚１．５μｍの第１のオーバーコート層３を形成することで、第１のオーバーコート層３の表面の凹凸を概ね０．３μｍ以下まで平坦化することができる。

（ブラックマトリクス４）
この第１のオーバーコート層３の上に、膜厚１．３μｍのブラックマトリクス４のパターンを形成する。このブラックマトリクス４により、着色画素２の色の区画の境界部分を遮光する。

（第２のオーバーコート層６）
このブラックマトリクス４の上に、第２のオーバーコート層６を形成する。この、第２のオーバーコート層６を省略して、ＩＴＯ等からなる透明導電層５を直接、ブラックマトリクス４の上に形成することもできるが、第２のオーバーコート層６を形成することが望ましい。ブラックマトリクス４の上に、膜厚１．５μｍの第２のオーバーコート層６を形成する。この第２のオーバーコート層６によって、その表面の凹凸を概ね０．２μｍ以下
まで平坦化することができる。

透明導電層５を形成する下地として、ブラックマトリクス４の上に第２のオーバーコート層６を形成することで、ブラックマトリクス４を、下層の第１のオーバーコート層３と上層の第２のオーバーコート層６で挟んで透明導電層５と直接に触れないようにすることができる。それにより、第２のオーバーコート層６の上の透明導電層５とブラックマトリクス４の絶縁性が良くなる効果がある。

そのように、ブラックマトリクス４が、第２のオーバーコート層６により透明導電層５から絶縁されるので、ブラックマトリクス４にカーボン濃度が高い遮光性の高い材料を使えることができ、ブラックマトリクス４の遮光性を高くすることができる効果がある。

（透明導電層５）
この第２のオーバーコート層６上に、ＩＴＯ等からなる透明導電層５を形成する。透明導電層５を構成する透明導電材には特に限定はなく、従来のカラーフィルタに用いられている周知の素材、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が好適に用いられる。

（フォトスペーサＰＳ）
透明導電層５の上に形成するフォトスペーサＰＳを構成する材質としては、熱フロー性を有する感光性ネガ型レジストが好適に用いられる。この感光性ネガ型レジストは、例えばアルカリ可溶性樹脂、光重合開始剤、及び重合性モノマーを主成分とするアクリル系感光性樹脂組成物である。より、熱フロー性を富ませる為に、ＴＧ（ガラス転移点）の低い樹脂による処方やモノマー量を減らす処方としてもよい。あるいは、熱フロー性を有する感光性ポジ型レジストを用いてもよい。

（製造方法）
次に、図１〜図３を参照して、本実施形態のカラーフィルタの製造方法について説明する。

（工程１）
先ず、図１（ａ）の様な透光性基板１の上に着色画素２を図１（ｂ）の様に形成する。

着色画素２の形成方法は、スリットコート法やスピンコート法、ロールコート法などの塗布法で着色画素２を形成し、その後フォトリソグラフィー法によりパターニングするか、インクジェット法や、グラビア印刷法、フレキソ印刷法などの方法が使用できる。

しかし、高精細、分光特性の制御性及び再現性等を考慮すれば、以下の様にフォトリソグラフー法で着色画素２を形成することが最も望ましい。

すなわち、先ず、図１（ａ）の様な透光性基板１の上に、透明な樹脂中に顔料、光開始剤、重合性モノマー等と共に適当な溶剤に分散させた青色のネガ型感光性樹脂組成物を塗布、乾燥した後に、青色着色画素のパターンに対応した開口部を有するフォトマスクを用いてパターン露光し、定法の現像及びポストベーク処理を施すことで、図１（ｂ）の様に青色着色画素２Ｂを形成する。

ここで、最初に青色着色画素２Ｂを形成する事が望ましい。そうすることで、青色着色画素２Ｂによるアライメントマークが最初に形成される。その青色着色画素２Ｂの材料によるアライメントマークを、第２色目以降に形成するパターンの位置合わせの基準にする。そうすることで、青色着色画素２Ｂによるアライメントマークの視認性が良いので、第２色目以降に形成するパターンを露光する露光装置のアライメントカメラで読み取るアライメントマークの認識精度が向上する効果がある。

以下、同一の手順を繰り返すことにより、図１（ｃ）の様に赤色着色画素２Ｒを形成し、次に、図１（ｄ）の様に緑色着色画素２Ｇを形成する。場合によっては透明画素も形成することができる。

透光性基板１上への着色画素２の各色の塗布膜厚は、分光透過率などを考慮すると通常はプリベーク後の膜厚で１〜３μｍ程度である。現像液にはアルカリ性水溶液を用いる。アルカリ性水溶液の例としては、炭酸ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、または両者の混合水溶液、もしくはそれらに適当な界面活性剤などを加えたものが挙げられる。現像後、水洗、乾燥して特定色の着色画素２が得られる。

こうして、最初に青色着色画素２Ｂを形成した複数の着色画素２から成る着色画素層では、青色着色画素２Ｂの端部が他の全ての色の着色画素２の端部よりも最も下側の透光性基板１側に形成される。すなわち、着色画素層において、青色着色画素２Ｂのパターンの端部が透光性基板１に密着して形成され、他の全ての色の着色画素の端部よりも下側に形成される特徴がある。

（工程２）
＜第１のオーバーコート層３（第１の平坦化層）の形成＞
次に、図１（ｅ）の様に、着色画素２上に、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、ポリイミド系樹脂、プロピニル系樹脂等の第１のオーバーコート層３用の透明樹脂を塗布し、９０℃で５分間乾燥し、高圧水銀灯の光を照射して露光し、ポストベークして硬化させて第１のオーバーコート層３を形成する。

（工程３）
＜ブラックマトリクス４の形成＞
次に、図２（ｆ）の様に、第１のオーバーコート層３の上に、黒色の感光性樹脂組成物を塗布、乾燥した後に、フォトマスクを用いて所定のパターンに露光し、現像およびポストベークを行うことで、ブラックマトリクス４を形成する。

ブラックマトリクス４の膜厚は、含有するカーボンブラック量から必要な光学濃度を見積もり所望の膜厚に設定することが望ましく、一般には、およそ１〜２μｍ程度である。ブラックマトリクス４の形成方法としては、スピンコート法やスリットコート法、スピンレス法などの塗布法を用いて塗布した後に、上記定法のフォトリソグラフィー法を用いてパターニングするか、インクジェット法、印刷法などを用いて直接にパターン形成をすることも可能である。

（工程４）
＜第２のオーバーコート層６（平坦化層）の形成＞
次に、図２（ｇ）の様に、第１のオーバーコート層３とブラックマトリクス４の上に、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、ポリイミド系樹脂、プロピニル系樹脂等の第１のオーバーコート層３用の透明樹脂を塗布し、９０℃で５分間乾燥し、高圧水銀灯の光を照射して露光し、ポストベークして硬化させて第２のオーバーコート層６を形成する。

（工程５）
＜透明導電層５の形成＞
次に、図３（ａ）の様に、第２のオーバーコート層６の上面に、例えばＩＴＯからなる透明導電層５を形成する。

ただし、この工程は、ＴＦＴ基板側に２つの電極を付け、カラーフィルタ側には透明導電層５を形成しないＩＰＳ（In-Plane-Switching）方式の液晶表示装置用のカラーフィルタでは省略する。

（フォトスペーサＰＳの形成）
次に、図３（ｂ）の様に、透明導電層５の上に、又は、図４の様に、第２のオーバーコート層６の上に、以下の様にしてフォトスペーサＰＳを形成する。

すなわち、透明導電層５の上に、又は、第２のオーバーコート層６の上に、熱フロー性を有する感光性ネガ型レジストを塗布し、減圧乾燥及びプリベーク処理を行うことで、図３（ｂ）又は、図４に示すように、透明導電層５の上面に感光性レジスト材料層を形成する。プリベーク処理の条件は、一例として８０℃〜１２０℃、処理時間は９０秒〜２４０秒とされる。

この感光性レジスト材料層に、露光機によりフォトスペーサＰＳのパターンを露光し、アルカリ現像液によって現像し、未露光部分を除去する。その後、オーブン焼成を行うことにより、図３（ｂ）のようにフォトスペーサＰＳをカラーフィルタの透明導電層５の上、又は、第２のオーバーコート層６の上に形成する。

また、ＩＰＳ方式の液晶表示装置用のカラーフィルタでは、図４に示すようなフォトスペーサＰＳを第２のオーバーコート層６の上に形成する。

フォトスペーサＰＳは、第１のオーバーコート層３上方に形成する事が望ましい。オーブン焼成の条件は、一例として２２０℃〜２４０℃、１５分〜３０分にする。

１・・・透光性基板
２・・・着色画素
２Ｂ・・・（青色）着色画素
２Ｒ・・・（赤色）着色画素
２Ｇ・・・（緑色）着色画素
３・・・第１のオーバーコート層
４・・・ブラックマトリクス
５・・・透明導電層
６・・・第２のオーバーコート層
ＰＳ・・・フォトスペーサ

Claims (2)

1. カラーフィルタの製造方法であって、
   透光性基板上に青色着色画素と青色着色画素の材料でアライメントマークを形成する工程と、
   次に、その他の着色画素を形成する工程と、前記着色画素の上に第１のオーバーコート層を形成する工程と、
   前記第１のオーバーコート層上に、前記アライメントマークを用いて位置を合わせてブラックマトリクスを形成する工程と、
   第２のオーバーコート層を形成する工程を含むことを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
2. 請求項１記載のカラーフィルタの製造方法であって、
   前記第２のオーバーコート層の上に透明導電層、スペーサを順次形成する工程又は、スペーサを形成する工程を含むことを特徴とするカラーフィルタの製造方法。