JP6992369B2 - カラーフィルタ及びそれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどのフレキシブルパネルに用いられ、可撓性基材を基板とするカラーフィルタ、及びそれを用いた表示装置に関する。

通常、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネルは高い透明度、信頼性からガラスを基材としてガラス上にパターンを形成したカラーフィルタ（ＣＦ）基板、及びＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板を使用する。しかし、ガラスを基材としていることから落下時の衝撃や曲げた際の外力に耐えることが困難となる。一方で近年開発・製品化が始まっているＯＥＬＤ（有機ＥＬディスプレイ）パネルは自発光でバックライトが不要なことからプラスチックフィルムを基材として作製することができるため、フレキシブル（可撓性）パネルとして、ＬＣＤパネルとの差別化になっている。そこで最近ではプラスチックフィルムを基材とするＬＣＤパネルの研究が始まっている（例えば特許文献１、２、３）。

フレキシブルパネルは本来、頻繁に曲げ、湾曲を受けて使用される機会が多い。しかしながら、フレキシブルパネル向きにプラスチック基材上にＣＦパターンである着色画素を形成した場合、パネルの屈曲性試験、または曲げ、湾曲等の物理的な力を外部から与えたときに、着色画素の途中に割れ（クラック）が入ったり、端部に剥れが生じやすいという問題がある。

図６は、プラスチック基材１上に赤色、緑色、青色用の着色画素２（Ｒ）、２（Ｇ）、２（Ｂ）を形成し、折り曲げた場合に、割れと剥れが生じた様態を示す模式断面図である。緑色画素２（Ｇ）の途中に割れが生じ、青色画素２（Ｂ）の端に剥れが発生している。符合３の部分はブラックマトリクスである。

特開２００４－１７７４５６号公報 特許４８５６４９８号公報 特開２０１２－２２０８７７号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、屈曲させたときや、曲げ、湾曲等の物理的な力を外部から与えた場合、着色画素の割れ、剥れが発生しにくいカラーフィルタ及びそれを用いた表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも可撓性基材と着色画素とを備えるカラーフィルタであって、
前記可撓性基材と前記着色画素の断面視の層間に、個別の前記着色画素ごとに、外力に対する緩衝層を備えることを特徴とするカラーフィルタとしたものである。

請求項２に記載の発明は、前記緩衝層の縦弾性係数は、前記可撓性基材の縦弾性係数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタとしたものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のカラーフィルタを備えることを特徴とする表示装置としたものである。

本発明によれば、屈曲させたときや、曲げ、湾曲等の物理的な力を外部から与えた場合、さらには通常以上に撓んだ状態になった場合も、割れ、剥れの原因となる応力が緩和されるので、着色画素の割れ、剥れが発生しにくい、信頼性の高いカラーフィルタ及びそれを用いた表示装置が得られる。

本発明のカラーフィルタの第１実施形態に係る、（ａ）ガラス基板上に作製した模式断面図、（ｂ）ガラス基板から剥離した模式断面図、（ｃ）（ｂ）の模式平面図、（ｄ）屈曲（曲り）時の模式断面図である。 本発明のカラーフィルタの第２実施形態に係る、（ａ）ガラス基板上に作製した模式断面図、（ｂ）ガラス基板から剥離した模式断面図、（ｃ）（ｂ）の模式平面図、（ｄ）屈曲（曲り）時の模式断面図である。 本発明のカラーフィルタの第３実施形態に係る、（ａ）ガラス基板上に作製した模式断面図、（ｂ）ガラス基板から剥離した模式断面図、（ｃ）（ｂ）の模式平面図、（ｄ）屈曲（曲り）時の模式断面図である。 本発明のカラーフィルタで着色画素の割れが発生しにくくなる理由を、第１実施形態のカラーフィルタで例示して説明するための模式断面図である。 本発明のカラーフィルタの第１及び第３実施形態に係る、緩衝層のパターンを例示する模式平面図である。 従来のカラーフィルタの屈曲（曲り）時の模式断面図である。 従来のカラーフィルタで着色画素の割れが発生する理由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で着色画素の剥れが発生する理由を説明するための模式断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るカラーフィルタ及びそれを用いた表示装置について図面を用いて説明する。同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付け、重複する説明は省略する。各図面において、見易さのため構成要素の厚さや比率は誇張されていることがあり、構成要素の数も減らして図示していることがある。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明のカラーフィルタの第１実施形態を説明するためのものである。図１（ａ）は、第１実施形態のカラーフィルタ１０を、ガラス基板６上に作製した模式断面図、同（ｂ）は、ガラス基板６から剥離した模式断面図、同（ｃ）は、同（ｂ）の模式平面図、同（ｄ）屈曲（曲り）時の模式断面図である。尚、図１（ｃ）では、緩衝層４を図示するために、緩衝層４上に存在するブッラクマトリクス３の図示を省略している。

図１のように、第１実施形態のカラーフィルタ１０は、可撓性基材１と着色画素２（Ｒ）、２（Ｇ）、２（Ｂ）とを備え、可撓性基材１と着色画素２の断面視の層間に、個別の着色画素２ごとに、外力に対する緩衝層４を備えている。さらに個別の着色画素２及び緩衝層４の間隙部にはブラックマトリクス３を備えている。

可撓性基材１としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂や０．５ｍｍ以下の薄板ガラスから選択される単層、あるいはこれらの積層体が好ましい。また、可撓性基材１の膜厚は１００μｍ以下が望ましい。

着色画素２は、図１では赤色画素２（Ｒ）、緑色画素２（Ｇ）、青色画素２（Ｂ）を図示しているが、これらの少なくとも一色を備えていればよく、さらに白色（透明）画素（図示せず）を備えていてもよい。白色画素によりその他の画素の輝度が増し、表示装置としての基本性能を向上させることができる。また、図１（ｃ）では、同じ色の画素を縦方向に並べているが、配列の順番はどのような順番であってもよい。

緩衝層４の材料としては、透明性を有し、フォトリソグラフィによりパターン形成が可能な材料のうち、ポリフェニレンエーテル化合物、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂などからなる感光性樹脂組成物、エポキシアクリレート樹脂などからなる感光性樹脂組成物などが、いずれも屈曲性（可撓性）、耐熱性を有するため好ましい。さらには緩衝層４の縦弾性係数は可撓性基材１の縦弾性係数よりも小さいことが好ましい。その理由については後述する。

同１（ｄ）は、屈曲（曲り）時の模式断面図であるが、このように本発明のカラーフィルタでは、着色画素２の割れや剥れは発生しにくくなる。本発明のカラーフィルタ（第１～第３実施形態共通）で着色画素２の割れや剥れが発生しにくくなる理由についてもまとめて後述する。

図２は、本発明のカラーフィルタの第２実施形態を説明するためのものである。図２（ａ）は、第２実施形態のカラーフィルタ２０を、ガラス基板６上に作製した模式断面図、同（ｂ）は、ガラス基板６から剥離した模式断面図、同（ｃ）は、同（ｂ）の模式平面図、同（ｄ）屈曲（曲り）時の模式断面図である。尚、図２（ｃ）でも、図１（ｃ）と同様、第２緩衝層５（便宜上第２緩衝層と呼ぶ）を図示するために、第２緩衝層５上に存在するブッラクマトリクス３の図示を省略している。

第２実施形態のカラーフィルタ２０と、図１の第１実施形態のカラーフィルタ１０との違いは、カラーフィルタ１０では、外力に対する緩衝層４を個別の着色画素２ごとに備えているのに対し、第２実施形態のカラーフィルタ２０では、複数の着色画素ごとに（複数の着色画素を単位として）、外力に対する緩衝層５を備えているということである。

図３は、本発明のカラーフィルタの第３実施形態を説明するためのものである。図３（ａ）は、第３実施形態のカラーフィルタ３０を、ガラス基板６上に作製した模式断面図、同（ｂ）は、ガラス基板６から剥離した模式断面図、同（ｃ）は、同（ｂ）の模式平面図、同（ｄ）屈曲（曲り）時の模式断面図である。尚、図３（ｃ）でも、図１（ｃ）及び図２（ｃ）と同様、緩衝層４及び第２緩衝層５を図示するために、緩衝層４上及び第２緩衝層５上に存在するブッラクマトリクス３の図示を省略している。

第３実施形態のカラーフィルタ３０は、着色画素２に接する緩衝層として、図１の第１実施形態のカラーフィルタ１０の緩衝層４を備え、さらにその下に、可撓性基材１に接して、図２の第２実施形態のカラーフィルタ２０の第２緩衝層５を備えている。

以下、本発明のカラーフィルタでは屈曲、湾曲、曲げ（以下、これらをまとめて「曲げ」と呼ぶ）に類する外力を受けても、着色画素２に割れや剥れが発生しにくくなる理由について説明するが、まず、従来のカラーフィルタでそれらが発生する理由から述べる。

図７は、従来のカラーフィルタで着色画素の割れが発生する理由を説明するための模式断面図である。図７（ａ）は、中央の着色画素に割れが発生する前の様態を示しており、外力により、可撓性基材には曲げモーメントＭが作用し、Ｍに追随して着色画素には曲げモーメントＭｆが作用している。尚、図７では図を見やすくするために、ブラックマトリクスの図示を省略している。

図７（ａ）のときに、まず可撓性基材内に発生している応力を図示すると、中立軸（可撓性基材内で伸び縮みのない中立面と可撓性基材の断面との交線）を境界としてその上側では引張性の応力σｔ、下側では圧縮性の応力σｃが発生している。弾性理論によれば、応力σｔ、σｃの大きさはいずれも、曲げモーメントの大きさ及び中立軸からの距離（ｙ１軸方向）に比例する。

次に、着色画素内に発生している応力σｆ１について考える。σｆ１もσｔと同様に引張性の応力である。ここで、可撓性基材と着色画素は２種の材料が接合し一体化した構造物と考えることができ、このような一体化した構造物についてはそれぞれの内部に発生している応力の大きさは、それぞれの縦弾性係数に比例する（例えば文献：「日経ものづくり」、２００６年３月号、ｐｐ．１３４、日経ＢＰ社、参照）。従って、可撓性基材と着色画素の縦弾性係数をそれぞれＥｓ、Ｅｆとすると次式が成り立つ。
σｆ１：σｔ＝Ｅｆ：Ｅｓ ・・・・（１）
ここで、σｔ、σｆ１の位置は、中立軸からの距離で同等の位置としている。

上記のように、応力の大きさは曲げモーメントの大きさに比例するので、許容値以上の曲げ方向の外力を与えた場合、着色画素には図７（ｂ）のように割れが発生する。（１）式より、特に着色画素の縦弾性係数Ｅｆが可撓性基材の縦弾性係数Ｅｓよりも大きいときに割れやすい。また、割れの進行とともに応力σｆ１は緩和され、割れる前よりも小さくなっていく。

図８は、従来のカラーフィルタで着色画素の端部に剥れが発生する理由を説明するための模式断面図である。図８（ａ）は、着色画素の端部に割れが発生する前の様態を示している。図示する着色画素の端部には、図７と同様の曲げモーメントＭｆ（図示せず）とともに、ｙ２軸（ｙ１軸と曲率の中心を共有する）を中心とした曲げモーメントＭｆ２が作用し、それにより端部に向かう方向の応力成分σｆ２が発生している。ここで可撓性基材内の応力σｔとＭｆ２によるσｆ２を比較すると逆方向である。その結果、許容値以上の曲げ方向の外力を与えた場合、着色画素の端部には図８（ｂ）のように剥れが発生する。着色画素の縦弾性係数Ｅｆが可撓性基材の縦弾性係数Ｅｓよりも大きいときに剥れやすいことは、割れの場合と同じ理由による。

一方、図４は、本発明のカラーフィルタで着色画素の割れが発生しにくくなる理由を、第１実施形態のカラーフィルタで例示して説明するための模式断面図である。第１実施形態のカラーフィルタ１０（図１）は、可撓性基材１と着色画素２の層間に、個別の着色画素ごとに緩衝層４を備えている。緩衝層は着色画素とほぼ同じサイズであり、両端は間隙部であるので、可撓性基材内の応力σｔは緩衝層によって緩和された緩衝層内の応力σｂとなる。従って、着色画素内の応力σｆ１は、従来のカラーフィルタ（図７）のように、可撓性基材に直接接触している場合よりも緩和されるので、割れが発生しにくくなる。同じ理由により、本発明のカラーフィルタでは着色画素の端部の剥れも発生しにくくなる。

また、（１）式から類推できるように、緩衝層の縦弾性係数Ｅｂを可撓性基材の縦弾性係数Ｅｓよりも小さくすることで、緩衝層内の応力σｂはさらに小さくなるので、本発明
のカラーフィルタでは、着色画素の割れも端部の剥れもさらに発生しにくくなる。加えて、着色画素の縦弾性係数Ｅｆを可撓性基材の縦弾性係数Ｅｓよりも小さく選択し、Ｅｓ＞Ｅｂ＞Ｅｆの順序とすることで、着色画素内の応力σｆ１は段階的に小さくなり、割れや剥れは一層発生しにくくなる。

図１の第１実施形態のカラーフィルタ１０と、図２の第２実施形態のカラーフィルタ２０を比較すると、前者の緩衝層は後者の第２緩衝層よりも面積が小さい（間隙部が多い）分、可撓性基材の応力の緩和が大きくなり有利となる。これに対し、第２実施形態のカラーフィルタ２０は、緩衝層に対する着色画素の面積比が小さくなった分、第２緩衝層５から着色画素が剥れるリスクが小さくなる利点をもつ。図３の第３実施形態のカラーフィルタ３０は、第１実施形態のカラーフィルタ１０と、第２実施形態のカラーフィルタ２０の利点を併せ持つものである。

図５は、本発明のカラーフィルタの第１実施形態（図１）及び第３実施形態（図３）に係る、緩衝層４のパターンを例示する模式平面図である。緩衝層４のパターンは、４角形以上の多角形（図５（ａ）、（ｂ））、あるいは円を含む楕円形状（同（ｃ））であることが好ましい。これはパターンの鋭角部が増加すると鋭角部から現像液が入り込み剥がれやすくなるので、１パターンの外周を短くすることで現像時にレジストをはがれにくくするためである。

一般にカラーフィルタの製造では、着色画素の形成時に硬化収縮応力が発生し、基材に反りが発生する。また、ガラス基板からの剥離後にカールが発生することがある。本発明のカラーフィルタでは、可撓性基材と着色画素の層間に緩衝層及び／または第２緩衝層を備えるので、これらの硬化収縮応力による影響も緩和される。

本発明の表示装置は、カラーフィルタとして、本発明のカラーフィルタを備える以外は従来の構成、方法を採用することにより得られる。

１・・・・・可撓性基材
２（Ｒ）・・・着色画素（赤色）
２（Ｇ）・・・着色画素（緑色）
２（Ｂ）・・・着色画素（青色）
３・・・・・ブラックマトリクス
４・・・・・緩衝層
５・・・・・第２緩衝層
６・・・・・ガラス基板
１０・・・・本発明のカラーフィルタ（第１実施形態）
２０・・・・本発明のカラーフィルタ（第２実施形態）
３０・・・・本発明のカラーフィルタ（第３実施形態）

Claims (3)

1. 少なくとも可撓性基材と着色画素とを備えるカラーフィルタであって、
   前記可撓性基材と前記着色画素の断面視の層間に、個別の前記着色画素ごとに、外力に対する緩衝層を備えることを特徴とするカラーフィルタ。
2. 前記緩衝層の縦弾性係数は、前記可撓性基材の縦弾性係数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 請求項１または２に記載のカラーフィルタを備えることを特徴とする表示装置。

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