JPH08508114A - カラーフィルタ・アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液晶表示装置のような装置で使用するためのカラーフィルタ・アレイ。フィルタは、シングルキャビティ・ファブリ・ペロー形フィルタ設計を用いた干渉型フィルタである。各ピクセル領域においては、赤、緑及び青の光用にフィルタを形成し、これらの各フィルタに共通の共用広帯域誘電体ミラーを設ける。これらのフィルタの間には、各フィルタ用のミラー間の同調厚さに差を設ける。上記の共用広帯域誘電体ミラーを用いると、フィルタが共通構造のモジュールミラー積層体を共用し、これらの積層体はブランケット・コータにより塗布することができ、モザイクピクセル・パターニングと同調のためのフィルタ調整を中心のスペーサ層の厚さ及び境界画定によって達成されすることができるので、ＲＧＢフィルタのモザイクアレイの形勢に必要な処理を簡単化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 カラーフィルタ・アレイ 発明の分野 本発明は、カラーフィルタ・アレイに関し、より詳しくは、干渉フィルタを用 いたカラーフィルタに関する。 発明の背景 液晶モザイクディスプレイ技術は、多くの用途におけるカラーブラウン管（Ｃ ＲＴ）の有力な後継者として開発がなされている。この技術には、高い信頼性の 他、消費電力の低減、小形化、軽量化等の重要な長所がある。 カラー液晶表示装置には様々に異なる種類があるが、一般に、この種の表示装 置では、２枚の互いに離れて配置されたパネルが密閉キャビティを形成し、その 中に液晶表示材料が充填されている。このように形成されたキャビティの内側に は、一方のガラスパネルの表面上に透明な共通電極が形成される。やはりキャビ ティの内側で、もう一方のガラスパネルの表面には、個別電極が形成される。こ れらの各個別電極は、１画素または１画素の何分の１かに相当する表面積を有す る。各画素は、小さ過ぎて、裸眼では容易に見ることができない。カラー表示能 力を有する表示装置の場合は、赤、緑、青の色領域のカラーフィルタも具備しな ければならない。各色領域は、位置的に電極の１つとそれぞれ整合されている。 それぞれ赤、緑、及び青の色領域からなる各１組の色領域は、画素中で３本毎に 繰り返される三つ組反復ストライプ・パターン、または他の規則性のあるパター ンにまとめられる。 典型的な液晶表示装置（ＬＣＤ）においては、各個別電極は、薄膜トランジス タによってアドレス指定することができる。そして、表示しようとする画像に応 じて、表示動作の間、１つまたは２つ以上の電極を励起させることにより、それ らの各電極に対応するカラーフィルタ領域を通して入射光を全面的に透過させる か、全く透過させないか、あるいは一部を透過させる。ユーザが認識する画像は 、隣接カラーフィルタ領域を通る透過光によって形成される色の混合からなる。 多くの場合、ＬＣＤは、画面を見る人と反対側に光源を設けることによってバ ックライト照明としている。あるいは、ＬＣＤは、裏面に反射層を設け、画面を 見る人と同じ側にある光源によって照明を得ることも可能である。 上記のような表示装置で使用されるカラーフィルタは、従来、種々異なる技術 を用いて製造されている。１つの方法は、ガラスパネルに感光接着フィルムをス ピンコータで塗布するか、蒸着するものである。その後、このフィルムは、順次 ３つのステップを経てパターニングされる。各ステップにおいては、フィルムの 所定の領域にそれぞれ特定の色の染料を塗布する。もう一つの方法では、有機顔 料を真空蒸着によってフィルムに被着する。次に、これらの顔料を、従来のリフ トオフ技術を用いてフォトリソグラフィ法によりパターニングする。さらにもう 一つの方法においては、染料を被着し、パターニングした延伸フィルム材を用い て内部に色偏光フィルタを形成する。 他の形のカラーフィルタとして、干渉形フィルタがある。多層薄膜誘電体カラ ーフィルタは、上記のような染料型フィルタより効率的であり、経時によって褪 色したり劣化したりせず、また比較的硬質であり、これを用いることによって最 適の性能が得られる。この形におけるパターニングされたフィルタを得るための 従来技術の方法は、リフトオフ法を用いて、明確な透過特性を有する２層以上の 薄膜誘電体の積層体をパターニングするものである。これらの積層体は、通常、 ＺｎＳ／ＭｇＦ₂、あるいはより高硬度で、耐久性が良く、光学的に安定した材 料であるＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂のような誘電材料で形成される。個々の色について適 切な透過特性を得るために、これらの誘電材料は、各層毎に厚さ及び屈折率を指 定する精密設計に従って組み立てられる。特に、ある一つの方法においては、ガ ラス基板上に各フィルタ積層体を順次一様に被着する。次に、フィルタ積層体に 対して選択エッチングまたはリフトオフ処理を行って、積層体状のフィルタを区 分し、これによってピクセルの色位置を画定する。この一連の操作からなる方法 は、ピクセルゾーンで離散型フィルタ設計の個別のマッピングを無理に行うより も実施が簡単かつ安価であるが、全色域にわたるＬＣＤディスプレイに必要な真 の色分解フィルタを達成することが可能であるとは思われない。 発明の概要 本発明は、液晶表示装置のようなデバイス用のモザイク・カラーフィルタ・ア レイにある。すなわち、本願においては、シングルキャビティ・ファブリ・ペロ ー形フィルタを用いて色分解を達成するアレイ状干渉フィルタが開示される。よ り詳しく言うと、全てのカラーフィルタに対して共通の広帯域誘電体ミラーを使 用し、これらのミラー間に、光の特定波長の透過を制御するため同調スペーサ層 を配置する。 このフィルタ・アレイを製造する方法は、まず透明ガラス基板を用意するステ ップよりなる。この基板上に、所定反射率の第１の層として、連続体Ｍ１を被着 する。Ｍ１は、高屈折率誘電材料（例えば、ＴｉＯ₂）の層と低屈折率誘電材料 （例えば、ＳｉＯ₂）の層を交互に重ね合わせたものからなる。次に、Ｍ１上に 既知の屈折率の透明スペーサ層を被着し、その厚さを赤、緑、及び青フィルタの モザイク・レイアウト用の個々のピクセル位置で同調させる。次に、第２の反射 層として、連続体Ｍ２を全てのピクセル位置の上に被着し、アレイ状のシングル キャビティ・ファブリ・ペロー形フィルタを形成する。この場合、Ｍ２はＭ１と 類似のものでよいが、必ずしも同じである必要はない。これらのファブリ・ペロ ーフィルタの帯域幅及びピーク透過率特性は、Ｍ１及びＭ２の反射率特性によっ て決まり、一方、これらのフィルタの同調（すなわち中心波長）は、スペーサ層 の光学的厚さによって決まる。 上記の本発明の方法プロセスの長所は、共通の第１及び第２の反射層を全ての ピクセル位置で使用することができるということである。この製造連続体は、離 散型フィルタ設計を３つのピクセルゾーンに別々にマッピングする方法よりも簡 単かつ安価である。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の液晶表示装置の一実施の形態の断面図である。 図２は、ピクセル位置をマッピングするためのパターンの一例を示す。 図３は、図１におけるカラーフィルタ・アレイの一部分の断面図である。 図４は、赤フィルタのスペクトル特性を示すグラフである。 図５は、緑フィルタのスペクトル特性を示すグラフである。 図６は、青フィルタのスペクトル特性を示すグラフである。 図７は、カラーフィルタ・アレイの第２の実施の形態のスペクトル特性を示す グラフである。 図８は、カラーフィルタ・アレイの第３の実施の形態のスペクトル特性を示す グラフである。 図９ａ乃至９ｄは、反射層、フォトリソグラフィ・マスキング層、及び透明ス ペース調整層の被着操作を逐次示す。 図１０ａ及び１０ｂは、標準的なリフトオフ技術を用いたカラーフィルタ・ア レイの形成プロセスを示す。 発明の好ましい実施の形態 本願で開示する発明は、モザイク・カラーフィルタ・アレイにある。このカラ ーフィルタ・アレイは、ＴＶカメラや各種投影装置で使用することもできるが、 本願では液晶表示装置（ＬＣＤ）との関連において説明する。 図１は、本発明の現在のカラーフィルタ・アレイを組み込むことが可能な液晶 表示装置の一実施の形態の断面図である。図示ＬＣＤは、バックライト１２を有 し、このバックライトは、後部ガラスパネル１１と前部ガラスパネル２２との間 に配置された各コンポーネントに白色光を投じる。これらの間に配置されたコン ポーネントは、カラーフィルタ・アレイ１４、薄膜トランジスタ１６、液晶１８ 及び吸収型フィルタ２０等である。図示実施の形態においては、カラーフィルタ ・アレイ１４は、特定の波長の光を通すよう作用する一方、他の全ての波長の光 をバックライト１２を収容したチェンバ中へ逆反射させる。液晶は、薄膜トラン ジスタと共に、光の通過に対するオン／オフスイッチとして働き、スイッチがオ ンのとき、液晶は透明になって、全ての波長の光を通すことができる。このスイ ッチがオフのときは、液晶は不透明となり、どの波長の光も通さない。吸収型フ ィルタ２０は、特定の通過帯域の波長以外の全ての波長の光を吸収する。反射型 のカラーフィルタ・アレイとこの吸収型カラーフィルタとを組み合わせることに よって、ディスプレイの色飽和を改善し、従来の構成においては通常吸収によっ て失われる光エネルギーを保持し、正規の視角外でも良好な色を維持しようとす る働きが得られる。このカラーフィルタの組合わせは、「カラー液晶表示装置の 色度改良用のパターン化ダイクロイック・フィルタ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｄｉ ｃｈｒｏｉｃ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｃｏｌｏｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓ ｔａｌＤｉｓｐｌａｙ Ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ ）」という名称の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９４／０２６６８号により詳細に説 明がなされている。この国際特許出願は、参照によって本願に組み込まれる。 図１に示すように、液晶表示装置の異なる部分が、それぞれ光の異なる波長を 通過させる。図示の例においては、赤、緑及び青の色は、それぞれ液晶表示装置 の特定の部分を通過することができる。典型的なカラーフィルタ・アレイにおけ るカラーピクセルを図２に平面図状に示す。この典型的なモザイク・レイアウト は、液晶表示装置で全色を見ることができるように考えられている。図示のよう に、フィルタ・アレイは、それぞれ３０、３２及び３６で示す青、赤、及び緑の 別々のピクセル位置としてレイアウトされている。 本発明は、カラーフィルタ・アレイ１４を基本としたものである。このような 干渉フィルタの設計は、光学の産業分野においては広く行われている。これらの フィルタは、様々なリフラクトリ（難溶融性、超耐熱性）無機蒸着薄膜またはス パッタ薄膜から作ることができる。この種のフィルタは、通常３層から成り、第 ２の層は第１の層と第３の層の間に配置される。第１の層と第３の層は、銀のよ うな高反射性の微透過性フィルムである。第２の層あるいはスペーサ層は、硫化 亜鉛のような誘電層である。このスペーサ層の厚さは、出力光の波長、従って色 を決定する。この形のフィルタは、ファブリ・ペロー干渉フィルタとして比較的 広く知られており、フィルタのスペーサ層の厚さを調節して、特定の色の透過を 図るようになっている。透過光が確実に狭い通過帯域を持つように、また通過帯 域周波数外の透過が確実に最小となるようにするため、反射層は１に近い反射率 を有するべきである。単層金属ミラー（光をある程度吸収する）に代わる高性能 の代替手段は、ファブリ・ペロー・キャビティミラーを形成するよう適切に設計 された厚さの連続体として配列された低吸収の全誘電体層を用いることである。 最も簡単な全誘電体ミラーの設計は、単に高屈折率層と低屈折率層を交互に積層 してなる４分の１波長の同調積層体（すなわち、各層の光学的厚さがピーク反射 率の波長の４分の１の波長に相当する）である。この設計の結果としては、二酸 化チタン（ＴｉＯ₂）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）のような材料の層を交互に積 層したものを用いて、フィルタ全体を製造することができる。 図３には、本発明のカラーフィルタ・アレイの断面図を示す。特に、アレイ中 の各ピクセル位置毎に、赤フィルタ、緑フィルタ、及び青フィルタを反復して形 成する特徴が詳細に示されている。これらのフィルタは、透明ガラス基板４０及 びその上に配置された第１のミラー積層体４２を有する。前に述べたように、第 １のミラー積層体４２は、交互に配置されたＴｉＯ₂層とＳｉＯ₂層から成る。こ の第１のミラー積層体は、フィルタ・アレイ全体にわたって一様な厚さを有する 。第１のミラー積層体４２の上には、いずれもＳｉＯ２で形成された同調スペー サ層４３及び４４が設けられている。同調スペーサの厚さは、所望のカラーフィ ルタの種類によって決まる。第１のミラー積層体４２及び同調スペーサ層４３の 上には、第２のミラー積層体４６が設けられている。本発明のこの実施の形態の 場合、第２のミラー積層体４６は、第１のミラー積層体４２と同じ構成及び厚さ を有する。 前に述べたように、フィルタ・アレイ中の３つの各カラーフィルタの基本設計 は、シングルキャビティ・ファブリ・ペローフィルタとして知られている。ファ ブリ・ペローフィルタは、単にスペーサ層によって分離された２つのミラーから 成る同調キャビティ構造よりなる。このフィルタにおいては、スペーサの厚さが 共振周波数の波長の２分の１整数倍であるとき、共振ピークが起こる。従って、 両方のミラーに同じミラー積層体を使用すると、基本的なフィルタ設計は、次式 のような形になる。 式中、ｐは整数であり、Ｍはミラー積層体の厚さ及び構造を表し、λは赤、緑、 または青のいずれかの光の波長である。この実施の形態においては、Ｍ＝１．１ （ＨＬＨ）．８（ＬＨ）²である。ただし、ＬはＳｉＯ₂の４分の１波長の光学的 厚さ（ＱＷＯＴ）を表し、Ｈは５５０ｎｍ（すなわち可視スペクトルの中心）の 波長におけるＴｉＯ₂のＱＷＯＴを表す。ここで、屈折率ｎの材料のＱＷＯＴ は、λ／４ｎの物理的厚さに相当する。従って、λ＝５５０ｎｍでは、Ｈは５７ ｎｍに等しく、Ｌは約９２ｎｍに等しい。 赤フィルタは、層構造Ｍ／１．２Ｌ／Ｍ、または１．１（ＨＬＨ）．８（ＬＨ ）²／１．１（ＨＬＨ）１．１（ＨＬＨ）．８（ＬＨ）²から得られる。緑フィル タは、層構造Ｍ／２．５Ｌ／Ｍ、または１．１（ＨＬＨ）．８（ＬＨ）²／２． ５Ｌ１．１／（ＨＬＨ）．８（ＬＨ）²から得られる。緑フィルタ及び赤フィル タの場合、高調波スペーサの厚さは、それぞれ１．２Ｌ及び２．５Ｌである。こ の実施の形態においては、青フィルタは、同調スペーサ層を持たず、１．１（Ｈ ＬＨ）．８（ＬＨ）²１．１（ＨＬＨ）．８（ＬＨ）²で表されるような構造から 得られる。この設計は、光の吸収損失なしで色分解が達成され、大幅に効率が改 善されるという大きな長所を有する。 各々、図４乃至６は、赤、緑及び青のフィルタ設計におけるスペクトル特性を 示す。これらの各図において、グラフは、それぞれ特定のカラーフィルタの透過 能を光の波長に対して示している。いずれの場合においても、通過帯域は、真の 色分解を達成できるだけ十分に狭く、しかも全ての干渉コーティングが遭遇する 視角による短波長側へのシフトを緩和するのに役立つだけの十分な幅を有する。 特定の用途のために光学特性が互いに異なるフィルタが必要な場合でも、本願 で開示する方法によれば、柔軟な適応性という長所が得られる。例えば、より狭 いスペクトル帯域幅とより広いスペクトル帯域巾のフィルタが必要な場合、図７ に示すような性能を有し、 Ｍ＝１．１Ｈ１．１Ｌ１．１Ｈ．７Ｌ．７Ｈ．７Ｌ 赤＝Ｍ² 緑＝Ｍ／１．５Ｌ／Ｍ 青＝Ｍ／Ｌ／Ｍ で表される構造を有する第２の実施の形態、及び図８に示す性能を有し、 Ｍ＝１．１Ｈ．１Ｌ．８Ｈ．８Ｌ 赤＝Ｍ／１．８Ｌ／Ｍ 緑＝Ｍ／１．２Ｌ／Ｍ 青＝Ｍ／１．５Ｌ／Ｍ で表される構造を有する第３の実施の形態が示すように、フィルタの光学的性能 を必要に従い適応させることができる。 以下、図９及び１０を参照して、本発明のカラーフィルタ・アレイを組み立て るための１つの方法を説明する。 以下に説明する方法は、集積回路デバイスの製造に用いられる従来のリフトオ フ法である。リフトオフ技術は、精密ジオメトリーズにとって非常に有用であり 、また断面で側壁を垂直に形成することが必要な場合に極めて役に立つ。 図９ａは、カラーフィルタをその上に形成するためのガラス基板４０を示す。 図９ｂに示す第１のステップにおいては、第１のミラー積層体４２を基板４０の 全面にわたってブランケット・コータにより塗布する。このミラー積層体は、上 記の厚さに従い、ＳｉＯ₂層とＴｉＯ₂層を交互に積層して形成される。従来のリ フトオフ技術を用いて第１の実施の形態を製造する場合は、フォトリソグラフィ 法によって青のピクセル位置をマスクで覆い、赤及び緑のピクセル位置をオープ ンの状態に残す。青のフォトリソグラフィ用マスク剤６０は、直接ミラー積層体 ４２に被着する。図９ｃに示すように、ＳｉＯ₂で形成される同調スペーサ層４ ３を、青のマスク剤６０及び第１のミラー積層体４２の上に赤の同調厚さだけ被 着する。第３の実施の形態を製造する場合は、マスク剤を被着する前に、ミラー 積層体上にスペーサ層を緑の同調厚さだけ被着する。再び第１の実施の形態に戻 って、図９ｃに示すように、赤フィルタに対応するピクセル領域がマスク剤６２ でマスキングされ、緑のピクセル領域だけが無マスクの露出状態として残される 。図９ｄに示す次の段階では、第２のスペーサ層４４を赤フィルタのマスク剤６ ２及び第１のスペーサ層４３の上に形成する。層４４と４３を合せた厚さは、フ ィルタアレイが完全に出来上がった状態で、緑の光用のファブリ・ペローキャビ ティが形成されるのに十分な厚さになっている。 図１０ａ及び１０ｂは、このリフトオフ・プロセスにおける最終ステップを示 す。図１０ａにおいては、フィルタ・アレイを温アセトンまたは溶媒に浸すと、 青フィルタ及び赤フィルタ用の赤のフォトレジスト塗膜が膨潤し、同調スペーサ 層の一部が除去される。図１０ｂに示す最終ステップにおいては、真空蒸着プロ セスを用いて、基板４０の上方の全面にわたり第２のフィルタ積層体４６を形成 する。図から明らかなように、フィルタ厚さが明確に異なる３つの部分が、横方 向に反復状に形成されている。第１のフィルタ領域には、スペーサ層４３だけし かなく、第２の領域はスペーサ層４３と４４を両方とも有し、第３の領域にはス ペーサ層４４、４３のどちらもない。本願では、従来のリフトオフ技術を用いて カラーフィルタ・アレイを製造する場合について説明したが、当業者には、フォ トマスキングとエッチングような他の技術を用いてフィルタを形成することも可 能なことは明白であろう。また、ＺｎＳ及びＭｇＦ₂の他の材料を用いてフィル タ・アレイを製造することも自明であろう。エッチング技術及びリフトオフ技術 は、いずれも当技術分野において周知である。 以上、新規かつ非自明なカラーフィルタ・アレイについて説明した。出願人は 、上記説明によって本発明を限定しようとするものではなく、本発明は特許請求 の範囲によって規定されるものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の面及び第２の面を有する透明ガラス基板を用意するステップと、 上記基板の第１の面上に既知の厚さ及び組成を有する第１の反射層連続体を被 着するステップと、 上記第１の反射層上にの既知の屈折率を有する透明スペーサ層を被着するステ ップと、 上記透明スペーサ層上の複数の色ピクセル位置を識別するステップと、 上記複数の各ピクセル位置の透明スペーサ層の厚さを同調させるステップと、 上記透明ガラス基板の上方の全面にわたって既知の厚さ及び組成を有する第２ の反射層連続体を被着するステップと、 を具備したカラーフィルタ・アレイの製造方法。 ２．上記カラーフィルタ・アレイを液晶表示装置に組み込むことを特徴とする請 求項１記載のカラーフィルタ・アレイの製造方法。 ３．上記第１及び第２の反射層連続体が、交互に配置されたＴｉＯ₂の層とＳｉ Ｏ₂の層からなることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ・アレイの製 造方法。 ４．上記透明スペーサ層がＳｉＯ₂で形成されていることを特徴とする請求項１ 記載のカラーフィルタ・アレイの製造方法。 ５．上記ピクセル位置にフォトリソグラフィ・マスキングによって境界を形成す ることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタ・アレイの製造方法。 ６．上記透明スペーサ層の厚さを調整するステップをリフトオフ及びフォトレジ スト・ストリッピング法を用いて行うことを特徴とする請求項５記載のカラーフ ィルタ・アレイの製造方法。 ７．赤、緑及び青のピクセル位置を識別することを特徴とする請求項１記載のカ ラーフィルタ・アレイの製造方法。 ８．上記の厚さを調整した透明スペーサ層を含めずに青色用の干渉フィルタが得 られるように、上記第１及び第２の反射層を調整することを特徴とする請求項７ 記載のカラーフィルタ・アレイの製造方法は。 ９．上記の同調させた透明スペーサ層を含めずに赤色用の干渉フィルタが得られ るように、上記第１及び第２の反射層を同調させることを特徴とする請求項７記 載のカラーフィルタ・アレイの製造方法。 １０．透明ガラス基板と、 上記ガラス基板上に配置された第１の反射層連続体と、 上記第１の共通の反射層上の所定位置に配置された複数の同調スペーサ層と、 複数のファブリ・ペロー・シングルキャビティ・カラーフィルタを形成するよ う上記複数の同調スペーサ層上に配置された第２の反射層連続体と、 を具備したカラーフィルタ・アレイ。 １１．液晶表示装置に組み込んだことを特徴とする請求項１０記載のカラーフィ ルタ・アレイ。 １２．上記第１及び第２の反射層連続体が、交互に配置されたＴｉＯ₂の層とＳ ｉＯ₂の層からなることを特徴とする請求項１０記載のカラーフィルタ・アレイ 。 １３．上記同調スペーサ層がＳｉＯ₂よりなることを特徴とする請求項１０記載 のカラーフィルタ・アレイ。 １４．上記ファブリ・ペロー・シングルキャビティ・カラーフィルタが、それぞ れ赤、緑及び青フィルタとして形成されることを特徴とする請求項１０記載のカ ラーフィルタ・アレイ。 １５．第２の反射層を上記第１の反射層に直接被着して青のカラーフィルタを得 、赤及び緑のカラーフィルタについては複数の同調スペーサ層を設けたことを特 徴とする請求項１４記載のカラーフィルタ・アレイ。 １６．第２の反射層を上記第１の反射層に直接被着して赤のカラーフィルタを得 、青及び緑のカラーフィルタについては複数の同調スペーサ層を設けたことを特 徴とする請求項１４記載のカラーフィルタ・アレイ。