JPH09197392A

JPH09197392A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH09197392A
Application number: JP401796A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Yamada; 義孝山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】色劣化がなく、高耐候性を有するカラ−フィ
ルタ−を具備する、高画質で低価格であるとともに、高
信頼性を有する液晶表示装置を提供すること。【解決手段】入射光側に配置された第１の基板と、こ
の第１の基板に対向配置された第２の基板と、これら第
１及び第２の基板間に挟持された液晶層と、光源からの
光を分光して透過させる色分離手段とを具備する液晶表
示装置において、前記色分離手段は、有機材料からなる
第１のカラーフィルター層と、誘電体多層膜からなる第
２のカラーフィルター層とを含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高耐光性カラーフ
ィルターを有する液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＲＴ表示装置よりも小型で軽量
なフラットパネルディスプレイ装置として、液晶表示装
置やプラズマ発光表示装置などが注目されている。これ
らの表示装置は、自ら表示画像に対応した光を発生して
表示する自己発光型と、別の光源（自然光を含む）を有
し、表示素子に光の透過率の制御機能を持たせて表示を
行う透過率制御型とに大別される。そして、次世代表示
装置として、各種の分野で実用化が進んでいる液晶表示
装置は、現在のところ、透過率制御型の代表的なもので
ある。

【０００３】一方、液晶表示装置としては、液晶表示パ
ネルを直接見るタイプと、液晶表示パネルにより変調さ
れた光をスクリーン上に投写し、この投写画像を見るタ
イプが知られている。前者はコンパクトな表示装置を構
成できるというメリットがある。一方、後者は投写型液
晶表示装置として知られており、ランプの光を液晶パネ
ルに集光して入射させ、二次元的に変調された透過光又
は反射光を、投射レンズを通じて、スクリーンに拡大投
射するように構成されるもので、大きなサイズの画面表
示を行わせることができるというメリットがある。

【０００４】一般に、投写型液晶表示装置は、液晶パネ
ルの背後から光を照射してスクリーン上にカラー画像を
投射する装置である。この液晶表示装置を用いてカラー
表示を行う方法として、１枚パネル方式と３枚パネル方
式の２方式がある。１枚パネル方式では、１枚の液晶パ
ネル各々の画素に赤、緑、青のモザイク状のカラーフィ
ルターを対応させて配置し、白色光を照射することによ
ってカラー表示を行うことができる。これに対して、３
枚パネル方式では、３枚のダイクロイックミラーによ
り、白色光を赤、緑、青の三色に分離して、それぞれ３
枚の液晶パネルに対応する色の光を照射し、液晶パネル
により形成された３色の画像を重ね合わせてカラー表示
を行う。

【０００５】１枚パネル方式は、３枚パネル方式に比べ
光学系が簡単であることから、表示装置の小型化、軽量
化を図れるという利点がある一方、１枚パネル方式でカ
ラー表示を行う場合、１画素が赤、緑、青と３分割され
ていることから、３枚パネル方式と同じ明るさの光源を
用いた場合、画像の明るさは３枚パネル方式の３分の１
になるという問題がある。

【０００６】このような液晶表示装置を構成する重要な
要素が液晶素子であるが、この液晶素子には多くのもの
が知られており、ツイステッドネマティック型液晶素子
が代表的なものとして用いられる。その動作原理は、液
晶層における光の複屈折性または旋光性を利用すること
により、表示パネルの観察面側に出射される光を制御し
て表示を行うというものである。

【０００７】しかし、上記のようなツイステッドネマテ
ィック型液晶素子は、偏光板を用いるために、原理的
に、光源からの光の約２分の１が損失し、光源の光利用
効率が低い。その結果、画面の輝度が低くなるという問
題がある。このような輝度の低は、強力な光源を用いる
ことにより改善できるが、そうした場合、消費電力の増
大や、発熱、偏光板等の耐光性という問題が発生する。

【０００８】一方、投写型液晶表示装置の場合、装置全
体を小型化するためには、液晶表示パネルのサイズを小
型化する必要があるが、拡大投射で精細な画像を得よう
とすると、画素数を増やす必要がある。ところが、液晶
表示パネルの開口率は画素数が増えるほど低下する傾向
があり、その結果、光源光の利用効率が低下してしま
い、高輝度化が困難になってしまう。そこで、一般に
は、液晶表示パネルの開口率低下を補うために、液晶表
示パネルの光入射側にマイクロレンズアレイを配置し
て、実効的な透過率の改善を計る方法が採用されてい
る。

【０００９】これに対して、出射側の方向、あるいは散
乱／透過を制御する方式の液晶表示装置は、偏光板が不
要であることから、光源からの光利用効率を上げること
が可能である。このような方式の液晶表示装置の中で
も、高分子分散型液晶表示装置は、高分子樹脂と液晶と
を、それぞれ別の相として混在させた液晶層を用いるも
のである。つまり、高分子樹脂と液晶とを混合した場合
に、いずれかが他方に溶解されるような形ではなく、い
ずれか一方の中に他方が分散的に保持された構造であ
り、例えば、高分子樹脂における連続状又は多数のカプ
セル状の空隙中に液晶相としてＴＮ液晶のような液晶組
成物が分散保持されているような液晶層を用いるもので
ある。

【００１０】このような高分子分散型液晶表示装置にお
いては、２枚の透明電極間に電圧を印加しない状態で
は、透過光を散乱させるので、画面は乳透明に観察さ
れ、電圧を印加した状態では、印加電圧に応じて液晶層
が透明化して透過光を散乱させずに透過させるようにな
り、画面は透明に観察される。

【００１１】このように高分子分散型液晶は、光の分散
と非散乱を制御できるので、散乱光のみを取り出す光学
系、または非散乱光のみを取り出す光学系を組み合わせ
ることにより、液晶層での光の散乱性の制御を光強度、
つまり画面輝度の制御に変換することができる。そし
て、この動作原理を用いることにより、偏光板が不要に
なり、光源光の利用効率も高くなり、高輝度の表示を実
現できる。このため、現在では、高分子分散型液晶をア
クティブマトリックス型の投写型液晶表示装置に適用し
て、明るい液晶プロジェクターを開発する動きが盛んで
ある。

【００１２】一般に、アクティブマトリックス型の液晶
表示装置は、対向電極を有する対向基板と、薄膜トラン
ジスタなどのスイッチング素子に接続された画素電極を
有するアレイ基板とを具備する。この薄膜トランジスタ
としては、アモルファスシリコンや、多結晶シリコンな
どの半導体層が用いられているが、これらは光の入射に
よって光リークを発生し、表示特性を劣化させる。この
ため、通常、薄膜トランジスタに対向する対向基板の位
置に遮光層を配置し、対向基板からの光入射による光が
薄膜トランジスタに到達しないように工夫してある。

【００１３】このような遮光層としては、一般には、Ｃ
ｒ層が用いられる。このＣｒ層は、薄膜トランジスタへ
の光入射を制御するための光学濃度（Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｄｅｎｓｉｔｙ）が、４．０〜５．０以上あり、厚膜で
形成される。

【００１４】しかし、上記のように遮光層を設けたとし
ても、開口部から入射した光が、アレイ基板、対向基板
などの各層による多重反射を受けて、薄膜トランジスタ
部に進入する場合がある。これに対する対策として、上
記の遮光層のアレイ基板側（膜面側）をさらにＣｒＯ等
の低反射膜で覆う構造や、薄膜トランジスタ自体を遮光
層で覆ういわゆるＢＭオンアレイ構造などが用いられて
いる。また、同様の理由から、液晶パネルにカラーフィ
ルターが形成されている場合、カラーフィルターが入射
白色光の約２／３を吸収するという特徴を利用して、光
の入射側にカラーフィルターを配置し、あらかじめ不要
光を吸収するという対策を用いる場合が多い。

【００１５】しかしながら、表示画面の高輝度化のため
に採用される高分子分散型液晶においては、偏光板が不
要になる分、光源光のロスがなくなるため、表示パネル
への光の入射強度は、偏光板がある場合に比べ、約２．
５倍にも達する。また同様に、偏光板不要の材料の採用
や、光源光のパワーアップに伴い、ますます表示パネル
の光の入射強度は増大する傾向にある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来、直視式用として
用いられている液晶表示パネルのカラーフィルターは、
染料により透明レジストを染色する染色式カラーフィル
ターが主流を占めていたが、近年、耐光性、耐久性、低
コストの観点から、透明レジストなどに有機顔料を分散
させた有機顔料分散式や、顔料をＩＴＯ電極上に析出さ
せる顔料電着法（電解法）カラーフィルターにとって変
わられつつある。これは、直視用液晶パネルも、屋外等
の太陽光下の厳しい環境での利用を考慮する必要性が出
てきたためである。

【００１７】しかし、染料に比べて耐光性の高い顔料に
おいても耐光劣化が問題となっている。更に、高輝度光
源を搭載した投射型液晶装置への応用がすでに行われて
いるが、この場合は、より高照度の光が液晶パネルに入
射するため、耐光性の改善が望まれている。

【００１８】図１１は、かかる従来の液晶表示装置の構
成を示す断面図である。図１１に示すように、液晶パネ
ルは、対向配置されたアレイ基板１と対向基板１０の間
に、高分子分散型の液晶層２０をはさんだサンドイッチ
状の構造を有している。アレイ基板１は、ガラス基板１
ａ上にゲート絶縁層３、第１層間絶縁膜５、及び第２層
間絶縁膜７を積層し、更にその上にＩＴＯ透明電極（画
素電極層）８を配置した構造を有している。一方、対向
基板１０は、ガラス基板１０ａ上にＣｒ／ＣｒＯからな
る遮光層１１、顔料分散方式のカラーフィルター層１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ、保護膜１３、更にその上に対向電
極１４を配置した構造を有している。

【００１９】なお、ガラス基板１ａの上の多結晶シリコ
ン層２の上に、ゲート絶縁膜３を介して、ゲート電極４
を配置したポリシリコン薄膜トランジスタ（以下、ｐ−
ＳｉＴＦＴと称する）９が形成されている。ｐ−ＳｉＴ
ＦＴ９の一端には、金属配線６を介して、映像信号電圧
が印加される。また、ｐ−ＳｉＴＦＴ９のゲート電極４
には、走査線を選択するための信号が印加される。更
に、ｐ−ＳｉＴＦＴ９の他端は、金属配線６を介して、
透明電極８に接続されている。

【００２０】ちなみに、ｐ−ＳｉＴＦＴ９は、ガラス基
板１ａ上にアモルファスシリコン膜をＣＶＤ法により成
膜した後、レーザーアニール法で多結晶シリコン膜に変
換し、、これを島状にパターニングして多結晶シリコン
層を形成する。その上に、ゲート絶縁膜３をパターニン
グにより形成する。次に、多結晶シリコン層に不純物を
注入し、セルフアラインメントでソース、ドレイン領域
を形成する。そして、ゲート電極４の上に第１層間絶縁
膜５を被覆し、ソース、ドレイン領域とのコンタクトホ
ールを形成し、ここに金属配線６を埋め込む。

【００２１】次に、その上に、第２層間絶縁膜７を形成
し、透明電極８とのコンタクトをとるためのコンタクト
ホールを形成する。透明電極８は、第２層間絶縁膜７上
にエッチングによりパターニングして形成される。パネ
ルサイズとしては、対角４．９インチ、画素数は６４０
×４８０、開口率３５％である。

【００２２】一方、対向基板１０では、ガラス基板１０
ａ上にＣｒ／ＣｒＯからなる遮光層１１を成膜、パター
ニングし、その後、例えばＣＲ−２０００（商品名、富
士ハントエレクトロニクス社製）の赤色フィルター１２
ａ、ＣＧ−２０００（商品名、富士ハントエレクトロニ
クス社製）の緑色フィルター１２ｂ、ＣＢ−２０００
（商品名、富士ハントエレクトロニクス社製）の青色フ
ィルター１２ｃからなるカラーフィルター１２を順次、
フォトエッチングにより形成する。その上を例えばアク
リル樹脂系トップコート材（オプトマーＳＳ：商品名、
日本合成ゴム社製）で覆い、保護膜１３とし、焼成した
後にＩＴＯ膜をスパッタ法により１００℃で１５０ｎｍ
の厚さに成膜し、対向電極１４とした。

【００２３】なお、以上のように構成される液晶表示装
置の動作については、周知のことであるので、説明を省
略する。投写型液晶表示装置の場合、メタルハライドラ
ンプ等の強力な光源が用いられる。これらの光源は、白
色光以外に紫外光線、赤外光線等、装置の劣化要因とな
る有害光線を多分に含んでいるが、偏光板、液晶パネル
保護のため、事前にこれらの有害光線を除去しているこ
とはいうまでもない。

【００２４】ところが投射式の場合、直視式で用いられ
るバックライト光源と比較して、液晶パネルへの入射光
照度は多くの場合１００倍以上であり、５０万ｌｘを越
える場合がある。より明るい投射型液晶表示装置を達成
するためには液晶パネルへの入射光照度を高める必要が
ある。または、高分子分散型液晶を用いることにより、
ＴＮ液晶の様に偏光板がいらない分、明るい投射型液晶
表示装置を達成することができるが、偏光板がない分、
液晶パネルへの入射照度が大きく、１００万ｌｘ以上と
太陽光の１０倍以上にも達する。その結果、上記の様に
有害光線を除去する対策を行った上で、顔料式カラーフ
ィルターを採用しても、カラーフィルターの耐光性が問
題となる。

【００２５】カラーフィルターの色劣化の原因として
は、（１）顔料自身の酸化反応、（２）分散材の劣化
（ヤケ等による着色化、透過率低下）が挙げられる。電
着法の場合で顔料に分散材を含まない場合は原因（２）
を除外できる。原因（１）に関しては、例えば、特開平
５−２７１１４号公報には、有機カラーフィルターを透
明無機物質の薄膜で被膜して酸素を遮断し、耐光性を向
上させる方法が開示されている。しかし、実際には、液
晶パネルのカラーフィルターは、透明無機物質であるＩ
ＴＯで被膜された状態で使用される場合が多く、上の様
な酸素の遮断はすでに行われているといえる。ところ
が、上記の様な構造にも関わらず、カラーフィルターの
色劣化は発生する。この理由は、カラーフィルターの有
機物質自身に含まれる酸素で酸化する自動酸化や、逆に
還元反応が発生するためである。

【００２６】また、特開平５−１７３１２４号公報に
は、同様の目的で、フェノール系抗酸化剤やアミン系抗
酸化剤などのラジカル捕捉型の酸化防止剤を、エチルセ
ロソルブアセテートなどの溶剤に溶解させて、カラーレ
ジスト中に溶解混入させる方法が開示されている。しか
し、一般に酸化防止剤は、光を照射するしないに関わら
ず、一定の期間をすぎると、周囲の酸素を補足する効果
を失うことや、還元反応には効果が無い等の問題があ
る。

【００２７】また、上記の様な対策を行った上でも、カ
ラーフィルターによる光吸収による温度上昇で、顔料の
劣化反応が増す問題は解決できない。カラーフィルター
を液晶表示装置に適用した場合の色劣化の観点から、カ
ラーフィルターの耐光性の問題点を挙げると、以下のよ
うになる。

【００２８】（１）透過率変化、（２）ピーク透過波長
のシフト、（３）吸収波長領域の吸収率低下、（４）光
吸収による液晶パネルの温度上昇などである。これらの
うち、（１）〜（３）は、画像の変色、退色として、表
示品位を低下させる。（４）は、カラーフィルターの劣
化の速度を上昇させる。

【００２９】カラーフィルターの透過波長制御のために
一般に用いられている主成分としての有機顔料は、赤：
アントラキノン系、緑：ハロゲン化フタロシアニン系、
青：フタロシアニン系である。また、赤及び緑の顔料に
は、補色として黄色：イソインドリノン系またはジスア
ゾ系が混合されている。その割合は緑で約３０％前後、
赤で１０％前後である。また、保護膜としては、紫外線
硬化性または、熱硬化性の透明アクリル系樹脂が用いら
れている。

【００３０】本発明者らは、カラーフィルターメーカー
各社の顔料分散型材料を用いたカラーフィルターの耐光
性試験を行った。その結果、色劣化は、各社間で若干の
差異は見られるが、類似の傾向を示すことを見出だし
た。代表として、（株）大日本印刷製の顔料分散型材料
を用いたカラーフィルターに対して耐光性評価を行った
結果を図１２，１３に示す。図１２は、透過スペクトル
の変化を示し、その変化を色差として、ΔＥ^* ａｂ系で
数値化した結果を図１３に示す。

【００３１】本試験に用いた照射光源は、液晶プロジェ
クターで一般的に用いられている２５０Ｗメタルハライ
ドランプであり、紫外線及び赤外線を除去するフィルタ
ーを通し、液晶パネルのカラーフィルターが形成されて
いる対向基板側に、偏光板を配置しない状態で、照度１
５０万ｌｘにて、２０００時間連続照射した。また、照
射中は、空冷ファンでパネルを冷却し、照射中のパネル
の温度を約４０℃とした。測定は５００時間毎に行っ
た。

【００３２】ちなみに、色差数値表記法として、ΔＥ^*
ａｂ表記系を用いると、３〜５程度で人間の目で色差を
判別できるといわれている。本発明者らは、ΔＥ^* ａｂ
で５程度を色差の許容値とした。

【００３３】カラーフィルターの耐光性試験の結果・分
析から、以下の知見を得た。１．色劣化の度合いは、相対的に緑＞＞赤＞青の順で、
緑が最も大きい。２．上記の緑、及び赤の色劣化の原因は、赤、及び緑の
顔料に補色として配合されている黄色顔料（イソインド
リノン系、ジスアゾ系等）の退色（吸収領域の吸収率低
下）が著しく顕著であることによる。

【００３４】３．上記黄色顔料は、照射された可視光線
に対して５００ｎｍ付近より短波長側を吸収するが、同
時に微弱な光活性作用を受ける。この場合、顔料が酸化
性雰囲気にある場合、光照射とともに酸化分解が徐々に
進行する。

【００３５】４．上記黄色顔料の酸化分解モードには、
Ａ）顔料が、周辺に存在する遊離酸素ラジカルと反応し
て酸化する、Ｂ）顔料が、自身に含まれる酸素原子によ
り酸化する（自動酸化機構）の２モードが存在する。

【００３６】５．緑顔料（ハロゲン化フタロシアニン
等）自体は、光照射とともに還元作用等を受け、ピーク
透過波長領域の内、短波長側の透過率が上昇する。６．カラーフィルターを形成した場合、パネル面の照度
が１００万ｌｘ程度の場合、カラーフィルターが無い場
合と比較して５℃〜１０℃も温度上昇する。

【００３７】上記問題の内、４．Ａ）は、カラーフィル
ター層の外部からの酸素、水分等、酸化要因が進入する
事が主要因であり、その対策として、前述のごとく、透
明パシベーション膜（例えばＩＴＯ膜）を形成すること
により防止できる。しかし、４．Ｂ）、５は、顔料自体
の分子構造、分子結合強度に由来しているため、顔料分
子設計から見直す必要があり、この改善は非常に困難で
ある。

【００３８】６の問題に関しては、もちろん液晶パネル
は、通常は、冷却ファン等で冷却されているが、完全に
温度上昇を防ぐことはできない。冷却ファンの風量を増
やすことで、多少は低減される方向ではあっても根本的
な解決とはならず、騒音等の問題を生ずる。もちろん液
冷式にして、さらに冷却能力を高める方法も考えられる
が、液晶表示パネルの構造が複雑になり、コストアップ
になるばかりでなく、冷却液の循還系の保守、管理や、
故障の可能性を考えると、民生用の電子機器に採用する
のは難しい。

【００３９】色劣化は、透過スペクトルの全体のバラン
スの変化に起因するが、上記の様な照度で照射した場
合、カラーフィルターに用いられている顔料は、その分
散剤を含めた種類ごとに、特有の透過スペクトルの変化
を生ずる。

【００４０】今、透過波長の制御に用いる顔料が単一種
類で構成されている、ある色のカラーフィルターを仮定
して考える。もし、このカラーフィルターの透過スペク
トルの変化が、可視光領域にわたり、均一的に若干変化
する程度で、全体の透過スペクトルバランスが保たれて
いる場合、色劣化としての色差は小さい。しかし、透過
スペクトルのピーク波長のシフト、吸収波長領域の吸収
率の低下を生ずる等、全体のバランスを崩す場合は、色
差は大きくなる。

【００４１】次に、透過波長の制御に用いる顔料が複数
の種類で構成されている、ある色のカラーフィルターを
仮定して考える。この場合、各顔料単体での透過率変化
がたとえ均一であっても、その組み合わせの全体の透過
スペクトルのバランスは変化し、さらに色差は大きくな
る。

【００４２】例えば、従来使用されているカラーフィル
ターにおいて、青の場合、一般には、フタロシアニン等
の顔料が単独で用いられる。この材料系の場合、全体の
透過率が若干変化するが、ピーク波長のシフト、吸収波
長領域の吸収率低下等は殆ど無く、全体の透過スペクト
ルバランスは保たれているので、色差は小さい。これに
対して、（１）緑は、ハロゲン化フタロシアニン系顔料
＋黄色顔料、赤は、アントラキノン系顔料＋黄色顔料の
ごとく、複数の顔料による構成であり、（２）補色の黄
色顔料は、吸収波長の領域吸収率の低下が生じやすいの
で、（１）、（２）の相乗効果により、透過スペクトル
バランスが崩れやすく、色差が大きくなるという結果と
なる。

【００４３】このような色劣化を防止するためには、高
耐光性の顔料を用いることが重要なのは当然であるが、
有機顔料の場合、完全にスペクトル変化をなくすことは
困難である。よって、上記特質を考慮すると、色劣化の
観点からは、カラーフィルターの各色に用いる顔料は、
単一の種類により形成するのが望ましい。

【００４４】しかし、一般に、緑、赤においては、単一
の種類で所望の色座標を持ち、高耐光性、液晶に対する
高信頼性、等を同時に満たす顔料を得ることは非常に困
難である。

【００４５】本発明は、かかる事情の下になされ、色劣
化がなく、高耐候性を有するカラ−フィルタ−を具備す
る、高画質で低価格であるとともに、高信頼性を有する
液晶表示装置を提供することを目的とする。

【００４６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明（請求項１）は、入射光側に配置された第１
の基板と、この第１の基板に対向配置された第２の基板
と、これら第１及び第２の基板間に挟持された液晶層
と、光源からの光を分光して透過させる色分離手段とを
具備する液晶表示装置において、前記色分離手段は、有
機材料からなる第１のカラーフィルター層と、誘電体多
層膜からなる第２のカラーフィルター層とを含むことを
特徴とする液晶表示装置を提供する。

【００４７】本発明（請求項２）は、上述の液晶表示装
置（請求項１）において、前記第２のカラーフィルター
層は、前記第１のカラーフィルター層よりも、入射光側
に形成されていることを特徴とする液晶表示装置を提供
する。

【００４８】本発明（請求項３）は、上述の液晶表示装
置（請求項１）において、前記第２のカラーフィルター
層は、透過波長が４８０ｎｍ付近より長波長側を透過す
る分光スペクトルを有することを特徴とする液晶表示装
置を提供する。

【００４９】本発明（請求項４）は、上述の液晶表示装
置（請求項１）において、前記第１のカラーフィルター
層及び前記第２のカラーフィルター層が、前記第１及び
第２の基板のいずれか一方に形成されていることを特徴
とする液晶表示装置を提供する。

【００５０】本発明（請求項５）は、上述の液晶表示装
置（請求項１）において、前記第１のカラーフィルター
層及び前記第２のカラーフィルター層とが、前記第１及
び第２の基板の各々に別々に配置されていることを特徴
とする液晶表示装置を提供する。

【００５１】本発明（請求項６）は、上述の液晶表示装
置（請求項１）において、前記第１の基板の側に、光源
光を画素の開口部に集光させる光学手段を更に具備する
ことを特徴とする液晶表示装置を提供する。

【００５２】本発明（請求項７）は、上述の液晶表示装
置（請求項６）において、前記第１のカラーフィルター
層と前記第２のカラーフィルター層の少なくとも一方
が、前記第１の基板と前記液晶層との間に配置されてい
ることを特徴とする液晶表示装置を提供する。

【００５３】本発明の液晶表示装置の特徴は、色分離手
段、即ちカラ−フィルタ−として、各色につき単一の有
機顔料からなる第１のカラーフィルターと、誘電体多層
膜からなる第２のカラーフィルターとの組合せを用いた
ことにある。

【００５４】第２のカラーフィルターを構成する誘電体
多層膜は、これまで高耐光性のカラーフィルターとして
知られている、光干渉型カラーフィルターである。かか
る誘電体多層膜カラーフィルターは、屈折率の異なる誘
電体層を交互に重ね合わせることにより、所望領域の波
長を透過し、その他を反射する特性を有するため、光の
吸収がなく、耐光性に優れ、光吸収による熱上昇が少な
いという観点から好ましく、ダイクロイックミラー等の
色分離・合成素子に用いられている。この誘電体多層膜
カラーフィルターは、高屈折率誘電体と、低屈折率誘電
体を交互に、所定の設計膜厚で数層から数十層、蒸着法
や、スパッタリング法で積層し、パターニングする事に
より得られる。

【００５５】誘電体多層膜カラーフィルターの分光特性
は、各層の膜厚又は物質を変えることにより決定され
る。高屈折率誘電体物質としてはＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ
₂ 、ＣｅＯ₂ 、ＺｎＳ、ＴｉＯ₂ 等が用いられ、低屈折
率物質としては、ＭｇＦ₂ ，ＳｉＯ₂ 等を用いることが
出来る。パターニング方法としては、リフトオフ法又は
ドライエッチング法を用いることが出来、また、Ｃｒ層
をマスクとし、ＣＦ₄ ，ＣＨＦ₃ 等を反応性ガスとして
用いたドライエッチングによりパターニングを行うこと
が出来る。

【００５６】液晶表示素子に用いるカラーフィルターの
ように、可視光領域においてバンドパス特性を有するカ
ラーフィルターを、誘電体多層膜のみを用いて作成する
場合、ローパス特性を有する誘電体膜と、ハイパス特性
を有する誘電体膜とからなる２種類の多層膜を積層する
必要がある。しかし、液晶表示素子のようなモザイク状
の３色のカラーフィルターすべてを誘電体多層膜により
作成することは、現在主流の顔料分散法と比較した場
合、著しくコスト・スループットの点で不利である。

【００５７】そこで、本発明では、単一の有機顔料によ
り第１のカラーフィルター層を構成して色劣化を防止
し、これを誘電体多層膜からなる第２のカラーフィルタ
ー層とを組み合せることにより、所望の色座標を持ち、
高耐光性、液晶に対する高信頼性を有する色分離手段を
得ることが出来、その結果、高画質、小型、低価格、高
信頼性の投写型液晶表示装置を得ることが可能である。

【００５８】

【発明の実施の態様】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施例について説明する。実施例１図１は、本発明の第１の実施例に係る液晶表示装置の断
面図である。図１に示すように、液晶表示パネルは、ア
レイ基板１と対向基板１０の間に、高分子分散型の液晶
層２０を挟んだサンドイッチ構造を有している。アレイ
基板１は、ガラス基板１ａと、この上に形成された多結
晶シリコン層２の上にゲート絶縁層３、ゲート電極４を
配置してなるｐ−ＳｉＴＦＴ９と、さらにその上に積層
された第１の層間絶縁膜５、第２の層間絶縁膜７及びＩ
ＴＯ透明電極８とを具備している。このような構造は、
従来例と同様である。

【００５９】一方、対向基板１０は、ガラス基板１０ａ
上に、誘電体多層膜からなる第２のカラーフィルター１
５、Ｃｒ／ＣｒＯからなる遮光層１１、有機顔料からな
る第１のカラーフィルター１６ａ，１６ｂ，１６ｃが形
成された上に、保護膜１３及び対向電極（ＩＴＯ）１４
を積層した構造を有している。

【００６０】第２のカラーフィルター１５は、約５００
ｎｍ付近を半値領域として、それ以下の波長に対しては
透過率２％以下、それ以上の波長に対しては８０％以上
の透過率を持つような特性を有するように、高精度の膜
厚制御技術を駆使して成膜した。このような波長特性の
場合、第２のカラーフィルター１５は、黄色領域より長
波長側を透過するフィルターとして作用するため、従来
例で用いたような、緑、赤のカラーフィルターに含まれ
る黄色顔料と同等の作用を示す。その結果、耐光性の悪
い黄色顔料を、本特性を有する第２のカラーフィルター
１５で置き換えたことにより、耐光性を向上させること
ができる。

【００６１】ところが、第２のカラーフィルター１５を
上記の特性に設定した場合、青色領域の波長は、所望の
透過率を得ることができない。よって、本実施例におい
ては、第２のカラーフィルター１５は、図２に平面図を
示すように、第１のカラーフィルター１６ａ，１６ｂ，
１６ｃの透過部分の内、青色を透過する領域に限り、開
口部を形成してある。

【００６２】以下、この対向基板の形成方法について説
明する。工程１．ガラス基板１０ａの全面に、第２のカラーフィ
ルター１５である誘電体多層膜を前述の方法で全面に成
膜する。

【００６３】工程２．半導体の製造プロセスで用いられ
るフォトリソグラフィー技術を用いて、第２のカラーフ
ィルター１５上にエッチングマスクを作成し、画素の
内、青領域のみ露出させる。

【００６４】工程３．ＣＨＦ₃ ガスを用いたプラズマド
ライエッチングにより、青領域の第２のカラーフィルタ
ー１５の部分を除去し、その部分のガラス基板１０ａを
露出する。

【００６５】工程４．エッチングマスクを取り除く。工程５．Ｃｒ／ＣｒＯからなる遮光層１１を形成して、
これをパターニングする。

【００６６】工程６．第１のカラーフィルター１６ａ，
１６ｂ，１６ｃをフォトエッチングにより形成する。工程７．保護膜１３となる例えばアクリル樹脂系トップ
コート材（商品名：オプトマーＳＳ、日本合成ゴム社
製）で覆い、焼成後に対向電極１４となるＩＴＯ膜をス
パッタ法により１００℃にて１５０ｎｍの厚さに形成す
る。

【００６７】なお、上記第２のカラーフィルター１５の
形成時に、第２のカラーフィルターのエッチングマスク
として、遮光層１１であるＣｒ／ＣｒＯ層を用いると、
セルファラインとなり、合わせ精度の向上、及び省プロ
セスを同時に達成することが出来る。その方法の概略を
以下に記述する。

【００６８】工程１．ガラス基板１ａの全面に第２のカ
ラーフィルター１５である誘電体多層膜を全面に成膜す
る。工程２．第２のカラーフィルター１５の全面にＣｒ／Ｃ
ｒＯからなる遮光層１１を成膜する。

【００６９】工程３．Ｃｒ／ＣｒＯ遮光層１１の、青色
の画素に対応する部分のみをエッチングし、開口部を形
成する。工程４．青色の画素部の露出した誘電体カラーフィルタ
ーを、ＣＨＦ₃ プラズマガスを用いてドライエッチング
し、その部分のガラス基板１０ａを露出させる。

【００７０】工程５．再度、緑、赤の画素に対応する部
分のＣｒ／ＣｒＯのパターニングを行う。工程６．前述と同様に，第１のカラーフィルター１６
ａ，１６ｂ，１６ｃを形成し、保護膜１３、対向電極と
なるＩＴＯ膜１４を形成する。

【００７１】実施例２図３は、本発明の第２の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図である。この実施例の第１の実施例との相違点
は、アレイ基板１のＩＴＯ画素電極８の上部に、導電性
を有する第１のカラーフィルター１７ａ，１７ｂ，１７
ｃを形成する、いわゆるカラーフィルターオンアレイ構
造となっていることである。また、対向基板１０には、
第２のカラーフィルター１５、遮光層１１、保護膜１
３、及び対向電極１４が形成されている。もちろん、第
１のカラーフィルター１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、ＩＴ
Ｏ画素電極８の下部に設けてもよい。

【００７２】実施例３図４は、本発明の第３の実施例に係る液晶表示装置の断
面図である。本実施例と第１の実施例との相違点は、ア
レイ基板１側から光の入射を行う場合を考慮して、アレ
イ基板１上にＣｒ／ＣｒＯからなる第２の遮光層４０を
設け、その上にｐ−ＳｉＴＦＴ９が配置されていること
である。そして、第２の層間絶縁膜７と、ＩＴＯ画素電
極８との間に、第２のカラーフィルター１５を形成して
いる。

【００７３】第２のカラーフィルター１５は、第２の層
間絶縁膜７のコンタクトホール形成後に、第１の実施例
と同様な手法により、所望の透過スペクトル特性を持つ
誘電体多層膜を成膜し、これをパターニングすることに
より形成した。対向基板１０側には、第１の遮光層１
１、第１のカラーフィルター１６ａ，１６ｂ，１６ｃ、
保護膜１３、及び対向電極１４が形成されている。

【００７４】本実施例では、対向基板側の構成は、従来
の方法で示した構造と同一であるため、新たな工程を必
要とせず、コスト的に有利である。また、第２のカラー
フィルター１５は、アレイ側にｐ−ＳｉＴＦＴ９を覆い
かぶせる構造としたため、光リークをより減少できると
いう利点がある。

【００７５】実施例４図５は、本発明の、第４の実施例に係る液晶表示装置を
示す断面図である。本実施例と第３の実施例との相違点
は、アレイ基板１上の画素電極８の液晶層と対向する側
に、導電性を有する第１のカラーフィルター１７ａ，１
７ｂ，１７ｃを形成したいわゆるカラーフィルターオン
アレイ構造となっており、対向基板１０側には、カラー
フィルターが形成されていない点である。

【００７６】以上、図１〜図５に示す構造の高分子分散
型液晶を用いた液晶表示パネルの組立、及び液晶層２０
の形成は、以下のようにして行うことが出来る。まず、
アレイ基板１の表示部の周辺の対角位置に、液晶注入、
排出を行うための幅３ｍｍの注入口、排出口を配置し、
この部分を除いて、スクリーン印刷法により接着シール
材を印刷により塗布する。この接着シール材は、熱硬化
型のエポキシ系接着剤中に、直径１４μｍのガラスファ
イバーを９重量％混入したものを用いる。また、表示領
域にも非透明スペーサーを静電散布法により散布し、ガ
ラスファイバーと非透明スペーサーによりセル厚を制御
する。

【００７７】そして、アレイ基板１と対向基板１０をそ
れぞれ対向させ、加熱することによって、エポキシ系接
着剤を硬化させて接合し、空セル状態の液晶表示パネル
を作成する。次に、液晶（ＢＨＤ社製）と、光硬化性組
成物としてのアクリル系モノマー及び光硬化開始材（メ
ルク社製）とを重量比６５：３５の割合で混合した混合
物を空セル内に注入する。注入方法としては、減圧、加
圧もしくは遠心注入法のいずれをも用いることが出来
る。液晶と光硬化性組成物の注入が完了した後に、紫外
線ランプにより硬化させ、高分子分散型の液晶層２０を
形成する。液晶層２０は、高分子相と液晶相とで構成さ
れる。

【００７８】なお、このようにして構成された液晶表示
装置の動作原理については、周知であるので、説明を省
略する。実施例５図６は、本発明の第５の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図であり、マイクロレンズアレイを用いたＴＮ型
液晶表示パネルを例示するものである。図６では、上下
に配置された偏光板を省略してある。図６に示すよう
に、液晶表示パネルは、アレイ基板１と対向基板１０の
間に、ＴＮ型の液晶層２１を挟んだサンドイッチ状構造
となっている。アレイ基板１は、ガラス基板１ａと、こ
の上に形成された多結晶シリコン層２の上にゲート絶縁
層３、ゲート電極４を配置してなるｐ−ＳｉＴＦＴ９
と、さらにその上に積層された第１の層間絶縁膜５、第
２の層間絶縁膜７及びＩＴＯ透明電極８とを具備してい
る。このような構造は、従来例と同様である。

【００７９】一方、対向基板１０上は、ガラス基板１０
ａ上にＣｒ／ＣｒＯからなる遮光層１１、第１のカラー
フィルター１６ａ，１６ｂ，１６ｃ、保護膜１３、及び
対向電極１４となるＩＴＯ膜を順に積層した構造を有し
ている。そして、対向基板１０の光の入射側（ガラス面
側）に、第２のカラーフィルター１５が形成されてい
る。

【００８０】第２のカラーフィルター１５が形成された
対向基板１０には、接着層３２を介して、マイクロレン
ズ３１を画素毎に配置したマイクロレンズアレイ基板３
０が接着されている。

【００８１】なお、本実施例中の第１のカラーフィルタ
ーは、対向基板の液晶層側に形成したが、ガラス面側
（マイクロレンズの光入射側）に形成しても良い。図６
に示すＴＮ型液晶表示パネルは、次のようにして製造さ
れる。即ち、アレイ基板１と対向基板１０とにより空セ
ルを形成し、これにＴＮ型の液晶を注入し、液晶セルを
完成させる。第２のカラーフィルター１５の平面パター
ン及び形成手法は、実施例１〜４と基本的に同様であ
る。次に、画素サイズと同じピッチを有するイオン交換
法で形成したマイクロレンズを有するマイクロレンズア
レイ基板をＵＶ硬化型の接着層を介して貼り合わせ、位
置合わせを行った後に、ＵＶ光を照射して硬化、固定す
ることにより、ＴＮ型液晶表示パネルが完成する。

【００８２】以上のようにして製造される投写型液晶表
示装置は、マイクロレンズ３１により入射光を効率よく
液晶表示パネルの開口部に集めることができるので、実
効的な開口率（透過率）を改善することが出来、高輝度
プロジェクターを実現することができる。

【００８３】以上説明した実施例１〜５において形成し
た有機顔料からなる第１のカラーフィルター、及び誘電
体多層膜からなる第２のカラーフィルターの透過スペク
トルを図７にしめす。なお、図７において、曲線１，
２，３は第１のカラーフィルターの青、緑（黄色成分な
し）、赤（黄色成分なし）の透過スペクトルを、曲線４
は第２のカラーフィルターの透過スペクトルを示す。

【００８４】また、第１のカラーフィルターと第２のカ
ラーフィルターとを組み合わせて得られる透過分光特性
を図８に示す。更に、図８に示す各スペクトルの色度
を、下記表１及び図９に示す。

【００８５】表１ｘｙＹ従来例（赤）０．６５５０．３２３１５．４５（緑）０．２８５０．５８６４２．７６（青）０．１４４０．０８９７．７実施例（赤）０．６５３０．３３８１５．４２（緑）０．２６５０．６８３４０．０（青）０．１４４０．０８９７．７図９から、本発明におけるカラーフィルターの緑、赤の
色純度は、従来と比較して格段に向上していることが解
る。この理由は、図７，図８に示すように、緑、赤に関
しては４８０ｎｍより短波長側をほとんど透過しないた
めである。

【００８６】次に、第１のカラーフィルターと、第２の
カラーフィルターとを組み合わせて得られたカラーフィ
ルターの耐光性試験の結果の色劣化の経時変化の様子
を、図１０に示す。照射条件は、従来例と同様、紫外・
赤外光を除去した白色光を、照度１５０万ｌｘにてパネ
ル面に照射した。図１３より、従来のカラーフィルター
においては、照射時間５００時間程度で色差ΔＥ^* ａｂ
＞５となり、画像品質上の使用限界であった。一方、図
１０に示すごとく、本発明によると、色劣化が著しく減
少し、照度１５０万ｌｘに於いては、使用限界が１万時
間程度まで延長した。ＴＮ型の液晶表示装置では、偏光
板による光損失により、照度は４０％程度となるので、
換算計算では、照度６０万ｌｘでは、使用限界２万時間
程度にもなる。

【００８７】上記照射条件での液晶パネルの温度上昇
は、カラーフィルターが無い場合と比較して、５℃以内
に抑えることが出来た。なお、各実施例中で示した第１
のカラーフィルター及び第２のカラーフィルターの形成
位置は、各実施例にこだわらない。その理由は、本発明
の主旨は、入射光に対して、第１，第２のカラーフィル
ターが直列に形成されていることで達成できるからであ
る。好ましくは、光の入射側に第２のカラーフィルター
を形成した方が、第１のカラーフィルターの光吸収率を
低減でき、耐熱性、耐光性が向上する。

【００８８】また、各実施例において、第２のカラーフ
ィルターと、遮光層の形成順序は逆でも良い。更に、各
実施例における第２のカラーフィルターのエッチングガ
スはＣＨＦ₃ 以外でも良く、或いはウェットエッチング
を用いても良い。その他の手段として、あらかじめ、第
２のカラーフィルターを成膜する基板面にエッチング段
差を設け、青色画素領域の部分を他の部分より高くし、
第２のカラーフィルター成膜後に、ＣＭＰ（ケミカル・
メカニカル・ポリシング）等で、青色画素領域の第２の
カラーフィルターを取り除くことも可能である。

【００８９】投射画像に於いて、緑色の色度を最適化す
るためには、第２のカラーフィルターのカットオフ波長
及び第１のカラーフィルターの透過率を最適化すればよ
い。また、各実施例中、透過率及び色劣化の観点から、
緑及び赤の画素の第１のカラーフィルターには黄色顔料
を混合していないが、色劣化に影響を及ぼさない範囲で
混合してもよい。更に、各実施例中、第１のカラーフィ
ルターには、なるべく透過率の高いものを用いた方が、
温度上昇、色劣化の観点から望ましい。更にまた、各実
施例における第１のカラーフィルターの透過波長制御材
料としては、有機顔料を基に解説したが、特に有機顔料
に限定されるものではなく、染料や、金属顔料を用いる
ことも可能である。また、実施例５で使用したマイクロ
レンズは、イオン交換法以外の製法で作成したものでも
良い。

【００９０】上記実施例では、画素スイッチ用にｐ−Ｓ
ｉＴＦＴを有するアクティブマトリクスのものについて
説明したが、画素用スイッチはアモルファスシリコンＴ
ＦＴや結晶シリコンやＭＩＭ素子を用いてもよいことは
いうまでもない。加えて、アクティブマトリクス型の液
晶表示装置に限定されるものではなく、カラーフィルタ
ーを有し、耐光性を要求される単純マトリクス型の液晶
表示装置に適用することが出来ることはいうまでもな
い。また、液晶材料も高分子分散型液晶のみならずＴＮ
液晶、ＳＴＮ液晶等のいずれの液晶でもよい。更に、本
発明は投射型液晶表示装置に限定されるものではなく、
直視型または液晶表示装置にも有用であることはいうま
でもない。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
従来のカラーフィルターに含まれていた、黄色顔料を使
用せず、高耐光性を有する誘電体多層膜からなる第２の
カラーフィルターを用いているため、以下の効果を奏す
る。

【００９２】１．第１のカラーフィルターの各色の顔料
を単一種類で形成しているため、各色の透過スペクトル
のバランス変化を小さくすることが出来る。２．第２のカラーフィルターを構成する誘電体多層膜に
より不要光の大部分を反射することが出来るため、第１
のカラーフィルターの有機顔料による光吸収を低減する
ことが出来、有機顔料の損傷を低減することが可能であ
る。

【００９３】３．不要光の大部分を反射するため、第１
のカラーフィルターによる光吸収を低減でき、第１のカ
ラーフィルターの温度上昇を防止することが出来、劣化
反応速度の上昇を防止することが可能である。

【００９４】このように、本発明によると、色劣化が少
なく、温度上昇が低く、光利用効率を改善した、高画
質、小型、低価格、高信頼性の投写型液晶表示装置を得
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図。

【図２】本発明の第１〜５の実施例で用いられる第２の
カラーフィルターの平面パターンを示す平面図。

【図３】本発明の第２の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図。

【図４】本発明の第３の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図。

【図５】本発明の第４の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図。

【図６】本発明の第５の実施例に係る液晶表示装置を示
す断面図。

【図７】本発明の第１カラーフィルターと、第２のカラ
ーフィルターの単独での透過スペクトルを示す特性図。

【図８】本発明のカラーフィルターの赤、緑、青の透過
スペクトルを示す特性図。

【図９】本発明のカラーフィルターの赤、緑、青の色度
を示すｘｙグラフ図。

【図１０】本発明の液晶表示装置に対して行った耐光性
試験のカラーフィルターの赤、緑、青の色差の時間依存
性を表す特性図。

【図１１】従来の液晶表示装置を示す断面図。

【図１２】従来の液晶表示装置に対して耐光性試験を行
った際の、カラーフィルターの赤、緑、青の各透過スペ
クトルの変化を表す特性図。

【図１３】従来の液晶表示装置に対して耐光性試験を行
った際の、カラーフィルターの赤、緑、青の各色劣化の
時間依存性を表す特性図。

【符号の説明】

１…アレイ基板、２…ポリシリコン膜、３…ゲート絶縁
膜、４…ゲート電極、５…第１の層間絶縁層、６…金属
配線、７…第２の層間絶縁膜、８…画素電極、９…ＴＦ
Ｔ、１０…対向基板、１１…遮光層、１２…顔料分散式
カラーフィルター、１３…保護膜、１４…対向電極、１
５…第２のカラーフィルター、１６…第１のカラーフィ
ルター、１７…第１のカラーフィルター（伝導性を有す
る）、３０…マイクロレンズアレイ基板、３１…マイク
ロレンズ、３２…接着層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光側に配置された第１の基板と、こ
の第１の基板に対向配置された第２の基板と、これら第
１及び第２の基板間に挟持された液晶層と、光源からの
光を分光して透過させる色分離手段とを具備する液晶表
示装置において、前記色分離手段は、有機材料からなる
第１のカラーフィルター層と、誘電体多層膜からなる第
２のカラーフィルター層とを含むことを特徴とする液晶
表示装置。
【請求項２】前記第２のカラーフィルター層は、前記
第１のカラーフィルター層よりも、入射光側に形成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装
置。
【請求項３】前記第２のカラーフィルター層は、透過
波長が４８０ｎｍ付近より長波長側を透過する分光スペ
クトルを有することを特徴とする請求項１に記載の液晶
表示装置。
【請求項４】前記第１のカラーフィルター層及び前記
第２のカラーフィルター層が、前記第１及び第２の基板
のいずれか一方に形成されていることを特徴とする請求
項１に記載の液晶表示装置。
【請求項５】前記第１のカラーフィルター層及び前記
第２のカラーフィルター層とが、前記第１及び第２の基
板の各々に別々に配置されていることを特徴とする請求
項１に記載の液晶表示装置。
【請求項６】前記第１の基板の側に、光源光を画素の
開口部に集光させる光学手段を更に具備することを特徴
とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項７】前記第１のカラーフィルター層と前記第
２のカラーフィルター層の少なくとも一方が、前記第１
の基板と前記液晶層との間に配置されていることを特徴
とする請求項６に記載の液晶表示装置。