JPH11344700A - カラ―フィルタ―および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶表示装置の挟持間隔を保持するスペーサ
ーをカラーフィルター上に形成した液晶表示装置を提供
する。 【解決手段】 液晶表示装置用のカラーフィルターにお
いて、基板上に３色の着色画素からなる着色層を有し、
着色層上には透明電極層が成膜されており、着色画素の
３色を積み重ねて形成した部分を投影した透明電極膜上
に液晶挟持間隔を保持するスペーサが形成されたカラー
フィルター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラー液晶表示装置に
関し、とくに液晶を挟持する基板の間隔の保持に特徴を
有する液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は、透明電極を設けたガラ
ス等の透明な基板を１ないし１０μｍ程度のギャップを
設けてその間に液晶物質を封入し、電極間に印加した電
圧によって液晶を一定の方向に配向させることによって
形成される透明部分と不透明部分によって画像を表示し
ている。カラー液晶表示装置はいずれかの透明電極基板
上に光の三原色に対応する赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の三色のカラーフィルターを設けており、液晶の
シャッター作用によって３原色を加色して所望の色を表
示している。

【０００３】カラー液晶表示装置用のカラーフィルター
は、透明基板、着色層、保護膜、透明導電膜という順に
積層されており、ＲＧＢの三原色の位置に対向する電極
あるいは薄膜トランジスタを形成した透明基板とを数μ
ｍの間隔を保持し液晶物質を封入して液晶表示装置を形
成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】カラー液晶表示装置に
は、液晶の駆動方法によって単純マトリックス方式とア
クティブマトリックス方式があるが、最近ではパーソナ
ルコンピュータなどの表示装置用には画質に優れ、それ
ぞれの画素を確実に制御することが可能であり、また動
作速度も速いアクティブマトリックス方式の採用が進め
られている。

【０００５】アクティブマトリックス方式の液晶表示装
置では各画素毎に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子をガ
ラス基板上に形成し、各素子のスイッチング作用によっ
て各画素の液晶のシャッター作用を制御している。これ
らの素子の対極には一様な透明電極が形成されている。

【０００６】透明電極には、酸化錫、酸化インジウムお
よびＩＴＯと称するこれらの複合酸化物が使用されてい
る。透明電極の成膜方法には、蒸着、イオンプレーティ
ング、スパッタリング等の各種の方法があるが、カラー
フィルターの透明電極の基体となる保護膜は合成樹脂で
形成されているので保護膜の耐熱性の面から比較的低温
での成膜が可能な方法が求められている。このためにカ
ラーフィルター用の透明電極の製造にはスパッタリング
が広く用いられている。

【０００７】ＴＦＴを用いた液晶表示装置の断面構造を
図４で示すが、液晶表示装置４１はカラーフィルター４
２とＴＦＴを形成した対向基板４３とを所定の間隔を設
けて対向させ、カラーフィルターとＴＦＴ基板はエポキ
シ樹脂等に補強用の繊維を混合したシール剤４４によっ
て接合している。カラーフィルターとＴＦＴ基板で形成
される空間には液晶４５が封入されているが、カラーフ
ィルターとＴＦＴ基板との間隔を正確に保持しないと、
液晶層の厚みの相違により液晶の旋光特性の差が生じて
液晶が着色をしたり、あるいは色のむらが生じて正しく
表示されなくなるという現象が生じるので、液晶にスペ
ーサー４６と称する３μｍないし１０μｍの合成樹脂、
ガラス、アルミナ等からなる粒子あるいは棒状体を多数
混合し、液晶挟持間隔の保持を図っていた。

【０００８】スペーサーとして１００個／ｍｍ²程度の
大量の粒子を液晶に混合しているので、粘性の高い液晶
と混合して挟持間隔内に注入した場合には、均一にスペ
ーサーが分散せずに、スペーサーが一部にたまるという
現象が生じることがある。このような現象が生じると、
スペーサーが集まった部分の表示品質が悪化し、また間
隔の正確な保持の面でも問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記した問
題点を解決する手段を検討した結果、液晶表示装置のカ
ラーフィルターとこれに対向するＴＦＴ等の基板との間
の間隔を正確に保持するために、液晶にスペーサーを混
合せずに、カラーフィルターあるいはこれに対向する基
板の少なくともいずれか一方の液晶の挟持領域に、両者
の間隔を所定の間隔に保持するスペーサーを設けたもの
である。

【００１０】本発明は、カラーフィルターあるいはカラ
ーフィルターに対向するＴＦＴ等の基板上の液晶を挟持
した領域すなわち表示面上にスペーサーを形成したもの
であり、スペーサーの材料には、各種の合成樹脂を使用
することが可能であるが、とくに紫外線によって硬化す
る紫外線硬化性樹脂を利用するならば、塗布した樹脂層
上にフォトレジストの層を形成しなくとも、紫外線硬化
性樹脂の塗布層上に直接にフォトマスクを用いて紫外線
によって露光した後に現像することによってスペーサー
を形成することが可能となる。紫外線硬化性樹脂として
は光重合性アクリレートオリゴマーと多官能光重合性ア
クリレートモノマーからなるものを用いることができ
る。光重合性アクリレートオリゴマーとしては、分子量
１０００〜２０００程度のものが好ましく、ポリエステ
ルアクリレートまたは、フェノールノボラックエポキシ
アクリレート、ｏ−クレゾールノボラックエポキシアク
リレート等のエポキシアクリレートあるいは、ポリウレ
タンアクリレート、ポリエーテルアクリレート、オリゴ
マアクリレート、アルキドアクリレート、ポリオールア
クリレート、メラミンアクリレート等をあげることがで
き、多官能光重合性アクリレートモノマーとしては、
１，４ブタンジオールジアクリレート、ジエチレングリ
コールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアク
リレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ト
リメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリス
リトールアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ
アクリレート等が挙げられる。

【００１１】さらに、上記のような光重合性アクリレー
トオリゴマーに多官能光重合性アクリレートモノマーを
添加した光重合性の樹脂に比べて光重合性アクリレート
オリゴマーとエポキシ樹脂との混合物に一つの分子内に
複数の官能基を有する多官能光重合性アクリレートモノ
マーを添加した感光性アクリル樹脂を用いることによ
り、樹脂の橋かけ度を高めて剛直で硬度が大きいスペー
サーを得ることができる。

【００１２】このような目的で使用可能な光重合性アク
リレートオリゴマーとしては、分子量１０００〜２００
０程度のものが好ましく、ポリエステルアクリレートま
たは、フェノールノボラックエポキシアクリレート、ｏ
−クレゾールノボラックエポキシアクリレート等のエポ
キシアクリレートあるいは、ポリウレタンアクリレー
ト、ポリエーテルアクリレート、オリゴマアクリレー
ト、アルキドアクリレート、ポリオールアクリレート、
メラミンアクリレート等をあげることができる。

【００１３】エポキシ樹脂としては以下に化学構造式１
および化学構造式２で示すフェノールノボラック型のエ
ポキシ樹脂あるいはクレゾールノボラック型のエポキシ
樹脂をあげることができる。

【００１４】

【化１】

【００１５】また、多官能光重合性アクリレートモノマ
ーとしては、１，４ブタンジオールジアクリレート、ジ
エチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリ
コールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアク
リレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、
ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエリスリ
トールヘキサアクリレート等が挙げられる。

【００１６】スペーサーの形成方法は、カラーフィルタ
ー上にスペーサーを設ける場合には、透明基板上に設け
た着色層上に、光重合性アクリレートオリゴマー、フェ
ノールノボラック型のエポキシ樹脂、多官能光重合性ア
クリレートモノマーに重合開始剤、エポキシ硬化剤を添
加した感光性樹脂をスピンナー法、ロール法、スプレイ
法、スクリーン印刷法などの任意の塗布方法によって塗
布した後に所定のフォトマスクを用いて紫外線を照射し
て必要な箇所を硬化し、紫外線が照射されなかった部分
の未硬化の感光性樹脂を溶剤で溶解除去することによっ
て保護膜を形成し、次いで、保護膜上にはカラーフィル
ターの全面にわたり、ＤＣマグネトロンスパッタリング
法によって、電気抵抗などの特性に優れたＩＴＯ膜を成
膜した後に、光重合性アクリレートオリゴマー、フェノ
ールノボラック型のエポキシ樹脂、多官能光重合性アク
リレートモノマーに重合開始剤、エポキシ硬化剤を添加
した感光性樹脂をスピンナー法、ロール法、スプレイ
法、スクリーン印刷法などの任意の塗布方法によって液
晶層の挟持間隔に相当する６μｍないしは１０μｍ程度
の厚みに塗布した後に所定のフォトマスクを用いて紫外
線を照射してスペーサーの形成箇所を硬化し、紫外線が
照射されなかった部分の未硬化の感光性樹脂を溶剤で溶
解除去することによってスペーサーを形成することがで
きる。スペーサー用の紫外線硬化性樹脂の塗布層を設け
る前に、シランカップリング剤などをＩＴＯ膜上に塗布
して密着性を高めることができる。以上の説明では着色
層上に保護膜を設けた後にＩＴＯ膜を形成する方法につ
いて述べたが、保護膜を形成せずに直接にＩＴＯ膜を形
成し、その面上にスペーサーを形成しても良い。

【００１７】さらに、本発明のスペーサーは、保護膜上
に保護膜と同一の材料によって形成することによって、
下地層である保護膜との密着強度の大きなスペーサーを
形成することも可能である。この場合には、スペーサー
を形成したのちにＩＴＯ膜をスパッタリングで形成する
と、スペーサー上にもＩＴＯ膜が形成されて対極との間
に導電接続が形成されるので、あらかじめスペーサー上
をマスキング処理をしてスペーサー上にはＩＴＯ膜が形
成されないようにしたり、あるいは形成されたＩＴＯ膜
をエッチングによってスペーサー上から除去することが
必要となる。また、カラーフィルター側にスペーサーを
形成する方法以外に、対向するＴＦＴ基板上にスペーサ
ーを形成しても良い。

【００１８】

【作用】本発明は、液晶表示装置において、液晶層を挟
持する少なくともいずれか一方の基板上に、両基板を所
定の間隔を設けて保持することが可能であるスペーサー
を形成したので、液晶中にはスペーサーの粒子等を分散
させる必要がない。以下に本発明の実施例を示し、更に
詳細に説明する。

【００１９】

【実施例】本発明の液晶表示装置を図面を参照して説明
する。図１は、カラーフィルターにスペーサーを形成し
た液晶表示装置の１実施例を示す部分断面図である。液
晶表示装置１はカラーフィルター２とこれに対向するＴ
ＦＴ等の対向基板３から構成されており、カラーフィル
ターはガラス基板４上に金属クロムなどからなるブラッ
クマトリックス５が形成されており、ブラックマトリッ
クスを境界にしてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原
色からなる着色層６が形成されている。着色層上には透
明な合成樹脂からなる保護膜７が設けられており、保護
膜上にはＩＴＯ等からなる透明電極膜８を形成してお
り、透明電極膜上には合成樹脂からなるスペーサー９が
設けられている。そして、カラーフィルターと対向基板
の液晶と接するそれぞれの面には配向膜１２が形成され
ており、エポキシ樹脂等のシール剤１０によって接合さ
れて、カラーフィルターと対向基板の間には液晶１１が
封入されている。スペーサーを形成する場所は、着色層
を区画するブラックマトリックス上などが表示品質に影
響を与えないので好ましい。

【００２０】図２には、カラーフィルターの一部の着色
画素の平面図を示すが、カラーフィルター２１の着色画
素２２は、ブラックマトリックス２３で区画されてお
り、着色画素の周囲には表示に有効でない部分が形成さ
れているので、この部分にスペーサー２４を設けること
ができる。着色画素の大きさは縦０．３ｍｍ、横０．１
ｍｍ程度の小さなものであるが、その一部には対向する
ＴＦＴ基板などに形成された素子が表示面から見えない
ようにするための領域が設けられることがある。スペー
サーをそのような領域に設けるならば表示にはなんら障
害とはならない。

【００２１】また、縦０．３ｍｍ、横０．１ｍｍの着色
画素に１個のスペーサーを設けるならば、１ｍｍ² には
約３３個のスペーサーが形成可能である。この数は通常
の液晶にスペーサーを混合した場合の数字である１００
個／ｍｍ² という値に比べて小さいが、表示面全体にわ
たり均一に配置しているので、このような数のスペーサ
ーによって充分に目的を達することが可能である。

【００２２】更に、図３はカラーフィルターの着色層を
利用したスペーサーの形成方法を示すものであるが、カ
ラーフィルター３１の基板３２には、着色層とした赤、
緑および青の３色の着色画素を形成する際に、図では赤
の着色画素である第一色目の着色画素３３を形成した上
に、第２色目の着色画素３４である緑が部分的に赤の着
色画素を覆うフォトマスクを用いて露光して緑の着色画
素を形成し、ついで第３色目の着色画素３５である青の
フォトマスクにもスペーサーを形成すべき箇所にも着色
画素が形成可能となるようなフォトマスクを用いて、ス
ペーサー形成箇所にも青の着色画素を形成した後に、Ｉ
ＴＯ膜等の透明電極膜３６を成膜し、最後にスペーサー
３７を形成しても良い。このような方法によれば、着色
画素の積み重ねによってスペーサーの高さを確保するこ
とができるので、透明電極膜上に形成するスペーサーの
高さは厚みの薄いものでも良い。

【００２３】スペーサーの材質としては多くのものを用
いることが可能であるが、光重合性アクリレートオリゴ
マーに多官能光重合性アクリレートモノマーを添加した
感光性樹脂は、硬化後の特性に優れているので好まし
い。光重合性アクリレートオリゴマーとしては、ポリエ
ステルアクリレートまたは、フェノールノボラックエポ
キシアクリレート、ｏ−クレゾールノボラックエポキシ
アクリレート等のエポキシアクリレートあるいは、ポリ
ウレタンアクリレート、ポリエーテルアクリレート、オ
リゴマアクリレート、アルキドアクリレート、ポリオー
ルアクリレート、メラミンアクリレート等をあげること
ができ、多官能光重合性アクリレートモノマーとしては
モノマーとしては、１，４ブタンジオールジアクリレー
ト、ジエチレングリコールジアクリレート、ネオペンチ
ルグリコールジアクリレート、ペンタエリスリトールト
リアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレ
ート、ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエ
リスリトールヘキサアクリレート等があげられる。さら
に光重合性樹脂中に開始剤としてベンゾフェノンあるい
は、イルガキュアー１８４、イルガキュアー９０７、イ
ルガキャアー６５１（いずれもチバガイギー社商品
名）、ダロキュアー（メルク社商品名）などを固形分比
１〜３％程度添加してもよい。

【００２４】とくに好適な光重合性アクリレートオリゴ
マーと多官能性光重合性モノマーの配合比（重量％）は 配合例１ フェノールノボラックエポキシアクリレート …６０％ トリメチロールプロパントリアクリレート …１７％ ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …２０％ イルガキュアー１８４ …３％ 配合例２ Ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート…６０％ ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …３８％ イルガキュアー１８４ …２％ 配合例３ ポリウレタンアクリレート …５０％ ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …４８％ イルガキュアー６５１ …２％ 配合例４ メラミンアクリレート …７０％ トリメチロールプロパントリアクリレート …２７％ イルガキュアー１８４ …２％ 等をあげることができる。

【００２５】さらに、光重合性アクリレートオリゴマー
と多官能性光重合性モノマーにエポキシ樹脂を含有する
組成物の配合比（重量％）は、 配合比５ フェノールノボラックエポキシアクリレート …４０％ フェノールノボラック型エポキシ樹脂 …１８％ トリメチロールプロパントリアクリレート …１７％ ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …２０％ イルガキュアー１８４ …３％ ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製） …２％ 配合比６ ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート…３８％ クレゾールノボラック型エポキシ樹脂 …１８％ ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …３８％ イルガキュアー１８４ …２％ ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製） …２％ 配合比７ ポリウレタンアクリレート …３５％ フェノールノボラック型エポキシ樹脂 …１３％ ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …４８％ ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製） …２％ イルガキュアー６５１ …２％ 配合比８ メラミンアクリレート …４９％ フェノールノボラック型エポキシ樹脂 …２０％ トリメチロールプロパントリアクリレート …２７％ ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製） …２％ イルガキュアー１８４ …２％ 等をあげることができる。

【００２６】実施例１ カラーフィルターにスペーサを形成した液晶表示装置の
実施例を示す。赤色、緑色及び青色の顔料を、それぞれ
下記に示したような組成割合で感光性樹脂に分散させ
て、赤色、緑色及び青色の着色感光性樹脂を作製する。

【００２７】 （１）赤色感光性樹脂 ピラゾロンレッド（赤色顔料） …１０ ポリビニルアルコール／５％スチルバ ゾリウムキノリウム（感光性樹脂） …５ 水 …８５ （２）緑色感光性樹脂 リオノールグリーン ２Ｙ−３０１（緑色顔料） …９ ポリビニルアルコール／５％スチルバ ゾリウムキノリウム（感光性樹脂） …５ 水 …８６ （３）青色感光性樹脂 ファストドゲンブルー（青色顔料） …３ ポリビニルアルコール／５％スチルバ ゾリウムキノリウム（感光性樹脂） …５ 水 …９２ カラーフィルターの基板には、縦３００ｍｍ、横３５０
ｍｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板（旭硝子（株）製Ａ
Ｌ材）を充分に洗浄して用い、ガラス基板には金属クロ
ムからなる厚み１００ｎｍ、開口率５０％、各画素の大
きさ２０μｍ×４０μｍのブラックマトリックスをスパ
ッタリングによって形成した。

【００２８】その上に、赤色感光性樹脂を１．２μｍの
膜厚になるように塗布し、その後温度７０℃で３０分間
オ−ブン中で乾燥させ、水銀ランプを用いて露光し、水
によるスプレー現像を１分間行い、赤色画素を形成すべ
き領域に赤色のレリーフ画像を形成し、さらに１５０℃
で３０分間、加熱硬化させた。同様の工程を繰り返し
て、緑色画素を形成すべき領域に緑色のレリーフ画素を
形成し、青色画素を形成すべき領域に青色のレリーフ画
素を形成して着色層を形成した。次に、基板温度２００
℃でアルゴンと酸素とを放電ガスとし、ＤＣマグネトロ
ンスパッタリング法によってＩＴＯをターゲットとして
透明電極膜を基板の全面に成膜した。

【００２９】続いて光硬化性アクリレートオリゴマーと
して、ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート
（分子量１５００〜２０００）を５０重量部、多官能重
合性モノマーとして、ジペンタエリスリトールヘキサア
クリレート（日本化薬（株）製ＤＰＨＡ）を５０重量部
混合し、さらに重合開始剤としてイルガキュアー（チバ
ガイギー社（株）製）２重量部を混合した配合物を、エ
チルセルソルブアセテート２００重量部中に溶解させ、
その溶液１０ｇを用いてスピンコーターでＩＴＯ膜上に
６．０μｍの厚さに塗布した。

【００３０】次いで、スペーサー部分のパターンを形成
したフォトマスクを配置したプロキシミティーアライナ
ーによって、超高圧水銀ランプによって紫外線を５Ｊ／
ｃｍ ² 照射した。続いて温度２５℃の１，１，２，２-
テトラクロロエタンからなる現像液中に１分間浸漬し
て、塗布膜の光が照射されなかった未硬化部分のみを除
去した。このようにして得られたカラーフィルターにポ
リイミドよりなる配向膜を形成した後、エポキシ樹脂を
シール材としてＴＦＴを形成したガラス基板とを接合し
て、液晶としてＴＮ液晶を封入した。得られた液晶表示
装置は表示面全体に均一な間隔が保持されているので色
むら等が生じることがなく良好な表示特性が得られた。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、２枚の基板の間に液晶を挟持
した液晶表示装置において、液晶表示装置を構成するカ
ラーフィルターとカラーフィルターに対向するＴＦＴ等
の基板の少なくとも一方の基板上の液晶挟持領域部分
に、基板の間隔を保持するスペーサーを設けたもので、
液晶に粒子状あるいは棒状のスペーサー部材を混合する
必要がなく、また、スペーサーが表示面全面に配置され
ているので、表示面積が大きくなった場合に生じる混合
したスペーサー部材の偏在等による表示むら等の問題も
なく高品位な液晶表示装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の１実施例を示す部分断
面図。

【図２】スペーサーを形成したカラーフィルターを示す
平面図。

【図３】スペーサーを形成したカラーフィルターの他の
実施例を示す断面図。

【図４】従来の液晶表示装置の断面図。

【符号の説明】

１…液晶表示装置、２…カラーフィルター、３…対向基
板、４…ガラス基板、５…ブラックマトリックス、６…
着色層、７…保護膜、８…透明電極膜、９…スペーサ
ー、１０…シール剤、１１…液晶、１２…配向膜、２１
…カラーフィルター、２２…着色画素、２３…ブラック
マトリックス、２４…スペーサー、３１…カラーフィル
ター、３２…基板、３３…第一色目の着色画素、３４…
第２色目の着色画素、３５…第３色目の着色画素、３６
…透明電極膜、３７…スペーサー、４１…液晶表示装
置、４２…カラーフィルター、４３…対向基板、４４…
シール剤、４５…液晶、４６…スペーサー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液晶表示装置に使用するカラーフィルタ
   ーにおいて、該カラーフィルターは基板上に３色の着色
   画素からなる着色層を有してなり、該着色層上には透明
   電極膜を成膜し、着色画素の３色を積み重ねて形成した
   部分上に透明電極膜を介して液晶挟持間隔を保持するス
   ペーサを形成したことを特徴とするカラーフィルター。
2. 【請求項２】 液晶表示装置において、カラーフィルタ
   ーは基板上に３色の着色画素からなる着色層を有してな
   り、該着色層上に透明電極膜を成膜し、着色画素の３色
   を積み重ねて形成した部分上に透明電極膜を介して液晶
   挟持間隔を保持するスペーサを形成したカラーフィルタ
   ーを有することを特徴とする液晶表示装置。