JPH116914A

JPH116914A - カラーフィルタ及びそれを用いたカラー液晶表示装置

Info

Publication number: JPH116914A
Application number: JP17324897A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ido; 英夫井戸; Shinichi Yamada; 申一山田; Tomohiko Hatano; 智彦幡野
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】樹脂ブラックマトリックスを用いたカラーフ
ィルタであって、残像等の表示不良が発生するという問
題がなく、かつ、スペーサーによる光の散乱や透過によ
り液晶表示素子の表示品位が低下することがないカラー
フィルタを提供すること。【解決手段】透明基板上にブラックマトリックスを設
け、該ブラックマトリックスの開口部及び該ブラックマ
トリックス上の一部を被覆するように３原色から成る着
色層を設けたカラーフィルタにおいて、（Ａ）該ブラッ
クマトリックスが、少なくとも遮光剤を樹脂中に分散さ
せて成る樹脂ブラックマトリックスであり、（Ｂ）該樹
脂ブラックマトリックス上の一部に３原色から成る着色
層の積層により形成されたドット状スペーサーを複数設
け、（Ｃ）該ブラックマトリックスのパターンエッジ部
上でのカラーフィルタ表面の傾斜角φ_S が２５°以下で
あることを特徴とするカラーフィルタを提供した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子に使
用されるカラーフィルタ及びそれを用いたカラー液晶表
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にカラーフィルタは、透明基板上に
形成された赤、緑、青の３原色の着色層を一絵素として
多数の絵素から構成されている。そして、各着色層間に
は、表示コントラストを高めるために遮光領域（画面上
では、一般に黒色に見えることから、ブラックマトリッ
クスと称されている）が設けられている。

【０００３】カラーフィルタ上に着色層を形成する方法
としては、フォトリソグラフィ法を用いて形成した可染
媒体を染色する方法、感光性の顔料分散組成物を用いる
方法、非感光性の顔料分散組成物をエッチングする方
法、パターニングした電極を利用した電着法等の他に、
低コストの製造方法として印刷法やインクジェット法で
着色部分を形成する方法もある。

【０００４】また、従来のカラーフィルターのブラック
マトリックスは、微細にパターニングされた金属薄膜、
あるいは遮光剤により着色された樹脂をパターニングす
ることにより形成されることが多い。

【０００５】また、従来使用されているカラー液晶表示
装置は、液晶層の厚み（セルギャップ）を保持するため
に、一般に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や、複数の走査
電極等を具備した電極基板とカラーフィルタ側の基板と
の間にプラスチックビーズ又はガラスビーズ若しくはガ
ラスカットファイバーをスペーサーとして有する。ここ
でプラスチックビーズ等のスペーサーは散布されるた
め、電極基板とカラーフィルタ基板のどの位置（面内位
置）に配置されるか定まっていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】金属薄膜によるブラッ
クマトリックスの場合、反射光が大きく、また、製造コ
ストが高く、さらにはパターン加工を行なう際に６価ク
ロム等の有害な物質を生成し、環境汚染が問題となる場
合もある。金属酸化物、あるいは金属窒化物を用いた多
層膜によるブラックマトリックスの場合は、反射光は小
さくなるものの、製造コスト、及び環境汚染の問題につ
いては軽減されない。一方、遮光剤によって着色された
樹脂をパターニングして得られたブラックマトリックス
の場合、金属薄膜の場合に比べ、低反射という利点があ
るものの、金属薄膜に比べ膜厚当りの遮光性が低いた
め、膜厚を厚くする必要がある。しかしながら、樹脂ブ
ラックマトリックスを用いると、残像等の表示不良が発
生するという問題が生じる。また、プラスチックビーズ
等をスペーサーとして用いるカラー液晶表示素子におい
ては、プラスチックビーズ等のスペーサーの位置が定ま
っておらず、画素上に位置するスペーサーによる光の散
乱や透過により液晶表示素子の表示品位が低下するとい
う問題がある。

【０００７】従って、本発明の目的は、樹脂ブラックマ
トリックスを用いたカラーフィルタであって、残像等の
表示不良が発生するという問題がなく、かつ、スペーサ
ーによる光の散乱や透過により液晶表示素子の表示品位
が低下することがないカラーフィルタ及びそれを用いた
カラー液晶表示装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、鋭意研
究の結果、樹脂ブラックマトリックスを用いるとブラッ
クマトリックスのパターンエッジ部上でのカラーフィル
タ表面の傾斜角が大きくなり、これが液晶配向の不均一
をもたらし残像等の表示不良が発生することを見出し、
該傾斜角を一定値以下に設定することによりこの問題を
解決できることを見出し、さらに、スペーサーを着色層
の積層により形成することにより、上記のスペーサーに
関する問題も同時に解決できることを見出して本発明を
完成した。

【０００９】すなわち、本発明は、透明基板上にブラッ
クマトリックスを設け、該ブラックマトリックスの開口
部及び該ブラックマトリックス上の一部を被覆するよう
に３原色から成る着色層を設けたカラーフィルタにおい
て、（Ａ）該ブラックマトリックスが、少なくとも遮光
剤を樹脂中に分散させて成る樹脂ブラックマトリックス
であり、（Ｂ）該樹脂ブラックマトリックス上の一部に
３原色から成る着色層の積層により形成されたドット状
スペーサーを複数設け、（Ｃ）該ブラックマトリックス
のパターンエッジ部上でのカラーフィルタ表面の傾斜角
φ_s が２５°以下であることを特徴とするカラーフィル
タを提供する。また、本発明は、一対の透明基板とこれ
ら両透明基板により挟持された液晶層とで構成されたカ
ラー液晶表示装置において、その一方の基板が上記本発
明のカラーフィルタであることを特徴とするカラー液晶
表示装置を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の液晶表示素子用カラーフ
ィルタは、透明基板上に、遮光剤を樹脂中に分散させて
成るブラックマトリックス層を設け、さらにその上に３
原色から成る着色層を塗布、パターン加工して開口部及
びブラックマトリックス上の一部に積層せしめて成る。

【００１１】本発明に用いられる透明基板としては、特
に限定されるものではなく、石英ガラス、ホウケイ酸ガ
ラス、アルミノケイ酸塩ガラス、表面をシリカコートし
たソーダライムガラスなどの無機ガラス類、有機プラス
チックのフィルム又はシート等が好ましく用いられる。

【００１２】透明基板上に遮光剤を樹脂中に分散させて
成るブラックマトリックスを設ける。ブラックマトリッ
クスに用いられる樹脂としては、特に限定されないが、
エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポ
リエステル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリオレフィン
系樹脂などの感光性又は非感光性の材料が好ましく用い
られる。ブラックマトリックス用樹脂は、画素や保護膜
に用いられる樹脂よりも高い耐熱性を有する樹脂が好ま
しく、また、ブラックマトリックス形成後の工程で使用
される有機溶剤に耐性を持つ樹脂が好ましいことからポ
リイミド系樹脂が特に好ましく用いられる。

【００１３】ここで、ポリイミド樹脂としては、特に限
定されるものではないが、通常下記一般式［Ｉ］で表さ
れる構造単位を主成分とするポリイミド前駆体（ｎ＝１
〜２）を、加熱又は適当な触媒によってイミド化したも
のが好適に用いられる。

【００１４】

【化１】

【００１５】また、ポリイミド系樹脂には、イミド結合
の他に、アミド結合、スルホン結合、エーテル結合、カ
ルボニル結合等のイミド結合以外の結合が含まれていて
も差支えない。

【００１６】上記一般式[I] 中、Ｒ¹ は少なくとも２個
以上の炭素原子を有する３価又は４価の有機基である。
耐熱性の面から、Ｒ¹ は環状炭化水素、芳香族環又は芳
香族複素環を含有し、かつ、炭素数６〜３０の３価又は
４価の基が好ましい。Ｒ¹ の例として、フェニル基、ビ
フェニル基、ターフェニル基、ナフタレン基、ペリレン
基、ジフェニルエーテル基、ジフェニルスルホン基、ジ
フェニルプロパン基、ベンゾフェノン基、ビフェニルト
リフルオロプロパン基、シクロブチル基、シクロペンチ
ル基等が挙げられるがこれらに限定されない。

【００１７】Ｒ² は少なくとも２個以上の炭素原子を有
する２価の有機基であるが、耐熱性の面から、Ｒ² は環
状炭化水素、芳香族環又は芳香族複素環を含有し、かつ
炭素数６〜３０の２価の基が好ましい。Ｒ² の例とし
て、フェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフ
タレン基、ペリレン基、ジフェニルエーテル基、ジフェ
ニルスルホン基、ジフェニルプロパン基、ベンゾフェノ
ン基、ビフェニルトリフルオロプロパン基、ジフェニル
メタン基、シクロヘキシルメタン基等が挙げられるがこ
れらに限定されない。構造単位[I] を主成分とするポリ
マーは、Ｒ¹ 、Ｒ² がこれらのうち各々１種から構成さ
れていてもよいし、各々２種以上から構成される共重合
体であってもよい。さらに、基板との接着性を向上させ
るために、耐熱性を低下させない範囲でジアミン成分と
して、シロキサン構造を有するビス（３−アミノプロピ
ル）テトラメチルジシロキサンなどを共重合するのが好
ましい。

【００１８】構造単位[I] を主成分とするポリマーの具
体的な例として、ピロメリット酸二無水物、3,3',4,4'-
ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、3,3',4,4'-
ビフェニルトリフルオロプロパンテトラカルボン酸二無
水物、3,3',4,4'-ビフェニルスルホンテトラカルボン酸
二無水物、2,3,5-トリカルボキシシクロペンチル酢酸二
無水物等から成る群から選ばれた１種以上のカルボン酸
二無水物と、パラフェニレンジアミン、3,3'- ジアミノ
ジフェニルエーテル、4,4'- ジアミノジフェニルエーテ
ル、3,4'- ジアミノジフェニルエーテル、3,3'- ジアミ
ノジフェニルスルホン、4,4'- ジアミノジフェニルスル
ホン、4,4'- ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4'-
ジアミノジフェニルメタンなどの群から選ばれた１種以
上のジアミンから合成されたポリイミド前駆体が挙げら
れるが、これらに限定されない。これらのポリイミド前
駆体は公知の方法、すなわち、テトラカルボン酸二無水
物とジアミンを選択的に組み合わせ、溶媒中で反応させ
ることにより合成される。

【００１９】ブラックマトリックス用の遮光剤として
は、カーボンブラック、酸化チタン、四酸化鉄等の金属
酸化物粉、金属硫化物粉、金属粉の他に、赤、青、緑色
の顔料の混合物等を用いることができる。この中でも、
特にカーボンブラックは遮光性が優れており、特に好ま
しい。分散の良い粒径の小さいカーボンブラックは主と
して茶系統の色調を呈するので、カーボンブラックに対
する補色の顔料を混合させて無彩色にするのが好まし
い。

【００２０】ブラックマトリックス用の樹脂がポリイミ
ドの場合、黒色ペースト溶媒としては、通常、Ｎ−メチ
ル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、
Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等のアミド系極性溶媒、
γ−ブチロラクトンなどのラクトン系極性溶媒等が好適
に使用される。

【００２１】カーボンブラックや、カーボンブラックに
対して補色の顔料等の遮光剤を分散させる方法として
は、例えば、ポリイミド前駆体溶液中に遮光剤や分散剤
等を混合させた後、三本ロール、サンドグラインダー、
ボールミルなどの分散機中で分散させる方法などがある
が、この方法に特に限定されない。また、カーボンブラ
ックの分散性向上、あるいは塗布性やレベリング性向上
のために種々の添加剤が加えられていてもよい。

【００２２】樹脂ブラックマトリックスの製法として
は、黒色ペーストを透明基板上に塗布、乾燥した後に、
パターニングを行う。黒色ペーストを塗布する方法とし
ては、ディップ法、ロールコーター法、スピナー法、ダ
イコーティング法、ワイヤバーによる方法などが好適に
用いられ、この後、オーブンやホットプレートを用いて
加熱乾燥（セミキュア）を行う。セミキュア条件は、使
用する樹脂、溶媒、ペースト塗布料により異なるが、通
常６０〜２００℃で１〜６０分加熱することが好まし
い。

【００２３】このようにして得られた黒色ペースト被膜
は、樹脂が非感光性の樹脂である場合は、その上にポジ
型フォトレジストの被膜を形成した後に、また、樹脂が
感光性の樹脂である場合は、そのままかあるいは酸素遮
断膜を形成した後に、露光、現像を行う。必要に応じ
て、ポジ形フォトレジスト又は酸素遮断膜を除去し、ま
た、加熱乾燥（本キュア）する。本キュア条件は、前駆
体からポリイミド系樹脂を得る場合には、塗布料により
若干異なるが、通常２００〜３００℃で１〜６０分加熱
するのが一般的である。以上のプロセスにより、透明基
板上にブラックマトリックスが形成される。

【００２４】樹脂ブラックマトリックスの膜厚は、好ま
しくは０．５〜１．５μｍ、より好ましくは０．８〜
１．２μｍである。この膜厚が０．５μｍよりも薄い場
合には十分なセルギャップの確保が難しくなり、また、
遮光性が不十分になることからも好ましくない。一方、
膜厚が１．５μｍよりも厚い場合には、遮光性は確保で
きるものの、カラーフィルターの平坦性が犠牲になり易
く、段差が生じやすい。表面段差が生じた場合、カラー
フィルタ上部に透明導電膜や液晶配向膜を形成させても
段差はほとんど軽減されず、液晶配向膜のラビングによ
る配向処理が不均一になったり、セルギャップにバラツ
キが生じたりして、液晶表示素子の表示品位が低下す
る。このような場合に表面段差を小さくするためには、
着色層上に透明保護膜を設けることが有効である。

【００２５】また、樹脂ブラックマトリックスの遮光性
は、ＯＤ値（透過率の逆数の常用対数）で表されるが、
液晶表示素子の表示品位を向上させるためには、好まし
くは２．５以上であり、より好ましくは３．０以上であ
る。また、樹脂ブラックマトリックスの膜厚の好適な範
囲を前述したが、ＯＤ値の上限は、これとの関係で定め
られるべきである。

【００２６】樹脂ブラックマトリックスの反射率は、反
射光による影響を低減し液晶表示素子の表示品位を向上
させるために、４００〜７００ｎｍの可視領域での視感
度補正された反射率（Ｙ値）で２％以下が好ましく、よ
り好ましくは１％以下である。

【００２７】樹脂ブラックマトリックス間には通常（２
０〜２００）μｍｘ（２０〜３００）μｍの開口部が設
けられるが、この開口部を少なくとも被覆するように３
原色のそれぞれの着色層が複数配列される。すなわち、
１つの開口部は、３原色のいずれか１つの着色層により
被覆され、各色の着色層が複数配列される。

【００２８】カラーフィルターを構成する着色層は、少
なくとも３原色の色彩を含む。すなわち、加色法により
カラー表示を行う場合は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の３原色が選ばれ、減色法によりカラー表示を行
う場合は、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー
（Ｙ）の３原色が選ばれる。一般には、これらの３原色
を含んだ要素を１単位としてカラー表示の絵素とするこ
とができる。着色層には、着色剤により着色された樹脂
が用いられる。

【００２９】着色層に用いられる着色剤としては、有機
顔料、無機顔料、染料等を好適に用いることができ、さ
らには、紫外線吸収剤、分散剤、レベリング剤等の種々
の添加剤を添加してもよい。有機顔料としては、フタロ
シアニン系、アジレーキ系、縮合アゾ系、キナクリドン
系、アントラキノン系、ペリレン系、ペリノン系が好適
に用いられる。

【００３０】着色層に用いられる樹脂としては、エポキ
シ樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステ
ル系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等
の感光性又は非感光性の材料が好ましく用いられ、着色
剤をこれらの樹脂中に分散あるいは溶解させて着色する
ことが好ましい。感光性の樹脂としては、光分解型樹
脂、光架橋型樹脂、光重合型樹脂等のタイプがあり、特
にエチレン不飽和結合を有するモノマ、オリゴマ又はポ
リマと紫外線によりラジカルを発生する開始剤とを含む
感光性組成物、感光性ポリアミック酸組成物等が好適に
用いられる。非感光性の樹脂としては、上記の各種ポリ
マ等で現像処理が可能なものが好ましく用いられるが、
透明導電膜の製膜工程や液晶表示装置の製造工程でかか
る熱に耐えられるような耐熱性を有する樹脂が好まし
く、また、液晶表示装置の製造工程で使用される有機溶
剤への耐性を持つ樹脂が好ましいことから、ポリイミド
系樹脂が特に好ましく用いられる。ここで、好ましいポ
リイミド樹脂としては、上記した樹脂ブラックマトリッ
クスの材料として好ましく用いられるポリイミド樹脂を
挙げることができる。

【００３１】着色層を形成する方法としては、樹脂ブラ
ックマトリックスを形成した基板上に塗布、乾燥した後
に、パターニングを行う。着色剤を分散又は溶解させ着
色ペーストを得る方法としては、溶媒中に樹脂と着色剤
を混合させた後、三本ロール、サンドグラインダー、ボ
ールミルなどの分散機中で分散させる方法などがある
が、この方法に特に限定されない。

【００３２】着色ペーストを塗布する方法としては、黒
色ペーストの場合と同様、ディップ法、ロールコーター
法、スピナー法、ダイコーティング法、ワイヤーバーに
よる方法等が好適に用いられ、この後、オーブンやホッ
トプレートを用いて加熱乾燥（セミキュア）を行う。セ
ミキュア条件は、使用する樹脂、溶媒、ペースト塗布量
により異なるが通常６０〜２００℃で１〜６０分加熱す
ることが好ましい。

【００３３】このようにして得られた着色ペースト被膜
は、樹脂が非感光性の樹脂である場合は、その上にポジ
型フォトレジストの被膜を形成した後に、また、樹脂が
感光性の樹脂である場合は、そのままかあるいは酸素遮
断膜を形成した後に、露光、現像を行う。必要に応じ
て、ポジ型フォトレジスト又は酸素遮断膜を除去し、加
熱乾燥（本キュア）する。本キュア条件は、樹脂により
異なるが、前駆体からポリイミド系樹脂を得る場合に
は、通常２００〜３００℃で１〜６０分加熱するのが一
般的である。以上のプロセスにより、ブラックマトリッ
クスを形成した基板上にパターニングされた着色層が形
成される。

【００３４】上記のようにブラックマトリックスを形成
した基板上に第１色目の着色層を全面にわたって形成し
た後に、不必要な部分をフォトリソグラフィ法により除
去し、所望の第１色目の着色層のパターンを形成する。
この場合、ブラックマトリックスの開口部を少なくとも
被覆する部分と、着色層の積層によりスぺーサーを形成
する部分に着色層を残す。第２色目も同様な操作を繰り
返し、樹脂ブラックマトリックスの開口部上には１層の
着色層が、また、スペーサーには２層の着色層が残るよ
うに着色層を形成する。同様にブラックマトリックス上
にドット状スペーサーを構成するために前記２層の着色
層で形成される土台の上に最上層の着色層（第３色目）
を形成する。

【００３５】本発明のカラーフィルターでは、ブラック
マトリックスのパターンエッジ部上でのカラーフィルタ
表面の傾斜角φ_s が２５°以下であり、好ましくは２０
°以下である。本発明でいう、「傾斜角φ_s 」について
図１に基づいて説明する。図１はカラーフィルターの模
式断面図である。図１に示されるカラーフィルタ２４
は、透明基板１９上にブラックマトリックス２０及び該
ブラックマトリックス２０の開口部上及び該ブラックマ
トリックスの一部上に設けられた着色層２５を有する。
なお、図１中、２１、２２、２３から成る積層物は、着
色層の積層によりブラックマトリックス上に形成された
ドット状スペーサーである。着色層２５は、ブラックマ
トリックス２０の開口部の中央付近は図示のように平坦
であるが、ブラックマトリックス２０のパターンエッジ
部上では、図示のように、ブラックマトリックス２０の
ために着色層２５が盛り上がる。「傾斜角φ_s 」の定義
を説明するために、ブラックマトリックス２０のパター
ンエッジ部上の着色層の盛り上がり部分を拡大したもの
を図３に示す。図３に示されるように、作製されたカラ
ーフィルタ表面の平坦部分からの盛り上がりの頂点の高
さｈの下から３／１０の高さｈ₂ にあるカラーフィルタ
表面の点Ｂと、同じく上記高さｈの頂点から３／１０の
高さｈ₁ にあるカラーフィルタ表面の点Ａとを結ぶ直線
と、カラーフィルタ表面の平坦部分がなす角を「傾斜角
φ_s 」と定義する。なお、図３に示す例では、透明膜及
び透明電極は形成されていないが、透明膜又は透明膜と
透明電極を形成する場合には、上記「頂点」は最表面の
頂点を意味し、上記「平坦部分」も最表面の平坦部分を
示す。また、透明膜（及び透明電極）が形成される場合
には、カラーフィルタ表面の盛り上がり部分の頂点が不
明瞭又は存在しない場合もあるが、その場合には、色素
層の頂点を上方向に延長した線と透明膜（又は透明電
極）表面との交点をカラーフィルタ表面の頂点とする。
なお、着色層上に透明膜３０が形成された模式断面図を
図４に示す。また、ドット状スペーサー最上層部分の傾
斜角φ_D も同様に定義されるが、この場合、「平坦部
分」は、スペーサーの上から２層目の平坦部分を意味す
る。なお、傾斜角φ_s 及びφ_D は、カラーフィルタを切
断し、その断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する
ことにより測定することができる。また、これ以外にも
触針式の表面荒さ計やＡＦＭでも測定することができ
る。

【００３６】傾斜角φ_s は、着色層の厚さを厚くしたり
（後述のように好ましくは１．６μｍ以上）、それでも
不十分な場合には着色層を研磨することにより２５°以
下、好ましくは２０°以下に調整することができる。

【００３７】また、本発明のカラーフィルタでは、着色
層の積層により形成されるスペーサーの最上層に関して
ドット状スペーサー最上層部分の傾斜角φ_D と画素部を
形成するストライプ部分の上記傾斜角φ_S が、９０°≧φ_D ＞φ_S の関係となるように第３色目を形成することが好まし
い。あるいは必要に応じて後述のように透明膜を設ける
ことにより上記の関係を満足するようにしてもよい。透
明膜としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコー
ン樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられるが特にこれらに
限定されるものではない。透明膜を形成するための塗液
の塗布方法は、スピナー等の回転塗布方法、ディップ塗
布方法、カーテンフロー塗布方法、ロールコータ法等が
挙げられる。塗膜の加熱方法としてはホットプレート、
熱風オーブン等が挙げられる。この透明保護層を有する
カラーフィルタにおいてドット状スペーサー上の保護膜
の膜厚ｔ_D と画素上の保護膜の膜厚ｔ_S の関係は、ｔ_S
＞ｔ_D であることが望ましい。さらに本発明に開示され
た構造を有することは保護膜等により表面形状を平坦化
しないＯ／Ｃレス構造のカラーフィルタにおいてその効
果は顕著である。

【００３８】この形状及び各角度を図１に示す。図１
は、画素ストライプに垂直かつカラーフィルタ基板平面
の法線を含む平面での断面図である。ここで傾斜角φ_D
及びφ_S はそれぞれ図１に示された部分の角度と定義す
る。なお、φ_D 及びφ_S は上記の関係式を満足するもの
であればよいが、φ_D は６０〜９０°が好ましい。

【００３９】このように、ドット状スペーサーを構成す
る部分での傾斜角を急峻にし、同時に形成される画素部
のストライプのパターンサイド部分を緩やかな傾斜角に
加工するためには、（イ）画素の厚膜化による方法（ロ）透明膜塗設による方法の２種類の方法が考えられる。

【００４０】（イ）画素の厚膜化による方法前述の通り、着色層の膜厚を厚くすることによって、画
素ストライプのパターンサイド部分の傾斜角を２５°以
下にすることが可能となる。

【００４１】（ロ）透明膜塗設による方法透明膜を塗設するとそのレベリング効果によりストライ
プパターンエッジ部分の平坦性が向上することが知られ
ている。この効果をうまく制御すれば本発明に開示され
た構造をとるカラーフィルタを得る方法として利用でき
る。すなわち、例えば、透明膜となる塗液として流動性
が高く、比較的乾燥しにくい特性のものを選ぶと前述の
レジストと同様に画素ストライプ部上の透明膜の膜厚ｔ
_S よりもドット状スペーサー上の透明膜の膜厚ｔ_D を小
さくするように制御する。このように透明膜を塗設する
ことによりドット状スペーサー部ではφ_D を急峻なまま
維持し、画素ストライプ部のパターンエッジのφ_S を小
さくすることができる。このような透明膜の塗設は、カ
ラーフィルタの構造を複雑にし製造コストが高くなる点
で不利であるが、一方セルギャップ相当高さの制御、カ
ラーフィルタ表面からの不純物のシミ出し防止、表面平
坦化、物理特性特にドット状スペーサーの物理特性改善
に有利であり、総合的な要求特性を鑑みてその採用の可
否を判断されるべきである。

【００４２】３原色の膜厚は、特に限定されないが、１
層当たり１．６〜３μｍであることが好ましく、この場
合の３原色の着色層の各膜厚の合計は４．８〜９μｍと
なる。着色層の１層の膜厚が１．６μｍ以上であると、
φ_s を２５°以下にすることが容易であり、また、９μ
ｍを超える場合には、着色層の均一塗布が難しくなり、
さらにカラーフィルタ上に形成される透明導電膜の信頼
性が低下し、好ましくない。

【００４３】本発明のカラーフィルタを用いてセルギャ
ップを保持した場合は、例えば、３原色として、Ｒ、
Ｇ、Ｂを選んだ場合、Ｒに対してはＧ＋Ｂ＋Ｂｋ（樹脂
ブラックマトリックス）の膜厚が、Ｇに対してはＢ＋Ｒ
＋Ｂｋの膜厚が、また、Ｂに対してはＲ＋Ｇ＋Ｂｋの膜
厚が液晶表示装置におけるセルギャップに相当すること
になる。

【００４４】透明膜を塗設した場合は、ブラックマトリ
ックス開口部（所謂表示領域部分）の着色層上の透明膜
の膜厚をｔ_S としたときに、例えばＲに対してはＧ＋Ｂ
＋Ｂｋ＋ｔ_D −ｔ_S がセルギャップに相当することにな
る。このことを積極的に利用することにより、φ_D とφ
_S の関係が本発明の開示する範囲を超えない範囲で、ド
ット状スペーサー形成と同時に一義的に決定してしまう
セルギャップ相当の高さを、積極的に制御する方法とし
て採用することができる。

【００４５】本発明における３原色からなる着色層の積
層により形成されたスペーサーが樹脂ブラックマトリッ
クス上に形成されるが、スペーサーの面積や配置場所は
液晶表示素子を作製する場合にカラーフィルタと対向す
るアクティブマトリックス基板の構造に大きく影響を受
ける。そのため、対向する透明電極基板側の制約がない
場合は、スペーサーの面積や設置場所は特に限定されな
いが、画素のサイズを考えた場合、スペーサー１つ当た
りの面積は１０μｍ² 〜１０００μｍ² であることが好
ましい。１０μｍ² よりも小さい場合は、精密なパター
ンの形成や積層が難しく、また、１０００μｍ² よりも
大きい場合は、スペーサー部の形状にもよるがブラック
マトリックス上に完全に配置することが難しくなる。

【００４６】以上のように、カラーフィルタの、ドット
状スペーサーを構成する最上層のカラーフィルタ表面の
傾斜角を該着色層の画素部のそれよりも急峻にした構成
をとると、ドット状スペーサーを構成する最上層のパタ
ーンサイドが切り立っているため、ＩＴＯ膜がスペーサ
ー部で分断され、スペーサー上のＩＴＯを介してのカラ
ーフィルタ上の透明（コモン）電極とアクティブマトリ
ックス基板側の透明電極や回路との電気的な短絡をする
危険を回避でき、良好な電圧保持性を確保できると共
に、画素部を形成する着色層ストライプのパターンサイ
ド部分においても、液晶配向膜のラビングが均一に行わ
れ、液晶配向不良が生じず良好な表示特性を有した液晶
表示装置が得られる。

【００４７】次に、上記カラーフィルターとＴＦＴ基板
とを用いて作製したカラー液晶表示素子について説明す
る。図２には、該カラー液晶表示素子の好ましい具体例
の断面図が模式的に示されている。図２中、１は透明基
板、２は樹脂ブラックマトリックス、３は着色層例えば
（Ｂ）、４は着色層例えば（Ｒ）、５は着色層例えば
（Ｇ）、６は透明電極、７は配向膜である。一方、１３
は、カラーフィルターと対向する透明電極基板の透明基
板であり、１２は液晶駆動回路付属電極、１１は絶縁
膜、１０は画素電極、９は配向膜である。８はカラーフ
ィルターと透明電極基板の間に挟持される液晶である。
図１に示されるように、液晶表示素子は、上記カラーフ
ィルターと透明電極基板とを対向させて作製する。カラ
ーフィルターには、必要に応じて着色層上に透明保護膜
を設けても差支えないが、構成が複雑になり、製造コス
トはアップする。また透明保護膜のレベリング性によっ
て、スペーサー高さは緩和される。また、カラーフィル
ター上にはＩＴＯ膜等の透明電極を形成する。カラーフ
ィルターと対向する透明電極基板としては、ＩＴＯ膜な
どの透明電極が透明基板上にパターン化されて設けられ
る。透明電極基板上には、透明電極以外に、ＴＦＴ素子
や薄膜ダイオード（ＴＦＤ）素子、及び、走査線、信号
線等を設け、ＴＦＴ液晶表示素子やＴＦＤ液晶表示素子
を作製することができる。透明電極を有するカラーフィ
ルター及び透明電極基板上には液晶配向膜が設けられ、
ラビング等による配向処理が施される。配向処理後にシ
ール剤を用いてカラーフィルター及び透明電極基板を貼
り合わせ、シール部に設けられた注入口から液晶を注入
した後に、注入口を封止する。偏光板を基板の外側に貼
り合わせた後にＩＣドライバーなどを実装することによ
りモジュールが完成する。カラーフィルタ側に透明電極
を設けない液晶表示素子、例えばイン・プレイン・スイ
ッチング（ＩＰＳ）と呼ばれる方式の場合もこれに応じ
た構成となる。本発明のカラーフィルタを、このＩＰＳ
方式のカラーフィルタに用いた場合、カラーフィルタ側
にＩＴＯがないため透明電極基板と短絡の危険がなく、
また金属クロムブラックマトリックスと比較して横電界
に対する絶縁効果が大きいため、表示不良が生じにくい
といった利点がある。さらに、ＩＰＳ方式の場合はその
構造上、開口率が小さい（ドット状スペーサーの配置さ
れる非開口部が大きい）ため、ドット状スペーサーの配
置に対する自由度が広がるといった利点もある。

【００４８】本発明のカラー液晶表示素子はドット状ス
ペーサーを構成する最上層のカラーフィルタ表面の傾斜
角を該着色層の画素部のそれよりも急峻にした構成をと
るため、ドット状スペーサーを構成する最上層のパター
ンサイドが切り立っていることにより、ＩＴＯ膜がスペ
ーサー部で分断され、スペーサー上のＩＴＯを介しての
カラーフィルタ上の透明（コモン）電極とアクティブマ
トリックス基板側の透明電極や回路との電気的な短絡を
する危険を回避でき、良好な電圧保持性を確保できると
共に、画素部を形成する着色層ストライプのパターンサ
イド部分においても、液晶配向膜のラビングが均一に行
われ、液晶配向不良が生じず良好な表示特性を有した液
晶表示装置が得られる。特に保護膜等により表面形状を
平坦化しないＯ／Ｃレス構造のカラーフィルタにおいて
その効果は顕著である。

【００４９】本発明のカラー液晶表示素子は、パソコ
ン、ワードプロセッサー、エンジニアリング・ワークス
テーション、ナビゲーションシステム、液晶テレビ、ビ
デオなどの表示画面に用いられ、また、液晶プロジェク
ション等にも好適に用いられる。

【００５０】

【実施例】以下、好ましい実施態様を用いて本発明をさ
らに詳しく説明するが、用いた実施態様によって本発明
の効力は何ら制限されるものではない。

【００５１】実施例１ (1) 樹脂ブラックマトリックスの作製 3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、4,4'
- ジアミノジフェニルエーテル及びビス（３−アミノプ
ロピル）テトラメチルジシロキサンをＮ−メチル−２−
ピロリドンを溶媒として反応させ、ポリイミド前駆体
（ポリアミック酸）溶液を得た。

【００５２】下記の組成を有するカーボンブラックミル
ベースをホモジナイザーを用いて、7000 rpmで３０分間
分散し、ガラスビーズをろ過してブラックペーストを調
製した。

【００５３】カーボンブラックミルベースの組成カーボンブラック（MA100 、三菱化成（株）製）４．６部ポリイミド前駆体溶液２４．０部Ｎ−メチルピロリドン６１．４部ガラスビーズ９０．０部

【００５４】３００ｘ３５０ｍｍのサイズの無アルカリ
ガラス（日本電気ガラス（株）製）、ＯＡ−２）基板上
にスピナーを用いて、ブラックペーストを塗布し、オー
ブン中１３５℃で２０分間セミキュアした。続いて、ポ
ジ型レジスト（Sphipley "Microposit" RC100 30cp) を
スピナーで塗布し、９０℃で１０分間乾燥した。レジス
ト膜厚は１．５μｍとした。キャノン（株）製露光機Ｐ
ＬＡ−５０１Ｆを用い、フォトマスクを介して露光を行
った。

【００５５】次に、テトラメチルアンモニウムヒドロキ
シドを２重量％含んだ２３℃の水溶液を現像液に用い、
基板を現像液にディップさせ、同時に１０ｃｍ幅を５秒
で１往復するように基板を揺動させて、ポジ型レジスト
の現像とポリイミド前駆体のエッチングを同時に行っ
た。現像時間は６０秒であった。その後、メチルセルソ
ルブアセテートでポジ型レジストを剥離し、さらに３０
０℃で３０分間キュアし、樹脂ブラックマトリックス基
板を得た。樹脂ブラックマトリックスの膜厚は、０．９
０μｍであり、ＯＤ値は３．０であった。また、樹脂ブ
ラックマトリックスとガラス基板との界面における反射
率（Ｙ値）は１．２％であった。

【００５６】(2) 着色層の作製次に、赤、緑、青の顔料として各々Color Index No.653
00 Pigment Red 177で示されるジアントラキノン系顔
料、Color Index No.74265 Pigment Green 36 で示され
るフタロシアニングリーン系顔料、Color Index No. 74
160 Pigment blue15-4 で示されるフタロシアニンブル
ー系顔料を用意した。ポリイミド前駆体溶液に上記顔料
を各々混合分散させて、赤、緑、青の３種類の着色ペー
ストを得た。

【００５７】先ず、樹脂ブラックマトリックス基板上に
青ペーストを塗布し、８０℃で１０分間熱風乾燥し、１
２０℃、２０分間セミキュアした。この後、ポジ型レジ
スト（Sphipley "Microposit" RC100 30cp) をスピナー
で塗布後、８０℃で２０分間乾燥した。マスクを用いて
露光し、アルカリ現像液（Sphipley "Microposit" 351)
に基板をディップし、同時に基板を揺動させながら、ポ
ジ型レジストの現像及びポリイミド前駆体のエッチング
を同時に行った。その後、ポジ型レジストをメチルセル
ソルブアセテートで剥離し、さらに３００℃で３０分間
キュアした。着色画素部の膜厚は２．０μｍであった。
このパターニングにより青色画素の形成と共に樹脂ブラ
ックマトリックス上にスペーサーの１段目を形成した。

【００５８】水洗後に、同様にして、赤色画素の形成と
ともに樹脂ブラックマトリックス上にスペーサーの２段
目を形成した。赤色画素部の膜厚は１．８μｍであっ
た。

【００５９】さらに水洗後に、同様にして緑ペーストを
塗布し、緑色画素の形成とともに樹脂ブラックマトリッ
クス上にスペーサーの３段目を形成し、カラーフィルタ
を作製した。緑色画素部の膜厚は１．９μｍであった。

【００６０】このとき、緑色着色層により形成されたド
ット部スペーサーの傾斜角（テーパー角）φ_D は７５°
であった。青色着色層画素部の傾斜角φ_s は１６°であ
った。赤色着色層画素部の傾斜角φ_s は１９°であっ
た。緑色着色層画素部の傾斜角φ_s は１８であった。こ
れらは２５°≧φ_s 、及び９０°≧φ_D ＞φ_S を満た
す。

【００６１】着色層の積層により樹脂ブラックマトリッ
クス上に設けられたスペーサー部の面積は１個当たり約
１００μｍ² であった。スペーサーの高さ（樹脂ブラッ
クマトリックス上の着色層３層分の厚さ）は５．０μｍ
であり、これは着色層の各膜厚の合計（５．７μｍ）よ
りも低い。なお、スペーサーは、１画素に１個の割合で
画面内に設けた。また、画面周辺に樹脂ブラックマトリ
ックスで形成した額縁上の一部にも画面内と同様な密度
で色重ねによるスペーサーを設けた。

【００６２】(3) カラー液晶表示素子の作製上記カラーフィルタ上にスパッタリング法によりＩＴＯ
膜をマスク成膜した。ＩＴＯ膜の膜厚は１５０ｎｍであ
り、表面抵抗は２０Ω／□であった。このＩＴＯ膜上に
ポリイミド系の配向膜を設け、ラビング処理を施した。
一方、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子を備えた透明電
極基板を以下のように作製した。

【００６３】先ず、透明の無アルカリガラス基板（日本
電気ガラス（株）製、ＯＡ−２）上にクロムを真空蒸着
により膜付けし、フォトエッチングの手法によってゲー
ト電極をパターニングした。次に、プラズマＣＶＤによ
り約５００ｎｍ厚さのシリコンナイトライド膜（SiNx)
を形成し、絶縁膜とした。引き続いて、アモルファスシ
リコン膜（ａ−Ｓｉ）及びエッチングストッパ膜層とし
てのＳｉＮｘを連続形成した。次に、フォトエッチング
の手法によってエッチングストッパ層のＳｉＮｘをパタ
ーニングした。このとき、スペーサーと接触する部位は
エッチングせず、１個当たり面積を約２５０μｍ² とし
て残した。オーミックコンタクトをとるためのｎ＋ａ−
Ｓｉの成膜とパターニング、さらに表示電極となる透明
電極（ＩＴＯ）を成膜し、パターニングした。さらに配
線材料としてのアルミの全面蒸着を行い、フォトエッチ
ングの手法によってドレイン電極とソース電極を作製し
た際、前記したスペーサーと接触する部位となる１個当
たりの面積約２５０μｍ²のＳｉＮｘが剥きだし部分に
蒸着されたアルミをエッチングにより除いた。ドレイン
電極とソース電極をマスクとしてチャンネル部のｎ＋ａ
−Ｓｉをエッチング除去し、ＴＦＴを完成させた。

【００６４】最後にカラーフィルター同様にポリイミド
系の配向膜を設け、ラビング処理を施した。

【００６５】配向膜を設けたカラーフィルタと薄膜トラ
ンジスタ素子を備えた透明電極基板とをシール剤を用い
て張り合せた後に、シール部に設けられた注入口から液
晶を注入した。液晶の注入は、空セルを減圧下に放置
後、注入口を液晶槽に浸漬し、常圧に戻すことにより行
った。液晶を注入後、注入口を封止し、さらに偏光板を
基板の外側に貼り合わせ、セルを作製した。得られた液
晶表示素子は、良好な表示品位のものであった。

【００６６】実施例２得られたカラーフィルタ着色層基板上に、ポリアミック
酸のＮ−メチル−２−ピロリドン／ブチルセロソルブ溶
液をスピンナーコーターで、キュア後膜厚１．５μｍ相
当の条件で塗布し、ホットプレートで１５０℃、３分乾
燥後、同じホットプレート上で３００℃、１０分加熱す
ることで保護膜層を形成したこと以外は実施例１と同様
にして液晶表示装置を作製した。

【００６７】このとき、φ_D は６０であり、φ_s は１６
〜１９であった。また、ドット状スペーサー上の透明膜
の膜厚ｔ_D は、０．１μｍであり、画素表示部の透明膜
の膜厚ｔ_S は１．８μｍであった。これは２５°≧φ
_s 、９０°≧φ_D ≧φ_s 、ｔ_S＞ｔ_D を満たす。

【００６８】得られた液晶表示装置は、液晶配向不良、
及び、カラーフィルタ上の透明（コモン）電極とアクテ
ィブマトリクス基板側の透明電極や回路との電気的な短
絡もない、セルギャップの均一性に優れた良好な表示品
位のものであった。また、得られたカラーフィルタのセ
ルギャップ相当高さは、Ｇ画素部分で測定して、実施例
１では４．７μｍ、実施例２では４．６μｍ、実施例３
では３．０μｍであった。

【００６９】

【発明の効果】本発明のカラーフィルタを用いて液晶表
示素子を作製した場合に以下の効果が得られる。 (1) スペーサーが画素部上に存在せず、スペーサーによ
る光の散乱や透過による表示品位の低下がなく、特に表
示品位のコントラストが向上する。 (2) スペーサーが面で対向する透明電極基板と接触する
ために、配向膜や透明電極の破損が少なく、欠陥の少な
い表示が得られる。 (3) スペーサーを散布する工程が不要になり、液晶表示
素子の製造工程が簡略化される。 (4) スペーサーの粒度分布を高精度に管理する必要がな
く、液晶表示素子の製造が容易になる。 (5) 樹脂ブラックマトリックスと着色層２層分の膜厚に
よりセルギャップが保持されることから十分なセルギャ
プを持った液晶表示素子が得られる。 (6) カラーフィルタ上のＩＴＯ膜の耐久性が良好であ
る。 (7) シール剤へのギャップ剤の混練り工程が不要にな
り、液晶表示装置の製造工程が簡略化される。 (8) 表示画面領域とシール部でのスペーサーとギャップ
材硬さの差がなくなり、均一なギャップが得られやす
い。 (9) 樹脂ブラックマトリックスを用いているにもかかわ
らず、残像等の表示不良が発生するという問題がなく、
かつ、スペーサーによる光の散乱や透過により液晶表示
素子の表示品位が低下することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で規定されるブラックマトリックスのパ
ターンエッジ部上のカラーフィルタ表面の傾斜角φ_s 及
びドット状スペーサー最上層部分の傾斜角φ_D を説明す
るため模式断面である。

【図２】本発明のカラーフィルタ−を使用したカラー液
晶表示装置の模式断面図である。

【図３】本発明で規定されるブラックマトリックスのパ
ターンエッジ部上のカラーフィルタ表面の傾斜角φ_s を
説明するために、ブラックマトリックスのパターンエッ
ジ部上のカラーフィルタ表面の盛り上がり部分を拡大し
て示す模式断面図である。

【図４】図１に示されるカラーフィルタの着色層上に透
明膜が形成されている例を示す模式断面図である。

【符号の説明】

１透明基板（ガラス基板）２樹脂ブラックマトリックス３着色層（Ｂ）４着色層（Ｒ）５着色層（Ｇ）６透明電極７配向膜８液晶９配向膜１０画素電極１１絶縁膜１２液晶駆動回路付属電極１３透明基板（ガラス基板）１６スペーサー１９透明基板２０ブラックマトリックス２４カラーフィルタ２１着色層の積層により形成されたスペーサーの第１
層２２着色層の積層により形成されたスペーサーの第２
層２３着色層の積層により形成されたスペーサーの最上
層２５着色層３０透明膜 φ_s ブラックマトリックスのパターンエッジ部におけ
る着色層の傾斜角 φ_D スペーサー最上層の傾斜角ｔ_S 表示部着色槽上のＯ／Ｃ膜厚ｔ_D スペーサー上のＯ／Ｃ膜厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上にブラックマトリックスを設
け、該ブラックマトリックスの開口部及び該ブラックマ
トリックス上の一部を被覆するように３原色から成る着
色層を設けたカラーフィルタにおいて、（Ａ）該ブラッ
クマトリックスが、少なくとも遮光剤を樹脂中に分散さ
せて成る樹脂ブラックマトリックスであり、（Ｂ）該樹
脂ブラックマトリックス上の一部に３原色から成る着色
層の積層により形成されたドット状スペーサーを複数設
け、（Ｃ）該ブラックマトリックスのパターンエッジ部
上でのカラーフィルタ表面の傾斜角φ_s が２５°以下で
あることを特徴とするカラーフィルタ。
【請求項２】前記ブラックマトリックス上のドット状
スペーサーを構成する最上層の着色層に関して、そのド
ット状スペーサー最上層部分の傾斜角φ_D が、９０°≧φ_D ＞φ_S の関係にあることを特徴とするカラーフィルタ。
【請求項３】透明電極層が着色層上に直接接するよう
に設けられて成ることを特徴とする請求項１又は２記載
のカラーフィルタ。
【請求項４】透明基板上に少なくともブラックマトリ
ックス層、着色層、透明膜層を有する請求項１又は２に
記載のカラーフィルタ。
【請求項５】透明電極膜が透明膜を介して着色層上に
設けられて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の
カラーフィルタ。
【請求項６】ドット状スペーサー上の透明膜の膜厚ｔ
_D と画素上の透明膜の膜厚ｔ_S がｔ_S ＞ｔ_D の関係にあることを特徴とする請求項３記載のカラーフ
ィルタ。
【請求項７】各着色層がポリイミドから成ることを特
徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のカラ
ーフィルタ。
【請求項８】一対の透明基板とこれら両透明基板によ
り挟持された液晶層とで構成されたカラー液晶表示装置
において、その一方の基板が請求項１ないし７のいずれ
か１項に記載のカラーフィルタであることを特徴とする
カラー液晶表示装置。