WO1994009394A1

WO1994009394A1 - Glass plate for liquid crystal, color filter for tft liquid crystal, tft liquid crystal display for projection, and color tft liquid crystal display

Info

Publication number: WO1994009394A1
Application number: PCT/JP1993/001436
Authority: WO
Inventors: Takao Hashimoto
Original assignee: Nissha Printing Co., Ltd.
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1993-10-06
Publication date: 1994-04-28
Also published as: EP0625717A1; US5478611A; EP0625717A4; JPH06130214A

Description

明細書

液晶用ガラス基板、 T F T液晶用カラーフィルター、プロジュクシヨン用 T F T液晶表示装置、カラー T F T液晶表示装置技術分野

この発明は、液晶パネルの画素電極以外の領域の不要な光を完全に遮断し、 T F T光リーク電流を抑制し、またブラックマトリックス部分の光の反射をほとんど抑えることができる高コントラス卜な T F T液晶表示装置を得るための液晶用ガラス基板とそれを使用した T F T液晶用カラーフィルター、プロジヱクシヨン用 T F T液晶表示装置、カラー T F T液晶表示装置に関するものである。

背景技術

従来、液晶ディスプレーなどに用いられるカラーフィルターにおいて、高コントラス卜の画像を得るには、画素と画素の間隙を埋めるための遮光膜を有するブラックマトリックスを形成することが良好とされてきた。このようなブラックマトリツクスとしては一般に次のようなものが知られている。

1.黒色の顔料を含むィンキまたは感光剤を使用して、透明基板上の遮光すべき部分にブラックマトリックスを形成したもの。

2.クロムなどの金属薄膜をスッバタリング法や蒸着法によって透明基板上に全面的に形成し、その後、金属薄膜上に感光性レジストを塗布し、マスクを介して露光、現像を行うことによって遮光すべくレジストを形成し、エッチングによって不要な部分を除去してブラックマトリックスを形成したもの。

し力、し、 1.のブラックマトリツクスは、ガラス面からのブラックマトリックスの反射は抑えることができるが、十分な遮光性を得ようとすれば、膜の厚みを多くする必要がある。インクを用いて印刷する場合は、十分な膜厚を得ることができず、 T F T光リーク電流を抑えることができない。また、微細なブラックマトリックスを形成することもできない。感光剤を使用し膜を厚くしょうとした場合は、感光剤が黒色であるため十分に膜の内部まで光が通過せず未感光となり、微細なブラックマトリックスを得ることができない。また光学濃度 3. 5以上を得ようとすれば、ブラックマトリックスの膜厚が厚すぎて平滑性が保てなくなり、液晶パネルを組み立てるのに不適当となる。

また、 2.のブラックマトリックスは、蒸着法ゃスッパタリング法によつて形成するが、これらは金属光沢を有しているため、ガラス面から見た場合のブラックマトリックスの反射が 59%と極めて大きく、パネルのコントラストが著しく低下する。また、これらの方法は、高価な真空装置が必要で、光学濃度 3. 5以上を得ようとすれば、長時間の処理が必要で、生産性が極めて悪く、高価となる。

したがって、この発明は以上のような問題点を解決し、ガラス面からの透視の全反射率が 6 %以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上を有する液晶用ガラス基板とそれを使用した T F T液晶用カラーフィルター、プロジュクシヨン用 T F T液晶表示装置、カラー T F T液晶表示装置を提供することを目的とする。

発明の開示

この発明は、以上の目的を達成するために、液晶用ガラス基板を、一般

で表わされる有機金属化合物の単体または混合物を加水分解してゾル化し、ガラス基板にコーティングし、焼成して形成された多孔質の透明活性皮膜層内部に、金属の酸化還元反応で生成されたガラス面からの透視の全反射率が 6 %以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上であるブラックマトリックスを有するように構成したものである。（ただし、 —般式中、 Mはマグネシウム、カルシウム、ジリコ二ゥム、チタニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、イットリウム、ィンジゥム、アルミニウム、ガリウム、スズ、ゲイ素からなる群より選ばれた少なくとも一つの元素を示す。 ^および K₂は水素原子、アルキル基、ァシル基のいずれかを示す。 X、 Υは水素原子、塩素原子、水酸基のいずれかを示す。 m、 n、 p、 qは 0 から 8の整数であり、 m+n+p+qは Mの原子価に等しい。）

また、上記の構成の液晶用ガラス基板において、金属の種類がスズ、二ッゲル、コバルト、銅、銀、金のいずれかであるように構成してもよい。また、 T F T液晶用カラーフィルターを、上記の構成の液晶用ガラス基板に着色層が形成されるようにしてもよい。

また、プロジクシヨン用 T F T液晶表示装置を、上記の構成の液晶用ガラス基板が組み込まれるように構成してもよい。

また、カラー T F T液晶表示装置を、上記の構成の T F T液晶用カラーフィルターが組み込まれるように構成してもよい。

この発明をさらに詳しく説明する。まず、一般式 ^OR^ OR^ JpY。で表される有機金属化合物の単体または混合物を加水分解してゾル状にする o —般式中、 Mはマグネシウム、カルシウム、ジリコ二ゥム、チタニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、イットリウム、インジウム、アルミニウム、ガリウム、スズ、ゲイ素からなる群より選ばれた少なくとも一つの元素を示す。および R₂はそれぞれ水素原子、アルキル基（好ましくは炭素数 1〜6 ) 、ァシル基（好ましくは炭素数 1〜6 ) を示し、それらは同一であっても異なっていてもよい。 X、 Yはそれぞれ水素原子、塩素原子または水酸基を示し、それらは同一であっても異なっていてもよい。 m、 n、 p、 q は 0から 8の整数であり、 m+n+p+qは Mの原子価に等しい。一般式で示される有機金属化合物の例としては、テトラエチルシリケ一ト、アルミニウムトリイソプロポキシド、チタンテトラブトキシド、ジリコニゥムテトラブトキシドあるいはこれらの部分加水分解物などがある。

このゾルを透明基板に塗布、乾燥して、焼成することによって多孔質の透明活性皮膜を得る。また、ゾルは、必要量の水や、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸などの加水分解の触媒や、アルコールなどを含むものである。このゾルを透明基板に塗布する方法には、バーコティング、ロールコーティング、スピンコーティング、デイブコーティングなどの方法がある。

透明基板としては、液晶ディスプレーの表示基板装置に用いられるものが使用される。たとえば、アルミノシリゲートガラス、ホウゲイ酸ガラス、二酸化ケイ素をコ一ティングしたソ一ダライムガラスなどが使用できる焼成温度は、一般式 Mの金属化合物の種類に依存するが、 300°Cから透明基板が熱変形するまでの温度範囲で選ばれる。

このようにして形成された膜は、透明であり、かつ数 nm~100nm程度の大きさの多数の微細孔を有した多孔質の活性皮膜となる。この膜の厚みは 0. 5〜； 10〃m、好ましくは 0. 8〜5 mのものが望ましい。

この多孔質の透明活性膜を形成した透明基板を、まず還元剤の溶解した溶液に浸漬する。還元剤としては、塩化第一スズ、塩化第一スズ一塩化パラジウム、酒石酸ナトリウムカリウム、水素化ホウ素化合物、次亜燐酸ナトリウム、ヒドラジン、ホルムアルテヒドなどを使用する。

これらの還元剤を多孔質の微細孔中に十分吸着させた後、コロイドとして析出させる金属イオンを溶解させた溶液に浸漬する。還元剤および金属ィォンの溶解した溶液の pHはそれぞれの使用金属に依存する。使用する金属としては、ニッケル、スズ、銅、銀、金、コバルトなどから選ばれる。このように金属イオンを溶解させた溶液に浸漬すると、数 ηπ！〜 lOOnmの微細孔内部で金属イオンとあらかじめ吸着されていた還元剤とが接触し、次のような反応が微細孔内部で生じ、金属が微細孔中に析出する。微細孔中で析出した金属は、一様な金属皮膜とはなりえずコロイド粒子となって、金属光沢を持たない完全黒色を呈することになる。

R + H₂0 -→ Ox + H⁺ + e"

Mn⁴ + ne- → M° または 2H⁺ + 2e" → H₂

(Kは還元剤、 Mは金属をそれぞれ示す。）

この黒色の金属コロイド粒子は、微細径数 nm〜： ΙΟΟηπιで、厚み 0. 8〜5 ^ m の容積の中に満たされており、このため透明基板は、ガラス面からの透視の全反射率が 6 %以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上を有する黒色の皮膜を有するガラス基板となり得る。このような特長を有するガラス基板の黒色皮膜をブラックマトリックスに利用することによって液晶パネルの画素電極以外の領域の不要な光を完全に遮断し、 T F T光リーク電流を完全に抑制し、またブラックマトリックス部分の光の反射をほとんど抑えることができることで、これまでにない高コントラストなカラーフィルター、プロジェクシヨン用 T F T液晶表示装置、カラ一 T F T液晶表示装置を得ることができる。

黒色皮膜をパターン化してブラックマトリックスを形成した液晶用ガラス基板には、次のようなものがある。

1.透明基板全面に設けた黒色皮膜に、フォ卜レジストを塗布しマスクを介して露光、現像を行うことによって、遮光すべき部分にレジストを形成し、エッチングによって不要な黒色の金属コロイド粒子だけを除去して得たブラックマトリツクスを有する液晶用ガラス基板。 2.透明基板全面に設けた黒色皮膜に、フォトレジス卜を塗布しマスクを介して露光、現像を行うことによって、遮光すべき部分にレジストを形成し、エッチングによって不要な多孔質皮膜と金属コロイド粒子を同時に除去し、不要なレジス卜を剥離して得たブラックマトリックスを有する液晶用ガラス基板。

3.多孔質の透明活性基板に、フォトレジストを塗布しマスクを介して露光、現像を行うことによって、遮光すべき部分以外の部分にレジストを形成し、レジストの除去された遮光すき部分に還元剤を吸着させ、金属ィオン溶液に浸漬し、遮光すべき部分に金属コロイド粒子を析出させ、不要なレジストを除去して得たブラッ 'クマトリックスを有する液晶用ガラス基板。

このような液晶用ガラス基板に保護膜を塗布することも可能である。保護膜は、液晶用ガラス基板が、カラーフィルターや液晶表示装置を作るェ程でさらされる各種薬品から保護する目的で採用したり、透明電極を液晶用ガラス基板に設ける場合の密着強度向上の目的で採用する。保護膜としては無機化合物塗膜、有機樹脂塗膜のいずれであってもよい。無機塗膜としては、シリカ、酸化ジリコニゥムなどをゾルゲル法で塗布 ·焼成するか、スパッタリング法や蒸着法で設けてもよい。また有機塗膜としては、ァクリル樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂などを塗布 .ベーキングして設けるとよい。

高コントラストのカラ一フィルターを得るには、カラーフィルターの製法にしたがって、上記の 3種類のブラックマトリックスを有する液晶用ガラス基板のうち最も適したものを選択し、製造することができる。顔料分散法、染色法、電着法、ミセル電解法、印刷法などすベての公知の方法を適用して作成したカラーフィルターは、いずれもガラス面からの透視の全反射率が 6 %以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上を有するものとなった。このようなカラーフィルターを適用することで、液晶パネルの画素電極以外の領域の不要な光を完全に遮断し、 T F T光リーク電流を完全に抑制し、またブラックマトリックス部分の光の反射をほとんど抑えて写り込みを防止することができ、これまでにない高コントラス卜なカラー T F T液晶表示装置を得ることができた。

また、このような構成の液晶用ガラス基板をプロジクション用液晶表示装置に使用する場合は、ブラックマトリックスの光学濃度が 4. 5以上のブラックマトリックス基板を使用することが望ましい。この理由は、プロジェク '：/ョンの場合、バックライトとして使用する光源が非常に強いのに加え、通常バックライトの照射はブラックマトリックス付き基板側から照射するため、わずかな光の漏れでも T F T光リーク電流が発生してしまい、コントラストの低下、 T F Tの動作不良を招いてしまうからである。

実施例 1

アルミニウムィソプロポキシドを加水分解 ·縮合することによって得られた透明なゾル液を、洗浄 ·乾燥したホウケィ酸ガラス基板上に、スピンコ一夕一を用いてスピン塗布した。これを 70°Cにて乾燥後、厚み 1. 5〃mの皮膜を得た。次に基板を 470°Cにて 3時間、焼成し、多孔質の厚みの透明活性膜を有するガラス基板を得た。

この基板を下記の配合の還元剤を溶解させた溶液に 5分間浸漬した。

塩化第一スズ 5部

36%塩酸 20部

超純水 75部

水洗 ·乾燥後、 60°Cの下記配合の金属イオン溶解液に揺動しながら 10分間浸漬した。硝酸銀 3部

アンモニア水適量

N—メチロールァミン 10部

水残部（合計 100部）

つぎに水洗乾燥すると黒色の皮膜を有するガラス基板が得られた。この皮膜と通常のクロム膜（膜厚 1500A ) および感光剤に黒顔料を分散させてコーティング作成した樹脂膜（膜厚 3 μ πι、富士ハン卜エレク卜口製 ) との各種比較データは下記のようになった。測定はガラス面からの測定であり、ガラスの反射も含んだものである。

反射率および光学濃度本願皮膜クロム膜樹脂積分球反射率（400〜700nm) 3% 59% 5%

45° — 45° 反射率 5% 58% 8% 光学濃度 5以上 3. 0 2. 8 上記データより、本願の黒色皮膜は、低反射、高光学濃度であることが明らかである。

次にガラス基板の黒色皮膜全面に、ポジレジスト（東京応化製 0FPK- 800 ) を厚み 1. 5 ^ mにスピンコーティングして、クリーンオーブンで、 100°C で 20分間べ一キングした。次に T F T用フォトマスクを介して露光し、ァルカリ現像を行い、ブラックマトリックス部分にレジストを形成した。ガラス基板を下記配合の 40°Cの処理液に 4分間浸瀆し、金属コロイド粒子を除去した。

64%硝酸 15部

95%燐酸 21部

純水 64部次に不要となったレジスト膜を、アルカリ剥膜を行い、洗浄乾燥すると、微細なブラックマトリックスパターンを有する液晶用ガラス基板が得られた。

実施例 2

実施例 1で得られた液晶用ガラス基板に、青顔料を分散させた感光剤をコ一ティングし、フォトマスクを介して、露光 ·現像してブルーのレリ一フを得た。同様にレツド、グリーンのレリーフをブラックマトリックス以外の部分にそれぞれ設け、保護膜をコーティングして、顔料カラーフィルターを得た。このカラーフィルターのブラックマトリックスは、実施例 1 のデータをそのまま再現していた。

実施例 3

実施例 1で得られた液晶用ガラス基板にシリ力を 800Aスパッタリングで膜付けし、さらに Π0膜を 1400人膜付けして、シート抵抗の IT0 膜を有するブラックマトリックス付きガラス基板を得た。この基板を使用して T F T回路を有する基板と組み合わせてプロジェクション用の T F T 表示パネルを製作した。このパネルは、点灯時にはまったく T F T光リ一ク電流の発生が認められなかった。

実施例 4

実施例 1と同様に作成された 13インチの液晶用ガラス基板を得た。さらにこの基板を使用して実施例 2と同様に処理してカラーフィルターを得た。このカラ一フィルターに IT0膜を設け、 T F T回路を有する基板とを組み合わせて 13ィンチの大型 T F Tカラー表示装置を製作した。この表示装置は明るいところで点灯しても周りのライ卜の写り込みが、ほとんど無く非常に見やすいパネルとなった。

発明の効果この発明の液晶用ガラス基板は、

nXpYqで表わされる有機金属化合物の単体または混合物を加水分解してゾル化し、ガラス基板にコーティングし、焼成して形成された多孔質の透明活性皮膜層内部に

、金属の酸化還元反応で生成されたガラス面からの透視の全反射率が 6 % 以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上であるブラックマトリックスを有するように構成されている。

したがって、この発明によるとブラックマトリックスは、ガラス面からの透視の全反射率が 6 %以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上を有する黒色の皮膜を有するので、液晶パネルの画素電極以外の領域の不要な光を完全に遮断し、 T F T光リーク電流を完全に抑制し、またブラックマトリックス部分の光の反射をほとんど抑えることができ、これまでにない高コントラストなカラ一フィルター、プロジヱグシヨン用 T F T液晶表示装置、力ラー T F T液晶表示装置を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 一般式 ^^(^^"(^^ ^ で表わされる有機金属化合物の単体または混合物を加水分解してゾル化し、ガラス基板にコーティングし、焼成して形成された多孔質の透明活性皮膜層内部に、金属の酸化還元反応で生成されたガラス面からの透視の全反射率が 6 %以下で、かつ、光学濃度が 3. 5以上であるブラックマトリックスを有することを特徴とする液晶用ガラス基板。

(—般式中、 Mはマグネシウム、カルシウム、ジリコ二ゥム、チタニウム、ハフニウム、ゲルマニウム、イットリウム、インジウム、アルミニウム、ガリウム、スズ、ゲイ素からなる群より選ばれた少なくとも一つの元素を示す。 R!および K₂は水素原子、アルキル基、ァシル基のいずれかを示す。 X、 Υは水素原子、塩素原子、水酸基のいずれかを示す。 m、 n、 p、 qは 0から 8の整数であり、 m+n+p+qは Mの原子価に等しい。）

2. 金属の種類がスズ、ニッケル、コバルト、銅、銀、金のいずれかである請求項 1記載の液晶用ガラス基板。

3 . 請求項 1記載の液晶用ガラス基板に着色層が形成されたことを特徴とする T F T液晶用カラ一フィルター。

4 . 請求項 1記載の液晶用ガラス基板が組み込まれたことを特徴とするプロジヱクシヨン用 T F T液晶表示装置。

5. 請求項 3記載の T F T液晶用カラーフィルターが組み込まれたことを特徴とするカラー T F T液晶表示装置。