JP2021128304A

JP2021128304A - カラーフィルタおよび表示装置

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Publication number: JP2021128304A
Application number: JP2020024171A
Authority: JP
Inventors: 大地秋本; Daichi Akimoto
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: JP7500986B2

Abstract

【課題】カラーフィルタを構成するブラックマトリクスパターンが、黒色感光性レジストからなるパターンおよび着色画素の重なり部からなるパターンで構成することにより、高精彩な表示装置に対応可能なカラーフィルタを提供する。【解決手段】表示装置に用いるカラーフィルタ１００であって、ガラス基板１上に、少なくともブラックマトリクスと着色画素３とスペーサ６を有するカラーフィルタであって、前記ブラックマトリクスが、黒色感光性レジストからなる第１のブラックマトリクス２と、前記着色画素のうち、隣接する画素との境界部で着色画素が重なった混色パターン５とその上に、光学濃度調整パターン４からなる第２のブラックマトリクスと、からなることを特徴とするカラーフィルタ。【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置用カラーフィルタに関する。

アクティブマトリクス方式の表示装置は、表示装置の各画素にスイッチング素子であるＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、薄膜トランジスタ）素子を配置し、画素毎に信号のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことで、コントラストが高くできる、応答速度が速くできる、画素数の大容量化に対応可能であるというメリットがあるため、コンピュータ装置のディスプレイ、液晶テレビ、有機ＥＬテレビなどの高精細な表示装置として採用されている。

そして、最近では、モバイル機器での８Ｋ画質（７６８０×４３２０ピクセル）の表示やＶＲ（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ）表示するＨＭＤ（ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄ
Ｄｉｓｐｌａｙ）に対応するため、表示装置の画素密度として１０００ｐｐｉ（ｐｉｘｅｌｐｅｒｉｎｃｈ）が一つの技術目標となっている。

この１０００ｐｐｉ仕様に対応可能なカラーフィルタの製造する場合、カラーフィルタのブラックマトリクスの線幅寸法は数マイクロメートル程度となり、作成の難易度が高くなっている。上記した線幅は、従来からある黒色感光性レジストを用いてプロキシミティ露光装置で形成するとブラックマトリクスパターンが部分的に欠落する現象が見られ、この様なブラックマトリクスを有するカラーフィルタを表示装置に組み込むとブラックマトリクスの欠落部から光漏れが生じ表示品質が低下してしまう。

この様な問題点を解決する方法として、ガラス基板上に黒色感光性レジストでブラックマトリクスを形成せずにＲ、Ｇ、Ｂの着色画素を形成する際に隣接する着色画素の周辺部が重なるようにして、色濃度を濃い部分を形成し、この部分をブラックマトリクスの代替構成とする技術が特許文献１に開示されている。

しかし、重ねる色の組み合わせの中には、黒色感光性レジストで形成したブラックマトリクスと比較して光学濃度が不十分で表示装置とした時の表示性能としては満足するものが得られないものが存在する。

そこで、さらに着色画素を重ねて色濃度を濃くすることで、ブラックマトリクスとして機能する程度の光学濃度は得られたが、今度は、表示装置とした時に、着色画素表面の色の影響によると考えられる表示性能の低下が見られた。

特開２０００−２９０１４号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、カラーフィルタを構成するブラックマトリクスパターンが、黒色感光性レジストからなるパターンおよび着色画素の重なり部からなるパターンで構成することにより、高精彩な表示装置に対応可能なカラーフィルタを提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、請求項１に記載の発明は、表示装置に用いるカラーフィルタであって、ガラス基板上に、少なくともブラックマトリクスと着色画素とスペーサを有するカラーフィルタであって、
前記ブラックマトリクスが、
黒色感光性レジストからなる第１のブラックマトリクスと、
前記着色画素のうち、隣接する画素との境界部で着色画素が重なった混色パターンと、その上に形成された光学濃度調整パターンからなる第２のブラックマトリクスと、からなることを特徴とするカラーフィルタとしたものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記光学濃度調整パターンの一部が表示装置の液晶注入スペースのギャップ間隔を維持するスペーサとなっていることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタとしたものである。

また、請求項３に記載の発明は、前記光学濃度調整パターンと前記スペーサの間に平坦化層を備えることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルタとしたものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のカラーフィルタを備えたことを特徴とする表示装置としたものである。

本発明のカラーフィルタによれば、ブラックマトリクスを黒色感光性レジストパターンからなる第１のブラックマトリクスと２種類の着色画素の重なった混色パターンからなる第２のブラックマトリクスの構成とすることで、ブラックマトリクスのパターンピッチを１０００ｐｐｉの超高精細カラーフィルタを提供することができる。

また、本発明のカラーフィルタを使用した表示装置によれば、１０００ｐｐｉの超高精細の表示装置を提供することができる。

本発明のカラーフィルタの断面構成を例示する断面図。本発明のカラーフィルタのブラックマトリクスパターンを形成した状態を例示する平面図（ａ）および断面図（ｂ）。本発明、第１の実施例のカラーフィルタの青色着色画素を形成した状態を例示する平面図（ａ）および断面図（ｂ）。本発明、第１の実施例のカラーフィルタの緑色着色画素を形成した状態を例示する平面図（ａ）および断面図（ｂ）。本発明、第１の実施例のカラーフィルタの赤色着色画素を形成した状態を例示する平面図（ａ）および断面図（ｂ）。本発明、第１の実施例のカラーフィルタの光学濃度調整パターンを形成した状態を例示する平面図（ａ）および断面図（ｂ）。本発明、第２の実施例のカラーフィルタの別の構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）、（ｃ）。本発明、第３の実施例のカラーフィルタの構成を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）、（ｃ）。本発明、第４の実施例のカラーフィルタの構成を示す断面図。本発明、第５の実施例のカラーフィルタの構成を示す断面図。

本発明のカラーフィルタは、以下、本発明のカラーフィルタの実施形態について、
図面を用いて詳細に説明する。また、以下の実施形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、特徴となる部分を拡大して示しており、各構成要素の寸法比率などは実際と同じではない。

＜第１の実施例＞
図１は、本発明の第１の実施形態の断面構造を示したものである。図１に示すカラーフィルタ１００は、透明基板１の上に第１のブラックマトリクス２が形成され、第１のブラックマトリクス２により区分されている１領域に赤、青、緑の着色層３（Ｒ）、３（Ｂ）、３（Ｇ）がそれぞれ１つずつ形成されている。

着色層３（Ｂ）と隣接する着色層３（Ｇ）は、その境界部分で着色層３（Ｂ）が着色層３（Ｇ）に乗り上げる形状の重なり部５となっている。
そして、着色層３（Ｇ）と隣接する着色層３（Ｒ）は、その境界部分で着色層３（Ｇ）が着色層３（Ｒ）に乗り上げる形状の重なり部５’となっている。

また、本実施例では第１のブラックマトリクス２には着色層３（Ｂ）に隣接する着色層３（Ｒ）が乗り上げる形状となっているが、第１のブラックマトリクス２に２つの着色層のいずれか一方のみ乗り上げている、あるいは、どちらも乗り上げていない形状であってもよい。

重なり部５、重なり部５’上に光学濃度調整パターン４を形成し、この部分を第２のブラックマトリクスとしたものである。

（ガラス基板）
カラス基板１としては、カラーフィルタ用の無アルカリタイプのガラス基板を用いた。ガラス基板に関しては無アルカリガラスで、表示装置用カラーフィルタに対応可能なものであれば、特に限定する必要は無い。

（ブラックマトリクス用レジスト）
表示装置向けに作られた黒色感光性着色組成物（黒色感光性レジスト）であって、カーボンブラックが含まれる着色剤と、紫外線で露光可能とする重合開始剤、モノマー樹脂、さらにアルカリ現像可能な樹脂組成を含有するものを用いた。

また、本発明の実施例では、黒色感光性レジストから作られるブラックマトリックスの遮光性はＯＤ値で３以上のものであり、表示装置用カラーフィルタの製造に用いられるプロキシミティ露光装置で露光ができて、アルカリ現像が可能であることを満たせば、本発明の第１のブラックマトリクスとなる黒色感光性レジストとして使用可能である。

（着色感光性レジスト）
表示装置向けに作られた着色感光性レジストを用いた。この着色感光性レジストに含有される色材としては、表示装置の表示性能に応じて有機顔料、無機顔料、有機染料のいずれか、または組み合わせたものである。

また、本発明の実施例で用いた着色感光性レジスト必要な特性として、表示装置としての表示色の性能が仕様を満たし、かつ、表示装置用カラーフィルタの製造に用いられるプロキシミティ露光装置で露光ができて、アルカリ現像が可能であることを満たせば、本発明の着色画素となる着色感光性レジストとして使用可能である。

（光学濃度調整用レジスト）
本願の第２のブラックマトリクスは、着色画素を２種類重ねただけでは、その遮光性能がブラックマトリクスの遮光性に比較して劣るため、光学濃度を調整するために設けるものである。

本発明の実施例では、光学濃度調整用レジストは、着色（黒）成分としてチタンブラックを用いた以外は、上記した黒色感光性レジストとほぼ同じものを含有し、チタンブラックの含有量を、光学濃度調整パターンとした時に、可視光領域の光線透過率を１５％から５０％の間となるように調整したものを使用した。本実施例では着色成分として黒色の材料を使用したが、表示品質に適合するものであれば他の色の材料を用いることができる。

図２から図６はカラーフィルタ１００の製造手順を説明したものである。本実施例のカラーフィルタ１００は、色画素がストライプ状に形成されたものであり、図２から図８の平面図においては、色画素は図の縦方向に連続して形成されたものとして説明している。

図２は、ガラス基板１上に形成した第一のブラックマトリクス２を示したものである。
この第一のブラックマトリクス２は、ガラス基板１に黒色感光性レジストを全面塗布し、格子状のパターンとなるように製作されたフォトマスク（図示しない）を用いてプロキシミティ露光装置（図示しない）にて露光が行われ、その後、現像、硬化して得た。

この後、第１のブラックマトリクス２で区画された四角形の中に赤、青、緑の着色層３（Ｒ）、３（Ｇ）、３（Ｂ）それぞれ１つずつを横方向に順次形成する。なお、本実施例では、着色画素の形成順次を着色層３（Ｂ）、３（Ｇ）、３（Ｒ）の順としたが、表示装置の表示特性および製造プロセスで問題が生じない限りは、この順としなくともよい。

図３は青色の着色層３（Ｂ）の四角形のパターンを所定の位置に形成した状態を示したものである。

着色層３（Ｂ）の製造手順としては、着色層３（Ｂ）となる着色感光性レジストを全面塗布し、必要なパターンとなるように製作されたフォトマスク（図示しない）を用いてプロキシミティ露光装置（図示しない）にて露光が行われ、現像、硬化させて、図３に示す形状の着色層３（Ｂ）を形成する。

図４は緑色の着色層３（Ｇ）の四角形のパターンを所定の位置に形成した状態を示したものである。

着色層３（Ｇ）の製造手順としては、着色層３（Ｇ）となる着色感光性レジストを使用する以外は、着色層３（Ｂ）の製造手順と同等である。そして、着色層３（Ｇ）が形成されると、第２のブラックマトリクスとなる２種類の着色画素の重なり部５を形成する。

図５は赤色の着色層３（Ｒ）の四角形のパターンを所定の位置に形成した状態を示したものである。

着色層３（Ｒ）の製造手順としては、着色層３（Ｒ）となる着色感光性レジストを使用する以外は、着色層３（Ｂ）の製造手順と同等である。そして、着色層３（Ｇ）が形成されると、第２のブラックマトリクスとなる２種類の着色画素の重なり部５’を形成する。

図６は２種類の着色画素の重なり部５および５’上に光学濃度調整パターン４を形成した状態を示したものである。

光学濃度調整パターン形成用レジストを全面塗布し、２種類の着色画素の重なり部５および５’上にパターン形成されるように製作されたフォトマスク（図示しない）を用いてプロキシミティ露光装置（図示しない）にて露光が行われ、現像、硬化させて、光学濃度調整パターン４を形成する。

この様にして得られた２種類の着色画素の重なり部５および５’と光学濃度調整パターン４の構造が第２のブラックマトリクスとなる。

本発明の実施例では第２のブラックマトリクスである２種類の着色画素の重なり部５および５’と光学濃度調整パターン４をストライプ状として形成する説明したが、画素サイズやその配置によっては格子状とすることも可能である。

＜第２の実施例＞
図７は本発明のカラーフィルタの第２の実施形態を（ａ）は平面、（ｂ）、（ｃ）は断面を示したものである。

カラーフィルタ１０１は光学濃度調整パターン４の形成時に光学濃度調整パターン４の上にスペーサ６を同時に形成するため、必要な露光用パターンを形成したフォトマスク（図示しない）としてハーフトーンマスクを用いた。本実施例ではハーフトーンマスクを用いたが、フォトマスクとしてグレートーンマスクを用いることもできる。

＜第３の実施例＞
図８は本発明のカラーフィルタの第３の実施形態を示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）、（ｃ）である。

カラーフィルタ１０２は光学濃度調整パターン４の形成時に２種類の着色画素の重なり部５および５’上に光学濃度調整パターン４と、第１のブラックマトリクス上に乗り上げた赤色着色層３（Ｒ）上にスペーサ６を形成する様に露光用パターンを形成したフォトマスク（図示しない）を用いて、光学濃度調整パターン４とスペーサ６を同時に形成した。この実施例ではフォトマスクはバイナリタイプを使用した。

＜第４の実施例＞
図９は本発明のカラーフィルタの第４の実施形態を示す断面図（ａ）である。

カラーフィルタ１０３は第１のブラックマトリクス２で区画された四角形の中に赤、青、緑の着色層３（Ｒ）、３（Ｇ）、３（Ｂ）を形成した後、熱硬化性タイプのレジストを用いて平坦化層７を形成した。
平坦化層７形成後、実施例１と同じ手順で光学濃度調整パターン４を形成した。

＜第５の実施例＞
図１０は本発明のカラーフィルタの第５の実施形態を示す断面図（ａ）である。

カラーフィルタ１０４は実施例４と同じ手順で平坦化層７まで形成した。

平坦化層７を形成した後、光学濃度調整パターン４の形成時にバイナリマスクを用いて、２種類の着色画素の重なり部５および５’上の平坦化層７に光学濃度調整パターン４と、第１のブラックマトリクス上の平坦化層７にスペーサ６を形成した。

＜比較例＞
実施例４において平坦化層７を形成した後、光学濃度調整パターン４を形成するレジス
トで、スペーサ６のみを形成したカラーフィルタ（図示しない）を形成し、比較例とした。

＜液晶パネルへの組み込み、および表示テスト＞
実施例１から実施例５と比較例で得られたカラーフィルタに、透明ＩＴＯ電極層を形成し、更にその上にポリイミド配向層を形成した。そして、このガラス基板１の着色画素３を形成しなかった方の表面に偏光板を形成した。

そして、このカラーフィルタを予め用意しておいたＴＦＴアレイおよび画素電極が形成され、さらに偏光板が形成されたＴＦＴ基板をその電極層同士が対面するよう対向させた後、両基板を位置合わせしてから液晶組成物注入用開口部を残すように周囲を封止剤で封止した。

封止剤が硬化した後、開口部から液晶組成物を注入して開口部を封止した。こうして液晶を封入した後、バックライトユニットと組み合わせることで液晶パネルが得られた。

上記の液晶パネルを駆動回路に接続し、画像表示させてその画像を目視で評価した。評価に使用した画像は、青と黒のストライプパターン、赤と黒のストライプパターン、緑と黒のストライプパターンの３種類である。

この３種類の画像を液晶パネルに表示させて、正面から斜め方向にかけて目視で観察して色の境界部のにじみの程度を目視で確認したところ、比較例のカラーフィルタを搭載した液晶パネルに比べて、実施例１から５のカラーフィルタを搭載した液晶パネルの方が、にじみが少ないことを確認した。

１・・・ガラス基板
２・・・第１のブラックマトリックス
３・・・着色画素
３（Ｒ）・・・赤色着色画素
３（Ｇ）・・・緑色着色画素
３（Ｂ）・・・青色着色画素
４・・・光学濃度調整パターン（第２のブラックマトリクス）
５、５’・・・２種類の着色画素の重なり部（第２のブラックマトリクス）
６・・・スペーサ
７・・・平坦化層
１００、１０１、１０２、１０３、１０４・・・カラーフィルタ

Claims

表示装置に用いるカラーフィルタであって、ガラス基板上に、少なくともブラックマトリクスと着色画素とスペーサを有するカラーフィルタであって、
前記ブラックマトリクスが、
黒色感光性レジストからなる第１のブラックマトリクスと、
前記着色画素のうち、隣接する画素との境界部で着色画素が重なった混色パターンと、その上に形成された光学濃度調整パターンからなる第２のブラックマトリクスと、からなることを特徴とするカラーフィルタ。
前記光学濃度調整パターンの一部が表示装置の液晶注入スペースのギャップ間隔を維持するスペーサとなっていることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
前記光学濃度調整パターンと前記スペーサの間に平坦化層を備えることを特徴とする請求項２に記載のカラーフィルタ。
請求項１から３のいずれかに記載のカラーフィルタを備えたことを特徴とする表示装置。