JPH05249455A

JPH05249455A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH05249455A
Application number: JP4049492A
Authority: JP
Inventors: Ushimatsu Moriyama; 丑松森山; Yasuhisa Oana; 保久小穴; Tomiya Sonoda; 富也薗田; Nobuki Ibaraki; 伸樹茨木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【目的】隣接する画素電極間の短絡による表示不良
や、表示画面の明度の低下や、配向欠陥と呼ばれる表示
不良の発生もないブラックマトリックスを具備する液晶
表示素子を提供する。【構成】ブラックマトリックス２１は、Ｆｅ₂Ｏ₃や
Ｆｅ₃Ｏ₄やＴｉＯ₂などの電気絶縁性に優れた金属酸
化物を顔料として用いて電気絶縁性の高いポリマーなど
の母材に分散してなるもので、ＴＦＴ基板２７上に設け
られる。従って隣り合う画素電極１９間の短絡による表
示不良や、対向基板９とＴＦＴ基板２７とのアライメン
トの困難さや、ブラックマトリックス２１の遮光面積に
起因する表示画面の明度の低下や外部の光を受けて反射
し画像が見辛くなるという問題や、膜厚が厚いことに起
因して発生していた配向欠陥の問題も解消することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はカラーフィルタおよび遮
光用ブラックマトリックスを有しカラー表示を行なう液
晶表示素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】カラー表示を行なう液晶表示素子に用い
られるカラーフィルタは、電気絶縁性の透明基板上に、
例えばＲ、Ｇ、Ｂの３原色の着色セルが交互に配列され
た着色層と、この着色層の個々の着色セルの間隙部分に
配設されたいわゆるブラックマトリックスまたはブラッ
クマスクと呼ばれる遮光層とを有している。

【０００３】遮光層であるブラックマトリックスは、着
色セル間の見た目の色を分離してカラー画像表示品質を
向上させるとともに、同画像表示のコントラスト比の向
上や、ノーマリホワイトモードの液晶表示素子では隣接
する各画素電極どうしの間隙部分に対応する液晶が動作
しないことからこの部分を遮光するため、またＴＦＴ
（薄膜トランジスタ、以下ＴＦＴと略称）のようなアク
ティブ素子を用いたアクティブマトリックス型液晶表示
素子の場合では外部からＴＦＴへ照射しようとする光を
遮断して光電流によるＴＦＴの誤動作を防ぐためなどの
目的で設けられるもので、通常、光の遮断性が良くかつ
見た目の色が黒色またはそれに近い色の材料が用いられ
る。

【０００４】一般的には、そのブラックマトリックス
は、材料として金属クロムあるいはクロム酸化物などを
用いて、蒸着あるいはスパッタリングによりガラス基板
上に薄膜を形成した後、これをフォトリソグラフィ技術
によりパターンニングして所定の格子状に形成してなる
ものである。あるいは、材料としてカーボンブラックを
高分子材料に分散させた黒色レジストを用いて、この黒
色レジストをガラス基板上にスピンコータのような塗布
機で塗布した後、これをフォトリソグラフィ技術により
パターンニングして所定の格子状に形成してなるものも
ある。

【０００５】このようなブラックマトリックスは、通
常、各画素に対応する着色セルひとつひとつの周囲を囲
むような格子状のパターンに配設されている。

【０００６】ところで、特にアクティブマトリックス型
液晶表示素子においては、対向基板側にカラーフィルタ
および遮光用ブラックマトリックスを配設する構造が従
来から一般的に用いられている。

【０００７】これは、ＴＦＴのようなアクティブ素子お
よび各セルごとに分割された画素電極等が配設されたア
クティブ素子基板側にカラーフィルタおよび前述のよう
な材料からなる遮光用ブラックマトリックスを設ける
と、ブラックマトリックスの材料である金属クロムやク
ロム酸化物や、カーボンブラックを高分子材料に分散さ
せた黒色レジストなどが導電性を有しているため、アク
ティブ素子基板上の隣接する画素電極間を電気的に短絡
させてしまい、表示不良が発生するという問題があるか
らである。具体的には、金属クロムやクロム酸化物は導
電性が高いので前記の短絡の直接の原因となり、また前
記の黒色レジストは10¹⁰Ω／ｃｍ程度の抵抗値を有する
がブラックマトリックスのパターン幅が十分に小さいと
これが無視できないものとなって短絡の原因となるから
である。

【０００８】しかしながら、前述のような対向基板側に
カラーフィルタおよび遮光用ブラックマトリックスを配
設する場合では、この対向基板とアクティブ素子基板と
のアライメントが容易ではないという問題がある。具体
的には、前記の 2枚の基板の合わせ精度は、画素電極の
ピッチが例えば 200μｍのときで 3〜 7μｍ程度であ
る。

【０００９】また、そのようなアライメントを行なうこ
とはできたとしても、液晶表示素子パネルに対して斜方
向から入射してＴＦＴのようなアクティブ素子に照射し
その誤動作の原因となる光を遮断するためには、ブラッ
クマトリックスによって遮光する面積を大きめに取らね
ばならないが、このことはブラックマトリックスにより
規定される画素電極の開口率が小さくなることを意味し
ており、このため表示画面の明度が低下し表示品質の低
下を招くという問題がある。またノーマリホワイトモー
ドの液晶表示素子の場合、前記の斜方向から入射する光
が隣り合う画素の間隙を非変調光として通過し漏れ光と
なって、表示画面のコントラストを著しく低下させ、表
示品質の低下を招くという問題がある。この問題はノー
マリブラックモードの液晶表示素子を用いれば解消され
るが、しかしこのノーマリブラックモードの液晶表示素
子の場合、黒レベル（黒背景）を実現するためには 2枚
の偏光板の偏光方向を正確に平行に合わせる必要があ
り、その合わせ精度は誤差 1度程度以内が要求され、製
造工程においてこれを調整し実現することは容易ではな
い。

【００１０】このように、液晶表示素子パネルに対して
斜方向から入射する光を遮断することは容易ではなくブ
ラックマトリックスを配設する必要があり、このとき画
素電極の開口率は前記の合わせ精度や斜方向からの入射
光を遮断するためのマージンを考慮に入れると低くなら
ざるを得ない。具体的には、画素電極のピッチが例えば
200μｍのときでブラックマトリックスによる開口率は
40〜50％程度となり、アクティブ素子基板側にブラック
マトリックスを配設したときと比較して10〜20％程度も
低下してしまう。

【００１１】また、ブラックマトリックスとして黒色レ
ジストを用いたものの場合、前記のようにカーボンブラ
ックのような黒色の顔料を母材に分散させたものや、補
色関係にある 2種類の染料を混ぜて用いたものなどがあ
るが、いずれも光学濃度が比較的に小さいので、光学濃
度 3.0程度を実現するには1.5 〜2.0 μｍ程度の膜厚が
必要となる。このような厚い膜からなるブラックマトリ
ックスの上に配向層を配設すると、膜の厚さに起因して
配向層の表面が凹凸になり、配向欠陥と呼ばれる表示不
良の発生を招く。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の技
術に係る液晶表示素子においては、アクティブ素子基板
側にカラーフィルタおよびブラックマトリックスを設け
た場合には、アクティブ素子基板上の隣接する画素電極
間を電気的に短絡させてしまい、表示不良が発生すると
いう問題があった。

【００１３】また、対向基板側にカラーフィルタおよび
ブラックマトリックスを設けた場合では、この対向基板
とアクティブ素子基板とのアライメントが容易ではな
く、またそのようなアライメントを行なうことはできた
としても、ブラックマトリックスの遮光する面積を大き
めに取らねばならず、表示画面の明度が低下して表示品
質の低下を招くという問題があった。

【００１４】また、ブラックマトリックスとして黒色レ
ジストを用いたものの場合、光学濃度が比較的に小さい
のでブラックマトリックスの膜厚を厚くせねばならず、
これに起因して配向層の表面が凹凸になって配向欠陥と
呼ばれる表示不良の発生を招くという問題があった。

【００１５】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたもので、その目的は、アクティブ素子基板上
の隣接する画素電極間での電気的な短絡あるいはクロス
トークに起因して表示不良が発生することなく、かつ表
示画面の明度が低下して表示品質の低下を招くこともな
く、また配向欠陥と呼ばれる表示不良の発生もない、高
品位な画像表示を実現するブラックマトリックスを具備
する液晶表示素子を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、上記の課題を解決するために、透明絶縁基板上に、
透明画素電極と、遮光用ブラックマトリックスと、カラ
ーフィルタとを有する液晶表示素子において、前記遮光
用ブラックマトリックスが、電気絶縁性の金属酸化物と
有機樹脂との組成物からなることを特徴としている。

【００１７】なお、前記の電気絶縁性の組成物に含まれ
る金属酸化物としては、黒色顔料としてＣｏＯ、Ｎｉ
Ｏ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＦｅＯ、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＴｉＯ、他の顔
料としてＦｅ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂などの電気絶縁性に優れ
た金属酸化物を、遮光用ブラックマトリックスの黒色で
かつ電気絶縁性にすぐれた顔料として用いる。そして前
記の金属酸化物からなる顔料を分散させる母材として
は、例えば電気絶縁性に優れた感光性ポリイミドのよう
なポリマーなどを用いる。

【００１８】また、前記の遮光用ブラックマトリックス
は、前記のような黒色顔料を用いれば、膜厚が 1.0μｍ
程度以下でも可視光領域の平均光学濃度を 1.0以上とす
ることができ、これにより十分な遮光性を有しかつ配向
欠陥を発生させないブラックマトリックスとすることが
できる。

【００１９】また、前記の遮光用ブラックマトリックス
の格子状のパターンに囲まれた部分に、各画素に対応す
るカラーフィルタの着色セルひとつひとつを配設しても
よい。即ち、カラーフィルタの隣り合う着色セルひとつ
ひとつが、前記の遮光用ブラックマトリックスによって
互いに分割された構造であるように、遮光用ブラックマ
トリックスおよびカラーフィルタを配設してもよい。

【００２０】

【作用】本発明の液晶表示素子の遮光用ブラックマトリ
ックスは、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＦｅＯ、Ｆｅ
₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＴｉＯ、ＴｉＯ₂などの電気絶縁
性に優れた金属酸化物を黒色でかつ電気絶縁性にすぐれ
た顔料として用いて感光性ポリイミドのような電気絶縁
性の高いポリマーなどの母材に分散してなる黒色組成物
からなるものである。このため、電気絶縁性に優れてい
る。従ってアクティブ素子基板側にこのようなブラック
マトリックスを設けても、アクティブ素子基板上の隣接
する画素電極間を電気的に短絡させ表示不良を発生させ
ることはない。

【００２１】そしてアクティブ素子基板側にブラックマ
トリックスを配設しているので、従来の液晶表示素子の
ような対向基板とアクティブ素子基板とのアライメント
の問題や、そのブラックマトリックスの遮光する面積を
大きめに取らねばならないことによる表示画面の明度の
低下に起因する表示品質の低下の問題が解消される。さ
らに、本発明の液晶表示素子の遮光用ブラックマトリッ
クスは、前述のように、ＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、
ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＴｉＯ、ＴｉＯ₂な
ど見かけの色が黒色の金属酸化物からなる顔料により着
色されているので、液晶表示素子パネルとして画像を表
示させる際にも、従来の金属クロムのような光が反射し
やすいブラックマトリックスによる光の反射で画像が見
辛くなるといった問題も解消される。

【００２２】また、上述のような黒色の金属酸化物から
なる顔料は遮光率（または隠蔽率）が比較的高いので、
従来の黒色レジストを用いたものと比べて薄い膜厚でそ
れ以上の遮光効果を実現することができる。これによ
り、ブラックマトリックスが厚いことに起因して発生す
る配向欠陥の問題も解消することができる。

【００２３】本発明の液晶表示素子は、こうして良好な
表示品質の画像を実現することができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、そのブラックマ
トリックスを中心に図面に基づいて詳細に説明する。

【００２５】図１は本発明の液晶表示素子を示す平面
図、図２はその断面図である。

【００２６】本発明の液晶表示素子は、カラーフィルタ
３および対向電極５等を有する対向基板９と、ＴＦＴ素
子１７、画素電極１９、ブラックマトリックス２１等を
有し前記の対向基板９と対向するように配設されるＴＦ
Ｔ素子アレイ基板（以下、ＴＦＴ基板と略称）２７と、
これら 2枚の基板間隙に挟持される液晶組成物２９とか
らその主要部が構成されている。

【００２７】対向基板９は、ガラス基板１上に、Ｒ
（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の 3色の着色セルを配列し
てなるカラーフィルタ３と、このカラーフィルタ３の上
層にＴＦＴ基板２７の画素電極１９と対向するように配
設された対向電極５と、この対向電極５およびカラーフ
ィルタ３が配設された面とは反対側の面、即ちガラス基
板１の表示側の面上に貼設された偏光板７とを有してい
る。

【００２８】一方、ＴＦＴ基板２７は、ガラス基板１１
上に配設された、Ａｌ（アルミニウム）やＩＴＯ（透明
電極）のような導電性の材料からなる走査線１３および
信号線１５と、この走査線１３と信号線１５との交差部
分に配設され電気的に接続されるＴＦＴ素子１７と、こ
のＴＦＴ素子１７に接続されるマトリックス状に配列さ
れた画素電極１９と、図１に示すように隣接する画素電
極１９間の間隙を覆って前記の走査線１３、信号線１
５、ＴＦＴ素子１７、画素電極１９の周辺部分を遮光す
るように配設されたブラックマトリックス２１とを有し
ている。さらにブラックマトリックス２１の上にＴＦＴ
基板２７で対向基板９側全面を覆うように配設された液
晶配向制御膜２３を有している。この液晶配向制御膜２
３の材質としてはポリイミド、ポリアミド、ポリビニー
ルアルコール等を用いる。また、画素電極１９およびＴ
ＦＴ素子１７等が配設された面とは反対側の面、即ちガ
ラス基板１１の光源側の面上には偏光板２５が貼設され
ている。そしてＴＦＴ基板２７の偏光板２５側外部に
は、この液晶表示素子のバックライトとして光源（図示
省略）が配設される。

【００２９】液晶組成物２９は、前記の対向基板９とＴ
ＦＴ基板２７との間隙（セルギャップ）に挟持される液
晶であって、その組成は一般的なＴＮ（ツイストネマテ
ィック）型のものである。

【００３０】このような本発明の液晶表示素子のブラッ
クマトリックス２１は、電気絶縁性に優れた金属酸化物
を電気絶縁性にすぐれた顔料として用いて、感光性ポリ
イミドや熱硬化性ポリイミドのような電気絶縁性の高い
ポリマーなどの母材に分散してなる組成物として用いた
ものである。

【００３１】即ち、本発明の液晶表示素子のブラックマ
トリックス２１は、顔料としてＣｏＯ、ＮｉＯ、Ｂｉ₂
Ｏ₃、ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＴｉＯ、Ｔｉ
Ｏ₂などの電気絶縁性にすぐれた金属酸化物を母材に対
して20〜40部添加し、稀釈剤を加えて粘度を調整し着色
レジストとしてスピンコータのような塗布機でガラス基
板１１上に均一な膜厚の膜として塗布し、フォトリソグ
ラフィー技術によりパターンニングし、 150度以上の熱
処理を施して永久レジストとした後、酸素プラズマ中で
ドライエッチングして各コーナー部分をテーパー処理し
てなるものである。形状としては、隣接する画素電極１
９間の間隙を覆って前記の走査線１３、信号線１５、Ｔ
ＦＴ素子１７、画素電極１９の周辺部分を遮光するよう
に配設されている。本実施例では、前記の金属酸化物と
してルチル型のＴｉＯ₂を用いて、これを熱硬化性ポリ
イミドからなる母材に対して30部添加し、スピンコータ
でガラス基板１１上に均一な膜厚の膜として塗布した後
エッチングによりパターンニングして、膜厚 0.9μｍの
ブラックマトリックス２１を形成した。このとき、光学
濃度は 3程度となり、遮光用ブラックマトリックスとし
ては十分なものとなった。

【００３２】このようなブラックマトリックス２１は、
顔料および母材ともに電気絶縁性に優れているので、そ
の電気抵抗値は10¹²Ω／ｃｍ以上であり、これをＴＦＴ
基板２７側に設けてもＴＦＴ基板２７上の隣接する画素
電極１９間を電気的に短絡させ表示不良を発生させるこ
とはない。従ってこのようなブラックマトリックス２１
をＴＦＴ基板２７側に支障なく設けることができる。

【００３３】また、このようにしてＴＦＴ基板２７側に
ブラックマトリックス２１を配設しているので、従来の
液晶表示素子においては困難だった対向基板９とＴＦＴ
基板２７との高精度のアライメントに起因する製造工程
の煩雑さや歩留まりの低さの問題を解消することがてき
る。

【００３４】具体的には、前記の 2枚の基板のアライメ
ント精度は、従来技術の場合、画素電極のピッチが例え
ば 200μｍのときで 3〜 7μｍ程度だが、本発明によれ
ばその半分程度以下のアライメント精度でよい。

【００３５】また、従来のブラックマトリックスを対向
基板側に設けた液晶表示素子においては、前記のアライ
メント精度の補償および斜方向から入射してＴＦＴ素子
に照射しその誤動作の原因となる光を遮断するために、
それらのためのマージンを考慮に入れて、ブラックマト
リックスによって遮光する面積を大きめに取らねばなら
なかった。このことはブラックマトリックスにより規定
される画素電極の開口率が小さくなることを意味してお
り、表示画面の明度が低下し表示品質の低下を招くとい
う問題があった。しかし本発明に係るブラックマトリッ
クス２１は前記のようにＴＦＴ基板２７側に設けられて
いるので、画素電極１９の開口率を従来のものよりも大
きく取ることができる。

【００３６】具体的には、従来のものでは画素電極の開
口率は35〜40％程度であったが、本発明の液晶表示素子
の画素電極１９およびブラックマトリックス２１の場
合、その開口率は40〜55％であり、従来よりも 5〜10％
程度も高いものとすることができた。

【００３７】また、上述のような黒色の金属酸化物から
なる顔料は、遮光率（または隠蔽率）が比較的高いの
で、従来の黒色レジストを永久レジストのように用いた
ものと比べて薄い膜厚でそれ以上の遮光効果を実現する
ことができる。これにより、ブラックマトリックスが厚
いことに起因して発生する配向欠陥の問題も解消するこ
とができる。

【００３８】具体的には、従来の技術に係る黒色レジス
トを用いたブラックマトリックスにおいては、十分な遮
光性を得るためにその膜厚を1.5 〜2.0 μｍ程度として
いたが、本発明に係るブラックマトリックス２１の膜厚
は0.6 〜1.0 μｍ程度で十分な遮光性を得ることができ
る。これは、前記のＴｉＯ₂やＦｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄
などの金属酸化物からなる顔料の遮光率が従来の技術に
係る黒色レジストに用いられる黒色染料などの遮光率と
比べて 2〜 4倍の値を有しており、液晶表示素子の遮光
膜として必要な可視光領域での平均光学濃度1.0 以上を
達成するためには、その膜厚が0.6 〜1.0 μｍ程度であ
れば十分だからである。

【００３９】さらに、本発明の液晶表示素子のブラック
マトリックス２１は、前述のように、ＣｏＯ、ＮｉＯ、
Ｂｉ₂Ｏ₃、ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｔｉ
Ｏ、ＴｉＯ₂など見かけの色が目立たない金属酸化物か
らなる顔料により着色されているので、液晶表示素子パ
ネルとして画像を表示させる際にも、従来の金属クロム
を用いたようなブラックマトリックスが外部の光を受け
て反射し画像が見辛くなるといった問題も解消すること
ができる。

【００４０】なお、黒色でかつ電気絶縁性にすぐれた顔
料としては、上記のような見かけの色が黒色のＣｏＯ、
ＮｉＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＦｅＯ、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＴｉＯなど
の金属酸化物からなる顔料のみには限定しない。

【００４１】また、本実施例はアクティブマトリックス
型の液晶表示素子の場合を例示したが、本発明はこれの
みには限定しない。単純マトリックス型の液晶表示素子
についても、同様の効果を得ることができる。ただしそ
の場合、ブラックマトリックス２１は、Ｘ電極とＹ電極
とが対面することで構成される画素部分を避けるような
パターンに配設する。

【００４２】また、本実施例においては、カラーフィル
タ３は前記のブラックマトリックス２１の格子状のパタ
ーンに囲まれた部分に、各画素に対応する着色セルひと
つひとつを配設してもよい。即ち、カラーフィルタ３の
隣り合う着色セルひとつひとつが、前記のブラックマト
リックス２１によって互いに分割された構造となるよう
にブラックマトリックス２１およびカラーフィルタ３を
配設してもよい。

【００４３】このような構造にすることによって、画素
電極１９の直上にカラーフィルタ３を配設して画像の表
示品位を向上させたときに、もしこのカラーフィルタ３
の電気抵抗値が低い場合でも、隣り合う画素電極１９間
でのカラーフィルタ３に起因した電気的短絡の発生を抑
えることができる。電気絶縁性の高いブラックマトリッ
クス２１によって、カラーフィルタ３は電気的にも各着
色セルごとに分割されているからである。

【００４４】

【発明の効果】以上、詳細な説明で明らかなように、本
発明の液晶表示素子は、ＴＦＴ基板上の隣り合う画素電
極間での電気的な短絡あるいはクロストークに起因した
表示不良が発生することなく、かつ表示画面の明度の低
下により表示品質の低下を招くこともなく、また配向欠
陥と呼ばれる表示不良の発生の抑止した、高い表示品位
の画像表示を実現する液晶表示素子である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示素子の平面図。

【図２】本発明の液晶表示素子の断面図。

【符号の説明】

１、１１…ガラス基板３…カラーフィルタ５…対向電極７、２５…偏光板９…対向基板１３…走査線１５…信号線１７…ＴＦＴ素子１９…画素電極２１…ブラックマトリックス２３…液晶配向制御膜２７…ＴＦＴ基板２９…液晶組成物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茨木伸樹神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明絶縁基板上に、透明画素電極と、遮
光用ブラックマトリックスと、カラーフィルタとを有す
る液晶表示素子において、前記遮光用ブラックマトリックスが、電気絶縁性の金属
酸化物と有機樹脂との組成物からなることを特徴とする
液晶表示素子。