JPH0971733A - ブラックマトリックス用カーボンブラック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高遮光率で、表面反射率が低く、膜厚の小さ
いブラックマトリックスを提供しうるブラックマトリッ
クス用カーボンブラックを得る。 【構成】 カーボンブラックを樹脂で被覆処理してな
り、ＮａとＣａの合計含有量が１００ｐｐｍ以下である
ブラックマトリックス用カーボンブラック。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラックマトリックス
用カーボンブラックに関し、さらに詳しくはたとえばカ
ラーテレビ、液晶カラーテレビ、カメラ等に使用される
光学的カラーフィルターに用いるブラックマトリックス
用のカーボンブラックに関する。

【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程度に間隔を設け
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て透明部分と不透明
部分を形成し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、透明電極への印加電圧の調整によっ
て液晶の光の透過を制御してＲ，Ｇ，Ｂの３色のフィル
ターを透過する光量を制御して３原色の加色による発色
によってカラー表示を行っている。

【０００３】Ｒ，Ｇ，Ｂの着色層は、あらかじめ各色の
間を区画するブラックマトリックスの膜を設けた基板上
に形成する方式や、Ｒ，Ｇ，Ｂを形成後ブラックマトリ
ックス膜を設ける方法等種々あるが、ブラックマトリッ
クスの役割としては、いずれもＲ，Ｇ，Ｂ三原色を区画
すると共に、カラーフィルターに対向する基板上に設け
た液晶の駆動用の電極あるいはＴＦＴ（薄膜トランジス
タ）等のトランジスタを遮光する作用を果している。こ
のような目的で使用されるカラーフィルターのブラック
マトリックスは二つに大別することができる。

【０００４】（１）フォトリソグラフィー法より加工し
たＣｒ等の金属膜からなるブラックマトリックス：解像
度、および遮光率が高く、光学濃度（ＯＤ）３．０以上
が膜厚０．１μｍ近辺で容易に得られるが、金属膜のた
め可視光の反射率が約４０％と高く、外光の反射による
表示画像のコントラスト低下や、周囲にある明るい物体
がブラックマトリックス面で反射して表示画像に重な
る、いわゆる写り込みが生じ画質の低下を来たしやす
い。また、Ｃｒ膜のスパッタ、フォトリソグラフィー加
工と工程が長いので低コスト化が困難であるという難点
もある。

【０００５】（２）黒色顔料を分散した有機樹脂膜をフ
ォトリソグラフィー法、印刷法、あるいはフォトエッチ
ング法でパターニングするか、または、感光性樹脂膜を
パターニングした後、黒色染料で染色して得られる黒色
有機樹脂膜からなるブラックマトリックス、黒色である
ため可視光の反射率が数％以下と低く、外光の反射によ
る表示画像のコントラスト低下や、周囲にある明るい物
体の写り込みが金属膜ブラックマトリックスに比べ大幅
に減少し、画質が向上する。しかし、遮光率が低いとい
う難点がある。すなわち、フォトリソグラフィー法では
遮光率を上げると、基板との界面に到達する露光光量が
減少するため、高遮光率とすると（例えば光学濃度３．
０では基板に到達する透過光量は１／１０００）、現像
時に有機樹脂膜のパターン剥がれが生じ、ブラックマト
リックスが形成できなくなる。これを避けるため露光量
を増やすと、パターン寸法の太りが生じ、所定の解像度
が実現できなくなりやすい。また、印刷法やフォトエッ
チング法ではフォトリソグラフィー法に比べ制約はやや
ゆるいが、黒色着色材の含有量に限界があるので、高遮
光率とすると印刷時の膜厚が大となり（例えば膜厚１．
０μｍで光学濃度２．０の場合、光学濃度を３．０に上
げると膜厚は３．３μｍになる）、本質的にフォトリソ
グラフィー法に比べて劣る解像度が、さらに大幅に低下
し、実質的にブラックマトリックスが形成できなくなる
おそれがある。

【０００６】一般に黒色有機樹脂膜からなるブラックマ
トリックスは、金属膜からなるブラックマトリックスに
比べ光学濃度２．０〜２．５において膜厚が１〜２μｍ
と厚いが、膜厚１．５μｍを超えると、その上にカラー
フィルターや保護膜および透明電極を形成して完成した
基板の表面平坦度が０．５μｍを超えるようになり、対
向電極基板と組み合せて液晶表示パネルとした場合、色
むら、白しみ、輝度むら等が発生し、表示画質が低下す
る。したがって、ブラックマトリックスの膜厚は１μｍ
以下好ましくは０．５μｍ以下とすることが極めて重要
である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
観点に基づいて、従来法では実現できなかった高遮光率
でかつ表面反射率が低く膜厚小の黒色遮光膜からなるブ
ラックマトリックスを有するカラーフィルターに好適な
カーボンブラックを低コストで提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、カーボンブラ
ックを樹脂で被覆処理してなり、ＮａとＣａの合計含有
量が１００ｐｐｍ以下であるブラックマトリックス用カ
ーボンブラックを要旨とする。以下、本発明を詳細に説
明する。まず、本発明において樹脂を被覆処理するカー
ボンブラックとしては特に限定されないが、好適には次
のようなカーボンブラックが用いられる。

【０００９】（ｉ）ＮａとＣａの合計含有量が１００ｐ
ｐｍ以下であることが好ましい。樹脂で被覆処理したカ
ーボンブラックにおけるＮａとＣａの合計含有量が１０
０ｐｐｍ以下であることが必要だからであるが、被覆に
供するカーボンブラックの上記含有量が１００ｐｐｍよ
りも大きくて、そのままでは被覆カーボンブラック中で
も１００ｐｐｍを超える場合であっても、おそくとも樹
脂の被覆時に低下させる方法を採ることができる。 カーボンブラックは、通常製造時の原料油や燃焼油（又
はガス）、反応停止水や造粒水、更には反応炉の炉材等
から混入したＮａや、Ｃａ，Ｋ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｆｅ等を
組成とする灰分がパーセントのオーダーで含有されてい
る。この内、ＮａやＣａは、各々数百ｐｐｍ以上含有さ
れているのが一般的であるが、これらが多く存在する
と、透明電極（ＩＴＯ）やその他の電極に浸透し、電気
的短絡の原因となる。

【００１０】これらのＮａやＣａを含む灰分の含有量を
低減する方法としては、カーボンブラックを製造する際
の原料油や燃料油（又はガス）並びに反応停止水とし
て、これらの含有量が極力少ない物を厳選すること及び
ストラクチャーを調整するアルカリ物質の添加量を極力
少なくすることにより可能である。他の方法としては、
炉から製出したカーボンブラックを水や塩酸等で洗いＮ
ａやＣａを溶解し除去する方法が挙げられる。

【００１１】具体的にはカーボンブラックを水又は塩
酸、過酸化水素水に混合分散させた後、水に難溶の溶媒
を添加していくとカーボンブラックは溶媒側に移行し、
水と完全に分離すると共にカーボンブラック中に存在し
た殆どのＮａやＣａは、水や酸に溶解、除去される。Ｎ
ａとＣａの合計量を１００ｐｐｍ以下に低減するために
は、原材料を厳選したカーボンブラック製造過程単独或
は水や酸溶解方式単独でも可能な場合もあるがこの両方
式を併用することにより更に容易に達成できる。

【００１２】（ii）ｐＨ６以下のいわゆる酸性カーボン
ブラックであることが好ましい。水中での分散径（アグ
ロミレート径）が小さくなるので、微細ユニットまでの
被覆が可能となり好適である。 （iii ）粒子径４０ｎｍ以下、ジブチルフタレート（Ｄ
ＢＰ）吸収量１４０ｍｌ／１００ｇ以下であることが好
ましい。 粒子径が４０ｎｍより大きく、ＤＢＰ吸収量が１４０ｍ
ｌ／１００ｇより大きいと、ペーストにした場合の分散
性には優れるが、塗膜の濃度感が十分でなく、膜厚１〜
２μｍ程度では遮光性に乏しくなるおそれがあるからで
ある。被覆処理する樹脂の種類も特に限定されるもので
はないが、合成樹脂が一般的であり、さらに構造の中に
ベンゼン核を有した樹脂の方が両性系活面活性剤的な働
きがより強いため分散性及び分散安定性の点から好まし
い。

【００１３】具体的な合成樹脂としては、フェノール樹
脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、ジアリルフタレート
樹脂、グリプタル樹脂、エポキシ樹脂、アルキルベンゼ
ン樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリスチレン、ポリカーボ
ネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテ
レフタレート、変性ポリフェニレンオキサイド、ポリス
ルフォン、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、ポリ
アミドイミド、ポリイミド、ポリアミノビスマレイミ
ド、ポリエーテルスルフォポリフェニレンスルフォン、
ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、等の熱
可塑性樹脂が使用できる。カーボンブラックに対する樹
脂の被覆量は、カーボンブラックと樹脂の合計量に対し
１〜３０ｗｔ％が好ましく、１ｗｔ％未満の量では、未
処理のカーボンブラックと同様の分散性や分散安定性し
か得られないおそれがある。一方、３０ｗｔ％を超える
と、樹脂同士の粘着性が強く、団子状の固まりとなり、
分散が進まなくなるおそれがある。

【００１４】このようにして樹脂で被覆処理してなるカ
ーボンブラックは、常法に従いブラックマトリックスの
遮光材として用いることができ、このブラックマトリッ
クスを構成要素とするカラーフィルターを常法により作
成することができる。本発明のカーボンブラックを用い
ると、高遮光率でかつ表面反射率が低くまた膜厚小のブ
ラックマトリックスが低コストで達成できる。ブラック
マトリックス液を構成する樹脂や溶媒に対し、カーボン
ブラックの分散性や分散安定性が格段に向上したためと
推測される（従来のカーボンブラックであると、いかに
混練しても０．１μｍ以下まで分散することは困難であ
り、分散したとしても安定性が悪く、時間とともに凝集
が大きくなる。）。また、カーボンブラック表面を樹脂
で被覆したことにより、ＣａやＮａをカーボンブラック
中に封じ込める働きもあることも推測される。

【００１５】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。 〔実施例−１〕カーボンブラックは、通常のオイルファ
ーネス法で製造した。但し、原料油としては、Ｎａ，Ｃ
ａ，Ｓ分量の少ないエチレンボトム油を用い、燃焼用に
はコークス炉ガスを用いた。更に、反応停止水として
は、イオン交換樹脂で処理した純水を用い製造した。得
られたカーボンブラック５４０ｇを純水１４５００ｇと
共にホモミキサーを用い５，０００〜６，０００ｒｐｍ
で３０分撹拌しスラリーを得た。このスラリーをスクリ
ュー型撹拌機付容器に移し約１，０００ｒｐｍで混合し
ながらエポキシ樹脂「エピコート８２８」６０ｇを溶解
したトルエン６００ｇを少量づつ添加していった。約１
５分で、水に分散していたカーボンブラックは全量トル
エン側に移行し約１ｍｍの粒となった。

【００１６】次に、６０メッシュ金網で水切りを行った
後真空乾燥機に入れ７０℃で７時間乾燥し、トルエンと
水を完全に除去した。得られたカーボンブラック中の残
存トルエン量は１１０ｐｐｍ、水は、５００ｐｐｍであ
った。このカーボンブラックは、樹脂と溶剤、必要に応
じ分散剤を加え、ボールミル等で微細化しブラックマト
リックス評価用ペーストを作成した。すなわち、エチル
セロソルブの４０％液アルカリ可溶性高分子化合物（ア
トケミ（株）製、「ＳＭＡ−１７３５２」）３７．８％
とエチルセロソルブアセテート５４．１％を混合したワ
ニス中に上記カーボンブラック８．１％を加え１ｍｍ径
のガラスビーズを入れたサンドミルを用い、２，０００
ｒｐｍで１０時間混合分散させペーストを作成した。得
られたペーストは、中性洗剤と水、アルコールで洗浄し
た透明ガラス板上にスピンコーターを用い、２，０００
ｒｐｍで塗布し常温で３０分セッティングした後１２０
℃で１０分間乾燥した。乾燥後の塗膜厚さは、１．０μ
ｍであった。

【００１７】ここで用いたカーボンブラックの物性と得
られた塗膜の評価結果は、表−１と表−２に示した通り
である。表中のＯＤ（光学的濃度）値は、マクベス反射
濃度計「ＲＤ−９１４」（サカタインクス社販売）を用
い測定した。また、粉体抵抗は、前述のペーストを１５
０℃加熱減量が１．０％以下となるまで１２０℃で乾燥
し、ジューサーミキサーで１分間粉砕した後、直径２０
ｍｍ、内容積１１０ｍｌの「ポリ四フッ化エチレン製容
器（上下に金属電極有り）にサンプル２．０ｇを入れ５
０ｋｇ／ｃｍ² の圧力でプレスした状態の抵抗値であ
る。カーボンブラック中のＮａとＣａの定量は、２．０
ｇのカーボンブラックを７５０℃、空気雰囲気で焼成、
灰化した灰分に５Ｎ塩酸５０ｍｌを加え８０℃の水槽上
で３０分間加熱した後、１００ｍｌに定量希釈し原子吸
光装置「ジャーレルアッシュＡＡ−８５５型」で測定し
た。

【００１８】一方、ペーストの分散性は、ペーストをガ
ラス板上に約０．５ｍｍの厚さに塗布、乾燥した塗膜を
エポキシ樹脂で包埋した後、ウルトラミクロトームで約
８００Åの切片を切り出し、電子顕微鏡（５０００倍）
で観察した。評価は、肉眼で 殆ど０．１μｍ以下の凝集塊……◎ 殆ど０．１〜１μｍの凝集塊……○ 殆ど１μｍ以上の凝集塊…………△ の３レベルに分類した。

【００１９】〔実施例２及び３〕カーボンブラックに対
するエポキシ樹脂の被覆量を５ｗｔ％と２０ｗｔ％とし
た以外実施例１と同様である。 〔実施例４，５及び６〕カーボンブラックの種類を「三
菱カーボンブラック」“ＭＣＦ−８８”、“＃４５”及
び“＃３０”（いずれも三菱化学（株）製）とした以外
実施例１と同じである。 〔比較例１〕合成樹脂を被覆していないカーボンブラッ
クを用いた以外実施例１と同じである。 〔実施例７及び８〕粒子径の大きい「三菱カーボンブラ
ック」“＃１０”（三菱化学（株）製）やＤＢＰ吸収量
の大きい“＃３２５０Ｂ”（三菱化学（株）製）を用い
た以外実施例１と同じである。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】本発明のカーボンブラックによれば、高
遮光率で、表面反射率が低く、膜厚の小さいブラックマ
トリックスを低コストで達成しうる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カーボンブラックを樹脂で被覆処理して
   なり、ＮａとＣａの合計含有量が１００ｐｐｍ以下であ
   るブラックマトリックス用カーボンブラック。
2. 【請求項２】 カーボンブラックのｐＨが６以下である
   請求項１又は２記載のブラックマトリックス用カーボン
   ブラック。
3. 【請求項３】 樹脂が、構造の中にベンゼン核を有して
   いる請求項１又は２に記載のブラックマトリックス用カ
   ーボンブラック。
4. 【請求項４】 樹脂の被覆量が、カーボンブラックと樹
   脂の合計量に対し１〜３０ｗｔ％である請求項１〜３の
   いずれかに記載のブラックマトリックス用カーボンブラ
   ック。
5. 【請求項５】 ブラックマトリックスを有するカラーフ
   ィルターにおいて、樹脂で被覆してなり、ＮａとＣａの
   合計含有量が１００ｐｐｍ以下のカーボンブラックを遮
   光材としたブラックマトリックスを用いてなるカラーフ
   ィルター。