JPH1073716A

JPH1073716A - 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: JPH1073716A
Application number: JP24854496A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ido; 英夫井戸; Shinichi Yamada; 申一山田; Tetsuya Goto; 哲哉後藤
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1996-08-31
Filing date: 1996-08-31
Publication date: 1998-03-17

Abstract

(57)【要約】【課題】十分なセルギャップを実現し、かつカラーフ
ィルタのスペーサーの高さバラツキに起因する表示不良
（セルギャップムラ）の可能性を回避することができる
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原色のそれぞれの
着色層を設けたカラーフィルターにおいて、（Ａ）前記
ブラックマトリックス上の一部に３原色のそれぞれの着
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、（Ｂ）前記ブラックマトリックス及び該ブラック
マトリックス上に設けられたドット状スペーサーのカラ
ーフィルタ基板平面の法線方向の長さＨのカラーフィル
タ画面内のバラツキが０．６μｍ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、スペーサー機能を
有す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】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。

【０００３】特開昭５６−１４０３２４、特開昭６３−
８２４０５、特開平４−９３９２４、特開平５−１９６
９４６には、カラーフィルタを形成する着色層を重ね合
わせた構造をスペーサーとして用いた液晶表示装置が提
案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００５】プラスチックビーズ等のスぺーサーを散布
して使用する液晶表示素子には、この他にも下記の問題
がある。すなわち、スぺーサーが、球状あるいは棒状の
形状であり、セル圧着時に点又は線で接触するために、
配向膜や透明電極が破損し、表示欠陥が発生しやすいと
いう欠点がある。さらに配向膜や透明電極の破損によ
り、液晶が汚染され、液晶に印加される実効電圧が低下
しやすいという欠点もある。

【０００６】また、スペーサーを均一に散布する工程が
必要であったり、あるいはスペーサーの粒度分布を高精
度に管理することが必要であることから、簡便な方法で
安定した表示品位の液晶表示素子を得ることが難しい。

【０００７】これらの問題点に対して、特開昭５６−１
４０３２４、特開昭６３−８２４０５、特開平４−９３
９２４、特開平５−１９６９４６では、２色あるいは３
色の着色層を重ね合わせた構造をスペーサーとして用い
ることが提案されている。これら開示技術で実際に得ら
れる液晶層の厚み（セルギャップ）は、着色層の１層あ
るいは２層分の厚みとなり、十分なセルギャップを持っ
た液晶表示素子を得ることが難しく、また、着色層の１
層あるいは２層分の厚みでセルギャップを保持できたと
しても着色層の厚膜化に伴う、例えば、カラーフィルタ
ー上に形成されるＩＴＯ膜の耐久性の低下等が起き、満
足な信頼性を有する液晶表示装置が得られにくい。

【０００８】さらに、各着色層を積層してドット状スペ
ーサーとするために特に２層目、３層目を形成する塗料
は、ある程度以上の粘度や耐レベリング性を持つ必要が
ある。これは１層目、１＋２層積層により設けた土台の
上に塗布された、スペーサーとなるべき塗膜が周辺部に
流れ込むレベリングにより他の部分よりも薄くなるのを
防ぐためである。しかしながら、高粘度でレベリングし
にくい塗料を用いることはカラーフィルター画面内の膜
厚均一性を損ない、着色層の高さバラツを生じる。着色
層を積層したドット状スペーサーの高さが直接セルギャ
ップを決定するために、該ドット状スペーサーの高さの
バラツキは、セルギャプムラとして液晶表示装置とした
時の表示品位を著しく損なう可能性が高い。

【０００９】従来、カラーフィルタの着色層を形成する
ためには、通常、スピナー（スピンコーター）が用いら
れている。しかしながら、塗膜形成にスピナーのように
原理的に回転中心部が厚膜になり易いといった、膜厚不
均一分布に一定の傾向を持った方式を採用すると、２な
いし４層を積層した場合にその不均一さが強調される結
果となり特に不都合である。このような不都合は、一枚
のガラス基板に多数枚のカラーフィルタを作製する設計
（多面取り）であっても同様である。

【００１０】本発明は、前記の問題点に鑑み、十分なセ
ルギャップを実現し、かつカラーフィルタのスペーサー
の高さバラツキに起因する表示不良（セルギャップム
ラ）の可能性を回避して、前記した従来の欠点を克服す
ることができるカラーフィルタ及びそれを用いたカラー
液晶表示素子を提供することを目的とする。

【００１１】

【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、ブラックマトリックス及びその上に形成され
る３層の着色層からなるスペーサーの高さ（計４層の合
計高さ）のカラーフィルタ画面内バラツキを所定の値以
下に抑えることにより、上記スペーサーの高さバラツキ
に起因する表示不良（セルギャップムラ）を回避できる
ことを見出し、本発明を完成した。

【００１２】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原色のそれぞれの着色層を設けたカラーフィルターに
おいて、（Ａ）前記ブラックマトリックス上の一部に３
原色のそれぞれの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、（Ｂ）前記ブラックマトリッ
クス及び該ブラックマトリックス上に設けられたドット
状スペーサーのカラーフィルタ基板平面の法線方向の長
さＨのカラーフィルタ画面内のバラツキが０．６μｍ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。
さらにまた、本発明は、透明電極を有する一対の透明基
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。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明のカラーフィルタは、透明
基板上にブラックマトリックスを設け、さらにその上に
３原色から成る各着色層を複数配列したものである。ブ
ラックマトリックスとしては、樹脂及び遮光剤から成る
樹脂ブラックマトリックスが好ましい。カラーフィルタ
ーは３原色から成る各着色層により被覆された画素を一
絵素とし、多数の絵素により構成されている。ここで言
う、ブラックマトリックスは、各画素間に配列された遮
光領域を示し、液晶表示装置の表示コントラストを向上
させるために設けられる。

【００１４】カラーフィルター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。

【００１５】この透明基板上にブラックマトリックスが
設けられる。ブラックマトリックスは、クロム等の金属
又はそれらの酸化物等で形成してもよいが、樹脂及び遮
光剤から成る樹脂ブラックマトリックスを形成すること
が製造コストや廃棄物処理コストの面から好ましい。こ
の場合、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。

【００１６】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。

【００１７】

【化１】

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。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が、カラーフィルタの構
造が複雑になり、製造コストが高くなる点では不利であ
る。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】上記のように樹脂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色目の着色パターンを形成する。
この場合、樹脂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によりスペーサーを形成する
部分に着色層を残す。第２色目、第３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３層の着色層が
残るように着色層を形成する。開口部上の着色層とスペ
ーサーを形成する着色層とは連続していても、また、分
離されていても差し支えない。ただし、カラーフィルタ
上に形成するＩＴＯ膜を開口部上の着色層とスペーサー
間で断線させ、カラーフィルタ側と対向基板との導通を
防止する場合は、開口部上の着色層とスペーサーを形成
する着色層とは分離・分画されている方が好ましい。

【００３８】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。

【００３９】３原色の膜厚は、特に限定されないが、１
層当たり１〜３μｍ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３〜９μｍとなる。合
計膜圧が３μｍよりも小さい場合には、十分なセルギャ
ップが得られず、また、９μｍ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。

【００４０】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。

【００４１】本発明において、各着色層を積層してドッ
ト状スペーサーとするために特に２層目、３層目を形成
する塗料は、ある程度以上の粘度や耐レベリング性（例
えば1.0 x 10^-2〜5 x 10^-4 Pa 程度の降伏値）を持つ。
これは１層目、１＋２層積層により設けた土台の上に塗
布された、スペーサーとなるべき塗膜が周辺部に流れ込
むレベリングにより他の部分よりも薄くなるのを防ぐた
めである。顔料の分散性等の観点から塗料の物性として
十分な耐レベリング性を確保できない場合には、これに
代るあるいはこれを補助する手段として着色層の塗布直
後に減圧乾燥を施し、流動性を喪失せしめて後にホット
プレート等の均一加熱手段を用いて塗布液の加熱硬化を
行ってもよい。

【００４２】しかしながら、一方、高粘度でレベリング
しにくい塗料を用いることや、減圧乾燥等塗液の流動を
抑える条件で加工することは、塗布直後の膜厚パターン
をスペーサー高さとしてそのまま継承するためにスピナ
ーのように塗膜形成の原理的に回転中心部が厚膜になり
易いといった膜厚不均一分布に一定の傾向を持った方式
を採用する場合には、２ないし４層を積層した場合にそ
の不均一さが強調される結果となり特に不都合である。
すなわち、カラーフィルタ画面内の着色層の高さバラツ
キよりも着色層を積層したドット状スペーサーの高さバ
ラツキの方がより強調されるものと考えられる。このド
ット状スペーサー高さが直接セルギャップを決定するた
めに、該ドット状スペーサーの高さのより大きなバラツ
キはセルギャップムラとして液晶表示装置とした時の表
示品位を著しく損なう可能性が高い。

【００４３】このセルギャップムラを回避すべく、本発
明では、ブラックマトリックス及びその上に形成される
３層の着色層から成るスペーサーの、カラーフィルタ基
板平面の法線方向の長さＨ（すなわち、ブラックマトリ
ックス及び３層の着色層の高さ（計４層の合計高さ））
のカラーフィルタ画面内バラツキが０．６μｍ以下であ
り、好ましくは０．３μｍ以下である。ここで、Ｈは触
針式などの接触式或はレーザー顕微鏡などの非接触式の
表面形状測定装置等でガラス基板表面からの段差として
測定される。これをカラーフィルタ画面内各点で測定し
その値の最大値と最小値の差を以て面内バラツキを評価
する。このような特徴を具備したカラーフィルターを用
いた液晶表示装置は、セルギャップムラに起因する表示
ムラのない液晶表示装置となる。

【００４４】本発明で規定するようにスペーサー高さの
カラーフィルタ画面内バラツキの小さくするためには、
ブラックマトリックス及び各着色層を塗布する手段とし
て、前述の塗布手段のうち、スリットダイコータ、バー
コータ、ロールコータ等、膜厚の不均一さに原理的に一
定の傾向を持たない方式を採用する。そうすると、下記
実施例において具体的に示すように、塗布される各層の
厚さの不均一さは避け切れないものの、１層塗布の場合
の膜厚分布の不均一さを２層目以降の塗布により補償す
るようにすることで、（単層塗布膜ｘ積層数）よりも小
さくできる。このことにより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
ット状スペーサーの面内のバラツキを極小に制御するこ
とが可能となる。これにより十分なセルギャップを実現
し、かつ、カラーフィルターのスペーサーの高さバラツ
キに起因する表示不良（セルギャップムラ）の可能性を
回避して、良好な表示特性を有した液晶表示素子を提供
することができる。

【００４５】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。カラーフィルター側に透明電
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。

【００４６】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。

【００４７】

【実施例】以下、好ましい実施例に基づいて本発明をさ
らに詳しく説明するが、下記実施例によって本発明の効
力は何ら制限されるものではない。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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

【００５１】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。ガラス基板中央にカラーフィルタ中央が重なる一
面のカラーフィルタが設計されたパターンのものであ
る。

【００５２】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。

【００５３】(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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】さらに水洗後に、同様にして緑色画素の形
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。

【００５７】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。

【００５８】ブラックマトリックス及び各着色層のパタ
ーン加工前の膜厚プロフィールを図２に示す。これはカ
ラーフィルタ基板の中央部分を含む対角線上の各点のガ
ラス基板表面からの段差をＦＰ−２０（ｔｅｎｃｏｒ社
製表面形状測定装置）により測定し、塗膜の膜厚・ド
ット状スペーサー高さとしてプロットした。それぞれ塗
膜層の膜厚プロフィールは、微妙に面内でばらついてい
るがその傾向は一定ではないために、図３に示すように
４層を積層したドット状スペーサーの高さ分布は、各塗
膜層で補完し合って単層のベタ膜の膜厚バラツキの４倍
よりも小さなバラツキの範囲となっている。面内のブラ
ックマトリックス及びドット状スペーサーのカラーフィ
ルタ基板平面の法線方向の長さ（４層の合計高さ、以
下、「４色高さ」ということがある）Ｈのカラーフィル
ター画面内バラツキは０．２６μｍであった。

【００５９】(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素子を備えた透明電極基板を以下のように
作製した。

【００６０】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）上にクロムを真空状着
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ＳｉＮ
ｘ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。

【００６１】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。

【００６２】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、注入口を液晶層に浸漬し、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。

【００６３】比較例１各塗膜層の塗布をスリットダイに代えてスピナーを用い
る以外は実施例１と同様にして液晶表示装置を作製し
た。このときのブラックマトリックス及び各着色層のパ
ターン加工前の膜厚プロフィールを図４に示すカラーフ
ィルタ基板の中央部分を含む対角線状の膜厚をプロット
した。塗布液の物性と連関して、スピナー特有の中央部
分が原理的に厚くなる傾向が見てとれる。それぞれの塗
膜層の膜厚プロフィールが上述のように一定の傾向を有
しているために、図５に示すように４層を積層した時に
はこの傾向がさらに強調される結果となり、画面内の高
さバラツキは大きなものとなる。画面内のドット状スペ
ーサーのカラーフィルタ基板平面の法線方向の長さ（４
色高さ）Ｈのカラーフィルター画面内バラツキは０．６
５μｍであった。得られた液晶表示素子は、セルギャッ
プムラに起因する表示のムラが観察された。

【００６４】

【発明の効果】本発明のカラーフィルタは、着色層の積
層により形成されたスペーサーを樹脂ブラックマトリッ
クス上に設けたものであり、該ブラックマトリックス上
のドット状スペーサーのカラーフィルタ基板平面の法線
方向の長さ（４色高さ）Ｈの面内のバラツキが０．６μ
ｍ以下であることを特徴とするカラーフィルタである。
これ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。

【００６５】(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
ップを持った液晶表示素子が得られる。 (6) スペーサーはブラックマトリックス上に設けたもの
であり、該ブラックマトリックス上のドット状スペーサ
ーの高さの面内バラツキが小さいことにより、セルギャ
プムラに起因する表示ムラのない液晶表示装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】実施例１で作製したカラーフィルタのブラック
マトリックス、各着色層のベタ膜の膜厚プロフィールで
ある。

【図３】実施例１で作製したカラーフィルタのブラック
マトリックス＋３色着色層のドット状スペーサーの高さ
分布を示す図である。

【図４】比較例１で作製したカラーフィルタのブラック
マトリックス、各着色層のベタ膜の膜厚プロフィールで
ある。

【図５】比較例１で作製したカラーフィルタのブラック
マトリックス＋３色着色層のドット状スペーサーの高さ
分布を示す図である。

【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）１４クロムブラックマトリックス１５保護膜

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原色のそれぞれの
着色層を設けたカラーフィルターにおいて、（Ａ）前記
ブラックマトリックス上の一部に３原色のそれぞれの着
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、（Ｂ）前記ブラックマトリックス及び該ブラック
マトリックス上に設けられたドット状スペーサーのカラ
ーフィルタ基板平面の法線方向の長さＨのカラーフィル
タ画面内のバラツキが０．６μｍ以下であることを特徴
とするカラーフィルタ。
【請求項２】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記載のカラ
ーフィルタ。
【請求項３】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又は２記載のカラーフィルタ。
【請求項４】透明電極を有する一対の透明基板と、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３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。