(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にブラックマトリックス、３色の着色層を有し、該着色層上には透明電極膜を積層した液晶表示装置に使用するカラーフィルターにおいて、ブラックマトリックス上に３色の着色層を積み重ねた部分を形成するとともに、３色の着色層を積み重ねた部分に透明電極膜を介して、液晶挟持間隔を保持するスペーサを形成したことを特徴とするカラーフィルター。
【請求項２】
基板上にブラックマトリックス、３色の着色層を有し、該着色層上には透明電極膜を積層したカラーフィルターであって、ブラックマトリックス上に３色の着色層を積み重ねた部分を形成するとともに、３色の着色層を積み重ねた部分に透明電極膜を介して、液晶挟持間隔を保持するスペーサを形成したカラーフィルターを有する液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、カラー液晶表示装置に関し、とくに液晶を挟持する基板の間隔の保持に特徴を有する液晶表示装置に関する。
【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程度のギャップ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ることによって形成される透明部分と不透明部分によっ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、液晶のシャッター作用によって３原色を加色して所望の色を表示している。
【０００３】
カラー液晶表示装置用のカラーフィルターは、透明基板、着色層、保護膜、透明導電膜という順に積層されており、ＲＧＢの三原色の位置に対向する電極あるいは薄膜トランジスタを形成した透明基板とを数μｍの間隔を保持し液晶物質を封入して液晶表示装置を形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カラー液晶表示装置には、液晶の駆動方法によって単純マトリックス方式とアクティブマトリックス方式があるが、最近ではパーソナルコンピュータなどの表示装置用には画質に優れ、それぞれの画素を確実に制御することが可能であり、また動作速度も速いアクティブマトリックス方式の採用が進められている。
【０００５】
アクティブマトリックス方式の液晶表示装置では各画素毎に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子をガラス基板上に形成し、各素子のスイッチング作用によって各画素の液晶のシャッター作用を制御している。これらの素子の対極には一様な透明電極が形成されている。
【０００６】
透明電極には、酸化錫、酸化インジウムおよびＩＴＯと称するこれらの複合酸化物が使用されている。透明電極の成膜方法には、蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の各種の方法があるが、カラーフィルターの透明電極の基体となる保護膜は合成樹脂で形成されているので保護膜の耐熱性の面から比較的低温での成膜が可能な方法が求められている。このためにカラーフィルター用の透明電極の製造にはスパッタリングが広く用いられている。
【０００７】
ＴＦＴを用いた液晶表示装置の断面構造を図４で示すが、液晶表示装置４１はカラーフィルター４２とＴＦＴを形成した対向基板４３とを所定の間隔を設けて対向させ、カラーフィルターとＴＦＴ基板はエポキシ樹脂等に補強用の繊維を混合したシール剤４４によって接合している。カラーフィルターとＴＦＴ基板で形成される空間には液晶４５が封入されているが、カラーフィルターとＴＦＴ基板との間隔を正確に保持しないと、液晶層の厚みの相違により液晶の旋光特性の差が生じて液晶が着色をしたり、あるいは色のむらが生じて正しく表示されなくなるという現象が生じるので、液晶にスペーサー４６と称する３μｍないし１０μｍの合成樹脂、ガラス、アルミナ等からなる粒子あるいは棒状体を多数混合し、液晶挟持間隔の保持を図っていた。
【０００８】
スペーサーとして１００個／ｍｍ2程度の大量の粒子を液晶に混合しているので、粘性の高い液晶と混合して挟持間隔内に注入した場合には、均一にスペーサーが分散せずに、スペーサーが一部にたまるという現象が生じることがある。
このような現象が生じると、スペーサーが集まった部分の表示品質が悪化し、また間隔の正確な保持の面でも問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記した問題点を解決する手段を検討した結果、液晶表示装置のカラーフィルターとこれに対向するＴＦＴ等の基板との間の間隔を正確に保持するために、液晶にスペーサーを混合せずに、カラーフィルターあるいはこれに対向する基板の少なくともいずれか一方の液晶の挟持領域に、両者の間隔を所定の間隔に保持するスペーサーを設けたものである。
【００１０】
本発明は、カラーフィルターあるいはカラーフィルターに対向するＴＦＴ等の基板上の液晶を挟持した領域すなわち表示面上にスペーサーを形成したものであり、スペーサーの材料には、各種の合成樹脂を使用することが可能であるが、とくに紫外線によって硬化する紫外線硬化性樹脂を利用するならば、塗布した樹脂層上にフォトレジストの層を形成しなくとも、紫外線硬化性樹脂の塗布層上に直接にフォトマスクを用いて紫外線によって露光した後に現像することによってスペーサーを形成することが可能となる。紫外線硬化性樹脂としては光重合性アクリレートオリゴマーと多官能光重合性アクリレートモノマーからなるものを用いることができる。光重合性アクリレートオリゴマーとしては、分子量１０００〜２０００程度のものが好ましく、ポリエステルアクリレートまたは、フェノールノボラックエポキシアクリレート、ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート等のエポキシアクリレートあるいは、ポリウレタンアクリレート、ポリエーテルアクリレート、オリゴマアクリレート、アルキドアクリレート、ポリオールアクリレート、メラミンアクリレート等をあげることができ、多官能光重合性アクリレートモノマーとしては、１，４ブタンジオールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート等が挙げられる。
【００１１】
さらに、上記のような光重合性アクリレートオリゴマーに多官能光重合性アクリレートモノマーを添加した光重合性の樹脂に比べて光重合性アクリレートオリゴマーとエポキシ樹脂との混合物に一つの分子内に複数の官能基を有する多官能光重合性アクリレートモノマーを添加した感光性アクリル樹脂を用いることにより、樹脂の橋かけ度を高めて剛直で硬度が大きいスペーサーを得ることができる。
【００１２】
このような目的で使用可能な光重合性アクリレートオリゴマーとしては、分子量１０００〜２０００程度のものが好ましく、ポリエステルアクリレートまたは、フェノールノボラックエポキシアクリレート、ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート等のエポキシアクリレートあるいは、ポリウレタンアクリレート、ポリエーテルアクリレート、オリゴマアクリレート、アルキドアクリレート、ポリオールアクリレート、メラミンアクリレート等をあげることができる。
【００１３】
エポキシ樹脂としては以下に化学構造式１および化学構造式２で示すフェノールノボラック型のエポキシ樹脂あるいはクレゾールノボラック型のエポキシ樹脂をあげることができる。
【００１４】
【化１】
0003651874.tif 000002
【００１５】
また、多官能光重合性アクリレートモノマーとしては、１，４ブタンジオールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート等が挙げられる。
【００１６】
スペーサーの形成方法は、カラーフィルター上にスペーサーを設ける場合には、透明基板上に設けた着色層上に、光重合性アクリレートオリゴマー、フェノールノボラック型のエポキシ樹脂、多官能光重合性アクリレートモノマーに重合開始剤、エポキシ硬化剤を添加した感光性樹脂をスピンナー法、ロール法、スプレイ法、スクリーン印刷法などの任意の塗布方法によって塗布した後に所定のフォトマスクを用いて紫外線を照射して必要な箇所を硬化し、紫外線が照射されなかった部分の未硬化の感光性樹脂を溶剤で溶解除去することによって保護膜を形成し、次いで、保護膜上にはカラーフィルターの全面にわたり、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって、電気抵抗などの特性に優れたＩＴＯ膜を成膜した後に、光重合性アクリレートオリゴマー、フェノールノボラック型のエポキシ樹脂、多官能光重合性アクリレートモノマーに重合開始剤、エポキシ硬化剤を添加した感光性樹脂をスピンナー法、ロール法、スプレイ法、スクリーン印刷法などの任意の塗布方法によって液晶層の挟持間隔に相当する６μｍないしは１０μｍ程度の厚みに塗布した後に所定のフォトマスクを用いて紫外線を照射してスペーサーの形成箇所を硬化し、紫外線が照射されなかった部分の未硬化の感光性樹脂を溶剤で溶解除去することによってスペーサーを形成することができる。
スペーサー用の紫外線硬化性樹脂の塗布層を設ける前に、シランカップリング剤などをＩＴＯ膜上に塗布して密着性を高めることができる。
以上の説明では着色層上に保護膜を設けた後にＩＴＯ膜を形成する方法について述べたが、保護膜を形成せずに直接にＩＴＯ膜を形成し、その面上にスペーサーを形成しても良い。
【００１７】
さらに、本発明のスペーサーは、保護膜上に保護膜と同一の材料によって形成することによって、下地層である保護膜との密着強度の大きなスペーサーを形成することも可能である。この場合には、スペーサーを形成したのちにＩＴＯ膜をスパッタリングで形成すると、スペーサー上にもＩＴＯ膜が形成されて対極との間に導電接続が形成されるので、あらかじめスペーサー上をマスキング処理をしてスペーサー上にはＩＴＯ膜が形成されないようにしたり、あるいは形成されたＩＴＯ膜をエッチングによってスペーサー上から除去することが必要となる。
また、カラーフィルター側にスペーサーを形成する方法以外に、対向するＴＦＴ基板上にスペーサーを形成しても良い。
【００１８】
【作用】
本発明は、液晶表示装置において、液晶層を挟持する少なくともいずれか一方の基板上に、両基板を所定の間隔を設けて保持することが可能であるスペーサーを形成したので、液晶中にはスペーサーの粒子等を分散させる必要がない。
以下に本発明の実施例を示し、更に詳細に説明する。
【００１９】
【実施例】
本発明の液晶表示装置を図面を参照して説明する。
図１は、カラーフィルターにスペーサーを形成した液晶表示装置の１実施例を示す部分断面図である。液晶表示装置１はカラーフィルター２とこれに対向するＴＦＴ等の対向基板３から構成されており、カラーフィルターはガラス基板４上に金属クロムなどからなるブラックマトリックス５が形成されており、ブラックマトリックスを境界にしてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色からなる着色層６が形成されている。着色層上には透明な合成樹脂からなる保護膜７が設けられており、保護膜上にはＩＴＯ等からなる透明電極膜８を形成しており、透明電極膜上には合成樹脂からなるスペーサー９が設けられている。そして、カラーフィルターと対向基板の液晶と接するそれぞれの面には配向膜１２が形成されており、エポキシ樹脂等のシール剤１０によって接合されて、カラーフィルターと対向基板の間には液晶１１が封入されている。
スペーサーを形成する場所は、着色層を区画するブラックマトリックス上などが表示品質に影響を与えないので好ましい。
【００２０】
図２には、カラーフィルターの一部の着色画素の平面図を示すが、カラーフィルター２１の着色画素２２は、ブラックマトリックス２３で区画されており、着色画素の周囲には表示に有効でない部分が形成されているので、この部分にスペーサー２４を設けることができる。着色画素の大きさは縦０．３ｍｍ、横０．１ｍｍ程度の小さなものであるが、その一部には対向するＴＦＴ基板などに形成された素子が表示面から見えないようにするための領域が設けられることがある。スペーサーをそのような領域に設けるならば表示にはなんら障害とはならない。
【００２１】
また、縦０．３ｍｍ、横０．１ｍｍの着色画素に１個のスペーサーを設けるならば、１ｍｍ2 には約３３個のスペーサーが形成可能である。この数は通常の液晶にスペーサーを混合した場合の数字である１００個／ｍｍ2 という値に比べて小さいが、表示面全体にわたり均一に配置しているので、このような数のスペーサーによって充分に目的を達することが可能である。
【００２２】
更に、図３はカラーフィルターの着色層を利用したスペーサーの形成方法を示すものであるが、カラーフィルター３１の基板３２には、着色層とした赤、緑および青の３色の着色画素を形成する際に、図では赤の着色画素である第一色目の着色画素３３を形成した上に、第２色目の着色画素３４である緑が部分的に赤の着色画素を覆うフォトマスクを用いて露光して緑の着色画素を形成し、ついで第３色目の着色画素３５である青のフォトマスクにもスペーサーを形成すべき箇所にも着色画素が形成可能となるようなフォトマスクを用いて、スペーサー形成箇所にも青の着色画素を形成した後に、ＩＴＯ膜等の透明電極膜３６を成膜し、最後にスペーサー３７を形成しても良い。このような方法によれば、着色画素の積み重ねによってスペーサーの高さを確保することができるので、透明電極膜上に形成するスペーサーの高さは厚みの薄いものでも良い。
【００２３】
スペーサーの材質としては多くのものを用いることが可能であるが、光重合性アクリレートオリゴマーに多官能光重合性アクリレートモノマーを添加した感光性樹脂は、硬化後の特性に優れているので好ましい。
光重合性アクリレートオリゴマーとしては、ポリエステルアクリレートまたは、フェノールノボラックエポキシアクリレート、ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート等のエポキシアクリレートあるいは、ポリウレタンアクリレート、ポリエーテルアクリレート、オリゴマアクリレート、アルキドアクリレート、ポリオールアクリレート、メラミンアクリレート等をあげることができ、多官能光重合性アクリレートモノマーとしてはモノマーとしては、１，４ブタンジオールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート等があげられる。
さらに光重合性樹脂中に開始剤としてベンゾフェノンあるいは、イルガキュアー１８４、イルガキュアー９０７、イルガキャアー６５１（いずれもチバガイギー社商品名）、ダロキュアー（メルク社商品名）などを固形分比１〜３％程度添加してもよい。
【００２４】
とくに好適な光重合性アクリレートオリゴマーと多官能性光重合性モノマーの配合比（重量％）は
配合例１
フェノールノボラックエポキシアクリレート    …６０％
トリメチロールプロパントリアクリレート      …１７％
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート    …２０％
イルガキュアー１８４                        …３％
配合例２
Ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート…６０％
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート    …３８％
イルガキュアー１８４                        …２％
配合例３
ポリウレタンアクリレート                    …５０％
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート    …４８％
イルガキュアー６５１                        …２％
配合例４
メラミンアクリレート                        …７０％
トリメチロールプロパントリアクリレート      …２７％
イルガキュアー１８４                        …２％
等をあげることができる。
【００２５】
さらに、光重合性アクリレートオリゴマーと多官能性光重合性モノマーにエポキシ樹脂を含有する組成物の配合比（重量％）は、
配合比５
フェノールノボラックエポキシアクリレート    …４０％
フェノールノボラック型エポキシ樹脂          …１８％
トリメチロールプロパントリアクリレート      …１７％
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート    …２０％
イルガキュアー１８４                        …３％
ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製）                  …２％
配合比６
ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート…３８％
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂          …１８％
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート    …３８％
イルガキュアー１８４                        …２％
ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製）                  …２％
配合比７
ポリウレタンアクリレート                    …３５％
フェノールノボラック型エポキシ樹脂          …１３％
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート    …４８％
ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製）                  …２％
イルガキュアー６５１                        …２％
配合比８
メラミンアクリレート                        …４９％
フェノールノボラック型エポキシ樹脂          …２０％
トリメチロールプロパントリアクリレート      …２７％
ＵＶＥ１０１４（ＧＥ社製）                  …２％
イルガキュアー１８４                        …２％
等をあげることができる。
【００２６】
実施例１
カラーフィルターにスペーサを形成した液晶表示装置の実施例を示す。
赤色、緑色及び青色の顔料を、それぞれ下記に示したような組成割合で感光性樹脂に分散させて、赤色、緑色及び青色の着色感光性樹脂を作製する。
【００２７】
0003651874.tif 000003
カラーフィルターの基板には、縦３００ｍｍ、横３５０ｍｍ、厚さ１．１ｍｍのガラス基板（旭硝子（株）製ＡＬ材）を充分に洗浄して用い、ガラス基板には金属クロムからなる厚み１００ｎｍ、開口率５０％、各画素の大きさ２０μｍ×４０μｍのブラックマトリックスをスパッタリングによって形成した。
【００２８】
その上に、赤色感光性樹脂を１．２μｍの膜厚になるように塗布し、その後温度７０℃で３０分間オ−ブン中で乾燥させ、水銀ランプを用いて露光し、水によるスプレー現像を１分間行い、赤色画素を形成すべき領域に赤色のレリーフ画像を形成し、さらに１５０℃で３０分間、加熱硬化させた。
同様の工程を繰り返して、緑色画素を形成すべき領域に緑色のレリーフ画素を形成し、青色画素を形成すべき領域に青色のレリーフ画素を形成して着色層を形成した。
次に、基板温度２００℃でアルゴンと酸素とを放電ガスとし、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によってＩＴＯをターゲットとして透明電極膜を基板の全面に成膜した。
【００２９】
続いて光硬化性アクリレートオリゴマーとして、ｏ−クレゾールノボラックエポキシアクリレート（分子量１５００〜２０００）を５０重量部、多官能重合性モノマーとして、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート（日本化薬（株）製ＤＰＨＡ）を５０重量部混合し、さらに重合開始剤としてイルガキュアー（チバガイギー社（株）製）２重量部を混合した配合物を、エチルセルソルブアセテート２００重量部中に溶解させ、その溶液１０ｇを用いてスピンコーターでＩＴＯ膜上に６．０μｍの厚さに塗布した。
【００３０】
次いで、スペーサー部分のパターンを形成したフォトマスクを配置したプロキシミティーアライナーによって、超高圧水銀ランプによって紫外線を５Ｊ／ｃｍ2 照射した。続いて温度２５℃の１，１，２，２-テトラクロロエタンからなる現像液中に１分間浸漬して、塗布膜の光が照射されなかった未硬化部分のみを除去した。
このようにして得られたカラーフィルターにポリイミドよりなる配向膜を形成した後、エポキシ樹脂をシール材としてＴＦＴを形成したガラス基板とを接合して、液晶としてＴＮ液晶を封入した。得られた液晶表示装置は表示面全体に均一な間隔が保持されているので色むら等が生じることがなく良好な表示特性が得られた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、２枚の基板の間に液晶を挟持した液晶表示装置において、液晶表示装置を構成するカラーフィルターとカラーフィルターに対向するＴＦＴ等の基板の少なくとも一方の基板上の液晶挟持領域部分に、基板の間隔を保持するスペーサーを設けたもので、液晶に粒子状あるいは棒状のスペーサー部材を混合する必要がなく、また、スペーサーが表示面全面に配置されているので、表示面積が大きくなった場合に生じる混合したスペーサー部材の偏在等による表示むら等の問題もなく高品位な液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置の１実施例を示す部分断面図。
【図２】スペーサーを形成したカラーフィルターを示す平面図。
【図３】スペーサーを形成したカラーフィルターの他の実施例を示す断面図。
【図４】従来の液晶表示装置の断面図。
【符号の説明】
１…液晶表示装置、２…カラーフィルター、３…対向基板、４…ガラス基板、５…ブラックマトリックス、６…着色層、７…保護膜、８…透明電極膜、９…スペーサー、１０…シール剤、１１…液晶、１２…配向膜、２１…カラーフィルター、２２…着色画素、２３…ブラックマトリックス、２４…スペーサー、３１…カラーフィルター、３２…基板、３３…第一色目の着色画素、３４…第２色目の着色画素、３５…第３色目の着色画素、３６…透明電極膜、３７…スペーサー、４１…液晶表示装置、４２…カラーフィルター、４３…対向基板、４４…シール剤、４５…液晶、４６…スペーサー
【図１】
0003651874.tif 000004
【図２】
0003651874.tif 000005
【図３】
0003651874.tif 000006
【図４】
0003651874.tif 000007