(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が５０ｍ２／ｇ以上、ＤＢＰ吸収量が１４０ｃｍ３／１００ｇ以下であるカーボンブラック表面の少なくとも一部が酸性、中性の官能基で化学修飾され、Ｘ線光電子分光法により測定した全炭素原子当たりの全酸素原子の原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）が０．１以上であることを特徴とするブラックマトリックス用カーボンブラック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶カラーフィルターのブラックマトリックスとして好適に使用されるカーボンブラックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイは、液晶となる結晶材料を透明電極間に挟み、電圧を印加して液晶の分子配列を変えることにより入射光の透過を制御し、反射板と偏光板を組み合わせることにより画像や文字などを表示するものであり、消費電力が少なくて済むため、時計、カメラ、各種電気機器などの表示装置として広く使用されている。
【０００３】
この液晶ディスプレイをカラー化したカラー用液晶ディスプレイは、画素ごとに赤、青、緑のフィルターを付けて光の三原色をつくり、各画素の明暗を制御して色の変化を表現するものである。一般に、液晶カラーフィルターは透明基板上に赤、青、緑の三原色の画素をつくり、これらの画素を組み合わせることにより色を表現するものであり、各画素間の表示コントラストを強調するために各画素間の光を遮断する遮光層（ブラックマトリックス）が形成されている。
【０００４】
このブラックマトリックスには、当然、遮光性に優れていることが要求されるが、その他に、表面が平滑で、層の厚さが薄いこと、導電性が小さいこと、などが必要とされている。すなわち、表面平滑性が劣り、層厚が厚いと三原色の色パターンを形成する際に凹凸が生じることなり、また導電性が高いと印加電圧により導電性配線が短絡し誤作動を生じることになるためである。
【０００５】
従来から、ブラックマトリックスには、▲１▼フォトリソグラフィ法によるＣｒ、Ｎｉ、Ａｌなどの金属薄膜からなるブラックマトリックス、▲２▼黒色顔料を分散した黒色有機樹脂膜からなるブラックマトリックス、が用いられてきた。しかしながら、金属薄膜により形成されたブラックマトリックスは導電性が高く、また金属薄膜は反射率が高いので表示品位が損なわれる難点がある。
【０００６】
一方、カーボンブラックは黒色顔料として優れた黒色度を備えており、例えばカーボンブラックを分散した光重合性樹脂組成物を透明基板に塗布してブラックマトリックスを形成する方法やカーボンブラックを含有するインキを透明基板に印刷してブラックマトリックスを形成する方法などが開発されている。
【０００７】
例えば、このブラックマトリックス用のカーボンブラック、あるいはカーボンブラックを用いたブラックマトリックスとして、樹脂中に少なくともカーボンブラックを含むインキにおいて、前記カーボンブラックが、カーボンブラック１００g 当たり４０〜１３０mlの吸油量を有し、かつ９５０℃で７分間加熱したときの揮発減量分が３重量％以上であって、樹脂１００重量部に対して１０〜５０重量部の割合で配合されることを特徴とする液晶カラーフィルター遮光層用インキ（特開平８−262223号公報）、樹脂中に遮光剤を分散せしめてなる樹脂ブラックマトリックスにおいて、該遮光剤として下記（Ａ）〜（Ｄ）のうち少なくとも１つを満たすカーボンブラックを用いることを特徴とする樹脂ブラックマトリックス（特開平９−15403 号公報）、などが提案されている。但し、（Ａ）ＰＨ値が６．５以下、（Ｂ）表面のカルボキシル基濃度〔ＣＯＯＨ〕が、全炭素原子あたりのモル比で、０．００１＜〔ＣＯＯＨ〕、（Ｃ）表面の水酸基濃度〔ＯＨ〕が全炭素原子あたりのモル比で、０．００１＜〔ＯＨ〕、（Ｄ）表面のスルホン基濃度〔ＳＯ3 Ｈ〕が、全炭素原子あたりのモル比で０．００１＜〔ＳＯ3 Ｈ〕である。
【０００８】
更に、黒色顔料としてカーボンブラックを含有するブラックマトリックスにおいて、該カーボンブラックの平均粒子径が４０〜３００nmであることを特徴とするカラーフィルター用ブラックマトリックス（特開平９−15419 号公報）、黒色顔料としてカーボンブラックを含有するブラックマトリックスにおいて、該カーボンブラックは、９５０℃における揮発分中のＣＯ及びＣＯ2 から算出した全酸素量が、カーボンブラックの表面積１００m2当たり７mg以上であることを特徴とするカラーフィルター用ブラックマトリックス（特開平９−22653 号公報）、平均粒径５０〜２００nm、ＤＢＰ吸油量１０〜４０ml/100g の範囲にあるカーボンブラックを含有することを特徴とするブラックマトリックス用カラーフィルターレジスト（特開平９−80220 号公報）、平均一次粒子径３５〜１５０nm、凝集体径６０〜３００nm、ジブチルフタレート吸油量３０〜９０ml/100g のカーボンブラックを樹脂で被覆してなることを特徴とする黒色レジストパターン形成用カーボンブラック（特開平11−80583 号公報）、なども提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらカーボンブラックを黒色顔料として用いるブラックマトリックスにおいて、黒色度が高く、導電性が小さく、また分散液の粘度が小さく、ブラックマトリックス形成用に好適な黒色インキを作製することのできるカーボンブラックの提供を目的として開発されたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明によるブラックマトリックス用カーボンブラックは、窒素吸着比表面積（Ｎ２ＳＡ）が５０ｍ２／ｇ以上、ＤＢＰ吸収量が１４０ｃｍ３／１００ｇ以下であるカーボンブラック表面の少なくとも一部が酸性、中性の官能基で化学修飾され、Ｘ線光電子分光法により測定した全炭素原子当たりの全酸素原子の原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）が０．１以上であることを構成上の特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
カーボンブラック粒子の表面に存在する官能基は、カーボンブラックを分散媒中に分散させる場合に分散媒との濡れ性を左右する要因となり、またカーボンブラック粒子相互の界面における接触抵抗に影響する。すなわち、官能基はブラックマトリックス形成用のカーボンブラック分散樹脂組成物やインキを作製する際の分散媒中への分散性能および形成したブラックマトリックスの電気抵抗を決定する要因となるものである。
【００１２】
本発明のブラックマトリックス用カーボンブラックは、その表面の少なくとも一部が酸性、中性の官能基で化学修飾されたものである。化学修飾はカーボンブラックを湿式酸化処理することにより行われ、酸化処理によりカーボンブラック表面には、＝Ｏ、−ＣＯＯＨ、−ＯＨなどの官能基が形成される。本発明のブラックマトリックス用カーボンブラックは、これらの官能基量としてＸ線光電子分光法により測定した全炭素原子当たりの全酸素原子の原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）の値を０．１以上に設定する点を特徴とする。
【００１３】
すなわち、ＸＰＳやＥＳＣＡなどのＸ線光電子分光法により測定される酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度比（原子比）の値が０．１未満であると、ブラックマトリックス形成用の印刷インキとした場合に溶媒中への分散不良や粘度上昇などが生じ、また形成したブラックマトリックスの絶縁不良が生じる。
【００１４】
本発明のブラックマトリックス用カーボンブラックの特性は、窒素吸着比表面積(N2SA)が５０m2/g以上、ＤＢＰ吸収量が１４０cm3/100g以下のものが使用される。窒素吸着比表面積(N2SA)が５０m2/g未満であると溶媒に分散させた際に、分散液中におけるカーボンブラックの平均粒径が大きくなるため、ブラックマトリックスの黒色度および光遮蔽力が低下することとなり、また遮光層の膜厚が厚くなる。更に、ＤＢＰ吸収量が１４０cm3/100gを越えると樹脂と混合した場合、粘度が増大して遮光層の平滑性が損なわれることとなる。
【００１５】
カーボンブラックを化学修飾するための湿式酸化処理は、例えば、次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、塩素酸塩、過硫酸塩、過硼酸塩、過炭酸塩などのアルカリ金属塩やアンモニウム塩などの酸化剤水溶液中にカーボンブラックを添加して酸化することにより行われ、酸化剤水溶液の濃度、カーボンブラックの添加量、反応温度、反応時間などを適宜に制御して、全炭素原子当たりの全酸素原子の原子比（酸素結合エネルギーの強度／炭素結合エネルギーの強度）が０．１以上となるように処理される。
【００１６】
本発明のブラックマトリックス用カーボンブラックは、上記の湿式酸化処理したカーボンブラック分散液を限外濾過膜により分散液中に残存する塩を分離した後、濃縮し、更に真空乾燥して乾燥したのち、ミキサーにより粉砕することにより得ることができる。
【００１７】
このカーボンブラックを用いて、ブラックマトリックス形成用の樹脂組成物や印刷インキを作製し、樹脂組成物を透明基板に塗布する方法、インキを透明基板に印刷する方法、などによりブラックマトリックスが形成される。分散媒としては、表面張力が低く、沸点、粘度が低い有機性溶媒が好ましく、例えば、エタノール、N-メチル-2- ピロリドン、2-ピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホアキシド、ヘキサメチルホスファミド、などの極性溶媒が好ましい。また、エタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、エチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、などと水との混合溶液も好ましく用いることができる。
【００１８】
この場合、酸化処理したカーボンブラックを樹脂にて被覆することにより、更に絶縁性に優れたブラックマトリックスを形成すことができる。被覆処理する樹脂としては、例えば、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、ポリイミド樹脂、アクリル酸樹脂、ポリビニルアルコール、ポリエステル樹脂、など耐熱性、流動性、カーボンブラックの分散性に支障を来さない限り、各種の樹脂を使用することができる。
【００１９】
ブラックマトリックス形成用のカーボンブラックと溶媒、樹脂との混合比は、カーボンブラック２〜２０wt％、溶媒７０〜９６wt％、樹脂２〜１０wt％の範囲に調節することが望ましい。カーボンブラックが２wt％未満であると遮光性が低く、２０wt％を越えると膜厚が厚くなり、樹脂分が２wt％未満であると膜強度が低下し、１０wt％を越えると粘度が増大して膜厚の制御が困難となり、溶媒が７０wt％未満であると流動性が低下し、９６wt％を越えると遮光性が低下する傾向があるためである。
【００２０】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。
【００２１】
実施例１〜３、比較例１〜３
表１に示した窒素吸着比表面積(N2SA)、ＤＢＰ吸収量が異なるカーボンブラックを用いて、カーボンブラック１５０g を濃度１．５Ｎの過硫酸アンモニウム水溶液３０００mlに添加し、反応温度６０℃、反応時間１０時間、攪拌速度３００rpm で処理した。この酸化反応液から限外濾過膜（旭化成、AHP-1010、分画分子量 50000）により反応液中に残存する塩を分離したのち、固形分２０％に濃縮した。次いで、真空乾燥機により１１０℃で乾燥したのち、ミキサーにて粉砕してカーボンブラック試料を作製した。これらのカーボンブラック試料について酸素結合エネルギー強度と炭素結合エネルギー強度をSurface Science Instruments 社製 S-Prove ESCA 2803型により測定し、全炭素原子当たりの全酸素原子の原子比を求め、表１に併記した。
【００２２】
比較例４〜９
酸化処理として、オゾン発生機（日本オゾン社製 IOT-4A6）を用いて発生電圧２００Ｖ、オゾン発生量１８ g/hで５時間処理してカーボンブラック試料を作製した。これらのカーボンブラック試料について、実施例１〜３と同様に酸素結合エネルギー強度と炭素結合エネルギー強度をSurface Science Instruments 社製 S-Prove ESCA 2803型により測定し、全炭素原子当たりの全酸素原子の原子比を求めて、その結果を表１に併記した。
【００２３】
【表１】
0003939060.tif 000002
【００２４】
これらのカーボンブラック試料について、その電気比抵抗を下記の方法により測定した。また、各カーボンブラック試料２０g に、エタノール１０g 、N,N-ジメチルホルムアミド６８g 、フェノール樹脂２g を加え、軽く混合したのち、ホモジナイザーにより微分散させてカーボンブラック分散液を調製した。この分散液の粘度および表面張力を下記の方法により測定した。
▲１▼電気比抵抗；
乾燥したカーボンブラック試料をミキサーにて粉砕し、直径２０mm、内容量１１０mlのテフロン容器にサンプル２．０g を入れて、５０kg/cm2の圧力でプレスした状態の電気抵抗を測定した。
▲２▼粘度；
回転振動式粘度計（山一電機株式会社製、VM-100A-L ）により、温度２５℃における粘度を測定した。
▲３▼表面張力；
表面張力測定装置（島津製作所製、DN）により測定した。
【００２５】
次いで、トリクロロエチレンにて洗浄した透明ガラス板に、これらの分散液をスピンコーターを用いて回転数２０００ rpmで塗布した後、常温で３０分間静置し、次いで１６０℃で乾燥して、ブラックマトリックスを形成した。このブラックマトリックスの膜厚および光学的濃度を下記の方法により測定した。
▲４▼膜厚；
カットした断面を走査型電子顕微鏡(SEM) により測定した。
▲５▼光学的濃度（ＯＤ値）；
マクベス濃度計（コルモーゲン社製、RD-927）により測定した。
【００２６】
得られた結果を、表２に示した。
【００２７】
【表２】
0003939060.tif 000003
【００２８】
表１、２の結果から、実施例１〜３はカーボンブラックの電気比抵抗、分散液の表面張力とも良好であり、またブラックマトリックスの膜厚、ＯＤ値も良好な水準にある。これに対して、比較例１〜３は電気比抵抗やＯＤ値は良好であるが膜厚が厚くなることが判る。更に、カーボンブラックをオゾン酸化した比較例４〜９では電気比抵抗が小さく、膜厚が厚い割にはＯＤ値が小さくなることが認められ、分散液中においてカーボンブラックの凝集が生じていることが原因と思われる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のブラックマトリックス用カーボンブラックを遮光剤として形成したブラックマトリックスによれば、膜厚に対するＯＤ値が大きく、高遮光率で表面反射率が低く、膜厚の薄いブラックマトリックスを低コストで形成することが可能である。したがって、透明保護膜や透明絶縁膜が不要で、例えば液晶カラーフィルター用のブラックマトリックスを形成することのできる、高性能のカーボンブラックを提供することができる。