(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に少なくとも赤，緑及び青の画素層を含む一又は複数の層が積層された層状構造のカラーフィルタであって、
入射光が入射する入射側表面，上記入射光が出射する出射側表面もしくは上記入射光が通過する層間の境界面の少なくとも一つの面に、上記入射光の中心波長をλ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１1994で定義される凹凸の算術平均粗さをＲａ、凹凸の平均間隔をＳｍとしたとき、
λ／１００＜Ｓｍ＜２λ、且つ、
０．０１＜Ｒａ／Ｓｍ＜１０の関係を満たす三次元形状が形成されている
ことを特徴とする、カラーフィルタ。
【請求項２】
上記透明基板の上記画素層が積層されていない側の表面に上記三次元形状が形成されている
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】
上記透明基板と上記画素層との境界面に上記三次元形状が形成されている
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４】
上記透明基板の上記画素層が積層されていない側の表面に偏向フィルムが積層され、上記偏向フィルムの表面に上記三次元形状が形成されている
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５】
上記画素層上にオーバーコート層が積層され、上記オーバーコート層の表面に上記三次元形状が形成されている
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６】
上記画素層上に直接或いは一又は複数の層を挟んで透明導電膜が積層され、上記透明導電膜の表面に上記三次元形状が形成されている
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７】
上記透明導電膜がインジウムとスズの酸化物であるＩＴＯからなり、上記三次元形状は上記ＩＴＯの成膜時における多結晶成長により形成されたものである
ことを特徴とする、請求項６記載のカラーフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカラーテレビ、液晶表示素子、固体撮像素子、カメラ等に使用されるカラーフィルタに関し、詳しくは、カラーフィルタの光透過率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラーフィルタは、通常、ガラスやプラスチックシート等の透明な基板の表面に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種の異なる色相のストライプ状又はモザイク状等の画素層を数μｍの精度で形成することにより製造されている。さらに、赤、緑、青の各画素の間には、通常、コントラストを向上させるための格子状あるいはストライプ状の遮光性のブラックマトリックスを配置するのが一般的である。また、色画素の保護や平滑性の目的で、色画素層上には通常オーバーコート層が設けられ、さらにオーバーコート層上にはＩＴＯ等の透明導電膜が設けられる場合が多い。
【０００３】
近年においては、カラーフィルタはノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話等の移動情報端末にも広く普及している。これらの移動情報端末では、さらなる軽量化に加えて画面の高明度化が求められており、カラーフィルタに関しても、画素の高透過率化やブラックマトリックスの細線化による画素間の高開口率化によって透過率を向上させる試みが従来からなされていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カラーフィルタは、上記のように透明基板，画素層，オーバーコート層透明導電膜等の複数の層からなる層状構造になっている。このような層状構造の場合、空気との境界面も含めて隣接する層間の屈折率が異なる場合にはその境界面で表面反射が生じてしまう。このような表面反射はバックライトからの入射光の透過率を低下させる原因となるため、カラーフィルタの透過率を向上させる上で境界面等での表面反射を防止することは重要である。
【０００５】
表面反射は屈折率の異なる層間でその屈折率差に比例して増大するので、表面反射を抑えるためには層間での屈折率差を小さくすることが有効である。このため、反射を防止したい境界に無機材質を薄く多層して各層間での反射光の干渉により打ち消し合って反射を防止したり、境界部での屈折率を連続的に変化させる屈折率傾斜型の構造によって反射率を防止したりする方法が、表面反射の防止方法として従来から知られている。しかしながら、これらの方法は製作に煩雑な工程が要求されるために高コストになり、より安価に提供されることが求められる移動情報端末用のカラーフィルタに適用することは難しい。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑み創案されたもので、バックライトからの入射光の透過率を向上させることができ、且つ、低コストで実現可能な、カラーフィルタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のカラーフィルタは、透明基板上に少なくとも赤，緑及び青の画素層を含む一又は複数の層が積層された層状構造のカラーフィルタであって、入射光が入射する入射側表面，上記入射光が出射する出射側表面もしくは上記入射光が通過する層間の境界面の少なくとも一つの面に、上記入射光の中心波長をλ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１1994で定義される凹凸の算術平均粗さをＲａ、凹凸の平均間隔をＳｍとしたとき、λ／１００＜Ｓｍ＜２λ、且つ、０．０１＜Ｒａ／Ｓｍ＜１０の関係を満たす三次元形状が形成されていることを特徴としている。このように、入射側表面，出射側表面もしくは層間境界面の少なくとも一つの面が上記のような３次元形状に形成されることにより、入射光の透過率を向上させることが可能になる。
【０００８】
上記の三次元形状を形成する面としては、例えば、上記透明基板の上記画素層が積層されていない側の表面や、上記透明基板と上記画素層との境界面が挙げられる。また、上記透明基板の上記画素層が積層されていない側の表面に偏向フィルムが積層されている場合には、上記偏向フィルムの表面に上記三次元形状を形成してもよい。また、上記画素層上にオーバーコート層が積層されている場合には、上記オーバーコート層の表面に上記三次元形状を形成してもよい。さらに、上記画素層上に直接或いは一又は複数の層を挟んで透明導電膜が積層されている場合には、上記透明導電膜の表面に上記三次元形状を形成してもよい。
【０００９】
なお、上記三次元形状を構成する凹凸は必ずしも周期的に形成されている必要はない。例えば、上記透明導電膜がインジウムとスズの酸化物であるＩＴＯからなる場合には、ＩＴＯの成膜時にできる多結晶構造の凹凸形状をそのまま用いることも可能である。また、必要があればエッチング処理等の表面処理により凹凸形状を強調してもよい。これにより、機械的強度を維持しつつ製造コストを抑えながら透過率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（イ）原理
まず、本発明に関わる光の反射防止すなわち光透過率の向上の原理を図１〜図３を用いて説明する。
【００１１】
図１（ａ）は屈折率の異なる２種類の媒質（媒質１，媒質２）が滑らかな境界面を介して積層された積層体の断面模式図であり、図１（ｂ）はそれら媒質中の屈折率の変化を膜厚方向に対して示した図である。ここでｎ１（＞１）は媒質１の屈折率、ｎ２（＞ｎ１＞１）は媒質２の屈折率を表す。
この図１に示すように、滑らかな境界面を介して異なる屈折率の媒質が積層されていると、その境界面で屈折率が急激に変化するために境界面において光の反射が生じる。一般に媒質間の境界面における反射率Ｒ１２は下記の数式（数１）で表され、２つの媒質の屈折率差に比例して増大する。
【００１２】
【数１】
Ｒ１２＝｛（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）｝2
次に図２（ａ）は屈折率の異なる２種類の媒質（媒質１，媒質２）が凹凸形状の境界面を介して積層された積層体の断面模式図である。ここで凹凸の高さはｈ*、ピーク間距離はｆ*であり、周期的な凹凸形状を持った境界面となっている。また、図２（ｂ）はそれら媒質中の屈折率の変化を膜厚方向に対して示した図である。ここでｎ１（＞１）は媒質１の屈折率、ｎ２（＞ｎ１＞１）は媒質２の屈折率を表す。
【００１３】
この図２に示すように、周期的凹凸形状の境界面を介して異なる屈折率の媒質が積層されていると、その遷移領域で屈折率が連続的に緩やかに変化する。ただし、これは凹凸の周期ｆ*が光の波長λに比べて小さいときに起こる現象であり、この特性を用いて反射防止効果を得る試みが従来からなされている（Y.Ono, et al, Appl.Opt., vol.26, no.6, pp.1142-1146, 1987、E.B.Grann,et al, J.Opt.Soc.Am.A, vol.12, no2, pp.333-39, 1995）。
【００１４】
またこの遷移領域での厳密な解析はRigorous Coupled Wave Theory等（M.G.Moharam,et al, J.Opt.Soc.Am.A, vol.72, no.10, pp.1385-1392, 1982、K.Yokomori, Appl.Opt., vol.23, no.14, pp.2303-2310, 1947）のベクトル回折計算により行われるが、誘電率の平均値の平方根でその等価屈折率を求める有効屈折率法で議論しても大きな相違はないことが報告されている（前出 Y.Ono,et al, Appl.Opt.,vol.26,no.6,pp.1142-1146,1987）。このように微小な凹凸の結果、屈折率が連続的に緩やかに変化する遷移領域は、近似的に多層膜から構成されていると考えると、この多層膜内において隣り合う膜の屈折率差は略ゼロと考えられるため、境界面における光の反射は抑制されることになる。
【００１５】
次に図３（ａ）は屈折率の異なる２種類の媒質（媒質１，媒質２）が、凹凸形状の境界面を介して積層された積層体の断面模式図である。ここで凹凸は図２の場合と違って周期性はなく、凹凸の平均の高さをｈ、平均のピーク間距離をｆとしている。図３（ｂ）はそれら媒質中の屈折率の変化を膜厚方向に対して示した図である。ここでｎ１（＞１）は媒質１の屈折率、ｎ２（＞ｎ１＞１）は媒質２の屈折率を表す。
【００１６】
この図３に示すように光の波長に比べて小さい非周期的な凹凸界面を持った境界領域においても、有効屈折率法により屈折率は単調ではないが連続的に変化するものと考えられる。したがって、この場合も凹凸界面の遷移領域は近似的に多層膜から構成されていると考えると、この多層膜内において隣り合う膜の屈折率差は略ゼロと考えられるため、図２の場合と同様に反射防止効果が発現すると考えられる。このような考察から、発明者らは厳密なRigorous Coupled Wave理論に制限されることなく、非周期的なすなわち無作為に形成された凹凸界面であっても、周期的な凹凸界面と同等の反射防止効果が高範囲の波長領域で得られることを見いだした。
【００１７】
なお、図２に示す周期的な凹凸界面、図３に示す非周期的な凹凸界面ともに、その三次元形状は、入射光の中心波長をλ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１1994で定義される凹凸の算術平均粗さをＲａ、凹凸の平均間隔をＳｍとしたとき、λ／１００＜Ｓｍ＜２λ、且つ、０．０１＜Ｒａ／Ｓｍ＜１０の関係を満たす範囲内で形成されていることが十分な反射防止効果を得る上で特に好ましいことも発明者らによって確認されている。
【００１８】
（ロ）第１実施形態
次に本発明の第１実施形態にかかるカラーフィルタについて説明する。
図４（ａ）は、本実施形態にかかるカラーフィルタの構造を示す断面模式図である。図４（ａ）に示すように、本実施形態のカラーフィルタは透明基板１上に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂが所望のパターンでブラックマトリックス２に仕切られて配置されている。各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの上面は平面となるように形成されており、その上部にはオーバーコート層４が積層されている。そして、オーバーコート層４上には透明導電膜５が積層されている。
【００１９】
透明基板１は、本発明に係るカラーフィルタの支持体となるものであり、ガラス板や樹脂板等の透明質のものが用いられる。
ブラックマトリックス２や各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの材料には特に限定はなく、公知のものを用いることができる。また、その形成方法にも特に限定はなく、染色法、印刷法、電着法、顔料分散法等の公知の方法を用いることができる。例えば、顔料分散法の場合には、黒レジスト、赤・緑・青のカラーレジストを透明基板１上に塗布・乾燥後、露光を行い、その後不要部分をエッチングで除去する通常のフォトリソグラフィー技術によって、ブラックマトリックス２，各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの微細なモザイクパターンが形成される。
【００２０】
オーバーコート層４は、各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの保護及び平滑性の目的で設けられたものであり、公知の材料を用いることができる。ただし、生産工程上からは、紫外線硬化できる光硬化性樹脂が好ましい。
透明導電膜５は、通常、インジウム及び／又はスズの酸化物（ＩＴＯ）等の金属酸化物により構成される。透明導電膜５の形成は、通常、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法等によってオーバーコート層４上に成膜することにより行われることが多い。ここでは、透明導電膜５の上面には、図３を用いて説明したように非周期的な凹凸形状が無作為に形成されている。この透明導電膜５の表面の凹凸は、成膜中の金属或いは金属酸化物の粒子の多結晶成長により形成することができる。なお、透明導電膜５は透明性が良いことが必要であることから１０〜５００ｎｍ程度の膜厚に形成されている。
【００２１】
図４（ｂ）は図４（ａ）で示したカラーフィルタを構成する各層の屈折率の変化を膜厚方向に対して示した図である。ここで各層のおよその屈折率は、一例を示すとｎ（透明基板１）＝１．５、ｎ（画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ）＝１．６、ｎ（オーバーコート層４）＝１．６５、ｎ（透明導電膜５）＝２．０、ｎ（空気）＝１．０であり、透明導電膜５と空気との境界面の屈折率変化はその界面の凹凸形状によって連続的なものになっている。このように屈折率が連続的に変化することから、上述したように透明導電膜５と空気との境界は近似的に多層膜から構成されているものとみなすことができる。したがって、本実施形態にかかるカラーフィルタによれば、透明導電膜５の表面（入射側表面）における表面反射を抑制することができる。透明導電膜５と空気との間の屈折率差は特に大きいので、このように透明導電膜５の表面の表面反射を抑制することにより入射光の透過率を大きく向上させることができる。
【００２２】
一方、図５（ａ）は本発明の比較例となる一般的なカラーフィルタの構造を示す断面模式図である。図４（ａ）で示した構造との違いは透明導電膜５の表面形状であり、図５（ａ）においては透明導電膜５の表面は平滑、すなわち、凹凸のない形状になっている。
図５（ｂ）は図５（ａ）で示したカラーフィルタを構成する各層の屈折率の変化を膜厚方向に対して示した図である。この場合は屈折率の異なる全ての層の間の屈折率変化は急峻なものとなっており、透明導電膜５と空気との境界面（入射側表面）においても屈折率はステップ状に変化している。したがって、この場合には入射側表面において屈折率の差に伴う表面反射が生じてしまい、本実施形態のカラーフィルタに比較して透過率が低下する。
【００２３】
（ハ）第２実施形態
次に本発明の第２実施形態にかかるカラーフィルタについて説明する。
図６（ａ）は、本実施形態にかかるカラーフィルタの構造を示す断面模式図である。本実施形態のカラーフィルタの層構造は第１実施形態と同様であり、第１実施形態との違いは図３に示した凹凸形状の形成個所にある。すなわち、本実施形態では、透明基板１のブラックマトリックス２や各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂが形成されていない側の表面（出射側表面）に、図３を用いて説明したように非周期的な凹凸形状が無作為に形成されている。
【００２４】
透明基板１の表面の凹凸形状は、表面に凹凸を備えた型（スタンパ）を透明基板１に転写することによって容易に形成することができる。例えば、透明基板１が光硬化性樹脂を材質とする場合には、スタンパを所定の厚みになるようにスペーサをかませてガラスなどの平滑な透明板と対向させ、その空隙に光硬化性の透明樹脂モノマーないしオリゴマーを重合開始剤とともに注入した後に紫外線などの活性光線を照射して硬化させることにより、スタンパの表面形状を転写した透明基板１を形成することができる。なお、スタンパの凹凸は、金属板を電解エッチングしたり、金属板の表面を微粒子を含む圧縮空気でブラスト処理したりすることによって形成することができる。
【００２５】
図６（ｂ）は図６（ａ）で示したカラーフィルタを構成する各層の屈折率の変化を膜厚方向に対して示した図である。各層のおよその屈折率は図４（ｂ）に示すものと同様であるが、ここでは透明基板１と空気との境界面の屈折率変化はその界面の凹凸形状によって連続的なものになっている。このように屈折率が連続的に変化することから、上述したように透明基板１と空気との境界は近似的に多層膜から構成されているものとみなすことができる。したがって、本実施形態にかかるカラーフィルタによれば、透明基板１の表面（出射側表面）における表面反射を抑制することができる。透明基板１と空気との間の屈折率差も透明導電膜５と空気との間と同様に大きいので、このように透明基板１の表面の表面反射を抑制することによっても入射光の透過率を大きく向上させることができる。
【００２６】
（ニ）その他
以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り種々変形して実施してもよい。
例えば、上述の実施形態では、透明導電膜５と空気との間、或いは透明基板１と空気との間に凹凸形状を形成しているが、透明導電膜５とオーバーコート層４との境界面、オーバーコート層４と各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂとの境界面、或いは透明基板１と各画素３Ｒ，３Ｇ，３Ｂとの境界面等、他の境界面にも上記のような反射防止特性を有する凹凸形状を形成してもよい。また、透明基板１の表面に偏向フィルムが貼られたカラーフィルタの場合には、この偏向フィルムの表面に上記のような凹凸形状を形成してもよい。また、凹凸形状を形成する面は１つのみに限定されず、複数の面に凹凸形状を形成してもよい。
【００２７】
また、凹凸形状の形成方法は上述の実施形態のものに限定されず、凹凸形状を形成する層の材質に応じた方法を適宜選択すればよい。
さらに、上述の実施形態では、無作為に形成された非周期的な凹凸形状を境界面に設けているが、凹凸形状は、図２を用いて説明したような周期的な形状のものでもよい。例えば、第２実施形態のようにスタンパを用いる場合には、スタンパの表面に微細成型加工によって周期的な凹凸形状を形成しておき、それを反射を防止したい表面に転写することによって、周期的な凹凸形状を備えた表面を形成することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のカラーフィルタによれば、反射防止のためのコーティングを設けることなく、低コストで表面反射を防止することができ、バックライトからの入射光の透過率を向上させることができる。したがって、本発明のカラーフィルタを用いれば視認性の高い表示画面を備えた移動情報端末等を安価に提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図であり、（ａ）は滑らかかな境界面を持った２種類の媒質からなる積層体の断面模式図、（ｂ）は（ａ）の媒質中の屈折率変化を膜厚方向に対して示した図である。
【図２】本発明の原理を説明するための図であり、（ａ）は周期的な凹凸境界面を持った２種類の媒質からなる積層体の断面模式図、（ｂ）は（ａ）の媒質中の屈折率変化を膜厚方向に対して示した図である。
【図３】本発明の原理を説明するための図であり、（ａ）は非周期的な凹凸境界面を持った２種類の媒質からなる積層体の断面模式図、（ｂ）は（ａ）の媒質中の屈折率変化を膜厚方向に対して示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は本実施形態にかかるカラーフィルタの構造を示す断面模式図、（ｂ）は（ａ）の媒質中の屈折率変化を膜厚方向に対して示した図である。
【図５】本発明に対する比較例を示す図であり、（ａ）は一般的なカラーフィルタの構造を示す断面模式図、（ｂ）は（ａ）の媒質中の屈折率変化を膜厚方向に対して示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態を示す図であり、（ａ）は本実施形態にかかるカラーフィルタの構造を示す断面模式図、（ｂ）は（ａ）の媒質中の屈折率変化を膜厚方向に対して示した図である。
【符号の説明】
１  透明基板
２  ブラックマトリックス
３Ｒ  赤色画素
３Ｇ  緑色画素
３Ｂ  青色画素
４  オーバーコート層
５  透明導電膜（ＩＴＯ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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