JP4490948B2

JP4490948B2 - 液晶表示素子及びカラーフィルタ基板並びにその製造方法

Info

Publication number: JP4490948B2
Application number: JP2006179945A
Authority: JP
Inventors: スン−ホ・ヘオ
Original assignee: エルジーディスプレイカンパニーリミテッド
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: US7580092B2; KR101288835B1; CN1991487A; KR20070068923A; DE102006028322A1; TW200725058A; TWI359298B; JP2007178990A; CN100443977C; US20070146582A1; DE102006028322B4

Description

本発明は、輝度を向上し得る液晶表示素子及びカラーフィルタ基板並びにその製造方法に関するものである。

近年、携帯電話、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型パソコンのような各種携帯用電子機器が発展するにつれて、これに適用し得る小型・軽量・薄型のフラットパネルディスプレイ装置に対する要求が徐々に増大している。

このようなフラットパネルディスプレイ装置においては、ＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）、ＰＤＰ（ＰｌａｓｍａＤｉｓｐｌａｙＰａｎｅｌ）、ＦＥＤ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ）、ＶＦＤ（ＶａｃｕｕｍＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔＤｉｓｐｌａｙ）などが活発に研究されているが、特に量産化技術、駆動手段の容易性、高画質の実現という理由から、現在では液晶表示素子（ＬＣＤ）が脚光を浴びている。

図３は、一般的な液晶表示素子の単位画素を概略的に示した断面図である。
図３において、液晶表示素子１は、下部基板５と上部基板３と、下部基板５と上部基板３との間に形成された液晶層７とから構成されている。
下部基板５は、駆動素子アレイ基板であり、下部基板５には、複数の画素が形成され、各画素には、薄膜トランジスタのようなスイッチング素子９が形成されている。

上部基板３は、カラーフィルタ基板であり、光漏れを防止するためのブラックマトリックス８と、実際にカラーを実現するためのカラーフィルタ層２とが形成されている。また、下部基板５及び上部基板３には、それぞれ画素電極６及び共通電極４が形成されると共に、液晶層７の液晶分子を配向するための配向膜が塗布されている。

また、下部基板５及び上部基板３は、各基板３、５の外郭に形成されたシール材（図示せず）により貼り合わせられ、上部基板３と下部基板５との間に形成されたスペーサ（図示せず）により一定のセルギャップが維持されている。そして、各基板３、５の間に形成された液晶層７は、下部基板５に形成されたスイッチング素子により各画素をスイッチングする。これにより、各画素の液晶分子を駆動し、液晶層７を透過する光量を制御することによって、情報を表示する。

図３のように構成される液晶表示素子１において、下部基板５は、駆動素子を形成する駆動素子アレイ基板工程によって形成され、上部基板３は、カラーフィルタを形成するカラーフィルタ基板工程によって形成される。
以下、スペーサ及びシール材の形成工程を経て、液晶表示素子１が完成する。

下部基板５での駆動素子アレイ基板工程においては、下部基板５の表面上に配列されて画素領域を定義する複数のゲートライン（ＧａｔｅＬｉｎｅ）及びデータライン（ＤａｔａＬｉｎｅ）を形成し、複数の画素領域のそれぞれに、ゲートライン及びデータラインに接続される駆動素子の薄膜トランジスタ９を形成する。
その後、薄膜トランジスタ９に接続された画素電極６を形成する。画素電極６は、薄膜トランジスタ９を介して信号が印加されることによって、液晶層７を駆動する。

一方、上部基板３でのカラーフィルタ基板工程においては、上部基板３の表面にブラックマトリックス８を形成した後、ブラックマトリックス８の上部に赤、緑及び青色のカラーフィルタ２を形成し、その後、カラーフィルタ２の上に共通電極４を形成する。
図３のように構成される従来の液晶表示素子１は、液晶表示素子１の下部に備えられたバックライト（図示せず）から光の供給を受け、下部基板５に形成された駆動素子により液晶分子を駆動して液晶層７を透過する光量を制御することで情報を表示する。

しかし、従来の液晶表示素子１においては、液晶パネルの下部から入射した光がブラックマトリックス８により遮断されるので、下部基板５からブラックマトリックス８に向かう光は、そのまま遮断されて輝度に寄与し得ないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたもので、ブラックマトリックスに向かう光が輝度の向上に寄与し得るようにした液晶表示素子及びカラーフィルタ基板並びにその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶表示素子は、第１基板と、第１基板に対向するように配置された第２基板と、第１基板の表面に第１方向に配列された複数のゲートラインと、第１基板の表面にゲートラインに対して直角な第２方向に配列され、複数の画素領域を定義する複数のデータラインと、ゲートラインとデータラインとの交差部に形成されたスイッチング素子と、断面が二等辺三角状であり、該二等辺三角の底辺が第２基板の表面上に位置し、かつ表面に反射層を有するブラックマトリックスと、第２基板の表面上にブラックマトリックスを覆うように形成されたカラーフィルタと、第１基板と第２基板との間に形成された液晶層と、第１基板及び第２基板の背面にそれぞれ形成された第１偏光板及び第２偏光板とを含み、第１基板と接触する第１偏光板の接触面は、ブラックマトリックスで反射した光を液晶層に再反射させるものである。

また、本発明に係るカラーフィルタ基板は、透明基板と、透明基板の表面に縦横に配列されて複数の画素領域を定義すると共に、リブ形状を有しかつ表面に反射層を有するブラックマトリックスと、ブラックマトリックスを覆うように形成されたカラーフィルタと、を含むものである。

また、本発明に係る液晶表示素子の製造方法は、薄膜トランジスタアレイが形成された第１基板を準備する段階と、縦横に配列されて複数の画素領域を定義すると共に、断面が二等辺三角状であり、該二等辺三角の底辺が第２基板の表面上に位置し、かつ表面に反射層を有するブラックマトリックスと、ブラックマトリックスを覆うカラーフィルタ層とが形成された第２基板を準備する段階と、第１基板と第２基板との間に液晶層を形成する段階と、第１基板及び第２基板の背面にそれぞれ第１偏光板及び第２偏光板を取り付ける段階とを含み、第１基板と接触する第１偏光板の接触面は、ブラックマトリックスで反射した光を液晶層に再反射させるものである。

本発明によれば、第１基板側からブラックマトリックスに入射した光を画素領域に向けて反射させ、画素領域に入射した光を画素領域の上部に向けて再反射させることにより、液晶表示素子の輝度の向上を実現すると共に、輝度の向上によりコントラスト比を向上させて高画質の液晶表示素子を提供し得るという効果がある。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、本発明に係る液晶表示素子及びその製造方法について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明に係る液晶表示素子１００を示しており、図１Ａは、液晶表示素子１００に定義された複数の画素領域のうちの１つの画素領域Ｐを示す平面図、図１Ｂは図１Ａ内のＩ−Ｉ’線による断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、本発明に係る液晶表示素子１００は、第１基板１１０と、第１基板１１０に対向するように配置された第２基板１２０と、第１基板１１０と第２基板１２０との間に形成された液晶層１３０とから構成される。
図１Ｂにおいて、第１基板１１０及び第２基板１２０のそれぞれの背面には、第１偏光板１４１及び第２偏光板１４３が付着されており、第１基板１１０の背面に付着された第１偏光板１４１は、第１基板１１０との接着面において光を反射させる反射特性を有する。

図１Ａにおいて、第１基板１１０の表面には、第１方向（図中の横方向）に配列された複数のゲートライン１０１と、各ゲートライン１０１に対して直角な第２方向（図中の縦方向）に配列されて画素領域Ｐを定義する複数のデータライン１０３とが形成されている。

また、第１基板１１０の表面上には、画素領域Ｐを覆うように画素電極１１７が形成されており、ゲートライン１０１とデータライン１０３との交差部には、画素電極１１７と電気的に接続されて各画素をスイッチングするスイッチング素子ＴＦＴが形成されている。

スイッチング素子ＴＦＴは、薄膜トランジスタ１０２からなり、ゲートライン１０１から引き出されたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２上に形成されたアクティブ層１０８と、アクティブ層１０８上に形成されたソース電極１０５ａと、ドレイン電極１０５ｂとにより構成される。

ドレイン電極１０５ｂは、画素電極１１７と電気的に接続されていて、ゲート電極１０２とアクティブ層１０８との間には、ゲート絶縁膜１１３（図１Ｂ参照）が介在している。
図１Ｂにおいて、ゲート絶縁膜１１３は、第１基板１１０の全面を覆うように積層されており、薄膜トランジスタＴＦＴの上部には、保護膜１１５が形成されている。

また、図１Ｂにおいて、第２基板１２０の表面には、三角状のリブ構造に形成されて光漏れを遮断するブラックマトリックス１２８と、第２基板１２０の表面上にブラックマトリックス１２８を覆うように形成されたカラーフィルタ１２９と、第２基板１２０の表面上のカラーフィルタ１２９の全面を覆うように形成された共通電極１２７とが形成されている。

ブラックマトリックス１２８は、三角状のリブ構造（リブ形状：ｒｉｂｓｈａｐｅ）を有する有機パターン１２３と、有機パターン１２３の表面に形成された反射層１２５から構成される。
これにより、ブラックマトリックス１２８は、ブラックマトリックス１２８の領域に入射する光を遮断して光漏れを防止すると共に、第１基板１１０側からブラックマトリックス１２８に向かって入射した光（図中の矢印参照）を画素領域Ｐに向けて反射させる役割を果たす。

即ち、第１基板１１０の下部に配置されたバックライト（図示せず）から光が入射されると、液晶層１３０は、共通電極１２７と画素電極１１７との間に印加される電界に応じて光透過率を調節する。また、ブラックマトリックス１２８は、画素領域Ｐの境界部、即ち、ゲートライン１０１、データライン１０３及び薄膜トランジスタＴＦＴと対応する第２基板１２０の表面上に形成され、ブラック画面の駆動時に、この領域からの光漏れを防止する。

また、ブラックマトリックス１２８は、単純にバックライトの光を遮断するだけではなく、この領域に入って来る光を反射させて画素領域Ｐの方向に曲げ、更に、画素領域Ｐに入射した光は、第１基板１１０の下部に付着された第１偏光板１４１により再反射されて全体の輝度に寄与する。

従って、本発明においては、ブラックマトリックス１２８が入射した光を画素領域Ｐの方向に効果的に反射させるために、ブラックマトリックス１２８の反射面に傾斜面を形成しているが、特に、ブラックマトリックス１２８は、三角状のリブ構造を有している。

これにより、図１Ｂ中の矢印で表記された光経路に示すように、ブラックマトリックス１２８に向かって入射した光は、反射層１２５により画素領域Ｐに入射し、画素領域Ｐに入射した光は、再び画素領域Ｐの下部に形成された第１偏光板１４１により再反射されて、輝度の向上に寄与することが分かる。

なお、リブ構造の有機パターン１２３は、ネガティブＰＲ（ｎｅｇａｔｉｖｅｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）を使用して形成することができる。即ち、ネガティブＰＲを塗布した後、その線幅を１０μｍ以下にパターニングすると、その特性により三角状のリブ構造を有するパターンが形成される。

次に、本発明の実施の形態１に係るカラーフィルタ基板の製造方法について説明する。
図２Ａ〜図２Ｄは、本発明に係る液晶表示素子のカラーフィルタ基板の製造方法を工程順に示した断面図である。

まず、図２Ａに示すように、透明基板２２０を準備した後、透明基板２２０上にネガティブＰＲ膜２２３’を塗布し、ネガティブＰＲ膜２２３’上のパターンを残そうとする領域に光の透過領域が設けられたマスク２２１をブロッキングし、紫外線ＵＶを照射する。

続いて、紫外線ＵＶが選択的に照射されたネガティブＰＲ膜２２３’を現像することにより、図２Ｂに示すように、紫外線ＵＶが照射された領域に三角状のリブ構造を有する有機パターン２２３を形成する。

なお、図２Ｂにおいて、有機パターン２２３の上部が、平坦ではなくてリブ構造を有するのは、有機パターン２２３の幅が１０μｍ以下に形成されるからである。
一般的に、マスク２２１により有機パターン２２３を形成する場合、有機パターン２２３の境界面がテーパ状となるが、有機パターン２２３の線幅が１０μｍ以下である場合、有機パターン２２３の両側にテーパ状のリブ構造が形成される。

次に、有機パターン２２３を含む透明基板２２０の全面に、ＡｌまたはＡｌＮｄのように反射特性が優秀な金属層を蒸着した後、これをパターニングすることにより、図２Ｃに示すように、有機パターン２２３の表面のみに反射層２２５を形成する。
これにより、有機パターン２２３と反射層２２５とから構成されるブラックマトリックス２２８を透明基板２２０上に形成する。

最後に、図２Ｄに示すように、ブラックマトリックス２２８が形成された透明基板２２０上に、赤、緑及び青色のカラーフィルタ層２２９をそれぞれ形成した後、カラーフィルタ層２２９上に、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍｔｉｎｏｘｉｄｅ）またはＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍｚｉｎｃｏｘｉｄｅ）のような透明な導電性物質を蒸着して、透明基板２２０の表面上に透明な共通電極２２７を形成する。
これにより、図１Ｂ内の第２基板１２０に対応したカラーフィルタ基板が完成する。

図２Ｄにおいて、ブラックマトリックス２２８は、左右対称のリブ形状を有し、かつその表面に反射層２２５が形成されている。従って、ブラックマトリックス２２８の領域に入射した光は、ブラックマトリックス２２８の表面で反射されて、画素領域Ｐ（図１Ａ参照）に向かうことになる。

上述したように、本発明によれば、ブラックマトリックス２２８に向かって入射する光を画素領域Ｐ（図１Ａ参照）に向けて曲げることにより、従来のブラックマトリックス領域で消失していた光を輝度向上に寄与させることができ、輝度の向上を実現した液晶表示素子及びカラーフィルタ基板並びにその製造方法を提供することができる。

即ち、本発明の基本概念は、ブラックマトリックス２２８をリブ構造で形成すると共に、ブラックマトリックス２２８の表面に反射層２２５を形成することにより、ブラックマトリックス２２８に向かって入射した光を、画素領域Ｐに向けて入射させることにある。
以下、ブラックマトリックス２２８により反射されて画素領域Ｐに入射した光は、第１偏光板１４１（図１Ｂ参照）により再反射されて、輝度の向上に寄与する。

なお、本発明は、上記ＴＮ方式の液晶表示装置１００のみに限定的に適用されるものではない。
即ち、本発明は、共通電極及び画素電極が同一の第１基板１１０の表面上の画素領域に対して形成された横電界方式の液晶表示素子にも適用し得る。また、その他にも、ブラックマトリックスに入射した光を画素領域に反射し得るブラックマトリックス構造を有する如何なる駆動モードの液晶表示装置に対しても適用可能である。

本発明に係る液晶表示素子を概略的に示した平面図である。図１ＡのＩ−Ｉ’線断面図である。本発明に係るカラーフィルタ基板の製造方法を工程順に示した断面図である。本発明に係るカラーフィルタ基板の製造方法を示した工程断面図である。本発明に係るカラーフィルタ基板の製造方法を示した工程断面図である。本発明に係るカラーフィルタ基板の製造方法を示した工程断面図である。一般的な液晶表示素子を示した断面図である。

符号の説明

１００液晶表示装置、１０１ゲートライン、１０３データライン、１１０第１基板、１１３ゲート絶縁膜、１１５保護膜、１１７画素電極、１２０第２基板、２２０透明基板（第２基板）、１２３、２２３有機パターン、１２５、２２５反射層、１２８、２２８ブラックマトリックス、１２７、２２７共通電極、１２９カラーフィルタ、１３０液晶層、２２１マスク、２２３’ ＰＲ膜、２２９カラーフィルタ層、Ｐ画素領域、ＴＦＴスイッチング素子。

Claims

第１基板と、
前記第１基板に対向するように配置された第２基板と、
前記第１基板の表面に第１方向に配列された複数のゲートラインと、
前記第１基板の表面に前記ゲートラインに対して直角な第２方向に配列され、複数の画素領域を定義する複数のデータラインと、
前記ゲートラインと前記データラインとの交差部に形成されたスイッチング素子と、
断面が二等辺三角状であり、該二等辺三角の底辺が第２基板の表面上に位置し、かつ表面に反射層を有するブラックマトリックスと、
前記第２基板の表面上に前記ブラックマトリックスを覆うように形成されたカラーフィルタと、
前記第１基板と前記第２基板との間に形成された液晶層と、
前記第１基板及び前記第２基板の背面にそれぞれ形成された第１偏光板及び第２偏光板とを含み、
前記第１基板と接触する前記第１偏光板の接触面は、前記ブラックマトリックスで反射した光を前記液晶層に再反射させることを特徴とする液晶表示素子。
前記第１基板の表面上の画素領域を覆うように形成された画素電極と、
前記第２基板の表面上のカラーフィルタの全面を覆うように形成された共通電極と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
前記第１基板の表面上の画素領域に対して形成された共通電極及び画素電極を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
透明基板と、
前記透明基板の表面に縦横に配列されて複数の画素領域を定義すると共に、断面が二等辺三角状であり、該二等辺三角の底辺が第２基板の表面上に位置し、かつ表面に反射層を有するブラックマトリックスと、
前記ブラックマトリックスを覆うように形成されたカラーフィルタと、
を含むことを特徴とするカラーフィルタ基板。
薄膜トランジスタアレイが形成された第１基板を準備する段階と、
縦横に配列されて複数の画素領域を定義すると共に、断面が二等辺三角状であり、該二等辺三角の底辺が第２基板の表面上に位置し、かつ表面に反射層を有するブラックマトリックスと、前記ブラックマトリックスを覆うカラーフィルタ層とが形成された第２基板を準備する段階と、
前記第１基板と前記第２基板との間に液晶層を形成する段階と、
前記第１基板及び前記第２基板の背面にそれぞれ第１偏光板及び第２偏光板を取り付ける段階とを含み、
前記第１基板と接触する前記第１偏光板の接触面は、前記ブラックマトリックスで反射した光を前記液晶層に再反射させることを特徴とする液晶表示素子の製造方法。
前記第２基板を準備する段階は、
透明基板を準備する段階と、
有機物質からなり、断面が二等辺三角状であり、該二等辺三角の底辺が前記透明基板の表面上に位置する有機パターンを形成する段階と、
前記有機パターンの表面に前記反射層を形成する段階と、
前記透明基板の表面上に前記カラーフィルタ層を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項５に記載の液晶表示素子の製造方法。
前記カラーフィルタ層を形成する段階に続いて、前記カラーフィルタ層上に共通電極を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の液晶表示素子の製造方法。