具有拋光的彩色濾光襯底的有源矩陣彩色lcd器件的制作方法

專利名稱：具有拋光的彩色濾光襯底的有源矩陣彩色lcd器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種有源矩陣LCD(液晶顯示)器件，尤其涉及一種包括有拋光表面的彩色濾光襯底的有源矩陣LCD器件。本發明還涉及一種制造這種彩色濾光襯底的方法。
背景技術：
有源矩陣LCD器件越來越多地用于彩色圖像顯示。圖7以剖面圖顯示了一個常規LCD器件。這種有源矩陣LCD器件包括其上形成有薄膜晶體管(或有源元件，圖中沒有畫出)的TFT襯底30，和其上安裝有彩色慮光片的彩色濾光襯底(或反向襯底)10A。TFT襯底30與彩色濾光襯底10A相對，其間有夾在二者中的液晶(LC)層40。在彩色濾光襯底10A上有三個(R、G和B)彩色層23使能夠顯示彩色圖像。
彩色濾光襯底10A包括玻璃襯底21，形成于其上并有明顯格子圖形的黑色矩陣(BM)22，每個都形成在黑色矩陣22的格子的間隔中的玻璃襯底21和黑色矩陣22的格子的條紋的邊緣部分上的彩色層23，以及形成在彩色層23和黑色矩陣22的格子的其他部分上的透明電極24。每個彩色層23有大約如1到3微米的厚度。
黑色矩陣22在格子圖形中有間隔，防止光的泄漏、遮擋LC層的排列缺陷，并且限定光傳輸區或象素圖像區。黑色矩陣22由鉻膜或者摻入碳等的樹脂膜構成。在目前的趨勢中，由于鉻膜上漲的成本而越來越多地用樹脂膜作為黑色矩陣22。
每個彩色層23的表面在第一區，或凸區，和第二區，或基本平坦區之間有階狀差，其中在第一區或凸區，黑色矩陣22的條紋的邊緣和彩色層23的邊緣相互重疊，在第二區或基本平坦區，彩色層23直接形成在黑色矩陣22的間隔中的玻璃濾光片21上。
在第一區和第二區之間的階狀差引起了一個已知的稱為向錯的問題。如果黑色矩陣22由鉻膜構成，由于鉻膜有0.1到0.2微米極小的厚度，此厚度遠小于彩色層23的厚度，因此幾乎不會產生向錯問題。另一方面，如果黑色矩陣22由樹脂膜構成，由于樹脂膜較大的厚度，其大約等于1到2微米以達到足夠的光遮擋特性或光吸收特性，因此會產生向錯問題。
為解決關于黑色矩陣的樹脂膜的上述問題，在彩色層23和透明電極24間提供丙烯酸樹脂或環氧樹脂構成的覆蓋膜，以改善整個彩色濾光襯底10A的表面平坦度。然而，這要求額外的制造步驟，因此增加了LCD器件的成本。另一個改進彩色濾光襯底10A的表面平坦度的技術是例如在通過利用電鍍技術形成彩色層23后，對彩色層23的表面拋光。例如JP-A-9-230124中說明了此技術。
在常規的技術中，彩色濾光襯底10A的表面的允許的階狀差一般低于0.5微米，如上述專利公開中中所說明。更具體地，通常認為在彩色層中低于0.5微米階狀差足以抑制彩色濾光襯底的表面引起的LCD器件的向錯。
但是，本發明者從各種模擬和實驗中發現低于0.5微米的階狀差不一定能抑制階狀差引起的向錯問題，其依賴于LCD器件的情況和結構。

發明內容
考慮到上述問題，本發明的一個目的在于提供一個有彩色濾光襯底的LCD器件，其有效地抑制由彩色層上的階狀差引起的向錯問題。
本發明的另一個目的在于提供一種制作用在有源矩陣LCD器件中的這樣的彩色濾光襯底的方法。
本發明提供一種液晶顯示器件(LCD)包括TFT襯底、彩色濾光襯底，以及夾在TFT襯底和彩色濾光襯底間的扭曲向列型液晶(LC)層，彩色濾光襯底包括透明襯底；在透明襯底上形成的并且有明顯格子圖形的光遮擋層；在光遮擋層的間隔中的透明襯底的一部分和光遮擋層的條紋的邊緣部分上形成的彩色層；以及覆蓋彩色層和光遮擋層的條紋的其他部分的定向薄膜，彩色層有一個覆蓋光遮擋層的間隔上的基本平坦的表面，一個從平坦表面延伸且升高并覆蓋光遮擋層的條紋的邊緣部分的傾斜表面，一個從傾斜表面延伸的拋光的平坦表面，以及在拋光的平坦表面和光遮擋層的條紋的其他部分之間延伸的后邊緣表面，其中下面關系表達式成立D=2φ-{0.25θ+1+L1/4-1.0340.03724}>0,]]>其中θ、L和φ分別代表相對于透明襯底表面的傾斜表面的角、傾斜表面的寬度、以及LC層中的LC分子的預傾角。
本發明還提供一種制作在液晶顯示(LCD)器件中的彩色濾光襯底的方法，該液晶顯示器件包括TFT襯底、彩色濾光襯底、以及夾在TFT襯底和彩色濾光襯底間的扭曲向列型液晶(LC)層，該方法包括連續步驟在透明襯底上形成有明顯格子圖形的光遮擋層；在光遮擋層的間隔中的透明襯底的一部分和光遮擋層的條紋的邊緣部分形成彩色層，彩色層有一個覆蓋光遮擋層的間隔的基本平坦的表面，一個從平坦表面延伸且升高并覆蓋光遮擋層的條紋的邊緣部分的傾斜表面，以及一個在傾斜面表面和遮擋層的條紋的其他部分之間延伸的后邊緣表面；對彩色層的表面部分拋光，使在傾斜表面和后邊緣表面間形成的拋光表面滿足下面關系表達式D=2φ-{0.25θ+1+L1/4-1.0340.03724}>0,]]>
其中θ、L和φ分別代表相對于透明襯底表面的傾斜表面的角，拋光之后傾斜表面的剩余部分的寬度，以及LC層中的LC分子的預傾角。以及形成覆蓋彩色層和光遮擋層的其他部分的定向薄膜。
根據本發明的LCD器件和由本實施例的方法制作的彩色濾光襯底，彩色濾光層的拋光的表面防止由彩色層的表面中的階狀差引起的向錯的產生，因此改善了LCD器件的圖像質量。
本發明的上述和其他的目的、特征和優勢，在下面參考附圖的說明中將更為明顯。


圖1是根據本發明的實施例的彩色濾光襯底的剖面圖；圖2是彩色層的拋光步驟之前，圖1的彩色濾光襯底的一部分的放大的剖面圖。
圖3是表示拋光步驟前的彩色濾光襯底的預傾角和向錯的位置之間關系的曲線圖。
圖4是彩色層的拋光步驟之后，圖1的彩色濾光襯底的一部分的放大的剖面圖。
圖5是表示向錯的位置和包括斜面角和預傾角的條件之間關系的曲線圖。
圖6是表示向錯的位置和包括斜面角和預傾角的條件之間關系的曲線圖。
圖7是有彩色濾光襯底的常規LCD器件的剖面圖。
具體實施例方式
現在，參考附圖更具體地說明本發明。
根據本發明的實施例的LCD器件，除了其具有彩色濾光襯底結構之外，有與參考圖7的常規LCD器件所描述的結構相似的結構。因此，為避免重復，在此省略除了彩色濾光襯底結構之外的結構的描述。
參考圖1，用于根據本發明實施例的LCD器件中的彩色濾光襯底，一般用數字10表示，包括透明襯底，如玻璃襯底11，有明顯格子圖形的黑色矩陣12，每個都形成于黑色矩陣12的相應間隔的玻璃襯底11和黑色矩陣12的條紋的邊緣部分上的彩色層13，以及形成于彩色層13和黑色矩陣12的條紋上的透明電極14。彩色濾光襯底10用于例如包括扭曲向列型LC層的標準白色LCD器件中。在LCD器件中的LC層的驅動電壓為例如3.3伏，4伏或5伏。對于有5伏驅動電壓的LCD器件，ZL14792(商標，來自Merck)可以用作LC材料。
黑色矩陣12防止光的泄漏，遮蓋LC層的排列缺陷，并且限定在格子圖形間隔中的光傳輸區。每個光傳輸區由在LCD器件中的象素顯示區組成。黑色矩陣12由包括其中擴散有碳等的樹脂構成，并且有例如20微米的條寬。黑色矩陣12通常要求其光學特性中有3或大于3的光密度(OD)，并且由此有如1.3微米的厚度以獲得要求的這種光特性。黑色矩陣12的光密度OD由下面公式定義OD＝-log(l/lo)其中，lo和l分別代表黑色矩陣的入射光的強度和在其中傳播光的強度。
通過在其中擴散有機顏料，由樹脂制得彩色層13的材料。通過涂敷技術在透明襯底11上形成彩色層13，在其上形成黑色矩陣12的圖形，然后曝光，顯影和烘干。彩色層13有大約1.6微米的厚度并且各自象素顯示區包括紅(R)、綠(G)和藍(B)層。
在其涂敷之后，彩色層13的表面被拋光，使其上凸出的部分去除，在此部分彩色層13重疊黑色矩陣12的條紋，由此相對于玻璃襯底11具有更高的高度。彩色層13的拋光部分如圖4所示，其顯示了引進到LCD器件中的彩色濾光襯底10。需要注意的是，為了圖4中的描述透明電極14和定向薄膜被省略。
在彩色層13經過拋光處理后，形成向LC層施加電場的透明電極14。在透明電極14上形成由如聚酰亞胺樹脂構成的定向薄膜。彩色濾光襯底10通過定向薄膜接觸LC層中的LC分子41。與定向薄膜接觸的LC分子41的預傾角φ設置為例如3度。
上述彩色層13的拋光避免了在彩色濾光襯底附近的LC分子41出現向錯。這將在后面參考圖2到圖6進行說明。
圖2是在彩色層13拋光之前圖1的彩色濾光襯底10的一個部分的細節。為了本發明的理解，在圖2中，在拋光之前的彩色層13顯示為與LC分子41接觸。換句話說，圖2顯示一個具有沒有對彩色層13使用拋光步驟而形成的常規彩色濾光襯底的LCD器件。
在圖2中，在彩色濾光襯底10的表面的LC分子41，與彩色濾光襯底10的表面有預傾角φ的傾斜。彩色層13和黑色矩陣12的條紋相互重疊的寬度是例如3微米。
在彩色濾光襯底10中，黑色矩陣12和彩色層13的重疊部分在彩色層13的表面中形成了凸出部分15。彩色層13的凸出部分15的高度和其上與黑色矩陣12不重疊的平坦部分16的高度的差在圖2中用H1表示。平坦部分16相當于象素顯示區或象素的有效開放區。凸出部分15包括與平坦部分16相鄰的長度為L1的斜面區17，以及落到黑色矩陣12的條紋表面的后邊18。斜面區(斜面表面)17相對于玻璃襯底11表面的斜面角θ為θ＝tan-1(H1/L1)。
圖3為在彩色層13拋光之前，根據預傾角φ和在LC層中向錯的位置間的關系獲得的模擬結果。在此模擬中，斜面區17的角θ是10度，并且斜面區17的寬度L1是10微米。經過特定時間間隔，使由于對LC層施加電場而引起的LC分子排列穩定之后，檢測向錯的位置。在圖3中，彩色濾光襯底10的象素區被分成被黑色矩陣12遮擋的光遮擋區和對應黑色矩陣12的間隔的光傳輸區。此外，在遮擋區和光傳播區間的邊界定義為原點(0微米)，光遮擋區為其負區，光傳輸區為其正區。
通常，LCD器件在彩色層13的斜面區17的附近中受到相反的傾斜，如圖2所示，其中在彩色層13的平坦區16和凸出區15間的LC分子41旋轉的方向產生不連續，因此導致向錯。如圖3所示，對于沒有使用拋光操作的圖2中的彩色濾光襯底，如果預傾角φ在約3.5度或更低時，在邊界(黑色矩陣的條形的邊緣)的光傳輸面上產生向錯，因此由于光泄漏而降低象素顯示區的圖像質量。
在圖3的例子中，顯示了對于4度或大于4度的預傾角，向錯進入被黑色矩陣12的條紋遮擋的光遮擋區，因此看不到向錯。相反的傾斜依賴于預傾角φ的大小和斜坡區17的斜面角θ的大小間的關系產生。因此為抑制反向的傾斜，通常需要將預傾角設置為更低的值。
預傾角φ由LC材料和定向薄膜確定，其中后者通過適當地設置其研磨強度提供所希望的預傾角。然而，達到較高預傾角的定向薄膜的材料是有限的，由于材料本身而使材料具有較低的可靠性，并且很難獲得對預傾角的精確控制。因此，在LCD器件中設置一個過高的預傾角是不合適的。
上述的圖4是對彩色層13拋光后圖1的LCD器件中的彩色層13的放大剖面。進行彩色層13的拋光，將拋光前的高度H1縮小到圖4中的H2。在此步驟中，斜面區17的寬度L1被縮小到L2。例如，如果斜面角θ是7度，進行拋光使彩色層13的斜面區17的寬度L2呈現為2微米。本發明者從各種實驗和模擬中發現將寬度L1縮小到L2消除了彩色濾光襯底10引起的向錯。消除向錯的原因在下面詳細考慮。
通常，設置在彩色濾光襯底10上的LC分子41以由定向薄膜限定的預傾角φ排列，并且離開彩色濾光襯底10的LC分子41與排列在彩色濾光襯底10上的LC分子對齊。然而，如果斜面區17有更小的寬度，并且斜坡角θ和預傾角φ間的關系存在特定關系，那么小距離離開彩色濾光襯底10的斜面區17的LC分子41對齊在其附近的LC分子41比對齊在彩色濾光襯底10上的LC分子41在其能量方面更為穩定。因此，即使在彩色濾光襯底10上的斜面區17的LC分子41的排列引起一個反向傾斜，那么在傾斜區17上的多數其他LC分子41在一個方向排列，以致不產生反向傾斜并因而不產生向錯。
在常規技術中，認為在彩色層13中的高度差應該減小到0.5微米。在本實施例中，對彩色層13的表面機械拋光使斜面區17的寬度L1減小，以抑制向錯。在本發明中，證實了在平坦區16和凸出區15間的高度差實際上是一個表面的參數，并且能夠通過采用預傾角φ、斜面角θ和斜面區17的寬度L1(L2)的特定的組合而抑制向錯。
圖5表示通過模擬獲得的向錯的位置與預傾角φ和斜面角θ的組合之間的關系。在此模擬中，當改變預傾角φ和斜面角θ，獲得向錯的出現和消失間的邊界。在圖5中，曲線A(用括號中的0微米表示)顯示在邊界上的向錯的出現，曲線B(用括號中的-5微米表示)顯示離開邊界向光遮擋區方向5微米的位置的向錯的出現。在此選擇在光遮擋區中距離邊界即黑色矩陣的條紋的邊緣5微米以達到向錯的穩定抑制。
在圖5中，在曲線B左上側的區域[II]意味著在此區域看不到向錯，而在曲線右下側的區域[I]意味著在此區域可以看到向錯。例如，如果斜面角是5度，那么在預傾角等于或小于2度時可看到向錯，而在3度的預傾角時看不到向錯。在曲線B之上的區域[II]由下面關系近似確定φ≥0.25θ+1 (1)更具體地，如果上述關系(1)成立，那么在LCD器件中看不到向錯。
圖6顯示通過模擬獲得的向錯的位置與預傾角φ、斜面區17的寬度L1或L2的組合之間的關系。在此模擬中，斜面角θ固定在10度，而改變預傾角φ和斜面區寬度L1以獲得向錯的位置。如圖6中所示，曲線C(用括號中的-5微米表示)左上側的區域[III]意味著看不到向錯的區域，而曲線D(用括號中的0微米表示)右下側的區域[IV]意味著能看到向錯的區域。曲線C之上的區域[III]由下面關系近似確定L≤(0.03724φ2+1.034)4(2)以上關系(2)可以重寫為如下φ≥L1/4-1.0340.03724---(3)]]>在此假設(L1/4-1.034)＞0。更具體地，如果上述關系(2)或(3)成立，那么在LCD器件中看不到向錯。
上面關系(1)和(3)在將關系(1)和(3)中的不等號用等號代替后，可以通過將(1)和(3)的兩邊相加聯合在一起，得到下面的公式2φ=0.25θ+1+L1/4-1.0340.03724---(4)]]>通過使用判別式DD=2φ-{0.25θ+1+L1/4-1.0340.03724}>0---(5)]]>當滿足D＞0的條件時，可以得到看不到向錯的區域或范圍。
在本實施例中，拋光彩色層13以使預傾角φ、斜面角θ和斜面區17的寬度L2滿足上面關系D＞0。例如，如果預傾角φ和斜面角θ分別為3度和10度，那么拋光彩色層13使斜面區17的寬度L2呈現2.575微米或更小。這樣，如果LC分子的預傾角φ和斜面區17的斜面角θ是已知的，那么通過對其拋光使彩色層13去除的量可以由拋光后斜面區17的寬度L2確定。
通常，如果彩色層13通過拋光被過度地去除，那么LCD器件受到圖像質量降低的損害。然而，在本發明中，去除量能夠根據預傾角φ確定，避免了由于過度拋光而降低圖像質量。此外，由于不需要覆蓋層來避免本發明的彩色濾光襯底中的向錯，在保持LCD器件的高對比度(如200∶1)的情況下，LCD器件的成本能夠降低。
由于本實施例只作為說明的例子，本發明不限于上述實施例并且本領域技術人員由此容易地進行各種修改和變化而不偏離本發明的范圍。
權利要求
1.一種液晶顯示器件(LCD)，包括TFT襯底，彩色濾光襯底，以及夾在所述TFT襯底和所述彩色濾光襯底間的扭曲向列型液晶(LC)層，所述彩色濾光襯底包括透明襯底；在所述透明襯底上形成的并且有明顯格子圖形的光遮擋層；在所述光遮擋層的每個間隔中的所述透明襯底的一部分和所述光遮擋層的條紋的邊緣部分形成的彩色層；以及覆蓋所述彩色層和所述光遮擋層的所述條紋的其他部分的定向薄膜，所述彩色層有一個覆蓋所述光遮擋層的所述間隔的基本平坦的表面，一個從所述平坦表面延伸且升高并覆蓋所述光遮擋層的所述條紋的所述邊緣部分的傾斜表面，一個從所述傾斜表面延伸的拋光的平坦表面，以及一個在所述拋光的平坦表面和所述光遮擋層的所述條紋的所述其他部分之間延伸的后邊緣表面，其中下面關系成立D=2φ-{0.25θ+1+L1/4-1.0340.03724}>0,]]>其中θ、L和φ分別代表相對于所述透明襯底表面的所述傾斜表面的角，所述傾斜表面的寬度，以及所述LC層中的LC分子的預傾角。
2.根據權利要求1所述的LCD器件，其中所述傾斜表面的所述寬度不大于2.5微米。
3.根據權利要求1所述的LCD器件，其中所述傾斜表面的所述角在5度和10度之間，包括5度和10度。
4.根據權利要求1所述的LCD器件，其中所述LC層由3伏和5伏之間的驅動電壓驅動，包括3伏和5伏。
5.根據權利要求1所述的LCD器件，其中所述LCD器件有不小于200∶1的對比度。
6.一種制造液晶顯示(LCD)器件中的彩色濾光襯底的方法，該液晶顯示器件包括TFT襯底、所述彩色濾光襯底、以及夾在所述TFT襯底和所述彩色濾光襯底間的扭曲向列型液晶(LC)層，所述方法包括連續步驟在透明襯底上形成有明顯格子圖形的光遮擋層；在所述光遮擋層的每個間隔中的所述透明襯底的一部分和所述光遮擋層的條紋的邊緣部分形成彩色層，所述彩色層有一個覆蓋所述光遮擋層的所述間隔的基本平坦的表面，一個從所述平坦表面延伸且升高并覆蓋所述光遮擋層的所述條紋的所述邊緣部分的傾斜表面，以及一個在所述傾斜表面和所述光遮擋層的所述條紋的其他部分之間延伸的后邊緣表面；對所述彩色層的表面部分拋光，從而在所述傾斜表面和所述后邊緣表面間形成的拋光表面滿足下面關系表達式D=2φ-{0.25θ+1+L1/4-1.0340.03724}>0,]]>其中θ、L和φ分別代表相對于所述透明襯底表面的所述傾斜表面的角，在所述拋光之后的所述傾斜表面的剩余部分的寬度，以及所述LC層中的LC分子的預傾角；以及形成覆蓋所述彩色層和所述光遮擋層的其他部分的定向薄膜。
全文摘要
在有源矩陣LCD器件中的彩色濾光襯底有玻璃襯底，以及連續形成在玻璃襯底上的黑色矩陣、彩色層和定向薄膜。由于重疊黑色矩陣而形成的彩色層的凸出表面被拋光以減小彩色層的凸出表面的傾斜表面的寬度。彩色層的拋光避免了由傾斜表面引起的向錯。
文檔編號G02F1/13GK1580916SQ20041005651
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月6日 優先權日2003年8月6日
發明者古茶陽子, 池野英德, 佐藤弘樹 申請人:Nec液晶技術株式會社