JPH0995625A - 絶縁性ブラックマトリックス用カーボンブラック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高遮光率で、表面反射率が低く、膜厚の小さ
いブラックマトリックスを提供しうる絶縁性ブラックマ
トリックス用カーボンブラックを得る。 【解決手段】 カーボンブラックを樹脂で被覆処理して
なる絶縁性ブラックマトリックス用カーボンブラック。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性ブラックマ
トリックス用カーボンブラックに関し、さらに詳しくは
たとえばカラーテレビ、液晶カラーテレビ、カメラ等に
使用される光学的カラーフィルターに用いる絶縁性ブラ
ックマトリックス用のカーボンブラックに関する。

【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程度に間隔を設け
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て透明部分と不透明
部分を形成し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、透明電極への印加電圧の調整によっ
て液晶の光の透過を制御してＲ，Ｇ，Ｂの３色のフィル
ターを透過する光量を制御して三原色の加色による発色
によってカラー表示を行っている。

【０００３】Ｒ，Ｇ，Ｂの着色層は、あらかじめ各色の
間を区画するブラックマトリックスの膜を設けた基板上
に形成する方式や、Ｒ，Ｇ，Ｂを形成後ブラックマトリ
ックス膜を設ける方法等種々あるが、ブラックマトリッ
クスの役割としては、いずれもＲ，Ｇ，Ｂ三原色を区画
すると共に、カラーフィルターに対向する基板上に設け
た液晶の駆動用の電極あるいはＴＦＴ（薄膜トランジス
タ）等のトランジスタを遮光する作用を果している。こ
のような目的で使用されるカラーフィルターのブラック
マトリックスは二つに大別することができる。

【０００４】（１）フォトリソグラフィー法より加工し
たＣｒ等の金属膜からなるブラックマトリックス：解像
度、および遮光率が高く、光学濃度（ＯＤ）３．０以上
が膜厚０．１μｍ近辺で容易に得られるが、金属膜のた
め可視光の反射率が約４０％と高く、外光の反射による
表示画像のコントラスト低下や、周囲にある明るい物体
がブラックマトリックス面で反射して表示画像に重な
る、いわゆる写り込みが生じ画質の低下を来たしやす
い。また、Ｃｒ膜のスパッタ、フォトリソグラフィー加
工と工程が長いので低コスト化が困難であるという難点
もある。

【０００５】（２）黒色顔料を分散した有機樹脂膜をフ
ォトリソグラフィー法、印刷法、あるいはフォトエッチ
ング法でパターニングするか、または、感光性樹脂膜を
パターニングした後、黒色染料で染色して得られる黒色
有機樹脂膜からなるブラックマトリックス、黒色である
ため可視光の反射率が数％以下と低く、外光の反射によ
る表示画像のコントラスト低下や、周囲にある明るい物
体の写り込みが金属膜ブラックマトリックスに比べ大幅
に減少し、画質が向上する。しかし、遮光率が低いとい
う難点がある。すなわち、フォトリソグラフィー法では
遮光率を上げると、基板との界面に到達する露光光量が
減少するため、高遮光率とすると（例えば光学濃度３．
０では基板に到達する透過光量は１／１０００）、現像
時に有機樹脂膜のパターン剥がれが生じ、ブラックマト
リックスが形成できなくなる。これを避けるため露光量
を増やすと、パターン寸法の太りが生じ、所定の解像度
が実現できなくなりやすい。また、印刷法やフォトエッ
チング法ではフォトリソグラフィー法に比べ制約はやや
ゆるいが、黒色着色材の含有量に限界があるので、高遮
光率とすると印刷時の膜厚が大となり（例えば膜厚１．
０μｍで光学濃度２．０の場合、光学濃度を３．０に上
げると膜厚は３．３μｍになる）、本質的にフォトリソ
グラフィー法に比べて劣る解像度が、さらに大幅に低下
し、実質的にブラックマトリックスが形成できなくなる
おそれがある。

【０００６】一般に黒色有機樹脂膜からなるブラックマ
トリックスは、金属膜からなるブラックマトリックスに
比べ光学濃度２．０〜２．５において膜厚が１〜２μｍ
と厚いが、膜厚１．５μｍを超えると、その上にカラー
フィルターや保護膜および透明電極を形成して完成した
基板の表面平坦度が０．５μｍを超えるようになり、対
向電極基板と組み合せて液晶表示パネルとした場合、色
むら、白しみ、輝度むら等が発生し、表示画質が低下す
る。したがって、ブラックマトリックスの膜厚は１μｍ
以下好ましくは０．５μｍ以下とすることが極めて重要
である。

【０００７】一方、透明保護膜や透明画素電極に関し
て、例えば、特開平４−１３０４０１号公報には、透明
基板上に導電性遮光パターン層、透明絶縁層、カラーフ
ィルターパターン層、透明保護膜層、透明導電性パター
ン層を順次形成した電極付カラーフィルターが記載され
ている。ここで、透明保護膜や透明絶縁層は、透明電極
の表面平滑性を向上させることと、カラーフィルターの
耐溶媒性の向上、更には、導電性遮光層（ブラックマト
リックス）と透明導電性層（透明電極）との電気的絶縁
を目的とし形成されている。

【０００８】ところが最近、カラーフィルター（液晶表
示装置）の低コスト化や更なる薄膜化を目的に透明保護
膜や透明絶縁膜を除去し、カラーフィルターやブラック
マトリックス自体で使用可能な平滑性と絶縁性を持たせ
ようとの研究が活発である。しかしながら、特に絶縁性
に関しては、ブラックマトリックスの主成分としてクロ
ムや酸化クロム等の金属膜並びにカーボンブラックやグ
ラファイト等の炭素粉等いずれも導電性素材を用いてい
るため極めて困難であり、新規の素材が望まれていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
観点に基づいて、従来法では実現できなかった、薄膜で
高遮光率を示しかつ表面反射率も低い黒色遮光膜からな
るブラックマトリックスを有するカラーフィルターに好
適なカーボンブラックを提供するとともに併せて透明保
護膜や透明絶縁膜の機能まで有する絶縁性ブラックマト
リックス用カーボンブラックを低コストで提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、カーボンブラ
ックを樹脂で被覆処理してなる絶縁性ブラックマトリッ
クス用カーボンブラックを要旨とする。

【００１１】以下、本発明を詳細に説明する。

【発明の実施の態様】まず、本発明において樹脂を被覆
処理するカーボンブラックとしては次のようなカーボン
ブラックが用いられる。 （ｉ）全酸量が１５ｍｇ／ｇ以上でかつ全酸素量／比表
面積が０．１０以上であることが必要である。カーボン
ブラックの粒子表面には、水素基（−ＯＨ）やカルボニ
ル基

【００１２】

【化１】

【００１３】カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）基の酸素官
能基が存在し、これの量により樹脂等に配合した場合の
抵抗が大幅に変化する。通常酸素官能基は、揮発分組成
で測定し、水酸基やカルボニル基の量はＣＯまたはカル
ボキシル基の量はＣＯ₂ として定量できる。全酸素量
は、ＣＯおよびＣＯ₂ から換算した量であり、この全酸
素量を１５ｍｇ／ｇ以上とすることが必要であり、好ま
しくは２０ｍｇ／ｇ以上とすることである。また比表面
積で除した単位表面積当りの酸素量の値が０．１０以上
であることが必要である。好ましいのは０．１５以上に
することである。

【００１４】上記揮発分組成は、一定量の乾燥したカー
ボンブラックを耐熱性の試料管に入れ、１０^-2ｍｍＨｇ
まで減圧した後、９５０℃に加熱した電気炉に装着し、
３０分間揮発分を脱離した。これを全量タンクに集め混
合した後、ガスクロマトグラフィーによってガスの組成
および量を測定しＣＯ₂ ／ＣＯ比（重量比）および全酸
素量／比表面積を算出する。

【００１５】比表面積は、ＢＥＴ法によって測定したも
のである。即ち、低温窒素吸着装置「ソープトマチック
１８００」（イタリヤ、カルロ・エルバ社製）を用い低
温窒素吸着法によりカーボンブラックの窒素吸着量を測
定し、これからＢＥＴの式を用い多点法により算出した
ものである。

【００１６】（ｉｉ）灰分が１．０重量％以下、ＤＢＰ
吸収量が１４０ｍｌ／１００ｇ以下、粒子径が１０〜３
５ｎｍのカーボンブラックが好ましい。灰分の組成は、
Ｎａ，Ｋ，Ｃａ等のアルカリ金属やアルカリ土類金属等
であり、これらを含有したカーボンブラックを樹脂等に
配合すると絶縁性が低下する。これは、ＮａやＫ，Ｃａ
等のイオン性導電性物質が吸水性大であるため、カーボ
ンブラック−樹脂複合体の吸収性が増大し、その結果絶
縁性が低下するものと考えられる。

【００１７】このイオン性導電物質を低減させるために
は、カーボンブラック製造時の原料油の吟味、急冷時に
使用するスプレー水の吟味、添加物の吟味などにより達
成される。また製造炉から製出したカーボンブラックを
水洗或いは酸洗いすることによっても達成される。更に
上記製造時の原料、スプレー水、添加物等の吟味と、水
洗、酸洗い等とを組合わせることによっても達成でき
る。カーボンブラック中に存在するイオン性導電物質の
含量は、そのカーボンブラックを７５０℃において空気
中で４〜６時間焼成したときに残る灰分量で表わされ、
本発明配合物のカーボンブラックの灰分量は１．０重量
％以下であることが好ましく、さらに好ましいのは０．
５重量％以下である。

【００１８】また、ＪＩＳ−Ｋ６２２１−Ａ法で測定し
たＤＢＰ吸収量が１４０ｍｌ／１００ｇを越えると、カ
ーボンブラック自体の黒色度が低下しブラックマトリッ
クス用樹脂ワニスに配合し塗布した場合の濃度感が十分
でないだけでなくペーストの粘度も高くなり、平滑性の
良い塗膜が得られなくなるおそれがある。ＤＢＰ吸収量
としては、１４０ｍｌ／１００ｇ以下であることが好適
であり、さらに好ましくは１２０ｍｌ／１００ｇ以下で
ある。

【００１９】また、電子顕微鏡法で測定した一次粒子径
は１０〜３５ｎｍであることが好適であり、１０ｎｍ未
満の場合には、分散性の点で好ましくなく、一方３５ｎ
ｍを超えると、光学濃度の高いブラックマトリックスを
得にくくなるので好ましくない。被覆処理する樹脂の種
類も特に限定されるものではないが、合成樹脂が一般的
であり、さらに構造の中にベンゼン核を有した樹脂の方
が両性系活面活性剤的な働きがより強いため分散性及び
分散安定性の点から好ましい。

【００２０】具体的な合成樹脂としては、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
ン樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリスチレン、ポリカーボ
ネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテ
レフタレート、変性ポリフェニレンオキサイド、ポリス
ルフォン、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、ポリ
アミドイミド、ポリイミド、ポリアミノビスマレイミ
ド、ポリエーテルスルフォポリフェニレンスルフォン、
ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、等の熱
可塑性樹脂が使用できる。

【００２１】カーボンブラックに対する樹脂の被覆量
は、カーボンブラックと樹脂の合計量に対し１〜３０ｗ
ｔ％が好ましく、１ｗｔ％未満の量では、未処理のカー
ボンブラックと同様の分散性や分散安定性しか得られな
いおそれがある。一方、３０ｗｔ％を超えると、樹脂同
士の粘着性が強く、団子状の固まりとなり、分散が進ま
なくなるおそれがある。

【００２２】このようにして樹脂で被覆処理してなるカ
ーボンブラックは、常法に従い絶縁性ブラックマトリッ
クスの遮光材として用いることができ、この絶縁性ブラ
ックマトリックスを構成要素とするカラーフィルターを
常法により作成することができる。本発明のカーボンブ
ラックを用いると、高遮光率でかつ表面反射率が低くま
た膜厚小の絶縁性ブラックマトリックスが低コストで達
成できる。絶縁性ブラックマトリックス液を構成する樹
脂や溶媒に対し、カーボンブラックの分散性や分散安定
性が格段に向上したためと推測される（従来のカーボン
ブラックであると、いかに混練しても０．１μｍ以下ま
で分散することは困難であり、分散したとしても安定性
が悪く、時間とともに凝集が大きくなる。）。

【００２３】Ｖ．Ｅ．グール等（１９７０年発行、「導
電性ポリマーの研究と応用」）によると、電気が流れる
際に必要な電荷の移動は、充填剤の粒子で構成される鎖
の表面及び熱輻射熱を利用した粒子内部を中心に行なわ
れると共に、印加電圧、温度等の条件によっては、電位
障壁（ポテンシャルバリヤー）を越えての電子のジャン
プいわゆるトンネル効果で行なわれると考えられてい
る。本発明によれば好適には、表面官能基の多いカーボ
ンブラックを用い更に表面を高絶縁性樹脂で被覆したこ
とにより、ＣａやＮａ等のイオン性物質を封じ込める働
きと共に、導体同士の接触を絶縁したこと、更に、被覆
膜により電子のジャンプが不可能になったこと等によ
り、高絶縁性が達成されたものと推測される。

【００２４】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。 〔実施例−１〕カーボンブラックは、通常のオイルファ
ーネス法で製造した。但し、原料油としては、Ｎａ、Ｃ
ａ、Ｓ分量の少ないエチレンボトム油を用い、燃焼用に
はコークス炉ガスを用いた。更に、反応停止水として
は、イオン交換樹脂で処理した純水を用い製造した。

【００２５】後記表中のカーボンブラックＤ、Ｅ、Ｆは
原料油の量と添加助剤量等を変更することにより作り分
けした。また、Ａ、Ｂ、Ｃのカーボンブラックは、カー
ボンブラックＤ５０ｇを内径１０ｃｍ、長さ１５ｃｍの
円筒形キルンに入れ、９ｒｐｍで回転させつつ空気とオ
ゾンの混合ガス（オゾン６０００ｐｐｍ）にＡは４時
間、Ｂは３時間、Ｃは２時間接触させることにより処理
した。

【００２６】得られたカーボンブラックＡ５４０ｇを純
水１４５００ｇと共にホモミキサーを用い６，０００ｒ
ｐｍで３０分撹拌しスラリーを得た。このスラリーをス
クリュー型撹拌機付容器に移し約１，０００ｒｐｍで混
合しながらエポキシ樹脂「エピコート８２８」６０ｇを
溶解したトルエン６００ｇを少量ずつ添加していった。
約１５分で、水に分散していたカーボンブラックは全量
トルエン側に移行し約１ｍｍの粒となった。

【００２７】次に、６０メッシュ金網で水切りを行った
後、真空乾燥機に入れ７０℃で７時間乾燥し、トルエン
と水を完全に除去した。得られたカーボンブラック中の
残存トルエン量は１１０ｐｐｍ、水は、５００ｐｐｍで
あった。このカーボンブラックは、樹脂と溶剤、必要に
応じ分散剤を加え、ボールミル等で微細化しブラックマ
トリックス評価用ペーストを作成した。

【００２８】すなわち、エチルセロソルブの４０％液ア
ルカリ可溶性高分子化合物（アトケミ（株）製、「ＳＭ
Ａ−１７３５２」）３７．８％とエチルセロソルブアセ
テート５４．１％を混合したワニス中に上記カーボンブ
ラック８．１％を加え１ｍｍ径のガラスビーズを入れた
サンドミルを用い、２，０００ｒｐｍで１０時間混合分
散させペーストを作成した。得られたペーストは、中性
洗剤と水、アルコールで洗浄した透明ガラス板上にスピ
ンコーターを用い、２，０００ｒｐｍで塗布し常温で３
０分セッティングした後１２０℃で１０分間乾燥した。
乾燥後の塗膜厚さは、１．０μｍであった。

【００２９】ここで用いたカーボンブラックの物性と得
られた塗膜の評価結果は、表−１と表−２に示した通り
である。表中のＯＤ（光学的濃度）値は、マクベス反射
濃度計「ＲＤ−９１４」（サカタインクス社販売）を用
い測定した。また、粉体抵抗は、前述のペーストを１５
０℃加熱減量が１．０％以下となるまで１２０℃で乾燥
し、ジューサーミキサーで１分間粉砕した後、直径２０
ｍｍ、内容積１１０ｍｌの「ポリ四フッ化エチレン製容
器（上下に金属電極有り）にサンプル２．０ｇを入れ５
０ｋｇ／ｃｍ² の圧力でプレスした状態の抵抗値であ
る。カーボンブラック中の灰分の定量は、２．０ｇのカ
ーボンブラックを７５０℃、空気雰囲気で焼成、灰化し
て測定した。

【００３０】一方、ペーストの分散性は、ペーストをガ
ラス板上に約０．５ｍｍの厚さに塗布、乾燥した塗膜を
エポキシ樹脂で包理した後、ウルトラミクロトームで約
８００Åの切片を切り出し、電子顕微鏡（５０００倍）
で観察した。評価は、肉眼で 殆ど０．１μｍ以下の凝集塊……◎ 殆ど０．１〜１μｍの凝集塊……○ 殆ど１μｍ以上の凝集塊…………△ の３レベルに分類した。

【００３１】〔実施例２及び３〕カーボンブラックに対
するエポキシ樹脂の被覆量を５ｗｔ％と２０ｗｔ％とし
た以外実施例１と同様である。 〔実施例４、５及び６〕カーボンブラックの種類を表１
のＢ、Ｃとした以外実施例１と同じである。

【００３２】〔比較例１〕エポキシ樹脂を被覆していな
いカーボンブラックＡを用いた以外実施例１と同じであ
る。 〔比較例２及び３〕実施例１のカーボンブラックＡのか
わりに、Ｄ及びＥを用いた以外実施例１と同じである。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】本発明のカーボンブラックによれば、高
遮光率で、表面反射率が低く、膜厚の小さいブラックマ
トリックスを低コストで達成しうるとともに、透明保護
膜や透明絶縁膜の不要なブラックマトリックスを達成し
うる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全酸素量が１５ｍｇ／ｇ以上、全酸素量
   ／比表面積が０．１０ｍｇ／ｍ² 以上であるカーボンブ
   ラックを樹脂で被覆処理してなる絶縁性ブラックマトリ
   ックス用カーボンブラック。
2. 【請求項２】 カーボンブラックの灰分が１．０重量％
   以下、ＤＢＰ吸収量が１４０ｍｌ／１００ｇ以下、粒子
   径が１０〜３５ｎｍである請求項１記載の絶縁性ブラッ
   クマトリックス用カーボンブラック。
3. 【請求項３】 樹脂が、構造の中にベンゼン核を有して
   いる請求項１〜３のいずれかに記載の絶縁性ブラックマ
   トリックス用カーボンブラック。
4. 【請求項４】 樹脂の被覆量が、カーボンブラックと樹
   脂の合計量に対し１〜３０ｗｔ％である請求項１〜３の
   いずれかに記載の絶縁性ブラックマトリックス用カーボ
   ンブラック。
5. 【請求項５】 絶縁性ブラックマトリックスを有するカ
   ラーフィルターにおいて、全酸素量が１５ｍｇ／ｇ以
   上、全酸素量／比表面積が０．１０ｍｇ／ｍ²以上であ
   るカーボンブラックを樹脂で被覆したカーボンブラック
   を遮光材とした絶縁性ブラックマトリックスを用いてな
   るカラーフィルター。