カラーフィルタのしくみ

カラーフィルタとは

カラーフィルタは、画像や映像の「色」を生み出すフィルタです。フィルタを透過させることで、光に色情報を与えます。おもに薄型テレビやパソコン、スマートフォンなどに使用されており、フラットパネルディスプレイ(FPD)の色再現の要となる構成部品です。近年では液晶ディスプレイだけでなく、電子ペーパーや有機ELディスプレイなど、さまざまなパネルアプリケーションに用いられています。

カラーフィルタの基本構造

カラーフィルタは、薄いガラス基板とカラーレジストで構成されています。ガラス基板上には、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のカラーレジストで構成されるパターンが形成されています。また、各カラーレジストは、隣接し合うカラーレジスト同士の混色を防ぐため、ブラックマトリクス(BM)によって境界が格子状に区切られています。このブラックマトリクスには、黒色表示時に画面から光が漏れるのを防ぐ役割もあります。

カラーフィルタのパターンには、おもに「ストライプ配列」と「モザイク配列」の2つ(上図)があります。ストライプ配列は、同色のカラーレジストを縦列に配置してRGBをストライプ状に並べたもので、線や図形、文字など、直線的なモデルの表示に優れています。一方、モザイク配列は、同色のカラーレジストを斜めに配置したもので、複雑な混色による微細な色表現が可能なことから、画像の表示に優れています。

開発当初、ストライプ配列は設計上、ブラックマトリクスによる縦線が目立つなどの欠点がありました。しかし近年では、カラーフィルタの高精細化が進み、ほとんど気にならないレベルにまで達したほか、ストライプ配列のほうが、製造コストが安価で、動作時の不具合も少ないといった利点も多いため、現在製造されているカラーフィルタのほとんどがストライプ配列を採用しています。

ディスプレイの色表現

FPDを含むほとんどのディスプレイは、「光の三原色」(加色混合)によって、すべての色を表現しています。光の三原色とは、赤(Red)、緑(Green)、青(Blue)の3つの色の光(RGB)のことで、カラーフィルタ(カラーレジスト)の色構成もこの3色(プラス黒色)でできています。たとえば、黄色を表現したい場合はRGBを1:1:0で組み合わせる、またマゼンタ(赤紫色)を表現したい場合はRGBを1:0:1で組み合わせるなど、3色の光の組み合わせや明るさを調節することで、無数の色彩を表現することが可能になります。

xy色度図とカラートライアングル

ただし実際には、各製品によってカラーフィルタ(カラーレジスト)の色や光源の強さにばらつきがあるため、再現できる色のバリエーションも異なってきます。このRGBによって表現できる色の範囲を「色域」といいます。色域には、いろいろな規格があり、パソコン関連の製品では、「sRGB」「Adobe RGB」「NTSC」の3つがおもに採用されています。通常、色域は「xy色度図」の上に三角形で示されます(右図)。この三角形は「カラートライアングル」と呼ばれ、各頂点は、その規格(「sRGB」「Adobe RGB」など)で表現できるRGBの限界値を示します。従って、カラートライアングルの面積が大きいほど、より多くの色を表現できることになります。これをディスプレイに当てはめて考えると、大きなカラートライアングルを描ける規格に対応した製品ほど、より鮮やかな色表現が可能であるといえます。

カラーフィルタの製造工程

カラーフィルタの製造方法は複数ありますが、多くは、カラーレジストをガラス基板上に塗布し、露光や現像によって定着させる「フォトリソグラフィ」という方法でつくられています。

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