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1、液晶材料与技术（15） 彩色滤光片及其关键技术,彩色滤光片基本原理彩色滤光片基板构造彩色滤光片制程彩色滤光片的技术改进及发展趋势,液晶材料与技术,前言:,彩色滤光片(Color Filter)彩色滤光片是液晶显示器关键零组件中成本最高的，在TFT-LCD面板的材料成本结构中，彩色滤光片约占所有材料成本的20左右。彩色滤光片之作用在于利用滤光之方式产生红(R)、绿(G) 、蓝(B)三基色，再将三基色以不同比例混合而产生各种色彩，使LCD显现彩色。同时也对TFTLCD的视角宽度、亮度、分辨率等性能起关键作用。,液晶材料与技术,液晶材料与技术,彩色滤光片基本原理,彩色LCD与CRT皆是采用加法混色法
2、液晶显示基本上是黑白表示，要彩色化显示是在液晶胞上分别置放红、黄、绿三原色的彩色滤光片TFT主动矩阵驱动型显示器中，相互并列电极依序置入所需三原色的彩色滤光片因有杂色相混的问题，不同颜色的着色层间加设一道黑色的遮光层，其制作质量良率影响最后显示影像的画质分辨率及色彩鲜明度,液晶材料与技术,颜色的表示是利用“加成混合法”,使用RGB三原色作近接配置,使肉眼无法分辨(小于肉眼的分辨率),经任意的组合即能显示各种颜色.,液晶材料与技术,彩色显示基本原理,在画像素配列的方式上有线条纹配列(Stripe)三角形配列(Triangle)玛赛克配列(Mosaic)正方形配列(Square),液晶材料与技术,
3、条纹排列：结构简单，易显纵条纹，凸显显得粗糙。适合于文字、静态图形显示;,液晶材料与技术,玛赛克形排列：三基色单元横向仍按R、G、B顺序周期排列，但是在纵向逐行移位。这种结构课消除条形排列中的竖条纹感，颜色相对自然写，但当像素间距较大是，会有斜纹感，图像还会有些粗糙感。排列适合于高分辨率动态图像显示;,液晶材料与技术,三角形排列：横向也是按R、G、B顺序周期排列，但行之间错开半个基色单元位置，如同砌砖墙。这种排列结构复杂，但显示颜色逼真，分辨率也高，所以彩色质量高，,正方形配列它跟前面几个不一样的地方在于它并不是以三个点来当作一个pixel，而是以四个点来当作一个pixel. 而四个点组合起来
4、刚好形成一个正方形。,液晶材料与技术,液晶材料与技术,三角形和玛赛克形的配置，则是鲜明高分辨率表示，动态影像的液晶电视和影像、影音消费性产品。,液晶材料与技术,色再現性,色再现性是由彩色滤光片的光线透过光谱、背光板的发光光谱以及液晶胞的光谱等因素所决定的要使色再现性变好，则在液晶胞中需使液晶间隙及液晶的折射率异方向性达到最适化的状态在背光源方面，其彩色滤光片RGB三原色透过率的波峰波长值应接近于三种波长类型之发光波峰值,液晶材料与技术,液晶材料与技术,彩色滤光片基本原理彩色滤光片基板构造彩色滤光片制程彩色滤光片发展趋势,液晶材料与技术,液晶材料与技术,一.Color Filter基本结构,*彩
5、色滤光片因TN、STN、TFT方式的不同有所变化，主要构造有:1.遮蔽光用的遮光层2.彩色表示的RGB之着色图案3.保护着色层的透明保护膜4.驱动液晶的透明电极膜5.柱状spacer6.背面ITO,液晶材料与技术,透明导电膜(ITO) 0.5m,R,G,B,R,G,B,透明保护层(OC),彩色滤色层(RGB) 12m,黑矩阵(BM),液晶材料与技术,二、彩色滤光片的特性要求:,液晶材料与技术,1. 分光特性2. 对比3. 均一性4. 平坦度5. 无缺陷6. 尺寸精确度,1. 耐热性2. 耐化性,1. 耐旋光性2. 耐热性,液晶材料与技术,（1）分光特性好。R、G、B三基色要有高饱和度，即在色度
6、图中R、G、B三基色坐标所围的三角形面积应尽可能大，以达到重现更多的自然色彩。（2）高对比度。对于高清晰度彩色画面，必须具有高对比度，这就要求CF有低的反射率。（3）平整度好。对于TFT-LCD用的CF，平整性精度为小于0.1m，同时要求空间精度好，因为每一个彩色单元必须与下基板上的一个带TFT的液晶单元对准。,液晶材料与技术,（4）高的热学、光学和化学稳定性。CF是先制作在上基板内表面，在上下基板形成液晶盒工艺中要加高温（约250），CF必须能经受此高温而不变形和色度保持恒定；当彩色LCD工作时，采用背光源，CF要受到极强光长时间的辐射，要不能发生褪色；在LCD后续工艺制造中会遇到多种酸碱和
7、溶剂，所以CF的化学稳定性也必须好。（5）不出现姆拉及其他缺陷、可靠性高、寿命长。,液晶材料与技术,三、各层结构简介,1、玻璃基板作用:支架要求: （1）热膨胀系数小 原因:a.由多层材料組成 b.多层材料是由压合的方式， 结合起來的,會经过一些高温处理 （2）平坦性佳 原因:要在玻璃基板上形成ITO膜,液晶材料与技术,2、黑矩阵的作用：,1、遮蔽像素区域（开口部分）之外的背光源的漏光；2、防止相邻RGB亚像素混色，提高显示对比度；3、防止光线照射TFT器件的a-Si层而增加漏电流；4、防止背景光的写入（造成对比度低下），可明显提高对比度等。,液晶材料与技术,黑矩阵的要求:,遮光性强 反射率低
8、 与玻璃的附著性佳成份:依材料种类分外金属铬遮光层和黑色树脂遮光层BM型。因为铬不符合环保要求，近年来，黑矩阵正从铬系转向树脂系BM。树脂系BM是采用光刻胶中分散有替代颜料的炭黑等黑色成分的材料，采用与颜料光刻胶制作基本相同的制作工艺制成。,液晶材料与技术,一般商用BM光学浓度值在3.0以上，即要有高的遮光率。光学浓度(Optical Density，OD)定义如下： OD = -log(I/I0) I0：入射光强度 I ：透过光强度,OD=3.0表示入射光亮度为103 cd/m2时，BM的透过光亮度为1 cd/m2Cr金属形成的BM，OD值可以高达5.0以上，树脂的相对低一些。,液晶材料与技
9、术,遮光层的种类、膜厚和光学浓度,液晶材料与技术,各种遮光层的基本结构和特性,液晶材料与技术,各种BM构造、反射机制及反射特性,液晶材料与技术,液晶材料与技术,树脂BM的反射率低，不会出现反射光片蓝色或偏红色的现象。多层Cr层也可以降低反射率，但多少还会存在反射光的色偏现象。,液晶材料与技术,3、RGB层,作用:将背光源的白光过滤为三原色， 配合TFT改变其比例而成多彩色.RGB 着色层厚度为12m要求:（1）高透过率 一般TFT-LCD Module所使用的背光灯管，其频谱会在短/中/长波长处出现三个明显的Peak,根据这三个Peak所对应的波长(此即所谓特定波长)来订定RGB三种颜色之透过
10、率.,液晶材料与技术,（2）高色纯度 以CIE1931(x,y,z)为参考之色度坐标,分别量测出R.G.B三颜色之(X,Y)之色度值.根据NTSC(National Television System Committee),EBU(European Broadcast Union)所定义的RGB三颜色之(X,Y)色度值,以及CRT.TFT-LCD(Monitor)的RGB三颜色之(X,Y)一般色度值.,液晶材料与技术,4、ITO层,作用:讯号传输 要求:1.低面阻抗:面阻抗比较低,电压也较低, 发热量也减少,产品性能越好. 2.高可见光透过率. 3.与底层保护膜的密着性.CF 用于TFT 时I
11、TO 膜厚度约为150 nm ,面电阻为100/ ,用于STN 时面电阻为5 / 。,5、柱状PS（photo spacer）,作用：保持盒厚均一性材料：UV硬化型的丙烯树脂。为了不影响正常显示区域的液晶转动，一般把PS做在CF基板B色层一侧的黑色矩阵上。为了不影响液晶显示屏的光学特性，要保证所用UV硬化型丙烯树脂的折射率接近于液晶的折射率。PS的膨胀系数也要和液晶相近,液晶材料与技术,液晶材料与技术,彩色滤光片基本原理彩色滤光片基板构造彩色滤光片制程彩色滤光片技术改进及发展趋势,液晶材料与技术,彩色濾光片工程Color filter process 黑色工程 紅色工程 綠色工程 藍色工程 B
12、lack process Red process Green process Blue process玻璃Glass塗佈Coating曝光Exposure顯像Development燒成Post-bake,液晶材料与技术,彩色滤光片的制造方法依着色层的材料和制造流程，而有不同的分类方式，主要有颜料分散法染色法电沉积法印刷法,液晶材料与技术,颜料分散法是目前最主流的量产方式（Pigment Dispersed Method）颜料分散型彩色光刻胶（Pigment Dispersed Color Resist，PDCR）为形成彩色层之原材料。,液晶材料与技术,颜料分散法是将颜料分散在感光胶中，涂在基板
13、上，通过掩膜板曝光，被曝光处感光胶聚合变成不溶性，在显影过程中保留下来，形成一种基色点分布。重复3次，便形成彩色滤光片。无机颜料的耐热性不成问题，但选择面较窄，所以得大量使用有机颜料，通常红色用氰系、蒽醌类；绿色用卤化酞菁系，蓝色用铜酞菁。,液晶材料与技术,颜料分散法制备的CF耐热性和光学特性好，是目前LCD用彩膜的主流技术。这种CF的主要缺点是颜料中较大的原子团对入射光有散射和双折射作用，对入射光产生消偏振光效应，从而会降低对比度。今后研究工作重点是改善其消偏性和提高透过率。,液晶材料与技术,參考資料 http:/www.itri.org.tw/chi/services/ieknews/c1
14、120-B10-00837-6B9E-0.doc,颜料分散型彩色滤光片制造流程,液晶材料与技术,可以看到，彩色滤光片制作工程与阵列基板制作工程相同，也要采用光刻技术（PEP)。在阵列基板的制作中，使用的光刻胶仅起掩膜作用，当沉积的薄膜层经刻蚀形成图形之后，光刻胶已没有必要，必须剥离。但是在彩色滤光片制作中，颜料分散型光刻胶不被剥离，而是作为残留的着色层（滤色膜）而起彩色滤光片的作用。这是彩色滤光片制作工程与阵列制作工程的主要区别。,液晶材料与技术,染料法,工艺过程：将可染色的光敏聚合物涂在基板上，通过掩膜曝光，用水冲去未曝光聚合物，形成透明图案，用染料将该图案染色。染色是在染色槽中进行，染色料
15、一般是染料、醋酸和水的混合物，染色后要作硬化处理，防止颜色发生色移。形成一种颜色图案后，对RGB三只颜色要重复三次上述工艺。,液晶材料与技术,染色法形成的CF透过率高、色纯度好、消偏性非常小、色彩艳丽，但耐热性和耐光性较差，并且工艺成本较高。与颜料分散法并属当今彩膜制作主流技术。,液晶材料与技术,电沉积法,电沉积法是在基板玻璃上先沉积一层ITO膜，再涂上一层光致抗蚀剂，通过掩膜曝光，显影冲洗后形成与像素排列完全一致的ITO图案。同种颜色的电极图案连在一起，然后去电泳。这样重复三次，便可得到彩色膜。也可以采用开窗技术来免去光刻ITO膜。电沉积法的优点是不需使用精密设备便可制备具有精密图案的彩膜，膜厚可以通过控制电泳时的电压、电流和胶状溶液电导率精确可控；可获得大面积厚度均匀的彩膜，加工时间短，制成的膜耐热性好、耐光性好、透过率高。,液晶材料与技术,
