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服务创造价值、存在造就未来

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彩色滤光片的结构、材料、合成工艺以及供应情况

彩色滤光片是什么呢?它是一种表现颜色的光学滤光片,可以精确的选择想要通过的小范围波段的光波,而反射掉其他不希望通过的波段。彩色滤光片通常安装在光源的前方,使人眼可以接收到饱和的某个颜色光线。有红外滤光片,绿色,蓝色等。与UV滤光片,VD滤光片相比,凡是带色的滤光片之总称。如反差滤光片、分色用滤光片、LB滤光片等。彩色滤光片工作原理即由光学衬底制成,如丙烯酸、聚碳酸酯和玻璃。通过堆积衬底与吸水性材料或进行薄胶片镀膜可进行着色;这些镀膜可通过或阻止可见光、红外和近红外光谱的特殊波长,透过彩色滤光片的红(R)、绿(G)、蓝(B)三种彩色层提供色相,形成彩色图像.

TFT LCD面板之所以能够产生色彩的变化,主要是来自彩色滤光片(Color Filter; CF);所谓液晶面板是透过背光源光线穿透与否,因而产生画面,此时所呈现的画面只有黑、白两色,另外,还需透过彩色滤光片的红(R)、绿(G)、蓝 (B)三种彩色层提供色相,形成彩色显示画面。

彩色滤光片制造方法包括染色法、颜料分散法、印刷法、电镀法、喷墨法等,其中颜料分散法由于在颜色特性、质量、可靠性等方面均占有优势,因此成为目前彩色滤光片之主流制作方式,而所谓颜料分散法之彩色滤光片制造工程,包括黑色矩阵工程、RGB工程、后工程、出货工程。

首先在黑色矩阵工程,是先在无碱之硼玻璃基板上以溅镀形成氧化铬/铬之低反射二层膜,作为基板使用,此低反射二层膜即称为Metal Black。

然后,再将Metal Black侧之正型光阻以旋转涂布(Spin Coating),再经由黑色矩阵的光罩图案,照射紫外线并加以曝光、光阻显影后,将Metal Black蚀刻,形成黑色矩阵(BM)图案。

之后,在黑色矩阵之图案形成后,接着再到RGB工程,所谓RGB工程就是在开口部形成R、G、B三色图案的工程,首先将着色为R的彩色光阻以Spin涂装,经由R用图案光罩,照射紫外线并曝光,再使用碱性系显影剂将未曝光部份去除,形成第一颜色用的R图案,再施于摄氏200度以上的后烤(PostCoating),使图案具有耐药性,接着以形成R图案相同的工程重复在G及B上,各图案之间均有黑色矩阵加以隔开,此功能是为增加显示时之对比度及避免杂色光产生。

接着在后工程方面,是形成TFT Array基板之相对电极的ITO透明电极层,即为彩色滤光片,最后,出货工程即为最后检查及捆包。

彩色滤光片制程技术关键须注意的是RGB三色间的段差,段差会影响到液晶表现,段差如过大则显示会有断层产生,另外,RGB工程为高温制程,因此原材料选择须有耐药性不会发生衰退,再则BM主要为隔绝RGB三颜色,为提高颜色对比的关键,且BM一般均要求低反射,反射愈低愈好,色彩表现也会愈好。

彩色滤光片用途包括通过选色通带及显示器的最大输出功率对单色显示器(如VF(Vacuum Fluorescent真空荧光显示器、EL(Electroluminescent电荧发光显示器、LED(发光二极管显示器)))进行反差增强。宽带滤光片用来提高光学扫描仪和红、黄、琥珀色发光二极管显示器的反差及性能。中密度三槽型滤光片及极化镜通过减少内部反射并在显示器输出功率及背景之间产生一个较大的变量从而增强液晶显示器(LCD)的反差。

彩色滤光片的基本结构主要为玻璃基板、BM(黑矩阵)、彩色光阻、保护层(OC)、ITO。彩色滤光片的传统制程主要有染色法(Dyeing Method)、颜料分散法(Pigment Dispersed Method)、电沉积法(Electro Deposition Method)、印刷法(Printing Method),其中以颜料分散法为主。目前很多公司也开发出了许多具有实际生产应用价值的新方法,尤其是在大尺寸彩色滤光片的生产上,比如DuPont的热多层技术(Thermal multi-layer tech.)、凸版印刷(Toppan)的反转印刷法(Reverse printing method)和大日本印刷(DNP)的喷墨打印法(Ink Jet printing)。其中,大日本印刷已经在其6代线以上采用了喷墨打印法。另外,根据结构设计的不同,彩色滤光片的新类型还有COA型、半透半反型等。

1 传统的彩色滤光片制程方法

传统方法的四种制程

染色法使用染料作为着色剂,可用明胶或压克力树脂作为树脂材料。其制程主要有涂布、曝光显影、染色固化,利用该制程在BM已经图案化的玻璃基板上分三次分别制备的R、G、B三色光阻。染色法制得的CF价格便宜,色彩鲜艳,透过率高,但是耐热耐光性差,不适合高档LCD。

电沉积法的树脂主要是聚酯,以颜料为着色剂。电沉积法先通过曝光显影得到图案化的ITO,然后在ITO上分别沉积R、G、B三色光阻,然后再通过涂布、曝光、显影得到BM。电沉积法制备彩色光阻只需曝光显影一次,但在成本上不占有优势。

颜料分散法以颜料为着色剂,压克力为树脂树脂。其主要制程为涂布、曝光、显影,制备R、G、B三色光阻需要经过三次该制程。颜料分散法工艺相对简单,耐候性好,目前中小尺寸的彩色滤光片绝大部分采用该方法。

印刷法的树脂为环氧树脂,以颜料为着色剂。其主要制程滚筒颜料附着、印刷,在BM已经图案化的玻璃基板上制得彩色光阻。印刷法制程简单,但精度不高。

除以上所述的四种方法外,还有染料分散法、颜料刻蚀法,但都因工艺复杂、成本较高,很少使用。

 2 大尺寸彩色滤光片的制程新方法

随着液晶面板的不断增大,原有的传统CF制程都显得力不从心,新的制程方法也应运而生。其中主要有DuPont的热多层技术(Thermal multi-layer tech.)、凸版印刷(Toppan)的反转印刷法(Reverse printing method)和大日本印刷(DNP)的喷墨打印法(Ink Jet printing)。

2.1 热多层技术

热多层技术是杜邦公司的独创发明,其通过激光定向加热Donor film层,使Donor film层中的颜料层脱落并转印在基板上,从而得到所需的彩色光阻。目前杜邦已经能够制备G 8的设备。

该方法无需曝光、显影,工艺简单,设备占用空间也能得到很大节省。但尚无法制备BM,且激光扫描所需时间要比多于颜料分散法的曝光时间。

2.2 反转印刷法

反转印刷法制备CF是2003年日本光村印刷和三菱重工共同发布的。2004年,日本凸版印刷取得了利用反转印刷开发七代CF的相关技术。其制程主要分为三步:第一步,将光阻涂覆于转印滚筒上;第二步,将转印滚筒在特制模板上刮除多余区域的光阻;第三步,将通过第二步图案化的光阻通过滚筒转印到基板上。

该方法的优势是可以同时完成R、G、B、BM四种光阻的制作,且不需要曝光显影设备。但在大尺寸转印中,精度仍需进一步提高,且无法在VA、IPS技术中应用。

2.3 喷墨打印法

喷墨打印法是几种新制程中最成熟的方法,由大日本印刷研发。该技术先在玻璃基板上将BM图案化,为R、G、B三色光阻预留出独立的空间,然后通过喷墨打印头,将彩色颜料光阻剂喷至所需的位置,最后固化成型。

该方法工艺简单,光阻剂利用率几乎为100%,但是BM还需通过传统方式制备,且对墨水的要求较高。目前大日本印刷和凸版印刷都在G 6上采用该技术,三星也准备在G 8上采用该技术。

3 其他技术

3.1 COA技术

COA技术是将彩色光阻制备在TFT基板上的技术,其优势主要在于可以提高像素开口率及LCD显示品质,应用于高阶产品。另外,因为无CF玻璃基板与TFT基板的对位问题,所以可以降低cell制程的难度。但是COA技术会导致基板的整体良品率下降。除此之外,为了不影响TFT的正常运作,还要求彩色光阻的介电常数小于3.5。

3.2 树脂型BM

传统的BM用材料为Cr/CrO,但存在反射率高、污染环境等问题。因此,无机金属材料逐渐被有机的树脂型BM取代。作为负性光阻,树脂型BM的制程与彩色颜料光阻的制程相同。

3.3 OLED用彩色滤光片

利用白色OLED+彩色滤光片实现OLED的彩色显示也逐渐被许多研究机构和企业所关注。目前发展彩色滤光片法的厂商以TDK、三菱化学等日本厂商为主。

一、彩色滤光片结构

  彩色滤光片(ColorFilter,CF)是LCD实现彩色显示的关键零部件,其性能(如开口率、色纯度、色差等)直接影响到液晶面板的色彩还原性、亮度和对比度。LCD-TV面板用的彩色滤光片大约占面板模组(LCM)总成本约19%,在成本份额上仅次于背光模组。其原理主要是经由控制IC的驱动,使面板背光源穿过彩色滤光片,呈现出色彩。彩色滤光片的基本结构主要为玻璃基板、BM(黑矩阵)、彩色光阻、保护层(OC)、ITO、垫片(spacer)。

 二、彩色滤光片材料分析

  彩色滤光片(Colorfilter)为液晶平面显示器(Liquid Crystal Display)彩色化之关键零组件。液晶平面显示器为非主动发光之组件,其色彩之显示必需透过内部的背光模块(穿透型LCD)或外部的环境入射光(反射型或半穿透型LCD)提供光源,再搭配驱动IC(Drive IC)与液晶(Liquid Crystal)控制形成灰阶显示(Gray Scale),而后透过彩色滤光片的R,G,B彩色层提供色相(Chromacity),形成彩色显示画面。

 

  三、彩色滤光片合成工艺现状

  传统制程主要以颜料分散法为主,目前最先进的方法是喷墨印刷法,可以降低大尺寸彩色滤光片10%-12%的成本,日本凸版印刷和大日本印刷(DNP)都已经掌握了这种技术。

  颜料分散法之彩色层形成类似半导体的黄光微影制程,首先将颜料分散型彩色光阻涂布于已形成黑色矩阵的玻璃基板上,经软烤(Pre-bake),曝光对准(Aligned),显影(Developed),光阻剥离(Stripping),硬烤(Post-bake)重复此流程三次形成R,G,B之三色图形(Pattern)。

 

  四、彩色滤光片供应情况

  在供应方式方面,5代以下大部分为外购方式。从5代开始,更多企业采取inhouse(内部供应)的方式。彩色滤光片(CF)是客户定制程度很高的部件,其玻璃基板的尺寸必须和客户基板的尺寸相配合,加上CF制作技术要求高,5代以上线基板既大又薄,运输风险很大,所以5代以上CF生产线于TFT-LCD面板厂房内的趋势越来越明显,面板厂自制CF比例越来越高。例如三星的自制比率为75%,AUO为62%,而奇美和LGD的自制率则高达90%以上。在专业外售型领域,日本的凸版印刷、大日本油墨(DNP)、东丽公司(TORAY)是全球大尺寸TFT液晶彩色滤光片制造的三巨头。台湾的和鑫光电、展茂、剑度等公司从日本引进技术,产品主要为台湾的五家液晶面板工厂配套。


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