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    梅州市億照光電科技有限公司

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    彩色濾光片的結構、材料、合成工藝以及供應情況

    彩色濾光片是什么呢?它是一種表現顏色的光學濾光片,可以精確的選擇想要通過的小范圍波段的光波,而反射掉其他不希望通過的波段。彩色濾光片通常安裝在光源的前方,使人眼可以接收到飽和的某個顏色光線。有紅外濾光片,綠色,藍色等。與UV濾光片,VD濾光片相比,凡是帶色的濾光片之總稱。如反差濾光片、分色用濾光片、LB濾光片等。彩色濾光片工作原理即由光學襯底制成,如丙烯酸、聚碳酸酯和玻璃。通過堆積襯底與吸水性材料或進行薄膠片鍍膜可進行著色;這些鍍膜可通過或阻止可見光、紅外和近紅外光譜的特殊波長,透過彩色濾光片的紅(R)、綠(G)、藍(B)三種彩色層提供色相,形成彩色圖像.

    TFT LCD面板之所以能夠產生色彩的變化,主要是來自彩色濾光片(Color Filter; CF);所謂液晶面板是透過背光源光線穿透與否,因而產生畫面,此時所呈現的畫面只有黑、白兩色,另外,還需透過彩色濾光片的紅(R)、綠(G)、藍 (B)三種彩色層提供色相,形成彩色顯示畫面。

    彩色濾光片制造方法包括染色法、顏料分散法、印刷法、電鍍法、噴墨法等,其中顏料分散法由于在顏色特性、質量、可靠性等方面均占有優勢,因此成為目前彩色濾光片之主流制作方式,而所謂顏料分散法之彩色濾光片制造工程,包括黑色矩陣工程、RGB工程、后工程、出貨工程。

    首先在黑色矩陣工程,是先在無堿之硼玻璃基板上以濺鍍形成氧化鉻/鉻之低反射二層膜,作為基板使用,此低反射二層膜即稱為Metal Black。

    然后,再將Metal Black側之正型光阻以旋轉涂布(Spin Coating),再經由黑色矩陣的光罩圖案,照射紫外線并加以曝光、光阻顯影后,將Metal Black蝕刻,形成黑色矩陣(BM)圖案。

    之后,在黑色矩陣之圖案形成后,接著再到RGB工程,所謂RGB工程就是在開口部形成R、G、B三色圖案的工程,首先將著色為R的彩色光阻以Spin涂裝,經由R用圖案光罩,照射紫外線并曝光,再使用堿性系顯影劑將未曝光部份去除,形成第一顏色用的R圖案,再施于攝氏200度以上的后烤(PostCoating),使圖案具有耐藥性,接著以形成R圖案相同的工程重復在G及B上,各圖案之間均有黑色矩陣加以隔開,此功能是為增加顯示時之對比度及避免雜色光產生。

    接著在后工程方面,是形成TFT Array基板之相對電極的ITO透明電極層,即為彩色濾光片,最后,出貨工程即為最后檢查及捆包。

    彩色濾光片制程技術關鍵須注意的是RGB三色間的段差,段差會影響到液晶表現,段差如過大則顯示會有斷層產生,另外,RGB工程為高溫制程,因此原材料選擇須有耐藥性不會發生衰退,再則BM主要為隔絕RGB三顏色,為提高顏色對比的關鍵,且BM一般均要求低反射,反射愈低愈好,色彩表現也會愈好。

    彩色濾光片用途包括通過選色通帶及顯示器的最大輸出功率對單色顯示器(如VF(Vacuum Fluorescent真空熒光顯示器、EL(Electroluminescent電熒發光顯示器、LED(發光二極管顯示器)))進行反差增強。寬帶濾光片用來提高光學掃描儀和紅、黃、琥珀色發光二極管顯示器的反差及性能。中密度三槽型濾光片及極化鏡通過減少內部反射并在顯示器輸出功率及背景之間產生一個較大的變量從而增強液晶顯示器(LCD)的反差。

    彩色濾光片的基本結構主要為玻璃基板、BM(黑矩陣)、彩色光阻、保護層(OC)、ITO。彩色濾光片的傳統制程主要有染色法(Dyeing Method)、顏料分散法(Pigment Dispersed Method)、電沉積法(Electro Deposition Method)、印刷法(Printing Method),其中以顏料分散法為主。目前很多公司也開發出了許多具有實際生產應用價值的新方法,尤其是在大尺寸彩色濾光片的生產上,比如DuPont的熱多層技術(Thermal multi-layer tech.)、凸版印刷(Toppan)的反轉印刷法(Reverse printing method)和大日本印刷(DNP)的噴墨打印法(Ink Jet printing)。其中,大日本印刷已經在其6代線以上采用了噴墨打印法。另外,根據結構設計的不同,彩色濾光片的新類型還有COA型、半透半反型等。

    1 傳統的彩色濾光片制程方法

    傳統方法的四種制程

    染色法使用染料作為著色劑,可用明膠或壓克力樹脂作為樹脂材料。其制程主要有涂布、曝光顯影、染色固化,利用該制程在BM已經圖案化的玻璃基板上分三次分別制備的R、G、B三色光阻。染色法制得的CF價格便宜,色彩鮮艷,透過率高,但是耐熱耐光性差,不適合高檔LCD。

    電沉積法的樹脂主要是聚酯,以顏料為著色劑。電沉積法先通過曝光顯影得到圖案化的ITO,然后在ITO上分別沉積R、G、B三色光阻,然后再通過涂布、曝光、顯影得到BM。電沉積法制備彩色光阻只需曝光顯影一次,但在成本上不占有優勢。

    顏料分散法以顏料為著色劑,壓克力為樹脂樹脂。其主要制程為涂布、曝光、顯影,制備R、G、B三色光阻需要經過三次該制程。顏料分散法工藝相對簡單,耐候性好,目前中小尺寸的彩色濾光片絕大部分采用該方法。

    印刷法的樹脂為環氧樹脂,以顏料為著色劑。其主要制程滾筒顏料附著、印刷,在BM已經圖案化的玻璃基板上制得彩色光阻。印刷法制程簡單,但精度不高。

    除以上所述的四種方法外,還有染料分散法、顏料刻蝕法,但都因工藝復雜、成本較高,很少使用。

     2 大尺寸彩色濾光片的制程新方法

    隨著液晶面板的不斷增大,原有的傳統CF制程都顯得力不從心,新的制程方法也應運而生。其中主要有DuPont的熱多層技術(Thermal multi-layer tech.)、凸版印刷(Toppan)的反轉印刷法(Reverse printing method)和大日本印刷(DNP)的噴墨打印法(Ink Jet printing)。

    2.1 熱多層技術

    熱多層技術是杜邦公司的獨創發明,其通過激光定向加熱Donor film層,使Donor film層中的顏料層脫落并轉印在基板上,從而得到所需的彩色光阻。目前杜邦已經能夠制備G 8的設備。

    該方法無需曝光、顯影,工藝簡單,設備占用空間也能得到很大節省。但尚無法制備BM,且激光掃描所需時間要比多于顏料分散法的曝光時間。

    2.2 反轉印刷法

    反轉印刷法制備CF是2003年日本光村印刷和三菱重工共同發布的。2004年,日本凸版印刷取得了利用反轉印刷開發七代CF的相關技術。其制程主要分為三步:第一步,將光阻涂覆于轉印滾筒上;第二步,將轉印滾筒在特制模板上刮除多余區域的光阻;第三步,將通過第二步圖案化的光阻通過滾筒轉印到基板上。

    該方法的優勢是可以同時完成R、G、B、BM四種光阻的制作,且不需要曝光顯影設備。但在大尺寸轉印中,精度仍需進一步提高,且無法在VA、IPS技術中應用。

    2.3 噴墨打印法

    噴墨打印法是幾種新制程中最成熟的方法,由大日本印刷研發。該技術先在玻璃基板上將BM圖案化,為R、G、B三色光阻預留出獨立的空間,然后通過噴墨打印頭,將彩色顏料光阻劑噴至所需的位置,最后固化成型。

    該方法工藝簡單,光阻劑利用率幾乎為100%,但是BM還需通過傳統方式制備,且對墨水的要求較高。目前大日本印刷和凸版印刷都在G 6上采用該技術,三星也準備在G 8上采用該技術。

    3 其他技術

    3.1 COA技術

    COA技術是將彩色光阻制備在TFT基板上的技術,其優勢主要在于可以提高像素開口率及LCD顯示品質,應用于高階產品。另外,因為無CF玻璃基板與TFT基板的對位問題,所以可以降低cell制程的難度。但是COA技術會導致基板的整體良品率下降。除此之外,為了不影響TFT的正常運作,還要求彩色光阻的介電常數小于3.5。

    3.2 樹脂型BM

    傳統的BM用材料為Cr/CrO,但存在反射率高、污染環境等問題。因此,無機金屬材料逐漸被有機的樹脂型BM取代。作為負性光阻,樹脂型BM的制程與彩色顏料光阻的制程相同。

    3.3 OLED用彩色濾光片

    利用白色OLED+彩色濾光片實現OLED的彩色顯示也逐漸被許多研究機構和企業所關注。目前發展彩色濾光片法的廠商以TDK、三菱化學等日本廠商為主。

    一、彩色濾光片結構

      彩色濾光片(ColorFilter,CF)是LCD實現彩色顯示的關鍵零部件,其性能(如開口率、色純度、色差等)直接影響到液晶面板的色彩還原性、亮度和對比度。LCD-TV面板用的彩色濾光片大約占面板模組(LCM)總成本約19%,在成本份額上僅次于背光模組。其原理主要是經由控制IC的驅動,使面板背光源穿過彩色濾光片,呈現出色彩。彩色濾光片的基本結構主要為玻璃基板、BM(黑矩陣)、彩色光阻、保護層(OC)、ITO、墊片(spacer)。

     二、彩色濾光片材料分析

      彩色濾光片(Colorfilter)為液晶平面顯示器(Liquid Crystal Display)彩色化之關鍵零組件。液晶平面顯示器為非主動發光之組件,其色彩之顯示必需透過內部的背光模塊(穿透型LCD)或外部的環境入射光(反射型或半穿透型LCD)提供光源,再搭配驅動IC(Drive IC)與液晶(Liquid Crystal)控制形成灰階顯示(Gray Scale),而后透過彩色濾光片的R,G,B彩色層提供色相(Chromacity),形成彩色顯示畫面。

     

      三、彩色濾光片合成工藝現狀

      傳統制程主要以顏料分散法為主,目前最先進的方法是噴墨印刷法,可以降低大尺寸彩色濾光片10%-12%的成本,日本凸版印刷和大日本印刷(DNP)都已經掌握了這種技術。

      顏料分散法之彩色層形成類似半導體的黃光微影制程,首先將顏料分散型彩色光阻涂布于已形成黑色矩陣的玻璃基板上,經軟烤(Pre-bake),曝光對準(Aligned),顯影(Developed),光阻剝離(Stripping),硬烤(Post-bake)重復此流程三次形成R,G,B之三色圖形(Pattern)。

     

      四、彩色濾光片供應情況

      在供應方式方面,5代以下大部分為外購方式。從5代開始,更多企業采取inhouse(內部供應)的方式。彩色濾光片(CF)是客戶定制程度很高的部件,其玻璃基板的尺寸必須和客戶基板的尺寸相配合,加上CF制作技術要求高,5代以上線基板既大又薄,運輸風險很大,所以5代以上CF生產線于TFT-LCD面板廠房內的趨勢越來越明顯,面板廠自制CF比例越來越高。例如三星的自制比率為75%,AUO為62%,而奇美和LGD的自制率則高達90%以上。在專業外售型領域,日本的凸版印刷、大日本油墨(DNP)、東麗公司(TORAY)是全球大尺寸TFT液晶彩色濾光片制造的三巨頭。臺灣的和鑫光電、展茂、劍度等公司從日本引進技術,產品主要為臺灣的五家液晶面板工廠配套。


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