郑少瑜，孟庆华，黄德音
(上海交通大学 化学化工学院，上海 200240)
摘 要：介绍了液晶显示用彩滤光片的发展概况，综述了液晶显示用彩滤光片的结构、性能与制作工艺，并分析了基于喷墨工艺的液晶显示用彩滤光片的发展。
关键词：喷墨；液晶显示；彩滤光片中图分类号:TQ 314.2459
文献标识码:A
文章编号:1009-5624-(2007)02-0030-06
收稿日期:2006-12-19
作者简介：郑少瑜(1978-)，女，汉族，工程硕士研究
生；研究方向：功能染料，信息记录材料;
E -m ai:l syzheng @s jt u .edu 。
1 前言
喷墨打印技术是1种发展成熟的由热泡或压电方式将墨水产生墨滴，喷射、吸附在记录材料上而形成图像的印刷技术。与其他印刷方式相比较有着一系列显著优点，如原理简单、高速度、高质量以及控制灵活等。随着喷墨打印技术的发展，不仅在原有办公室打印市场中的市场份额不断扩大，而且在其它领域，如织物品喷墨印花、照相仿真打印和大幅室外平面广告等方面开辟了新的应用空间领域，具有极大的商业价值
[1,2]
。近来有观点认为，喷墨应
该不再仅被认为是一种印刷方式，而应作为微加工制造的一种有力工具。由于喷墨技术可以直接将液滴控制在兆分之一立升的水平，那么就可能应用在以微精高为导向的微电子行业，许多微电子元件都可以直接通过喷墨方式按照设定的布局喷射在基片上，而非传统的费时费料的蚀刻工艺，该方法最终目标是能直接 写出 电子元件和线路。
彩滤光片是液晶显示器(L i q u i d C r ystal D is play ,LCD)中的一个实现彩显示的重要部件，是近来有希望实现以喷墨方式制造的一种电子元件。
随着LCD 技术的发展，对于彩滤光片的性能要求越来越高，为了达到高要求，研究人员从材料和工艺领域进行改进，保持和提高现有性能的基础上最大程度地降低成本，从而使喷墨工艺成为制备彩滤光片极有竞争力的一项技术
[3,4]
，满足LCD 发展
对彩滤光片的不断增长的性能要求。
2 液晶显示器中的彩滤光片
2.1 液晶显示器基本构造
液晶显示(LCD )由于其低功耗、低辐射、高画质、轻巧、便携等优点，在20世纪末的几年间迅速崛起，发展成为当今平板显示领域的主导技术。液晶显示器就是利用液晶分子能改变偏振光的偏振方向这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动，并形成不同的灰阶亮度，再利用彩滤光片产生红、绿、蓝三基，依据混原理形成彩显示画面。
液晶显示器(LC D )的结构如图1所示。其中一片玻璃基板(后基板)上分布有薄膜晶体管，用于驱动液晶，
另一块基板(前基板)上有彩滤光片(彩层)，用于形成彩。由于LCD 为非主动发光器件，其彩显示必需由本身的背光系统提供光源。因此，背光源为LCD 的基础元件之一。背光源大部分是由荧光灯管构成背光模组，背光模组的性能好坏会直接影响到LCD 的亮度。背光源的成本
约占LCD 的3%~5%，所消耗的电力占75%左右。
图1 彩LCD 的基本结构F i g 1 Structure o f LCD
在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻等工序作成晶体管阵列，每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。再把液晶灌注在两片玻璃之间，由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，液晶显示器的彩更逼真，称为真彩。2.2 彩滤光片与像素结构
近几年来,LCD 产业发展迅速，并继续朝着高精细化和大画面方向发展。在彩LCD 产品中彩滤光片是必不可少的组件，液晶显示器的彩显示是通过彩滤光片(Co l o r filter ，简称为CF)来实现的。彩滤光片涂层结构为：玻璃基板、黑矩阵、彩层、保护层及I TO 导电膜(图2)。其中LCD 的基板玻璃是彩滤光片的载体，通常采用耐热、耐化学腐蚀和机械性能优良的无碱硼硅玻璃。作为防止污染、抗化学性、抗I TO 溅射及改善其平滑性等需要，形成彩层之后需沉积保护层，最后沉积I TO 电极。彩滤光片的I T O 电极与图形(pat tern)电极构成了驱动液晶分子的正负电极，电极应当具有导电性与透光性。因此，要求它具有较低的电阻值和较高的透光率。
图2 LCD 的彩滤光片结构示意图F i g 2 Structure o f color filter for LCD
彩滤光片的基本显单元称之为像素(p i x el)，每一个像素包括红、绿、蓝三原点(RGB
三角形算法点)，三原点各自拥有不同的灰阶变化(图3)。改变刺激液晶的电压值可以控制3个独立RGB 点的
光线强度与彩，因而能在液晶面板上变化出不同灰阶变化的颜组合。对于一个需要解析度为1024!768的显示画面，需要这个平面显示器的像素组成至少为1024!768个，才能正确地显示这个画面。黑矩阵(B lack m atrix ，简称为B M )是为防止漏光、混淆和增加对比度而设计的，主要是用来遮住不打算透光的部分，比如I T O 的走线、C r/A l 的走线，或者是薄膜晶体管(TFT)的部分。这也就是为什么有些RGB 的亮点看起来并不是规整的矩形，在其左上角也有一块被黑矩阵遮住的部分(
图3)。利用真空溅射C r 膜作黑矩阵是最常采用的方法，其优点是膜薄而质密，缺点是成本高、生产工艺复杂和不利于环保，目前正在研究开发用黑树脂代替C r 做黑矩阵。
图3 彩滤光片中的像素和黑矩阵F i g 3 T he pi x el and b l ack ma trix of co l or filter
2.3 彩滤光片的性能
彩层的材料和工艺决定了彩滤光片的光谱特性，平整度及耐热、耐光和耐化学腐蚀性，对彩滤光片性能的要求如下
[5]
:
无动力除尘(1)高纯度和高透过率
纯度和透过率反映显示器件表现彩的能力和范围。高纯度和高透过率是LCD显示彩丰富逼真的高画质图像所必备的性能指标。构成彩层的颜料是影响纯度和透过率的决定性因素，应尽可能选择谱峰比较尖锐的颜料，滤掉不必要的波长的光。红、绿、蓝三基的透射光谱需适中。透射波长范围不能太窄，否则彩层的透光度太低，透射波长范围也不能太宽，否则三基光谱将发生重叠，使滤层的彩还原能力变差。因此，颜料的合理选型是很重要的。 (2)高对比度
对比度是指在规定的照明条件下，显示器的最大亮度值(全白)与最小亮度值(全黑)的比值。一般LCD的对比值为200:1~400:1。对于高纯度和高清晰度的画面而言，高对比度是最重要的。高对比度必定要求具有低反射率，因此这一性能对黑矩阵提出了严格要求。
(3)良好的耐热、耐光及耐化学腐蚀性
LCD的后工序会遭遇250∀左右的高温，因此彩滤光片应具有良好的耐热性，不会因受热而变形和变，还应具有良好的耐光性，不会因背光源照射而褪。此外，还必须能承受制作过程中用到的酸、碱等化学溶剂的腐蚀。
3 彩滤光片的制作工艺眼部凝露
彩滤光片的制作就是在玻璃基板上，将红、绿、蓝三原颜料(颜料光阻)制作在每一个像素内，较常用的彩滤光片制作方法有旋转涂布 蚀刻法、染法、印刷法、电沉积法、喷墨法等[6]。
3.1 旋转涂布 蚀刻法
旋转涂布 蚀刻法(Sp i n coating etching m et h od)，简称为旋转涂布法(Sp i n coati n g m ethod)，有
时也称之为颜料分散法(pi g m ent d ispersed m ethod)，是当前彩滤光片主要的制作方式。其制作工艺为：先将颜料分散到感光树脂中，经过光阻涂布、前烘、曝光、显影、后烘、蚀刻等工艺(图4)，重复三次，最后制成彩滤光片。颜料分散法工艺简单，制成的彩滤光片光敏性和耐光性好，精密度高、有很高的热稳定性，可耐250∀左右的高温，并且具有较好的耐湿性、耐磨性和化学稳定性，在颜特性、品质、可靠度等方面均占优势，是目前彩滤光片大生产中应用最多的主流方法。
图4 用颜料分散法制取彩滤光片的工艺流程简图
F i g4 The color filter m anu f actured
by sp i n coati ng etchi ng m ethod
3.2 印刷法
用印刷法制作彩滤光片的工艺有胶印法印刷、反转式印刷、热压转印法、网版印刷和凸版印刷等。印刷法的优点是低成本、生产率高，适合于各种规格的产品，缺点是产品分辨率较低，表面平坦性较差。其中，胶印法制作的彩滤光片的分辨率及平坦性较好，分辨率已达到50~100 m条状，并可以三同时印刷。
反转式印刷(Reverse pri n ting m ethod)是最近出现的一种印刷法工艺。制作工艺为：先用精密涂饰喷
嘴将颜料光阻涂于转印轮上，再将其转载至特定模版(m ask)上，并将不必要区域之颜料光阻刮除，形成pattern化的颜料光阻，再将它转载至目标载体(substrate)上，重复4次，可完成三原和黑矩阵的工序，最后得到彩滤光片(图5)。该工艺是2003年由日本光村印刷和三菱重工共同研发的，他们利用这种方法制作的Prototype彩滤光片分辨率已达到5 m，基板尺寸最大可达550mm! 650mm。
图5 反转式印刷制作彩滤光片
F ig5 The co lor filte r manufactured by reverse printi ng me t hod
3.3 染法
染法制作滤光片约有30年的实用历史，它主
要包括图案制作工程和染工程两部分。染法所
用的主要材料是水溶性透明聚合物，在聚合物中加
入重氮基化合物或重铬酸盐，制成感光材料，将可
染的光敏聚合物涂在玻璃基板上，通过掩膜曝光
和水冲洗，形成透明图案，并用酸或活性染料染,
染后的图案用硬化剂进行处理，以防移，工艺
应重复进行3次(图6)。用此法生产的彩滤光
片，其耐热性、耐化学腐蚀性较差。
图6 染法制备着层的工艺过程
F ig6 The co lor filte r manufactured by dye i ng m et hod
3.4 电沉积法
在电沉积法制造彩滤光片的工艺过程中，将
I T O电极的图案制作得与像素配置方式完全一致,
并将同种颜的电极图案连在一起电镀，电镀槽内
放入料和树脂胶粒组成的分散体系，通电后涂料
便沉积在透明导电层上，使用3种不同的料分3
次电镀，便得三膜(图7)。
图7 电沉积法制造彩滤光片的工艺过程
F i g7 T he co l o r filter m anufact ured by e lectric depositi ng m ethod
3.5 喷墨法
虽然在彩滤光片传统制作方法中，旋转涂布
法是以往最普遍的方法，有设备简单、成膜性佳等
优点，但是在工艺中使红、绿、蓝三定位不易。
无论涂布方式如何改变，其后续过程均须经过3次
光刻才能形成红、绿、蓝三滤光层，这样会耗费
大量的光阻材料，而且过多的工艺过程会降低产品
的不良品率，增加成本。为了进一步简化工艺过程、
降低材料的消耗、提高产品质量，研究人员正致力
于将喷墨打印技术移植于彩滤光片的作方法中[7]。
这种喷墨打印技术主要是先在玻璃基板上形成微点
阵的像素框架，再利用喷墨方式，把红、绿、蓝三
颜料溶液精准的喷布在像素框架相应的块区内,
再经由固化(紫外光或热固化)，在其上再制备一层
保护层并进行平坦化，形成彩滤光片(图8)。
图8 喷墨法制造彩滤光片
F i g8 T he co l o r filter prepared by ink j et m ethod
与传统方法比较，此法克服了现有涂布工艺的
长步骤、颜料使用率低等缺点，大幅降低了设备投
入，减少蚀刻废液与光阻材料成本。喷墨打印法与
传统的旋转涂布 蚀刻法制作彩滤光片的工艺各方
面比较如表1所示。
4 颜料光阻材料
彩滤光片品质的好坏主要取决于颜料光阻的
性能[8]，而颜料光阻成分主要包括颜料、连接料、
填料和其它助剂和溶剂等成分(表2)。
在光阻材料中，颜料作为着剂是核心成份之
一，它以一定的粒径分散于光阻树脂中。颜料的各
种应用性能不仅取决于分子内在化学结构，更多的
是与颜料粒子的粒径分布、粒子形状、比表面积、
表面的极性、粒子的聚集状态、化学特性有着十分
密切的关系，并将直接影响颜料的最终应用性能，如饱和度、纯度、透过率、耐久性和耐热性等。
表1 喷墨打印法与旋转涂布法制作彩滤光片比较
T able1 The co mpar i son o f manufacture be t w een i nk j e t and sp i n coa ti ng me t hod
喷墨打印法旋转涂布法
设备一套喷印系统，不必需光罩3套曝光显影设备，需光罩
工艺步骤少、耗能低，直接喷印微影，同时
将红、绿、蓝三喷印于微细块内
多、耗能高，分别需要3道彩光阻涂布、
预烤、曝光、显影的工艺过程
全息设备材料自主性数字喷墨墨水技术国内已基本建立彩光阻几乎全仰赖进口
材料使用率>95%，几乎全可应用<10%，有九成材料会在旋转涂布过程中被甩掉，又有七成材料在显影制程中被溶解移除
其它优势用
在大面积涂布、可挠显示器上有应用优势;
设备通用性强，还可应用于LED
大面积涂布较困难，难以应用于其它显示器
表2 彩滤光片的颜料光阻材料的成份
T ab l e2 T he co m positi on of pig m ents'li ght resistance f o r co l o r filter
成分比例(%)功能
颜料5~8赋予彩
分散剂5~8使颜料浸润及分散
树脂5~8帮助颜料的分散及对玻璃基板的附着并提供彩光阻机械强度
多官能团单体5~8每个单体由3~6个官能基团组成，照光后能与引发剂迅速反应，形成交联，抵抗弱碱溶液侵蚀
引发剂(光/热)0.2~0.6光照/加热时能迅速形成自由基和离子自由基溶剂70~80决定粘度涂布性质
其他助剂0.1~0.2使光阻溶液达到理想的牛顿流体
颜料粒径的降低有2大益处：一是在喷墨工艺中，一般要求用于喷墨溶液中的颜料的粒径控制在喷嘴直径的1/20之内，如喷嘴直径为几十 m，则颜料的粒径应在1 m以下，否则就容易造成堵塞喷嘴的现
象[9]；二是对于颜料而言，颜料的粒径约小，颜料的着强度和鲜艳度也就越好。因此，在颜料光阻材料的研究中，纳米颜料的研制是一个核心技术[10,11]，许多世界著名企业都投入了大量的人力和财力进行研发。
5 结论
彩滤光片为液晶显示器的重要组成部分，直接影响到显示器技术和产业的发展。彩滤光片制作技术的发展从提高质量、降低成本和简化工艺过程着手，使基于喷墨工艺的液晶显示用彩滤光片技术取代传统的工艺方法，成为彩滤光片制作工艺的发展趋势之一。
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The Col or F ilter f or LCD M anufact ured
by Ink Jet Pri nti ngM et hod
Z HENG Shao yu,MENG Q i n g hua,HUANG De y i n
(School of Che m istry&Che m ical Engineering,Shanghai J iao T on g University,Shanghai200240,Chi na)
Abstract:T he co l or filter for LCD was introduced.T he structure,property and manufacturi ng method o f color filter f o r LCD w ere s u mmar ized.T he deve l op ment of the manufacturi ng process f o r co l o r filter based on i nk j e tm ethod w as ana l y zed.
K ey words:i nk j et;LCD;co l or filter
2006年全球OLED产值4.75亿美元
2007年2月据显示器市场调研机构D isplaySearch统计,2006年全球OLED产值约4.75亿美元，较2005年减少了3%。主要原因是2006年OLED平均售价下跌达24%所致；统计去年全球OLED出货量达7210万片，较前年出货成长29%。
据统计,2006年全球第1大OLED厂商为Sa msung SD I，营业额为1亿美元，全球市占率为21%,LGE以营业额9300万美元居第2位，市占率为19.6%；其次铼宝科技(R i T d ispaly)营业额7900万美元，市占率为16.7%。
Pioneer、U niv ision、TDK去年营业额分别以7700万美元、5700万美元、3200万美元居第
4、5、6位；统计全球前6大OLED厂商营收占全球市场达92.4%。
D isplaySearch还指出,OLED显示器仍以被动矩阵(P MOLED)应用为主，统计表明去年第四季P M OLED显示器占全体OLED显示器应用的93%，其中以手机用次面板出货达1225万片，占全体OLED出货比重55.2%居首位，其次是M P3用OLED出货达788万片，占全体OLED出货比重35.5%，这两项应用产品占OLED出货比重达90%。
王 瑞
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