CN100480747C - 彩色滤光片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种彩色滤光片，包含一透明基板、一顶反射层、一底反射层、一间隙可调的间隙层及一干涉层。间隙层介设于顶反射层与底反射层之间，且其在一像素单元上的分布区域具有三个不同厚度值，以分别构成彩色滤光片的红光、绿光及蓝光穿透区。干涉层形成于顶反射层上对应红光穿透区位置处。本发明克服了现有技术的缺陷，可获得解析度良好的红、绿及蓝光各自的穿透光谱，并提高液晶显示器显示时的色彩饱和度。
Description
技术领域
本发明涉及一种彩色滤光片，尤其是指一种运用薄膜干涉原理的彩色滤光片结构。
背景技术
彩色滤光片是决定一彩色液晶面板的颜色、对比、色泽、鲜明度及饱和度等特性的关键组件，且其占液晶面板成本的比重相当高。图1为一液晶显示器的彩色滤光片100的示意简图。如图1所示，玻璃基板102上形成有红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的不同滤光层104、106、108，且两相邻的滤光层间形成有如铬金属构成的黑矩阵层(BM)110以避免相邻颜色相混合，最后再于顶部形成一透明电极112。
目前主要的商业化彩色滤光片制作方法是采用颜料分散法，颜料分散法的工艺类似半导体的光刻工艺。图2为一概略流程图，显示公知颜料分散法制造彩色滤光片的步骤。如图2所示，该方法是将感光着色材料涂布于已形成黑矩阵层的玻璃基板上，再进行曝光显影(exposure and develop)、洗净步骤，并重复此流程三次以分别形成红(R)、绿(G)及蓝(B)三色图案，最后再形成保护层及透明电极层，即构成一彩色滤光片。
然而，此彩色滤光片制造方式明显有如下缺点。首先，就制造过程而言，因红、绿、蓝三色颜料与光刻胶是以旋转涂布(spin coating)方式形成于玻璃基板上，此方式的材料利用率相当低，故会浪费相当多的材料而使成本相对提高。再者，就制造出的滤光片成品而言，利用颜料分散法形成的彩色滤光片，其滤出的红、绿及蓝光光谱的解析度并不理想，如此会降低液晶显示器显示时的色彩饱和度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种彩色滤光片，其能使透过其中的红、绿及蓝光各自光谱具有良好的解析度，以提高液晶显示器显示时的色彩饱和度。
本发明的技术解决方案是：一种彩色滤光片，该彩色滤光片具有多个红光、绿光及蓝光穿透区，且液晶显示器的一像素单元至少涵盖一红光、一绿光及一蓝光穿透区，该彩色滤光片包含：
一透明基板；
一第一反射层，形成于该透明基板上；
一间隙层，形成于该第一反射层上，该间隙层具有依不同厚度值区分的多个第一区域、多个第二区域及多个第三区域，且各第一、第二及第三区域分别重合该彩色滤光片的该红光、绿光及蓝光穿透区；
一第二反射层，平行该第一反射层形成于该间隙层上；及
一干涉层，形成于该第二反射层上重合该第一区域位置处。
本发明还提出另一种彩色滤光片，其包含：
一透明基板，其上形成有一黑矩阵层，且该黑矩阵层将该透明基板分隔出多个镀膜区域；
多个单腔法布里-珀罗滤波结构，各滤波结构形成于各镀膜区域上，且每三个彼此具有不同间隙厚度的单腔法布里-珀罗滤波结构构成液晶显示器的一像素单元的红光、绿光及蓝光穿透区；及
一干涉层，形成于构成该红光穿透区的该单腔法布里-珀罗滤波结构上。
本发明还提出一种彩色滤光片，用以将入射光分离出具有不同波长范围的原色色彩分量，该彩色滤光片包含：
一透明基板；
一第一反射层，形成于该透明基板上；
多个间隙元件，形成于该第一反射层的预定位置上；及
一第二反射层，形成于该多个间隙元件上且相对该第一反射层平行设置；
其中该第一及该第二反射层与该多个间隙元件构成多个单腔法布里-珀罗滤波结构，所述多个单腔法布里-珀罗滤波结构包含滤出红光的第一滤波结构、滤出绿光的第二滤波结构及滤出蓝光的第三滤波结构，且该第一、第二及该第三滤波结构同时形成于液晶显示器的一像素单元内；及
一干涉层，形成于该第一滤波结构上。
本发明的特点和优点是：本发明的彩色滤光片包含一透明基板、一第一反射层、一第二反射层及一间隙可调的间隙层。第一反射层形成于透明基板上，且间隙层介设于平行设置的第一及第二反射层之间。间隙层对应一像素单元的分布区域具有三个不同厚度值，以分别构成彩色滤光片对应一像素单元的红光、绿光及蓝光穿透区。再者，可另形成一干涉层于第二反射层上对应红光穿透区位置处，以优化穿透红光穿透区的输出光谱。
通过本发明的设计，因两平行设置的反射层与具不同厚度分布的间隙层可构成多个单腔法布里-珀罗(single cavity Fabry-Perot)滤波结构，且每三个彼此具有不同间隙厚度的单腔法布里-珀罗滤波结构是对应一像素单元设置，以构成彩色滤光片对应一像素单元的红光、绿光及蓝光穿透区，从而克服了现有技术的缺陷，可获得解析度良好的红、绿及蓝光各自的穿透光谱，并提高液晶显示器显示时的色彩饱和度。
附图说明
图1为一液晶显示器的彩色滤光片示意简图。
图2为一概略流程图，显示公知颜料分散法制造彩色滤光片的步骤。
图3为依本发明的一实施例，显示一彩色滤光片的剖面结构图。
图4A-图4D为依本发明的一材料及膜厚选择实例，显示经本发明彩色滤光片滤出的不同色光光谱图。
图5为依本发明的另一实施例，显示一彩色滤光片的剖面结构图。
图6A-图6D为依本发明另一材料及膜厚选择实例，显示经本发明彩色滤光片滤出的不同色光光谱图。
图7为依本发明另一材料及膜厚选择实例，显示经本发明彩色滤光片滤出的输出光谱图。
图8为依本发明另一材料及膜厚选择实例，显示经本发明彩色滤光片滤出的输出光谱图。
主要元件符号说明：
10、30 彩色滤光片 12 红光穿透区
14 绿光穿透区 16 蓝光穿透区
18、22 反射层 20 间隙层
24 干涉层 26 黑矩阵层
28 透明基板 100 彩色滤光片
102 玻璃基板 104、106、108 滤光层
110 黑矩阵层 112 透明电极
具体实施方式
图3为依本发明的一实施例，显示一彩色滤光片10的剖面结构图。彩色滤光片10具有对应液晶显示器的一像素单元形成的红光(R)穿透区12、绿光(G)穿透区14及蓝光(B)穿透区16，且两相邻穿透区间以形成于透明基板28上的黑矩阵层26隔开，以避免相邻色光相互混合。
如图3所示，彩色滤光片10的各个穿透区域是由形成于透明基板28上的三层薄膜结构所构成，包含一第一反射层18、一间隙层20及一第二反射层22，且间隙层20介设(interposed)于两平行设置的第一反射层18与第二反射层22之间。反射层18、22与间隙层20可利用高真空度下的蒸镀或溅镀的真空镀膜方式形成于透明基板28上黑矩阵层26所分隔出的多个镀膜区域。
依本发明的设计，两平行反射层18、22中间介设一间隙可调的间隙层20，可构成一单腔法布里-珀罗(single-cavity Fabry-Perot)干涉滤波结构。当光行经两反射镜面所构成的平行腔时，若两平行反射层的间隙大小(即间隙层厚度)为入射光半波长(λ/2)的整数倍时，则产生相长干涉(constructiveinterference)而输出窄波长范围的高解析度光波，故通过调整间隙层的厚度，可决定该单腔法布里-珀罗滤波结构输出的具最大穿透率的中心波长。
因此，本发明设计使在同一像素区域内分布的间隙层20具有三种不同的间隙厚度，且该间隙厚度设计使输出波长分别落入红光、绿光及蓝光波长范围，如此即可构成彩色滤光片10对应一像素单元的红光、绿光及蓝光穿透区。
透明基板28可为一玻璃基板(glas ssubstrate)、塑胶基板(plastic sheet)或塑胶软膜(plastic film)。第一及第二反射层18、22较佳为采用银或银为主要成份的合金。间隙层20可为介电膜或金属导电氧化物所构成，介电膜的折射率介于1.3-2.6之间，其材料例如可为MgF2、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2或Nb2O5。金属导电氧化物的材料例如可为氧化铟锡(Indium Tin Oxide；ITO)、氧化铟锌(Indium Zinc Oxide；IZO)或氧化铝锌(Aluminum Zinc Oxide；AZO)。
如下显示本发明彩色滤光片10其各个膜层的材料及厚度选择的制作实例。
(第一实例)
| 膜层结构 | 材料 | 厚度 |
| 反射层 | 银(Ag) | 40nm |
| 对应红光穿透区位置的间隙层 | 二氧化硅(SiO<sub>2</sub>) | 190nm |
| 对应绿光穿透区位置的间隙层 | 二氧化硅(SiO<sub>2</sub>) | 139nm |
| 对应蓝光穿透区位置的间隙层 | 二氧化硅(SiO<sub>2</sub>) | 92nm |
| 干涉层 | 硅(Si) | 42nm |
本实例的第一及第二反射层18、22采用厚度为40nm的银金属，对应各个穿透区位置的间隙层20采用具有低折射率的介电材料SiO2。由图4A及图4B可看出，依该实例选取的对应蓝光穿透区16及绿光穿透区14位置的间隙层20厚度，可获得良好的蓝光及绿光输出光谱。
然而，如图4C所示，当对应红光穿透区12位置的间隙层厚度选择为190nm时，于380nm-400nm处的输出光谱会出现不必要的峰值(peak)，使原本应输出红光的穿透区位置同时输出紫光。因此，如图5所示的彩色滤光片30设计，可在反射层18上形成一层干涉层(interference layer)24以解决此问题。通过一厚度及材料经适当选择的干涉层24的设计(依本实例采用厚度为42nm的硅层)，可有效滤除在380nm-400nm处出现的不必要峰值。如图4D所示，通过干涉层24的优化作用可获得具有良好色纯度的红光输出。虽然本实例的干涉层24材料选择为硅(Si)，但其并不限定，亦可为介电膜或金属导电氧化物所构成。
(第二实例)
| 膜层结构 | 材料 | 厚度 |
| 金属层 | 银(Ag) | 40nm |
| 对应红光穿透区位置的间隙层 | 二氧化钛(TiO<sub>2</sub>) | 99nm |
| 对应绿光穿透区位置的间隙层 | 二氧化钛(TiO<sub>2</sub>) | 68nm |
| 对应蓝光穿透区位置的间隙层 | 二氧化钛(TiO<sub>2</sub>) | 40nm |
| 干涉层 | 硅(Si) | 42nm |
本实例的第一及第二反射层18、22采用厚度为40nm的银金属，对应各个穿透区位置的间隙层20采用具有高折射率的介电材料TiO2。由图6A及图6B可看出，依该实例选取的对应蓝光穿透区16及绿光穿透区14位置的间隙层20厚度，可获得良好的蓝光及绿光输出光谱。
接着，当对应红光穿透区12位置的间隙层20厚度选择为99nm时，如图6C所示，在380nm-400nm处的输出光谱会出现不必要的峰值，使原本应输出红光的穿透区位置输出粉红色光。此问题同样可通过于反射层18加上一层干涉层24的方式解决。通过一厚度及材料经适当选择的干涉层24设计(依本实例采用厚度42nm的硅层)，如图6D所示，可有效滤除在380nm-400nm处出现的不必要峰值，获得具有良好色纯度的红光输出。
上述制作实例皆为利用干涉层24抑制不必要峰值的设计方式，如此可以在确保良好色纯度的红光输出效果下，获得较大的膜厚值选取范围。然而，依本发明的设计，亦可通过精确选择对应红光穿透区的间隙层厚度，来获得一可接受的色纯度的红光输出，如此即可如图3所示省略干涉层24的结构。如下为本发明省略干涉层24的彩色滤光片10，其各个膜层的材料及厚度选择的制作实例。
(第三实例)
| 膜层结构 | 材料 | 厚度 |
| 金属层 | Ag | 40nm |
| 对应红光穿透区位置的间隙层 | 二氧化硅(SiO<sub>2</sub>) | 180.5nm |
| 对应绿光穿透区位置的间隙层 | 二氧化硅(SiO<sub>2</sub>) | 139nm |
| 对应蓝光穿透区位置的间隙层 | 二氧化硅(SiO<sub>2</sub>) | 92nm |
本实例的第一及第二反射层采用银金属，对应各个穿透区位置的间隙层20采用低折射率介电材料SiO2。当对应红光穿透区12位置的间隙层20厚度选择为180.5nm时，输出的光谱如图7所示，虽在380nm-400nm处同样会出现不必要的峰值，但与前述第一、第二实例相比其穿透率值已大幅减小。本实例于CIE1931 X-Y色度坐标系统下的色度坐标值(X，Y)＝(0.529，0.264)，已为一般可接受的红色表现，故可省略干涉层24。
(第四实例)
| 膜层结构 | 材料 | 厚度 |
| 金属层 | Ag | 40nm |
| 对应红光穿透区位置的间隙层 | 二氧化钛(TiO<sub>2</sub>) | 92.5nm |
| 对应绿光穿透区位置的间隙层 | 二氧化钛(TiO<sub>2</sub>) | 68nm |
| 对应蓝光穿透区位置的间隙层 | 二氧化钛(TiO<sub>2</sub>) | 40nm |
本实例第一及第二反射层采用银金属，对应各个穿透区位置的间隙层20采用高折射率介电材料TiO2。当对应红光穿透区位置的间隙层20厚度选择为92.5nm时，输出的光谱如图8所示，虽在380-400nm处同样会出现不必要的峰值，但其穿透率值亦已大幅减小。本实例于CI E1931 X-Y色度坐标系统下的色度坐标值(X，Y)＝(0.603，0.29)，已为一般可接受的红色表现，故可省略干涉层24的结构。
通过本发明的设计，因两平行设置的反射层18、22与具有不同厚度分布的间隙层20可构成多个单腔法布里-珀罗滤波结构，且每三个彼此具有不同间隙厚度的单腔法布里-珀罗滤波结构是对应一像素单元设置，以构成彩色滤光片对应一像素单元的红光、绿光及蓝光穿透区，如此可获得解析度良好的红、绿及蓝光单独穿透光谱，并提高液晶显示器显示时的色彩饱和度。再者，本发明亦可利用在反射层18上形成干涉层24的结构，提供优化红光穿透区输出光谱的效果，以获得最佳的色彩显示饱和度。
再者，依本发明的设计，两反射层18、22的厚度可设计为5nm-60nm之间，干涉层24的厚度分布范围可为5nm-900nm之间，但一较佳范围为5nm-100nm，可获得较佳的红光优化效果。另外，间隙层20的厚度可设计为10nm-900nm之间，更详言之，若间隙层20的材料为SiO2，则其对应红光穿透区12的厚度可为150nm-190nm、对应绿光穿透区14的厚度可为120nm-142nm、对应蓝光穿透区16的厚度可为10nm-120nm；若间隙层的材料为TiO2，则其对应红光穿透区12的厚度可为80nm-103nm、对应绿光穿透区14的厚度可为55nm-70nm、对应蓝光穿透区16的厚度可为10nm-55nm。
虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖的范畴。
Claims (17)
1.一种彩色滤光片，其特征在于，该彩色滤光片具有多个红光、绿光及蓝光穿透区，且液晶显示器的一像素单元至少涵盖一红光、一绿光及一蓝光穿透区，该彩色滤光片包含：
一透明基板；
一第一反射层，形成于该透明基板上；
一间隙层，形成于该第一反射层上，该间隙层具有依不同厚度值区分的多个第一区域、多个第二区域及多个第三区域，且各第一、第二及第三区域分别重合该彩色滤光片的该红光、绿光及蓝光穿透区；
一第二反射层，平行该第一反射层形成于该间隙层上；及
一干涉层，形成于该第二反射层上重合该第一区域位置处。
2.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该第一及该第二反射层的材料为银或银合金，且该第一及该第二反射层的厚度为5nm-60nm。
3.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该间隙层的材料为介电膜或金属导电氧化物。
4.如权利要求3所述的彩色滤光片，其特征在于，该介电膜的材料为MgF2、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2或Nb2O5，且该金属导电氧化物为氧化铟锡、氧化铟锌或氧化铝锌。
5.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该间隙层的材料为SiO2，且该第一区域的厚度为150nm-190nm、该第二区域的厚度为120nm-142nm及该第三区域的厚度为10nm-120nm。
6.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该间隙层的材料为TiO2，且该第一区域的厚度为80nm-103nm、该第二区域的厚度为55nm-70nm及该第三区域的厚度为10nm-55nm。
7.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该干涉层材料为介电膜、金属导电氧化物或硅所构成。
8.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该干涉层材料为Si、MgF2、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、ITO、IZO或AZO。
9.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该干涉层的厚度为5nm-900nm。
10.如权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，该透明基板为一玻璃基板、一塑胶基板或一塑胶软膜。
11.一种彩色滤光片，其特征在于，包含：
一透明基板，其上形成有一黑矩阵层，且该黑矩阵层将该透明基板分隔出多个镀膜区域；
多个单腔法布里-珀罗滤波结构，各滤波结构形成于各镀膜区域上，且每三个彼此具有不同间隙厚度的单腔法布里-珀罗滤波结构构成液晶显示器的一像素单元的红光、绿光及蓝光穿透区；及
一干涉层，形成于构成该红光穿透区的该单腔法布里-珀罗滤波结构上。
12.如权利要求11的彩色滤光片，其特征在于，该单腔法布里-珀罗滤波结构包含二平行设置的反射层及介设于该二反射层间的一间隙层，且该间隙层具有使该单腔法布里-珀罗滤波结构的中心波长落入红光、绿光或蓝光波长范围的厚度。
13.如权利要求11的彩色滤光片，其特征在于，该干涉层是由介电膜、金属导电氧化物或硅所构成。
14.一种彩色滤光片，用以将入射光分离出具有不同波长范围的原色色彩分量，其特征在于，该彩色滤光片包含：
一透明基板；
一第一反射层，形成于该透明基板上；
多个间隙元件，形成于该第一反射层的预定位置上；及
一第二反射层，形成于该多个间隙元件上且相对该第一反射层平行设置；
其中该第一及该第二反射层与该多个间隙元件构成多个单腔法布里-珀罗滤波结构，所述多个单腔法布里-珀罗滤波结构包含滤出红光的第一滤波结构、滤出绿光的第二滤波结构及滤出蓝光的第三滤波结构，且该第一、第二及该第三滤波结构同时形成于液晶显示器的一像素单元内；及
一干涉层，形成于该第一滤波结构上。
15.如权利要求14所述的彩色滤光片，其特征在于，该第一及该第二反射层的材料为银或银合金，且该第一及该第二反射层的厚度为5nm-60nm。
16.如权利要求14所述的彩色滤光片，其特征在于，所述多个间隙元件的厚度分布范围为10nm-900nm。
17.如权利要求14所述的彩色滤光片，其特征在于，该多个间隙元件的材料为介电膜或金属导电氧化物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090422 Termination date: 20210426 |