CN100561306C - 彩膜基板及制造方法和液晶显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种彩膜基板及制造方法和液晶显示装置。该彩膜基板包括：基板；设置在基板上的黑矩阵；间隔设置在黑矩阵之间、荧光材质的彩色像素；覆盖在黑矩阵和彩色像素上的流平封装层；贴设在流平封装层上的内置偏振片。该制造方法包括：在基板上形成黑矩阵，并在其间形成荧光材料的彩色像素；形成流平封装层；形成内置偏振片。该液晶显示装置采用本发明的彩膜基板，还包括阵列基板、液晶层和背光源，其中，背光源发射的波长小于等于彩膜基板上彩色像素荧光材料的受激发光临界波长。本发明在彩膜基板上以彩色荧光材料代替彩色树脂材料，改变了发光方式，减少了树脂材料吸收光的能量损失，能提高光利用效率，并且能改善液晶显示装置的视角特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种彩膜基板及制造方法和液晶显示装置，尤其涉及一种包括间隔设置的黑矩阵和彩色像素的彩膜基板及制造方法，和采用该彩膜基板的液晶显示装置。
背景技术
目前，彩色液晶显示装置已经越来越广泛的应用到人们的生活和生产之中，其中，液晶显示装置的彩色显示特性、视角特性是人们越来越关注的重要显示指标。
在彩色显示特性方面，现有液晶显示装置件采用的一种技术手段是设置树脂材料制作的彩色滤光片来实现彩色显示特性。彩色滤光片上的每一个彩色像素对应一种颜色，通常是红、绿、蓝三基色，当背光源发出光谱范围覆盖红、蓝、绿三种颜色的光线时，由于树脂材料的滤光作用，一个颜色的彩色像素允许对应颜色的光透过而吸收另外两种颜色的光，从而实现液晶显示装置的彩色显示特征。该技术虽然实现了彩色显示，但是其存在的问题是光的利用率大副下降，原因是：一方面彩色滤光片的滤光作用使得背光源发出的大部分光被吸收，光的利用效率不足1/3；另一方面，因为荧光灯类的背光源均是通过紫外线激发灯管壁内涂覆的荧光粉来发光的，白光二极管类的背光源是通过二极管芯片所发出的短波长，即通过发出紫光或蓝光激发灯管壁内涂覆的荧光粉来发光的，所以现有背光源都存在着因激发荧光材料发光而导致的光能量损失现象。传统彩色液晶显示装置至少存在两次光能量损失，因而会大幅度降低能量的利用效率，不仅导致液晶显示装置的亮度低，而且为保证显示亮度而耗费的能量也较大。
在视角特性方面，液晶显示装置通常采用双折射或旋光技术来实现对光强度的控制，限于液晶分子显像的工作原理，光线从背光源发出后，会依次经过下偏振片、液晶层和上偏振片，在液晶分子的偏转作用下，导致不同角度入射的光线间光程差不同，最终导致的后果是液晶显示装置的视角通常较窄。所谓视角，即能正常观测液晶显示装置屏幕上图像亮度、对比度和色彩的可视范围。视角窄导致观察者在较偏斜的角度观看图像时，图像的对比度和色彩会发生偏移。因此与主动发光型显示器件相比，现有液晶显示装置的视角特性比较差。为解决这一问题，现有技术开发了光学膜补偿、多筹垂直排列(MVA)、图形控制的垂直排列(PVA)、平面驱动(IPS)、边缘场驱动(FFS)等多种模式来改善液晶显示装置的视角特性。但是上述技术只能减少不同角度入射光线间的所通过路径的差异，而不能完全消除，对视觉的改善也很有限，且使液晶显示装置的结构复杂，提高了工艺难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种彩膜基板及制造方法和液晶显示装置，以实现提高液晶显示装置的光利用效率，提高显示亮度，降低能耗，同时避免不同角度观察时，图像对比度和色彩偏移现象的发生，改善液晶显示装置的视角特性。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种彩膜基板，包括：
基板；
黑矩阵，以矩阵排列形式设置在基板上；
彩色像素，间隔设置在黑矩阵之间，该彩色像素的材质为荧光材料；
流平封装层，覆盖在该黑矩阵和彩色像素之上；
内置偏振片，贴设在流平封装层上。
为实现上述目的，本发明的第二方面提供了一种彩膜基板的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、在基板上形成矩阵排列形式的黑矩阵，并在黑矩阵之间形成荧光材料的彩色像素；
步骤2、在完成步骤1的基板上形成流平封装层；
步骤3、在完成步骤2的基板上形成内置偏振片。
为实现上述目的，本发明的第三方面体提供了一种采用本发明彩膜基板的液晶显示装置，包括与该彩膜基板对盒设置的阵列基板、设置在彩膜基板和阵列基板之间的液晶层、以及设置在阵列基板背离彩膜基板一侧的背光源，其中，该背光源发射的波长小于等于彩膜基板上彩色像素荧光材料的受激发光临界波长。
由以上技术方案可知，本发明在彩膜基板上以彩色荧光材料代替彩色树脂材料，荧光材料在短波长光源的激发下，可以直接发光，因而减少了树脂材料吸收光的能量损失，解决了现有技术中光利用效率低的问题。同时，本发明因采用了彩膜基板主动发光的技术手段，使液晶显示装置达到了与主动发光显示装置相当的视角特性。因此，本发明的优点在于：
1、液晶显示装置的彩色显示方式以荧光材料的光激发式代替了现有的树脂材料光吸收式，能够提高光能量利用效率达50％以上，因而能够提高液晶显示装置的显示亮度，减少能量消耗；
2、彩色光来源于液晶显示装置表面彩膜基板的荧光材料的发射，未经过液晶层，在不同角度观察图像时，对比度和色彩不会发生偏移，因此与阴极射线管等主动发光型显示器具有同等的视角特性，本发明在不依赖液晶显示模式和光学结构设计的前提下改善了液晶显示装置的视角特性；
3、将偏振片置于液晶显示装置彩膜基板的内部，减少了液晶显示装置附属零部件的数量，使显示装置更加轻薄化；
4、因为液晶显示装置中所采用的大多数光学材料的折射率、吸收率等参数都依赖于光波长，所以在全波长范围的背光源下，使液晶显示装置中的各种光学材料达到最佳光学效果是十分困难的，本发明采用了单一波长或较窄波长范围的背光源，所以有利于光学材料的优化设计。
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明彩膜基板具体实施例一的俯视结构示意图；
图2为图1中的A-A向剖面结构示意图；
图3为本发明彩膜基板具体实施例二的剖面结构示意图；
图4为本发明彩膜基板制造方法具体实施例一的流程图；
图5为本发明彩膜基板制造方法具体实施例二的流程图；
图6为本发明液晶显示装置具体实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
彩膜基板实施例一
如图1所示为彩膜基板具体实施例一的结构示意图，图2为图1中的A-A向剖面图，该彩膜基板是可设置于液晶显示装置中用来实现彩色显示性能的功能部件，其具体结构包括：基板1；以矩阵排列形式设置在基板1上的黑矩阵2；间隔设置在黑矩阵2之间的彩色像素3，通常设置红、绿、蓝三基色的彩色像素3，该彩色像素3的材质为荧光材料，可在一定波长光线的激发下发出相应颜色的光，根据荧光材料的不同，其受激发光所需的光线波长也不相同，此处定义能够激发荧光材料发光的最大波长为该荧光材料的受激发光临界波长；该彩膜基板还包括覆盖在该黑矩阵2和彩色像素3之上的流平封装层4；以及贴设在流平封装层4上的内置偏振片5。
本实施例中的黑矩阵可以采用树脂材料、金属铬或金属铬的氧化物制成，也可以由上述材料任意组合叠放而形成黑矩阵，该黑矩阵以矩阵排列形式，或称网格形式设置在基板上。
本实施例中彩色像素的材质具体可以为无机荧光材料，例如：红色荧光材料可以为三价铕激活的钇铝石榴石，蓝色荧光材料可以为二价铕激活的氯磷酸锶/钙，绿色荧光材料可以为铈激活的钇铝石榴石。该无机荧光材料可以是在波长范围为350nm至480nm的短波激发下可发光的材料。彩色像素的材质还可以为有机荧光材料，例如可以为一种或多种激光染料的组合，包括但不限于：罗丹明类、香豆素类、偶氮类、蒽醌类、周萘酮类、恶嗪类、吡咯家撑类、二萘嵌苯类；或者三价稀土离子Sm3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+为中心金属离子β-二酮类、芳香酮类、杂环类二元和多元金属配合物。
在本实施例中，当荧光材料为无机荧光材料时，流平封装层可以采用有机材料制成，例如采用“JSR”株式会社生产的“Optmer SS”系列热固化树脂。当荧光材料为有机荧光材料时，流平封装层可以采用气密性好的有机聚合物与无机薄膜相交叠形成的膜层，其中的无机薄膜的材质可以为SiO2或SiNx。该流平封装层覆盖在彩色像素和黑矩阵之上，起到保护荧光材料的作用，同时对于彩色像素和黑矩阵形成的表面也起到平整的作用。
本实施例中的内置偏振片具体可以为金属栅，也可以采用含有染料的有机自组装材料制成内置偏振片，例如采用“Optiva”公司“TCF No.15”的有机自组装材料，或者还可以采用具有折射率各向异性的有机材料的多层交叠膜层。内置偏振片是光从液晶层射向荧光材料侧的偏振装置。现有的液晶显示装置是彩膜基板和阵列基板对盒设置的，液晶层设置在彩膜基板和阵列基板之间，上、下偏振片设置在液晶层的两侧，通常分别设置在彩膜基板和阵列基板的外侧，而光线通过两层偏振片最终射出液晶显示装置，使图像正常显示。基于该原理，因为本实施例彩膜基板是荧光材料受激发光的，发光位置将位于液晶层的上侧，所以若偏振片仍设置在彩膜基板外层，那么从光源侧入射的光只经过了阵列基板侧的偏振片和液晶层，照射到荧光材料上，液晶层无法起到调制光强的作用，且荧光材料所发出的光也不能维持入射光的偏振特性，因而使图像不能正常显示。因此，本实施例中将一个偏振片设置在彩膜基板内部，使光源光线在到达荧光材料之前经过了两个偏振片和液晶层。
本实施例的彩膜基板还可以进一步在内置偏振片5上布设透明导电层6，如图2所示。该透明导电层6可以采用氧化铟锡或氧化锌制成，相当于现有彩色液晶显示装置中的公用电极。
本实施例的彩膜基板在应用到液晶显示装置中时，液晶显示装置相应采用能激发荧光材料的彩色像素发光的、发射短波长的光源作为背光源，工作原理为：背光源发出的短波光线传输到彩膜基板的彩色像素上时，因为彩色像素是无机或有机荧光材料制成的，所以荧光材料会受激发出相应颜色的光，从而实现液晶显示装置的彩色显示特性。
本实施例的技术方案采用了彩色像素主动发光的方式实现彩色显示效果，避免了树脂材料滤光片对光的吸收作用，光利用效率可提高达50％以上。同时，彩色基板上彩色像素的主动发光方式避免了不同入射角度光线在液晶层内所经历的光程差不同，进而避免了图像对比度和色彩随观察角度偏移现象的发生，能够改善液晶显示装置的视角特性，使其具有与主动发光型显示器相当的视角特性。
本发明的彩膜基板可以应用于所有彩色液晶显示装置中，如薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，以下简称TFT-LCD)和彩色超扭转向列液晶显示器(Super Twist Nematic LiquidCrystal Display，简称STN-LCD)。
彩膜基板实施例二
如图3所示为本发明彩膜基板具体实施例二的剖面结构示意图，本实施例与实施例一的结构大致相同，区别在于：组成黑矩阵2的网格线条之中，每个线条的纵向截面形状均为T型，黑矩阵2的T型截面凸出的边缘覆盖相邻的彩色像素3的边缘。
该技术方案能够防止荧光材料发出的光射向薄膜晶体管时对其造成的损害，尤其对于非晶硅材料的薄膜晶体管来说，该措施的作用更为显著。
彩膜基板制造方法实施例一
如图4所示为本发明彩膜基板制造方法具体实施例一的流程图，该方法可用于制造本发明的彩膜基板，其包括如下步骤：
步骤11、在基板上依次涂覆红、绿、蓝三基色、浆状的无机荧光材料，并采用曝光和刻蚀工艺在无机荧光材料上形成矩阵排列形式的图案作为彩色像素，其中浆状的无机荧光材料是由无机荧光粉添加感光胶制成的；
步骤12、在完成步骤11的基板上涂敷或沉积黑矩阵材料，通过曝光和蚀刻工艺形成黑矩阵，黑矩阵间隔设置在彩色像素之间，较佳的实施方式是使黑矩阵线条的纵向截面形状为T型，令T型截面凸出的边缘覆盖相邻的彩色像素的边缘，其中黑矩阵材料可以为树脂、金属铬或金属铬的氧化物，或者还可以任意组合地叠放沉积上述材料形成黑矩阵；
步骤13、在完成步骤12的基板上，以有机封装材料形成流平封装层，对于有机封装材料，具体可使用旋转涂敷或刮刀涂敷(slit-coating)，通过热固化工艺成型。
步骤14、在完成步骤13的基板上形成内置偏振片；
步骤15、在完成步骤14的基板上可以进一步沉积透明导电材料形成透明导电层，具体可以沉积氧化铟锡或氧化锌材料，可以将该透明导电层作为公共电极。
在本实施例的步骤14中形成内置偏振片的方法可以有多种，其中一种具体实施方式为：在完成步骤13的基板上涂覆有机自组装材料，采用热固化或光固化方法使有机自组装材料固化成型作为内置偏振片。
另一种具体实施方式为：在完成步骤13的基板上沉积金属材料，采用曝光和蚀刻工艺形成相应的图案以制成金属栅式的内置偏振片。
再一种具体实施方式为：在完成步骤13的基板上，即在流平封装层上直接贴附折射率各向异性的多层有机膜作为内置偏振片。
本实施例的技术方案可用于制造本发明的彩膜基板，其制造工艺简单，对现有工艺流程的调整较小，易于推广应用。该方法所制造的彩膜基板在应用到液晶显示装置中时，能够提高光的利用效率，改善液晶显示装置的视角性能。
彩膜基板制造方法实施例二
如图5所示为本发明彩膜基板制造方法具体实施例二的流程图，本实施例可以用于制造本发明的彩膜基板，本实施例技术方案与实施例一的区别在于步骤11、步骤12和步骤13替换为执行步骤21、步骤22和步骤23：
步骤21、在基板上涂敷或沉积黑矩阵材料，通过曝光和蚀刻工艺形成以矩阵形式排列的黑矩阵，黑矩阵的材料可以采用树脂、金属铬、金属铬的氧化物，或者任意组合地叠放上述材料作为黑矩阵；
步骤22、在完成步骤21的基板上采用掩模蒸发有机荧光材料或喷墨打印有机荧光材料的方法形成彩色像素，该彩色像素间隔设置在黑矩阵之间；
步骤23、在完成步骤22的基板上使用溅射、化学气相沉积或蒸发的方法顺次布设有机聚合物与无机材料使其叠设，形成无机和有机的叠层结构；
步骤24、在完成步骤23的基板上形成内置偏振片；
步骤25、在完成步骤24的基板上形成透明导电层。
本实施例的彩膜基板制造方法中彩色像素和黑矩阵的制备工序与实施例一不同，这取决与制备彩色像素的材料。采用无机荧光材料时，可以先形成彩色像素，而后形成黑矩阵，并使黑矩阵覆盖无机荧光材料的边缘。采用有机荧光材料时，需先设置黑矩阵，以保证彩色像素能够填充到黑矩阵中而能准确定位。
本实施例中制造内置偏振片和透明导电层的方式与实施例一大致相同。
本实施例的技术方案所制造的彩膜基板在应用到液晶显示装置中时，能够提高光的利用效率，改善液晶显示装置的视角性能。同时制造方法简单、易实现。
液晶显示装置实施例
如图6所示为本发明液晶显示装置具体实施例的结构示意图，该液晶显示装置包括对盒设置的彩膜基板10和阵列基板20，其中阵列基板20也称薄膜晶体管基板，该液晶显示装置还包括彩膜基板10和阵列基板20之间设置的液晶层30，以及设置在阵列基板20背离彩膜基板10一侧的背光源40，其中，该彩膜基板10的结构包括：基板1；以矩阵形式设置在基板1上的黑矩阵2；间隔设置在黑矩阵2之间的彩色像素3，包括红、绿、蓝三基色，该彩色像素3的材质为荧光材料，可在一定波长的光线激发下发出相应颜色的光；覆盖在该黑矩阵2和彩色像素3之上的流平封装层4；贴设在流平封装层4上的内置偏振片5；在内置偏振片5上还可以布设透明导电层6。
在本实施例中，对盒设置的彩膜基板和阵列基板之间具体为通过隔垫物保持适当的间隙，在间隙中充入液晶材料形成液晶层。彩膜基板和阵列基板的边缘使用树脂材料进行密封，并在阵列基板的外侧贴附外置偏振片，从而构成液晶显示屏。此液晶显示屏配置相应的驱动电路，并与短波长背光源组装在一起而形成本实施例的液晶显示装置。
在本实施例中，阵列基板和液晶层的结构可以采用现有技术，例如液晶层的具体结构可以设计为扭曲向列模式(TN)、垂直取向模式(VA)、平面驱动模式(IPS)、光学补偿弯曲模式(OCB)或边缘场驱动模式(FFS)；薄膜晶体管具体可以采用非晶硅技术、低温多晶硅技术、有机半导体或硒化镉技术等。
在本实施例中，背光源采用能发出短波长的、没有涂覆荧光粉的冷阴极荧光灯管或发光二极管，其光线波长的取值范围应能够激发彩膜基板上的彩色像素荧光材料发光，波长应小于或等于荧光材料受激发光临界波长值，较佳的取值范围是350nm至480nm。背光源的设置位置可以有多种，如常用的、设置在阵列基板两侧的侧光式，如图6所示，以导光板50和背光板60将背光源40的光导入彩膜基板10。还可以采用直下式等方式。
在本实施例的液晶显示装置中，可以在导光板50的出光侧，即朝向阵列基板20的一侧设置扩散片70，如图6所示，并进一步在扩散片70朝向阵列基板20的上侧设置偏振选择透过薄膜80。
本实施例的液晶显示装置可以采用本发明彩膜基板的任一实施例，采用该彩膜基板的液晶显示装置以荧光材料的光激发式代替了现有的树脂材料光吸收式，能够提高光能量利用效率达50％以上，因而能够提高液晶显示装置的显示亮度，减少能量消耗；本实施例的液晶显示装置的彩色光来源于彩膜基板的荧光材料，避免了传统液晶显示器件的不同角度入射光在液晶层中传播所产生的光程差异，因此观察者在不同角度观看图像时，对比度和色彩不会发生偏移，与阴极射线管等主动发光型显示器具有同等的视角特性，本实施例在不依赖液晶显示模式和光学结构设计的前提下改善了液晶显示装置的视角特性；将偏振片置于液晶显示装置彩膜基板的内部，也能够减少液晶显示装置附属零部件的数量，使显示装置更加轻薄化；背光源使用单一波长或较窄的波长范围，有利于光学材料的优化设计。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (20)
1、一种彩膜基板，其特征在于包括：
基板；
黑矩阵，以矩阵排列形式设置在所述基板上；
彩色像素，间隔设置在所述黑矩阵之间，所述彩色像素的材质为荧光材料；
流平封装层，覆盖在所述黑矩阵和彩色像素之上；
内置偏振片，贴设在所述流平封装层上。
2、根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于：所述流平封装层为热固化树脂材质的膜层或有机聚合物与无机材料叠放的膜层。
3、根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于：所述内置偏振片的材质为金属栅或含有染料的有机自组装材料。
4、根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于：还包括透明导电层，贴设在所述内置偏振片上。
5、根据权利要求4所述的彩膜基板，其特征在于：所述透明导电层的材质为氧化铟锡或氧化锌。
6、根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于：所述黑矩阵为树脂、金属铬、金属铬的氧化物中任一材质或上述材质任意组合叠放的膜层。
7、根据权利要求1～6所述的任一彩膜基板，其特征在于：所述黑矩阵的每个线条的纵向截面形状为T型，所述黑矩阵T型截面凸出的边缘覆盖相邻的所述彩色像素的边缘。
8、一种彩膜基板制造方法，其特征在于包括：
步骤1、在基板上形成矩阵排列形式的黑矩阵，并在所述黑矩阵之间形成荧光材料的彩色像素；
步骤2、在完成步骤1的所述基板上形成流平封装层；
步骤3、在完成步骤2的所述基板上形成内置偏振片。
9、根据权利要求8所述的彩膜基板制造方法，其特征在于，在步骤3之后还包括：步骤4、在完成步骤3的所述基板上沉积透明导电材料形成透明导电层。
10、根据权利要求8所述的彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤11a、在基板上涂覆浆状的无机荧光材料，通过曝光和刻蚀工艺形成矩阵排列形式的彩色像素；
步骤12a、在完成步骤11a的所述基板上形成黑矩阵，所述黑矩阵间隔设置在所述彩色像素之间。
11、根据权利要求10所述的彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在完成步骤1的所述基板上涂覆有机封装材料，并通过热固化工艺形成流平封装层。
12、根据权利要求8所述的彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤11b、在基板上形成矩阵排列形式的黑矩阵；
步骤12b、在完成步骤11b的所述基板上采用掩模蒸发有机荧光材料或喷墨打印有机荧光材料的方法形成彩色像素，所述彩色像素间隔设置在所述黑矩阵之间。
13、根据权利要求12所述的彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在完成步骤1的所述基板上采用溅射、化学汽相沉积或热蒸发的方法顺次叠设有机聚合物与无机材料来形成流平封装层。
14、根据权利要求8～13所述的任一彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤3具体为：在完成步骤2的所述基板上涂覆有机自组装材料，采用热固化或光固化的方法固化成型所述有机自组装材料来形成内置偏振片。
15、根据权利要求8～13所述的任一彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤3具体为：在完成步骤2的所述基板上沉积金属材料，采用曝光和蚀刻工艺形成金属栅式内置偏振片。
16、根据权利要求8～13所述的任一彩膜基板制造方法，其特征在于，所述步骤3具体为：在完成步骤2的所述基板上贴附折射率各向异性的有机膜来形成内置式偏振片。
17、一种采用权利要求1～7所述的任一彩膜基板的液晶显示装置，包括与所述彩膜基板对盒设置的阵列基板、设置在所述彩膜基板和所述阵列基板之间的液晶层、以及设置在所述阵列基板背离所述彩膜基板一侧的背光源，其特征在于：所述背光源发射的波长小于等于所述彩膜基板上彩色像素荧光材料的受激发光临界波长。
18、根据权利要求17所述的液晶显示装置，其特征在于：所述背光源发射的波长大于等于350纳米且小于等于480纳米。
19、根据权利要求17所述的液晶显示装置，其特征在于：所述背光源为灯管壁不涂覆荧光材料的冷阴极荧光灯管或发光二极管。
20、根据权利要求17所述的液晶显示装置，其特征在于：所述背光源和所述阵列基板之间设置有外置偏振片。
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