CN101546004A - 一种彩色滤光片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种彩色滤光片，主要由基板、黑色矩阵、彩色滤光层、保护膜和ITO导电膜组成，其特征在于：所述彩色滤光层为级联亚微米光栅，由二维亚微米级介质光栅和金属光栅级联构成，所述介质光栅位于近基板侧，介质材料的折射率大于1.65，所述金属光栅位于远离基板侧，同一位置的上、下两种光栅除光栅深度外的结构参数相同；通过不同的光栅结构参数获得不同颜色的光栅单元。本发明的彩色滤光片TE、TM偏振光下的透射光谱特性相同，光能利用率高，提高输出光的纯度，能进行超大幅面的制造，便于批量化生产，且便于设计为柔性可控的彩色滤光片。

Description

一种彩色滤光片
技术领域
本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种彩色滤光片(Color Filter，CF)，可用于液晶平面显示器，属于全息光学、衍射光学和背光显示领域。
背景技术
彩色滤光片(Color filter)是液晶平面显示器(Liquid Crystal Display)彩色化的关键零部件。液晶平面显示器为非主动发光元件，它是通过内部的背光模组(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，搭配驱动IC(Drive IC)与液晶(Liquid Crystal)控制形成灰阶显示(Gray Scale)，再透过彩色滤光片的R、G、B彩色层提供色相(Chromacity)，形成彩色显示画面。彩色滤光片的结构及导光性能的优劣对LCD的画面质量、光能利用率有举足轻重的影响；同时随着LCD液晶面板向大幅面、低能耗方向发展的趋势，作为彩色液晶显示重要组成部分的彩色滤光片也需向大幅面、高光能利用率的方向发展，为满足大幅面彩色滤光片的快速生产，新型彩色滤光片的设计成为必要。
彩色滤光片常用的制作方法包括染色法、印刷法、电着法、颜料分散法等。这些方法在制作大幅面彩色滤光片时，存在工艺步骤多、色度不高、生产成本高的缺陷。因此新型的彩色滤光片研制十分必要。
由于光栅在大面积快速复制技术方面的优越性，目前基于光栅结构的彩色滤光片的研制成为发展趋势，可见的报道包括：
(1)Y.Kanamori，M.Shimono，K.Hane.在文献Fabrication of transmission colorfilters using silicon subwavelength gratings on quartz substrate[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters，2006，18(20)：2126～2128中公开了一种基于光栅结构的彩色滤光片，利用石英作为彩色滤光片基底，硅和空气组成光栅区，通过改变光栅周期级硅在光栅中的占空比获得三原色透射光谱。其设计缺陷在于不同颜色的透射光的利用的入射光的偏振状态不同，红光、绿光利用TM偏振光，蓝光利用TE偏振光，导致光能利用率不高。
(2)在文献H.Lee，Y.Yoon，S.Lee，et.al.Color filter based on a subwavelengthpatterned metal grating[J].Optics Express，2007，23(15)：15457～15463中公开了利用二维金属Al光栅表面覆盖一层介质层的光栅结构设计彩色滤光片，其缺点在于其透射光谱带宽大于150nm，影响彩色滤光片的色度。
(3)在文献Y.Yoon，H.Lee，S.Lee，ct.al.Color filter incorporating a subwavelengthpatterned grating in poly silicon[J].Optics Express，2008，4(16)：2374～2380中公开了一种彩色滤光片，采用石英作为基底，宽度相同的多晶硅光栅和二氧化硅层叠，与空气组成光栅区，其缺点在于光谱透射率低。
可见，随着市场应用的不断深入，彩色滤光片向大幅面、高光能利用率方面发展，基于光栅结构的彩色滤光片的研制成为热点，而目前发表的基于光栅结构的彩色滤光片的性能有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种彩色滤光片，通过结构改进提高光能利用率，便于制作大幅面的彩色滤光片。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种彩色滤光片，主要由基板、黑色矩阵、彩色滤光层、保护膜和ITO导电膜组成，所述彩色滤光层为级联亚微米光栅，由二维亚微米级介质光栅和金属光栅级联构成，所述介质光栅位于近基板侧，介质材料的折射率大于1.65，所述金属光栅位于远离基板侧，同一位置的上、下两种光栅除光栅深度外的结构参数相同；通过不同的光栅结构参数获得不同颜色的光栅单元。
上述技术方案中，所述基板可以由石英(玻璃基板)、透明PMMA、PC或PET薄膜制成，基材厚度10um～100nm；彩色滤光层应满足彩色滤光片颜色层的厚度要求，通过改变光栅结构参数获得红、绿、蓝三色光的输出。
上述技术方案中，所述金属光栅的材料选自Al、Ag或Au。
上述技术方案中，所述光栅单元包括红色、绿色、蓝色三种颜色单元，对应红色单元的光栅常数为380～450nm，对应绿色单元的光栅常数为300～350nm，对应蓝色单元的光栅常数为200～260nm。
所述介质光栅的深度为60～250nm，金属光栅的深度为40～200nm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明利用周期常数为亚微米尺寸的级联光栅代替颜色单元获得红、绿、蓝三色光输出，其TE、TM偏振光下的透射光谱特性相同，充分利用了TE、TM两种偏振光。
2.本发明提高了光能利用率：现有的基于光栅结构的彩色滤光片的光谱透过率理论值小于60％，而基于级联亚微米光栅结构的彩色滤光片的光谱透过率接近70％，提高了光能利用率。
3.传统的彩色滤光片的输出带宽大于150nm，三种颜色之间存在50nm左右的重叠区域，影响了彩色滤光片的色度，本发明基于级联亚微纳米光栅的彩色滤光片的光谱带宽为80～100nm，减少了各颜色之间的覆盖区域，从而提高输出光的纯度。
4.本发明采用浮雕型光栅结构：与传统光学相比，衍射器件的设计灵活和制作精度高；并且浮雕型结构采用微纳米压印技术能进行超大幅面的制造，便于批量化生产，且便于设计为柔性可控的彩色滤光片。
附图说明
图1是实施例一的彩色滤光片结构示意图；
图2是实施例一中二维亚微米级联光栅结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是实施例一中金属光栅制作流程示意图；
图5是实施例一中蓝色光透射光谱图；
图6是实施例一中绿色光透射光谱图；
图7是实施例一中红色光透射光谱图；
图8是实施例二中蓝色光透射光谱图；
图9是实施例二中绿色光透射光谱图；
图10是实施例二中红色光透射光谱图；
图11是实施例三中蓝色光透射光谱图；
图12是实施例三中绿色光透射光谱图；
图13是实施例三中红色光透射光谱图；
图14是实施例四中蓝色光透射光谱图；
图15是实施例四中绿色光透射光谱图；
图16是实施例四中红色光透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一种彩色滤光片，其结构参见附图1，其中00为玻璃基板，01为SiO2膜，02为颜色层，03为保护膜，04为透明导电膜。021、022和023分别为红、绿、蓝三色颜色单元，以不同空频的二维亚微米级介质光栅和金属光栅级联构成，所述介质光栅位于近基板侧，介质材料的折射率大于1.65，所述金属光栅位于远离基板侧，同一位置的上、下两种光栅除光栅深度外的结构参数相同。
参见附图2和附图3所示，二维亚微米级联光栅结构如下：基材00可以采用玻璃、石英、PMMA或PET等透明材料，光栅11为高折射率二维介质光栅，其介质折射率大于1.65，光栅12为二维金属光栅，其材料可为Au、Al、Ag等金属，光栅周期200～450nm，光栅深度40～250nm。
本实施例光栅的制作方法，参见附图4所示，包括下列步骤：(1)在基材00上依次镀上ZnS薄膜22和Al膜23，将其固定在激光直写设备平台20上；(2)采用波长为351nm的紫外激光24沿水平方向将膜层23及膜层22刻穿；(3)紫外激光24沿垂直方向以相同空频及占宽比将膜层23及膜层22刻穿，即可得到二维亚微米金属光栅。
本实施例的一种结构可以是：占空比f为0.6，介质光栅11的深度为80nm，金属光栅12的深度为100nm时，通过改变光栅的周期获得红、绿、蓝三色光谱输出。周期T为240nm时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为76％，见附图5；周期T为320nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为72％，见附图6；周期T为410nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为79％，见附图7。
实施例二：一种彩色滤光片，其结构与实施例一类似，参见附图2，介质11为TiO2材料，占空比f为0.65，介质光栅11的深度为100nm，金属光栅12的深度为60nm，通过改变光栅的周期获得红、绿、蓝三色光谱输出。周期T为260nm时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为72％，见附图8；周期T为330nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为58％，见附图9；周期T为420nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为74％，见附图10。
实施例三：一种彩色滤光片，其结构与实施例一类似，参见附图2，占空比f为0.58情况下，介质光栅11的深度为120nm，金属光栅12的深度为80nm，周期T为260nm时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为78％，见附图11；介质光栅11的深度为100nm，金属光栅12的深度为100nm，周期T为320nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为73％，见附图12；介质光栅11的深度为100nm，金属光栅12的深度为100nm时，周期T为400nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为69％，见附图13。
实施例四：一种彩色滤光片，其结构与实施例一类似，参见附图2，基材10为玻璃，介质11为TiO2材料情况下，介质光栅11的深度为100nm，金属光栅12的深度为70nm时，占空比f为0.65，周期T为260nm时，透射光谱为波长范围400-500nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为72％，见附图14；占空比f为0.6，周期T为340nm时，透射光谱为波长范围500-600nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为72％，见附图15；占空比f为0.65，周期T为400nm时，透射光谱为波长范围600-700nm范围内的宽带带通滤波输出，透射率最大值为64％，见附图16。

Claims (4)

1.一种彩色滤光片，主要由基板、黑色矩阵、彩色滤光层、保护膜和ITO导电膜组成，其特征在于：所述彩色滤光层为级联亚微米光栅，由二维亚微米级介质光栅和金属光栅级联构成，所述介质光栅位于近基板侧，介质材料的折射率大于1.65，所述金属光栅位于远离基板侧，同一位置的上、下两种光栅除光栅深度外的结构参数相同；通过不同的光栅结构参数获得不同颜色的光栅单元。
2.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于：所述金属光栅的材料选自Al、Ag或Au。
3.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于：所述光栅单元包括红色、绿色、蓝色三种颜色单元，对应红色单元的光栅常数为380～450nm，对应绿色单元的光栅常数为300～350nm，对应蓝色单元的光栅常数为200～260nm。
4.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于：所述介质光栅的深度为60～250nm，金属光栅的深度为40～200nm。
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