CN101551482A - 一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法，滤光片包括：透明基底、位于该基底上的三色像素阵列，其特征在于：所述三色像素阵列由光栅阵列构成，所述光栅阵列由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外面，每一光栅的周期与其滤光的颜色相对应，三种周期的光栅分别用于对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。其制作是在透明基底上依次涂布介质层和金属层，并且使该介质层和金属层形成凹凸的光栅结构。本发明只需改变光栅的周期，就可获得针对R、G、B三色的透射光谱，降低了加工彩色滤光片的难度；获得的滤光片具有合适的透射光谱，色纯度好；偏振光透过率高。

Description

一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法，可应用于背光显示领域。

背景技术

液晶显示器之所以能呈现彩色影像，主要依靠彩色滤光片。彩色滤光片作为液晶显示器件的关键组件，其性能直接影响显示器的对比度、亮度、视角乃至画面质量。液晶显示器件对彩色滤光片的性能要求如下：(1)高色纯度，也就是说，R、G、B三基色的透射光谱应适中，透射波长范围不能太窄、否则透光度太低；透射波长范围也不能太宽、否则三基色光谱将发生重迭，使滤色层的彩色还原能力变差。(2)高对比度，即要求彩色滤光片具有高透射率。彩色滤光片是TFT-LCD面板中成本比重最大的零组件，如15英寸面板的材料成本中，彩色滤光片约占24％。因此彩色滤光片的质量及其技术发展对液晶显示器至关重要。

现有技术中，彩色滤光片主要由玻璃基板、黑色矩阵、彩色层、保护层及ITO导电膜等组成，其制作就是在玻璃基板上，将红、绿、蓝三原色有机材料，制作在每一个像素内。目前较常用的彩色滤光片制作方法有颜料分散法、染色法、印刷法和电沉积法等四种，这几种制作方法有各自的优缺点。如颜料分散法，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，重复三次，最后制成彩色滤光片，存在的问题是：针对R、G、B三色，光阻厚度存在差异，形成的三色画素表面不平，导致图像的色饱和度低；对设备的要求较高，导致制作成本增加；对颜料及颜料光阻的性能要求较高。传统的彩色滤光片的透射光谱分布如图2所示，从图2可以看出，红、绿、蓝三色光谱的带宽均为150nm左右，三基色光谱发生重迭，影响了色纯度。鉴于传统的彩色滤光片在性能和加工方面存在的诸多问题，很多科研团队正致力于改进现有的加工方法和设计出新型的滤光片。

近几年，人们提出了基于纳米结构光栅的彩色滤光片。与传统的彩色滤光片相比，基于纳米结构光栅的滤光片的制作可以采用光刻工艺和纳米压印工艺加工完成，一方面，可以降低加工成本，提高生产效率；另一方面，基于纳米结构光栅的滤光片光能利用率高、透过的带宽适中，采用该滤光片的LCD的画面质量更好。中国发明专利申请CN1900750A公开了一种彩色滤光片，该彩色滤光片由位于基底上的多个区域的不同周期、不同占空比、不同高度的金属光栅组成，通过调节光栅的周期和高度对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。该结构的彩色滤光片的主模的加工程序复杂，并且后续的蚀刻过程有很高的技术难度，在工艺上很难保证滤光片的光学效果。公开号为2006/0147617A1的美国专利申请中公开了一种具有双金属层结构的彩色滤光片，该彩色滤光片由位于基底上的多个区域的相同周期、相同占空比、不同高度的介质光栅、不同高度的金属光栅组成。然而，如何在一个100-200nm的结构上溅射三种不同高度的金属层和如何在压印过程中精确控制介质光栅的高度都给实际加工该滤光片带来了极大困难。

因此，如何设计出易于加工、高性能(透射率高，透射光谱适中)的滤光片，成为LCD面板领域急需解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种亚波长光栅结构彩色滤光片，该彩色滤光片应具备透过率高，透射光谱适中的较高性能。

本发明同时提供该中彩色滤光片的制作方法，只需改变光栅层的周期，即可获得针对R、G、B三色的彩色滤光片，降低加工彩色滤光片的难度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种亚波长光栅结构彩色滤光片，包括：透明基底、位于该基底上的三色像素阵列，所述三色像素阵列由光栅阵列构成，所述光栅阵列由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外面，每一光栅的周期与其滤光的颜色相对应，三种周期的光栅分别用于对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。

上述技术方案中，通过设置分别对应于三色光的三种光栅来实现滤光，只需改变光栅层的周期，就可以对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光，降低了加工彩色滤光片的难度；并且具有适中的透射光谱，色纯度好；具有高达90％以上的偏振(TM)光透过率。

在实际应用时，可以在光栅的表面设置覆盖光栅层的保护层；该保护层具有基本上与基底相同的折射率。所述介质层为ZnS或者Ta₂O₃；所述金属层为铝或者银等；入射光基本上垂直入射。

上述技术方案中，亚波长光栅结构彩色滤光片是指光栅的周期小于入射光波长的光栅阵列构成的彩色滤光片。优选的技术方案是，滤出红光的光栅阵列的周期为360～410nm，滤出绿光的光栅阵列的周期为300～350nm，滤出蓝光的光栅阵列的周期为220～260nm。

所述光栅的脊部宽度与周期的比值为0.5～0.75；所述介质层的厚度为50～100nm，所述金属层的厚度为40～60nm。

上述技术方案中，所述透明基底由玻璃或塑料薄膜构成，所述塑料薄膜采用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚丙烯(BOPP)；透明基底厚度为500～1000微米。

红、绿、蓝三色透射光谱的带宽为80～120nm。通过调整介质层的折射率、厚度和金属层的厚度等参数，可以获得带宽合适的彩色滤光片，设计很灵活。

本发明的的制作方法的总体构思是，需要在透明基底上依次涂布介质层和金属层，并且该介质层和金属层需要形成凹凸的光栅结构，因此，需要形成光栅图案，在具体实现上，可以采用先涂布，然后形成光栅图案，最后刻蚀的方法，也可以采用先形成光栅图案遮盖不需要涂布的部分，再在其上涂布介质层和金属层的方法。由此，本发明的两种制作方法可以分别表达如下：

其一：一种亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，包括下列步骤：

(1)在透明基底上涂布介质层；

(2)在介质层上利用物理溅射方法沉积金属层；

(3)在金属层表面涂布聚合物层；

(4)用具有三种不同周期的光栅的模板在聚合物层表面形成该模板的图案；

(5)利用在聚合物表面形成的图案作为掩膜，刻蚀金属层和介质层，形成光栅结构，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。

优选的技术方案，在所述步骤(4)中，通过纳米压印方法在聚合物层表面形成该模板的图案。

其二：一种亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，包括下列步骤：

(1)在透明基底的上表面涂布光阻剂层；

(2)在光阻剂的上表面经过激光干涉、显影、定影步骤产生具有三种不同周期的光栅的图案，使得周期槽形的曝光区域的光阻剂完全被刻透并暴露出透明基底；

(3)在包括光阻剂图案的基底材料的上表面上利用物理溅射沉积介质层；

(4)在介质层的上表面利用物理溅射沉积金属层；

(5)利用有机溶液去除光阻剂层，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。

上述两种方法的总体构思是一致的。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明的彩色滤光片，只需改变光栅的周期，就可获得针对R、G、B三色的透射光谱，降低了加工彩色滤光片的难度。

2.本发明的彩色滤光片，具有合适的透射光谱，带宽为80～120nm，色纯度好。因为可见光区的光谱带宽约300nm，80-120nm带宽的透过有利于色纯度的提高，而传统的彩色滤光片有150nm带宽，其中有50nm光谱重叠区。

3.传统的彩色滤光片R、G、B三色的透过率为80％左右，本发明的彩色滤光片具有高达90％以上的偏振(TM)光透过率。

附图说明

图1为本发明实施例中的亚波长光栅结构彩色滤光片的结构示意图。

图2为传统的彩色滤光片的透射光谱分布示意图。

图3为本发明实施例一中亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图4为本发明实施例二中亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图5为本发明实施例三中亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

图6为具有本发明设计的亚波长光栅结构彩色滤光片的显示装置的示意图。

图7是本发明实施例中亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法示意图。

图8是本发明实施例中亚波长光栅结构彩色滤光片的另一种制作方法示意图。

图9为本发明设计的包括覆盖光栅层的保护层的亚波长光栅结构彩色滤光片的结构示意图。

图10为本发明实施例七中亚波长埋入式光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。

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。

参见图1，为本发明设计的亚波长光栅结构彩色滤光片的结构示意图。该彩色滤光片包括：透明基底11、位于该基底的具有不同周期的光栅层。所述的光栅层由介质层12和金属层13构成，金属层位于介质层的上表面。光栅层的周期为P，脊部宽度为W，占宽比F＝W/P，介质层12的高度为h1，金属层13的高度为h2。

实施例一：

透明基底11为玻璃(折射率为1.5)，介质层12为ZnS(折射率为2.4)，金属层13为铝。表1表示分别与红、绿和蓝色子象素对应的红、绿、蓝色光栅层的尺寸。

表1

	P(nm)	F＝W/P	h1(nm)	h2(nm)
					红色	400	0.75	80	60
绿色	310	0.75	80	60
					蓝色	230	0.75	80	60

参见表1，该彩色滤光片的红、绿和蓝色子象素的光栅层高度相同，为140nm。仅需调整光栅层的周期P，就可以过滤出不同颜色的光。下面通过严格耦合波理论(RCWA)对该结构彩色滤光片的透射效率进行分析。一束光从空气入射到基底上，该光的入射方向基本垂直于该基底的表面。

图3为亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。参见图3，蓝色滤光器的峰值位置位于450nm附近，峰值位置的光的透射效率达到95％，带宽为80nm；绿色滤光器的峰值位置位于540nm附近，峰值位置的光的透射效率达到95％，带宽为90nm；红色滤光器的峰值位置位于650nm附近，峰值位置的光的透射效率达到95％，带宽为90nm。

实施例二：

透明基底11为柔性材料聚酯(PET，折射率为1.65)，介质层12为ZnS(折射率为2.4)，金属层13为铝。表2表示分别与红、绿和蓝色子象素对应的红、绿、蓝色光栅层的尺寸。

表2

	P(nm)	F＝W/P	h1(nm)	h2(nm)
					红色	370	0.75	80	60
绿色	300	0.75	80	60
					蓝色	230	0.7	80	60

参见表2，该彩色滤光片的红、绿和蓝色子象素的光栅层高度相同，为140nm。仅需调整光栅层的周期P，就可以过滤出不同颜色的光。下面通过严格耦合波理论(RCWA)对该结构彩色滤光片的透射效率进行分析。一束光从空气入射到基底上，该光的入射方向基本垂直于该基底的表面。

图4为亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。参见图4，蓝色滤光器的峰值位置位于442nm附近，峰值位置的光的透射效率达到97％，带宽为83nm；绿色滤光器的峰值位置位于545nm附近，峰值位置的光的透射效率达到96％，带宽为82nm；红色滤光器的峰值位置位于636nm附近，峰值位置的光的透射效率达到98％，带宽为80nm。

实施例三：

透明基底11为玻璃(折射率为1.5)，介质层12为Ta2O3(折射率为2.0)，金属层13为银。表3表示分别与红、绿和蓝色子象素对应的红、绿、蓝色光栅层的尺寸。

表3

	P(nm)	F＝W/P	h1(nm)	h2(nm)
					红色	410	0.7	100	60
绿色	340	0.65	100	60
					蓝色	250	0.65	100	60

参见表3，该彩色滤光片的红、绿和蓝色子象素的光栅层高度相同，为160nm。仅需调整光栅层的周期P，就可以过滤出不同颜色的光。下面通过严格耦合波理论(RCWA)对该结构彩色滤光片的透射效率进行分析。一束光从空气入射到基底上，该光的入射方向基本垂直于该基底的表面。

图5为亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。参见图5，蓝色滤光器的峰值位置位于443nm附近，峰值位置的光的透射效率达到97％，带宽88nm；绿色滤光器的蜂值位置位于546nm附近，峰值位置的光的透射效率达到99％，带宽为87nm；红色滤光器的峰值位置位于644nm附近，峰值位置的光的透射效率达到99％，带宽为80nm。

实施例四：

图6是具有本发明设计的亚波长光栅结构彩色滤光片的显示装置的示意图。该显示装置包括背光源61、偏光片62、电极63、液晶层64、彩色滤光片65和偏光片66。其中背光源61由荧光灯管67和导光板68组成。彩色滤光片65包括多个红、绿和蓝色子像素，其中红、绿和蓝色子像素由不同周期的光栅组成。光栅的取向均为45度，从而保证透过偏光片62的偏振光经过液晶层偏转之后能被充分利用。传统的彩色滤光片的透过率为80％左右，红、绿、蓝三色光谱的带宽均为150nm左右，三基色光谱发生重迭，影响了色纯度，而本发明设计的彩色滤光片具有高达90％以上的偏振(TM)光透过率，并且具有合适的透射光谱，带宽为80～120nm，色纯度好。

实施例五：

图7是本发明实施例中亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法示意图。第一步，在透明基底71(玻璃)的上表面通过物理蒸镀或者溅射涂布介质层72(ZnS)。第二步，在介质层72上表面通过真空蒸镀或真空磁控溅射金属层73(铝)。第三步，在金属层表面涂布聚合物层74(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)，加热至高于聚合物的玻璃化相变点温度。第四步，将预制的具有三种不同周期的光栅的模板75以一定的压力压入聚合物。保持这种压力不变，降低温度至相变点温度以下。第五步，将模板抬起脱模，在聚合物层表面形成该模板的图案。第六步，利用在聚合物表面形成的图案作为掩膜，刻蚀金属层和介质层，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。

实施例六：

图8是本发明实施例中亚波长光栅结构彩色滤光片的另一种制作方法示意图。第一步，在透明基底81(聚酯PET)的上表面涂布光阻剂层82。第二步，在光阻剂层82的上表面经过激光干涉、显影、定影等步骤产生具有三种不同周期的光栅的图案83，并且将曝光强的区域的光阻剂刻透。第三步，在包括光阻剂图案的整个材料的上表面利用物理溅射沉积介质层84(ZnS)。第四步，在介质层84的上表面通过真空蒸镀或真空磁控溅射金属层85(铝)。第五步，利用有机溶液去除光阻剂层从而可以获得附图1所示的结构86，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。

实施例七：

图9为本发明设计的包括覆盖光栅层的保护层的亚波长光栅结构彩色滤光片的结构示意图。

透明基底91为玻璃(折射率为1.5)，介质层92为ZnS(折射率为2.4)，金属层93为铝，覆盖该光栅层的保护层94的厚度为50nm。表3表示分别与红、绿和蓝色子象素对应的红、绿、蓝色光栅层的尺寸。

表3

	P(nm)	F＝W/P	h1(nm)	h2(nm)
					红色	360	0.75	50	40

绿色	300	0.7	50	40
					蓝色	250	0.5	50	40

参见表3，该彩色滤光片的红、绿和蓝色子象素的光栅层高度相同，为90nm。仅需调整光栅层的周期P，就可以过滤出不同颜色的光。下面通过严格耦合波理论(RCWA)对该结构彩色滤光片的透射效率进行分析。一束光从空气入射到基底上，该光的入射方向基本垂直于该基底的表面。

图10为亚波长光栅结构彩色滤光片的TM光的透射效率与入射波长的关系图。参见图10，蓝色滤光器的峰值位置位于445nm附近，峰值位置的光的透射效率达到95％，带宽为100nm；绿色滤光器的峰值位置位于552nm附近，峰值位置的光的透射效率达到91％，带宽为95nm；红色滤光器的峰值位置位于644nm附近，峰值位置的光的透射效率达到84％，带宽为89nm。

Claims (8)

1.一种亚波长光栅结构彩色滤光片，包括：透明基底、位于该基底上的三色像素阵列，其特征在于：所述三色像素阵列由光栅阵列构成，所述光栅阵列由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外面，每一光栅的周期与其滤光的颜色相对应，三种周期的光栅分别用于对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。

2.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构彩色滤光片，其特征在于：滤出红光的光栅阵列的周期为360～410nm，滤出绿光的光栅阵列的周期为300～350nm，滤出蓝光的光栅阵列的周期为220～260nm。

3.根据权利要求2所述的亚波长光栅结构彩色滤光片，其特征在于：所述光栅的脊部宽度与周期的比值为0.5～0.75；所述介质层的厚度为50～100nm，所述金属层的厚度为40～60nm。

4.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构彩色滤光片，其特征在于：所述透明基底由玻璃或塑料薄膜构成，所述塑料薄膜采用聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯；透明基底厚度为500～1000微米。

5.根据权利要求1所述的亚波长光栅结构彩色滤光片，其特征在于：红、绿、蓝三色透射光谱的带宽为80～120nm。

6.一种亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，包括下列步骤：

(1)在透明基底上涂布介质层；

(2)在介质层上利用物理溅射方法沉积金属层；

(3)在金属层表面涂布聚合物层；

(4)用具有三种不同周期的光栅的模板在聚合物层表面形成该模板的图案；

(5)利用在聚合物表面形成的图案作为掩膜，刻蚀金属层和介质层，形成光栅结构，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。

7.根据权利要求6所述的亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过纳米压印方法在聚合物层表面形成该模板的图案。

8.一种亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，包括下列步骤：

(1)在透明基底的上表面涂布光阻剂层；

(2)在光阻剂的上表面经过激光干涉、显影、定影步骤产生具有三种不同周期的光栅的图案，使得周期槽形的曝光区域的光阻剂完全被刻透并暴露出透明基底；

(3)在包括光阻剂图案的基底材料的上表面上利用物理溅射沉积介质层；

(4)在介质层的上表面利用物理溅射沉积金属层；

(5)利用有机溶液去除光阻剂层，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。

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