CN106547144B - 彩膜基板和显示面板 - Google Patents

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Abstract

本发明属于显示技术领域，具体涉及一种彩膜基板和显示面板。该彩膜基板包括彩膜层，所述彩膜层中开设有呈周期性循环排列的多组过孔，所述过孔的上部或下部任一至少具有尖端；同组的多个所述过孔沿平面二维排布、且分别具有相同的孔径和形状，同组的所述过孔能衍射形成相同的颜色，不同组的所述过孔能衍射形成不同的颜色。该彩膜基板通过一种二维金属光栅结构实现了金属等离子体彩膜层结构，大幅降低彩膜基板的成本；此外，通过金属过孔的结构和形状改进，提升了金属等离子体彩膜层的透过率和色域，提升了金属等离子体彩膜层的特性。

Description

彩膜基板和显示面板
技术领域
本发明属于显示技术领域，具体涉及一种彩膜基板和显示面板。
背景技术
随着显示技术的发展，平板显示已经取代CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管)显示器成为目前主流的显示方式。彩膜(Color Filter，简称CF)是平板显示面板中实现彩色化的部件，其透过率和色域对显示面板的显示品质起到决定性的作用，也是研发人员一直以来不断探索和研究改进的目标之一。
经研究发现，普通彩膜结构的透过率通常只有25％左右，因此，设计一种透过率高和色域好的彩膜结构成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种彩膜基板和显示面板，至少部分解决彩膜结构的透过率和色域问题。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该彩膜基板包括彩膜层，所述彩膜层中开设有呈周期性循环排列的多组过孔，所述过孔的上部或下部任一至少具有尖端；同组的多个所述过孔沿平面二维排布、且分别具有相同的孔径和形状，同组的所述过孔能衍射形成相同的颜色，不同组的所述过孔能衍射形成不同的颜色。
优选的是，所述彩膜层包括层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层形成所述过孔的孔口，所述第三子层形成所述过孔的孔底，所述孔口和所述孔底在远离所述第二子层的一侧形成对称的锐角尖端。
优选的是，所述第二子层相对所述过孔的孔口和所述过孔的孔底的尺寸，形成相对于所述过孔的竖直孔轴内凹的弧形面。
优选的是，所述第二子层的厚度分别大于所述第一子层的厚度和所述第三子层的厚度。
优选的是，所述第二子层的厚度相对所述第一子层与所述第三子层的和厚度之比范围为1/10～1/3。
优选的是，所述第二子层采用金属材料形成，所述第一子层和所述第三子层采用与所述第二子层为同金属系的氧化物材料形成。
优选的是，所述第二子层采用金属钼Mo、金属铝、金属铜或金属银及其合金形成；
所述第一子层和所述第三子层对应采用氧化钼MoxOy形成，其中不同的x、y配比使得所述第一子层和所述第三子层具有不同的透过率。
优选的是，所述过孔的截面形状为孔顶尺寸大于孔底尺寸的梯形形状。
优选的是，所述彩膜层采用采用金属材料形成。
优选的是，所述彩膜层包括红色子彩膜层、绿色子彩膜层和绿色子彩膜层，所述红色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：420nm±30nm，过孔孔径范围为：200±40nm；所述绿色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：340±40nm，过孔孔径范围为：120±30nm；所述蓝色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：260±40nm，过孔孔径范围为：90±20nm。
一种显示面板，包括上述的彩膜基板。
本发明的有益效果是：该彩膜基板通过一种二维金属光栅结构实现了金属等离子体彩膜层结构，大幅降低彩膜基板的成本；此外，通过金属过孔的结构和形状改进，提升了金属等离子体彩膜层的透过率和色域，提升了金属等离子体彩膜层的特性；
相应的，采用该彩膜基板的显示面板具有较好的显示效果。
附图说明
图1为本发明实施例1中彩膜基板的结构示意图；
图2A和图2B为图1中彩膜基板中彩膜层发生等离子体共振的原理示意图；
图3为图1中彩膜层二维排布的过孔的结构示意图；
图4为图1中彩膜层中不同孔径、周期排列的过孔形成不同颜色的示意图；
图5为本发明实施例2中彩膜基板的结构示意图；
附图标记中：
1－衬底；
2－彩膜层；20－过孔；21－第一子层；22－第二子层；23－第三子层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明彩膜基板和显示面板作进一步详细描述。
在显示技术领域，目前的平板显示面板中，不管是LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示)还是OLED(Organic Light Emitting Diode:有机发光二极管)显示方式，其本质都是通过控制各个像素的光是否透射出显示表面来实现图像显示的。
光具有波粒二象性，也就是说微观来看光是由光子组成的，具有粒子性，但是宏观来看又表现出波动性。表面等离子体(Surface Plasmon Wave，简称SPW)是一种电磁表面波，能够被电子激发也能被光波激发。最通常的表面等离子体是能在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电磁波。表面等离子体沿着金属与电介质的界面传播，其电场强度在界面处达到最大，并随着垂直于金属表面的距离增大，场强呈指数衰减。当光波和表面等离子体发生共振时，光的透过率最大。
本发明的技术构思即，利用光的波粒二象性，在显示面板实现彩色化的彩膜层部分形成使入射光波有效激发金属—介质(即金属表面紧挨的那层介质)界面传输的表面等离子体，实现光的透过率最大化和色域改进。
实施例1：
本实施例提供一种彩膜基板，该彩膜基板通过一种二维金属光栅结构实现现有彩膜结构的替代，提供了一种全新的彩色化方式，大大提高了彩膜基板的透光率和色域。
如图1所示，该彩膜基板包括衬底1和位于衬底1上方的彩膜层2，彩膜层2中开设有呈周期性循环排列的多组过孔20，过孔20的上部或下部任一至少具有尖端；同组的多个过孔20沿平面二维排布、且分别具有相同的孔径和形状，同组的过孔20能衍射形成相同的颜色，不同组的过孔20能衍射形成不同的颜色。这里的二维排布指的是同一平面在横纵两个方向上排列的多个过孔20的排列方式。
由表面等离子体的特性可知，要使入射光波有效激发金属—介质(即金属表面紧挨的那层介质)界面传输的表面等离子体，则要求入射光波的波矢和表面等离子体的波矢相匹配。要使光波和表面等离子体发生共振，必须有kSP＝k0。然而，对应同一频率ω0，光波的波矢k0总是小于表面等离子体的波矢kSP，即入射光波不能直接激发金属表面上的等离子体共振波。通常情况下的解决方式为采用光子晶体的周期k补偿的，而在本实施例中，为了加强金属等离子体的耦合的发射效率，从而提升金属等离子体彩膜的透过率和色域，还将彩膜层2中形成的表面等离子体通过对称的结构尖端耦合出去，即相当于通过将过孔20形成补偿结构，通过尖端激发较宽的波矢，使得光波和表面等离子体发生共振。
其中，彩膜层2包括层叠设置的第一子层21、第二子层22和第三子层23，第一子层21形成过孔20的孔口，第三子层23形成过孔20的孔底，孔口和孔底在远离第二子层22的一侧形成对称的锐角尖端。该彩膜层2形成尖端的过孔结构，从而保证较好的耦合效果以利用表面等离子体形成不同颜色的彩膜效果。
优选的，彩膜层2中第二子层22相对过孔20的孔口和过孔20的孔底的尺寸，形成相对于过孔20的竖直孔轴内凹的弧形面。彩膜层2中的过孔采用尖端+内凹的结构，保证较好的耦合效果。针对图1中的彩膜层2的结构，即通过三层金属层结构在过孔20的侧面形成凹形，在过孔20对应的上下金属层的表面，对应过孔20的位置形成上下两个尖端，中间凹陷的过孔结构。这样的过孔结构，可以比较容易将耦合的表面等离子体通过上面的尖端耦合出去，形成透射光，从而提升金属表面等离子体彩膜层2的透过率。
通过彩膜层2中各金属子层的层厚设计，有利于形成尖端+内凹的结构，第二子层22的厚度分别大于第一子层21的厚度和第三子层23的厚度。另外优选的是，第二子层22的厚度相对第一子层21与第三子层23的和厚度之比范围为1/10～1/3。
其中，第二子层22采用金属材料形成，第一子层21和第三子层23采用与第二子层22为同金属系的氧化物材料形成。这里的金属材料和同金属系的氧化物材料对于透光性和导电性不做限定，利用同系金属可以减少制造难度。也即，通过形成金属子层的材料选择，以便于在刻蚀工艺中形成尖端+内凹的结构，且第一子层21和第三子层23采用与第二子层22相同的金属系，可以减少成膜时间和刻蚀工艺，简化制备工艺。
优选的是，第二子层22采用金属钼Mo、金属铝Al、金属铜Cu或金属银Ag及其合金(例如AlNd，Ag合金等)形成，对金属种类及属性无具体限制；第一子层21和第三子层23对应采用氧化钼MoxOy形成，其中不同的x、y配比使得第一子层21和第三子层23具有不同的透过率。即当第二子层22采用金属钼Mo时，此时第一和第三子层23对应就是MoxOy，通过调整MoO的程度调整第一子层21和第三子层23的透过率。
本实施例彩膜基板中彩膜层的制备方法具体包括：
步骤S1)：形成金属层膜。
在该步骤中，通过沉积方法在衬底1上方分别形成三层不同的金属层膜结构，其中中间金属层膜的厚度大于两侧金属层膜的厚度。两侧金属层膜采用与中间金属层膜为同金属系的氧化物材料形成。
步骤S2)：对光刻胶进行光刻。
在该步骤中，在金属层膜的上方形成光刻胶层，并通过光刻工艺在光刻胶层中形成不同组的周期性过孔，不同组的周期性过孔用于实现透过不同颜色的光的过孔的制备。
步骤S3)：对金属层膜进行刻蚀。
在该步骤中，采用湿刻法对金属层膜进行刻蚀，利用湿刻工艺的各向同性，实现过孔的凹面工艺。其中，对位于上下两层的金属层膜的刻蚀速率小于中间金属层膜的刻蚀速率，从而形成上下尖端、中间凹陷的过孔结构。
步骤S4)：去除光刻胶。
在该步骤中，剥离去掉光刻胶。
该彩膜基板中的彩膜层，通过带有尖端的过孔设计来实现三基色颜色显示的机理，其中的尖端相当于探针(类比于扫描近场光学显微镜SNOM，即Scanning Near FieldOptical Microscope)，多个过孔的综合相当于光栅效应，综合了探针激发和光栅衍射原理，如图2A和图2B所示分别为SNOM探针激发和光栅衍射的原理。其具体的原理分别为：SNOM探针激发即近场激发：光沿探针传播，由探针下尖端进入、由上尖端发射出去。用一个尺寸小于波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于表面等离子体波矢量的分量，从而实现波矢量的匹配。光栅衍射即利用光栅周期引起的额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。光栅结构的材料参数与几何参数等可根据实际情况灵活选定，这种结构一方面能够激发表面等离子体波，另一方面二维光栅结构中能够引入能带，从而使得表面波的特性受到能带的影响，使得颜色的参数更加可控。
如图3所示，本实施例中的彩膜基板，彩膜层包括红色子彩膜层、绿色子彩膜层和绿色子彩膜层，形成这三基色的过孔参数范围比较大，与所用金属材料性质和厚度都有关系，可以通过实际的实验确定。例如，选择红色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：420nm±30nm，过孔孔径d范围为：200±40nm；绿色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：340±40nm，过孔孔径d范围为：120±30nm；蓝色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：260±40nm，过孔孔径d范围为：90±20nm。
在如图3所示的周期性循环排列的多组过孔条件下，形成如图4所示的三基色过渡排布。整体的趋势为：随着过孔孔径(Diameter)的增大，以及过孔排列周期(Period)的增大，依次获得由波长较短(如蓝光)向波长较长(如红光)的颜色变化。该彩膜层在获得颜色时，综合了光栅衍射匹配和SNOM探针激发的优点，既具备光栅衍射较高的匹配性(比如对应特性波长的才可以实现匹配)的长处，又具备SNOM探针激发可以对应更广泛的波长范围的长处。
通常情况下，透射是按照光孔的尺寸计算出来的，而在本实施例的彩膜基板中，由于SNOM探针吸收光并传导到另一面发射出去，透射形成超过正常计算量的异常透射。其中，由于等离子体的耦合和发射效率较高，金属等离子体透过率增强：当一束平行光照射具有亚波长小孔【d<λ/2】阵列结构的金属薄膜时，在特定波长处表现出异常的透射增强效应，远高于传统衍射理论的透射率【T∝(d/λ)4】，而且大于小孔所占金属表面积的百分比。对于异常透射增强现象的一般解释为：当光照射在金属表面时，通过周期阵列提供的倒格矢使特定波长的光与表面等离子体的波矢匹配，表面等离子体一旦被激发，所引起的光场能量将局域在金属表面，并经由小孔遂穿到另一表面，再以一个逆过程辐射出去，实现透射增强。
本实施例中的彩膜基板，其中的过孔微结构的孔径、排列和面积比例可以根据需求和测试数据适时设计，其中的过孔微结构可以吸收较宽的光谱转化成需要的颜色，因此能实现较好的高透效果；同时，由于过孔微结构的谐振波长和尺寸以及周期有关，固定尺寸和周期后，基本谐振波长也就固定了，由于金属等离子体的波长选择性很好，只要能保证孔周期和大小均匀性，波长很窄，即可获得较好的单色性，实现较纯的色域并增强色域。
该彩膜基板的彩膜层优选采用白光激发形成三基色，白光的来源可以为液晶显示装置的背光源的光或WOLED(White OLED)显示装置发出的光，以便保证较宽的光谱。
现有技术中彩膜层的透过率通常只有25％左右，而本实施例彩膜基板通过一种二维金属光栅结构实现彩膜结构的替代，其中的金属等离子体彩膜层可以实现30％到50％的透过率，可见采用等离子体彩膜层相对于普通彩膜层可以实现彩膜透过率的大幅提升。
本实施例中的彩膜基板，通过一种二维金属光栅结构(一维光栅结构为膜层叠层结构)实现了金属等离子体彩膜层结构，大幅降低彩膜基板的成本；此外，通过金属过孔的结构和形状以及排布方式的改进，提升了金属等离子体(Plasmonic)彩膜层的透过率(HighTransmittance)和色域，提升了金属等离子体彩膜层的特性。
实施例2：
本实施例提供一种彩膜基板，该彩膜基板通过一种二维金属光栅结构实现现有彩膜结构的替代，提供了一种全新的彩色化方式，大大提高了彩膜的透光率和色域。
该彩膜基板与实施例1中彩膜基板的区别在于，在彩膜层中过孔的形状不同。如图5所示，过孔的截面形状为孔顶尺寸大于孔底尺寸的梯形形状。这里的彩膜层通过形成过孔结构，以利用表面等离子波形成不同颜色的彩膜效果。
优选的是，彩膜层采用采用金属材料形成。通过形成彩膜层的材料选择，以便于在刻蚀工艺中形成过孔结构。
图5中，同样通过周期性过孔从而实现不同波长的透过，从而实现彩膜的功能。该彩膜层中的过孔结构采用同一种金属刻蚀形成的，具体的金属材料可参考实施例1中用于形成金属子层的材料。
本实施例中彩膜层中过孔的截面形状为梯形，对于过孔下部的尖端，比较容易耦合成表面等离子体，可是在过孔上部由于没有尖端或者尖端角度过大，因此表面等离子体很难耦合出来形成透过率光。因此，相对实施例1中的彩膜基板而言，彩膜层的等离子体耦合效率相对较低，因此对应的透过光单色性和色域有所下降。
实施例3：
本实施例提供一种显示面板，该显示面板包括实施例1或实施例2中的彩膜基板。
该显示面板可以为：液晶面板、电子纸、OLED面板、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。
该显示面板具有较好的显示效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种彩膜基板，包括彩膜层，其特征在于，所述彩膜层中开设有呈周期性循环排列的多组过孔，所述过孔的上部或下部任一至少具有尖端；同组的多个所述过孔沿平面二维排布、且分别具有相同的孔径和形状，同组的所述过孔能衍射形成相同的颜色，不同组的所述过孔能衍射形成不同的颜色；
所述彩膜层包括层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层形成所述过孔的孔口，所述第三子层形成所述过孔的孔底，所述孔口和所述孔底在远离所述第二子层的一侧形成对称的锐角尖端。
2.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第二子层相对所述过孔的孔口和所述过孔的孔底的尺寸，形成相对于所述过孔的竖直孔轴内凹的弧形面。
3.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第二子层的厚度分别大于所述第一子层的厚度和所述第三子层的厚度。
4.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第二子层的厚度相对所述第一子层与所述第三子层的和厚度之比范围为1/10～1/3。
5.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第二子层采用金属材料形成，所述第一子层和所述第三子层采用与所述第二子层为同金属系的氧化物材料形成。
6.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第二子层采用金属钼Mo、金属铝、金属铜或金属银及其合金形成；
所述第一子层和所述第三子层对应采用氧化钼MoxOy形成，其中不同的x、y配比使得所述第一子层和所述第三子层具有不同的透过率。
7.根据权利要求1-6任一项所述的彩膜基板，其特征在于，所述彩膜层包括红色子彩膜层、绿色子彩膜层和蓝色子彩膜层，所述红色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：420nm±30nm，过孔孔径范围为：200±40nm；所述绿色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：340±40nm，过孔孔径范围为：120±30nm；所述蓝色子彩膜层中：过孔排列周期范围为：260±40nm，过孔孔径范围为：90±20nm。
8.一种显示面板，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的彩膜基板。
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