CN107238968B - 一种彩膜基板以及制备方法、液晶显示面板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及显示设备技术领域，公开了一种彩膜基板以及制备方法、液晶显示面板，该彩膜基板包括衬底基板；形成于衬底基板一侧的光子晶体层，光子晶体层设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使光子晶体层具有一维复周期光子晶体结构；形成于光子晶体层背离衬底基板一侧的阵列波导光栅层，阵列波导光栅层具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到光子晶体层的不同色阻区上；形成于阵列波导光栅层背离衬底基板一侧的分波层。该彩膜基板利用具有不同角度光栅的阵列波导光栅层实现光子晶体层上的色阻区的显色功能。而且，该结构使得光线在传播过程中不存在额外消耗，从而使得本发明提供的彩膜基板透光率强。

Description

一种彩膜基板以及制备方法、液晶显示面板
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，特别涉及一种彩膜基板以及制备方法、液晶显示面板。
背景技术
随着显示技术的不断发展，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)己在平板显示领域中占据了主导地位。现有的液晶显示器中背光源发出的是白色光，经过三种颜色的彩膜的过滤后，分为红、绿、蓝三种颜色。
但是，现有技术至少存在以下问题白色光是由多种不同频段的不同颜色的光复合而成的，而经过彩膜过滤之后，大部分的光都被彩膜吸收了，只能通过一种颜色的光，因此现有的液晶面板存在透过率低的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种彩膜基板以及制备方法、液晶显示面板，上述彩膜基板通过阵列波导光栅控制入射光角度的不同，利于实现不同颜色光的通过。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种彩膜基板，包括
衬底基板；
形成于所述衬底基板一侧的光子晶体层，所述光子晶体层设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使所述光子晶体层具有一维复周期光子晶体结构；
形成于所述光子晶体层背离所述衬底基板一侧的阵列波导光栅层，所述阵列波导光栅层具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到所述光子晶体层的不同色阻区上；
形成于所述阵列波导光栅层背离所述衬底基板一侧的分波层。
上述彩膜基板包括衬底基板、形成于衬底基板一侧的光子晶体层、形成于光子晶体层背离衬底基板一侧的阵列波导光栅层以及形成于阵列波导光栅层背离衬底基板一侧的分波层。由于阵列波导光栅层具有的光栅的角度不同，则可以控制输出的光线以不同的入射角照射到光子晶体层的不同色阻区上,而且由于光子晶体层设有的色阻区与亚像素单元一一对应，则当光子晶体层的多个色阻区显示颜色时，可使得多个亚像素单元正常显示，从而使得应用上述彩膜基板的显示面板实现显示功能。
该彩膜基板改变目前彩膜基板的通用结构，利用具有不同角度光栅的阵列波导光栅层实现光子晶体层上的色阻区的显色功能。而且，该结构使得光线在传播过程中不存在额外消耗，从而使得本发明提供的彩膜基板透光率强。
因此，上述彩膜基板通过阵列波导光栅控制入射光角度的不同，利于实现不同颜色光的通过。
优选地，所述光子晶体层包括沿所述衬底基板指向所述阵列波导光栅层方向依次叠置的多种不同介电材料的薄膜介质。
优选地，所述光子晶体层包括两种不同介电材料A薄膜介质和B薄膜介质，所述A薄膜介质的介电常数为εa、厚度为a，所述B薄膜介质的介电常数为εb、厚度为b，周期为d＝a+b。
优选地，所述A薄膜介质为碲化铅，所述B薄膜介质为二氟化镁。
优选地，所述阵列波导光栅层的光栅方程式满足：
nsd sinθi+nCΔL+nsd sinθo＝mλ
其中:θi和θo分别对应输入、输出波导与中心阵列波导的夹角,d为阵列波导的间距，ns和nC分别是平板波导和信道波导的有效折射率，m为光栅的衍射级数，λ是光信号波长。
本发明还提供一种液晶显示面板，包括阵列基板，设置于所述阵列基板一侧的液晶层以及设置于所述液晶层背离所述阵列基板一侧、如以上任一项技术方案中所述的彩膜基板。
优选地，所述液晶显示面板还包括设置于所述阵列基板朝向所述液晶层一侧、用于单侧反射来自所述彩膜基板方向光线的反射膜，且所述反射膜可以透过来自所述阵列基板方向的光线。
本发明还提供一种彩膜基板制备方法，用于制备如以上任一项技术方案中所述的彩膜基板，包括：
在衬底基板上形成光子晶体层，且所述光子晶体层设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使所述光子晶体层具有一维复周期光子晶体结构；
在所述光子晶体层上形成所述阵列波导光栅层，所述阵列波导光栅层具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到所述光子晶体层的不同色阻区上；
在所述阵列波导光栅层上形成分波层。
优选地，形成所述阵列波导光栅层的工艺包括：
在所述光子晶体层形成二氧化硅衬底层；
在所述二氧化硅衬底层上形成有掺杂的二氧化硅层、并通过构图工艺形成栅极图案；
在所述栅极图案上形成二氧化硅覆盖层。
优选地，所述构图工艺包括反应离子刻蚀方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的彩膜基板的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的彩膜基板中光线传播路径示意图；
图3为TE模式时光子晶体层处光线的入射角对光子晶体禁带的影响图；
图4为TE模式时光子晶体层处光线的入射角与禁带宽度之间的关系图；
图5为TM模式时光子晶体层处光线的入射角对光子晶体禁带的影响图；
图6为TE模式时光子晶体层处光线的入射角与禁带宽度之间的关系图；
图7为本发明实施例提供的彩膜基板中光子晶体层选取A薄膜介质和B薄膜介质时的结构示意简图；
图8为本发明实施例提供的液晶显示面板结构示意图；
图9为图8中结构增加反射膜后的结构示意图；
图10为图9中结构内光线传播路径示意图；
图11为本发明实施例提供的彩膜基板制备方法的流程框图；
图12a-图12d为本发明实施例提供的阵列波导光栅层的制备工艺中各膜层变化示意图。
图标：1-衬底基板；2-光子晶体层；3-阵列波导光栅层；31-二氧化硅衬底层；32-有掺杂的二氧化硅层；33-栅极图案；34-二氧化硅覆盖层；4-分波层；5-液晶层；6-阵列基板；7-反射膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明提供一种彩膜基板，包括
衬底基板1；
形成于衬底基板1一侧的光子晶体层2，光子晶体层2设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使光子晶体层2具有一维复周期光子晶体结构；
形成于光子晶体层2背离衬底基板1一侧的阵列波导光栅层3，阵列波导光栅层3具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到光子晶体层2的不同色阻区上；
形成于阵列波导光栅层3背离衬底基板1一侧的分波层4。
上述彩膜基板包括衬底基板1、形成于衬底基板1一侧的光子晶体层2、形成于光子晶体层2背离衬底基板1一侧的阵列波导光栅层3以及形成于阵列波导光栅层3背离衬底基板1一侧的分波层4。请参考图2，由于阵列波导光栅层3具有的光栅的角度不同，则可以控制输出的光线以不同的入射角照射到光子晶体层2的不同色阻区上,而且由于光子晶体层2设有的色阻区与亚像素单元一一对应，则当光子晶体层2的多个色阻区显示颜色时，可使得多个亚像素单元正常显示，从而使得应用上述彩膜基板的显示面板实现显示功能。
该彩膜基板改变目前彩膜基板的通用结构，利用具有不同角度光栅的阵列波导光栅层3实现光子晶体层2上的色阻区的显色功能。而且，该结构使得光线在传播过程中不存在额外消耗，从而使得本发明提供的彩膜基板透光率强。
因此，上述彩膜基板通过阵列波导光栅控制入射光角度的不同，利于实现不同颜色光的通过。
具体地，请继续参考图2，分波层4的多层交错介质膜组成反射器，并构成法布里一泊罗谐振腔。它的工作原理是：每层介质膜既可透射一部分光又可反射一部分光，每层介质膜界面上多次反射与透射进行光学干涉线性叠加，当两个薄膜界面上来回反射和透射的光程为光波长时，多次透射光同相加强，形成更强的透射光波，反相则相消。然后，将分离出的这三种波长的光传输到阵列波导光栅层3。由于与光子晶体层2的不同颜色色阻区对应的光栅可穿过光线波长不同，当三种波长的光线传播至阵列波导光栅层3后仅与光栅对应的光线有可在此处传播至光子晶体层2，而其他两种波长的光线依旧在分波层4内传播，直至达到与其波长对应的光栅。而且，由于阵列波导光栅层3上的光栅角度各不相同，则可利用阵列波导光栅层3上不同角度的光栅，来控制入射光到一维光子晶体上的角度，从而控制光子晶体层2色阻区的显色。而且，由于阵列波导光栅中的光束是用波导进行约束和传导，则阵列波导光栅层3使光在传播途中引入一个较大的光程差，使光栅工作在高阶衍射，提高了光栅的分辨率。
而且，需要说明的是，当穿过阵列波导光栅层3的光入射到光子晶体层2上时，光子晶体层2的入射光波可分为TE(横电波)、TM(横磁波)，而无论是TE波还是TM波，禁带位置和禁带宽度都随入射角度的改变而变化。
具体如，设定中心波长固定为600nm。
请参考图3和图4，对于TE模式的入射光，当入射角度增加时,光子晶体层2的禁带向短波方向前移，且随着入射角度的增加光子晶体层2的禁带向短波方向前移的速度逐渐加快；光子晶体层2的禁带宽度随入射角度的增大，也不断增大，且随着角度增加相同角度间隔下，禁带宽度的差值不断增大。例如，当角度由0度增加大到近乎掠入射时，光子晶体的带宽由202nm增大到249nm，宽度增加了47nm。
请参考图5和图6，对于TM模式的入射光，当入射角度增加时,光子晶体层2的禁带位置向短波方向前移，这和TE模式的光入射角发生变化时禁带变化的趋势大致相同。但是，当入射角度增加，禁带宽度是有明显的减小的趋势的，这和TE模式的入射角度变化引起的禁带宽度变化趋势是完全相反的。具体地，现对于TM模式下的入射光角度变化引起的光子晶体层2的带宽变换进行分析，在0-30度之间入射角度变化时，光子晶体层2的禁带宽度变化较小，但当角度增大到30度禁带宽度的变化较快，当角度增加到85度接近于掠入射时光子晶体层2此时没有禁带宽度出现了。
通过对光子晶体层2的禁带与入射角度变化关系分析，可以根据调节光的入射角度，来得到需要的禁带；同时可以通过对角域叠加的方法增加光子晶体层2的禁带宽度，从而可以根据光子晶体层2不同材料的禁带位置和禁带宽度，调节光线对光子晶体层2的入射角来实现滤光的作用。
因此，在上述技术方案的基础上，优选的，光子晶体层2包括沿衬底基板1指向阵列波导光栅层3方向依次叠置的多种不同介电材料的薄膜介质。
需要说明的是，据传输矩阵理论，光与介质层的相互作用可由其特征矩阵决定，单介质层的特征矩阵为：
Figure BDA0001370907710000071
Figure BDA0001370907710000072
Figure BDA0001370907710000074
其中：θ和λ分别为入射角和入射波长，εi为层介质的介电常数，hi为介质层厚度，ε0和μ0为真空中的介电常数和磁导率常数。
当光子晶体层2包括包含n层薄膜介质时，整个光子晶体层2的特征矩阵M满足可由各个薄膜介质的特征矩阵M的连乘积求得：
Figure BDA0001370907710000075
通过M可以得出整个光子晶体层2的反射系数和透射系数，则反射率和透射率为：
Figure BDA0001370907710000076
反射率R＝|r|2
Figure BDA0001370907710000077
透射率T＝|t|2
在上述技术方案的基础上，优选的，光子晶体层2包括沿衬底基板1指向阵列波导光栅层3方向依次叠置的多种不同介电材料的薄膜介质。
在上述技术方案的基础上，作为一种优选实施方式，请参考图7，选取光子晶体层2包括两种不同介电材料A薄膜介质和B薄膜介质，A薄膜介质的介电常数为εa、厚度为a，B薄膜介质的介电常数为εb、厚度为b，周期为d＝a+b。
在上述技术方案的基础上，选取A薄膜介质为碲化铅，B薄膜介质为二氟化镁。
在上述技术方案的基础上，阵列波导光栅层3的光栅方程式满足：
nsd sinθi+nCΔL+nsd sinθo＝mλ
其中:θi和θo分别对应输入、输出波导与中心阵列波导的夹角,d为阵列波导的间距，ns和nC分别是平板波导和信道波导的有效折射率，m为光栅的衍射级数，λ是光信号波长。
需要说明的是，对于中心波输入的情况，光栅方程式可简化为：
nCΔL+nsd sinθo＝mλ
相对传统的光栅方程多出了nsd sinθo这一项，该项的作用是增大衍射级数和提高色散能力。
请参考图8，本发明还提供一种液晶显示面板，包括阵列基板6，设置于阵列基板6一侧的液晶层5以及设置于液晶层5背离阵列基板6一侧、如以上任一项技术方案中的彩膜基板。
在上述技术方案的基础上，请参考图9，液晶显示面板还包括设置于阵列基板6朝向液晶层5一侧、用于单侧反射来自彩膜基板方向光线的反射膜7，且反射膜7可以透过来自阵列基板6方向的光线。
需要说明的是，请参考图10，增加反射层的液晶显示面板结构可以将被分波层4和输入阵列波导光栅层3过滤掉的光进行反复反射，增强提高液晶显示面板的亮度。
请参考图11，本发明还提供一种彩膜基板制备方法，用于制备如以上任一项技术方案中的彩膜基板，该制备方法包括：
步骤S101，在衬底基板1上形成光子晶体层2，且光子晶体层2设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使光子晶体层2具有一维复周期光子晶体结构；
步骤S102，在光子晶体层2上形成阵列波导光栅层3，阵列波导光栅层3具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到光子晶体层2的不同色阻区上；
步骤S103，在阵列波导光栅层3上形成分波层4。
在上述技术方案的基础上，优选的，形成阵列波导光栅层3的工艺包括：
请参考图12a，在光子晶体层2形成二氧化硅衬底层31；
请参考图12b至图12c，在二氧化硅衬底层31上形成有掺杂的二氧化硅层32、并通过构图工艺形成栅极图案33；
请参考图12d，在栅极图案33上形成二氧化硅覆盖层34。
需要说明的是，有掺杂的二氧化硅层32可提高整个阵列波导光栅层3的折射率。
在上述技术方案的基础上，构图工艺包括反应离子刻蚀方法。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种彩膜基板，其特征在于，包括
衬底基板；
形成于所述衬底基板一侧的光子晶体层，所述光子晶体层设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使所述光子晶体层具有一维复周期光子晶体结构；
形成于所述光子晶体层背离所述衬底基板一侧的阵列波导光栅层，所述阵列波导光栅层具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到所述光子晶体层的不同色阻区上；
形成于所述阵列波导光栅层背离所述衬底基板一侧的分波层。
2.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述光子晶体层包括沿所述衬底基板指向所述阵列波导光栅层方向依次叠置的多种不同介电材料的薄膜介质。
3.根据权利要求2所述的彩膜基板，其特征在于，所述光子晶体层包括两种不同介电材料A薄膜介质和B薄膜介质，所述A薄膜介质的介电常数为εa、厚度为a，所述B薄膜介质的介电常数为εb、厚度为b，周期为d＝a+b。
4.根据权利要求3所述的彩膜基板，其特征在于，所述A薄膜介质为碲化铅，所述B薄膜介质为二氟化镁。
5.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述阵列波导光栅层的光栅方程式满足：
nsd sinθi+nCΔL+nsd sinθo＝mλ
其中:θi和θo分别对应输入、输出波导与中心阵列波导的夹角,d为阵列波导的间距，ns和nC分别是平板波导和信道波导的有效折射率，m为光栅的衍射级数，λ是光信号波长。
6.一种液晶显示面板，其特征在于，包括阵列基板，设置于所述阵列基板一侧的液晶层以及设置于所述液晶层背离所述阵列基板一侧、如以上权利要求1-5任一项所述的彩膜基板。
7.根据权利要求6所述的液晶显示面板，其特征在于，还包括设置于所述阵列基板朝向所述液晶层一侧、用于单侧反射来自所述彩膜基板方向光线的反射膜，且所述反射膜可以透过来自所述阵列基板方向的光线。
8.一种彩膜基板制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的彩膜基板，其特征在于，包括：
在衬底基板上形成光子晶体层，且所述光子晶体层设有与亚像素单元一一对应的色阻区，不同颜色的色阻区交替排列以使所述光子晶体层具有一维复周期光子晶体结构；
在所述光子晶体层上形成所述阵列波导光栅层，所述阵列波导光栅层具有的光栅的角度不同以控制输出的光线以不同的入射角照射到所述光子晶体层的不同色阻区上；
在所述阵列波导光栅层上形成分波层。
9.根据权利要求8所述的彩膜基板制备方法，其特征在于，形成所述阵列波导光栅层的工艺包括：
在所述光子晶体层形成二氧化硅衬底层；
在所述二氧化硅衬底层上形成有掺杂的二氧化硅层、并通过构图工艺形成栅极图案；
在所述栅极图案上形成二氧化硅覆盖层。
10.根据权利要求9所述的彩膜基板制备方法，其特征在于，所述构图工艺包括反应离子刻蚀方法。
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