CN109491002B - 一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔氧化铝的角度不敏感彩色滤光片，包括基底，固定在所述基底上，且孔规则均匀分布的多孔氧化铝；沉积在所述多孔氧化铝上的金属层，沉积在氧化铝表面的金属厚度大于沉积在孔内的金属厚度，且孔内金属的厚度小于孔的深度；沉积在金属表面的高折射率介质层，高折射率介质材料填充满孔；该滤光片结构简单，制备方法便捷，成本低，便于大规模、批量化生产。还公开了一种该基于多孔氧化铝的角度不敏感彩色滤光片的制备方法，该制备方法简单，适用于大面积批量化的生产，从而大大降低彩色滤光片的制备成本。

Description

一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片及其制 备方法

技术领域

本发明涉及滤光片领域，具体涉及一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，以及该入射角度不敏感的彩色滤光片的制备方法。

背景技术

工作在可见光谱区的滤光片称为彩色滤光片，它能够透射或者反射一定波长范围内的彩色光，因而呈现一定的颜色。彩色滤光片多用于同色光、颜色相关的场合，特别是在成像和显示领域中广泛应用，如液晶显示、投影显示、照相录影、彩色装饰、绿色印刷等。传统的化学染料颜色滤光片利用染料分子中特殊的官能团对入射光选择性地吸收特定波长范围的光从而达到滤光效果，但是染料会引起材料特性的不稳定和显著的环境负担。光学薄膜彩色滤光片具有以下优点：性质稳定、不易褪色、反射或透射率高、色彩鲜艳材料环保以及生产过程污染小。但是一般多层介质薄膜滤光片对入射角度敏感，随着入射角度增大，中心波长会发生蓝移。

多孔氧化铝是典型的自组织纳米结构，具有纳米列阵均匀、孔径大小一致、尺寸可控、排列规则等特点，一直受到国际科研人员的关注。同现今广泛使用的染料膜相比，多孔氧化铝具有很多独特的优点。其一，它分布规整，呈直圆筒状贯穿膜厚，孔径大小均匀，通过改变电解条件并辅以适当的化学后处理，可在几百纳米至零点几纳米的范围内自由调节孔径大小。其二，它属于多孔的无机薄膜，具有良好的耐热性、化学稳定性、较高的机械强度及尺寸稳定性。

原子层沉积(ALD)是通过将前驱体脉冲交替地通入反应器并在基体上化学吸附并反应而成膜的一种薄膜制备技术。当前驱体达到沉积基体表面时，它们会与在表面吸附的前一种前驱体发生反应，。当吸附在表面的所有前驱体都反应完，即表面饱和后，后续通入的前驱体就被吹扫气体氮气吹走而不参与反应。原子层沉积的这种自限制性使该技术所制备的薄膜保形性好、纯度高且均匀，特别适合高深宽比微纳结构和大曲率异形表面的镀膜。

现阶段常见利用微纳结构制备彩色滤光片的工艺，通常需要电子束曝光、激光直写或者纳米压印等技术实现，制备过程复杂，耗时较长，所需设备昂贵。

虽然基于多孔氧化铝和原子层沉积的研究和应用不断被提出，但两者结合用于彩色滤光片或者薄膜的还相对较少，尤其是以多孔氧化铝作为模板构造其他规则孔状结构的。

申请公布号为CN103592715A的专利申请公开了一种基于多孔氧化铝的彩色滤光片的制备方法，具体是基于金属-电介质-金属的结构来制备彩色滤光片，该滤光片如果长时间暴露在外，上下金属层都会发生不同程度的氧化，进而大幅影响滤光片的光谱曲线以及显示性能。

申请公布号为CN103744138A的专利申请公开了一种入射角度不敏感的颜色滤光片及其制备方法，具体是通过转移方式利用多孔氧化铝在基底上制备有序周期结构的彩色滤光片，该入射角度不敏感颜色滤光片需要经过沉积、退火、旋涂、剥离、再沉积、刻蚀等繁杂的工序制备得到。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，该彩色滤光片的表面分别为基底和稳定的高折射率氧化物，能够防止内部的金属层被氧化，以稳定彩色滤光片的光学性能。

本发明的另一目的是提供一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片的制备方法，该制备方法简单，且通过工艺参数的严格控制，能够制备得到光学性能稳定的彩色滤光片。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，包括；

基底；

固定在所述基底上，且孔规则均匀分布的多孔氧化铝；

沉积在所述多孔氧化铝上的金属层，沉积在氧化铝表面的金属厚度大于沉积在孔内的金属厚度，且孔内金属的厚度小于孔的深度；

沉积在金属表面的高折射率介质层，高折射率介质材料填充满孔；

其中，高折射率介质材料选择二氧化钛、二氧化铪、三氧化二铝、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌、氧化锌、铟锡氧化物、氧化硅、氟化镁、硅、铬中的至少一种。

在本发明中制备滤光片的显色基于表面等离子谐振效应。当入射光通过介质在金属表面发生全反射时，倏逝波会与表面等离子波耦合产生共振。本发明中，利用正六边周期排布的多孔氧化铝结构，镀膜后形成了周期排布的多孔金属结构。在最上层介质与金属层的界面包括孔内与孔外都会发生表面等离子谐振，这些区域尤其以纳米孔的边缘最强。当一束自然光入射到介质金属界面时，由于表面等离子谐振，部分波段的光电场得到加强，相应的会有一部分波段电场强度减弱，自然光经过金属表面反射时也就呈现出颜色。光通过高折射率介质层后，光程变化，波形发生漂移；随着介质层厚度的增加，光程变化程度也加大，波形漂移也随着增大。通过计算得到：滤光片的反射波形会随介质层厚度的增加逐渐往长波方向移动。通过控制介质层厚度，就可以控制反射率波谷的中心波长位置，达到控制滤光片颜色的目的。

优选地，所述金属材料选自铝、银、金、铜、铬、镍中的一种及任意多种组成的合金，如铝-铜合金，铜-铬-镍合金等。

优选地，所述基底材料选自玻璃、树脂或塑料。

另外，多孔氧化铝的孔半径r以及孔间距d同样会对器件性能产生影响。当孔间距d比一个结构周期即d/(d+2r)增大时，滤光片反射率会随之增大，波形水平方向上不会偏移；当比值不变时，随着r的增大，反射波形会随之向长波方向移动，优选地，所述多孔氧化铝的孔半径为20～45nm，所述的多孔氧化铝的孔间距为30～70nm。

金属层的厚度主要影响滤光片整体的反射率，可通过调节金属层厚度来实现对整体反射率的调节，针对可见光区域的彩色滤光片，优选地，沉积在氧化铝表面的金属厚度为40～500nm，进一步地，沉积在氧化铝表面的金属厚度为50～200nm。

高折射率介质的厚度主要影响反射谱线的波峰波谷中心波长位置，可通过调节高折射率介质层厚度来实现对滤光片反射光颜色的控制，针对CMYK色系在可见光波段的颜色调控，优选地，高折射率介质层的厚度为50～400nm，进一步优选，高折射率介质层的厚度为80～200nm。

一种优选的实施方案为：

一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的颜色滤光片，包含基底，所述基底上依次设有多孔氧化铝，金属层，高折射率介质层；

所述基底为熔融石英，金属为铝、银、金、铜、铬、镍中的一种及任意多种组成的合金，高折射率介质为二氧化钛或五氧化二钽，沉积在氧化铝表面的金属厚度为55～70nm，高折射率介质层的厚度为85～100nm。

通过该实施方案生产的滤光片可以实现黄色的角度不敏感选择性滤光。

另一种优选的实施方案为：

一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的颜色滤光片，包含基底，所述基底上依次设有多孔氧化铝，金属层，高折射率介质层；

所述基底为熔融石英，金属为铝、银、金、铬、镍中的一种及任意多种组成的合金，高折射率介质为二氧化钛或五氧化二钽，沉积在氧化铝表面的金属厚度为50～70nm，高折射率介质层的厚度为110～125nm。

通过该实施方案生产的滤光片可以实现品色的角度不敏感选择性滤光。

另一种优选的实施方案为：

一种角度不敏感的颜色滤光片，包含基底，所述基底上依次设有多孔氧化铝，金属层，高折射率介质层；

所述滤光片基底为熔融石英，金属为铝、银、金、铬、镍中的一种及任意多种组成的合金，高折射率介质为二氧化钛或五氧化二钽，沉积在氧化铝表面的金属厚度为70～85nm，高折射率介质层的厚度为145～160nm。

通过该实施方案生产的滤光片可以实现青色的角度不敏感选择性滤光。

一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片的制备方法，包括以下步骤：

(1)设计出彩色滤光片中的金属层厚度和高折射率介质的厚度；

(2)将多孔氧化铝模板固定于基底上；

(3)采用真空沉积薄膜技术，控制蒸镀腔真空度低于3×10^-3Pa，基板温度为20～35℃，在多孔氧化铝模板上沉积厚度为40～500nm的金属；

(4)原子层沉积技术，控制反应腔真空度为2～5mbar、基台温度为100～140℃，每个前驱体通入时间为250～450ms，氮气吹扫时间为4～6s，周期数为950～7000，在镀有金属层的多孔氧化铝上沉积厚度为50～400nm的高折射率介质材料。

以青品黄滤光片为例，三种滤光片的反射带谷值中心分别为600nm，550nm，460nm，因此优化结构时，青色滤光片的目标光谱设置为反射光谱反射率最低值范围为585～620nm；品色滤光片的目标光谱设置为反射光谱反射率最低值范围为535～570nm；黄色滤光片的目标光谱设置为反射光谱反射率最低值范围为450～470nm；

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明基于多孔氧化铝的角度不敏感彩色滤光片，与传统彩色滤光片利用光的干涉原理不同。本发明以成熟便捷的多孔氧化铝薄膜作为模板，构造产生表面等离子体效应的多孔铝结构而通过介质材料的厚度以及折射率调制表面等离子体效应的谐振波长，从而实现不同的颜色，制备出颜色各异的角度不敏感彩色滤光片。

这种方法巧妙的结合了热蒸发和原子层沉积技术，制备简单，适用于大面积批量化的生产，从而大大降低彩色滤光片的制备成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明角度不敏感彩色滤光片的结构示意图；

图2为本发明角度不敏感彩色滤光片的制备流程图；

图3为实施例1制备的青色滤光片在不同角度下的反射谱线图；

图4为实施例2制备的品色滤光片在不同角度下的反射谱线图；

图5为实施例3制备的黄色滤光片在不同角度下的反射谱线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明的入射角度不敏感的彩色滤光片结构示意图参见图1，其中d表示多孔氧化铝相邻孔间距；r表示小孔半径；h、h₁、h₂分别表示多孔氧化铝厚度以及孔内和孔外金属层厚度。

如图1所示，本发明的入射角度不敏感的彩色滤光片元件包括基底1和凭借范德华力附着在基底上的多孔氧化铝2，多孔氧化铝控制着纳米金属结构的周期和间距；在多孔氧化铝上真空热蒸镀有一层金属层3，形成规则周期性纳米金属结构；金属层3外利用原子层沉积镀制了高折射率介质层4，当光经过介质-金属界面时，由于表面等离子体谐振效应，某些波段的光得到加强，而另一些波段光被减弱，从而是整个光学元件实现反射角度不敏感的颜色可见光。

角度不敏感的彩色滤光片的制备流程如图2所示，包括：

1)对于选定的青品黄(CMY)光谱，根据最终滤光片颜色，确定多孔氧化铝参数并设计真空热沉积金属层厚度以及原子层沉积高折射率介质厚度；

2)将带多孔氧化铝的基底置于真空镀膜设备中，控制沉积参数，在基底上沉积步骤1)设计所得的金属薄膜；

3)从真空镀膜设备中取出镀完金属膜的基底，根据步骤1)设计所得的高折射率介质层厚度，计算镀膜周期数；控制参数利用原子层沉积技术，镀制相应周期数薄膜。

实施例1

角度不敏感的青色滤光片：

滤光片的结构如图1所示，包括基底和基底上附着的多孔氧化铝、金属层以及高折射率介质层。金属材料选择铝，高折射率材料为二氧化钛，基底材料为熔融石英玻璃。制备各部分使用参数如下：

镀金属铝层时，控制蒸镀腔真空度低于3×10^-3Pa，基板温度为27℃，蒸镀时，控制蒸镀速率稳定在0.1nm/s；镀氧化钛时，控制反应腔真空度为3mbar、基台温度为120℃，每个周期中前驱体通入时间为300ms，氮气吹扫时间为4s。

制备的青色角度不敏感滤光片不同角度反射光谱如图3所示，反射光呈青色。在可见光范围内，光源从0度至40度入射时，经过滤光片的反射谱线在380nm～415nm紫光以及640～780nm红光两大区域角度不敏感性性能突出，反射率极差在5％以内；在反射光谱的其他区域即415～640nm范围内，随着入射角度的增大，光谱逐渐偏移，但反射率最大差值仅为12.2％。

实施例2

角度不敏感的品色滤光片：

滤光片的结构如图1所示，包括基底和基底上附着的多孔氧化铝、金属层以及高折射率介质层。金属材料选择铝，高折射率材料为二氧化钛，基底材料为熔融石英玻璃。制备各部分使用参数如下：

镀金属铝层时，控制蒸镀腔真空度低于3×10^-3Pa，基板温度为27℃，蒸镀时，控制蒸镀速率稳定在0.1nm/s；镀氧化钛时，控制反应腔真空度为3mbar、基台温度为120℃，每个周期中前驱体通入时间为300ms，氮气吹扫时间为4s。

制备的品色角度不敏感滤光片反射光谱如图4所示，在0度到40度的角度范围内，在可见光范围内，光源从0度至40度入射时，经过滤光片的反射谱线在380nm～400nm紫光以及605～780nm红光两大区域角度不敏感性性能突出，反射率极差在5％以内；在反射光谱的其他区域即400～605nm范围内，随着入射角度的增大，光谱逐渐偏移，但反射率最大差值仅为12.8％。

实施例3

角度不敏感的黄色滤光片：

滤光片的结构如图1所示，包括基底和基底上附着的多孔氧化铝、金属层以及高折射率介质层。金属材料选择铝，高折射率材料为二氧化钛，基底材料为熔融石英玻璃。制备各部分使用参数如下：

镀金属铝层时，控制蒸镀腔真空度低于3×10^-3Pa，基板温度为27℃，蒸镀时，控制蒸镀速率稳定在0.1nm/s；镀氧化钛时，控制反应腔真空度为3mbar、基台温度为120℃，每个周期中前驱体通入时间为300ms，氮气吹扫时间为4s。

制备的黄色角度不敏感滤光片不同角度反射光谱如图5所示，反射光呈黄色。在可见光范围内，光源从0度至40度入射时，经过滤光片的反射率曲线在波谷位置附近变化不大，在600nm以上红光区域略有偏差，可见光范围内最大差值只有6.6％。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，包括：

基底；

固定在所述基底上，且孔规则均匀分布的多孔氧化铝；

沉积在所述多孔氧化铝上的金属层，沉积在氧化铝表面的金属厚度大于沉积在孔内的金属厚度，且孔内金属的厚度小于孔的深度；

沉积在金属表面的高折射率介质层，高折射率介质材料填充满孔；

其中，高折射率介质材料选择二氧化钛、二氧化铪、三氧化二铝、五氧化二钽、氮化硅、硫化锌、氧化锌、铟锡氧化物、氧化硅、氟化镁、硅、铬中的至少一种。

2.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，所述金属材料选自铝、银、金、铜、铬、镍中的一种及任意多种组成的合金；

所述基底材料选自玻璃、树脂或塑料。

3.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，沉积在氧化铝表面的金属厚度为40～500nm；高折射率介质层的厚度为50～400nm。

4.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，沉积在氧化铝表面的金属厚度为50～200nm；高折射率介质层的厚度为80～200nm。

5.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，所述多孔氧化铝的孔半径为20～45nm，所述的多孔氧化铝的孔间距为30～70nm。

6.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，所述基底为熔融石英，高折射率介质为二氧化钛或五氧化二钽，沉积在氧化铝表面的金属厚度为55～70nm，高折射率介质层的厚度为85～100nm。

7.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，所述基底为熔融石英，高折射率介质为二氧化钛或五氧化二钽，沉积在氧化铝表面的金属厚度为50～70nm，高折射率介质层的厚度为110～125nm。

8.如权利要求1所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片，其特征在于，所述滤光片基底为熔融石英，高折射率介质为二氧化钛或五氧化二钽，沉积在氧化铝表面的金属厚度为70～85nm，高折射率介质层的厚度为145～160nm。

9.一种权利要求1～8任一项所述的基于多孔氧化铝的入射角度不敏感的彩色滤光片的制备方法，包括以下步骤：

(1)设计出彩色滤光片中的金属层厚度和高折射率介质的厚度；

(2)将多孔氧化铝模板固定于基底上；

(3)采用真空沉积薄膜技术，控制蒸镀腔真空度低于3×10^-3Pa，基板温度为20～35℃，在多孔氧化铝模板上沉积厚度为40～500nm的金属；

(4)原子层沉积技术，控制反应腔真空度为2～5mbar、基台温度为100～140℃，每个前驱体通入时间为250～450ms，氮气吹扫时间为4～6s，镀膜周期数为950～7000，在镀有金属层的多孔氧化铝上沉积厚度为50～400nm的高折射率介质材料。

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