CN1696747A - 以喷墨方式在平面面板显示器形成彩色滤光片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形成平面面板显示器可用的彩色滤光片的方法，包含以一喷墨装置将多种彩色墨水散布到一预－图案化基质中；及硬化该散布的彩色墨水。在一态样中，该等彩色墨水被硬化成一凹面组态。在另一态样中，该等彩色墨水是以电子束、激光、X－光或其他适当的高能来源将其硬化。

Description

以喷墨方式在平面面板显示器形成彩色滤光片的方法
技术领域
本发明实施例通常是关于平面面板显示器，特别是关于形成该等平面面板显示器可用的彩色滤光片的方法。
背景技术
平面面板显示器(flat panel displays，FPDs)已成为电脑终端机，视觉娱乐系统及诸如移动电话、个人数字助理(personal digital assistants，PDAs)等个人电子装置的首选显示器。液晶显示器(Liquid crystal displays，LCDs)，且特别是主动阵列液晶显示器(active matrix liquid crystal displays，AMLCDs)也成为目前商用最多元也最强势的平面面板显示器。LCD技术中的一项基本元件是一彩色滤光片(color filter)，光被导引通过该彩色滤光片而产生一彩色的视觉输出。该彩色滤光片典型是由红、绿及蓝三种颜色的像素构成，并以图案或阵列方式排列在一不透明(黑色)基质上，用以改善颜色滤光的解析度。
制造这类彩色滤光片的现有方法(例如，染、光微影蚀刻、色素分散及电化沉积)都有一项主要缺点，即需要在后续制造过程中引入三种颜色。亦即，以一系列步骤产生一具有一种颜色的第一组像素，之后必须重复该等步骤两次以上，才能产生三种颜色。此方法中所涉及的一系列步骤包括至少一硬化相(at least onecuring phase)，其中被沉积的液体颜色试剂必须被转变成为一固态的永久形式。
可应用在彩色滤光片的制造的技术中，还能够加以改良的空间在于引入改良的散布元件(dispensing devices)，例如喷墨。借由使用这类喷墨系统，可在单一步骤中于该彩色基质上施加所有三种颜色，因此不需重复上述的一系列步骤三次。
虽然使用喷墨可潜在地简化彩色滤光片的制作过程，但目前使用的喷墨系统尚有多种缺点。目前使用的彩色试剂配方容易提早出现硬化。亦即，其倾向在被散布到基质之前即已劣化及变厚。此种彩色试剂配方的劣化，导致以其所制作而成的像素出现黄变效应(yellowing effect)并变厚，使得喷墨喷嘴容易在制成期间被阻塞。
使用喷墨技术的另一项挑战是如何在不泼洒到周围像素的情况下，将彩色试剂配方良好地散布到一像素上。喷墨至一般现有基质上通常会导致不同彩色试剂彼此混合，造成所生成的彩色滤光片品质不佳。此种对维持像素中彩色试剂均一性的限制，再加上前述提早硬化等问题，使得喷墨技术非常难应用在彩色滤光片的制造上。
发明内容
因此，亟需研发一种可借由喷墨法来形成彩色滤光片的方法，其中彩色试剂配方在储存及操作期间是相当稳定因而能提供较长的使用期限并改善其流动性。此外，也需研发一种改良的预图案化基质(an improved pre-patterned matrix)，以确保能制造出高品质的颜色像素。
本发明提供一种用以形成彩色滤光片的方法及以该方法所制作而成的彩色滤光片。在一实施例中，该用以形成彩色滤光片的方法包括一处理，其中一预图案化基质被沉积在一基板上。以一喷墨装置将可被诸如一电子束加以硬化的彩色墨水散布到基质中。在另一实施例中，制造出一包含彩色像素的彩色滤光片，其中该硬化的彩色墨水会形成一凹面。
附图说明
图1是本发明一实施例的一预图案化基质的侧面示意图；
图2是一彩色滤光片中像素的侧面图，其中该彩色墨水是沉积在一呈凹面组态的预图案化基质上；
图3是依据本发明一实施例的设备的区块图。
具体实施方式
本发明一实施例包括一种形成一彩色滤光片的方法，其是借由在一基板上形成一预图案化基质，使用一喷墨装置来散布彩色墨水，并将该散布的彩色墨水硬化在一凹面组态上。在本发明另一态样中，该用以形成一彩色滤光片的方法包含在一基板上形成一预图案化基质，使用一喷墨装置来散布彩色墨水，并以一电子束来硬化该散布的彩色墨水。在另一实施例中，本发明包括在一基板上形成一预图案化基质，使用一喷墨装置来散布彩色墨水，并以一电子束来使该散布的彩色墨水硬化在一凹面组态上。本发明实施例还包含以本发明方法所制备而成的彩色滤光片。
可于其上形成该预图案化基质的基板可以是任何一种具有高度透光性的材料，例如玻璃。此外，该基板也可含有镀膜或事先经处理，以帮助黏合将被施加于其上的材料层。
以下实施例是关于如何将彩色墨水散布至一形成在该基板上的预图案化基质中。适当的预图案化基质可包括，但不限于，一树脂基质及一铬基质(achromium matrix)。该基质典型是借由以一树脂来涂布该基板，或于该基板上沉积一不反射的金属(例如，铬)并以一光微影蚀刻工序图案化该基质材料而形成。通常用来形成黑色基质的树脂性材料包含一可散布在一丙烯酸系或聚酰亚胺树脂中的低穿透度、黑色成分，例如碳黑或一有机颜料。在此实施例中制造的基质厚度约10,000～25,000，且无论哪一种情况，都需比彩色墨水厚度来得厚，较佳是比所需彩色墨水厚度高出10％～100％。基质的几何形状也有助于使散布期间任何泼洒到一像素外的彩色试剂降到最少。当使用一树脂工序时，是否能获得足够高度的碳黑并非重点。但是，一般铬层的沉积厚度约只有500～1000。此项限制可借由在图案化该铬层之前先施加一层光阻来克服，可借由在图案化后留下必要厚度的沉积光阻层于其上来达到所需基质厚度。借由在图案化之后，不移除铬层上的残余光阻，可使后续工序少进行一个额外步骤。
图1是沉积在基板35上的一预图案化基质10的二度空间侧面图。该预图案化基质10包含由基质井壁20及基质井底部25之间的空间所刻画出来的井15。如图1所绘示的角度θ描绘出井壁20的斜面与井底部25之间的关系。图1中的斜角θ是大于90度，但是，也可使用具有井壁20以界定出一小于90度的斜角θ的基质，因为被引入至该预图案化基质10(参见图2)的彩色墨水50所采取的凹面组态45并不完全依赖该角度θ的大小来变化。该预图案化基质10(其包括井壁20及井底部25)的表面，较佳是具有一可帮助所散布的彩色墨水50黏合至其上的可湿润性质，借以帮助位在该凹面组态45上的该硬化的彩色墨水50的定位，如图2所示。
已知由可采取一凹面形状(亦即，在黑色基质中，其周围较中央部分为高，而非一平面或凸面的表面)的彩色墨水所形成的彩色滤光片，具有优异的彩色滤光效果。不受限于任何理论，一般相信这种优点是因为凹面可降低光散射所致，因而可使过滤光聚焦更为清晰。为产生这种组态，一引入彩色墨水的预图案化基质的厚度，需比其中央硬化的彩色墨水厚度来得高，且能容许彩色墨水被黏合到其表面。
可借由产生一具有墨水亲和力的基质表面，来达成适当的可湿润性(wettability)，借以改善该散布的彩色墨水的黏合作用。此目的可在选用一铬基质时达成，借由选用一适当的光阻基板或实施一等离子体氧处理一残余光阻来达成。被活化的氧物种及离子轰击可修饰光阻表面的可湿润性，使得彩色滤光片可保有凹面组态。
图2是沉积在预图案化基质10上的像素40的二维侧面示意图。像素40包含复数个其中已散布有彩色墨水50的井。图2示出该像素40的凹面组态45，其中散布在凹面组态周围的彩色墨水50的厚度70比其位在中央表面的厚度60来得高。很重要的，该散布的彩色墨水50的厚度70是较该预图案化基质10的厚度来得高。此高度差异有助于形成图2所示的凹面组态45。
用于此处的彩色试剂包含由以下材料组成的混合物，包括但不限于，彩色颜料及染料、溶剂、添加物、丙烯酸系单体、丙烯酸系和/或甲丙烯酸系低聚物，及选择性的添加一共引发剂(photoinitiator)。在此，如果一彩色试剂配方中包括一或多种可供UV光微影蚀刻图案化使用的共引发剂的话，则该彩色试剂配方是定义为一彩色光阻(a color resist)；如果该配方中不包含任何一种共引发剂的话，则该彩色试剂配方是定义为一彩色墨水(an ink or acolor ink)。虽然本发明包含使用彩色墨水祸彩色光阻的实施例，但为简便起见，以下描述仅针对彩色墨水进行说明。
可作为彩色试剂的颜料和/或染料是依比例被散布到墨水混合物中至约30％，且包括现有技术熟知适以形成红、绿、及蓝彩色滤光像素的物质，例如，但不限于，C.I.红颜料177(C.I.Pigment Red 177)、C.I.绿颜料36(C.I.Pigment Green 36)及C.I.蓝颜料15:6(C.I.Pigment blue 15:6)。也可使用另一种采用青、黄、紫红及(选择性的)白色的颜色系统。
在每一彩色墨水中的溶剂或溶剂混合物均具有两种目的。第一，其可溶解彩色墨水中的另一组成，借以容许一彩色墨水的配方具有最大可流动性，以便能使用喷墨装置加以散布。第二，借由其在喷墨过程中的挥发作用，可使基质表面上的彩色墨水被浓缩，借以促进基质中的彩色墨水黏合成欲求的组态。因此，该溶剂或溶剂混合物必须能溶解其他彩色墨水中的组成，且其必须具有一足以创造出该彩色墨水在完全或部份挥发后所需厚度的可挥发性(volatility)。适当的溶剂包括但不限于，乙酸3-甲氧丁酯、甲氧丙醇乙酸酯(methoxy propanolacetate)、丙酸乙氧乙酯、丙二醇单甲醚乙酸酯及其的组合。
彩色墨水中所含的任何一种添加物是有助于使一液体材料具有欲求性质，包括但不限于，溶解度、黏度及表面张力。可使用某些常见类型的添加物，包括但不限于，表面活性剂、氧化剂及消泡剂(anti-forming agents)。
彩色墨水中所含的丙烯酸系单体、丙烯酸系和/或甲丙烯酸系低聚物在施加某种形式及量的能量时，即会开始自由基聚合反应。所形成的聚合物包含一可将彩色试剂固定在基质中的固体材料。如前述，在彩色试剂配方被散布前即启动聚合作用(提早固化)是目前现有技术中的一项问题。彩色光阻是UV光可固化的，且易在储存期间及因暴露在背景光线的下等因素而提早固化。此外，可因引入低量热能而硬化的彩色试剂配方(以下称为「热硬化墨水」)，同样也易在储存期间及因暴露在环境温度的下等因素而提早固化。虽然一现有的UV彩色光阻或热硬化墨水可用来实施本发明实施例，但本发明较佳实施例使用另一种能量来源来起始该聚合反应。选用来启动该聚合反应的能量来源也使本发明实施例具备各项优点。
某些实施例的一特别好的优点在于其所使用的彩色墨水的反应性部分(reactive moieties)，在储存及处理期间仍然保持完整，直到达到欲求的聚合反应为止。因提早固化会造成上述像素黄变及阻塞喷嘴等问题，在此所揭示的彩色墨水因而可去除需要一共引发剂的步骤且所需用以启动聚合反应的能量来源并不包含一般存在于背景环境因素的能量来源，例如，环境光线及热量。可使用的高能来源包括但不限于，诸如电子束、激光及X-光等的能量来源。
一适当的电子束来源，包括但不限于，一电子枪(如揭示于2002年1月22日提申的美国专利申请案第10/055,869号，标题「Electron Beam LithographySystem Having Improved Electron Gun」，其全文在此并入作为参考)。可作为一有效电子束交联物质且适于纳入在该彩色墨水的该单体和/或低聚物中的化学组成包括但不限于，(a)碳-碳双键(例如，一内建于一侧基团或连接到一侧基团的烯烃官能性，例如一金刚烷基笼(an adamantly cage))，其连接至该侧基团或至一聚合物上；(b)「拉紧的(strained)」环系统，例如(但不限于)，在暴露于电子束照射后易产生开环及交联反应的3或4员的环烷类；(c)卤化的化合物，例如，在暴露于电子束照射后易经由脱去一卤化氢(例如，脱去HCl)而产生交联反应的一卤甲基取代基；及(d)一或多种有机-硅部分，其详细揭示于2003年5月28日提申的共同受让的美国专利申请案第10/447，729号，标题「E-Beam Curable Resist And Process for E-Beam Curingthe Resist」，其全文在此并入作为参考。
本文中，“电子束(electron beam)或e-束(e-beam)处理”一词是指暴露在一束电子之下，例如(但不限于)，一相当均匀的电子束之下。在此，“电子束源(electron beam source)或可发射电子束之物(electron beam emitter)或可发射e-束之物”一词在此是指能够产生一电子束的装置。较佳是，该电子束处理步骤可使用来自一均一、大面积电子束源的可同时覆盖整个基板面积的一宽且大型电子辐射束。在一制造环境中，其中该基板面积是比该宽广的e-束源更大，该彩色滤光片是以该可发射电子束的物扫描，以达成一均一的电子束曝照。较佳是，该e-束处理需在大气压力下(但不限于此)执行。一适当的电子束工艺室是美商应用材料公司出品的ElectronCureTM工艺室。这类设备的操作及原理揭示于共同受让的美国专利第5,003,178号中，其全文在此并入作为参考。该电子束能量介于1至约200KeV间，视工艺压力及条件而有所变化。依据彩色滤光片的类型与厚度、工艺室或封围条件、基板移动速率及e-束能量来调整彩色滤光片聚合反应用的总电子剂量。
电子束工艺室中的环境气体可包括，但不限于，氮、氧、氢、氩、氖、氦、二氧化碳或二或多个该等气体的任一组合。该e-束处理较佳是在大气压力下执行。当使用一真空工艺室时，将真空条件维持在大气压力往下约10-7扥耳的压力下。基板温度可在约20℃至约200℃间变化。较佳是，将温度控制在20℃至80℃的范围内。此外，对所欲处理较厚的材料来说，可将电子束剂量分成数个较低电位的剂量，以由底部逐步往上硬化该材料并提供均一剂量处理。因此，在处理期间可改变电子束的穿透深度。如熟悉现有技术人士可轻易了解的，e-束处理的时间长短视一或多种上述因素的影响，可在本揭示内容的指引及无须过度实验的情况下，决定出特别适合的工艺参数组。
一用来散布彩色墨水的喷墨装置包括，但不限于，一种压电式喷墨打印设备(piezoelectric inkjecting printing apparatus)。一般来说，一适当的喷墨装置包括任一种内含一或多个喷嘴阵列的设备，该等喷嘴能散布不同的彩色墨水，例如红、绿、蓝及(选择性的)白色墨水。也可使用采用青、黄、紫红及(选择性的)白色墨水的彩色系统。彩色墨水可以一次一种彩色墨水或是一次多种彩色墨水的方式被散布到基板表面。
图3是一适合用来实施本发明实施例的设备。一喷墨头组件32位于一平台34上方，该平台34又支撑着一基板33。该喷墨头组件32包含一个或多个阵列的一个或多个喷嘴(未示出)。该阵列数目典型是与所使用的不同彩色墨水的数目相同。一第一马达31可操控式地连接到喷墨头组件36，以容许其相对于该基板33来移动。一第二马达36可操控式地连接到该平台34，以容许该基板相对于该喷墨头组件32来移动。该喷墨头组件32及该平台34可独立移动且可在处理期间单独移动其中一者或两者。在一实施例中，该喷墨头组件32包含一自我限制构件(a self contained means)(未示出)，其可于处理期间用以停止墨水并传送墨水至喷嘴。在另一实施例中，于一处理期间以一种管子或其他适当的抽吸排列之类的构件(a means)(未示出)将该墨水连续传送到该喷墨头组件32上。虽然图中示出依据本发明一种用以形成彩色滤光片的合适设备，但只要对本发明有利，也可使用其他喷墨装置及排列。
在一实施例中，以C.I.红颜料177(C.I.Pigment Red 177)、C.I.绿颜料36(C.I.Pigment Green 36)及C.I.蓝颜料15:6(C.I.Pigment blue 15:6)来配方该彩色墨水，并以丙烯酸系单体及低聚物作为聚合前趋物，及以聚乙二醇单甲醚乙酸酯作为溶剂。该墨水组成较佳是包含10-30％的染料或颜料；20-60％的单体和/或低聚物；及30-50％的溶剂。
在更进一步的实施例中，以一包含喷嘴阵列类型的喷墨装置来散布墨水于一预图案化基质中，其中该墨水是由C.I.红颜料177(C.I.Pigment Red177)、C.I.绿颜料36(C.I.Pigment Green 36)及C.I.蓝颜料15:6(C.I.Pigment blue 15:6)所组成；且该基质是由一黑色树脂组成。该散布的墨水是以电子束将以硬化或固化。
虽然本发明已用本发明的实施例被明确地示出及说明，但熟悉本技术的人员将可了解的是上述在形式及细节上的其它形式与细节上的改变可在不偏离本发明的范围及精神下被达成。因此，本发明并不局限于所示及所说明的特定形式与细节，而是落在由以下的本申请权利要求范围所界定的范围内。

Claims (24)

1.一种形成平面面板显示器用的彩色滤光片的方法，其至少包含：
以一喷墨装置将多种彩色墨水散布到一预-图案化基质中；及
硬化该散布的彩色墨水，借以使该硬化的彩色墨水具有一凹面组态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于每一种彩色墨水包含；
一种或多种彩色颜料和/或染料；
一种或多种用以形成一聚合物基质的单体和/或低聚物；及
一或多种溶剂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该等彩色墨水的颜色是选自由以下各色组成的群组中：
红色、绿色及蓝色；
红色、绿色、蓝色及白色；
青色、黄色及紫红色；及
青色、黄色、紫红色及白色。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于每一种彩色墨水包含：
10-30％的彩色颜料和/或染料；
20-60％的单体和/或低聚物；及
30-50％的溶剂。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于每一种彩色墨水还包含一或多种共引发剂。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于该一种或多种溶剂是选自由由以下各种所组成的群组中：
乙酸3-甲氧丁酯；
甲氧丙醇乙酸酯；
丙酸乙氧乙酯；
丙二醇单甲醚乙酸酯；及
其的组合。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于该预-图案化基质包含一树脂黑基质。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于该预-图案化基质包含一铬黑基质。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于该预-图案化基质的高度约10,000～25,000。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于该预-图案化基质的高度大于该硬化的彩色墨水的中央厚度。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于该喷墨装置包含由一个或多个喷嘴组成的一个或多个喷嘴阵列。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于该散布的彩色墨水是以UV照射加以硬化。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于该散布的彩色墨水是以一种电子束、激光或X-光照射加以硬化。
14.一种形成平面面板显示器用的彩色滤光片的方法，其至少包含：
以一喷墨装置将多种彩色墨水散布到一预-图案化基质中；及
硬化该散布的彩色墨水，其中该硬化是借由使用一电子束能量来源来达成。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于该彩色墨水包含选自下列的材料；
一种或多种彩色颜料和/或染料；
一种或多种用以形成一聚合物基质的单体和/或低聚物；及
一种或多种溶剂。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于该预-图案化基质包含一树脂黑基质。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于该预-图案化基质包含一铬黑基质。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于该预-图案化基质的高度约10,000～25,000。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于该预-图案化基质的高度大于该硬化的彩色墨水的中央厚度。
20.一种形成平面面板显示器用的彩色滤光片的方法，其至少包含：
以一喷墨装置将多种彩色墨水散布到一预-图案化基质中，借以使该等彩色墨水具有一凹面组态；及
硬化该散布的彩色墨水，其中该硬化是借由使用一高能量来源来达成。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于该高能量来源是选自由由以下各种组成的群组中：
一电子束来源；
一激光；及
一X-光来源。
22.一种彩色滤光片，其是由包含以下步骤的方法所制备而成的：
以一喷墨装置将多种彩色墨水散布到一预-图案化基质中，借以使该等彩色墨水具有一凹面组态；及
硬化该散布的彩色墨水。
23.一种彩色滤光片，其是由包含以下步骤的方法所制备而成的：
以一喷墨装置将多种彩色墨水散布到一预-图案化基质中；及
硬化该散布的彩色墨水，其中该硬化是借由使用一高能量来源来达成。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：
(A)该散布的彩色墨水具有一凹面组态；及
(B)该硬化是借由使用一选自以下的高能量来源来达成：
一电子束来源；
一激光；及
一X-光来源。
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