有機(jī)納米顏料對(duì)彩膜濾光片的對(duì)比度影響

查 寶，唐 敏，李 吉，陳孝賢，張 敏

(1. 北京大學(xué) 深圳研究生院, 廣東 深圳 518055;2.深圳市華星光電技術(shù)有限公司, 廣東 深圳 518132)

1 引 言

顯示是信息時(shí)代最重要的媒介，無(wú)論是電視、手機(jī)和電腦都是透過(guò)顯示器作為窗口來(lái)獲取和交換信息。目前，液晶顯示器(LCD)的應(yīng)用最為廣泛，廣色域、高亮度和高對(duì)比度依舊是液晶顯示的重要發(fā)展方向，而這些特性皆與彩膜濾光片有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[1-2]。

彩膜濾光片作為液晶顯示器中重要的組成部分，其作用是將背光源中白光轉(zhuǎn)化為三原色(紅、綠、藍(lán))的光，從而實(shí)現(xiàn)全彩顯示。目前，彩膜濾光片是采用具有不同濾光功能的著色材分散在樹脂之中，經(jīng)過(guò)涂布、預(yù)烘烤、曝光、顯影和烘烤等工藝制程形成圖案化的彩膜濾光片層[3-4]。其中，著色材主要以有機(jī)納米顏料體系為主，是因?yàn)轭伭暇哂辛己玫臒岱€(wěn)定性、耐光性和耐化學(xué)性，可以滿足LCD的制程需求。有機(jī)納米顏料的粒徑一般在40～80 nm，因有機(jī)納米顏料的顆粒屬性，當(dāng)偏振光經(jīng)過(guò)彩膜濾光片遇到顏料粒子時(shí)，其光傳播方向發(fā)生改變，從而導(dǎo)致暗態(tài)漏光影響液晶顯示器的對(duì)比度，根據(jù)顏料粒徑與可見(jiàn)光波長(zhǎng)之間的關(guān)系，其屬于瑞利散射范疇。而在三原色(紅、綠、藍(lán))彩膜濾光片的LCD中，綠色因其亮度最高，其暗態(tài)漏光對(duì)彩膜濾光片的對(duì)比度影響直接起到?jīng)Q定性作用[5-6]。

本文選擇一種具有廣色域的綠色濾光片作為研究對(duì)象，其包含3種有機(jī)納米顏料：顏料綠58(G58)、顏料黃138(Y138)和顏料黃185(Y185)混合而成的著色材，其中Y185的加入主要是基于其具有高的著色率，可有效降低濾光片的膜厚，提升穿透率和降低彩膜濾光片的工藝制程難度；而Y185的加入，使得整體的對(duì)比度降低為不含Y185的88%。對(duì)比3種有機(jī)顏料的對(duì)比度，其中Y185的對(duì)比度(28%)明顯低于G58 (100%)和Y138(88%)；且當(dāng)Y185的含量在3種顏料中的比例由3%增至12%時(shí)，其對(duì)比度呈現(xiàn)明顯下降(23%)，從而可以確定因顏料Y185而造成對(duì)比度偏低。為解析Y185造成對(duì)比度偏低的原因，本文采用同步對(duì)比分析兩種黃色顏料Y138和Y185的散射和熒光特性與對(duì)比度之間關(guān)系。通過(guò)對(duì)比分析兩種有機(jī)納米顏料的粒徑、折射率(n值)、晶型、形貌和熒光等特性，從而分析出Y185對(duì)比度偏低的根本原因及機(jī)理分析，并建立改善機(jī)制。

2 影響顏料對(duì)比度偏低的因素

Y138和Y185的對(duì)比度差異主要是由暗態(tài)亮度差異造成，其暗態(tài)頻譜如圖1所示，其中Y138的暗態(tài)漏光波段集中在480～630 nm；而Y185的漏光波段集中在490～630 nm，Y185在暗態(tài)輻射強(qiáng)度明顯高于Y138，且Y185的暗態(tài)亮度為0.057 4 cd/m2，高于Y138的暗態(tài)亮度0.020 2 cd/m2。

研究表明[6-8]，影響有機(jī)顏料體系對(duì)比度的兩個(gè)主要因素分別是散射和熒光，本文同步分析Y138和Y185的散射特性和熒光特性與對(duì)比度之間關(guān)系。

圖1 Y138和Y185的暗態(tài)頻譜Fig.1 Dark spectra of Y138 and Y185

2.1 散射

彩膜光刻膠中的有機(jī)納米顏料粒子的半徑一般在20～40 nm，其粒徑與LCD中的可見(jiàn)光波長(zhǎng)(380～780 nm)之間的關(guān)系接近于1/10，歸屬于瑞利散射范疇[5, 9-10]，根據(jù)經(jīng)典的瑞利散射公式(1)，其中對(duì)散射影響最大的因素為有機(jī)納米顏料的粒徑d、顏料與分散樹脂之間的折射率比值m(npig/nres)

(1)

其中：λ為入射光波長(zhǎng)，m為分散粒子的折射率與透明材折射率之間的比值率，I為散射光強(qiáng)度，I0為入射光強(qiáng)度，d為分散粒子的粒徑。

2.1.1 顏料的粒徑及粒徑分布

根據(jù)瑞利散射公式，有機(jī)顏料粒子的粒徑大小是瑞利散射最為關(guān)鍵的因素，因此，我們將分散好的Y138和Y185顏料采用動(dòng)態(tài)光散射儀(DLS)測(cè)出其粒徑及粒徑分布。如圖2所示，Y138和Y185的粒徑(D50)分別32.5 nm和40.2 nm，其中粒徑(D50)Y185較Y138粒徑小，但Y185的粒徑分布范圍較Y138廣，但這些差異并不足以引起兩者對(duì)比度如此大的差異，因此，根據(jù)粒徑及粒徑分布結(jié)果來(lái)看，其不是造成Y185對(duì)比度偏低的主要原因。

圖2 Y138和Y185粒徑及粒徑分布Fig.2 Particle size and size distribution of Y138 and Y185

2.1.2 顏料的n值

圖3 Y138和Y185的m值Fig.3 The m value of Y138 and Y185

根據(jù)瑞利散射的影響因素分析，分散顏料粒子的npig值(折射率)和分散樹脂的nres值之間的比值m是顏料粒子產(chǎn)生瑞利散射的另一個(gè)重要因素，我們將分散好的Y138、Y185和綠色彩膜光刻膠的分散樹脂分別在硅晶圓基底上進(jìn)行旋涂成膜， 厚度為1 μm。然后利用橢圓偏振儀分別測(cè)出n值，可分別得到Y(jié)138和Y185的m值(mY138和mY185)，如圖3所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Y138和Y185的m差別較大的波段在460～510 nm，與顏料粒子的暗態(tài)漏光波段的重疊并非完全重合，但存在一定的交集，說(shuō)明n值的差異在一定程度上會(huì)造成對(duì)比度的差異，而非造成Y185對(duì)比度偏低的主要原因。

2.1.3 顏料的晶型及形貌分析

通過(guò)對(duì)比分析可知，兩種顏料的粒徑及粒徑分布和m值的差異，都不是影響Y185對(duì)比度偏低的主要因素，因此，我們進(jìn)一步對(duì)兩種有機(jī)顏料的晶型和形貌進(jìn)行分析。

首先采用XRD對(duì)Y138和Y185的顏料粒子進(jìn)行晶型分析，其結(jié)果如圖4所示，在彩膜光刻膠中采用的兩種顏料Y138和Y185均為無(wú)定型的非晶結(jié)構(gòu)。

圖4 Y138和Y185的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of Y138 and Y185

其次，采用STEM(掃描透射顯微鏡)對(duì)分散好的Y138和Y185進(jìn)行形貌分析，其結(jié)果分別如圖5(a)和圖5(b)所示。可以看到Y(jié)138的粒徑及其形貌分布相對(duì)均勻；而Y185中呈現(xiàn)明顯的顆粒較大的形狀，其粒徑為110～120 nm，大小為通過(guò)DLS測(cè)出的在分散液中的兩倍，分析其原因?yàn)閅185在分散液中可以穩(wěn)定存在，但在STEM制樣時(shí)，溶劑揮發(fā)過(guò)程中，Y185分散的穩(wěn)定性差而導(dǎo)致團(tuán)聚。我們分別對(duì)G1(G58/Y138)和G2(G58/Y138/185)的側(cè)截面進(jìn)行SEM分析，分別如圖5(c)和5(d)所示，可以明顯看到G1的致密性和粒徑大小及分布明顯優(yōu)于G2。因此，可以確認(rèn)Y185在成膜或干燥過(guò)程中(溶劑揮發(fā))會(huì)破壞Y185的分散穩(wěn)定性而導(dǎo)致團(tuán)聚，造成其對(duì)比度偏低。

圖5 (a) Y138和(b) Y185的STEM圖；G1(c)和G2(d)的SEM圖。Fig.5 STEM images of Y138 (a) and Y185 (b); SEM images of Y138 (c) and Y185 (d).

2.2 熒光

在以顏料體系為主的彩膜光刻膠中，對(duì)于其熒光特性的分析往往會(huì)被忽視，因?yàn)橛袡C(jī)納米顏料體系是顏料分子形成的納米晶體，大多數(shù)晶體會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅。根據(jù)上述對(duì)Y138和Y185顏料粒子的XRD分析，其皆為無(wú)定型態(tài)，而非單一的晶體的結(jié)構(gòu)，由顏料顆粒產(chǎn)生的熒光也是影響彩膜光刻膠對(duì)比度偏低的重要因素。

為了研究彩膜的熒光特性，我們將Y138和Y185制作成厚度為3 μm的膜片，采用460 nm的光激發(fā)，其熒光發(fā)射光譜如圖6所示。發(fā)現(xiàn)Y138和Y185發(fā)射光的波長(zhǎng)分別在490～570 nm和500～570 nm，都在暗態(tài)漏光的范圍內(nèi)，因此，可以確認(rèn)彩膜會(huì)在LCD中受到背光源中的光激發(fā)而產(chǎn)生熒光，造成對(duì)比度偏低，其也是顏料體系不可以忽視的因素，為了提升顏料體系的對(duì)比度，可以在有機(jī)納米顏料結(jié)晶過(guò)程中，控制其晶型的純度，有利于減弱因顏料產(chǎn)生的熒光造成對(duì)比度偏低；其次也可以選擇合適的熒光猝滅劑，降低有機(jī)納米顏料的熒光對(duì)對(duì)比度的影響。

圖6 Y138和Y185膜片的熒光光譜(激發(fā)光波長(zhǎng)：460 nm)Fig.6 Fluorescence emission spectra of Y138 and Y185 color film (λex=460 nm)

3 機(jī)理研究及改善

綜上分析，Y138和Y185顏料的熒光和Y185對(duì)比度偏低主要是由熒光和散射造成。Y138和Y185的顏料在溶劑中分散時(shí)，Y138和Y185的粒徑大小及分布差異不大，可以穩(wěn)定態(tài)存在，但是在成膜或者干燥(STEM制樣)過(guò)程之中，因Y185的分散穩(wěn)定性差，在Y185納米顆粒中同時(shí)存在顆粒較大的聚集態(tài)和顆粒較小的單分子，這樣容易造成散射(聚集態(tài))和單體(熒光)，從而導(dǎo)致對(duì)比度偏低[11]；根據(jù)Y185顏料的分散機(jī)理(圖7)，Y185顏料粒子與分散劑之間通過(guò)分散助劑的靜電力銜接，如果選擇的分散助劑與顏料和分散劑基團(tuán)之間的靜電作用力較弱，在干燥或者成膜干燥時(shí)被破壞，會(huì)導(dǎo)致納米粒子團(tuán)聚，從而影響對(duì)比度。

圖7 有機(jī)納米顏料分散示意圖Fig.7 Schematic diagram of organic nano-pigment

因分散助劑與顏料粒子和分散劑之間的作用力較弱，從而導(dǎo)致Y185的分散穩(wěn)定性差，因此，我們采用與顏料粒子和分散劑之間作用力更強(qiáng)的分散助劑進(jìn)行改善，與改善前的Y185對(duì)比，其對(duì)比度提升了約1倍。

4 結(jié) 論

Y185會(huì)使具有廣色域的綠色彩膜濾光片的對(duì)比度偏低，本文針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)Y185在干燥或者成膜的過(guò)程中，因分散助劑與顏料粒子和分散劑之間的作用力弱而被破壞，導(dǎo)致Y185納米粒子的團(tuán)聚而造成對(duì)比度偏低。通過(guò)更換與顏料粒子和分散劑之間作用力更強(qiáng)的分散助劑，有助于提升Y185的穩(wěn)定性和對(duì)比度，為提升有機(jī)納米顏料的對(duì)比度和制備高對(duì)比度的彩膜濾光片提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方向。