有機納米顏料對彩膜濾光片的對比度影響

查 寶，唐 敏，李 吉，陳孝賢，張 敏

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

1 引 言

顯示是信息時代最重要的媒介，無論是電視、手機和電腦都是透過顯示器作為窗口來獲取和交換信息。目前，液晶顯示器(LCD)的應用最為廣泛，廣色域、高亮度和高對比度依舊是液晶顯示的重要發展方向，而這些特性皆與彩膜濾光片有很強的關聯性[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化為三原色(紅、綠、藍)的光，從而實現全彩顯示。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，經過涂布、預烘烤、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，著色材主要以有機納米顏料體系為主，是因為顏料具有良好的熱穩定性、耐光性和耐化學性，可以滿足LCD的制程需求。有機納米顏料的粒徑一般在40～80 nm，因有機納米顏料的顆粒屬性，當偏振光經過彩膜濾光片遇到顏料粒子時，其光傳播方向發生改變，從而導致暗態漏光影響液晶顯示器的對比度，根據顏料粒徑與可見光波長之間的關系，其屬于瑞利散射范疇。而在三原色(紅、綠、藍)彩膜濾光片的LCD中，綠色因其亮度最高，其暗態漏光對彩膜濾光片的對比度影響直接起到決定性作用[5-6]。

本文選擇一種具有廣色域的綠色濾光片作為研究對象，其包含3種有機納米顏料：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，使得整體的對比度降低為不含Y185的88%。對比3種有機顏料的對比度，其中Y185的對比度(28%)明顯低于G58 (100%)和Y138(88%)；且當Y185的含量在3種顏料中的比例由3%增至12%時，其對比度呈現明顯下降(23%)，從而可以確定因顏料Y185而造成對比度偏低。為解析Y185造成對比度偏低的原因，本文采用同步對比分析兩種黃色顏料Y138和Y185的散射和熒光特性與對比度之間關系。通過對比分析兩種有機納米顏料的粒徑、折射率(n值)、晶型、形貌和熒光等特性，從而分析出Y185對比度偏低的根本原因及機理分析，并建立改善機制。

2 影響顏料對比度偏低的因素

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

研究表明[6-8]，影響有機顏料體系對比度的兩個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比度之間關系。

圖1 Y138和Y185的暗態頻譜Fig.1 Dark spectra of Y138 and Y185

2.1 散射

彩膜光刻膠中的有機納米顏料粒子的半徑一般在20～40 nm，其粒徑與LCD中的可見光波長(380～780 nm)之間的關系接近于1/10，歸屬于瑞利散射范疇[5, 9-10]，根據經典的瑞利散射公式(1)，其中對散射影響最大的因素為有機納米顏料的粒徑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，m為分散粒子的折射率與透明材折射率之間的比值率，I為散射光強度，I0為入射光強度，d為分散粒子的粒徑。

2.1.1 顏料的粒徑及粒徑分布

根據瑞利散射公式，有機顏料粒子的粒徑大小是瑞利散射最為關鍵的因素，因此，我們將分散好的Y138和Y185顏料采用動態光散射儀(DLS)測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比度如此大的差異，因此，根據粒徑及粒徑分布結果來看，其不是造成Y185對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是顏料粒子產生瑞利散射的另一個重要因素，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行旋涂成膜， 厚度為1 μm。然后利用橢圓偏振儀分別測出n值，可分別得到Y138和Y185的m值(mY138和mY185)，如圖3所示，結果發現Y138和Y185的m差別較大的波段在460～510 nm，與顏料粒子的暗態漏光波段的重疊并非完全重合，但存在一定的交集，說明n值的差異在一定程度上會造成對比度的差異，而非造成Y185對比度偏低的主要原因。

2.1.3 顏料的晶型及形貌分析

通過對比分析可知，兩種顏料的粒徑及粒徑分布和m值的差異，都不是影響Y185對比度偏低的主要因素，因此，我們進一步對兩種有機顏料的晶型和形貌進行分析。

首先采用XRD對Y138和Y185的顏料粒子進行晶型分析，其結果如圖4所示，在彩膜光刻膠中采用的兩種顏料Y138和Y185均為無定型的非晶結構。

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)對分散好的Y138和Y185進行形貌分析，其結果分別如圖5(a)和圖5(b)所示。可以看到Y138的粒徑及其形貌分布相對均勻；而Y185中呈現明顯的顆粒較大的形狀，其粒徑為110～120 nm，大小為通過DLS測出的在分散液中的兩倍，分析其原因為Y185在分散液中可以穩定存在，但在STEM制樣時，溶劑揮發過程中，Y185分散的穩定性差而導致團聚。我們分別對G1(G58/Y138)和G2(G58/Y138/185)的側截面進行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于G2。因此，可以確認Y185在成膜或干燥過程中(溶劑揮發)會破壞Y185的分散穩定性而導致團聚，造成其對比度偏低。

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，對于其熒光特性的分析往往會被忽視，因為有機納米顏料體系是顏料分子形成的納米晶體，大多數晶體會導致熒光猝滅。根據上述對Y138和Y185顏料粒子的XRD分析，其皆為無定型態，而非單一的晶體的結構，由顏料顆粒產生的熒光也是影響彩膜光刻膠對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，其熒光發射光譜如圖6所示。發現Y138和Y185發射光的波長分別在490～570 nm和500～570 nm，都在暗態漏光的范圍內，因此，可以確認彩膜會在LCD中受到背光源中的光激發而產生熒光，造成對比度偏低，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比度，可以在有機納米顏料結晶過程中，控制其晶型的純度，有利于減弱因顏料產生的熒光造成對比度偏低；其次也可以選擇合適的熒光猝滅劑，降低有機納米顏料的熒光對對比度的影響。

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

3 機理研究及改善

綜上分析，Y138和Y185顏料的熒光和Y185對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，Y138和Y185的粒徑大小及分布差異不大，可以穩定態存在，但是在成膜或者干燥(STEM制樣)過程之中，因Y185的分散穩定性差，在Y185納米顆粒中同時存在顆粒較大的聚集態和顆粒較小的單分子，這樣容易造成散射(聚集態)和單體(熒光)，從而導致對比度偏低[11]；根據Y185顏料的分散機理(圖7)，Y185顏料粒子與分散劑之間通過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之間的靜電作用力較弱，在干燥或者成膜干燥時被破壞，會導致納米粒子團聚，從而影響對比度。

圖7 有機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，從而導致Y185的分散穩定性差，因此，我們采用與顏料粒子和分散劑之間作用力更強的分散助劑進行改善，與改善前的Y185對比，其對比度提升了約1倍。

4 結 論

Y185會使具有廣色域的綠色彩膜濾光片的對比度偏低，本文針對這一現象進行了系統研究。發現Y185在干燥或者成膜的過程中，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，導致Y185納米粒子的團聚而造成對比度偏低。通過更換與顏料粒子和分散劑之間作用力更強的分散助劑，有助于提升Y185的穩定性和對比度，為提升有機納米顏料的對比度和制備高對比度的彩膜濾光片提供了理論依據和設計方向。