彩色濾光片的制程與發(fā)展

隨著彩色顯示的快速發(fā)展，LCD的彩色化無可逆轉。據(jù)市場調(diào)查機構iSuppli公司的統(tǒng)計，到2010年，LCD彩色化比率將高達94%。彩色濾光片(color filter，簡稱CF)作為LCD實現(xiàn)彩色顯示的關鍵零部件，其性能(主要為開口率、色純度、色差)直接影響到液晶面板的色彩還原性、亮度、對比度。而彩色濾光片的成本也占了液晶面板總成本的25 %。根據(jù)FPDisplay預測，2005-2009年全球CF產(chǎn)值將以年復合增長率12.37%持續(xù)成長。臺灣地區(qū)2006年的彩色濾光片產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約新臺幣923.2億元，比前一年成長23.3%。

彩色濾光片的基本結構主要為玻璃基板、BM(黑矩陣)、彩色光阻、保護層(OC)、ITO、spacer(圖1)。彩色濾光片的傳統(tǒng)制程主要有染色法(Dyeing Method)、顏料分散法(Pigment Dispersed Method)、電沉積法(Electro Deposition Method)、印刷法(Printing Method)，其中以顏料分散法為主。目前很多公司也開發(fā)出了許多具有實際生產(chǎn)應用價值的新方法，尤其是在大尺寸彩色濾光片的生產(chǎn)上，比如DuPont的熱多層技術(Thermal multi-layer tech.)、凸版印刷(Toppan)的反轉印刷法(Reverse printing method)和大日本印刷(DNP)的噴墨打印法(Ink Jet printing)。其中，大日本印刷已經(jīng)在其6代線以上采用了噴墨打印法。另外，根據(jù)結構設計的不同，彩色濾光片的新類型還有COA型、半透半反型等。

1 傳統(tǒng)的彩色濾光片制程方法

傳統(tǒng)方法的四種制程

染色法使用染料作為著色劑，可用明膠或壓克力樹脂作為樹脂材料。其制程主要有涂布、曝光顯影、染色固化，利用該制程在BM已經(jīng)圖案化的玻璃基板上分三次分別制備的R、G、B三色光阻。染色法制得的CF價格便宜，色彩鮮艷，透過率高，但是耐熱耐光性差，不適合高檔LCD。電沉積法的樹脂主要是聚酯，以顏料為著色劑。電沉積法先通過曝光顯影得到圖案化的ITO，然后在ITO上分別沉積R、G、B三色光阻，然后再通過涂布、曝光、顯影得到BM。電沉積法制備彩色光阻只需曝光顯影一次，但在成本上不占有優(yōu)勢。顏料分散法以顏料為著色劑，壓克力為樹脂樹脂。其主要制程為涂布、曝光、顯影，制備R、G、B三色光阻需要經(jīng)過三次該制程。顏料分散法工藝相對簡單，耐候性好，目前中小尺寸的彩色濾光片絕大部分采用該方法。印刷法的樹脂為環(huán)氧樹脂，以顏料為著色劑。其主要制程滾筒顏料附著、印刷，在BM已經(jīng)圖案化的玻璃基板上制得彩色光阻。印刷法制程簡單，但精度不高。

除以上所述的四種方法外，還有染料分散法、顏料刻蝕法，但都因工藝復雜、成本較高，很少使用。

2.大尺寸彩色濾光片的制程新方法

隨著液晶面板的不斷增大，原有的傳統(tǒng)CF制程都顯得力不從心，新的制程方法也應運而生。其中主要有DuPont的熱多層技術(Thermal multi-layer tech.)、凸版印刷(Toppan)的反轉印刷法(Reverse printing method)和大日本印刷(DNP)的噴墨打印法(Ink Jet printing)。

2.1 熱多層技術

熱多層技術是杜邦公司的獨創(chuàng)發(fā)明，其通過激光定向加熱Donor film層，使Donor film層中的顏料層脫落并轉印在基板上，從而得到所需的彩色光阻。目前杜邦已經(jīng)能夠制備G 8的設備。

該方法無需曝光、顯影，工藝簡單，設備占用空間也能得到很大節(jié)省。但尚無法制備BM，且激光掃描所需時間要比多于顏料分散法的曝光時間。

2.2 反轉印刷法

反轉印刷法制備CF是2003年日本光村印刷和三菱重工共同發(fā)布的。2004年，日本凸版印刷取得了利用反轉印刷開發(fā)七代CF的相關技術。其制程主要分為三步：第一步，將光阻涂覆于轉印滾筒上;第二步，將轉印滾筒在特制模板上刮除多余區(qū)域的光阻;第三步，將通過第二步圖案化的光阻通過滾筒轉印到基板上。

該方法的優(yōu)勢是可以同時完成R、G、B、BM四種光阻的制作，且不需要曝光顯影設備。但在大尺寸轉印中，精度仍需進一步提高，且無法在VA、IPS技術中應用。

2.3 噴墨打印法

噴墨打印法是幾種新制程中最成熟的方法，由大日本印刷研發(fā)。該技術先在玻璃基板上將BM圖案化，為R、G、B三色光阻預留出獨立的空間，然后通過噴墨打印頭，將彩色顏料光阻劑噴至所需的位置，最后固化成型。

該方法工藝簡單，光阻劑利用率幾乎為100%，但是BM還需通過傳統(tǒng)方式制備，且對墨水的要求較高。目前大日本印刷和凸版印刷都在G 6上采用該技術，三星也準備在G 8上采用該技術。

3 其他技術

3.1 COA技術

COA技術是將彩色光阻制備在TFT基板上的技術(見圖6)，其優(yōu)勢主要在于可以提高像素開口率及LCD顯示品質(zhì)，應用于高階產(chǎn)品。另外，因為無CF玻璃基板與TFT基板的對位問題，所以可以降低cell制程的難度。但是COA技術會導致基板的整體良品率下降。除此之外，為了不影響TFT的正常運作，還要求彩色光阻的介電常數(shù)小于3.5。

3.2 樹脂型BM

傳統(tǒng)的BM用材料為Cr/CrO，但存在反射率高、污染環(huán)境等問題。因此，無機金屬材料逐漸被有機的樹脂型BM取代。作為負性光阻，樹脂型BM的制程與彩色顏料光阻的制程相同。

3.3 OLED用彩色濾光片

利用白色OLED+彩色濾光片實現(xiàn)OLED的彩色顯示也逐漸被許多研究機構和企業(yè)所關注。目前發(fā)展彩色濾光片法的廠商以TDK、三菱化學等日本廠商為主。

4 行業(yè)現(xiàn)狀與展望

自日本凸版印刷和大日本印刷分別于1985年和1986年開始量產(chǎn)彩色濾光片以來，大部分專利技術都被日系廠商掌握。但隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，臺灣、韓國也通過取得授權和自主研發(fā)等方式進入到這個行業(yè)，而且液晶面板廠商也逐漸認識到，彩色濾光片的自制化是大勢所趨。國內(nèi)的彩色濾光片生產(chǎn)線少，且多為G 4.5以下。直到今年8月10號，上海的劍騰液晶顯示(上海)有限公司的國內(nèi)第一條G 5生產(chǎn)線才正式量產(chǎn)，預計年產(chǎn)量達二十五萬片。相信在不遠的將來，國內(nèi)的彩色濾光片行業(yè)將得到巨大的發(fā)展。