有机纳米颜料对彩膜滤光片的对比度影响
2020-03-13陈孝贤
查 宝，唐 敏，李 吉，陈孝贤，张 敏
(1. 北京大学 深圳研究生院, 广东 深圳 518055;2.深圳市华星光电技术有限公司, 广东 深圳 518132)
1 引 言
显示是信息时代最重要的媒介，无论是电视、手机和电脑都是透过显示器作为窗口来获取和交换信息。目前，液晶显示器(LCD)的应用最为广泛，广色域、高亮度和高对比度依旧是液晶显示的重要发展方向，而这些特性皆与彩膜滤光片有很强的关联性[1-2]。
彩膜滤光片作为液晶显示器中重要的组成部分，其作用是将背光源中白光转化为三原色(红、绿、蓝)的光，从而实现全彩显示。目前，彩膜滤光片是采用具有不同滤光功能的着色材分散在树脂之中，经过涂布、预烘烤、曝光、显影和烘烤等工艺制程形成图案化的彩膜滤光片层[3-4]。其中，着色材主要以有机纳米颜料体系为主，是因为颜料具有良好的热稳定性、耐光性和耐化学性，可以满足LCD的制程需求。有机纳米颜料的粒径一般在40～80 nm，因有机纳米颜料的颗粒属性，当偏振光经过彩膜滤光片遇到颜料粒子时，其光传播方向发生改变，从而导致暗态漏光影响液晶显示器的对比度，根据颜料粒径与可见光波长之间的关系，其属于瑞利散射范畴。而在三原色(红、绿、蓝)彩膜滤光片的LCD中，绿色因其亮度最高，其暗态漏光对彩膜滤光片的对比度影响直接起到决定性作用[5-6]。
本文选择一种具有广色域的绿色滤光片作为研究对象，其包含3种有机纳米颜料：颜料绿58(G58)、颜料黄138(Y138)和颜料黄185(Y185)混合而成的着色材，其中Y185的加入主要是基于其具有高的着色率，可有效降低滤光片的膜厚，提升穿透率和降低彩膜滤光片的工艺制程难度；而Y185的加入，使得整体的对比度降低为不含Y185的88%。对比3种有机颜料的对比度，其中Y185的对比度(28%)明显低于G58 (100%)和Y138(88%)；且当Y185的含量在3种颜料中的比例由3%增至12%时，其对比度呈现明显下降(23%)，从而可以确定因颜料Y185而造成对比度偏低。为解析Y185造成对比度偏低的原因，本文采用同步对比分析两种黄色颜料Y138和Y185的散射和荧光特性与对比度之间关系。通过对比分析两种有机纳米颜料的粒径、折射率(n值)、晶型、形貌和荧光等特性，从而分析出Y185对比度偏低的根本原因及机理分析，并建立改善机制。
2 影响颜料对比度偏低的因素
Y138和Y185的对比度差异主要是由暗态亮度差异造成，其暗态频谱如图1所示，其中Y138的暗态漏光波段集中在480～630 nm；而Y185的漏光波段集中在490～630 nm，Y185在暗态辐射强度明显高于Y138，且Y185的暗态亮度为0.057 4 cd/m2，高于Y138的暗态亮度0.020 2 cd/m2。
研究表明[6-8]，影响有机颜料体系对比度的两个主要因素分别是散射和荧光，本文同步分析Y138和Y185的散射特性和荧光特性与对比度之间关系。
图1 Y138和Y185的暗态频谱Fig.1 Dark spectra of Y138 and Y185
2.1 散射
彩膜光刻胶中的有机纳米颜料粒子的半径一般在20～40 nm，其粒径与LCD中的可见光波长(380～780 nm)之间的关系接近于1/10，归属于瑞利散射范畴[5, 9-10]，根据经典的瑞利散射公式(1)，其中对散射影响最大的因素为有机纳米颜料的粒径d、颜料与分散树脂之间的折射率比值m(npig/nres)
(1)
其中：λ为入射光波长，m为分散粒子的折射率与透明材折射率之间的比值率，I为散射光强度，I0为入射光强度，d为分散粒子的粒径。
2.1.1 颜料的粒径及粒径分布
根据瑞利散射公式，有机颜料粒子的粒径大小是瑞利散射最为关键的因素，因此，我们将分散好的Y138和Y185颜料采用动态光散射仪(DLS)测出其粒径及粒径分布。如图2所示，Y138和Y185的粒径(D50)分别32.5 nm和40.2 nm，其中粒径(D50)Y185较Y138粒径小，但Y185的粒径分布范围较Y138广，但这些差异并不足以引起两者对比度如此大的差异，因此，根据粒径及粒径分布结果来看，其不是造成Y185对比度偏低的主要原因。
图2 Y138和Y185粒径及粒径分布Fig.2 Particle size and size distribution of Y138 and Y185
2.1.2 颜料的n值
图3 Y138和Y185的m值Fig.3 The m value of Y138 and Y185
根据瑞利散射的影响因素分析，分散颜料粒子的npig值(折射率)和分散树脂的nres值之间的比值m是颜料粒子产生瑞利散射的另一个重要因素，我们将分散好的Y138、Y185和绿色彩膜光刻胶的分散树脂分别在硅晶圆基底上进行旋涂成膜， 厚度为1 μm。然后利用椭圆偏振仪分别测出n值，可分别得到Y138和Y185的m值(mY138和mY185)，如图3所示，结果发现Y138和Y185的m差别较大的波段在460～510 nm，与颜料粒子的暗态漏光波段的重叠并非完全重合，但存在一定的交集，说明n值的差异在一定程度上会造成对比度的差异，而非造成Y185对比度偏低的主要原因。
2.1.3 颜料的晶型及形貌分析
通过对比分析可知，两种颜料的粒径及粒径分布和m值的差异，都不是影响Y185对比度偏低的主要因素，因此，我们进一步对两种有机颜料的晶型和形貌进行分析。
首先采用XRD对Y138和Y185的颜料粒子进行晶型分析，其结果如图4所示，在彩膜光刻胶中采用的两种颜料Y138和Y185均为无定型的非晶结构。
图4 Y138和Y185的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of Y138 and Y185
其次，采用STEM(扫描透射显微镜)对分散好的Y138和Y185进行形貌分析，其结果分别如图5(a)和图5(b)所示。可以看到Y138的粒径及其形貌分布相对均匀；而Y185中呈现明显的颗粒较大的形状，其粒径为110～120 nm，大小为通过DLS测出的在分散液中的两倍，分析其原因为Y185在分散液中可以稳定存在，但在STEM制样时，溶剂挥发过程中，Y185分散的稳定性差而导致团聚。我们分别对G1(G58/Y138)和G2(G58/Y138/185)的侧截面进行SEM分析，分别如图5(c)和5(d)所示，可以明显看到G1的致密性和粒径大小及分布明显优于G2。因此，可以确认Y185在成膜或干燥过程中(溶剂挥发)会破坏Y185的分散稳定性而导致团聚，造成其对比度偏低。
图5 (a) Y138和(b) Y185的STEM图；G1(c)和G2(d)的SEM图。Fig.5 STEM images of Y138 (a) and Y185 (b); SEM images of Y138 (c) and Y185 (d).
2.2 荧光
在以颜料体系为主的彩膜光刻胶中，对于其荧光特性的分析往往会被忽视，因为有机纳米颜料体系是颜料分子形成的纳米晶体，大多数晶体会导致荧光猝灭。根据上述对Y138和Y185颜料粒子的XRD分析，其皆为无定型态，而非单一的晶体的结构，由颜料颗粒产生的荧光也是影响彩膜光刻胶对比度偏低的重要因素。
为了研究彩膜的荧光特性，我们将Y138和Y185制作成厚度为3 μm的膜片，采用460 nm的光激发，其荧光发射光谱如图6所示。发现Y138和Y185发射光的波长分别在490～570 nm和500～570 nm，都在暗态漏光的范围内，因此，可以确认彩膜会在LCD中受到背光源中的光激发而产生荧光，造成对比度偏低，其也是颜料体系不可以忽视的因素，为了提升颜料体系的对比度，可以在有机纳米颜料结晶过程中，控制其晶型的纯度，有利于减弱因颜料产生的荧光造成对比度偏低；其次也可以选择合适的荧光猝灭剂，降低有机纳米颜料的荧光对对比度的影响。
图6 Y138和Y185膜片的荧光光谱(激发光波长：460 nm)Fig.6 Fluorescence emission spectra of Y138 and Y185 color film (λex=460 nm)
3 机理研究及改善
综上分析，Y138和Y185颜料的荧光和Y185对比度偏低主要是由荧光和散射造成。Y138和Y185的颜料在溶剂中分散时，Y138和Y185的粒径大小及分布差异不大，可以稳定态存在，但是在成膜或者干燥(STEM制样)过程之中，因Y185的分散稳定性差，在Y185纳米颗粒中同时存在颗粒较大的聚集态和颗粒较小的单分子，这样容易造成散射(聚集态)和单体(荧光)，从而导致对比度偏低[11]；根据Y185颜料的分散机理(图7)，Y185颜料粒子与分散剂之间通过分散助剂的静电力衔接，如果选择的分散助剂与颜料和分散剂基团之间的静电作用力较弱，在干燥或者成膜干燥时被破坏，会导致纳米粒子团聚，从而影响对比度。
图7 有机纳米颜料分散示意图Fig.7 Schematic diagram of organic nano-pigment
因分散助剂与颜料粒子和分散剂之间的作用力较弱，从而导致Y185的分散稳定性差，因此，我们采用与颜料粒子和分散剂之间作用力更强的分散助剂进行改善，与改善前的Y185对比，其对比度提升了约1倍。
4 结 论
Y185会使具有广色域的绿色彩膜滤光片的对比度偏低，本文针对这一现象进行了系统研究。发现Y185在干燥或者成膜的过程中，因分散助剂与颜料粒子和分散剂之间的作用力弱而被破坏，导致Y185纳米粒子的团聚而造成对比度偏低。通过更换与颜料粒子和分散剂之间作用力更强的分散助剂，有助于提升Y185的稳定性和对比度，为提升有机纳米颜料的对比度和制备高对比度的彩膜滤光片提供了理论依据和设计方向。
