一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法，滤光片包括：透明基底、位于该基底上的三色像素阵列，其特征在于：所述三色像素阵列由光栅阵列构成，所述光栅阵列由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外面，每一光栅的周期与其滤光的颜色相对应，三种周期的光栅分别用于对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。其制作是在透明基底上依次涂布介质层和金属层，并且使该介质层和金属层形成凹凸的光栅结构。本发明专利技术只需改变光栅的周期，就可获得针对Ｒ、Ｇ、Ｂ三色的透射光谱，降低了加工彩色滤光片的难度；获得的滤光片具有合适的透射光谱，色纯度好；偏振光透过率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学元件，具体涉及一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其 制作方法，可应用于背光显示领域。
技术介绍
液晶显示器之所以能呈现彩色影像，主要依靠彩色滤光片。彩色滤光片作 为液晶显示器件的关键组件，其性能直接影响显示器的对比度、亮度、视角乃 至画面质量。液晶显示器件对彩色滤光片的性能要求如下(l)高色纯度，也就 是说，R、 G、 B三基色的透射光谱应适中，透射波长范围不能太窄、否则透 光度太低；透射波长范围也不能太宽、否则三基色光谱将发生重迭，使滤色层 的彩色还原能力变差。(2)高对比度，即要求彩色滤光片具有髙透射率。彩色滤 光片是TFT-LCD面板中成本比重最大的零组件，如15英寸面板的材料成本 中，彩色滤光片约占24%。因此彩色滤光片的质量及其技术发展对液晶显示 器至关重要。现有技术中，彩色滤光片主要由玻璃基板、黑色矩阵、彩色层、保护层及 ITO导电膜等组成，其制作就是在玻璃基板上，将红、绿、蓝三原色有机材料， 制作在每一个像素内。目前较常用的彩色滤光片制作方法有颜料分散法、染色 法、印刷法和电沉积法等四种，这几种制作方法有各自的优缺点。如颜料分散 法，先将颜料分散到感光树脂中，经过光阻涂布、前烘、曝光、显影、后烘、 蚀刻等工艺，重复三次，最后制成彩色滤光片，存在的问题是针对R、 G、 B三色，光阻厚度存在差异，形成的三色画素表面不平，导致图像的色饱和度 低；对设备的要求较高，导致制作成本增加；对颜料及颜料光阻的性能要求较 高。传统的彩色滤光片的透射光谱分布如图2所示，从图2可以看出，红、绿、 蓝三色光谱的带宽均为150mn左右，三基色光谱发生重迭，影响了色纯度。 鉴于传统的彩色滤光片在性能和加工方面存在的诸多问题，很多科研团队正致 力于改进现有的加工方法和设计出新型的滤光片。近几年，人们提出了基于纳米结构光栅的彩色滤光片。与传统的彩色滤光 片相比，基于纳米结构光栅的滤光片的制作可以采用光刻工艺和纳米压印工艺 加工完成， 一方面，可以降低加工成本，提高生产效率；另一方面，基于纳米 结构光栅的滤光片光能利用率高、透过的带宽适中，采用该滤光片的LCD的 画面质量更好。中国专利技术专利申请CN1900750A公开了一种彩色滤光片，该彩 色滤光片由位于基底上的多个区域的不同周期、不同占空比、不同高度的金属 光栅组成，通过调节光栅的周期和高度对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。 该结构的彩色滤光片的主模的加工程序复杂，并且后续的蚀刻过程有很髙的技 术难度，在工艺上很难保证滤光片的光学效果。公开号为2006/0147617A1的 美国专利申请中公开了一种具有双金属层结构的彩色滤光片，该彩色滤光片由位于基底上的多个区域的相同周期、相同占空比、不同髙度的介质光栅、不同 高度的金属光栅组成。然而，如何在一个100-200nm的结构上溅射三种不同 高度的金属层和如何在压印过程中精确控制介质光栅的髙度都给实际加工该 滤光片带来了极大困难。因此，如何设计出易于加工、高性能(透射率高，透射光谱适中)的滤光 片，成为LCD面板领域急需解决的关键问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种亚波长光栅结构彩色滤光片，该彩色滤光片应具 备透过率高，透射光谱适中的较髙性能。本专利技术同时提供该中彩色滤光片的制作方法，只需改变光栅层的周期，即 可获得针对R、 G、 B三色的彩色滤光片，降低加工彩色滤光片的难度。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种亚波长光栅结构彩色滤 光片，包括透明基底、位于该基底上的三色像素阵列，所述三色像素阵列由 光栅阵列构成，所述光栅阵列由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外 面，每一光栅的周期与其滤光的颜色相对应，三种周期的光栅分别用于对入射 光中的红、绿、蓝三色进行滤光。上述技术方案中，通过设置分别对应于三色光的三种光栅来实现滤光，只 需改变光栅层的周期，就可以对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光，降低了加工彩色滤光片的难度；并且具有适中的透射光谱，色纯度好；具有高达90% 以上的偏振(TM)光透过率。在实际应用时，可以在光栅的表面设置覆盖光栅层的保护层；该保护层具 有基本上与基底相同的折射率。所述介质层为ZnS或者Ta203;所述金属层为 铝或者银等；入射光基本上垂直入射。上述技术方案中，亚波长光栅结构彩色滤光片是指光栅的周期小于入射光 波长的光栅阵列构成的彩色滤光片。优选的技术方案是，滤出红光的光栅阵列 的周期为360 410nm，滤出绿光的光栅阵列的周期为300 350nm,滤出蓝 光的光栅阵列的周期为220 260nm。所述光栅的脊部宽度与周期的比值为0.5 0.75;所述介质层的厚度为 S0 100nm，所述金属层的厚度为40 60nm。上述技术方案中，所述透明基底由玻璃或塑料薄膜构成，所述塑料薄膜采 用聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 或聚丙烯(BOPP);透明基底厚度为500 1000微米。红、绿、蓝三色透射光谱的带宽为80~120nm。通过调整介质层的折射率、 厚度和金属层的厚度等参数，可以获得带宽合适的彩色滤光片，设计很灵活。本专利技术的的制作方法的总体构思是，需要在透明基底上依次涂布介质层和 金属层，并且该介质层和金属层需要形成凹凸的光栅结构，因此，需要形成光 栅图案，在具体实现上，可以采用先涂布，然后形成光栅图案，最后刻蚀的方 法，也可以采用先形成光栅图案遮盖不需要涂布的部分，再在其上涂布介质层 和金属层的方法。由此，本专利技术的两种制作方法可以分别表达如下其一 一种亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，包括下列步骤(1) 在透明基底上涂布介质层；(2) 在介质层上利用物理溅射方法沉积金属层；(3) 在金属层表面涂布聚合物层；(4) 用具有三种不同周期的光栅的模板在聚合物层表面形成该模板的图案；(5) 利用在聚合物表面形成的图案作为掩膜，刻蚀金属层和介质层，形成光 栅结构，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。优选的技术方案，在所述步骤(4)中，通过纳米压印方法在聚合物层表面形成该模板的图案。其二 一种亚波长光栅结构彩色滤光片的制作方法，包括下列步骤-(1) 在透明基底的上表面涂布光阻剂层；(2) 在光阻剂的上表面经过激光干涉、显影、定影步骤产生具有三种不同周 期的光栅的图案，使得周期槽形的曝光区域的光阻剂完全被刻透并暴露出透明 基底；(3) 在包括光阻剂图案的基底材料的上表面上利用物理溅射沉积介质层；(4) 在介质层的上表面利用物理溅射沉积金属层；(5) 利用有机溶液去除光阻剂层，即获得所需的亚波长光栅结构彩色滤光片。上述两种方法的总体构思是一致的。由于上述技术方案的运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点1. 本专利技术的彩色滤光片，只需改变光栅的周期，就可获得针对R、 G、 B 三色的透射光谱，降低了加工彩色滤光片的难度。2. 本专利技术的彩色滤光片，具有合适的透射光谱，带宽为80~120nm，色纯 度好。因为可见光区的光谱带宽约300nm， 80-120nm带宽的透过有利于色纯 度的提髙，而传统的彩色滤光片有150nm带宽，其中有50nm光谱重叠区。3. 传统的彩色滤光片R、 G、 B三色的透过率为80%左右，本专利技术的彩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚波长光栅结构彩色滤光片，包括：透明基底、位于该基底上的三色像素阵列，其特征在于：所述三色像素阵列由光栅阵列构成，所述光栅阵列由介质层和金属层构成，金属层位于介质层的外面，每一光栅的周期与其滤光的颜色相对应，三种周期的光栅分别用于对入射光中的红、绿、蓝三色进行滤光。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周云，陈林森，浦东林，叶燕，申溯，周小红，解正东，方宗豹，张恒，魏国军，
申请(专利权)人：苏州大学，苏州苏大维格光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]