[发明专利]一种亚波长光栅结构彩色滤光片及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件，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。

背景技术

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：(1)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高透射率。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150nm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。中国发明专利申请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高的技术难度，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、不同高度的介质光栅、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高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。

发明内容

本发明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，透射光谱适中的较高性能。

本发明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，本发明采用的技术方案是：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Ta₂O₃；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。