全染料系光刻膠在液晶顯示器中的應(yīng)用

曾 婭，魏雄周，萬(wàn) 彬，黎 敏，閔泰燁

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

隨著液晶顯示器產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，液晶顯示器行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，目前顯示器主要朝著高屏占比、窄邊框、高色域、高分辨率、超薄、超輕、超低功耗、超長(zhǎng)待機(jī)等方向發(fā)展。而筆記本電腦低功耗產(chǎn)品已經(jīng)成為高端筆記本廠商的主要競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域[1]，為了實(shí)現(xiàn)低功耗，需要產(chǎn)品具有較高的透過(guò)率。目前多采用價(jià)格昂貴的KSF 粉背光源搭配業(yè)內(nèi)現(xiàn)有彩膜光刻膠，實(shí)現(xiàn)提升透過(guò)率的目的，但是該方案存在色溫偏下限，白點(diǎn)有超出客戶規(guī)格的風(fēng)險(xiǎn)，且KSF粉成本高昂，受限較大。

光刻膠是一種通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，材料特性發(fā)生轉(zhuǎn)變的材料。在液晶顯示領(lǐng)域通過(guò)曝光、顯影、刻蝕、熱烘等工藝，把掩模板上的圖案通過(guò)光刻膠轉(zhuǎn)移到玻璃基板上，留下設(shè)計(jì)圖案[2-3]。光刻膠通常分為正性光刻膠和負(fù)性光刻膠，彩膜基板使用的光刻膠一般是負(fù)性光刻膠，通過(guò)遠(yuǎn)紫外光照射并用堿性溶液顯影后，形成與掩膜板圖案相反的圖形。

提高彩膜光刻膠材料的透過(guò)率、色度、對(duì)比度是負(fù)性光刻膠行業(yè)內(nèi)的主要發(fā)展方向[4]。彩膜光刻膠主要由紅、綠、藍(lán)三色組成，業(yè)內(nèi)紅色光刻膠發(fā)展較為緩慢，困難較大，目前仍采用全顏料材料進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)；綠色材料正在逐步出現(xiàn)顏料和部分染料混合的材料，目前該混合材料正處于試產(chǎn)階段；藍(lán)色材料由顏料和染料混合生產(chǎn)，在液晶顯示屏供應(yīng)鏈中已量產(chǎn)多年，目前正處于朝著全染料的方向發(fā)展，全染料材料[5]在業(yè)內(nèi)處于量產(chǎn)初期。

目前，行業(yè)內(nèi)的TFT-LCD產(chǎn)品藍(lán)色光刻膠均采用顏料系(Pigment)或染料和顏料混合系(Hybrid)材料生產(chǎn)。而顏料系或染料和顏料混合系材料粒子直徑一般為20～100 nm，是懸浮分散在有機(jī)溶劑中，通過(guò)曝光、顯影和熱烘技術(shù)后，穩(wěn)定地存在于TFT-LCD彩色濾光片上。彩色濾光片通過(guò)吸收和透過(guò)背光發(fā)出來(lái)的光，最終進(jìn)入人眼，實(shí)現(xiàn)顯示器的色彩可視化。彩色濾光片阻隔了大部分的背光光線，對(duì)產(chǎn)品的透過(guò)率影響巨大。

2 原理性分析

2.1 透過(guò)率提升分析

圖1為全染料系(All Dye Blue)材料、染料和顏料混合系(Hybrid Blue)材料、全顏料系(Pigment Blue)材料3種材料分別制備的彩色濾光膜的透過(guò)率對(duì)比圖。其中，藍(lán)色可見(jiàn)光主要的波長(zhǎng)為380～500 nm，從圖中380～500 nm波長(zhǎng)處的透過(guò)率可以看出，色度保持一致時(shí)，材料透過(guò)率大小排序?yàn)椋喝玖舷?染料和顏料混合系>全顏料系。透過(guò)率差異大的主要原因見(jiàn)表1，全染料系的粒子直徑一般為1～3 nm，遠(yuǎn)小于全顏料系的粒子直徑(20～100 nm)，且全染料系材料可以完全溶解在溶劑中，溶液呈透明狀，不會(huì)由于粒子粒徑過(guò)大而阻擋和反射背光發(fā)出來(lái)的光，從而透過(guò)率明顯大于全顏料系光刻膠和混合系光刻膠[6]。混合系光刻膠有著一部分染料系光刻膠的優(yōu)勢(shì)，透過(guò)率也高于全顏料系光刻膠。

圖1 3種藍(lán)色光刻膠材料透過(guò)率對(duì)比Fig.1 Contrast of three kinds of blue photoresist materials

表1 全染料系與染料和顏料混合系、全顏料系的材料對(duì)比Tab.1 Contrast of All Dye Blue,Hybrid Blue,Pigment Blue materials

2.2 穩(wěn)定性分析

染料分子由有機(jī)小分子組成，受熱會(huì)分解。在原料合成時(shí)，在一定化學(xué)反應(yīng)下將多個(gè)染料分子通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)相連接[7-8]，可提高耐熱穩(wěn)定性，同時(shí)在染料分子上接枝官能基也可以提高其耐熱性。表2為3種藍(lán)色光刻膠的色度耐熱性實(shí)驗(yàn)分析，測(cè)試高溫?zé)岷鎸?duì)材料色度的影響，色度穩(wěn)定性越好越有利于產(chǎn)線制作。Bx、By為藍(lán)顏色的色坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)條件為230 ℃，25 min，經(jīng)過(guò)5次熱烘之后，受熱色坐標(biāo)變化量：全染料系≈全顏料系>染料與顏料混合系。說(shuō)明此種全染料系的藍(lán)色光刻膠受熱色度穩(wěn)定性良好。

表2 3種藍(lán)色光刻膠色度耐熱性對(duì)比Tab.2 Thermal stability contrast of three kinds of blue photoresist materials

2.3 色溫改善分析

色溫作為液晶顯示器色彩評(píng)價(jià)方面的重要指標(biāo)，很大程度上決定了用戶的感知情況。各個(gè)品牌產(chǎn)品對(duì)色溫有自己的要求，一般2 700～3 200 K為黃光，4 000～4 500 K為暖白光，6 000～6 500 K為白光，大于6 500 K為冷白光。色溫計(jì)算公式為：CCT=437(Wx-0.332)/(0.1858-Wy)3+3601(Wx-0.332)/(0.1858-Wy)2+6831(Wx-0.332)/(0.1858-Wy)+5517，色溫主要受白點(diǎn)坐標(biāo)(Wx，Wy)影響。

在一款電視產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，客戶要求色溫規(guī)格為10 000±1 000 K，實(shí)際制作過(guò)程中測(cè)試白點(diǎn)坐標(biāo)Wx、Wy為(0.286,0.297)，色溫約8 954 K，略小于客戶規(guī)格。使用全染料系光刻膠可以提升藍(lán)色像素透過(guò)率，白點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)整為(0.278,0.280)，色溫調(diào)整到10 700 K。藍(lán)色透過(guò)率的提升對(duì)產(chǎn)品白平衡和色溫有著較大改善。

3 應(yīng)用性評(píng)價(jià)

3.1 產(chǎn)線工藝性評(píng)價(jià)

新材料需驗(yàn)證產(chǎn)線制版性工藝能力。采用全染料系光刻膠在G8.5世代線搭載筆記本電腦產(chǎn)品進(jìn)行材料工藝性評(píng)價(jià)測(cè)試，根據(jù)G8.5代線，設(shè)計(jì)了符合產(chǎn)線量產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)試中心條件為HP 溫度:90 ℃，100 s；曝光間隙:250 μm；曝光量:40 mJ/cm2；顯影時(shí)間:85 s。分別測(cè)試評(píng)價(jià)了像素大小(CD，設(shè)計(jì)規(guī)格55 μm)隨曝光條件及顯影時(shí)間的變化關(guān)系。表3為全染料系光刻膠搭載一款產(chǎn)品進(jìn)行的工藝性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

表3 工藝性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)Tab.3 Manufactur ability evaluation data

從圖2、圖3、圖4中可以看出，濾光膜CD(像素大小)隨曝光量、曝光間隙及顯影時(shí)間的變化基本成線性關(guān)系，CD隨曝光間隙變化幅度為～0.562 μm/10 μm，CD隨曝光量變化幅度為～0.710 μm/10 mJ/cm2，CD隨顯影時(shí)間變化幅度為～-0.097 μm/10 s。工藝性與工藝條件成線性關(guān)系，產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚄l件調(diào)整改變材料的像素CD，具備產(chǎn)線量產(chǎn)性。

圖2 曝光間隙對(duì)像素CD的影響Fig.2 Effect of exposure gap on pixel CD

圖3 曝光量對(duì)像素CD的影響Fig.3 Effect of exposure dose on pixel CD

圖4 顯影時(shí)間對(duì)像素CD的影響Fig.4 Effect of development time on pixel CD

3.2 光照穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采用全染料系光刻膠搭載現(xiàn)有RG光刻膠制作成面板之后，連續(xù)點(diǎn)亮面板，定期測(cè)試記錄面板的藍(lán)色色坐標(biāo)，分別測(cè)試了0，7，14，21，28，35 d的藍(lán)色色坐標(biāo)，變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5可以看出，采用全染料系光刻膠搭載現(xiàn)有RG光刻膠制作成面板之后，連續(xù)點(diǎn)亮面板 35 d，藍(lán)色色坐標(biāo)無(wú)明顯變化，說(shuō)明全染料系應(yīng)用于液晶顯示器之后光照穩(wěn)定性較好。

圖5 全染料系藍(lán)色色坐標(biāo)隨光照時(shí)間變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trend of All Dye Blue By on light time

3.3 底切與坡度角評(píng)價(jià)

彩色濾光膜制備時(shí)，由于曝光強(qiáng)度不一致，容易造成像素兩端出現(xiàn)倒梯形的形狀，稱(chēng)此形貌為(Undercut)。出現(xiàn)底切現(xiàn)象容易造成像素漏光，影響產(chǎn)品顯示品質(zhì)。底切一般與曝光工藝有關(guān)也和材料內(nèi)部的光起始劑有關(guān)。坡度角(Tape)是像素兩端曝光后在遮光層或基板上形成的角。為了在后工序中涂抹平坦層的時(shí)候不出現(xiàn)破膜等問(wèn)題，一般要求彩色濾光膜的坡度角小于60°。由全染料系材料制備的藍(lán)色濾光膜的底切和坡度角測(cè)試如圖6、圖7所示，該材料無(wú)底切現(xiàn)象，坡度角滿足規(guī)格。

圖6 試驗(yàn)像素自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)圖Fig.6 Automated optical inspection(AOI)of experimental pixel

圖7 全染料系材料坡度角掃描電鏡圖。(a) 21.75°;(b) 27.86°。Fig.7 Scanning electron microscope (SEM) of All Dye Blue material’s tape angle.(a) 21.75°;(b) 27.86°.

3.4 高低溫信賴性評(píng)價(jià)

采用全染料系材料制成的面板投入信賴性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容為：THO(50 ℃，80%RH，老化 240 h)、THO(60 ℃，90%RH，老化 240 h)、THS(60 ℃，90%RH，老化 240 h)、TST-1(-20～60 ℃，per 30 min，100 cycle)。信賴性測(cè)試選取5片由全染料系材料制作的成品屏，在上述環(huán)境條件下存放12天，點(diǎn)燈測(cè)試，屏幕能正常點(diǎn)亮，并且功能性和外觀均無(wú)異常，判定全染料系材料制成的面板信賴性良好，通過(guò)產(chǎn)品信賴性評(píng)價(jià)測(cè)試。

3.4 光學(xué)評(píng)價(jià)

采用傳統(tǒng)藍(lán)色光阻材料和全染料系光阻材料制備成面板之后，在同等Bx色度下對(duì)C光和背光下的光學(xué)和透過(guò)率進(jìn)行分析。從表4中可以看出，全染料系制成的面板By更接近客戶目標(biāo)值(客戶規(guī)格一般為By0.060)，C光下，By提升約9.39%，背光下透過(guò)率提升約3.22%，顯示性能更為優(yōu)異。

表4 傳統(tǒng)藍(lán)色光阻材料和全染料系藍(lán)色光阻材料光學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)比表Tab.4 Optics evaluating contract of Normal Blue and All Dye Blue

4 結(jié) 論

本文基于對(duì)全染料系材料的原理和實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)比了全染料系、染料和顏料混合系材料和全顏料系材料的特性、制備成面板后的透過(guò)率及色坐標(biāo)測(cè)試。可以看出相較于目前的顏料系和染料和顏料混合系藍(lán)色光刻膠，采用全染料系列的光刻膠，C光下藍(lán)色光刻膠的單色透過(guò)率可以提升約9%，搭配背光源下的面板透過(guò)率可以提升約3%。對(duì)全染料系材料進(jìn)行產(chǎn)線工藝性測(cè)試，結(jié)果無(wú)不良發(fā)生，特性值變化規(guī)律水平與目前量產(chǎn)采用的染料和顏料混合系光刻膠相當(dāng)。對(duì)盒制成面板之后，連續(xù)點(diǎn)燈35 d，藍(lán)色色坐標(biāo)無(wú)變化，光穩(wěn)定性較好，高低溫信賴性評(píng)價(jià)良好，可以應(yīng)用于液晶顯示器件中。