二、 文獻調查
2.1 彩色濾光片的結構與原理
(圖1.5)為彩色濾光片基本結構，基層為透明玻璃基板，玻璃基板上 方依序為黑色矩陣層(Black Matrix；BM)，BM的主要功用是(1)遮光效用，
防止TFT產生光電效應進而造成誤動作，(2)防止兩色相混，使兩顏料不會 混和在一起，(3)增進色彩之對比性(Contrast)等功能，目前使用的材料 可分為兩種，分别為(1)金屬薄膜：如 Cr 膜，(2)樹脂型：黑色光阻薄膜，
黑色光阻薄膜主要以碳黑材料混入包含感光成分與樹脂材料的負型光 阻，其具有環保優勢且成本較低，故目前已逐漸取代金屬薄膜;紅綠藍三 原色構成的彩色光阻層(Color resister)或稱為彩色濾光層，主要是可提 供畫素所需呈現的色彩，一般主要考量為(1)能抵抗製作過程中的化學處 理、熱及溼氣的影響，(2)顯示特性的要求，(3)使用環境的忍耐性。目前 最常使用的顏料分散型彩色光阻材料，主要是由顏料(Pigment)、壓克力 樹脂(Acrylic Resin)、感光材料(Photo Active Component)與溶劑等成 分所組成。接著在彩色光阻層上面鍍上一層透明ITO導電膜，銦錫氧化物
（ITO）具備有極佳的導電特性（電阻係數可至 2 × 10-4 Ω-cm下），及 可見光（400~700nm）之透光率≧90%，一直是學術界及工業界廣泛應用之 對象。鍍完ITO薄膜後，最後再作上光學間隙層(Photo spacer)。光學間 隙層主要作為上下兩層玻璃的支撐,以維持兩玻璃間具有適當間隙，以利 液晶注入，現行大尺寸面版製程如多以黃光製程來長此間隙層。一般彩色 濾光片於BM / RGB / PS 製程後，經過AOI (Auto Optical Inspection;AOI) 後，將製程缺陷檢出，再以修復手續( Repair) 將缺陷修復提高良率。[4]
[9]製作完成的彩色濾光片基板其功用在於將某些背光源的所提供的入射 光進行過濾，也就是一種對光的過濾裝置，藉由LCD光電訊號處理，控制
12 委員會(Commission Intrnationale delEclairage；CIE)所推薦的CIE表 色系統(CIE color system)。
根據三原色理論，每一個色彩均可以三個選定的原色按照適當的比 例混合而成。利用配色函數實驗的方式，將各種色彩以三原色配色的理論 予以客觀量化。配色函數實驗如(圖2.2)所示，選擇三原色：Red: 700 nm、
Green: 546.1 nm、Blue: 435.8 nm，並有100位觀察者參與以2°視角配出 與單 波長光相同色彩 的三原色光數量 即稱為光譜三刺 激值 (spectral
Fluorescent Light Bulb Light Guide Plate
Back Light Unit Polarizar Polarizar
TFT Array Liquid Crystal
Color Filter
tristimules value)，此三原色刺激值隨著單色光的波長而改變，是為一 波長函數如(圖2.3)所示。
圖2.2 CIE1931：視角2°配色函數實驗示意圖
圖2.3 CIE RGB表色系的三刺激值函數
350 400 450 500 550 600 650 700
)
14
Where ：光源光譜分佈
：XYZ表色系三刺激函數
k：
樣品的光反射係數圖2.4 CIE 1931 色彩空間色度座標圖
XYZ與RGB三刺激值可以下方數學關聯式(10)(11)(12)進行轉換，此 數學關聯式為於RGB地圖上選取可將所有色彩包圍的最小三角形面積，選 取套入後所產生的新三原色稱為XYZ，XYZ表色系統其目的期望可以解決 RGB系統無法模擬所有色彩的問題，也就是解決r(λ)有負值的問題，另外 1931配色實驗為2度的視角，1964重新實驗10度視角，只有紫色區有些許 差異，其他部分並無太大差異，如(圖2.5)所示。[11]
X=2.7689R+1.7517G+1.1302B --- (10) Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B --- (11) Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B --- (12)
) (
λ E
) ( λ
x y ( λ ) z ( λ )
16
350 400 450 500 550 600 650 700 )
圖2.6 CF 三刺激值計算方式示意圖
色座標若以立體空間探討，如(圖2.7)所示。L*軸為亮度表示，亮度 是一種無色彩的顏色，也是表示光強度的明暗特性。L*值從0到100做不同 程度的表示。在色相方面，色相為表示紅橙黃綠藍靛紫等顏色，其按照光 的波長而有不同色相。a軸中+a*為紅色，-a為綠色。b軸中+b*為黃色，-b
X,Y,Z and x, y
for
R/G/B/W
18
為藍色。色飽和度方面，表示色彩鮮豔飽和度大小，ab之絕對值越大表示 顏色越飽和。並且可以藉著色差值△Eab了解顏色的差異性，此表現方式 普遍用於信賴性測試的運用上。△Eab可由下列方程式計算求得。[12]
( ∆
L*) ( ) ( )
2+ ∆
a* 2+ ∆
b* 2=
∆Eab
--- (13)圖2.7 CIE L*a*b* 色彩空間
2.3彩色光阻材料組成
彩 色 濾 光 片 所 用 的 彩 色 光 阻 的 基 本 組 成 主 要 可 分 為 接 合 樹 脂 (Binder)、單體(Monomer)、光聚合起始劑 (photo active compound; PAC)、
顏料(Pigment)、添加劑 (Additives)、溶劑 (Solvent)，如(圖2.8)所示。
[13] [14]
圖2.8 彩色光阻的基本組成示意圖 2.3.1接合樹脂(Binder)：
Binder可以是聚合物(polymer)或是共聚物(Copolymer)，所以也必須 考慮到其分子量、官能基數(反應性或非反應性)與分子結構(線性或非線 性)。
Binder類別:
a) 環氧丙烯酸酯(Epoxy Acrylates)
b) 脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(Aliphatic Urethane Acrylates) c) 芳香族聚氨酯丙烯酸酯(Aromatic Urethane Acrylates) d) 聚酯丙烯酸酯(Polyester Acrylates)
e) 丙烯酸酯(Acrylic Acrylates) 等等種類
在挑選Binder時，需考慮到最後是要什麼樣特性的光阻材料，例如要 考慮機械強度、延展性、耐藥性、反應性、透明性、黏度、熱性質與酸價。
壓克力樹脂不但具抗熱及耐光且透明度高，是目前液晶顯示器用彩色 濾光片的主要原材料，另外帶有酸基的單體除可提供壓克力樹脂適當的酸
Solvent Binder
Monomer
Pigment
20
性使其可溶於鹼性水溶液中，烷基壓克力單體主要的功用為調節Tg的大 小，利用壓克力單體中含長烷基則Tg較低，而含短烷基則其Tg較高。此外，
混合不同比例所得之共聚合物的Tg亦有所不同，故可合成一系列不同Tg之 樹脂以尋求最適當之配方。含芳香族單體之導入為改善與感光物(PAC)之相 溶性，使PAC易包在共聚合物的微胞中。其它如含酸基單體、醯基單體、氰 氨基單體、氨基單體，這四項不飽和單體可單獨或混合與酸基單體合成壓 克力樹脂。
壓克力樹脂主要的優勢：
a)出色的光學透明度 b)優異的電絕緣
c)優良的耐候性和耐日光 d)剛性，有良好的抗衝擊強度 e)良好的尺寸穩定性，低收縮模 f)增加雙向拉伸成型軸韌性
2.3.2單體(Monomer)：
Monomer主要是跟帶有自由基的光起使劑反應，UV光照射反應後會使 monomer跟monomer連結在一起成為類似網狀的結構。其反應如(圖2.9)所 示：
圖2.9 單體UV光照射反應示意圖
單體的反應性官能基數 (-CH=CH2) 及分子結構會影響到在照光反應時 的反應速度與鍵結的程度。一般單體名稱以反應性官能基樹進行定義。
a)有單一反應性官能基的(-CH=CH2)n，n=1時，稱為Mono-functional Monomers。
b) 雙 反 應 性 官 能 基 的 (-CH=CH2)n ， n=2 時 ， 稱 為 Bi-functional Monomers。
c)三反應性官能基(-CH=CH2)n，n=3時，稱為Tri-functional Monomers。
d)三個以上的反應性官能基，n>3時，稱做為Multi-functional Monomers。
單體從1個官能基到6個官能基不等，依需求添加。甲基丙烯酸酯類單 體（Mathacrylate）因反應速度較慢而較少在配方中出現，它主要是增加 硬度及減少收縮。目前大致主要是使用五到六個反應性官能基的單體。在 選用反應性單體時，主要需考慮到其黏度、透明性、分子結構及反應官能 基數等等。在調配光阻時，可以選用不同官能基數的單體搭配使用，視需 要何種特性的光阻材料而定。而單體/寡聚合物官能基與光阻特性之關連如
Before UV Irradiation After UV Irradiation
22
表2.1 單體/寡聚合物官能基與光阻特性關係表
2.3.3光聚合起始劑 (Photo Active component or Photo initiator) 曝光燈光源主要為I/G/H line三種波長所組成，故光起始劑必需在此 三種波長之下產生。I line的波長為365 nm，G line的波長為436nm，H line 的波長為405 nm。如(圖2.10)所示。
光起始劑(Photo initiators)是UV硬化樹脂的主要成分之ㄧ。光起始 劑會吸收某波長區域的光源，一般會搭配所使用的曝光機頻譜進行材料選
250 300 350 400 450 500
λ (nm)
Light Intensity
G line H line I line
圖2.10 曝光機光源頻譜示意圖
圖2.11 光聚合反應示意圖
光引發的聚合反應中，光起始劑的選擇，直接影響硬化速率的快慢，
為了獲得快速硬化及良好物性之塗膜，已有許多光起始劑被研究開發。一 般良好光起始劑具備如下條件：
a)對紫外線光照射裝置具有高效率吸收。
b)對熱具有安定性、同時在黑暗處不會引起反應。
c)與寡聚體，活性單體有良好的相容性。
d)輝發性低，不會產生泡沫。
e)不會使塗膜發生黃化現象。
f)價格需便宜。
2.3.4顏料(Pigment)
一般具有顏色的物質大體可分為顏料(Pigment)與染料(Dye)兩種，染 料與顏料等有色之物質總稱為色料，其間之區分以如(表2.2)所示來分別，
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勻一上色染著者。顏料是指不溶於水與纖維無親和力，需藉其他藥劑如接 著劑（Binder ）而使纖維上色者如油墨、塗料等。目前彩色濾光片廠所使 用的彩色光阻主要的顏色來源主要為顏料(Pigment)。
表2.2 顏料/染料特性關係表
在配製彩色光阻時，需要添加色膏，如彩色濾光片厰內最常接觸的紅 色、綠色、藍色及黑色，而目前在配製Photo spacer時並不須添加任何色 膏，色膏的色決定了光阻的顏色，目前應用於製作彩色濾光片之有機顏料 共有五種顏料，紅色顏料、綠色顏料、藍色顏料、黃色顏料、紫色顏料，
其中黃色和紫色顏料分別當作紅色顏料及綠色與藍色顏料之補色。一般而 言，為了提高光阻色純，一支光阻多會使用數種顏料調配。紅色光阻是由 紅色及黃色組合而成；綠色光阻是綠色及黃色；藍色光阻則為藍色及紫色。
顯示器客戶所給的RGB色度規格是由色膏來調整的。藉由調整紅色顏 料、綠色顏料、藍色顏料、黃色顏料、紫色顏料的配比，來達到客戶要求 的Y、x、y的色度座標，還要控制色膏的黏度、固含量、單體對比及分散的 性質，因為色膏會影響所配製而成的光阻成品膜厚、色度及黏度及對比表 現。而黑色光阻目前是使用在黑色矩陣的製作，色膏主要是使用碳黑，一 樣的需控制其固含量、黏度及分散性。
色膏目前分子的大小已經是奈米級了，但是當到達奈米級時，分子間 (Pigment) 的化合物，無機顏料之具體例也可於相關的專利研究中查得。
[17] [18]
2.3.5添加劑 (Additives)
UV添加劑的加入是為達到某種特性或幫助使用過程中減少瑕疵為目 的，如果欲增加光起始劑的儲藏時間，可添加安定劑，如增加塗膜韌性可 添加可塑劑，如需獲得較平緩的光阻膜面可添加平坦劑(Leveling agent)，
界面活性劑可調整光阻的表面張力，另外還可針對親水性與親油性、附著 性與收縮性等等光阻特性進行調整。
2.3.6溶劑 (Solvent)
添加溶劑可調整光阻的黏度與固含量，另外，溶劑亦可調節膜厚和塗 佈之平整性(Leveling)的功能。通常溶劑的使用不只單一種而是兩種以上
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溶劑共用形成共溶劑(Co-solvent) ，其配合情況可為高沸點溶劑和低沸點 溶劑共用。可以因應在塗佈、減壓抽氣、預烤、曝光及硬烤時，不同製程 成條件調整出一最佳的配比。提高膜的平整性、塗佈的穩定度及與機台的
溶劑共用形成共溶劑(Co-solvent) ，其配合情況可為高沸點溶劑和低沸點 溶劑共用。可以因應在塗佈、減壓抽氣、預烤、曝光及硬烤時，不同製程 成條件調整出一最佳的配比。提高膜的平整性、塗佈的穩定度及與機台的