专利名称：集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)背投光源的一个光学元件——彩色滤光片。
背景技术：
薄膜晶体管液晶显示器之所以能够产生色彩的变化，主要是由于彩色滤光片(Color Filter)对背投的白色光源进行滤波得到红、绿、蓝三色光。液晶显示器中，经背光模 组产生的白光通过一些光学组件的整形后，均匀、垂直的照射到彩色滤光片上，白光通 过彩色滤光片后能得到红、绿、蓝三种颜色的单色光平行出射，最后由液晶对光的透过 控制合成得到彩色的显示效果。彩色滤光片制作方法主要有染色法、颜料分散法、印刷 法、电镀法、喷墨法等，将红、绿、蓝三原色之有机材料制作于玻璃基板上。目前制作 彩色滤光片所用的材料为高分子材料。这种技术的最大缺点是染料或颜料的耐热度较 低，工作时不能承受太高的温度，这对使用高流明的显示技术将是一大问题。其中颜色 分散法在颜色特性、质量、可靠度等方面均占有优势，因此成为目前彩色滤光片之主流 制作方式。但是，这些方法在制作工序上复杂、繁琐。颜色分散法需要在衬底上反复的 进行涂膜、光刻等工序才能获得三颜色的阵列结构，复杂的生产过程使得彩色滤光片的 成本很高，占整个液晶显示器成本的很大比例。
发明内容
为了解决现有彩色滤光片生产工艺复杂、制造成本高的问题，本发明提供一种集成 化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片。
大量研究表明，当光与亚波长金属微纳结构相互作用时，具有亚波长周期性小孔阵 列的金属层有很多独特的光学性质。这些性质中，最显著的是它能对透过的光具有波长 选择、透射增强作用。而改变小孔阵列的周期，就能够调整最大透过光的中心波长。这 种特殊的光学性质是因为光通过具有周期性小孔阵列的金属层时会引起金属表面自由 电子的集体震荡——表面等离子体。由于表面等离子体的存在，光通过金属层上的单个 小孔的透过率比光通过介质层上刻蚀单个小孔的光透过率高得多；另外，由于金属层上周期性的小孔阵列结构能够提供倒格矢，只有特定波长的光才能与表面等离子体发生相 互作用，从而透过率很高的通过金属层，实现对透过光的波长选择作用。利用这种独特 的性质，我们可以用来制作液晶显示器中的彩色滤光片。 具体的技术解决方案如下-
集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片包括衬底片；
在衬底片上设有一金属层，金属层的厚度为100-300nm，在金属层上设有具有周期 性的小孔阵列，所述小孔直径为120-200nm。
所述金属层材料为银或金。
所述小孔的的形状为圆形或方形。
所述小孔阵列的周期常数为300nm或450nm或580nm。 由于不同形状的小孔对透射光谱的最大透过波长有影响，下面以圆形小孔为例，说明这 种新型亚波长金属微纳结构的滤波作用。彩色滤光片的实现在几百纳米厚的平面金属 层上刻蚀几百纳米直径、具有亚波长周期性的方型排列的圆形小孔阵列。通过改变不同 区域圆形小孔的排列周期大小得到不同波长的颜色滤波器。合理设计小孔周期的结构参 数以及改变周围的介质，能够实现红、绿、蓝三种颜色的彩色滤光片，实现液晶显示器 的彩色显示。
具有亚波长周期性小孔阵列结构的金属层能通过光具有波长选择性是由于金属表 面产生的表面等离子体与照射光之间必须满足动量匹配条件引起的。在液晶显示器中， 光都是垂直的、均匀的照射到彩色滤光片上，在这种条件下，透过率最大的光波长与亚 波长小孔阵列周期常数的关系
其中，义_是透过率最大的光波长，户是小孔阵列的周期常数，/,/是出射衍射的级 数，^,&分别是金属的介电常数和金属周围介质的介电常数。
本发明的核心在于设计金属层上的周期性小孔阵列。由于亚波长小孔阵列结构的制 作方法已经很成熟了，通过刻蚀、压膜等物理方法就能够实现。
综上所述，本发明的创新之处在于提出了一种全新的液晶显示器彩色滤光片的实现 方法。该方法与普通的液晶显示器相适用，不需要新加入光学器件而增加成本。制作过
4程是通过很成熟的镀膜、刻蚀、压膜等物理方法实现，不产生污杂。由于金或银的化学 稳定性，使得器件有很长的寿命。另外，这种方法可以把金属膜镀在其他平板光学元件 上，减少分离的光学器件，能使液晶显示器结构集成化。
图l为本发明结构示意图，
图2为本发明方形小孔阵列结构示意图。
图3为本发明照明方式示意图，
图4为白光通过后的彩色滤光效果图，
图5为本发明的宽带光源的红光透过谱，
图6为本发明的宽带光源的绿光透过谱，
图7为本发明的宽带光源的蓝光透过谱。
具体实施例方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1:
参见图1，集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片包括衬底片
在衬底片上镀一层厚度h为200nm银膜，银的介电常数为8.498, e2=0.759， 然后通过聚焦离子束刻蚀的方法在金属层上刻蚀出具有周期性的圆形小孔阵列，小孔阵 列由iVxW (阵列个数由像素的大小决定)的方形排列圆孔构成，小孔直径a为150nm。
根据国际照明委员会(CIE)规定的红、绿、蓝三原色的波长分别为700nm、 546. lnm、 435.8nm。我们分别设计圆形小孔阵列的周期常数P为300nm、 450nm、 580nm。这样，垂 直入射的白色光源将会得到透过率最大波长在440nm、 540nm、 720nm左右的透过谱，见 图3、图5、图6和图7，这样就能在垂直入射光源的情况下实现对三原色彩色滤波的效 果，见图4。
实施例2:
在金属层上刻蚀出具有周期性的方形小孔阵列，见图2,设计适当的参数，也能得 到不同波长的彩色滤光片。 其它同实施例l。
权利要求
1、集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片，包括衬底片，其特征在于在衬底片上设有一金属层，金属层的厚度为100-300nm，在金属层上设有具有周期性的小孔阵列，所述小孔直径为120-200nm。
2、 根据权利要求1所述的集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片，其特 征在于所述金属层材料为银或金。
3、 根据权利要求1所述的集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片，其特 征在于所述小孔的的形状为圆形或方形。
4、 根据权利要求1所述的集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片，其特 征在于所述小孔阵列的周期常数为300nm或450nm或580nm。
全文摘要
本发明涉及集成化亚波长金属微纳结构液晶显示彩色滤光片，其包括衬底片，在衬底片上设有一金属层，金属层的厚度为100-300nm，在金属层上设有具有周期性的小孔阵列，小孔直径为120-200nm。这种方法涉及到纳米尺度的金属阵列结构对光的性质的影响。不同周期常数的小孔阵列可以对不同颜色波长的光起到滤波作用，通过设计合理的周期结构，可以获得出红、绿、蓝三种颜色的彩色滤光片，满足液晶显示器中对彩色滤光片的要求。而这种结构能够将金属层集成到其他平板光学器件上，从而能够实现液晶显示器结构的小型化、集成化。
文档编号G02B5/22GK101477219SQ20081024620
公开日2009年7月8日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者海 明, 沛 王, 苑光辉, 杰 阎, 鲁永华 申请人:中国科学技术大学