等離子顯示器濾光保護膜的研究進展

張曉雯，厲 蕾，顏 悅

（北京航空材料研究院，北京100095）

等離子顯示器濾光保護膜的研究進展

張曉雯，厲 蕾，顏 悅

（北京航空材料研究院，北京100095）

本文介紹了等離子顯示器的優(yōu)缺點，并對其顯示過程中所需的濾光保護膜進行了分析。分別對電磁屏蔽、近紅外吸收、橘黃調色以及防反射等功能膜的研究進展進行了綜述。重點闡述了各功能薄膜所用材料與薄膜制備方法在國內外的研究與應用。

等離子顯示器；電磁屏蔽；近紅外吸收；橘黃調色；防反射

等離子顯示器具有很大的顯示面積和容量，對比度高、彩色還原特性好、圖像顯示逼真和畫質優(yōu)良等優(yōu)點，因此等離子顯示器自問世以來就引起了人們的廣泛關注，近幾年也逐漸成為電視機行業(yè)顯示器的熱點研究對象之一［1，2］。

但是等離子顯示器也有其不可避免的缺點［3，4］。由于等離子顯示器的電容性負載較差，在等離子顯示器充電與放電過程中會產生過大的沖擊位移電流，因此相對于傳統(tǒng)的顯示器，等離子顯示器就會產生電磁波，不僅對人體健康有損害，同時會對其他設備產生電磁干擾，并有大量的能量損失［5，6］；另外，等離子顯示器填充的氙氣與氖氣受到真空紫外線激發(fā)時會發(fā)出相應的近紅外光（NIR）與氖（Ne）黃光。NIR會對遙控器以及其他應用紅外線的部件產生影響甚至導致失靈；氖原子在被真空紫外線激發(fā)再回到基態(tài)的過程中會在590nm左右處產生氖黃光，影響等離子顯示器的色彩平衡，造成畫面失真［7－10］。

最初解決上述問題的辦法是在無機玻璃上沉積功能層，然后將無機玻璃安置在等離子顯示器前面，以起到對等離子顯示器濾光保護的作用。但是這樣增加了成本，明顯增大了等離子顯示器的質量與體積，對生產運輸?shù)葞聿焕绊憽＝鼛啄暝谌嵝跃酆衔锿该骰咨铣练e多層功能薄膜制備PDP用濾光保護膜已經成為研究的熱點，該功能薄膜在滿足濾光保護要求的同時，明顯減輕了PDP的質量并降低了成本。目前多家公司在從事彩色等離子體顯示器濾光膜的研制方面已取得相當?shù)某删筒⒁呀泴崿F(xiàn)批量生產［11－13］。

PDP用濾光保護膜在設計上要求盡可能對紅、藍、綠等可見光有較高透光率的同時，能夠屏蔽電磁波干擾（EMI），并有效吸收590nm處的Ne黃光，同時對800～1200nm的近紅外線有良好吸收效果。這樣將有效提高PDP顯示器分辨率，改善清晰度以及色純度。PDP濾光保護膜一般都是多種功能的復合膜，是集近紅外線吸收、橘黃調色、高增透以及電磁屏蔽的多合一功能膜［14，15］。這對于降低成本、簡化工藝等方面將具有很優(yōu)異的開發(fā)應用潛力。本文對近幾年國內外PDP濾光保護膜的開發(fā)應用技術與材料應用展開綜述［16］。

1 PDP濾光保護膜的結構

PDP濾光保護膜的結構一般包括上保護層，膠黏劑層，透明高分子薄膜，下保護層。保護層，能夠保護濾光膜在使用前不受傷害；膠黏劑層，內含近紅外吸收染料以及選擇性波長吸收染料（氖黃光吸收），同時起到與玻璃基板黏接的作用；透明高分子薄膜，一般為PET，PC等柔性透明高分子薄膜材料，可見光透光率超過95%，這是PDP濾光保護膜的關鍵功能層，多種功能將在這一層匯集。一般情況下，在這一層的背面，需要沉積一層金屬導電膜或直接經絲網印刷技術生成金屬導電網格層，這一金屬網格層將起到電磁屏蔽的作用；而在透明高分子薄膜的正面，可能需要進行預處理，使其具備防反射增透性，防靜電性，硬涂性等功能，以滿足使用要求。

實際上，現(xiàn)在技術上常用的濾光保護膜也有四層結構的，也就是將中間的高分子薄膜層的上下功能層分開，分別將EMI層與其他功能層置于各自的基底上，這樣也有利于避免缺陷以及提高生產效率，當然這樣會相應使成本有所增加。但總體上講，這兩種結構的濾光保護膜在功能上是一致的。

2 EMI膜

針對等離子體顯示器面板的電磁屏蔽膜的使用要求，其關鍵技術在于：既要對電磁輻射波段進行屏蔽，又需要有良好的可見光透過率［17］。實現(xiàn)屏蔽要求的關鍵技術是低電阻（高屏蔽效率）的金屬絲網結構或者導電薄膜技術。

能滿足電磁屏蔽要求且具有足夠高的透光率的EMI屏蔽膜被分為兩類：金屬絲網薄膜與透明導電膜。金屬絲網EMI屏蔽膜結構如圖1所示［18］。其中包括中間的經離子蝕刻技術或絲網印刷技術制備的導電絲網膜與金屬導電邊緣，常見的如金屬銅絲網［19］。雖然金屬絲網表現(xiàn)出良好的電磁屏蔽性能，但也存在不可避免的缺點，如生產工藝復雜、低電導率、圖像變形以及由于貴金屬的使用帶來的成本增加。由于這些缺陷，真空濺射制備的各種透明導電薄膜已逐漸代替金屬絲網被廣泛研究與應用。透明導電薄膜通常由多層薄膜構成，其中包括金屬濺射膜與高反射率透明金屬氧化物薄膜。

圖1 金屬絲網電磁屏蔽薄膜的結構示意圖［18］Fig.1 Structural simulations of metallic EMI mesh［18］

研究表明，具有較好的電磁屏蔽作用的金屬膜材料一般為具有高電導率的金屬材料，包括氧化銦錫（ITO）、銀（Ag）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎵（Ga）等，可能會穿插一層甚至多層這些金屬的氧化物薄膜［20－22］。而最常用的是ITO膜或銀與銀合金的透明導電薄膜［23－27］。目前，這些薄膜的低溫制備技術主要以磁控濺射為主，并輔以其他離子增強技術（如PERTE，SNMIS等）改善薄膜的結構和機械特性等［28，29］。鄧龍江［28］等用射頻磁控濺射技術分別在水冷的有機玻璃（PMMA）和聚乙烯對苯二甲酯（PET）柔性膜上低溫沉積ITO薄膜，可實現(xiàn)樣品最大平均透光率86.41%，最小電阻率1.19×10－3Ω·cm，最大屏蔽效能超過15dB。Kim W M［30］等也利用磁控濺射技術制備了氧化銦鋅（IZO）與銀或銀合金交替多層膜，經測試表明，該多層膜的透光率大于70%，表面電阻小于1V／sq，且30～1000MHz頻率的電磁波范圍內的最大電磁屏蔽效能大于45dB。沈志剛［31，32］等在電磁屏蔽膜方面也做了大量的研究，分別利用磁控濺射技術制備了銅膜與鎳膜，都得到了良好的電磁屏蔽效果。另外，Yamada［22］等在玻璃基底上制備了鎵摻雜的氧化鋅透明導電薄膜，最大的電磁屏蔽效能達到47.4dB，可見光透光率超過70%。

實際上，透明導電薄膜被用于等離子顯示器的電磁屏蔽膜也已經實現(xiàn)工業(yè)化生產和使用。Lingle P J［20，33］發(fā)表專利報道多層透明導電薄膜結構以濺射納米銀薄膜為主體EMI屏蔽材料，輔以其他的金屬或金屬氧化物薄膜作為抗反射層，同時，能夠同時起到近紅外屏蔽的作用。其結構示意圖如圖2所示?？梢愿鶕?jù)不同的需要來調整各膜層厚度與組分，不過總體上厚度不應超過500nm，否則會造成可見光透光率下降。

圖2 多層金屬EMI屏蔽膜的結構示意圖Fig.2 Structural simulation of the multi－layer metallic EMI shielding film

3 近紅外（NIR）吸收膜與氖黃光吸收（Ne－cut）膜

根據(jù)文獻［34－36］專利介紹，能夠起到NIR吸收與Ne－cut吸收作用的主要是靠能吸收800～1200nm波長的近紅外線以及在590nm附近有較窄吸收峰的染料來實現(xiàn)的。而分散這兩種染料的介質，同時又起到與等離子顯示器玻璃基底粘接作用的物質，是壓敏膠黏劑。

3.1 NIR吸收染料

用于防近紅外線（NIR）的染料分為兩類。一類為二亞銨鎓鹽吸光染料（diimmonium－based dye），其基本結構式如圖3所示［37］。R1～R8為取代基，取代基不同，氨基的吸電子能力也會有所差別，于是會造成染料的最大吸收波長的改變。－N（R，R’）的吸電子能力越強，二亞銨鎓鹽系吸光染料的最大吸收波長會越小，反之會越大。不同取代基染料的最大吸收波長見表1。以－N［（CH2）3CH3］2基團為基準，取代基改變會造成最大吸收峰的改變，改變值的大小見表1。由于單一一種染料的吸收峰寬度可能不能完全吸收PDP顯示過程中產生的近紅外光，因此，需要一種甚至多種其他吸收近紅外線染料配合使用，以達到對800～1200nm的近紅外光有良好吸收作用的目的。

圖3 二亞銨鎓鹽吸光染料的結構式Fig.3 Chemical formula of the diimmonium－based dye

另一類常被用來作為近紅外吸收的染料是酞菁以及萘酞菁類的金屬配合物染料。其結構式如圖4所示。酞菁、萘酞菁及其金屬絡合物作為一類功能性染料，近年來引起了人們的極大興趣，特別是在材料科學中，越來越表現(xiàn)出巨大的潛在應用價值。酞菁絡合物已被廣泛用于太陽能電池、靜電復印、化學傳感器、電致發(fā)光器件、光記錄介質和非線性光學材料等領域。由于其特殊的絡合結構，酞菁以及萘酞菁類的金屬絡合物染料能夠有效吸收近紅外線［38－40］。其中R為不同或相同的取代基。M一般是Ni，Pt，Pd或Cu等重金屬中的一種。

表1 不同氨基的染料最大吸收波長變化表Table 1 The absorbance peak of the dye with different amino－groups

圖4 酞菁（a）以及萘酞菁（b）結構式Fig.4 Chemical formula of phthalocyanin（a）and naphthalocyanine（b）dyes

3.2 Ne－cut染料

Ne－cut染料要求在570～600nm之間有最大吸收峰且具有較窄的半峰寬，結構上一般是具有分子間或分子內的金屬絡合物結構。用于氖黃光吸收的染料主要包括氰藍類染料以及四氮雜卟啉類染料。具有代表性的幾種氰藍類染料的結構式如圖5所示［41，42］。

應用較為廣泛的是四氮雜卟啉的金屬配合物染料，四氮雜卟啉是一類具有緊稠的大環(huán)結構和可離域化的共軛π電子體系的化合物，具有優(yōu)異的電子功能和特殊的物理性能，一直受到研究者的青睞［43－45］。CHEN Z M［46］等，BILGINA［47］等在透明再合成與研究新型的四氮雜卟啉金屬配合物染料方面做了很大的工作，并測試了其選擇性吸收性能，不同的金屬離子以及不同的取代基會造成四氮雜卟啉有不同的Q帶最大吸收峰。典型的四氮雜卟啉類金屬絡合物Ne－cut染料的結構通式如圖6所示，其中M是二價、三價或四價金屬配合物。一般Ne－cut染料的含量為分散介質即壓敏膠黏劑的0.01%～5%（質量分數(shù)）。若含量低于0.01%，選擇性光學吸收功能變弱，并會因此導致PDP顯示過程中的色純度變差，而當含量超過5%時，色平衡度以及濾光膜的透光度也會變差。

圖5 氰藍類染料的結構式［41，42］Fig.5 Chemical formula of the cyanin－based dyes［41，42］

圖6 四氮雜卟啉金屬絡合物結構通式Fig.6 Chemical formula of the metal－complex phorphyrin－based dye

3.3 膠黏劑

膠黏劑是連接濾光保護膜與等離子顯示器玻璃面板的關鍵層，其各項性能十分重要。常用于PDP濾光保護膜的壓敏膠黏劑多為丙烯酸酯共聚物壓敏膠［7，25］，并經適當?shù)慕宦?lián)劑進行紫外光交聯(lián)或熱交聯(lián)后制備而成。CHOI H S［48］以及 Moriwaki K［49］等利用這種將選擇性吸收染料混入膠黏劑的方法制備而成的膠膜的紫外－可見吸收光譜如圖7所示，光學性能參數(shù)如表2所示。

圖7 膠膜的紫外－可見吸收光譜圖Fig.7 UV－vis spectrum of the PDP filter

表2 PDP保護膜在可見光波段透光率Table 2 Transmittance of the PDP filter in visible light region

4 抗反射膜（AR）

抗反射膜（AR），又稱增透膜，是應用十分廣泛的一類光學薄膜，不僅僅在PDP顯示器中有很重要的作用，在其他顯示器件中的應用也是必不可少的。AR膜要具有很高的可見光透光率，一般超過90%，反射系數(shù)不超過1.45，對可見光的反射率不超過1%。AR膜一般是在一層透明的PET基底（反射系數(shù)1.65）上沉積幾層硬涂層與幾層反射率不同的減反射層而制成，另外，可能需要制備一層低表面能層，有利于薄膜表面的防污。抗反射膜的結構如圖8所示［50，51］。

圖8 抗反射膜的結構示意圖Fig.8 Structure of the anti－reflection films

對于AR膜的研究與應用也引起了各國科研工作者的關注。很多金屬氧化物薄膜采用各種沉積方法被用于柔性基底上制備AR膜，如ATO，ITO，MgF2，CeO2，ZnO，SiO2等，其他聚合物薄膜也可能被用來作為輔助層起到防反射作用［52－55］。J.Yi等［52］用射頻磁控濺射與真空蒸鍍的方法依次沉積了MgF2與CeO2雙層薄膜，由于CeO2薄膜具有較高的反射率（n＝2.3～2.4），而 MgF2具有較低的反射率（n≈1.4），兩者相配合能夠起到良好的防反射作用，得到的薄膜在400～1100nm的反射率低至1.87。另外，由于ITO以及ATO等金屬摻雜氧化物本身具有導電性與較高的反射率，如果用它們制備薄膜，不僅能夠起到防反射作用，還能夠起到電磁屏蔽的作用。如Jin－Yeol Kim［55］等在PMMA基底與三醋酸纖維素基底上分別制備了ITO薄膜與熱固化氟化烷氧基硅烷樹脂薄膜，以ITO薄膜作為高反射率層（nITO＝2∶0），而氟化烷氧基硅烷樹脂薄膜作為低反射率層（nF＝1∶35），得到反射率小于0.8%的薄膜，由于氟化物的存在使得薄膜具有良好的抗靜電性能，而ITO具有電磁屏蔽性能，這一薄膜體系在PDP濾光保護膜領域具有很好的應用價值。

5 結束語

PDP以其大屏幕，高清晰度，高亮度，高對比度，完美的動畫再現(xiàn)性，超薄等優(yōu)點，已越來越快地走入千家萬戶。但是伴隨等離子顯示過程產生的電磁干擾、近紅外線，由于氖黃光的產生而造成色度不純以及防反射增透等問題，仍需在盡量不大幅增加成本并簡化工藝的基礎上，改善等離子顯示器的顯示效果。因此，等離子顯示器濾光保護膜的研究變得尤為重要。這種等離子顯示器濾光保護膜的研究與應用在日本，韓國已經比較成熟，而國內對各項功能的研究與應用也有報道，但基本還沒有進行功能復合與工業(yè)化生產。在充分開發(fā)利用新型材料和制作工藝的基礎上，進一步研發(fā)屏蔽效能更佳、能更好地改善畫面質量的等離子顯示器濾光保護膜勢在必行。

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Research Progress of Plasma Display Panel Filter

ZHANG Xiao－wen，LI Lei，YAN Yue
（Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

The advantages and disadvantages of the plasma display panel（PDP）were reviewed，and the research process of PDP filter was analyzed.The functions of the filter including elctromagnetic interference（EMI）shielding，near infrared（NIR）blocking，neon cut（Ne－cut）and anti－reflection（AR）were introduced respectively.The study and application for the materials and preparation of the functionalized films were carried on.

PDP filter；EMI shielding；NIR blocking；Ne－cut；anti－reflection

TM93

A

1001－4381（2011）08－0093－06

國家863計劃資助項目（2008AA03A326）

2010－12－07；

2011－05－09

張曉雯（1982－），女，博士研究生，工程師，從事專業(yè)：透明材料學，聯(lián)系地址：北京市81信箱9分箱（100095），E－mail：wendy511＠bit.edu.cn

顏悅（1966－），男，博士，研究員，從事專業(yè)：座艙透明件的開發(fā)與研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱9分箱（100095），E－mail：yue.yan＠biam.ac.cn