等离子显示器滤光保护膜的研究进展

张晓雯，厉 蕾，颜 悦

（北京航空材料研究院，北京100095）

等离子显示器滤光保护膜的研究进展

张晓雯，厉 蕾，颜 悦

（北京航空材料研究院，北京100095）

本文介绍了等离子显示器的优缺点，并对其显示过程中所需的滤光保护膜进行了分析。分别对电磁屏蔽、近红外吸收、橘黄调色以及防反射等功能膜的研究进展进行了综述。重点阐述了各功能薄膜所用材料与薄膜制备方法在国内外的研究与应用。

等离子显示器；电磁屏蔽；近红外吸收；橘黄调色；防反射

等离子显示器具有很大的显示面积和容量，对比度高、彩色还原特性好、图像显示逼真和画质优良等优点，因此等离子显示器自问世以来就引起了人们的广泛关注，近几年也逐渐成为电视机行业显示器的热点研究对象之一［1，2］。

但是等离子显示器也有其不可避免的缺点［3，4］。由于等离子显示器的电容性负载较差，在等离子显示器充电与放电过程中会产生过大的冲击位移电流，因此相对于传统的显示器，等离子显示器就会产生电磁波，不仅对人体健康有损害，同时会对其他设备产生电磁干扰，并有大量的能量损失［5，6］；另外，等离子显示器填充的氙气与氖气受到真空紫外线激发时会发出相应的近红外光（NIR）与氖（Ne）黄光。NIR会对遥控器以及其他应用红外线的部件产生影响甚至导致失灵；氖原子在被真空紫外线激发再回到基态的过程中会在590nm左右处产生氖黄光，影响等离子显示器的色彩平衡，造成画面失真［7－10］。

最初解决上述问题的办法是在无机玻璃上沉积功能层，然后将无机玻璃安置在等离子显示器前面，以起到对等离子显示器滤光保护的作用。但是这样增加了成本，明显增大了等离子显示器的质量与体积，对生产运输等带来不利影响。近几年在柔性聚合物透明基底上沉积多层功能薄膜制备PDP用滤光保护膜已经成为研究的热点，该功能薄膜在满足滤光保护要求的同时，明显减轻了PDP的质量并降低了成本。目前多家公司在从事彩色等离子体显示器滤光膜的研制方面已取得相当的成就并已经实现批量生产［11－13］。

PDP用滤光保护膜在设计上要求尽可能对红、蓝、绿等可见光有较高透光率的同时，能够屏蔽电磁波干扰（EMI），并有效吸收590nm处的Ne黄光，同时对800～1200nm的近红外线有良好吸收效果。这样将有效提高PDP显示器分辨率，改善清晰度以及色纯度。PDP滤光保护膜一般都是多种功能的复合膜，是集近红外线吸收、橘黄调色、高增透以及电磁屏蔽的多合一功能膜［14，15］。这对于降低成本、简化工艺等方面将具有很优异的开发应用潜力。本文对近几年国内外PDP滤光保护膜的开发应用技术与材料应用展开综述［16］。

1 PDP滤光保护膜的结构

PDP滤光保护膜的结构一般包括上保护层，胶黏剂层，透明高分子薄膜，下保护层。保护层，能够保护滤光膜在使用前不受伤害；胶黏剂层，内含近红外吸收染料以及选择性波长吸收染料（氖黄光吸收），同时起到与玻璃基板黏接的作用；透明高分子薄膜，一般为PET，PC等柔性透明高分子薄膜材料，可见光透光率超过95%，这是PDP滤光保护膜的关键功能层，多种功能将在这一层汇集。一般情况下，在这一层的背面，需要沉积一层金属导电膜或直接经丝网印刷技术生成金属导电网格层，这一金属网格层将起到电磁屏蔽的作用；而在透明高分子薄膜的正面，可能需要进行预处理，使其具备防反射增透性，防静电性，硬涂性等功能，以满足使用要求。

实际上，现在技术上常用的滤光保护膜也有四层结构的，也就是将中间的高分子薄膜层的上下功能层分开，分别将EMI层与其他功能层置于各自的基底上，这样也有利于避免缺陷以及提高生产效率，当然这样会相应使成本有所增加。但总体上讲，这两种结构的滤光保护膜在功能上是一致的。

2 EMI膜

针对等离子体显示器面板的电磁屏蔽膜的使用要求，其关键技术在于：既要对电磁辐射波段进行屏蔽，又需要有良好的可见光透过率［17］。实现屏蔽要求的关键技术是低电阻（高屏蔽效率）的金属丝网结构或者导电薄膜技术。

能满足电磁屏蔽要求且具有足够高的透光率的EMI屏蔽膜被分为两类：金属丝网薄膜与透明导电膜。金属丝网EMI屏蔽膜结构如图1所示［18］。其中包括中间的经离子蚀刻技术或丝网印刷技术制备的导电丝网膜与金属导电边缘，常见的如金属铜丝网［19］。虽然金属丝网表现出良好的电磁屏蔽性能，但也存在不可避免的缺点，如生产工艺复杂、低电导率、图像变形以及由于贵金属的使用带来的成本增加。由于这些缺陷，真空溅射制备的各种透明导电薄膜已逐渐代替金属丝网被广泛研究与应用。透明导电薄膜通常由多层薄膜构成，其中包括金属溅射膜与高反射率透明金属氧化物薄膜。

图1 金属丝网电磁屏蔽薄膜的结构示意图［18］Fig.1 Structural simulations of metallic EMI mesh［18］

研究表明，具有较好的电磁屏蔽作用的金属膜材料一般为具有高电导率的金属材料，包括氧化铟锡（ITO）、银（Ag）、镍（Ni）、铜（Cu）、铬（Cr）、锌（Zn）、镓（Ga）等，可能会穿插一层甚至多层这些金属的氧化物薄膜［20－22］。而最常用的是ITO膜或银与银合金的透明导电薄膜［23－27］。目前，这些薄膜的低温制备技术主要以磁控溅射为主，并辅以其他离子增强技术（如PERTE，SNMIS等）改善薄膜的结构和机械特性等［28，29］。邓龙江［28］等用射频磁控溅射技术分别在水冷的有机玻璃（PMMA）和聚乙烯对苯二甲酯（PET）柔性膜上低温沉积ITO薄膜，可实现样品最大平均透光率86.41%，最小电阻率1.19×10－3Ω·cm，最大屏蔽效能超过15dB。Kim W M［30］等也利用磁控溅射技术制备了氧化铟锌（IZO）与银或银合金交替多层膜，经测试表明，该多层膜的透光率大于70%，表面电阻小于1V／sq，且30～1000MHz频率的电磁波范围内的最大电磁屏蔽效能大于45dB。沈志刚［31，32］等在电磁屏蔽膜方面也做了大量的研究，分别利用磁控溅射技术制备了铜膜与镍膜，都得到了良好的电磁屏蔽效果。另外，Yamada［22］等在玻璃基底上制备了镓掺杂的氧化锌透明导电薄膜，最大的电磁屏蔽效能达到47.4dB，可见光透光率超过70%。

实际上，透明导电薄膜被用于等离子显示器的电磁屏蔽膜也已经实现工业化生产和使用。Lingle P J［20，33］发表专利报道多层透明导电薄膜结构以溅射纳米银薄膜为主体EMI屏蔽材料，辅以其他的金属或金属氧化物薄膜作为抗反射层，同时，能够同时起到近红外屏蔽的作用。其结构示意图如图2所示。可以根据不同的需要来调整各膜层厚度与组分，不过总体上厚度不应超过500nm，否则会造成可见光透光率下降。

图2 多层金属EMI屏蔽膜的结构示意图Fig.2 Structural simulation of the multi－layer metallic EMI shielding film

3 近红外（NIR）吸收膜与氖黄光吸收（Ne－cut）膜

根据文献［34－36］专利介绍，能够起到NIR吸收与Ne－cut吸收作用的主要是靠能吸收800～1200nm波长的近红外线以及在590nm附近有较窄吸收峰的染料来实现的。而分散这两种染料的介质，同时又起到与等离子显示器玻璃基底粘接作用的物质，是压敏胶黏剂。

3.1 NIR吸收染料

用于防近红外线（NIR）的染料分为两类。一类为二亚铵鎓盐吸光染料（diimmonium－based dye），其基本结构式如图3所示［37］。R1～R8为取代基，取代基不同，氨基的吸电子能力也会有所差别，于是会造成染料的最大吸收波长的改变。－N（R，R’）的吸电子能力越强，二亚铵鎓盐系吸光染料的最大吸收波长会越小，反之会越大。不同取代基染料的最大吸收波长见表1。以－N［（CH2）3CH3］2基团为基准，取代基改变会造成最大吸收峰的改变，改变值的大小见表1。由于单一一种染料的吸收峰宽度可能不能完全吸收PDP显示过程中产生的近红外光，因此，需要一种甚至多种其他吸收近红外线染料配合使用，以达到对800～1200nm的近红外光有良好吸收作用的目的。

图3 二亚铵鎓盐吸光染料的结构式Fig.3 Chemical formula of the diimmonium－based dye

另一类常被用来作为近红外吸收的染料是酞菁以及萘酞菁类的金属配合物染料。其结构式如图4所示。酞菁、萘酞菁及其金属络合物作为一类功能性染料，近年来引起了人们的极大兴趣，特别是在材料科学中，越来越表现出巨大的潜在应用价值。酞菁络合物已被广泛用于太阳能电池、静电复印、化学传感器、电致发光器件、光记录介质和非线性光学材料等领域。由于其特殊的络合结构，酞菁以及萘酞菁类的金属络合物染料能够有效吸收近红外线［38－40］。其中R为不同或相同的取代基。M一般是Ni，Pt，Pd或Cu等重金属中的一种。

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

图4 酞菁（a）以及萘酞菁（b）结构式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之间有最大吸收峰且具有较窄的半峰宽，结构上一般是具有分子间或分子内的金属络合物结构。用于氖黄光吸收的染料主要包括氰蓝类染料以及四氮杂卟啉类染料。具有代表性的几种氰蓝类染料的结构式如图5所示［41，42］。

应用较为广泛的是四氮杂卟啉的金属配合物染料，四氮杂卟啉是一类具有紧稠的大环结构和可离域化的共轭π电子体系的化合物，具有优异的电子功能和特殊的物理性能，一直受到研究者的青睐［43－45］。CHEN Z M［46］等，BILGINA［47］等在透明再合成与研究新型的四氮杂卟啉金属配合物染料方面做了很大的工作，并测试了其选择性吸收性能，不同的金属离子以及不同的取代基会造成四氮杂卟啉有不同的Q带最大吸收峰。典型的四氮杂卟啉类金属络合物Ne－cut染料的结构通式如图6所示，其中M是二价、三价或四价金属配合物。一般Ne－cut染料的含量为分散介质即压敏胶黏剂的0.01%～5%（质量分数）。若含量低于0.01%，选择性光学吸收功能变弱，并会因此导致PDP显示过程中的色纯度变差，而当含量超过5%时，色平衡度以及滤光膜的透光度也会变差。

图5 氰蓝类染料的结构式［41，42］Fig.5 Chemical formula of the cyanin－based dyes［41，42］

图6 四氮杂卟啉金属络合物结构通式Fig.6 Chemical formula of the metal－complex phorphyrin－based dye

3.3 胶黏剂

胶黏剂是连接滤光保护膜与等离子显示器玻璃面板的关键层，其各项性能十分重要。常用于PDP滤光保护膜的压敏胶黏剂多为丙烯酸酯共聚物压敏胶［7，25］，并经适当的交联剂进行紫外光交联或热交联后制备而成。CHOI H S［48］以及 Moriwaki K［49］等利用这种将选择性吸收染料混入胶黏剂的方法制备而成的胶膜的紫外－可见吸收光谱如图7所示，光学性能参数如表2所示。

图7 胶膜的紫外－可见吸收光谱图Fig.7 UV－vis spectrum of the PDP filter

表2 PDP保护膜在可见光波段透光率Table 2 Transmittance of the PDP filter in visible light region

4 抗反射膜（AR）

抗反射膜（AR），又称增透膜，是应用十分广泛的一类光学薄膜，不仅仅在PDP显示器中有很重要的作用，在其他显示器件中的应用也是必不可少的。AR膜要具有很高的可见光透光率，一般超过90%，反射系数不超过1.45，对可见光的反射率不超过1%。AR膜一般是在一层透明的PET基底（反射系数1.65）上沉积几层硬涂层与几层反射率不同的减反射层而制成，另外，可能需要制备一层低表面能层，有利于薄膜表面的防污。抗反射膜的结构如图8所示［50，51］。

图8 抗反射膜的结构示意图Fig.8 Structure of the anti－reflection films

对于AR膜的研究与应用也引起了各国科研工作者的关注。很多金属氧化物薄膜采用各种沉积方法被用于柔性基底上制备AR膜，如ATO，ITO，MgF2，CeO2，ZnO，SiO2等，其他聚合物薄膜也可能被用来作为辅助层起到防反射作用［52－55］。J.Yi等［52］用射频磁控溅射与真空蒸镀的方法依次沉积了MgF2与CeO2双层薄膜，由于CeO2薄膜具有较高的反射率（n＝2.3～2.4），而 MgF2具有较低的反射率（n≈1.4），两者相配合能够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等金属掺杂氧化物本身具有导电性与较高的反射率，如果用它们制备薄膜，不仅能够起到防反射作用，还能够起到电磁屏蔽的作用。如Jin－Yeol Kim［55］等在PMMA基底与三醋酸纤维素基底上分别制备了ITO薄膜与热固化氟化烷氧基硅烷树脂薄膜，以ITO薄膜作为高反射率层（nITO＝2∶0），而氟化烷氧基硅烷树脂薄膜作为低反射率层（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静电性能，而ITO具有电磁屏蔽性能，这一薄膜体系在PDP滤光保护膜领域具有很好的应用价值。

5 结束语

PDP以其大屏幕，高清晰度，高亮度，高对比度，完美的动画再现性，超薄等优点，已越来越快地走入千家万户。但是伴随等离子显示过程产生的电磁干扰、近红外线，由于氖黄光的产生而造成色度不纯以及防反射增透等问题，仍需在尽量不大幅增加成本并简化工艺的基础上，改善等离子显示器的显示效果。因此，等离子显示器滤光保护膜的研究变得尤为重要。这种等离子显示器滤光保护膜的研究与应用在日本，韩国已经比较成熟，而国内对各项功能的研究与应用也有报道，但基本还没有进行功能复合与工业化生产。在充分开发利用新型材料和制作工艺的基础上，进一步研发屏蔽效能更佳、能更好地改善画面质量的等离子显示器滤光保护膜势在必行。

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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

国家863计划资助项目（2008AA03A326）

2010－12－07；

2011－05－09

张晓雯（1982－），女，博士研究生，工程师，从事专业：透明材料学，联系地址：北京市81信箱9分箱（100095），E－mail：wendy511＠bit.edu.cn

颜悦（1966－），男，博士，研究员，从事专业：座舱透明件的开发与研究，联系地址：北京市81信箱9分箱（100095），E－mail：yue.yan＠biam.ac.cn