黑色矩陣光刻膠改性研究：石墨烯GO/碳黑CB協同實現高遮光性與低介電性平衡

在 TFT-LCD 彩色濾光片（CF）研發中，黑色矩陣（BM）光刻膠是決定顯示對比度與電極穩定性的關鍵材料 —— 它既要通過高遮光性分隔 RGB 像素、避免色混，又需具備低介電常數以防止電極信號干擾。但傳統 BM 材料始終面臨 “性能兩難"：鉻基 BM 成本高、反射率高且存在環保問題；純炭黑（CB）樹脂體系雖成本低、遮光性強，卻因 CB 的半導體特性，隨填充量增加介電常數飆升（純 CB 膜介電常數達 26），無法滿足 TFT-LCD 對絕緣性的要求。

來自韓國成均館大學Thanh Son Bui研究團隊在《Displays》期刊（2013,34:192-199）中提出的 “氧化石墨烯（GO）/ 炭黑協同改性" 方案，為解決這一痛點提供了可落地的研發思路，對光刻膠配方設計與工藝優化可供參考。

材料改性：氧化石墨烯的 “絕緣 - 分散" 雙重賦能

研發人員選擇氧化石墨烯GO 作為碳黑 CB 的改性劑，原因在于其獨特的結構與性能優勢：

1. 絕緣特性：GO 表面富含羧基、羥基等含氧官能團，碳原子以 sp3 雜化為主，破壞了石墨烯原有的 sp2 共軛導電網絡，自身電阻率比較高，可切斷 CB 顆粒間的導電路徑；

2. 分散協同性：GO 的片狀結構能與 CB 顆粒形成 “穿插分散"，避免 CB 團聚，同時提升漿料穩定性 —— 這對光刻膠的涂覆均勻性與圖案分辨率非常重要。

氧化石墨烯GO 的合成采用改進型 Hummers 法，以石墨粉為原料，在硫酸 / 磷酸（9:1）混合體系中加入高錳酸鉀氧化，50℃反應 12 小時后經雙氧水還原、鹽酸洗滌至中性，最終冷凍干燥得到石墨 oxide（GtO），再通過超聲剝離獲得單層 GO。該工藝無大量放熱與有毒氣體產生，相比傳統方法更易工業化放大，光刻膠研發中可參考控制氧化程度與剝離效率。

工藝路線

對光刻膠研發而言，漿料的分散均勻性直接影響膜層平整度、曝光顯影精度與最終性能。本研究通過 “粘度 - 粒徑 - 分散劑用量" 的聯動測試，確定了配方：

• 分散劑選擇：采用 BYK2150（含堿性胺基基團的嵌段共聚物，胺值 57mg KOH/g），其胺基可與 CB 表面的弱酸性位點結合，同時通過空間位阻抑制 GO 片層團聚；

• 用量優化：

? CB 漿料：當 BYK2150 用量為 50wt%（相對于 CB）時，動態光散射顯示 CB 平均粒徑最小且分散指數（PI）較低，漿料粘度穩定（20s?1 剪切速率下粘度適中），避免涂覆時出現縮孔或厚度不均；

? GO 漿料：BYK2150 用量為 40wt%，超過此值會因 “橋連效應" 導致 GO 片層重新團聚，反而增加漿料粘度 —— 這一結論可直接指導光刻膠配方中分散劑的精準添加，減少試錯成本。

漿料混合時，GO 與 CB 按 1:1 比例復配，再加入丙烯酸樹脂（JEBM 427，Mn=1500，酸值 120）與 2 - 羥基 - 2 - 甲基 - 1 - 苯基 - 1 - 丙酮（光引發劑），形成光刻膠體系。

性能表征

1. 光學性能：高遮光性與低反射率

• 光學密度（OD）：GO/CB 復合膜 OD 值達 4.8，高于純 CB 膜的 4.4，且在 400-700nm 可見光波段遮光均勻 —— 這得益于 GO 與 CB 的協同吸光，GO 片層可填補 CB 顆粒間的 “透光縫隙"；

• 反射率：GO/CB 膜反射率僅 3.3%，低于純 CB 膜的 4.2%，減少了環境光干擾，提升顯示對比度。

Labodorf 351C透射光密度儀

2. 電學性能

通過阻抗分析儀（HP4194A）測試，GO/CB 復合膜介電常數從純 CB 的 26 降至 4.5（1kHz 頻率下），遠低于 TFT-LCD 要求的 K<6；表面電阻率（Keithley 6517 測試）較純 CB 膜提升一個數量級 —— 關鍵原因是 GO 片層在聚合物基體中形成 “絕緣屏障"，切斷了 CB 顆粒間的導電網絡，同時 GO 的均勻分散避免了局部導電通道的形成。

3. 光刻工藝兼容性：高分辨率與穩定性

• 圖案精度：采用 80mJ UV 曝光（i-line）、220℃后烘 30min，制備的 20μm 線寬 BM 圖案邊界清晰（圖 12），無顯影殘膠；對比兩種樹脂 / 單體比例（70/30 與 60/40），發現單體比例更高的配方（60/40）因交聯密度提升，顯影時間縮短至 70-80s，更適配量產節奏；

• 穩定性：240℃高溫退火后圖案無變形，漿料儲存 3 個月后仍可制備高分辨率圖案 —— 這對光刻膠的量產儲存與后段工藝兼容性非常重要。

研發啟示

1. 材料協同設計：利用 GO 的 “絕緣 - 分散" 雙重特性，為碳基填料（如 CB、碳納米管）的性能平衡提供新思路，可拓展至其他需要 “高功能 - 低導電" 的光刻膠體系（如觸控屏電極絕緣層）；

2. 分散劑精準控制：通過 “粘度 - 粒徑 - PI" 的聯動測試確定分散劑用量，避免單純依賴經驗添加，提升配方重復性；

3. 工藝 - 性能聯動：在光刻膠配方設計中，需同步考慮樹脂 / 單體比例對交聯密度、顯影速度的影響，確保性能達標時兼顧量產效率。

綜上，GO/CB 復合 BM 光刻膠的研發思路，不僅解決了傳統體系的 “高OD - 低介電" 矛盾，對 TFT-LCD 乃至下一代顯示（如 Mini/Micro LED）的 BM 光刻膠提供了研發參考。

參考文獻

[1] Bui T S , Kim J , Jung E ,et al.High optical density and low dielectric constant black matrix containing graphene oxide and carbon black on color filters[J].Displays, 2013, 34(3):192-199.

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[3] Y. Zhu, S. Murali, W. ?ai, X. Li, J.W. Suk, J.R. Potts, R.SS. Ruoff, Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Advanced Materials 22(2010) 3906-3924.