彩色光刻胶用锌酞菁染料的设计、合成及其性质

彩色光刻胶是制作彩色滤光片的重要部分之一, 是实现TFT-LCD色彩显示的重要材料. 为了提高彩色滤光片的色纯度和色域, 颜料染料化应运而生, 但染料热稳定性较差, 难以应用于工业生产过程中. 为了研究不同取代基对染料溶解度和热稳定性的影响, 大连理工大学彭孝军团队设计、合成了一系列锌酞菁染料. 实验表明, 砜基修饰的含氯锌酞菁染料具有较好的颜色性质和热稳定性. 这对设计高耐热的彩色光刻胶用分子水平锌酞菁染料具有重要意义.

伴随着新一轮科技革命如移动互联网、智能终端和工业互联网等的出现和快速发展, 显示产业规模不断扩大, 技术不断革新. 目前, 液晶、有机发光二极管(OLED)、激光显示、Micro-Led等多种显示技术竞相发展, 其中薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)由于庞大的产业基础和成熟的生产技术, 仍然是新型显示技术主流, 占据市场主导地位. 红、绿、蓝彩色光刻胶是TFT-LCD制造环节中最为关键的材料之一, 由其制备的彩色滤光片的分辨率决定了TFT-LCD的显示性能. 未来8K超高清和3D显示技术的演进, 彩色滤光片分辨率应具有数量级的提升, 因此亟需发展高分辨彩色光刻胶.

彩色光刻胶主要组成包括光引发剂、树脂主体、着色剂、单体、溶剂和助剂, 其中着色剂以各类颜料为主. TFT-LCD彩色滤光片的制造需利用光刻技术, 一般工艺流程为: 在玻璃基板上利用黑色光刻胶制作出黑色矩阵, 然后依次填充红、绿、蓝彩色光刻胶制作三原色, 最后透明保护胶涂布实现表面平整化. 彩色滤光片的色域、亮度、对比度等关键参数取决于颜料性能. 在数次230℃后烘工艺和背光源数万小时照射条件下, 颜料展现出了优异的稳定性和颜色重现性. 但是颜料的颗粒性会对光造成散射, 影响亮度和对比度, 因此基于颜料的彩色滤光片颜色性能已经到达极限. 染料分子代替颗粒性的颜料成为行业的重要发展趋势. 相比颜料, 分子态的染料在溶解度范围内无需分散剂, 避免了光散射和折射效应造成的穿透率和对比度低, 具有色纯度好、色彩艳丽等优点. 但是染料的耐光性和耐热性比颜料仍有较大差距, 是产业化应用过程亟待解决的难题. 染料分子具有种类多样性、结构可修饰性等优点, 通过分子结构-性能关系的系统研究, 可为解决彩色光刻胶染料耐热、耐光稳定性差的缺陷提供有效途径.

酞菁母体由4个异吲哚基元构成平面大环共轭体系, 具有16中心18π电子特性, 电子密度分布均匀, 环内苯环不易变形, C–N键键长几乎相同, 分子间π-π电子作用强烈. 酞菁环中心空穴直径约为0.27 nm, 能够络合数十种过渡金属和其他主族金属元素的一个原子; 周围苯环共有16个取代位点, 分别为8个周边位置(p-site)和8个非周边位置(np-site). 酞菁母体的结构多样性和强烈的分子间相互作用赋予其丰富的光物理/光化学性质和优异的稳定性, 因此酞菁在生物医学诊疗和光电信息领域有着重要的应用.

目前, 尽管锌酞菁、铜酞菁颜料的分散粒子已应用于彩色光刻胶着色剂, 但其酞菁染料分子体系在高光热稳定性上距产业应用尚有差距, 因此需要加强酞菁染料分子结构-性能之间关系的研究. 近年来, 研究者围绕不同种类金属的酞菁在彩色光刻胶中的应用做了许多探索, 但取代基对酞菁性能的影响并未得到系统研究. 基于此, 大连理工大学彭孝军团队以锌酞菁和多氯代锌酞菁作为染料母体, 分别在周边苯环p位和np位引入给电子的苯酚基和吸电子的苯砜基, 合成了6种新染料分子, 探讨了取代基电子效应及取代位置对酞菁光谱性质、溶解性和稳定性的影响（见下图）, 以便为下一代分子水平的锌酞菁分子设计在高分辨光刻胶中的应用提供依据.

本文将收录于《中国科学：化学》2022年第8期“卟啉酞菁化学前沿专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可获取全文 ▼

徐润峰, 任玉鑫, 王婉颖, 陈鹏忠, 彭孝军. 彩色光刻胶用锌酞菁染料的设计、合成及其性质. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2022-0053