黑色矩阵光刻胶改性研究：石墨烯GO/碳黑CB协同实现高遮光性与低介电性平衡

在 TFT-LCD 彩色滤光片（CF）研发中，黑色矩阵（BM）光刻胶是决定显示对比度与电极稳定性的关键材料 —— 它既要通过高遮光性分隔 RGB 像素、避免色混，又需具备低介电常数以防止电极信号干扰。但传统 BM 材料始终面临 “性能两难"：铬基 BM 成本高、反射率高且存在环保问题；纯炭黑（CB）树脂体系虽成本低、遮光性强，却因 CB 的半导体特性，随填充量增加介电常数飙升（纯 CB 膜介电常数达 26），无法满足 TFT-LCD 对绝缘性的要求。

来自韩国成均馆大学Thanh Son Bui研究团队在《Displays》期刊（2013,34:192-199）中提出的 “氧化石墨烯（GO）/ 炭黑协同改性" 方案，为解决这一痛点提供了可落地的研发思路，对光刻胶配方设计与工艺优化可供参考。

材料改性：氧化石墨烯的 “绝缘 - 分散" 双重赋能

研发人员选择氧化石墨烯GO 作为碳黑 CB 的改性剂，原因在于其独特的结构与性能优势：

1. 绝缘特性：GO 表面富含羧基、羟基等含氧官能团，碳原子以 sp³ 杂化为主，破坏了石墨烯原有的 sp² 共轭导电网络，自身电阻率比较高，可切断 CB 颗粒间的导电路径；

2. 分散协同性：GO 的片状结构能与 CB 颗粒形成 “穿插分散"，避免 CB 团聚，同时提升浆料稳定性 —— 这对光刻胶的涂覆均匀性与图案分辨率非常重要。

氧化石墨烯GO 的合成采用改进型 Hummers 法，以石墨粉为原料，在硫酸 / 磷酸（9:1）混合体系中加入高锰酸钾氧化，50℃反应 12 小时后经双氧水还原、盐酸洗涤至中性，最终冷冻干燥得到石墨 oxide（GtO），再通过超声剥离获得单层 GO。该工艺无大量放热与有毒气体产生，相比传统方法更易工业化放大，光刻胶研发中可参考控制氧化程度与剥离效率。

工艺路线

对光刻胶研发而言，浆料的分散均匀性直接影响膜层平整度、曝光显影精度与最终性能。本研究通过 “粘度 - 粒径 - 分散剂用量" 的联动测试，确定了配方：

• 分散剂选择：采用 BYK2150（含碱性胺基基团的嵌段共聚物，胺值 57mg KOH/g），其胺基可与 CB 表面的弱酸性位点结合，同时通过空间位阻抑制 GO 片层团聚；

• 用量优化：

◦ CB 浆料：当 BYK2150 用量为 50wt%（相对于 CB）时，动态光散射显示 CB 平均粒径最小且分散指数（PI）较低，浆料粘度稳定（20s⁻¹ 剪切速率下粘度适中），避免涂覆时出现缩孔或厚度不均；

◦ GO 浆料：BYK2150 用量为 40wt%，超过此值会因 “桥连效应" 导致 GO 片层重新团聚，反而增加浆料粘度 —— 这一结论可直接指导光刻胶配方中分散剂的精准添加，减少试错成本。

浆料混合时，GO 与 CB 按 1:1 比例复配，再加入丙烯酸树脂（JEBM 427，Mn=1500，酸值 120）与 2 - 羟基 - 2 - 甲基 - 1 - 苯基 - 1 - 丙酮（光引发剂），形成光刻胶体系。

性能表征

1. 光学性能：高遮光性与低反射率

• 光学密度（OD）：GO/CB 复合膜 OD 值达 4.8，高于纯 CB 膜的 4.4，且在 400-700nm 可见光波段遮光均匀 —— 这得益于 GO 与 CB 的协同吸光，GO 片层可填补 CB 颗粒间的 “透光缝隙"；

• 反射率：GO/CB 膜反射率仅 3.3%，低于纯 CB 膜的 4.2%，减少了环境光干扰，提升显示对比度。

Labodorf 351C透射光密度仪

2. 电学性能

通过阻抗分析仪（HP4194A）测试，GO/CB 复合膜介电常数从纯 CB 的 26 降至 4.5（1kHz 频率下），远低于 TFT-LCD 要求的 K<6；表面电阻率（Keithley 6517 测试）较纯 CB 膜提升一个数量级 —— 关键原因是 GO 片层在聚合物基体中形成 “绝缘屏障"，切断了 CB 颗粒间的导电网络，同时 GO 的均匀分散避免了局部导电通道的形成。

3. 光刻工艺兼容性：高分辨率与稳定性

• 图案精度：采用 80mJ UV 曝光（i-line）、220℃后烘 30min，制备的 20μm 线宽 BM 图案边界清晰（图 12），无显影残胶；对比两种树脂 / 单体比例（70/30 与 60/40），发现单体比例更高的配方（60/40）因交联密度提升，显影时间缩短至 70-80s，更适配量产节奏；

• 稳定性：240℃高温退火后图案无变形，浆料储存 3 个月后仍可制备高分辨率图案 —— 这对光刻胶的量产储存与后段工艺兼容性非常重要。

研发启示

1. 材料协同设计：利用 GO 的 “绝缘 - 分散" 双重特性，为碳基填料（如 CB、碳纳米管）的性能平衡提供新思路，可拓展至其他需要 “高功能 - 低导电" 的光刻胶体系（如触控屏电极绝缘层）；

2. 分散剂精准控制：通过 “粘度 - 粒径 - PI" 的联动测试确定分散剂用量，避免单纯依赖经验添加，提升配方重复性；

3. 工艺 - 性能联动：在光刻胶配方设计中，需同步考虑树脂 / 单体比例对交联密度、显影速度的影响，确保性能达标时兼顾量产效率。

综上，GO/CB 复合 BM 光刻胶的研发思路，不仅解决了传统体系的 “高OD - 低介电" 矛盾，对 TFT-LCD 乃至下一代显示（如 Mini/Micro LED）的 BM 光刻胶提供了研发参考。

参考文献

[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.

[2] D.R. Dreyer, S. Park, C.W. Bielawski, R.S. Ruoff, The chemistryof grapheneoxide, Chemical Society Reviews 39 (2010) 228-240.

[3] Y. Zhu, S. Murali, W. Čai, 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.