紅色與黑色負型光阻液之回收與再生技術

刊登日期:2008/8/21
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TFT-LCD面板自2007 年第二季起景氣翻揚,但現今面板業因競爭激烈,以致面板價格報價皆偏低;然而,長期以來面板廠皆遇到降低成本的壓力,其中上游關鍵材料中,仍有部分掌控在日商手中,每年降價幅度微乎其微,早成為台灣TFT 面板廠快速壓低成本的絆腳石。現階段在日商所掌握的關鍵原料中,又以彩色濾光片所用之彩色光阻劑為關鍵項目之一,其彩色層主要功能為製造各種彩色畫素,而產生方式為紅、藍與綠三色彩色光阻塗佈。一般要求主要考量三點為:1.製作過程中的化學處理、熱及溼氣的影響;2.顯示特性的要求;3.使用環境的忍耐性。另外,為增加影像的對比,並防止TFT 因照光產生漏電流與遮蔽斜漏光,避免色純度降低,過去作法為使用金屬鉻及其氧化物在玻璃基板上形成薄膜後,再以微影蝕刻方式形成所要的黑框圖案,但因環保問題及降低成本的需求,逐漸改用黑色的感光樹脂型的BM 材料。

彩色光阻材料與正型光阻材料在組成上最大不同之處是添加了顏料的成分,也是形成色相之來源。目前最常使用的顏料分散型彩色光阻材料, 主要是由顏料(Pigment)、壓克力樹脂(Acrylic Resin)、感光材料與溶劑等成分所組成;樹脂型BM之製作係將黑色顏料(如:紅、綠、藍三色色料之混合或碳黑)混入包含感光成份與樹脂材料的負型光阻中,使之具有感光顯影功能。另根據資策會資訊市場情報中心(Market Intelligence Center; MIC) 2006年的預估, 2005~2009 年各類TFT-LCD 面板之年複合成長率 (Compound Annual Growth Rate; CAGR)分別為中小型尺寸面板約佔12.9% 、監視器面板約佔12.7% 、筆記型電腦面板約佔18.2% 、液晶電視面板約佔40.9%;相關各產品的預估產能如圖一所示。

由於彩色光阻劑的技術門檻較高,現階段仍由日商掌控大局,高階產品更是完全受制於日本JSR 及Toyo Ink 等公司;不過,國內各TFT-LCD 廠為了降低生產成本,皆盡力削減各類原物料的購入成本,此為台灣廠商切入彩色光阻劑市場的機會點。台灣目前投入彩色濾光片材料市場的廠商如表二所示,可見國內對於彩色光阻劑或彩色濾光片在研發與銷售上,仍有成長的空間。

在CF 製程中使用的彩色光阻劑,經塗佈後僅少數留於玻璃基板上,大部分的彩色光阻殘留在塗佈機台上;這些殘留的彩色廢光阻未經曝光,可經收集而回收處理再回製程使用。廢光阻回收使用除可節省開銷外,亦可達到資源永續利用之目的,並提升企業形象,此乃本技術開發之最主要動機。


圖一、2005~2009年TFT-LCD面板需求量預估

                   表二、彩色濾光片材料之供應商與台灣投入廠商

Material

Company

Japan

Taiwan

光阻劑

JSR, MCC, TOK, INCTEC,FUJIFILMARCH

ITES, Sumitomo Chemical

新應材,達興,奇美實業,永光,長興化工,新力美

黑色光阻

東京應化工業, FUJIFILMARCH,MCC,新日鐵, JSR

達興,奇美實業,永光,長興化工,新力美

光阻間隔材

JSR,大阪有機化學,MCC

鎧暘,達興,奇美實業,新力美



彩色光阻回收再使用技術
1. 基本原理
一般彩色光阻劑的主要成分與功能,如表三所示;由表三可知彩色光阻劑大部分組成為溶劑,其餘的如顏料、起始劑、樹脂等,皆屬於高沸點物質。在塗佈過程中,彩色光阻劑僅少數溶劑會因塗佈機所產生之離心力而較明顯地減少,其餘的成分不至於減少太多。對於彩色光阻的回收,主要是以調整其組成,經過濾後以達再利用之目標。

         表三、彩色光阻的成分與功能說明

成分

比例(%)

功能說明

樹脂

5-8

幫助顏料的分散及對玻璃基板的附著,並提供彩色光阻機械強度

多官能基單體

5-8

3-6個官能基壓克力單體組成,照光後能與光起始劑迅速反應,形成cross link抵抗弱鹼溶液侵蝕

(/)起始劑

0.2-0.6

照光/加熱時能快速形成自由基或離子活性基

顏料

5-8

使光阻色彩化

(目前以金屬顏料為主)

分散劑

5-8

使顏料浸潤及分散

溶劑

70-80

決定黏度塗佈性質

其它添加劑

0.1-0.2

使彩色光阻達到理想的牛頓流體

2. 量測項目
有鑑於此,本研究選定紅色與黑色光阻(BM)為目標,並先建立原生紅色與黑色光阻的基本資料,其中包括:泝物理性質,如固含量、含水率、黏度、平均粒徑等性質;1.化學性質,如溶劑成分之定量與定性分析等;2.塗佈性質,如膜厚度、膜厚均勻度、孔洞等性質;沝光學性質,如紅色光阻的色標或黑色光阻的光學密度值(OD)、顯影、線寬、光學顯微鏡(OM)、殘膜率等性質;爾後,再建立取得紅色與黑色廢光阻基本性質資料;進而相互比較其差異;量測所需設備整理如表四所示,每種量測分析項目,均至少量測二次以上,以求重現性。

表四、量測分析項目與設備整理

因為單一種紅色與黑色光阻所產生廢光阻不易獲得,本研究參照某廠所提供的塗佈機設定參數,在無塵與黃光的環境下,利用原生紅色與黑色光阻劑產生廢光阻。比較上述性質差異之後,藉由添加稀釋劑或濃縮方式,以調整紅色與黑色廢光阻劑的溶劑含量,進而獲得再生紅色與黑色光阻。

3. 量測結果
在此,將所量測的結果分別針對紅色與黑色光阻說明之:
(1)紅色光阻
表六是紅色原生光阻、廢光阻與再生光阻的色標比較。廢光阻因塗佈時溶劑揮發,使固含量、黏度與塗佈後膜厚度數值均顯著上升,含水率因光阻吸濕亦上升,由於塗佈後膜厚度已遠超出與正常光阻可接受差異上限500Å ,且色標中x 座標亦超出規格,因此加以稀釋再生。經再生後的紅色光阻在固含量、黏度、粒徑、塗佈後膜厚度與均勻度表現都與原生光阻相當接近,色座標也皆能符合指定規格。僅含水率因光阻於環境中吸濕而偏高。觀察紅色原生與再生光阻之塗佈表面(如圖三所示),兩者皆無孔洞或色澤不均狀況;以光學顯微鏡放大500 倍觀察紅色原生與再生光阻在玻璃基板上之圖案(Pattern) 與缺陷(Defect),兩者皆無異常。上述結果顯示紅色再生光阻表現與原生光阻相當接近;亦代表紅色光阻劑回收再利用之技術是可行。

表六、紅色原生光阻(A)、廢光阻(B)與再生光阻(C)的色標比較



圖三、紅色原生光阻與再生光阻之塗佈結果比較

(2)黑色光阻(BM)
再生BM 於塗佈後,其薄膜表現如膜厚度、9 點膜厚均勻度與O.D.值與原生BM並無顯著差異。原生或再生BM 在薄膜表面上,因無塵室環境等級不足,在膜層接近邊緣處可發現2~3 處孔洞,但未發現黑色分佈不均勻現象,結果可視為再生BM於塗佈表現上,已達到接近原生BM 水準。

另外,再以曝光強度(能量)18mJ/cm2/sec 之變動曝光時間,比對兩者在顯影後的線寬流失與硬烤後的殘膜率變化,輔以光學顯微鏡(Optical Microscope; OM)檢查顯影後,導線邊緣是否有異常,其結果如圖五所示,再生BM與原生BM在三項驗證中的呈現並無太大差異。可由此結果推論, E 牌廢BM應可使用單一溶劑,調整其濃度後再生使用之。上述結果亦顯示,黑色再生光阻表現與原生光阻相當接近;亦代表黑色光阻劑回收再利用之技術具可行性。


圖五、OM 1000倍觀察E牌(a)原生;(b)再生BM顯影後導線邊緣

我們利用自行塗佈並收集以取得紅色與黑色廢光阻,經調整其組成使其接近原生光阻後,過濾去除粒狀污染物,再於試驗機台驗證其性質。結果包括:固含量、含水率、黏度、平均粒徑、紅色光阻之色標、黑色光阻之光學密度值、塗佈及紅色光阻經放大500 倍與黑光阻經放大1000倍,觀察玻璃基板之圖案與缺陷,皆顯示紅色與黑色再生光阻表現與原生光阻相當接近。因此,未來我們將繼續以綠色與藍色光阻為標的,建立綠色與藍色光阻之回收再使用技術。

對於紅色與黑色負型光阻液之回收與再生技術有興趣者,歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw

作者:鄭承熙、楊炎勝、沈克鵬 / 工研院能環所
★本文節錄自「工業材料雜誌260期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7103


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