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基于摩擦工藝的漏光不良改善

2022-07-11 01:12李其揚(yáng)王月張猛黃助兵
電子技術(shù)與軟件工程 2022年7期
關(guān)鍵詞:漏光下坡液晶

李其揚(yáng) 王月 張猛 黃助兵

(合肥京東方顯示技術(shù)有限公司 安徽省合肥市 230000)

1 引言

近年來(lái)信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)信息顯示方式的不斷追求,使面板顯示行業(yè)得到了飛速發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)大生產(chǎn)、商業(yè)化之后,TFT-LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)產(chǎn)品以其輕薄、環(huán)保、高性能等優(yōu)點(diǎn),尺寸越做越大,應(yīng)用越來(lái)越廣。無(wú)論是小尺寸的手機(jī)屏、還是大尺寸的筆記本電腦(Notebook PC)或監(jiān)視器(Monitor),以及大型化的液晶電視(LCD-TV),到處可見TFT-LCD 的應(yīng)用。自從1888 年奧地利植物學(xué)家F.Reinitzer 發(fā)現(xiàn)液晶,并在1889 年被德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證開始,在近一百年的時(shí)間里,液晶一直沒有被很好地利用。直到1968 年,才有美國(guó)RCA 公司的G.H.Heilmeier 發(fā)明了基于動(dòng)態(tài)散射(Dynamic Scattering,DC)模式的LCD 顯示裝置。一般,把1888 年稱為液晶元年,把1968 年成為L(zhǎng)CD 元年。兩個(gè)元年之間漫長(zhǎng)的80 年成為液晶材料性能與應(yīng)用的研究時(shí)期。目前超TFT-LCD 已成為當(dāng)今顯示領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。

作為TFT-LCD 的主要顯示模式,IPS 以其優(yōu)秀的視野角特性、動(dòng)態(tài)清晰度、色彩還原效果、成為了一種理想顯示技術(shù)。它是一種液晶分子在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)亮度控制的顯示技術(shù)。隨著工藝、材料和像素架構(gòu)的不斷改進(jìn),IPS 技術(shù)的性能越來(lái)越完善。第一款I(lǐng)PS 產(chǎn)品由日立公司在1996年推出,初衷是改善當(dāng)時(shí)TN 產(chǎn)品在視野角、色彩再現(xiàn)上的缺點(diǎn)。1998 年,為了改善IPS 在斜視野角方向上出現(xiàn)的色偏現(xiàn)象,推出了Super IPS 技術(shù),簡(jiǎn)稱S-IPS。S-IPS 基本具備了用于TFT-LCD 產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)。

經(jīng)過多年的發(fā)展,IPS 模式又衍生出高級(jí)超維場(chǎng)轉(zhuǎn)換(Advanced Super Dimension Switch,ADS)模式。ADS 模式具有超寬視角、超高色彩表現(xiàn)力等優(yōu)點(diǎn),占據(jù)了目前很大的市場(chǎng)份額。

成盒工藝作為TFT-LCD 制作的重要工藝,使用配向膜、CF、液晶、偏光板等重要光學(xué)材料,也是一個(gè)分和分的過程。第一個(gè)“分”是對(duì)TFT 基板和CF 基板分別進(jìn)行獨(dú)立工藝處理,“合”就是把處理好的TFT 基板合CF 基板貼合,第二個(gè)“分”是從貼合好的大張基板上分割出一個(gè)個(gè)小的液晶顯示屏。由于顯示模式、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同,具體的成盒工藝會(huì)有所差異。不管是哪種顯示模式,和配向膜有關(guān)的處理工藝統(tǒng)一稱為前工程,和貼合有關(guān)的Seal 涂布、液晶滴下、真空貼合等工藝統(tǒng)一稱為中工程,和顯示屏單片形成有關(guān)的玻璃切割、偏光板貼附等處理工藝統(tǒng)一稱為后工程。

配向膜印刷與配向合稱為配向膜處理工藝,目的是在TFT 基板和CF 基板表面形成一層均勻的配向膜,通過摩擦之類的配向處理,使配向膜對(duì)液晶分子具有配向控制力,保證液晶分子能沿著正確的方向排列,并形成一定的預(yù)傾角。配向膜處理作為一項(xiàng)整體工程,還需要進(jìn)行一些輔助的洗凈、干燥處理。完成的配向膜處理工程依次是:先進(jìn)行基板清洗,使得配向膜和基板之間具有良好的涂布性和浸潤(rùn)性。然后通過轉(zhuǎn)印或噴墨的形式形成厚度均一的配向膜,干燥處理后使配向膜固化。最后在基板表面進(jìn)行配向處理,并對(duì)配向產(chǎn)生的異物進(jìn)行洗凈去除。

配向處理是使配向膜具有讓液晶分子以某一預(yù)傾角沿著同一方向排列的能力,也就是讓配向膜形成配向各向異性的能力。常用的配向處理利用滾輪外側(cè)的絨布,根據(jù)力學(xué)原理摩擦配向膜。摩擦配向要求顯示屏的顯示領(lǐng)域都被均一處理。摩擦強(qiáng)度低時(shí)會(huì)造成配向能力低,摩擦強(qiáng)度高時(shí)會(huì)造成膜剝離。摩擦?xí)a(chǎn)生塵埃,若塵埃過大,將造成例子污染。摩擦是一個(gè)摩擦帶電的過程,帶電量過大,會(huì)造成靜電破壞。摩擦的方向和液晶顯示模式有關(guān),影響著視野角、對(duì)比度等光學(xué)指標(biāo)。增大摩擦壓入量和轉(zhuǎn)數(shù),預(yù)傾角變小。預(yù)傾角過低會(huì)引起配向不良。預(yù)傾角對(duì)摩擦條件的依存性和配向材料有關(guān)。對(duì)于TN 產(chǎn)品而言,摩擦壓入量的轉(zhuǎn)數(shù)越大,光學(xué)各向異性變大。棉布處理的基板的光學(xué)各向異性值較尼龍布的大。對(duì)于IPS 產(chǎn)品而言,壓入量越大,光學(xué)各向異性越大。但壓入量過大,由于配向膜會(huì)被摩擦掉,光學(xué)各向異性反而會(huì)變小。對(duì)于IPS 產(chǎn)品而言,根據(jù)配向材料的不同,對(duì)比度對(duì)處理枚數(shù)有一定的依存性。TFT 基板和CF 基板上的臺(tái)階部位,壓入量等摩擦條件、摩擦布、配向材等選擇不合理,易出現(xiàn)配向不良,形成漏光狀態(tài)。

由于摩擦工藝為接觸式取向技術(shù),會(huì)導(dǎo)致TFT-LCD 產(chǎn)品膜層段差處的聚酰亞胺膜(PI)不易受到布毛取向,所以此位置上的液晶分子排列紊亂,會(huì)產(chǎn)生漏光不良。通常做法為利用丙烯樹脂(BM)去遮擋漏光區(qū)域。但由于對(duì)產(chǎn)品的高規(guī)格要求,上述做法在屏幕稍彎折的情況下,由于液晶與膜層之間產(chǎn)生了相對(duì)位移,所以BM 無(wú)法有效擋住漏光區(qū)域,會(huì)產(chǎn)生漏光不良。

本文基于Rubbing 工藝改善此種特殊漏光不良。在摩擦方式和摩擦布特性等方面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),最終確定了最佳解決方案。

2 原理介紹

2.1 段差模型

TFT-LCD 產(chǎn)品由陣列基板(TFT)和彩色矩陣基板(CF)對(duì)盒組成。本文主要針對(duì)TFT 基板展開討論。TFT 的工藝流程為在玻璃襯底上依次形成柵極、柵極絕緣層、Active 層、源極、漏極和絕緣保護(hù)層。其中源極(Date Line)的膜厚較大,與其旁邊像素區(qū)域(Pixel)會(huì)形成高段差。

摩擦輥(Roller)在取向過程中,在Date Line 左右兩側(cè)存在上坡、下坡兩個(gè)過程。布毛在上坡時(shí)由于經(jīng)過了高段差會(huì)存在壓扁的情況。之后在經(jīng)過下坡區(qū)域時(shí),由于布毛未完全恢復(fù),所以在圖1 藍(lán)色區(qū)域,會(huì)形成布毛無(wú)法接觸到的區(qū)域,就會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域的液晶取向紊亂,從而產(chǎn)生漏光不良現(xiàn)象(圖2b)。本文定義此漏光現(xiàn)象為常規(guī)漏光不良,通常做法是利用丙烯樹脂(BM)去遮擋漏光區(qū)域,可以有效解決此問題。

圖1:Date line 段差示意圖

圖2:不良現(xiàn)象

目前由于對(duì)產(chǎn)品的規(guī)格要求日漸嚴(yán)格。在TFT-LCD 產(chǎn)品面板稍微彎折(15°)的情況下,由于液晶與Date Line 膜層之間產(chǎn)生了相對(duì)位移,此時(shí)原本BM 的寬度已無(wú)法遮住漏光區(qū)域,所以會(huì)產(chǎn)生一種特殊漏光不良。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面要求,BM 不可無(wú)限地增大。所以本論文基于Rubbing 工藝為基礎(chǔ),研究此類特殊漏光的解決方法。

2.2 摩擦取向原理

摩擦配向是在高分子PI 表面用絨布滾輪進(jìn)行接觸式的定向機(jī)械摩擦,摩擦高分子表面所供的能量使高分子主鏈因延伸而定向排列,從而控制液晶配向排列。摩擦配向使液晶分子發(fā)生取向的機(jī)理為表面分子鏈取向理論。配向膜表面分子鏈的定向排列是由于摩擦后形成剪切應(yīng)力的作用形成的。液晶分子長(zhǎng)軸與分子鏈方向一致時(shí)達(dá)到能量最小的穩(wěn)定狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了液晶沿一定方向的排列。通常配向能力用摩擦強(qiáng)度(Rubbing Strength,RS)表征,摩擦強(qiáng)度會(huì)對(duì)取向?qū)颖砻嫘蚊伯a(chǎn)生一定的影響,它使取向?qū)颖砻嫘蚊渤尸F(xiàn)出沿摩擦方向取向的趨勢(shì),并影響液晶分子取向性和預(yù)傾角。一般來(lái)說(shuō),摩擦強(qiáng)度越大,取向?qū)颖砻嫘蚊踩∠蛐栽酱?,取向?qū)优c液晶分子之間的相互間的錨定力越強(qiáng),液晶分子取向性越好。利用如下公式:

式中,N 為轉(zhuǎn)速,Λ 為摩擦布毛壓入程度,R 為摩擦輥半徑,ω 是摩擦輥旋轉(zhuǎn)角速度,v 是玻璃基板平移速度。通過式(1)可知,當(dāng)摩擦輥經(jīng)過Date Line 下坡時(shí),會(huì)出現(xiàn)布毛無(wú)法接觸PI 膜或僅接觸一點(diǎn)PI 膜的情況,此時(shí)摩擦布毛壓入程度Λ 減小,所以RS 會(huì)變小,造成此處PI 表面形貌取向性弱,液晶紊亂,從而形成漏光區(qū)域。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本章在上述原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)三個(gè)方面進(jìn)行討論,分別是摩擦布密度、摩擦布彈性和摩擦方式。需特別說(shuō)明,下述實(shí)驗(yàn)中,均以單個(gè)因素為變量進(jìn)行研究。

3.1 摩擦布密度

摩擦布密度是摩擦工藝的重要影響因素。通常來(lái)講,布毛密度越大,摩擦工藝的取向效果越好。特殊漏光不良的發(fā)生原理為Date Line 旁的下坡區(qū)域由于高段差的影響,導(dǎo)致此位置的取向效果差,從而引起漏光不良。當(dāng)摩擦布在PI膜表面高速旋轉(zhuǎn)時(shí),將在PI 表面產(chǎn)生許多密紋,這些密紋又稱為溝槽。這些溝槽會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的錨定力,使液晶分子定向排列。布毛密度的增加,會(huì)使PI 單位面積上的溝槽增多,即增大了PI 分子的錨定力。這樣即使在段差的下坡區(qū)域(此區(qū)域布毛無(wú)法接觸PI 膜或僅接觸一點(diǎn)PI 膜),由于錨定力的增加,也會(huì)使僅接觸一點(diǎn)的PI 分子具有更強(qiáng)的錨定力,從而減小漏光情況。另外,當(dāng)摩擦布經(jīng)過高段差區(qū)域時(shí),高密度的摩擦布會(huì)使絨毛更大機(jī)率地接觸到段差下坡區(qū)域的PI膜,改善漏光不良。(圖3)

圖3:不同布毛密度摩擦示意

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下,選取毛密度分別為40000、50000、60000 根/cm的三種布,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表1。可以得出,布毛密度對(duì)于解決特殊漏光不良有顯著效果。當(dāng)毛密度為60000 根/cm時(shí),不良發(fā)生率為2.1%。

表1:摩擦布密度與不良發(fā)生率

3.2 摩擦布彈性

摩擦布彈性對(duì)于解決特殊漏光不良同樣起到關(guān)鍵作用。布毛在經(jīng)過Date Line 上坡時(shí)由于經(jīng)過了高段差,所以布毛存在壓扁的情況。之后在經(jīng)過下坡區(qū)域時(shí),由于布毛未完全恢復(fù),會(huì)造成下坡區(qū)域的PI 膜沒有接觸或僅接觸到少量的摩擦布毛,所以產(chǎn)生漏光不良。此時(shí)彈性恢復(fù)力強(qiáng)的摩擦布在經(jīng)過上坡區(qū)域被壓扁后,會(huì)更快地恢復(fù)到初始狀態(tài)。所以它更容易接觸到下坡區(qū)域的PI 膜。根據(jù)式(1),此時(shí)彈性更大的摩擦布毛壓入程度Λ 更大,摩擦強(qiáng)度(RS)更大,會(huì)使下坡區(qū)域的PI 分子具有更好的錨定力,解決漏光問題。

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn), 分別選取不同彈性的摩擦布設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表2。實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)方式為TFT-LCD 基板彎折15°觀察漏光情況。當(dāng)使用彈性為350gf/cm的摩擦布時(shí),具有顯著的改善效果。

表2:摩擦布彈性與不良發(fā)生率

3.3 對(duì)向摩擦

Date Line 附近下坡區(qū)域的PI 膜,當(dāng)摩擦輥一直為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)(圖1),由于經(jīng)過了高段差,導(dǎo)致布毛一直沿著順時(shí)針方向被壓著,所以會(huì)在下坡區(qū)域出現(xiàn)布毛無(wú)法接觸到的區(qū)域。根據(jù)式(1),此處的PI 膜的Λ 值比較小,PI 分子的錨定力不足,易產(chǎn)生漏光區(qū)域。所以本實(shí)驗(yàn)采取雙輥對(duì)向摩擦的方式(圖4),即1 號(hào)輥?lái)槙r(shí)針轉(zhuǎn),2 號(hào)輥逆時(shí)針轉(zhuǎn)。圖1 與4 對(duì)比,同樣在下坡區(qū)域,圖1 情況為1 號(hào)輥一直順時(shí)針旋轉(zhuǎn),會(huì)產(chǎn)生下坡處布毛無(wú)法接觸PI 的情況;圖4 情況為1 號(hào)輥繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn),2 號(hào)逆順時(shí)針轉(zhuǎn)。由于布毛的旋轉(zhuǎn)方向相反,下坡的漏光區(qū)會(huì)被2 號(hào)輥的布毛充分摩擦,使PI 取向性提升,改善了漏光不良。

圖4:對(duì)向摩擦方式

另外,根據(jù)表面分子鏈取向理論,液晶分子長(zhǎng)軸與PI分子鏈方向一致時(shí),可以達(dá)到最小穩(wěn)定狀態(tài),完成取向過程。所以無(wú)論摩擦滾輪的旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針或逆時(shí)針,其取向方向都是一致的。

本實(shí)驗(yàn)選取單向摩擦和對(duì)向摩擦對(duì)比,結(jié)果如表3。實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)方式為TFT-LCD 基板彎折15°觀察漏光情況。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,對(duì)向摩擦方式可以將不良控制在2.4%。

表3:摩擦方式與不良發(fā)生率

4 結(jié)論

本文為解決特殊漏光不良(玻璃基板彎折15°的情況下檢測(cè)),從摩擦布密度、彈性和摩擦方式三方面開展研究。經(jīng)過理論分析和通過大量的實(shí)驗(yàn)論證。得出增大摩擦布密度和彈性,采取對(duì)向的摩擦方式,均可有效改善特殊漏光不良。

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