液晶器件制作工藝技術(shù)

1、 江南style元芳：上課了！引言 從1888年材料液晶態(tài)的發(fā)現(xiàn),到1976年夏普的第一個(gè)液晶顯示器件的誕生,再到目前大屏幕液晶電視的出現(xiàn)并成為市場(chǎng)主導(dǎo),液晶的研究從未間斷。液晶顯示產(chǎn)品遍布我們生活的每個(gè)角落。簡(jiǎn)單的計(jì)算器、家用電器、測(cè)量?jī)x器的顯示屏、電視機(jī)屏幕、電腦顯示器、液晶窗簾、車(chē)載顯示器件、消費(fèi)電子產(chǎn)品等都離不開(kāi)液晶顯示技術(shù)的支持。在包括光開(kāi)關(guān)在內(nèi)的通信用液晶器件和以薄膜晶體管液晶顯示器件( TFT2LCD)為主的顯示器件中,最關(guān)鍵的參數(shù)之一是液晶器件對(duì)控制信號(hào)的反應(yīng)速度。而決定反應(yīng)速度的因素除了材料本身性質(zhì)外,液晶器件中液晶材料在電極面上的取向是一個(gè)重要的外部因素。液晶取向技術(shù)是使電

2、極界面處的液晶分子整齊排列,且形成一定預(yù)傾角的技術(shù)。通過(guò)選擇合適的取向?qū)硬牧虾腿∠蚣夹g(shù),優(yōu)化液晶表面排列和預(yù)傾角,可以使液晶的響應(yīng)時(shí)間得到改善,液晶顯示器件的視角得到擴(kuò)展。因此,取向技術(shù)在很大程度上影響液晶器件的性能。液晶器件制作工藝技術(shù)取向排列工藝主講人：10級(jí)光電李全明指導(dǎo)老師：朱雪萍任務(wù)三：取向排列工藝任務(wù)三：取向排列工藝LCDLCD顯示原理顯示原理2.2.取向工藝簡(jiǎn)介取向工藝簡(jiǎn)介 液晶分子在屏內(nèi)是按照某一方向規(guī)律排列的。（型和型） 液晶顯示依賴(lài)于基板表面膜的表面各向異性處理而得到不同液晶分子排列。液晶分子的取向是液晶顯示的關(guān)鍵技術(shù)之一。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，設(shè)置有特定取向的涂覆膜或者摩擦出溝槽

3、，以作為約束液晶分子取向排列的手段。 取向排列技術(shù)大致可以分為兩種：摩擦取向技術(shù) 摩擦取向技術(shù)是1911 年由莫根(Maugin) 發(fā)現(xiàn)的 。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于液晶顯示技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用,至今為止仍然是各類(lèi)液晶顯示器制造過(guò)程中使用最廣泛的取向技術(shù)。所謂摩擦取向就是利用尼龍、纖維或棉絨等材料按一定方向摩擦液晶顯示器的取向膜,使薄膜表面狀況發(fā)生改變,對(duì)液晶分子產(chǎn)生均一的錨定作用,從而使液晶分子在液晶顯示器的兩片玻璃板之間的某一區(qū)域內(nèi),以一定的預(yù)傾角呈現(xiàn)均勻、一致的排列。取向效果的好壞對(duì)于液晶顯示器的均一性、視角、色差、響應(yīng)速度、閾值電壓等基本性能都有重要影響。摩擦取向技術(shù) 摩擦取向技術(shù)雖然是液晶

4、顯示器工業(yè)中最成熟、最可靠、應(yīng)用最廣泛的取向技術(shù),但是無(wú)論在實(shí)踐上還是在理論上摩擦取向技術(shù)都仍然存在一些問(wèn)題,主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):1. 隨著液晶顯示模式從扭曲( TN2LCD) 發(fā)展到超扭曲(STN2LCD) 、薄膜晶體管( TFT2LCD) 、薄膜2極管（TFD）、IPS硬屏(Super TFT),工業(yè)生產(chǎn)對(duì)取向技術(shù)的要求越來(lái)越高。摩擦過(guò)程中容易產(chǎn)生靜電,這會(huì)造成薄膜晶體管的擊穿2 ;由于摩擦過(guò)程產(chǎn)生絨毛塵埃,摩擦后必須增加清洗、干燥工序,降低了生產(chǎn)效率;另外還有少數(shù)絨毛即使通過(guò)清洗工序也很難徹底清除,影響LCD 的顯示效果,甚至出現(xiàn)次品3 。2. 隨著液晶顯示器生產(chǎn)線(xiàn)從第一代發(fā)展到第六代,

5、所加工的基板玻璃尺寸也由第一代的320mm 400mm 發(fā)展到第六代的1 500mm1 800mm、1 800mm 2 000mm。隨著所加工基板面積的增大,在整個(gè)基板范圍內(nèi)獲得完全均一取向的難度也越來(lái)越大。 摩擦處理如何使液晶分子發(fā)生取向 ,其機(jī)理目前尚無(wú)定論。流行的理論有兩種：溝槽理論和表面分子鏈取向 理論。（1）“溝槽”理論 溝槽理論認(rèn)為用尼龍、纖維或棉絨等材料按一定方向摩擦取向膜,將在取向膜表面產(chǎn)生定向的、一端寬深另一端窄淺的表面密紋或劃痕,這些表面密紋或劃痕又稱(chēng)為溝槽。由于液晶顯示器使用的液晶分子呈長(zhǎng)棒形,所以取向?qū)犹幍囊壕Х肿訉⒀刂鴾喜鄯较蚺帕小！皽喜邸崩碚?溝槽理論認(rèn)為用尼龍、纖

6、維或棉絨等材料按一定方向摩擦取向膜,將在取向膜表面產(chǎn)生定向的、一端寬深另一端窄淺的表面密紋 或劃痕,這些表面密紋或劃痕又稱(chēng)為溝槽,如圖2 所示。由于液晶顯示器使用的液晶分子呈長(zhǎng)棒形,它只有沿著溝槽排列時(shí)體系的能量才最低。也就是說(shuō),當(dāng)體系處于熱平衡時(shí),體系必定處于能量最小的狀態(tài),取向?qū)犹幍囊壕Х肿訉⒀刂鴾喜鄯较蚺帕小Ｓ捎谡麄€(gè)體系液晶分子都呈長(zhǎng)棒形結(jié)構(gòu),再加上分子之間相互作用,使整個(gè)體系的液晶分子都形成特定排列的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),產(chǎn)生取向作用。這種取向作用只有當(dāng)長(zhǎng)棒型液晶分子的尺寸與溝槽的尺寸相當(dāng)時(shí)才是最強(qiáng)烈的,如果液晶分子的尺寸遠(yuǎn)大于溝槽的尺寸,取向作用將消失。圖2 取向膜摩擦方向與預(yù)傾角的關(guān)系基板 摩

7、擦方向 PI層溝槽預(yù)斜角基板摩擦方向表面分子鏈理論 表面分子鏈理論的由來(lái)：Eung Sang Lee等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)取向不是由溝槽直接導(dǎo)致的,而是由其他因素產(chǎn)生的,還發(fā)現(xiàn)某些經(jīng)摩擦的聚合物可顯示出對(duì)液晶分子很強(qiáng)的取向能力,然而在其表面卻觀察不到密紋或劃痕。為了克服以上困難, Castellano等提出了“取向?qū)颖砻娣肿渔溔∠颉崩碚?。?）表面分子鏈理論 表面分子鏈理論認(rèn)為:摩擦取向?qū)颖砻鎸?huì)導(dǎo)致取向?qū)又蟹肿渔湹亩ㄏ蚺帕?當(dāng)液晶分子與已取向的分子鏈接觸時(shí),液晶分子以一種類(lèi)似晶體外延的方式從取向?qū)颖砻嫱庋映鋈?從而對(duì)液晶分子取向產(chǎn)生影響。表面分子鏈理論 LCD生產(chǎn)領(lǐng)域使用摩擦取向法 ,有易于大規(guī)模

8、生產(chǎn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) ,但摩擦產(chǎn)生的靜電和塵埃會(huì)引起 LCD瑕疵 ,從而影響顯示器的品質(zhì)和成品率 摩擦不僅在聚合物表面形成密紋結(jié)構(gòu)而且在摩擦方向上誘發(fā)了分子鏈的宏觀取向,但這種取向在微觀范圍內(nèi)是不均勻的,因此導(dǎo)致了液晶分子的局部取向的不均勻性。由此可以得出：摩擦導(dǎo)致取向?qū)颖砻娴母飨虍愋?而液晶分子在這種表面上與取向?qū)臃肿酉嗷プ饔?由于在各個(gè)方向上受力不同,為了達(dá)到能量最小的穩(wěn)定態(tài),液晶分子沿受力最大的方向排列。摩擦取向?qū)嵸|(zhì)：摩擦取向方向的局限性 摩擦取向具有穩(wěn)定性高、可靠性好以及適合大面積處理等優(yōu)點(diǎn),在短期內(nèi)仍將是工業(yè)生產(chǎn)的主要技術(shù);但摩擦取向工藝存在塵埃污染、靜電危害、非平面的基板難以應(yīng)用、能耗高

9、、不經(jīng)濟(jì)、在一塊基板上很難實(shí)現(xiàn)分區(qū)域不同方向取向等問(wèn)題,需要對(duì)傳統(tǒng)的摩擦取向工藝?yán)^續(xù)研究;在取向材料的研究方面,尋找適合各種預(yù)傾角要求的材料一直是各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn);取向理論方面,摩擦取向的機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。要克服摩擦法固有的缺點(diǎn),近年來(lái)非摩擦法獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。非摩擦法液晶取向技術(shù)中能應(yīng)用于工業(yè)的主要有光控取向技術(shù)、傾斜蒸鍍法、LB膜技術(shù)。 非摩擦取向技術(shù)主要有傾斜蒸鍍法、光控取向技術(shù)等。 傾斜蒸鍍傾斜蒸鍍 傾斜蒸鍍指的是將金屬、氧化物、氟化物等無(wú)機(jī)材料在與基板的法線(xiàn)方向成某個(gè)角度的方向上進(jìn)行蒸鍍的工藝,目的是形成一種傾斜排列的取向膜。蒸鍍角小(520)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)液晶分子的垂直排列;蒸鍍角大

10、(2045)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)平行排列，如下圖所示。非摩擦取向：傾斜蒸鍍傾斜蒸鍍?cè)谠缙诘腖CD生產(chǎn)中,由于使用易水解的西夫堿液晶,因此必須使用能確保器件長(zhǎng)期可靠的低熔點(diǎn)玻璃密封劑。那時(shí)使用的取向膜材料主要是SiOx系列的無(wú)機(jī)材料,此種薄膜耐光、熱特性好,曾一度作為高可靠性的、能承受低熔點(diǎn)玻璃密封加熱溫度的取向膜而廣為人知。用SiOx做取向?qū)?因?yàn)槠湔翦兯璧臏囟群芨?真空工藝的生產(chǎn)效率低下,對(duì)大尺寸基板的設(shè)備昂貴,所以在一般的LCD生產(chǎn)中已經(jīng)被淘汰。但近年來(lái)隨著硅基液晶微顯示器件(LCoS)的出現(xiàn),因這類(lèi)器件一般作為光調(diào)制器件在投影系統(tǒng)中應(yīng)用,對(duì)器件的光熱穩(wěn)定性要求極高,并且要求液晶器件具有快速的響

11、應(yīng)速度來(lái)通過(guò)時(shí)序彩色技術(shù)實(shí)現(xiàn)全彩顯示,使得對(duì)使用具有垂直取向的無(wú)機(jī)蒸鍍工藝成為需求。在傳統(tǒng)的有機(jī)取向?qū)又?由于高密度的光照,在P I取向?qū)雍鸵壕Х肿佣籍a(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生一部分自由基,這兩種自由基會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生一層沒(méi)有取向作用的物質(zhì),如果這種物質(zhì)包含脂肪族片段,將會(huì)使得液晶分子偏離最優(yōu)取向方向。此外, PI層也會(huì)因光照而產(chǎn)生分解作用,這樣會(huì)影響液晶分子取向效果。兩種情況使得取向?qū)有阅芡嘶芸?從而影響液晶分子的取向,進(jìn)一步地影響顯示效果。所以高功率的光照對(duì)有機(jī)PI的取向穩(wěn)定性來(lái)說(shuō),是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。此外,由于P I取向一般用于平行取向,這樣在LCoS這樣一個(gè)要求快速響應(yīng)的器件中

12、,平行取向似乎并不合適。雖然傾斜蒸鍍工藝條件苛刻,產(chǎn)率低下且不適合大尺寸面板的生產(chǎn),但是其取向?qū)泳哂袃?yōu)異的光熱穩(wěn)定性,并且可以實(shí)現(xiàn)垂直取向來(lái)達(dá)到快速響應(yīng)的目的。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì),使得淡出人們視野的傾斜蒸鍍技術(shù)再次引起人們的關(guān)注 19 。在日本VC公司的D2ILA型的投影產(chǎn)品中,由于使用無(wú)機(jī)材料取向?qū)渝兡ぜ夹g(shù),取向?qū)涌梢匀〉煤芨叩姆€(wěn)定性,并且可以顯示出高達(dá)5 0001的對(duì)比度。在使用有機(jī)取向?qū)拥钠渌鸏CD投影產(chǎn)品中,取向?qū)拥目煽啃詴?huì)退化,而且顯示顏色在使用2 500小時(shí)之后就會(huì)退化到不可接受的程度。光控取向技術(shù) (1) 基本原理。摩擦法雖然有不少的生產(chǎn)便利之處,但是不能應(yīng)用于多疇工藝。隨著大視角的多疇

13、工藝的興起,人們開(kāi)始尋找其他的可以應(yīng)用于多疇工藝并且不失摩擦法優(yōu)點(diǎn)的取向工藝。20世紀(jì)80年代中葉。Martin Schardt 14 等人開(kāi)發(fā)了一種新型的液晶取向技術(shù),即線(xiàn)性偏振紫外光聚合技術(shù)LPP ,簡(jiǎn)稱(chēng)光控取向技術(shù)。其基本原理是,利用紫外光敏聚合物單體材料光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的各向異性,使液晶分子定向排列。這種光取向方法如圖3所示,首先在一個(gè)襯底如ITO玻璃上涂敷一層光敏高分子膜,然后用紫外偏振光照射,只有與偏振光偏振方向平行的光敏集團(tuán)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),取向膜上產(chǎn)生各向異性,從而誘導(dǎo)液晶分子取向。如圖3UV燈凸透鏡泰勒棱鏡光敏聚合物襯底 光控取向技術(shù)原理圖2.3.2 2.3.2 取向材料取向材料

14、 1.什么是取向材料？大大人，取向 材料就是，就是是. 取向材料取向材料是起取向作用的物理載體,它的熱膨脹率、折射率、透明性、熱穩(wěn)定性、抗輻射性以及取向預(yù)傾角等都是重要的產(chǎn)品參數(shù),液晶顯示器件在應(yīng)用中取向膜材料所應(yīng)具有的特性如表1 所示。表1 對(duì)取向膜的性能要求28 參數(shù)對(duì)取向膜的性能要求 固化特性 ：?jiǎn)误w具有良好的可溶性,通過(guò)固化可形成 均勻的不溶不熔的薄膜 機(jī)械特性 ： 不產(chǎn)生摩擦筋條, 不產(chǎn)生取向膜的切削。 取向特性 ： 預(yù)傾角的控制性良好、摩擦余地大,對(duì)熱 處理取向穩(wěn)定性好電氣特性 電壓保 持率高、頻率特性良好、不產(chǎn)生靜電破 壞。 其他特性 ： 與液晶無(wú)任何化學(xué)作用、與玻璃有良好的 結(jié)

15、合力，易涂布,不產(chǎn)生針孔、對(duì)水不敏感 最好具有較低的固化溫度、高的Tg 和良 好的透明性。取向材料 目前對(duì)取向材料的取向穩(wěn)定性及預(yù)傾角的研究是熱點(diǎn)課題。對(duì)于摩擦取向工藝,目前常用的材料有聚酰亞胺( polyimide ) 、聚苯乙烯(polystyrene ) 、聚乙烯酸( PVA ) 、聚氯乙烯(PVC) 、有機(jī)玻璃( PMMA) 等,其中聚酰亞胺由于其很好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的機(jī)械性能、高絕緣性、耐高溫、高介電強(qiáng)度、耐輻射和不可燃等優(yōu)良性能,而被廣泛地使用于現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)取向材料：聚酰亞胺（1）簡(jiǎn)介 聚酰亞胺是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)的一類(lèi)聚合物，聚酰亞胺具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可耐35

16、0一450的高溫，優(yōu)異的絕緣性，優(yōu)良的介電性能，良好的力學(xué)性能。LCD中液晶取向膜材料要求材料具有均勻性、重復(fù)性、與液晶材料的相容性和穩(wěn)定性，聚酰亞胺由此成為了不錯(cuò)的選擇。高分子化合物結(jié)構(gòu)式（2）工作原理 聚酰亞胺酸（PA），在一定條件下脫水得到聚酰亞胺。（3）聚酰亞胺的特性a.高溫光照下會(huì)反應(yīng)b.暴露在空氣中容易吸潮，降低性能（4）主要參數(shù)：聚酰亞胺具有良好的介電性能，介電常數(shù)為3.4左右，引入氟，或?qū)⒖諝饧{米尺寸分散在聚酰亞胺中，介電常數(shù)可以降到2.5左右。介電損耗為10-3，介電強(qiáng)度為100300KV/mm，廣成熱塑性聚酰亞胺為300KV/mm，體積電阻為1017/cm。這些性能在寬廣的

17、溫度范圍和頻率范圍內(nèi)仍能保持在較高的水平。 隨著工業(yè)要求的提高, PI 的一些改良品相繼問(wèn)世,為了降低PI 的吸水性、增加柔軟性、可加工性和溫度特性,20 世紀(jì)80 年代初美國(guó)和日本一些公司推出了含硅PI29 ,把疏水性的硅氧鏈引入PI 結(jié)構(gòu)中,這也改善了與SiO2 膜( TOP 涂布層) 的粘接性能。含氟PI 在傳統(tǒng)的PI 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,使部分結(jié)構(gòu)氟化,這樣能降低PI 的吸水性,自由控制熱膨脹率和折射率,改善透明性,另外含氟PI 可以做到有較高的預(yù)傾角。近幾年對(duì)含有CnH2 n + 1側(cè)鏈的PI 的研究報(bào)道也不少30 。研究表明CnH2 n + 1側(cè)鏈會(huì)影響PI 主鏈傾角,主鏈傾角隨著n 的增加而單調(diào)增加,而預(yù)傾角正比于主鏈傾角,所以CnH2 n + 1側(cè)鏈可以間接地影響LC的預(yù)傾角。 展望 液晶顯示器的制作工藝十分復(fù)雜,其中取向?qū)拥闹苽涫且粋€(gè)很重要的工藝過(guò)程。對(duì)于追求產(chǎn)率的現(xiàn)代生產(chǎn),采用何種工藝,在滿(mǎn)足技術(shù)要求的條件下,達(dá)到良好的產(chǎn)率