TFT－LCD中的液晶擴(kuò)散研究

劉棟宏，張 琦，張 磊，王修亮，毛利軍，魏永輝

（北京京東方光電科技有限公司，北京100176）

1 引 言

近年來(lái)，液晶顯示器以其低工作電壓、低功耗、低輻射、低空間占用率以及輕、薄、美觀等優(yōu)勢(shì)，已成為市場(chǎng)主流，廣泛出現(xiàn)在人們的日常生活中。隨著人們認(rèn)識(shí)水平和對(duì)顯示要求的不斷提高，對(duì)液晶顯示器畫面品質(zhì)的關(guān)注度也隨之不斷提升［1］，因此對(duì)液晶面板的生產(chǎn)和制造也提出了更高的要求。

在薄膜晶體管液晶顯示器TFT－LCD 行業(yè)的ODF（One Drop Filling，液晶滴注）工序中，TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶體管）玻璃基板與CF（Color Filter，彩色濾光片）玻璃基板之間會(huì)滴入液晶、涂上封框膠并將薄膜晶體管基板與彩色濾光片基板對(duì)盒在一起形成密閉的液晶盒。由于盒內(nèi)的空間是一定的，液晶滴注工藝需要事先對(duì)盒內(nèi)空間體積進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)密度轉(zhuǎn)換為理論的液晶滴入量。實(shí)際的滴入量會(huì)在理論值的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)最終確定。

滴入的液晶是一滴一滴的，并不是平均地分散在玻璃基板表面，而我們最后使用的液晶顯示面板，液晶是完全擴(kuò)散開(kāi)來(lái)均勻地分布在薄膜晶體管基板和彩色濾光片基板之間。從剛滴在基板上的一滴一滴的形狀到擴(kuò)散成均勻分布的狀態(tài)，我們稱之為液晶的擴(kuò)散過(guò)程，它對(duì)于一些不良的形成和檢出有著直接的影響。

2 液晶擴(kuò)散過(guò)程

液晶的擴(kuò)散過(guò)程主要分為3 個(gè)階段（圖1），第一個(gè)階段是從剛剛滴在玻璃基板上到對(duì)盒之前的過(guò)程，在此過(guò)程中液晶是在開(kāi)放的環(huán)境中進(jìn)行擴(kuò)散，主要依靠液晶自身的重力作用在玻璃基板上擴(kuò)散，此過(guò)程的擴(kuò)散現(xiàn)象是水滴狀的液晶在玻璃基板上高度慢慢降低，表面積增大；第二個(gè)階段是對(duì)盒過(guò)程，液晶在真空狀態(tài)下（＜10Pa）受到玻璃基板的擠壓作用（對(duì)盒前液晶高度約為20μm，對(duì)盒后液晶高度約為3～4μm），迅速地?cái)U(kuò)散到面板的大部分區(qū)域，四周及邊角會(huì)有一些區(qū)域還沒(méi)有液晶。

最后一個(gè)階段是對(duì)盒之后液晶的擴(kuò)散。由于彩色濾光片玻璃與薄膜晶體管玻璃之間存在起支撐作用、具有一定彈性回復(fù)率的隔墊物，玻璃的重力擠壓作用被隔墊物的支撐力所抵消，實(shí)際對(duì)液晶擴(kuò)散的影響基本沒(méi)有；液晶擴(kuò)散過(guò)程中玻璃間間隙會(huì)發(fā)生微小變化，有液晶的地方間隙較高，沒(méi)有液晶的地方間隙較低，但總體間隙的變化不大，可以看作是固定距離的平行平板（對(duì)于擴(kuò)散時(shí)間的影響后面的結(jié)果分析有說(shuō)明），經(jīng)過(guò)擴(kuò)散過(guò)程后，間隙趨于一致，達(dá)到我們預(yù)先設(shè)計(jì)的間隙。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究文獻(xiàn)說(shuō)明，固定間距平行平板間的液體擴(kuò)散主要依靠液體的表面張力［2－8］，因此第三階段的液晶擴(kuò)散主要依靠液晶自身的表面張力作用逐漸的在面板內(nèi)部均勻的擴(kuò)散至各個(gè)角落。本文中，主要研究的是第三個(gè)階段即對(duì)盒之后的液晶擴(kuò)散狀態(tài)。

圖1 液晶擴(kuò)散過(guò)程Fig.1 Diffusion process of LC

對(duì)盒之后，液晶在密閉的空間里面還需要一定的時(shí)間來(lái)擴(kuò)散到整個(gè)面板，這個(gè)擴(kuò)散過(guò)程往往需要幾個(gè)甚至幾十個(gè)小時(shí)。在后工序中經(jīng)常可以在面板的邊角看到液晶未充滿的現(xiàn)象（圖2），正是由于液晶擴(kuò)散未完全造成的。

圖2 未充滿現(xiàn)象Fig.2 Phenomenon of Not Fill

這種現(xiàn)象并不意味著產(chǎn)品是不合格的，放置一段時(shí)間后隨著液晶的逐漸擴(kuò)散，未充滿現(xiàn)象可能會(huì)消失。

液晶滴注工序的另一個(gè)不良重力Mura與液晶量過(guò)多相關(guān)。它的檢查方法為：將玻璃傾斜放置于50 ℃環(huán)境下，如果面板內(nèi)部的液晶過(guò)多的話，一段時(shí)間之后過(guò)多的液晶會(huì)由于重力的作用流到屏幕下端，可以在面板下端看到一條顏色較深的痕跡（圖3）。

圖3 重力Mura現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of gravity Mura

以上所述不良現(xiàn)象與液晶在面板內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程和狀態(tài)有關(guān)，這些現(xiàn)象一直沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行精確的分析與計(jì)算。而此部分的研究對(duì)于優(yōu)化液晶量的控制及液晶滴注工藝和不良改善有重大意義。經(jīng)過(guò)對(duì)大量的液晶擴(kuò)散過(guò)程的觀察和研究、測(cè)試可認(rèn)為，液晶作為流體，符合流體的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以流體力學(xué)的知識(shí)和規(guī)律對(duì)液晶的擴(kuò)散過(guò)程及狀態(tài)進(jìn)行分析與研究，可以還原出液晶在面板內(nèi)部的真實(shí)運(yùn)動(dòng)及存在的狀況，并以此來(lái)指導(dǎo)來(lái)優(yōu)化工藝生產(chǎn)。

3 液晶擴(kuò)散模型

3.1 平放狀態(tài)下的液晶擴(kuò)散模型

在外部環(huán)境不變的情況下，流體擴(kuò)散的快慢直接與液晶本身的特性相關(guān)：黏性、表面張力系數(shù)與接觸角。

牛頓于1687年提出黏性定律，其公式為：

其中：τ為黏性切應(yīng)力，μ 為黏度系數(shù)。黏度系數(shù)為常數(shù)的流體稱為牛頓流體［9－10］。

液晶在平行的2個(gè)玻璃基板之間擴(kuò)散，由于表面張力很小，液晶擴(kuò)散速度較慢，內(nèi)部壓強(qiáng)梯度為常數(shù)（用表面張力換算），溫度不變，所以，液晶在面板內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程可以視為不可壓縮牛頓流體在固定平行平板中的定常流動(dòng)。關(guān)于平行平板間的流體流動(dòng)研究較多，Washburn在1921年就提出了Washburn模型［4］：

式中：σ是表面張力系數(shù)，x 是t時(shí)刻流體的位置；φ 是潤(rùn)濕角；μ 是流體的黏度系數(shù)；b是平行平板之間的距離。

此方程表明：在平行平板間距一定的前提下，黏度越小、接觸角越小、表面張力系數(shù)越大越有利于流體的擴(kuò)散，流動(dòng)模型如圖4所示。

圖4 平放狀態(tài)下液晶流動(dòng)模型Fig.4 LC diffusion model of flat state

此模型在平行平板水平放置的前提下是基本適用的，下文作者也給出了相應(yīng)的驗(yàn)證結(jié)果。在TFT－LCD 行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中，一般面板的放置狀態(tài)有2種：正常狀態(tài)下水平放置，檢測(cè)時(shí)傾斜放置（一般為30°～60°）。

為了更符合實(shí)際情況，本文作者經(jīng)過(guò)假設(shè)與推導(dǎo)，提出了傾斜狀態(tài)下的液晶擴(kuò)散模型。

3.2 傾斜狀態(tài)下的液晶擴(kuò)散模型

傾斜一定的角度，液晶的流動(dòng)受到重力、表面張力的綜合作用。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，建立模型并做出以下假設(shè)：

1）有液晶的地方間隙高，沒(méi)有液晶的地方間隙低，間隙在擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)發(fā)生微小變化，為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)液晶盒的間隙值b為常數(shù)，并且忽略盒內(nèi)隔墊物對(duì)擴(kuò)散的影響；

2）液晶的黏性系數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而變化，本文中的研究條件溫度不變，可以假設(shè)液晶為不可壓縮的牛頓流體；

3）液晶在表面張力、重力的x 方向分量作用下只在x 方向做充分發(fā)展的層流，可簡(jiǎn)化為x、y平面上的運(yùn)動(dòng)；

v＝0 說(shuō)明y 方向液晶不發(fā)生流動(dòng)；

流體力學(xué)N－S方程：

圖5 傾斜放置狀態(tài)下的液晶流動(dòng)模型Fig.5 LC diffusion model of tilt state

將假設(shè)條件和（4）、（5）方程代入方程（6）可以得出

兩次積分后可得：

邊界條件：y＝0，u＝0；y＝b，u＝0，代入方程（8）可以解出：

將（9）式代入（8）式可得速度表達(dá)式：

單位寬度內(nèi)的流量可由積分得出：

平均速度為：

即平均速度為最大速度的2／3。

方程（16）分情況積分：

1）當(dāng)傾斜角θ 為0 時(shí)，方程（16）積分可得方程：

邊界條件：t＝0，x＝0，可得c3＝0，方程（17）變?yōu)榉匠蹋?），此即平放狀態(tài)下的方程，這表明Washburn模型是傾斜角度為0時(shí)的特例；

2）當(dāng)傾斜角θ≠0時(shí)，解微分方程可得：

邊界條件：t＝0，x＝0，解得

代入得：

此即傾斜狀態(tài)下的液晶擴(kuò)散時(shí)間與位移關(guān)系的方程式。

4 結(jié)果與分析

4.1 模型計(jì)算結(jié)果

某一款液晶在25℃下的參數(shù)如下：

表1 液晶參數(shù)Tab.1 LC parameters

假設(shè)間隙為3μm，玻璃放置在傾斜的角度為45°的基臺(tái)上，可以計(jì)算得出：

表2 模型理論計(jì)算結(jié)果Tab.2 Theoretical results of model

從圖6中可以看出，擴(kuò)散的位移越短，傾斜與平放兩種狀態(tài)的擴(kuò)散時(shí)間越接近，重力的影響不顯著；同樣的擴(kuò)散位移，位移越長(zhǎng)，兩種狀態(tài)下的擴(kuò)散時(shí)間差距越大，重力的影響越顯著。

圖6 平放狀態(tài)與傾斜狀態(tài)擴(kuò)散時(shí)間對(duì)比Fig.6 Comparison of diffusion time between flat state and tilted state

而且從模型中可以看出，平放狀態(tài)下擴(kuò)散時(shí)間與擴(kuò)散位移的平方成正比，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，液晶滴下的形狀分布對(duì)液晶擴(kuò)散起到非常重要的作用。滴下形狀越分散，擴(kuò)散效果越好。

面板的尺寸大小對(duì)最后液晶擴(kuò)散狀態(tài)影響也很大。小尺寸產(chǎn)品擴(kuò)散位移短，時(shí)間快，液晶容易接觸封框膠并對(duì)封框膠造成沖擊，如果不嚴(yán)格管控工藝條件，非常容易產(chǎn)生液晶泄露不良。大尺寸產(chǎn)品容易出現(xiàn)液晶未充滿，是因?yàn)橐壕U(kuò)散位移過(guò)長(zhǎng)，擴(kuò)散較慢，在形狀分布設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行改進(jìn)。

實(shí)際生產(chǎn)中，大部分的面板檢測(cè)都是傾斜一定角度來(lái)方便人員觀察，而且個(gè)別不良需要傾斜放置一定時(shí)間后才能檢出（如重力Mura）。

傾斜狀態(tài)下的擴(kuò)散模型的實(shí)際意義在于：1）可以指導(dǎo)未充滿不良的處理，在傾斜狀態(tài)下液晶擴(kuò)散更快；2）為觀察重力Mura的時(shí)間提供理論上的依據(jù)。

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與誤差分析

實(shí)驗(yàn)條件：溫度為室溫25 ℃，玻璃間的間隙值為3μm，玻璃放置在傾斜的角度為45°的貼偏光片基臺(tái)上。液晶擴(kuò)散的位移通過(guò)帶刻度的直尺量出，時(shí)間通過(guò)秒表記錄。

圖7 液晶擴(kuò)散距離與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between diffusion distance and time

測(cè)量數(shù)據(jù)曲線與模型曲線形狀相近（圖7），在擴(kuò)散位移比較小的情況下，類似于拋物線。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)基本相符，實(shí)際液晶擴(kuò)散比模型計(jì)算略慢，兩者的細(xì)微差別主要受兩個(gè)因素影響：

1）液晶盒內(nèi)間隙影響。由于液晶一開(kāi)始并不是均勻的分布在面板內(nèi)，在有液晶存在的地方，間隙高，沒(méi)有液晶的地方間隙低。液晶由間隙高的地方向間隙低的地方擴(kuò)散，比理論模型的固定Gap需要更長(zhǎng)的時(shí)間；

2）盒內(nèi)隔墊物影響。隔墊物會(huì)對(duì)液晶的流動(dòng)起一定阻滯作用，隔墊物密度越大，阻滯作用越明顯。

采用滴數(shù)更多分布更合理的形狀分布設(shè)計(jì)、減小隔墊物密度設(shè)計(jì)等可以減小以上2個(gè)因素對(duì)模型的影響。

5 結(jié) 論

對(duì)TFT－LCD行業(yè)中液晶的擴(kuò)散模型進(jìn)行了理論研究，提出了液晶擴(kuò)散的3個(gè)階段，并主要針對(duì)第三個(gè)階段及對(duì)盒后的液晶擴(kuò)散進(jìn)行了探討與計(jì)算。在溫度不變的前提下，對(duì)此階段傾斜狀態(tài)下的液晶擴(kuò)散提出了一個(gè)新的模型，利用流體力學(xué)中的N－S方程理論推導(dǎo)出了液晶擴(kuò)散時(shí)間與其位移的方程式，平放狀態(tài)下的Washburn模型是傾斜角度為0°時(shí)的特例。

在同樣的擴(kuò)散位移下，位移量越小，兩個(gè)狀態(tài)下的擴(kuò)散時(shí)間越接近，位移越大，重力的影響越顯著。

面板尺寸大小、形狀分布設(shè)計(jì)等參數(shù)對(duì)液晶擴(kuò)散有非常大的影響。液晶擴(kuò)散位移小，容易有液晶泄露不良；擴(kuò)散位移大，容易發(fā)生未充滿。

間隙差異性以及盒內(nèi)隔墊物會(huì)影響液晶擴(kuò)散的速度，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與模型理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本相符，基于牛頓流體假設(shè)下的模型可以較好地預(yù)測(cè)液晶的擴(kuò)散行為。

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