配向膜材料與面殘影的關(guān)聯(lián)性研究

劉曉那，宋勇志，徐長健，周 波，馬國靖，陳松飛，袁劍峰，林承武，邵喜斌

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司Cell工藝開發(fā)部，北京 100176）

1 引 言

所謂“影像殘留（IS：Image Sticking，亦簡稱殘像）”，是指TFT＿LCD中液晶受到長時間的驅(qū)動，導(dǎo)致顯示畫面改變后，之前圖像痕跡仍可見的現(xiàn)象［1］。從工藝流程以及材料污染等客觀因素角度，通過提高液晶、配向膜等離子純度，盡量減少來自原材料和工藝流程的離子污染，可以降低由于外界污染導(dǎo)致的影像殘留［2－4］；從材料本身性能角度，配向膜與液晶材料的優(yōu)異匹配，有助于液晶面板內(nèi)部存儲的殘余電荷的釋放，利于影像殘留的改善［5－6］。

本文暫時忽略工藝流程以及材料污染等客觀因素，從材料本身特性角度出發(fā)，選取五款配向膜材料，分別在mini－cell模擬產(chǎn)線和京東方B4生產(chǎn)線進行綜合評估，對mini－cell的RDC和VHR與TFT－LCD面殘影之間的關(guān)聯(lián)性進行了綜合研究。

2 實驗工作

2.1 mini－cell工藝制程

準(zhǔn)備10cm×10cm ITO玻璃數(shù)片，分別經(jīng)過酒精清洗、洗劑超聲、清水超聲、清水噴淋、氣槍干燥、高溫干燥和冷卻等工序完成玻璃清洗；利用薄膜旋涂設(shè)備將配向膜溶液均勻涂覆在ITO玻璃表面，經(jīng)加熱臺預(yù)固化150s、烘箱主固化20 min后，完成配向膜成膜工序；利用摩擦布對固化完全的配向膜進行取向，摩擦布的壓入量控制約在0.33mm，摩擦次數(shù)為1；然后，取兩片摩擦取向完成的玻璃，在其中一片玻璃表面按照4×1 Cell分布涂覆封框膠，對位后進行對盒工序，確保上下兩片玻璃的摩擦取向方向互相垂直，然后放入150℃烘箱中進行封框膠固化10min；將完成對盒的玻璃精確切割成單個Cell，利用毛細(xì)作用進行液晶灌注，確保無氣泡后，利用紫外固化封框膠固化時間約為10min進行封口。

2.2 mini－cell的性能測試

光學(xué)測試內(nèi)容為mini－cell盒厚測試，電學(xué)測試內(nèi)容包括電壓保持率（Voltage Holding Residual，VHR）和直流電流殘余（Residual of Direct Current，RDC），VHR測試條件為脈沖電壓5V，作用時間60μs；RDC測試條件為直流電壓5V持續(xù)加壓3 600s，然后移除外加電壓，測試600s后器件殘余電壓值。

2.3 測試材料

選取5款配向膜材料（由日本JSR材料供應(yīng)商提供），摩擦布由Hyper flex供應(yīng)商提供，液晶材料為京東方B4產(chǎn)線用量產(chǎn)品（由Merck提供），封框膠由Sekisui供應(yīng)商提供。

3 結(jié)果與討論

將5款配向膜材料在同一工藝條件下，進行mini－cell制作，5種方案使用的材料明細(xì)如表1所示。對配向膜的層厚和成品的盒厚進行檢測，確保5款材料的評價平臺處于同一水平，然后再進行VHR和RDC測試。表2為5款配向膜材料采用旋涂方法制成的薄膜層厚數(shù)據(jù)，5款膜厚的均值分布為1 003.55，1 117.18，1 009.35，1 107.32nm和1118.56nm，膜層厚度差別微小，消除了由于配向膜材料膜層厚度差異對電學(xué)結(jié)果的影響［7］。）

表1 5種方案采用的材料明細(xì)Tab.1 Materials used in five cases

表2 5款配向膜材料膜層厚數(shù)據(jù)Tab.2 Thickness of alignment film in five cases

表3為采用5款配向膜材料制成的mini－cell成品的盒厚檢測數(shù)據(jù)。5款配向膜材料制成的mini－cell成品的盒厚均值分別為 3.56，3.90，3.96，3.87μm和4.01μm，由盒厚數(shù)據(jù)分別可以看出，5種材料制成的mini－cell成品在盒厚方面基本無差距，mini－cell的制作工藝穩(wěn)定性優(yōu)異。

表3 5款PI材料制成的mini－cell成品的盒厚數(shù)據(jù)Tab.3 Cell gap of mini－cell in five cases

圖1 5種PI材料制成的mini－cell VHR數(shù)據(jù)比較Fig.1 VHR of mini－cells with five kinds ofalignment materials

圖1為5款配向膜材料制成的mini－cell成品的VHR比較圖。根據(jù)表4中5款配向膜材料制成的mini－cell成品的電學(xué)檢測數(shù)據(jù)可知，5款配向膜材料常溫下VHR分別為94.0%，96.0%，94.2%，95.3%和94.6%；60 ℃下 VHR 分別為89.1%，92.2%，92.2%，91.3%和94.4%。隨著溫度升高，5款方案的VHR均呈現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)VHR理論計算公式（如圖2），溫度升高，液晶的介電常數(shù)下降，進而導(dǎo)致VHR發(fā)生一定程度的下降，5款方案中，VHR分別下降了4.90%，3.80%，2.00%，4.00%和0.20%。假設(shè)配向膜層和周邊封框膠對液晶的污染恒定，則VHR下降的幅度應(yīng)該相同，但該實驗中，方案1配向膜材料的VHR下降幅度較大，達(dá)到4.9%。由于五款方案除了選取的配向膜材料不同外，其余工藝條件和材料完全相同，進而推測出，溫度升高，方案1的配向膜材料穩(wěn)定性相對較差，對mini－cell盒內(nèi)的液晶污染程度較高，使得該方案盒內(nèi)的液晶介電常數(shù)下降較大，最終導(dǎo)致VHR下降幅度較大。同理，方案5中VHR隨溫度升高變化微小，說明液晶的介電常數(shù)未受到配向膜材料的污染，方案5使用的配向膜材料穩(wěn)定性最優(yōu)異。

圖2 VHR測試原理示意圖及理論公式推導(dǎo)過程，其中，C：液晶盒電容（F），R：液晶盒電阻（Ω），t：幀周期（s），V1：外加電壓（V），V2：極性反轉(zhuǎn)前電壓，ε0：真空介電常數(shù)（F／m），ε：液晶的介電常數(shù)，S：電極的面積（cm2），d：液晶盒厚度（μm）Fig.2 Test principle of VHR and its derivation process of the theoretical formula，the key parameters of the mini－cell including C：capacitance（F），R：resistance（Ω），t：frame period（s），V1：applied voltage（V），V2：voltage before polarity inversion，ε0：Permittivity of vacuum（F／m），ε：Permittivity of liquid crystal，S：area of electrode（cm2），d：cell gap of liquid crystal（μm）

根據(jù)表4中5款配向膜材料制成的mini－cell成品的電學(xué)檢測數(shù)據(jù)可知，5款配向膜材料60℃下的RDC數(shù)值分別為899，899，873，471mV 和190mV。從工藝流程以及材料使用方面綜合考慮，5種方案的本質(zhì)區(qū)別在于使用的配向膜材料不同，因此，配向膜材料與mini－cell的RDC數(shù)值密不可分。從選取的5款配向膜材料本身特性角度出發(fā)，配向膜材料的電阻是影響mini－cell的RDC數(shù)值的主要因素之一。五款配向膜材料的電阻率分別為1.9×1015，1.0×1014，1.0×1014，1.0×1013和4.0×1013，如表1。在配向膜層面積和厚度均相同時，電阻率越高，配向膜的電阻越大［8］。5個方案中，配向膜層面積和厚度均相同，5款配向膜材料的電阻率呈下降趨勢，對應(yīng)的Mini－cell的RDC數(shù)據(jù)亦呈下降趨勢。因此，配向膜材料電阻率下降，利于材料自身對存儲電荷的釋放，進而實現(xiàn)較低的RDC數(shù)值。

表4 五款配向膜制成的mini－cell電學(xué)檢測數(shù)據(jù)及殘影等級Tab.4 Electrical test results of mini－cell in five cases and the level of image sticking

圖3 5種PI材料制成的Mini－cell成品的RDC數(shù)據(jù)與TFT－LCD面殘影對比圖Fig.3 RDC of mini－cells with five kinds of alignment materials and the level of area image sticking of TFT－LCD module with five kinds of alignment materials，separately

將5款配向膜材料制作的mini－cell成品的RDC數(shù)據(jù)與TFT－LCD模塊測量的面殘影等級進行對比，如圖3。5款配向膜材料制成的Minicell成品的RDC分別為899，899，873，471mV和190mV，相對應(yīng)的TFT－LCD模塊面殘影等級分別為5.9，5.7，3.2，2.4和0.2。隨著RDC數(shù)值的下降，面殘像等級整體呈現(xiàn)下降的趨勢。對于方案3，Mini－cell成品的RDC數(shù)值為873mV，略低于方案1和方案2，但是TFT－LCD模塊的面殘像等級明顯低于方案1和方案2；對于方案4，mini－cell成品的RDC數(shù)值為417mV，明顯低于方案3，但TFT－LCD模塊的面殘像等級僅比方案3低0.8。綜合分析方案1～方案4的minicell電學(xué)數(shù)據(jù)，包括VHR和RDC，發(fā)現(xiàn)，雖然方案3的RDC數(shù)據(jù)與方案1和方案2相當(dāng)，但是方案3的ΔVHR明顯低于方案1和方案2，約為方案1或方案2的一半；雖然方案4的RDC數(shù)據(jù)明顯低于方案3，但是方案4的ΔVHR是方案3的兩倍。因此，TFT－LCD模塊的面殘像等級同時與mini－cell成品的RDC和ΔVHR相關(guān)，在minicell成品驗證中，只有當(dāng)RDC和ΔVHR同時處于比較低的狀態(tài)下，才能獲得面殘像等級比較低的TFT－LCD模塊。

4 結(jié) 論

本文主要利用mini－cell作為平臺，同時與實際產(chǎn)線數(shù)據(jù)進行對比，對5款配向膜材料進行了綜合性的評價，重點關(guān)注材料在RDC和VHR方面體現(xiàn)的差別，以及RDC和VHR與TFTLCD模塊的面殘影之間的關(guān)聯(lián)。實驗結(jié)果表明，首先，在溫度變化的條件下，配向膜材料優(yōu)異的穩(wěn)定性有助于維持mini－cell的VHR；其次，配向膜材料自身的低電阻率特性有助于存儲電荷的釋放，利于實現(xiàn)較低的RDC；最后，當(dāng)minicell的RDC和ΔVHR同時處于較低水平時，可以獲得面殘影水平較低的TFT－LCD模塊。因此，利用mini－cell對配向膜材料進行評估，通過比較mini－cell的RDC以及ΔVHR數(shù)值，可以間接實現(xiàn)對TFT－LCD的殘影結(jié)果的評估，為實際生產(chǎn)中面影像殘留的改善提供了基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，對TFT－LCD產(chǎn)品殘影改善具有重要的指導(dǎo)性作用。

［1］ Nanno Y，Mini Y，Takeda M E，et al.Characterization of sticking effects of TFT－LCD ［C］／／SID90 Digest，California，USA：SID，1990：404－407.

［2］ Huang P W，Liang B J.Study on image sticking phenomenon in STN LCD ［D］.Taiwan：DMC，2003：667.

［3］ Stojmenovik G，Neyts K，Vermael S，et al.The influence of the driving voltage and ion concentration on the lateral ion transport in nematic liquid crystal displays［J］.J.Appl.Phys.，2005，44（8）：6190－6195.

［4］ Neyts K，Vermael S，Desimple C，et al.Lateral ion transport in nematic liquid crystal devices ［J］.J.Appl.Phys.，2003，94（6）：3891－3896.

［5］ Mizusaki M，Nakanishi Y，Yoshimura Y，et al.Influence of ion on voltage holding ratio in LCD［C］／／IDW’08 Digest，Niigata，Japan：lDW，2008：39－42.

［6］ 李永忠，紀(jì)偉豐，周炎宏.STN－LCD殘影顯示的原理分析及實驗研究［J］.液晶與顯示，2011，2（6）：733－740.Li Y Z，Ji W F，Zhou Y H.Research of image－retention phenomenon in STN－LCD ［J］.Chines Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（6）：733－740.（in Chinese）

［7］ 田園，張亞星，孫玉寶.取向?qū)雍穸葘σ壕臃謮旱挠绊懀跩］.液晶與顯示，2010，25（4）：588－592.Tian Y，Zhang Y X，Sun Y B.Effect of polyimide thickness on voltage grading of liquid crystal layer［J］.Chines Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（4）：588－592.（in Chinese）

［8］ 張武勤.液晶面板PI層電荷累積和釋放過程分析［J］.液晶與顯示，2010，25（3）：351－354.Zhang W Q.Analysis of electric charges accumulation and release in LCD panel PI layer ［J］.Chines Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（3）：351－354.（in Chinese）