液晶擴(kuò)散不均問題的原理分析與改善

李其揚(yáng)，王 月，張 猛，高章飛，韓海濱

(合肥京東方顯示技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引 言

TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display)的發(fā)展過程經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的研究階段，現(xiàn)在已經(jīng)成為人類生活中重要的顯示器件，覆蓋生活中的方方面面。它具有低重量、低功耗、高清晰、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。目前TFT-LCD正在向著畫面質(zhì)量更加清晰飽滿、尺寸更大、厚度更薄、邊框更窄的方向發(fā)展。在TFT-LCD產(chǎn)品的對(duì)盒工藝中，液晶擴(kuò)散不均的問題亟待解決。它的形成原因是由于液晶擴(kuò)散不充分導(dǎo)致的，其消失的時(shí)間一般為6～15 h[4-6]。但是這個(gè)時(shí)間在實(shí)際生產(chǎn)中不具備量產(chǎn)性。另外，擴(kuò)散不均現(xiàn)象消失后約15%的液晶屏?xí)a(chǎn)生污漬現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有很多，包括液晶滴下量過少，液晶盒內(nèi)支撐隔墊物過高等因素[7]。本文在流體Washburn模型的理論基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)改變液晶滴下的形狀、對(duì)盒真空時(shí)間、加熱固化時(shí)間等因素可以有效改善不良。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變液晶的滴下形狀能在保證生產(chǎn)成本及生產(chǎn)節(jié)拍的同時(shí)，有效改善產(chǎn)品液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象，并對(duì)液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象消失后產(chǎn)生的污漬進(jìn)行有效抑制。同時(shí)發(fā)現(xiàn)抽真空時(shí)間和加熱固化時(shí)間的增加也可以有效解決此不良。

2 原 理

2.1 液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象機(jī)理

液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象的形成機(jī)理為陣列基板(TFT)和彩色矩陣基板(CF)的對(duì)盒后，會(huì)在邊角或其他區(qū)域發(fā)現(xiàn)顏色異常，尺寸一般在0.3～0.5 mm之間。以ADS產(chǎn)品為例，正常區(qū)域在有背光的偏光下呈現(xiàn)常黑模式，而異常區(qū)域因?yàn)闆]有受到液晶偏光作用，背光完全透過，所以顯示的是玻璃透過光后的白色，如圖1左所示；擴(kuò)散不均現(xiàn)象消失后約15%的液晶屏?xí)a(chǎn)生污漬現(xiàn)象，如圖1右所示。

圖1 液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象Fig.1 Liquid crystal unfilled phenomena

2.2 液晶擴(kuò)散的Washburn模型

液晶擴(kuò)散的模型分為單基板擴(kuò)散、平行板間擴(kuò)散兩個(gè)過程。單基板擴(kuò)散是指液晶在開放中的環(huán)境依靠自身重力進(jìn)行擴(kuò)散，平行板間擴(kuò)散指液晶在陣列基板和彩膜矩陣基板對(duì)盒后的擴(kuò)散過程。由于平板間擴(kuò)散起到主導(dǎo)作用，而單基板的擴(kuò)散程度較小。所以單基板擴(kuò)散導(dǎo)致的差異可以忽略不計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)過程中只考慮平行基板擴(kuò)散的影響。

液晶是介于液態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間的軟物質(zhì)。液晶在-50 ℃的低溫時(shí)呈現(xiàn)白色塑料狀的晶體狀態(tài)；隨著溫度的上升，逐漸變軟，呈透明油脂狀的黏性流體狀態(tài)；常溫時(shí)黏度變得更小，呈白糖水狀態(tài)。溫度到達(dá)熔點(diǎn)，液晶就會(huì)融化成液體；如果繼續(xù)上升，液晶就變成了透明的液體。變成透明時(shí)的溫度叫做液晶的清亮點(diǎn)[8]。由于實(shí)際生產(chǎn)中無低溫狀態(tài)，所以不用討論低溫情況?，F(xiàn)將液晶在平行板間的擴(kuò)散分為常溫和高溫下的平行板間擴(kuò)散。常溫狀態(tài)為液晶在對(duì)盒設(shè)備內(nèi)的擴(kuò)散過程，高溫狀態(tài)為液晶在熱固化爐內(nèi)的擴(kuò)散過程。工藝流程為先進(jìn)行對(duì)盒，再進(jìn)行高溫?zé)峁袒?。下面從常溫、高溫兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

2.2.1 液晶在常溫下的平行板間擴(kuò)散

液晶在常溫下的平行板間擴(kuò)散主要為液晶在對(duì)盒設(shè)備內(nèi)的過程，此時(shí)液晶分子在平行放置的TFT陣列基板和CF彩膜基板的中間進(jìn)行擴(kuò)散。液晶在常溫下擴(kuò)散遵從流體流動(dòng)Washburn模型[9]：

(1)

其中：t為液晶在平行板間的流動(dòng)時(shí)間，σ為表面張力系數(shù)，x為t時(shí)刻的流體位置，φ為接觸角，μ為流體的黏滯系數(shù)，b為平行板間的距離。

換算之后可得到：

(2)

由Washburn模型可知，液晶分子的擴(kuò)散程度由液晶在平行板間的流體位置χ來表述，χ越大說明液晶在平行板間的擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)、擴(kuò)散程度越理想。而影響流體位置的因素有液晶在平行板間的流動(dòng)時(shí)間、表面張力系數(shù)、接觸角、流體的粘滯系數(shù)、板間距離等。其中，表面張力、接觸角和粘滯系數(shù)均為液晶材料本身因素，很難通過變更工藝條件來改善。平行板間距離b為產(chǎn)品設(shè)計(jì)值，影響到液晶的響應(yīng)時(shí)間和透過率[10]等多種因素，不會(huì)輕易變更。因此本文考慮從改善平行板間的流動(dòng)時(shí)間t方面入手。

另外，同時(shí)考慮到液晶滴下的初始位置s會(huì)直接影響液晶的擴(kuò)散程度。綜上所述，本文從液晶在平行板間的流動(dòng)時(shí)間t和液晶滴下的初始位置s兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，論述液晶擴(kuò)散不均的改善方案。

(1)液晶滴下的初始位置

描述液晶滴下形狀主要分為以下3個(gè)參量：每?jī)膳乓壕У伍g的距離a、液晶滴到液晶屏短邊的距離b和液晶滴到液晶屏長(zhǎng)邊的距離c(圖2)。液晶擴(kuò)散后，在平行板間呈橢圓形向四周擴(kuò)散(圖3)。影響液晶在邊角處擴(kuò)散的主要因素是距離L。

圖2 液晶滴初始位置的a、b、c、L。Fig.2 a,b,c,L of initial position of LC.

(3)

現(xiàn)將t時(shí)刻的流體位置x分為3種情況討論：①χL：無液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象，但是有液晶穿刺現(xiàn)象出現(xiàn)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

液晶在平行板間擴(kuò)散前，由于受到兩基板對(duì)盒時(shí)作用力的影響，會(huì)迅速呈現(xiàn)橢圓形的擴(kuò)散形狀(圖3)。一般情況下它的四角距離屏幕邊緣仍存在一定距離，為液晶擴(kuò)散的薄弱區(qū)域。通常方法為通過減小b和c，使液晶擴(kuò)散的薄弱區(qū)域縮減，從而使擴(kuò)散更充分。但是b、c的縮短會(huì)導(dǎo)致屏幕長(zhǎng)、短邊附近的液晶沖出屏幕像素區(qū)，產(chǎn)生穿刺不良(圖4)。所以本文在下一節(jié)重點(diǎn)討論了通過變更液晶滴下形狀的方法來改善此問題。

圖3 液晶滴擴(kuò)散后的位置Fig.3 Position of LC diffusion

圖4 穿刺不良Fig.4 Seal leak defect

(2)平行板間的流動(dòng)時(shí)間

由Washburn模型可知，增加對(duì)盒時(shí)的真空保持時(shí)間t對(duì)于液晶擴(kuò)散可以起到有利效果。但是實(shí)際生產(chǎn)中，由于此時(shí)液晶屏內(nèi)的封框膠在對(duì)盒時(shí)仍為液態(tài)。如真空時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致液晶擴(kuò)散到封框膠內(nèi)，引起穿刺不良。所以下一節(jié)會(huì)重點(diǎn)針對(duì)真空時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.2.2 液晶在高溫下的平行板間擴(kuò)散

液晶在高溫下的平行板間擴(kuò)散是指液晶在熱固化爐內(nèi)的擴(kuò)散過程。由于熱固化爐內(nèi)溫度為120 ℃，而液晶熔點(diǎn)為100 ℃左右。此時(shí)它已變成液態(tài)，流動(dòng)性更好，更有利于擴(kuò)散。并且經(jīng)過高溫加熱后的封框膠已經(jīng)變成固體，所以不會(huì)產(chǎn)生液晶擴(kuò)散到封框膠內(nèi)的情況，也就不會(huì)產(chǎn)生穿刺不良。

3 結(jié)果與討論

3.1 液晶滴下形狀實(shí)驗(yàn)

以139.7 mm(5.5 in)產(chǎn)品為例，如圖2所示，液晶滴下的滴數(shù)為10滴。其中b、c分別為液晶滴與屏幕短邊和長(zhǎng)邊的距離，L為液晶滴距離邊角的距離(即在t時(shí)刻內(nèi)液晶需要擴(kuò)散的距離)。原始生產(chǎn)條件為2×5的液晶滴下排布(圖2)，此時(shí)b、c、L均比較大，若要減小L，可通過減小b、c來改變，但是這樣就會(huì)增加穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。改善方法將液晶排布變更為“工”字型(圖5)，主要變更點(diǎn)如下：

圖5 新的液晶滴下形狀Fig.5 New LC pattern

(1)由于液晶擴(kuò)散不均主要發(fā)生在液晶屏的4個(gè)邊角。所以實(shí)驗(yàn)通過減小b和c，使L減小。這樣可以增加液晶的擴(kuò)散距離χ，使得屏幕邊角的液晶擴(kuò)散更充分。

(2)當(dāng)減小b時(shí)，屏幕4角的液晶滴和短邊的距離也減小了，會(huì)有穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。但是此時(shí)距離c也同時(shí)減小，使得距離e增加。由于e增加，液晶滴的橫向范圍擴(kuò)散距離增大，使得原本縱向擴(kuò)散的液晶可以橫向移動(dòng)，有效避免短邊中間位置的縱向的穿刺發(fā)生。

原始2×5滴下形狀時(shí)，a=11.8 mm，b=36.5 mm，c=28.5 mm。此時(shí)擴(kuò)散不均的發(fā)生率為9.2%。本實(shí)驗(yàn)通過減小b、c的距離進(jìn)行改善。由于a距離不是關(guān)鍵因素，所以本實(shí)驗(yàn)中涉及的a變更均為配合b減小時(shí)所做出的相應(yīng)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)設(shè)定b的減小步長(zhǎng)設(shè)計(jì)為3 mm，c的減小步長(zhǎng)設(shè)計(jì)為0.5 mm，共進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)。通過結(jié)果可知，當(dāng)b=18.5 mm、c=25.5 mm時(shí)，此時(shí)液晶的擴(kuò)散效果最為理想。若b、c繼續(xù)再減小，會(huì)發(fā)生穿刺不良。根據(jù)Washburn模型可知，改變液晶的滴下形狀可有效降低液晶t時(shí)刻的流體位置，使液晶擴(kuò)散更充分。

表1 液晶滴下形狀與不良發(fā)生率Tab.1 LC pattern and defect ratio

3.2 增加真空對(duì)盒設(shè)備的時(shí)間

真空保持時(shí)間t為設(shè)備內(nèi)達(dá)到一定真空值后的保持時(shí)間。根據(jù)Washburn模型(式(2))可知，t越長(zhǎng)，越有利于液晶在盒內(nèi)的擴(kuò)散。但是由于此時(shí)屏內(nèi)的封框膠在對(duì)盒時(shí)仍為液態(tài)。如真空時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致液晶一直擴(kuò)散到封框膠內(nèi)，會(huì)引起穿刺不良。所以綜合考慮，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表2所示。結(jié)果表明，隨著真空保持時(shí)間的增加，液晶的擴(kuò)散效果更為充分。但是增加到60 s之后，產(chǎn)生了穿刺不良。所以最佳的真空保持時(shí)間為50 s。

表2 真空對(duì)盒設(shè)備保持時(shí)間與不良發(fā)生率Tab.2 Vacuum time and defect ratio

3.3 增加液晶屏熱固化時(shí)間

熱固化時(shí)間是指液晶屏在加熱固化爐內(nèi)的時(shí)間。原始加熱時(shí)間為60 min，此時(shí)仍有液晶擴(kuò)散不均現(xiàn)象發(fā)生。由于液晶熔點(diǎn)為100 ℃左右，此時(shí)它變成液態(tài)，流動(dòng)性更好，更有利于擴(kuò)散。所以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)加熱時(shí)間的方案。同時(shí)，由于此時(shí)封框膠已為固態(tài)，所以不用考慮穿刺影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加熱時(shí)間為100 min時(shí)，擴(kuò)散效果最為理想，如表3所示。由于工廠產(chǎn)能等因素制約，大于100 min不具備量產(chǎn)性。

表3 加熱固化時(shí)間與不良發(fā)生率Tab.3 Heating time and defect ratio

4 結(jié) 論

本文主要對(duì)TFT-LCD行業(yè)中液晶擴(kuò)散不均的現(xiàn)象進(jìn)行研究。通過Washburn模型理論分析，增加液晶的流動(dòng)時(shí)間有利于解決擴(kuò)散不均，同時(shí)改變滴下形狀也可起到同樣效果。結(jié)合實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改變液晶滴下形狀、增加真空保持時(shí)間、延長(zhǎng)加熱固化時(shí)間3種方案可有效改善上述問題。從理論和實(shí)驗(yàn)出發(fā)，論證了液晶擴(kuò)散不均的解決方案。