光配向技術(shù)在TFT-LCD中的應(yīng)用

馬國靖，王 丹，陸順沙，盧夢夢，郭慶森，宋勇志，陳維濤

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176)

1 引 言

目前在TFT-LCD生產(chǎn)中最為廣泛運(yùn)用的配向技術(shù)是摩擦配向法[1]，摩擦配向即為通過尼龍或者絨布經(jīng)由機(jī)械滾輪旋轉(zhuǎn)接觸基板表面形成微小的溝槽從而實現(xiàn)棒狀液晶分子的排布，液晶分子取向與滾輪摩擦方向相同。然而在對顯示性能要求日益提高的今天,由摩擦引起的缺陷已越來越不容忽視,它產(chǎn)生的大量的粉塵、異物、靜電、摩擦擦痕己經(jīng)成為影響液晶顯示器成品率的一個重要因素，目前已越來越不適用，探索一種新的液晶取向技術(shù)以取代摩擦取向技術(shù)是未來液晶顯示技術(shù)的發(fā)展需要[2-6]。

光配向是近年來興起的一種液晶配向方法，其原理主要是通過偏振紫外光誘導(dǎo)光敏聚合物材料產(chǎn)生選擇性交聯(lián)、分解或者是異構(gòu)反應(yīng)從而產(chǎn)生各向異性，進(jìn)而誘導(dǎo)液晶分子在范德華力的作用下均一取向[7-9]。光控取向技術(shù)是非接觸性取向技術(shù)，是高效率且有著很高穩(wěn)定性的一種取向方式，可以有效地克服摩擦的種種缺點，在液晶顯示領(lǐng)域正在逐漸取代傳統(tǒng)的摩擦取向技術(shù)。目前光配向技術(shù)主要分為以下3類：光交聯(lián)型、光降解型與光異構(gòu)型。本文主要研究光降解型配向技術(shù)在TFT-LCD中的應(yīng)用[10-11]。光配向的主要問題是配向能力不足，本文通過工藝制程的系統(tǒng)研究，在確保產(chǎn)品性能不降低的前提下充分提升配向膜的配向能力。

2 實 驗

2.1 光控取向的制作流程

本文采用日產(chǎn)化學(xué)的光降解型聚酰亞胺酸配向材料，使用噴墨印刷的方式涂覆配向液，通過預(yù)固化和主固化后獲得PI(Polyimide)配向膜。利用254 nm的線性偏振紫外(UV)光對PI膜進(jìn)行照射，然后進(jìn)行二次固化，進(jìn)行優(yōu)化取向和去除斷裂的小分子。制作流程如圖1所示。

圖1 光控取向制作流程示意圖Fig.1 Process flow diagram of optical alignment

固化后的PI膜形成一個整體的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)它經(jīng)過偏振UV光照射后，平行于偏振方向的聚酰亞胺分子會進(jìn)行光降解反應(yīng)，垂直于偏振方向的聚酰亞胺分子鏈會被留下，在范德華力的作用下誘導(dǎo)液晶分子取向排列，光控取向原理示意圖如圖2所示。

圖2 光控取向原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical alignment

2.2 實驗條件

測試選用27.9 cm(10.1 in)ADS產(chǎn)品作為平臺，針對光積量、二次固化的時間和溫度進(jìn)行測試分析。不同光配向工藝測試條件如表1所示。光控取向制作流程完成后，進(jìn)一步完成涂覆封框膠、滴注液晶、對盒、切割，最后進(jìn)行偏光片、電路板及背光的組裝等制程，最終獲得可以顯示的產(chǎn)品。測試設(shè)備主要有：預(yù)傾角測試，大塚電子(OTSUKA)的RETS-4600；各向異性測試，MORITEX的LY-LH30S；面板的光學(xué)特性測試，BMS-1205；亮度測試，CA310。

表1 不同光配向工藝測試條件Tab.1 Test splits of process parameters of optical alignment

3 結(jié)果與討論

3.1 光配向工藝對取向性能的影響

3.1.1 光積量和固化溫度的影響

UV固化的目的就是用254 nm左右的線性紫外光照射PI膜，在垂直于入射偏振光電場方向的主鏈未被破壞、密度最大實現(xiàn)了取向性，即在紫外光照射下，有選擇性地發(fā)生了光降解，出現(xiàn)光學(xué)的各向異性[12]。通過測試配向膜的各向異性可以發(fā)現(xiàn)，在二次固化溫度和時間相同的條件下，光積量從400 mJ/cm2提高到550 mJ/cm2，配向膜各向異性逐漸增加；光積量從550 mJ/cm2提高到700 mJ/cm2，配向膜各向異性逐漸減小，如圖3所示。各向異性值在光積量為550 mJ/cm2時達(dá)到最大，說明光積量大小對配向膜各向異性的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，選擇合適的光積量可以使其各向異性最大化，即配向能力最強(qiáng)。

圖3 不同光積量和固化溫度下配向膜的各向異性值Fig.3 Result of anisotropy under different exposure dose and different bake temperature

從測試結(jié)果分析，在光積量相同的情況下，固化溫度250 ℃的各向異性值普遍高于230 ℃的各向異性值。在本實驗條件下，250 ℃更有利于配向膜各向異性最大化。

3.1.2 固化時間和固化溫度的影響

紫外偏振光照射配向膜表面使平行于偏振光偏振矢量方向的 C=C 雙鍵斷裂,發(fā)生(2+2) 電環(huán)化反應(yīng),而在垂直于偏振矢量方向產(chǎn)生了各向異性,從而使液晶分子在各向異性力的作用下沿垂直于偏振光偏振矢量方向排列起來[13]。二次固化的時間和溫度，主要影響的是外部熱能對分解后的配向膜表面狀態(tài)的影響。外部能量越高越有利于配向膜在不同方向上的差異化，即更有利于配向膜形成各向異性。另外，施加的外部能量越高越有利于去除C=C斷裂產(chǎn)生的小分子結(jié)構(gòu)，確保盒內(nèi)純度。如圖4所示，將光積量固定為550 mJ/cm2，從二次固化20，30，40 min三個時間測試結(jié)果來分析，二次固化溫度在30 min時達(dá)到最佳，時間過長或過短都會帶來下降的趨勢。圖中結(jié)果進(jìn)一步佐證了250 ℃的固化溫度下更有利于配向膜形成各向異性。

圖4 不同固化時間和固化溫度下配向膜的各向異性值Fig.4 Result of anisotropy under different bake time and different bake temperature

3.2 光配向工藝對TFT特性的影響

通過測試TFT基板在只經(jīng)過550 mJ/cm2UV工藝，經(jīng)過550 mJ/cm2UV和230 ℃，30 min的退火工藝以及550 mJ/cm2UV和250 ℃，30 min的退火工藝3種工藝條件，對比測試了TFT基板特性的變化，測試結(jié)果如表2所示。從結(jié)果可知，只經(jīng)過UV處理，TFT的閾值電壓Vth向右偏移1.22 V，Ion降低了約18%，說明UV工藝對TFT特性有劣化的作用。但經(jīng)過UV和退火工藝后，TFT特性可以保持光配向工藝處理之前的狀態(tài)，這是由于退火工藝對TFT的a-Si特性具有恢復(fù)的作用，所以完整的光配向工藝對TFT特性無明顯影響。

表2 不同光配向條件下TFT特性結(jié)果Tab.2 Measuring results of TFT characteristics under different process parameters of optical alignment

3.3 光配向工藝對產(chǎn)品特性的影響

ADS技術(shù)是一種通過TFT基板上的頂層條狀像素電極和底層面狀公共電極之間產(chǎn)生的邊緣電場，使電極之間及電極正上方的液晶分子都能在平行于玻璃基板的平面上發(fā)生轉(zhuǎn)動的技術(shù)。ADS技術(shù)是水平電場的顯示技術(shù)，LC分子水平平面旋轉(zhuǎn)，PI的預(yù)傾角越大則越會影響暗態(tài)畫面的亮度。

本文對比測試了光配向工藝(550 mJ/cm2，250 ℃，30 min)和摩擦工藝的預(yù)傾角數(shù)據(jù)，光配向工藝的預(yù)傾角數(shù)據(jù)為0.2°，而摩擦工藝的一般為2.3°，如圖5所示。通過不同工藝條件下面板的暗態(tài)顯微鏡照片，如圖6所示，可以確認(rèn)，針對ADS產(chǎn)品，光配向工藝可以更有效地降低產(chǎn)品的暗態(tài)漏光，有利于提升產(chǎn)品的對比度。光配向工藝對比度的實際測試結(jié)果為1 511，摩擦工藝對比度為998，相對提升51%。

圖5 光配向工藝和摩擦工藝的預(yù)傾角對比圖Fig.5 Pretilt angle of optical alignment and rubbing alignment

圖6 光配向工藝和摩擦工藝的暗態(tài)下顯微鏡觀察Fig.6 Microscopic of OA and rubbing under black

4 結(jié) 論

本文重點研究了降解型光控取向技術(shù)的制作工藝及其對產(chǎn)品性能的影響。系統(tǒng)研究了不同光配向工藝條件對光配向PI的各向異性以及對TFT特性的影響，確定了光配向PI最優(yōu)配向力的工藝條件。本文結(jié)果可以有效地指導(dǎo)光配向技術(shù)在顯示產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，進(jìn)一步提升液晶顯示屏的畫面品質(zhì)。

通過測試光配向工藝參數(shù)對配向膜的各向異性的結(jié)果可知，隨著光積量的增大和二次固化時間的延長，配向膜的各向異性值有先升高后降低的趨勢，在550 mJ/cm2和30 min的條件下，光配向能力最優(yōu)；在一定范圍內(nèi)二次固化溫度對配向性影響是隨溫度升高，配向膜各向異性值呈現(xiàn)直線上升趨勢。通過改變光配向的工藝條件測試TFT特性變化，發(fā)現(xiàn)只經(jīng)過UV工藝，TFT特性會有明顯的劣化現(xiàn)象，其中閾值電壓提升，Ion電流降低；而經(jīng)過UV和退火工藝后，由于退火工藝對TFT的α-Si特性的恢復(fù)作用，TFT特性恢復(fù)到光配向工藝之前的水平。本文對比分析了光配向技術(shù)和摩擦技術(shù)對產(chǎn)品性能的影響，發(fā)現(xiàn)光配向技術(shù)的預(yù)傾角約為0.2°，產(chǎn)品對比度為1 500左右，與摩擦型產(chǎn)品相比對比度提升了約50%。