基于摩擦工藝的漏光不良改善

李其揚(yáng) 王月 張猛 黃助兵

（合肥京東方顯示技術(shù)有限公司 安徽省合肥市 230000）

1 引言

近年來(lái)信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)信息顯示方式的不斷追求，使面板顯示行業(yè)得到了飛速發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)大生產(chǎn)、商業(yè)化之后，TFT-LCD（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display）產(chǎn)品以其輕薄、環(huán)保、高性能等優(yōu)點(diǎn)，尺寸越做越大，應(yīng)用越來(lái)越廣。無(wú)論是小尺寸的手機(jī)屏、還是大尺寸的筆記本電腦（Notebook PC）或監(jiān)視器（Monitor），以及大型化的液晶電視（LCD-TV），到處可見(jiàn)TFT-LCD 的應(yīng)用。自從1888 年奧地利植物學(xué)家F.Reinitzer 發(fā)現(xiàn)液晶，并在1889 年被德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證開(kāi)始，在近一百年的時(shí)間里，液晶一直沒(méi)有被很好地利用。直到1968 年，才有美國(guó)RCA 公司的G.H.Heilmeier 發(fā)明了基于動(dòng)態(tài)散射（Dynamic Scattering,DC）模式的LCD 顯示裝置。一般，把1888 年稱為液晶元年，把1968 年成為L(zhǎng)CD 元年。兩個(gè)元年之間漫長(zhǎng)的80 年成為液晶材料性能與應(yīng)用的研究時(shí)期。目前超TFT-LCD 已成為當(dāng)今顯示領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。

作為TFT-LCD 的主要顯示模式，IPS 以其優(yōu)秀的視野角特性、動(dòng)態(tài)清晰度、色彩還原效果、成為了一種理想顯示技術(shù)。它是一種液晶分子在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)亮度控制的顯示技術(shù)。隨著工藝、材料和像素架構(gòu)的不斷改進(jìn)，IPS 技術(shù)的性能越來(lái)越完善。第一款I(lǐng)PS 產(chǎn)品由日立公司在1996年推出，初衷是改善當(dāng)時(shí)TN 產(chǎn)品在視野角、色彩再現(xiàn)上的缺點(diǎn)。1998 年，為了改善IPS 在斜視野角方向上出現(xiàn)的色偏現(xiàn)象，推出了Super IPS 技術(shù)，簡(jiǎn)稱S-IPS。S-IPS 基本具備了用于TFT-LCD 產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，IPS 模式又衍生出高級(jí)超維場(chǎng)轉(zhuǎn)換（Advanced Super Dimension Switch，ADS）模式。ADS 模式具有超寬視角、超高色彩表現(xiàn)力等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了目前很大的市場(chǎng)份額。

成盒工藝作為TFT-LCD 制作的重要工藝，使用配向膜、CF、液晶、偏光板等重要光學(xué)材料，也是一個(gè)分和分的過(guò)程。第一個(gè)“分”是對(duì)TFT 基板和CF 基板分別進(jìn)行獨(dú)立工藝處理，“合”就是把處理好的TFT 基板合CF 基板貼合，第二個(gè)“分”是從貼合好的大張基板上分割出一個(gè)個(gè)小的液晶顯示屏。由于顯示模式、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同，具體的成盒工藝會(huì)有所差異。不管是哪種顯示模式，和配向膜有關(guān)的處理工藝統(tǒng)一稱為前工程，和貼合有關(guān)的Seal 涂布、液晶滴下、真空貼合等工藝統(tǒng)一稱為中工程，和顯示屏單片形成有關(guān)的玻璃切割、偏光板貼附等處理工藝統(tǒng)一稱為后工程。

配向膜印刷與配向合稱為配向膜處理工藝，目的是在TFT 基板和CF 基板表面形成一層均勻的配向膜，通過(guò)摩擦之類的配向處理，使配向膜對(duì)液晶分子具有配向控制力，保證液晶分子能沿著正確的方向排列，并形成一定的預(yù)傾角。配向膜處理作為一項(xiàng)整體工程，還需要進(jìn)行一些輔助的洗凈、干燥處理。完成的配向膜處理工程依次是：先進(jìn)行基板清洗，使得配向膜和基板之間具有良好的涂布性和浸潤(rùn)性。然后通過(guò)轉(zhuǎn)印或噴墨的形式形成厚度均一的配向膜，干燥處理后使配向膜固化。最后在基板表面進(jìn)行配向處理，并對(duì)配向產(chǎn)生的異物進(jìn)行洗凈去除。

配向處理是使配向膜具有讓液晶分子以某一預(yù)傾角沿著同一方向排列的能力，也就是讓配向膜形成配向各向異性的能力。常用的配向處理利用滾輪外側(cè)的絨布，根據(jù)力學(xué)原理摩擦配向膜。摩擦配向要求顯示屏的顯示領(lǐng)域都被均一處理。摩擦強(qiáng)度低時(shí)會(huì)造成配向能力低，摩擦強(qiáng)度高時(shí)會(huì)造成膜剝離。摩擦?xí)a(chǎn)生塵埃，若塵埃過(guò)大，將造成例子污染。摩擦是一個(gè)摩擦帶電的過(guò)程，帶電量過(guò)大，會(huì)造成靜電破壞。摩擦的方向和液晶顯示模式有關(guān)，影響著視野角、對(duì)比度等光學(xué)指標(biāo)。增大摩擦壓入量和轉(zhuǎn)數(shù)，預(yù)傾角變小。預(yù)傾角過(guò)低會(huì)引起配向不良。預(yù)傾角對(duì)摩擦條件的依存性和配向材料有關(guān)。對(duì)于TN 產(chǎn)品而言，摩擦壓入量的轉(zhuǎn)數(shù)越大，光學(xué)各向異性變大。棉布處理的基板的光學(xué)各向異性值較尼龍布的大。對(duì)于IPS 產(chǎn)品而言，壓入量越大，光學(xué)各向異性越大。但壓入量過(guò)大，由于配向膜會(huì)被摩擦掉，光學(xué)各向異性反而會(huì)變小。對(duì)于IPS 產(chǎn)品而言，根據(jù)配向材料的不同，對(duì)比度對(duì)處理枚數(shù)有一定的依存性。TFT 基板和CF 基板上的臺(tái)階部位，壓入量等摩擦條件、摩擦布、配向材等選擇不合理，易出現(xiàn)配向不良，形成漏光狀態(tài)。

由于摩擦工藝為接觸式取向技術(shù)，會(huì)導(dǎo)致TFT-LCD 產(chǎn)品膜層段差處的聚酰亞胺膜（PI）不易受到布毛取向，所以此位置上的液晶分子排列紊亂，會(huì)產(chǎn)生漏光不良。通常做法為利用丙烯樹(shù)脂（BM）去遮擋漏光區(qū)域。但由于對(duì)產(chǎn)品的高規(guī)格要求，上述做法在屏幕稍彎折的情況下，由于液晶與膜層之間產(chǎn)生了相對(duì)位移，所以BM 無(wú)法有效擋住漏光區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生漏光不良。

本文基于Rubbing 工藝改善此種特殊漏光不良。在摩擦方式和摩擦布特性等方面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最終確定了最佳解決方案。

2 原理介紹

2.1 段差模型

TFT-LCD 產(chǎn)品由陣列基板（TFT）和彩色矩陣基板（CF）對(duì)盒組成。本文主要針對(duì)TFT 基板展開(kāi)討論。TFT 的工藝流程為在玻璃襯底上依次形成柵極、柵極絕緣層、Active 層、源極、漏極和絕緣保護(hù)層。其中源極（Date Line）的膜厚較大，與其旁邊像素區(qū)域（Pixel）會(huì)形成高段差。

摩擦輥（Roller）在取向過(guò)程中，在Date Line 左右兩側(cè)存在上坡、下坡兩個(gè)過(guò)程。布毛在上坡時(shí)由于經(jīng)過(guò)了高段差會(huì)存在壓扁的情況。之后在經(jīng)過(guò)下坡區(qū)域時(shí)，由于布毛未完全恢復(fù)，所以在圖1 藍(lán)色區(qū)域，會(huì)形成布毛無(wú)法接觸到的區(qū)域，就會(huì)導(dǎo)致此區(qū)域的液晶取向紊亂，從而產(chǎn)生漏光不良現(xiàn)象（圖2b）。本文定義此漏光現(xiàn)象為常規(guī)漏光不良，通常做法是利用丙烯樹(shù)脂（BM）去遮擋漏光區(qū)域，可以有效解決此問(wèn)題。

圖1：Date line 段差示意圖

圖2：不良現(xiàn)象

目前由于對(duì)產(chǎn)品的規(guī)格要求日漸嚴(yán)格。在TFT-LCD 產(chǎn)品面板稍微彎折（15°）的情況下，由于液晶與Date Line 膜層之間產(chǎn)生了相對(duì)位移，此時(shí)原本BM 的寬度已無(wú)法遮住漏光區(qū)域，所以會(huì)產(chǎn)生一種特殊漏光不良。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面要求，BM 不可無(wú)限地增大。所以本論文基于Rubbing 工藝為基礎(chǔ)，研究此類特殊漏光的解決方法。

2.2 摩擦取向原理

摩擦配向是在高分子PI 表面用絨布滾輪進(jìn)行接觸式的定向機(jī)械摩擦，摩擦高分子表面所供的能量使高分子主鏈因延伸而定向排列，從而控制液晶配向排列。摩擦配向使液晶分子發(fā)生取向的機(jī)理為表面分子鏈取向理論。配向膜表面分子鏈的定向排列是由于摩擦后形成剪切應(yīng)力的作用形成的。液晶分子長(zhǎng)軸與分子鏈方向一致時(shí)達(dá)到能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了液晶沿一定方向的排列。通常配向能力用摩擦強(qiáng)度（Rubbing Strength，RS）表征，摩擦強(qiáng)度會(huì)對(duì)取向?qū)颖砻嫘蚊伯a(chǎn)生一定的影響，它使取向?qū)颖砻嫘蚊渤尸F(xiàn)出沿摩擦方向取向的趨勢(shì)，并影響液晶分子取向性和預(yù)傾角。一般來(lái)說(shuō)，摩擦強(qiáng)度越大，取向?qū)颖砻嫘蚊踩∠蛐栽酱?，取向?qū)优c液晶分子之間的相互間的錨定力越強(qiáng)，液晶分子取向性越好。利用如下公式：

式中，N 為轉(zhuǎn)速，Λ 為摩擦布毛壓入程度，R 為摩擦輥半徑，ω 是摩擦輥旋轉(zhuǎn)角速度，v 是玻璃基板平移速度。通過(guò)式（1）可知，當(dāng)摩擦輥經(jīng)過(guò)Date Line 下坡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)布毛無(wú)法接觸PI 膜或僅接觸一點(diǎn)PI 膜的情況，此時(shí)摩擦布毛壓入程度Λ 減小，所以RS 會(huì)變小，造成此處PI 表面形貌取向性弱，液晶紊亂，從而形成漏光區(qū)域。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本章在上述原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)三個(gè)方面進(jìn)行討論，分別是摩擦布密度、摩擦布彈性和摩擦方式。需特別說(shuō)明，下述實(shí)驗(yàn)中，均以單個(gè)因素為變量進(jìn)行研究。

3.1 摩擦布密度

摩擦布密度是摩擦工藝的重要影響因素。通常來(lái)講，布毛密度越大，摩擦工藝的取向效果越好。特殊漏光不良的發(fā)生原理為Date Line 旁的下坡區(qū)域由于高段差的影響，導(dǎo)致此位置的取向效果差，從而引起漏光不良。當(dāng)摩擦布在PI膜表面高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，將在PI 表面產(chǎn)生許多密紋，這些密紋又稱為溝槽。這些溝槽會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的錨定力，使液晶分子定向排列。布毛密度的增加，會(huì)使PI 單位面積上的溝槽增多，即增大了PI 分子的錨定力。這樣即使在段差的下坡區(qū)域（此區(qū)域布毛無(wú)法接觸PI 膜或僅接觸一點(diǎn)PI 膜），由于錨定力的增加，也會(huì)使僅接觸一點(diǎn)的PI 分子具有更強(qiáng)的錨定力，從而減小漏光情況。另外，當(dāng)摩擦布經(jīng)過(guò)高段差區(qū)域時(shí)，高密度的摩擦布會(huì)使絨毛更大機(jī)率地接觸到段差下坡區(qū)域的PI膜，改善漏光不良。（圖3）

圖3：不同布毛密度摩擦示意

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下，選取毛密度分別為40000、50000、60000 根/cm的三種布，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表1?？梢缘贸?，布毛密度對(duì)于解決特殊漏光不良有顯著效果。當(dāng)毛密度為60000 根/cm時(shí)，不良發(fā)生率為2.1%。

表1：摩擦布密度與不良發(fā)生率

3.2 摩擦布彈性

摩擦布彈性對(duì)于解決特殊漏光不良同樣起到關(guān)鍵作用。布毛在經(jīng)過(guò)Date Line 上坡時(shí)由于經(jīng)過(guò)了高段差，所以布毛存在壓扁的情況。之后在經(jīng)過(guò)下坡區(qū)域時(shí)，由于布毛未完全恢復(fù)，會(huì)造成下坡區(qū)域的PI 膜沒(méi)有接觸或僅接觸到少量的摩擦布毛，所以產(chǎn)生漏光不良。此時(shí)彈性恢復(fù)力強(qiáng)的摩擦布在經(jīng)過(guò)上坡區(qū)域被壓扁后，會(huì)更快地恢復(fù)到初始狀態(tài)。所以它更容易接觸到下坡區(qū)域的PI 膜。根據(jù)式（1），此時(shí)彈性更大的摩擦布毛壓入程度Λ 更大，摩擦強(qiáng)度（RS）更大，會(huì)使下坡區(qū)域的PI 分子具有更好的錨定力，解決漏光問(wèn)題。

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 分別選取不同彈性的摩擦布設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2。實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)方式為TFT-LCD 基板彎折15°觀察漏光情況。當(dāng)使用彈性為350gf/cm的摩擦布時(shí)，具有顯著的改善效果。

表2：摩擦布彈性與不良發(fā)生率

3.3 對(duì)向摩擦

Date Line 附近下坡區(qū)域的PI 膜，當(dāng)摩擦輥一直為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)（圖1），由于經(jīng)過(guò)了高段差，導(dǎo)致布毛一直沿著順時(shí)針?lè)较虮粔褐?，所以?huì)在下坡區(qū)域出現(xiàn)布毛無(wú)法接觸到的區(qū)域。根據(jù)式（1），此處的PI 膜的Λ 值比較小，PI 分子的錨定力不足，易產(chǎn)生漏光區(qū)域。所以本實(shí)驗(yàn)采取雙輥對(duì)向摩擦的方式（圖4），即1 號(hào)輥?lái)槙r(shí)針轉(zhuǎn)，2 號(hào)輥逆時(shí)針轉(zhuǎn)。圖1 與4 對(duì)比，同樣在下坡區(qū)域，圖1 情況為1 號(hào)輥一直順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生下坡處布毛無(wú)法接觸PI 的情況；圖4 情況為1 號(hào)輥繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)，2 號(hào)逆順時(shí)針轉(zhuǎn)。由于布毛的旋轉(zhuǎn)方向相反，下坡的漏光區(qū)會(huì)被2 號(hào)輥的布毛充分摩擦，使PI 取向性提升，改善了漏光不良。

圖4：對(duì)向摩擦方式

另外，根據(jù)表面分子鏈取向理論，液晶分子長(zhǎng)軸與PI分子鏈方向一致時(shí)，可以達(dá)到最小穩(wěn)定狀態(tài)，完成取向過(guò)程。所以無(wú)論摩擦滾輪的旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針或逆時(shí)針，其取向方向都是一致的。

本實(shí)驗(yàn)選取單向摩擦和對(duì)向摩擦對(duì)比，結(jié)果如表3。實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)方式為TFT-LCD 基板彎折15°觀察漏光情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)向摩擦方式可以將不良控制在2.4%。

表3：摩擦方式與不良發(fā)生率

4 結(jié)論

本文為解決特殊漏光不良（玻璃基板彎折15°的情況下檢測(cè)），從摩擦布密度、彈性和摩擦方式三方面開(kāi)展研究。經(jīng)過(guò)理論分析和通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)論證。得出增大摩擦布密度和彈性，采取對(duì)向的摩擦方式，均可有效改善特殊漏光不良。