反射式液晶黑點缺陷分析與改善

錢正君 ， 陸正華

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

反射式液晶具有超低功耗、易讀性好、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類家電行業(yè)的顯示領(lǐng)域[1-2]。隨著家電產(chǎn)品的多樣化與全球化，各類電器產(chǎn)品的應(yīng)用及運輸環(huán)境變得越來越復(fù)雜，對零部件質(zhì)量的可靠性提出了更高要求[3-6]。近年來，液晶顯示類出現(xiàn)黑點缺陷的反饋較突出，而黑點的出現(xiàn)嚴(yán)重影響著人們對產(chǎn)品的可視化使用及視覺體驗。目前，尚未有學(xué)者針對此類反射式液晶黑點異常進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究。

本研究從液晶故障件的結(jié)構(gòu)、材料等方面進(jìn)行研究，分析黑點缺陷產(chǎn)生的原因，并通過試驗設(shè)計復(fù)現(xiàn)故障，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，以提高反射式液晶的質(zhì)量可靠性。

1 試驗方法

反射式液晶主要由偏光片、玻璃載體、電極、晶體管和液晶組成[7]，其整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。偏光片是反射式液晶的關(guān)鍵組件，其貼附在液晶玻璃基體上下側(cè)，配合液晶的轉(zhuǎn)動控制光線在液晶面板內(nèi)的通過與否來達(dá)到顯示效果[8]。因此，偏光片的材料和性能直接關(guān)系到液晶的使用可靠性。

圖1 反射式液晶整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic illustration of the overall structure of the reflective liquid crystal

通過對液晶故障件進(jìn)行常規(guī)外觀檢查，發(fā)現(xiàn)液晶顯示界面出現(xiàn)密集的黑點（圖2），嚴(yán)重影響使用視覺效果。對故障件進(jìn)行上電測試，除了黑點區(qū)域無法正常顯示相應(yīng)字符，故障液晶的電性能正常。

圖2 黑點缺陷Fig.2 Black spot defects

對液晶故障件內(nèi)部解剖后，采用高倍景深顯微鏡對黑點處進(jìn)行故障特征觀察，放大倍數(shù)為800～1000，觀察形式為平面觀察和立體觀察；采用掃描電子顯微鏡及能譜測試儀，對黑點區(qū)域進(jìn)行化學(xué)元素分析；對液晶偏光片工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，增大碘溶液濃度及染色時間，提高PVA膜拉伸倍率以增強(qiáng)I在PVA膜上的吸附能力。將工藝改善后的液晶進(jìn)行濕熱老化試驗（試驗環(huán)境為85 ℃、85%RH），并與改善前的液晶樣品進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 失效樣品分析

對故障液晶偏光片進(jìn)行內(nèi)部解剖，剝離Al反射膜后，發(fā)現(xiàn)Al反射膜上存在大量的黏膠殘留（圖3a），黑點在Al反射膜內(nèi)部粘結(jié)面。進(jìn)一步用超景深顯微鏡對黑點表面形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)黑點處疑似為Al反射膜被腐蝕形成的凹坑（圖3b）。

圖3 故障液晶解剖形貌圖Fig.3 Anatomical topography of faulty liquid crystal

對腐蝕凹坑進(jìn)行3D掃描成像觀察，發(fā)現(xiàn)黑點呈明顯的凹坑形貌，凹坑邊緣處存在透明環(huán)形黏膠劑。對凹坑處附近進(jìn)行線性高度測量，發(fā)現(xiàn)Al反射膜基面與黑點凹坑底部高度差約為25 μm（圖4）。

圖4 腐蝕凹坑3D形貌圖Fig.4 3D image of corrosion pit

對故障件的凹坑、邊緣區(qū)域和液晶Al反射膜區(qū)域進(jìn)行形貌觀察和能譜分析，結(jié)果如圖5、表1所示。觀察Al反射膜上PSA殘膠發(fā)現(xiàn)，殘膠厚度較大，邊緣處的表面較為圓滑，分析認(rèn)為PSA膠是由于物理化學(xué)性能改變導(dǎo)致其整體殘留在反射膜上。觀察凹坑內(nèi)表面形貌，1#腐蝕鋁層表面較為平整光滑，只有中心局部區(qū)域有腐蝕殘留， I元素平均含量為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）（圖5a）；2#腐蝕鋁層表面粗糙，腐蝕現(xiàn)象明顯，I元素平均含量為14%（圖5b）； 3#腐蝕鋁層表面具有大量鋁層腐蝕殘留的物質(zhì)，導(dǎo)致凹凸不平的形貌，I元素平均含量為25%（圖5c）。對比圖5a～圖5c的腐蝕形貌發(fā)現(xiàn)，Al反射膜的腐蝕程度越來越嚴(yán)重；對比相應(yīng)的EDS結(jié)果可知，腐蝕越嚴(yán)重的區(qū)域，其I元素含量也越高（表1）。正常液晶Al反射膜區(qū)域無明顯腐蝕現(xiàn)象（圖5d），除正常的C、O、Al、Si元素外，無異常I元素存在。綜合上述分析可知，偏光片中的I元素是導(dǎo)致液晶鋁層腐蝕的直接原因。

圖5 腐蝕鋁層微觀形貌Fig.5 Micro appearance of corroded Al layers

表1 Al反射膜的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Results of energy spectrum analysis of Al reflective film (mass fraction /%)

2.2 失效原因分析

根據(jù)故障跟蹤統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，液晶出現(xiàn)故障的地區(qū)主要為熱帶、亞熱帶等一些高溫濕熱地區(qū)。相關(guān)研究表明，液晶顯示黑點缺陷的故障與惡劣的高溫高濕環(huán)境有直接關(guān)系[9-11]。

結(jié)合反射式液晶偏光片的組成材料[12-14]（表2）作進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)PVA膜上的I為易揮發(fā)物質(zhì)，其在45 ℃左右開始升華，當(dāng)溫度到達(dá)77 ℃時完全升華。TAC膜和PSA膠屬于高分子材料，存在分子間隙，當(dāng)外界溫度達(dá)到I的升華溫度時，由于I元素是以范德華力的方式固定的，結(jié)合穩(wěn)定性較弱，易發(fā)生升華脫離PVA膜并穿透TAC膜和PSA膠，到達(dá)反射膜的Al層。同時，在高濕的環(huán)境條件下，空氣中的部分水汽會穿透反射膜上的PET基膜達(dá)到Al層。其失效機(jī)理示意圖見圖6。

圖6 液晶腐蝕失效機(jī)理示意圖Fig.6 Schematic diagram of corrosion failure mechanism of liquid crystal

表2 偏光片組成材料表[12-14]Table 2 Constituent materials of polarizer [12-14]

Al為活潑金屬，容易失去電子，而I元素的非金屬性強(qiáng)，易得到電子。當(dāng)I元素從PVA膜內(nèi)升華滲透至反射膜上和Al接觸時，在H2O催化作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，3I2+2Al=2AlI3，導(dǎo)致反射膜上Al層不同區(qū)域出現(xiàn)反應(yīng)后的殘留凹坑，顯示為黑點故障現(xiàn)象。

模擬嚴(yán)酷的高溫高濕環(huán)境條件，對現(xiàn)有正常反射式液晶產(chǎn)品進(jìn)行溫度85 ℃、85% RH的老化試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同液晶對雙85老化試驗的承受能力不一致，最快在試驗16 h后即出現(xiàn)嚴(yán)重的黑點現(xiàn)象，與本研究中的故障件一致，故障復(fù)現(xiàn)（表3）。因此，在反射式液晶性能測試過程中增加85 ℃、85% RH老化試驗的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，以對液晶性能可靠性進(jìn)行快速有效評估。

表3 液晶試驗情況Table 3 Testing results of liquid crystal

2.3 改善措施

反射式液晶黑點缺陷產(chǎn)生的主要原因是PVA膜上的I吸附能力不足，導(dǎo)致其在高溫條件下升華溢出。因此，避免該缺陷的措施主要是提高I在PVA膜上的吸附能力。通過降低PVA染著I的生產(chǎn)速度來增加基材與碘液的滲透時間；通過提高硼酸濃度來提高B元素在PVA層的架橋能力，通過提高碘液濃度來增加碘分子數(shù)量提高染色效果，通過提高PVA層拉伸倍率來鎖定碘分子排列和減少碘溢出機(jī)會。通過上述改善后，碘單質(zhì)在PVA膜中的附著力有效提高，內(nèi)部碘分子會更加牢固地嵌入在PVA內(nèi)層膜中，從根本上防止I因高溫發(fā)生升華而揮發(fā)逸出脫離PVA膜。改善后，對樣品進(jìn)行雙85老化試驗，液晶能保持240 h無腐蝕黑點現(xiàn)象，具有良好的質(zhì)量可靠性。反射式液晶性能測試增加85 ℃、85% RH老化試驗的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，可對液晶性能可靠性進(jìn)行快速有效評估。

3 結(jié)論

1）反射式液晶黑點為偏光片Al層發(fā)生腐蝕形成的坑洞，與PVA膜中的I元素有直接關(guān)系。

2）在高溫高濕環(huán)境下，PVA膜上I升華滲透至反射膜Al層，在H2O催化作用下發(fā)生腐蝕反應(yīng)形成黑點。

3）降低PVA染著碘生產(chǎn)速度、提高硼酸濃度、碘液濃度以及PVA層拉伸倍率，以增強(qiáng)I元素在PVA膜上的吸附能力，可有效防止液晶偏光片腐蝕。