液晶器件制作工艺技术

1、 江南style元芳：上课了！引言 从1888年材料液晶态的发现,到1976年夏普的第一个液晶显示器件的诞生,再到目前大屏幕液晶电视的出现并成为市场主导,液晶的研究从未间断。液晶显示产品遍布我们生活的每个角落。简单的计算器、家用电器、测量仪器的显示屏、电视机屏幕、电脑显示器、液晶窗帘、车载显示器件、消费电子产品等都离不开液晶显示技术的支持。在包括光开关在内的通信用液晶器件和以薄膜晶体管液晶显示器件( TFT2LCD)为主的显示器件中,最关键的参数之一是液晶器件对控制信号的反应速度。而决定反应速度的因素除了材料本身性质外,液晶器件中液晶材料在电极面上的取向是一个重要的外部因素。液晶取向技术是使电

2、极界面处的液晶分子整齐排列,且形成一定预倾角的技术。通过选择合适的取向层材料和取向技术,优化液晶表面排列和预倾角,可以使液晶的响应时间得到改善,液晶显示器件的视角得到扩展。因此,取向技术在很大程度上影响液晶器件的性能。液晶器件制作工艺技术取向排列工艺主讲人：10级光电李全明指导老师：朱雪萍任务三：取向排列工艺任务三：取向排列工艺LCDLCD显示原理显示原理2.2.取向工艺简介取向工艺简介 液晶分子在屏内是按照某一方向规律排列的。（型和型） 液晶显示依赖于基板表面膜的表面各向异性处理而得到不同液晶分子排列。液晶分子的取向是液晶显示的关键技术之一。为实现这一点，设置有特定取向的涂覆膜或者摩擦出沟槽

3、，以作为约束液晶分子取向排列的手段。 取向排列技术大致可以分为两种：摩擦取向技术 摩擦取向技术是1911 年由莫根(Maugin) 发现的 。这一发现对于液晶显示技术的发展起到了重要的作用,至今为止仍然是各类液晶显示器制造过程中使用最广泛的取向技术。所谓摩擦取向就是利用尼龙、纤维或棉绒等材料按一定方向摩擦液晶显示器的取向膜,使薄膜表面状况发生改变,对液晶分子产生均一的锚定作用,从而使液晶分子在液晶显示器的两片玻璃板之间的某一区域内,以一定的预倾角呈现均匀、一致的排列。取向效果的好坏对于液晶显示器的均一性、视角、色差、响应速度、阈值电压等基本性能都有重要影响。摩擦取向技术 摩擦取向技术虽然是液晶

4、显示器工业中最成熟、最可靠、应用最广泛的取向技术,但是无论在实践上还是在理论上摩擦取向技术都仍然存在一些问题,主要表现在以下几点:1. 随着液晶显示模式从扭曲( TN2LCD) 发展到超扭曲(STN2LCD) 、薄膜晶体管( TFT2LCD) 、薄膜2极管（TFD）、IPS硬屏(Super TFT),工业生产对取向技术的要求越来越高。摩擦过程中容易产生静电,这会造成薄膜晶体管的击穿2 ;由于摩擦过程产生绒毛尘埃,摩擦后必须增加清洗、干燥工序,降低了生产效率;另外还有少数绒毛即使通过清洗工序也很难彻底清除,影响LCD 的显示效果,甚至出现次品3 。2. 随着液晶显示器生产线从第一代发展到第六代,

5、所加工的基板玻璃尺寸也由第一代的320mm 400mm 发展到第六代的1 500mm1 800mm、1 800mm 2 000mm。随着所加工基板面积的增大,在整个基板范围内获得完全均一取向的难度也越来越大。 摩擦处理如何使液晶分子发生取向 ,其机理目前尚无定论。流行的理论有两种：沟槽理论和表面分子链取向 理论。（1）“沟槽”理论 沟槽理论认为用尼龙、纤维或棉绒等材料按一定方向摩擦取向膜,将在取向膜表面产生定向的、一端宽深另一端窄浅的表面密纹或划痕,这些表面密纹或划痕又称为沟槽。由于液晶显示器使用的液晶分子呈长棒形,所以取向层处的液晶分子将沿着沟槽方向排列。“沟槽”理论 沟槽理论认为用尼龙、纤

6、维或棉绒等材料按一定方向摩擦取向膜,将在取向膜表面产生定向的、一端宽深另一端窄浅的表面密纹 或划痕,这些表面密纹或划痕又称为沟槽,如图2 所示。由于液晶显示器使用的液晶分子呈长棒形,它只有沿着沟槽排列时体系的能量才最低。也就是说,当体系处于热平衡时,体系必定处于能量最小的状态,取向层处的液晶分子将沿着沟槽方向排列。由于整个体系液晶分子都呈长棒形结构,再加上分子之间相互作用,使整个体系的液晶分子都形成特定排列的稳定结构,产生取向作用。这种取向作用只有当长棒型液晶分子的尺寸与沟槽的尺寸相当时才是最强烈的,如果液晶分子的尺寸远大于沟槽的尺寸,取向作用将消失。图2 取向膜摩擦方向与预倾角的关系基板 摩

7、擦方向 PI层沟槽预斜角基板摩擦方向表面分子链理论 表面分子链理论的由来：Eung Sang Lee等人通过实验发现取向不是由沟槽直接导致的,而是由其他因素产生的,还发现某些经摩擦的聚合物可显示出对液晶分子很强的取向能力,然而在其表面却观察不到密纹或划痕。为了克服以上困难, Castellano等提出了“取向层表面分子链取向”理论。（2）表面分子链理论 表面分子链理论认为:摩擦取向层表面将会导致取向层中分子链的定向排列,当液晶分子与已取向的分子链接触时,液晶分子以一种类似晶体外延的方式从取向层表面外延出去,从而对液晶分子取向产生影响。表面分子链理论 LCD生产领域使用摩擦取向法 ,有易于大规模

8、生产的技术优势 ,但摩擦产生的静电和尘埃会引起 LCD瑕疵 ,从而影响显示器的品质和成品率 摩擦不仅在聚合物表面形成密纹结构而且在摩擦方向上诱发了分子链的宏观取向,但这种取向在微观范围内是不均匀的,因此导致了液晶分子的局部取向的不均匀性。由此可以得出：摩擦导致取向层表面的各向异性,而液晶分子在这种表面上与取向层分子相互作用,由于在各个方向上受力不同,为了达到能量最小的稳定态,液晶分子沿受力最大的方向排列。摩擦取向实质：摩擦取向方向的局限性 摩擦取向具有稳定性高、可靠性好以及适合大面积处理等优点,在短期内仍将是工业生产的主要技术;但摩擦取向工艺存在尘埃污染、静电危害、非平面的基板难以应用、能耗高

9、、不经济、在一块基板上很难实现分区域不同方向取向等问题,需要对传统的摩擦取向工艺继续研究;在取向材料的研究方面,寻找适合各种预倾角要求的材料一直是各国关注的重点;取向理论方面,摩擦取向的机理尚需进一步探讨。要克服摩擦法固有的缺点,近年来非摩擦法获得了长足的进展。非摩擦法液晶取向技术中能应用于工业的主要有光控取向技术、倾斜蒸镀法、LB膜技术。 非摩擦取向技术主要有倾斜蒸镀法、光控取向技术等。 倾斜蒸镀倾斜蒸镀 倾斜蒸镀指的是将金属、氧化物、氟化物等无机材料在与基板的法线方向成某个角度的方向上进行蒸镀的工艺,目的是形成一种倾斜排列的取向膜。蒸镀角小(520)时,可以实现液晶分子的垂直排列;蒸镀角大

10、(2045)时,可以实现平行排列，如下图所示。非摩擦取向：倾斜蒸镀倾斜蒸镀在早期的LCD生产中,由于使用易水解的西夫碱液晶,因此必须使用能确保器件长期可靠的低熔点玻璃密封剂。那时使用的取向膜材料主要是SiOx系列的无机材料,此种薄膜耐光、热特性好,曾一度作为高可靠性的、能承受低熔点玻璃密封加热温度的取向膜而广为人知。用SiOx做取向层,因为其蒸镀所需的温度很高,真空工艺的生产效率低下,对大尺寸基板的设备昂贵,所以在一般的LCD生产中已经被淘汰。但近年来随着硅基液晶微显示器件(LCoS)的出现,因这类器件一般作为光调制器件在投影系统中应用,对器件的光热稳定性要求极高,并且要求液晶器件具有快速的响

11、应速度来通过时序彩色技术实现全彩显示,使得对使用具有垂直取向的无机蒸镀工艺成为需求。在传统的有机取向层中,由于高密度的光照,在P I取向层和液晶分子都产生光化学反应,产生一部分自由基,这两种自由基会产生不可逆转的化学反应,产生一层没有取向作用的物质,如果这种物质包含脂肪族片段,将会使得液晶分子偏离最优取向方向。此外, PI层也会因光照而产生分解作用,这样会影响液晶分子取向效果。两种情况使得取向层性能退化很快,从而影响液晶分子的取向,进一步地影响显示效果。所以高功率的光照对有机PI的取向稳定性来说,是一个不小的挑战。此外,由于P I取向一般用于平行取向,这样在LCoS这样一个要求快速响应的器件中

12、,平行取向似乎并不合适。虽然倾斜蒸镀工艺条件苛刻,产率低下且不适合大尺寸面板的生产,但是其取向层具有优异的光热稳定性,并且可以实现垂直取向来达到快速响应的目的。这两个优势,使得淡出人们视野的倾斜蒸镀技术再次引起人们的关注 19 。在日本VC公司的D2ILA型的投影产品中,由于使用无机材料取向层镀膜技术,取向层可以取得很高的稳定性,并且可以显示出高达5 0001的对比度。在使用有机取向层的其他LCD投影产品中,取向层的可靠性会退化,而且显示颜色在使用2 500小时之后就会退化到不可接受的程度。光控取向技术 (1) 基本原理。摩擦法虽然有不少的生产便利之处,但是不能应用于多畴工艺。随着大视角的多畴

13、工艺的兴起,人们开始寻找其他的可以应用于多畴工艺并且不失摩擦法优点的取向工艺。20世纪80年代中叶。Martin Schardt 14 等人开发了一种新型的液晶取向技术,即线性偏振紫外光聚合技术LPP ,简称光控取向技术。其基本原理是,利用紫外光敏聚合物单体材料光化学反应产生的各向异性,使液晶分子定向排列。这种光取向方法如图3所示,首先在一个衬底如ITO玻璃上涂敷一层光敏高分子膜,然后用紫外偏振光照射,只有与偏振光偏振方向平行的光敏集团发生光化学反应,取向膜上产生各向异性,从而诱导液晶分子取向。如图3UV灯凸透镜泰勒棱镜光敏聚合物衬底 光控取向技术原理图2.3.2 2.3.2 取向材料取向材料

14、 1.什么是取向材料？大大人，取向 材料就是，就是是. 取向材料取向材料是起取向作用的物理载体,它的热膨胀率、折射率、透明性、热稳定性、抗辐射性以及取向预倾角等都是重要的产品参数,液晶显示器件在应用中取向膜材料所应具有的特性如表1 所示。表1 对取向膜的性能要求28 参数对取向膜的性能要求 固化特性 ：单体具有良好的可溶性,通过固化可形成 均匀的不溶不熔的薄膜 机械特性 ： 不产生摩擦筋条, 不产生取向膜的切削。 取向特性 ： 预倾角的控制性良好、摩擦余地大,对热 处理取向稳定性好电气特性 电压保 持率高、频率特性良好、不产生静电破 坏。 其他特性 ： 与液晶无任何化学作用、与玻璃有良好的 结

15、合力，易涂布,不产生针孔、对水不敏感 最好具有较低的固化温度、高的Tg 和良 好的透明性。取向材料 目前对取向材料的取向稳定性及预倾角的研究是热点课题。对于摩擦取向工艺,目前常用的材料有聚酰亚胺( polyimide ) 、聚苯乙烯(polystyrene ) 、聚乙烯酸( PVA ) 、聚氯乙烯(PVC) 、有机玻璃( PMMA) 等,其中聚酰亚胺由于其很好的化学稳定性、优良的机械性能、高绝缘性、耐高温、高介电强度、耐辐射和不可燃等优良性能,而被广泛地使用于现在的工业生产取向材料：聚酰亚胺（1）简介 聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，聚酰亚胺具有优异的热稳定性和化学稳定性，可耐35

16、0一450的高温，优异的绝缘性，优良的介电性能，良好的力学性能。LCD中液晶取向膜材料要求材料具有均匀性、重复性、与液晶材料的相容性和稳定性，聚酰亚胺由此成为了不错的选择。高分子化合物结构式（2）工作原理 聚酰亚胺酸（PA），在一定条件下脱水得到聚酰亚胺。（3）聚酰亚胺的特性a.高温光照下会反应b.暴露在空气中容易吸潮，降低性能（4）主要参数：聚酰亚胺具有良好的介电性能，介电常数为3.4左右，引入氟，或将空气纳米尺寸分散在聚酰亚胺中，介电常数可以降到2.5左右。介电损耗为10-3，介电强度为100300KV/mm，广成热塑性聚酰亚胺为300KV/mm，体积电阻为1017/cm。这些性能在宽广的

17、温度范围和频率范围内仍能保持在较高的水平。 随着工业要求的提高, PI 的一些改良品相继问世,为了降低PI 的吸水性、增加柔软性、可加工性和温度特性,20 世纪80 年代初美国和日本一些公司推出了含硅PI29 ,把疏水性的硅氧链引入PI 结构中,这也改善了与SiO2 膜( TOP 涂布层) 的粘接性能。含氟PI 在传统的PI 结构基础上,使部分结构氟化,这样能降低PI 的吸水性,自由控制热膨胀率和折射率,改善透明性,另外含氟PI 可以做到有较高的预倾角。近几年对含有CnH2 n + 1侧链的PI 的研究报道也不少30 。研究表明CnH2 n + 1侧链会影响PI 主链倾角,主链倾角随着n 的增加而单调增加,而预倾角正比于主链倾角,所以CnH2 n + 1侧链可以间接地影响LC的预倾角。 展望 液晶显示器的制作工艺十分复杂,其中取向层的制备是一个很重要的工艺过程。对于追求产率的现代生产,采用何种工艺,在满足技术要求的条件下,达到良好的产率