TFT-LCD中周邊顯示不均改善研究

1   引言

配向膜(polyimide, PI) 在TFT-LCD 技術(shù)中主要起到控制液晶分子排列方向的作用^[1]P71-75。TV 面板中PI的涂布設(shè)備多采用噴墨打印技術(shù)(Inkjet Printing)^[1]P139-141，該技術(shù)相對(duì)舊式的轉(zhuǎn)印方式(Roller Coater) 有PI用量精準(zhǔn)，損耗小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樵摷夹g(shù)下PI 是靠液滴自然流平成膜，導(dǎo)致邊緣出現(xiàn)PI 膜厚偏薄的狀況，隨著窄邊框產(chǎn)品發(fā)展，PI 邊緣到AA(Active Area) 區(qū)域距離不斷壓縮，面板周邊顯示問(wèn)題越顯突出，其中周邊顯示不均問(wèn)題最為嚴(yán)重。

2   異常解析

2.1 不良現(xiàn)象

液晶面板在進(jìn)行可靠性分析(Reliability analysis,RA) 的高溫高濕動(dòng)作測(cè)試(HPHHO) 時(shí)，低灰階下面板四邊邊緣會(huì)出現(xiàn)顯示不均現(xiàn)象，邊緣較AA 區(qū)呈現(xiàn)發(fā)白分層，該區(qū)域?qū)挾燃s1cm。

2.2 CTQ確認(rèn)

2.2.1 從邊緣向內(nèi)貫穿測(cè)量，邊緣發(fā)白區(qū)Cell gap 測(cè)量無(wú)差異，預(yù)傾角NG 區(qū)較OK 區(qū)偏小約0.2°；

2.2.2 CF 基板去除PI 膜前在鈉光燈下可見，去除PI 后不可見；

2.2.3 CF PI 膜厚NG區(qū)域較OK區(qū)域偏薄100 ? (OK區(qū)域PI 膜厚1000 ?)；

2.2.4 測(cè)量不同PI 膜厚下TFT-LCD 器件VT 特性，隨著PI 膜厚偏薄，PI 膜厚左移；

2.2.5 結(jié)論：玻璃基板邊緣PI 膜厚偏薄導(dǎo)致顯示不均。

2.3 失效機(jī)理分析

2.3.1 inkjet printing原理

通過(guò)圖1 可以建立PI 膜厚計(jì)算模型，只需要知道滴落在基板上的液滴間距DotX、DotY、平臺(tái)移動(dòng)次數(shù)N，PI 液固含量比例S、單滴PI 液質(zhì)量m_d、PI 液密度ρ、預(yù)主固化膜縮比F 等參數(shù)便可計(jì)算PI 膜厚：

單位面積內(nèi)PI 液滴數(shù)量C = 1/(DotX*DotY)   (1)

單位面積PI 液質(zhì)量m = C*m_d   (2)

單位面積PI 液厚度t1 = m/(1*ρ)   (3)

烘烤后PI 膜厚度t2 = t1*S   (4)

烘烤后PI 膜厚度t3 = t2*F   (5)

滴落在基板上的液滴間距DotX、DotY 可以通過(guò)head 吐出針孔間距L、平臺(tái)移動(dòng)速度、液滴吐出頻率確定，本實(shí)驗(yàn)中采用的head 分A、B 兩列吐出，平臺(tái)來(lái)回移動(dòng)期間head 均吐出PI，因此

DotX = L/2/N   (6)

DotY = v/f   (7)

由(1)-(7) 得

PI 膜膜厚= 1/(L/2/N*v/f)* m_d/ρ*S*F (8)

2.3.2 PI濕膜蒸發(fā)速率

根據(jù)液滴蒸發(fā)理論，液滴界面總的蒸發(fā)速率^[2]

其中D_v是蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，ρ_s和ρ_∞是飽和蒸氣的質(zhì)量密度和體積，可知蒸發(fā)率與液滴半徑成正比。液滴半徑容易推得：

其中θ為接觸角，V為液滴體積，可知接觸角越小，也就是基板表面越浸潤(rùn)，液滴半徑越大。

由(9)、(10) 得，液滴界面蒸發(fā)速率：

另外由于本論文研究的是CF基板表面，為POA技術(shù)，僅ITO及BM膜層，CF粗糙表面的浸潤(rùn)方程可以用Wenzel 方程表示：

式中θ為測(cè)量接觸角，θ₀為楊氏接觸角；R_f為粗糙因子。一般地，光滑表面R_f=1 ，粗糙表面R_f＞1，即表面浸潤(rùn)的界面，越粗糙則越浸潤(rùn)，接觸角θ越小。

根據(jù)(11)、(12) 可以得出結(jié)論：CF 基板表面粗糙度與液滴蒸發(fā)速率成正比。

2.3.3 PI膜厚偏薄形成過(guò)程

PI 液滴被涂布在基板上擴(kuò)散成膜，在預(yù)烘烤爐中PI 濕膜的前驅(qū)膜三相接觸點(diǎn)被釘扎住(pinned)，蒸發(fā)過(guò)程中，在表面張力梯度的作用下，在前驅(qū)膜三相接觸線處PI 液組分向濕膜中央流動(dòng)，而濕膜內(nèi)部PI 液組分從AA 區(qū)往三相接觸線流動(dòng)，同時(shí)對(duì)于整個(gè)PI 濕膜而言，三相接觸線處溫度最高，蒸發(fā)通量最大，此處溶劑首先被蒸發(fā)干，溶質(zhì)固化下來(lái)，在Marangoni 對(duì)流持續(xù)影響下，濕膜AA區(qū)PI 液組分源源不斷往三相接觸線處流動(dòng)、堆積，當(dāng)PI 液濕膜固化成干膜時(shí)，便出現(xiàn)邊緣PI 出現(xiàn)一個(gè)“山峰”，而往內(nèi)至AA 區(qū)之間一段PI 膜厚偏薄的現(xiàn)象。

2.3.4 PI成膜相分離現(xiàn)象

PI 液中含有NMP、DAA、BC 等溶劑成分，同時(shí)PI 液蒸發(fā)過(guò)程中分成上下兩層polymer，側(cè)鏈密度有所不同，下層polymer 不溶于BC，由2.3.3 知三相接觸線處溫度最高，溶劑首先被蒸發(fā)，由于下層polymer 分子運(yùn)動(dòng)慢，BC 帶動(dòng)上層polymer 往前移動(dòng)蒸發(fā)，下層polymer 再往前移動(dòng)蒸發(fā)。這樣移動(dòng)速度及蒸發(fā)速度的差異導(dǎo)致水平方向上組分不一樣，導(dǎo)致側(cè)鏈濃度差異，側(cè)鏈濃度差異直接導(dǎo)致對(duì)液晶的錨定差異，點(diǎn)燈時(shí)呈現(xiàn)顯示分層現(xiàn)象。

3   改善實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)以上分析，可以從涂布設(shè)備參數(shù)、基板表面浸潤(rùn)性、液滴烘烤條件、基板搬運(yùn)條件、PI 溶劑成分配比(改變?nèi)軇┓悬c(diǎn)、溶解度、表面張力等參數(shù)) 等方面抑制marangoni 對(duì)流、指進(jìn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而達(dá)到減輕AA區(qū)邊緣PI 膜厚偏薄、相分離的現(xiàn)象。本文受限于生產(chǎn)條件，僅從涂布設(shè)備參數(shù)、預(yù)烘烤條件、環(huán)境條件調(diào)整進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改善。

3.1 PI邊緣液滴加大

3.1.1 改善機(jī)理

當(dāng)head 噴頭孔徑結(jié)構(gòu)固定，吐出頻率、平臺(tái)移動(dòng)速度、涂布次數(shù)固定時(shí)，PI 膜厚與單滴液滴質(zhì)量成正比，通過(guò)調(diào)整噴印設(shè)備噴頭壓電陶瓷電壓大小便可控制液滴大小。由于PI 是PI 液滴擴(kuò)散成膜，可以通過(guò)調(diào)整噴頭吐出的液滴大小，在AA 區(qū)內(nèi)部涂布通常大小的液滴，在外圍涂布一圈大液滴，從而有效解決邊緣膜厚偏薄問(wèn)題。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，AA 區(qū)用48 ng 液滴涂布1 000 ? PI 膜厚，外圍用58 ng 液滴涂布1200 ? PI 膜厚。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖2，(a) 圖為SEM 測(cè)量PI 膜厚片的位置示意圖，從外圍往AA 區(qū)，依次為區(qū)域1、區(qū)域2、中心區(qū)，本文其他實(shí)驗(yàn)條件膜厚切片與該模型一致，(b) 圖表明周邊顯示不均的玻璃區(qū)域1 PI 膜厚858?，中心區(qū)PI 膜厚1012?，膜厚差異154?，(c) 圖表明PI 邊緣液滴加大實(shí)驗(yàn)中，區(qū)域1 PI 膜厚958?，中心區(qū)PI 膜厚1007?，膜厚差異49?，相對(duì)于周邊顯示不均玻璃膜厚差異已明顯縮小。

圖2 (a) SEM切片位置，(b) 邊緣1200 ?膜厚SEM切片結(jié)果，(c) PI邊緣液滴加大實(shí)驗(yàn)HTHHO結(jié)果

3.2 PI液加速蒸發(fā)

3.2.1 改善機(jī)理

PI 的成膜制程為：涂布前清洗→涂布→預(yù)烘烤→自動(dòng)檢查→主烘烤，其中預(yù)烘烤主要作用是蒸發(fā)掉PI 溶液中的溶劑，起到初步固化效果。由2.3.3內(nèi)容知，PI 溶液蒸發(fā)過(guò)程中存在Marangoni 對(duì)流，溶液組分會(huì)往外邊緣堆積，最終導(dǎo)致PI最外圍形成“山峰”，而靠近AA 區(qū)邊緣的PI 偏薄的狀況，因此若PI 液快速蒸發(fā)，可減短Marangoni 對(duì)流時(shí)間，最終達(dá)到改善PI 邊緣膜偏薄的效果。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，預(yù)烘烤溫度采用100 ℃，總的烘烤時(shí)間124 s 不變，在PIN1 烘烤時(shí)間從8 s 縮短至2s，在PIN2烘烤時(shí)間從116 s 增加至122 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖3， (a)圖表明周邊顯示不均的玻璃區(qū)域1 PI 膜厚858?，中心區(qū)PI 膜厚1012?，膜厚差異154?，(b) 圖表明PI 預(yù)烘烤在PIN1 的停留縮短后，區(qū)域1 PI 膜厚917?，中心區(qū)PI 膜厚1021?，膜厚差異104?，相對(duì)于周邊顯示不均玻璃膜厚差異明顯縮小，但較PI 邊緣液滴加大效果差。

圖3 PI預(yù)烘烤參數(shù)調(diào)整PI膜厚SEM切片結(jié)果

3.3 PI涂布后FFU風(fēng)量減小

3.3.1 改善機(jī)理

PI 液涂布在玻璃上擴(kuò)散流平時(shí)，流平至一定程度后，PI 邊緣三相接觸點(diǎn)被釘扎住，但如受外力影響，如環(huán)境風(fēng)速、搬送抖動(dòng)等會(huì)導(dǎo)致釘扎平衡被打破，釘扎點(diǎn)外擴(kuò)。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，我們將PI 涂布后的FFU 風(fēng)量從800 m3/h下降到400 m3/h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖4，(a) 圖表明周邊顯示不均的玻璃區(qū)域1 PI 膜厚858?， 中心區(qū)PI 膜厚1012?，膜厚差異154?，(b) 圖表明PI 預(yù)烘烤在PIN1的停留縮短后，區(qū)域1 PI 膜厚907?，中心區(qū)PI 膜厚1028?，膜厚差異121?，相對(duì)于周邊顯示不均玻璃膜厚差異變小，但是影響效果較PI 邊緣液滴加大及PI 預(yù)烘烤爐快速蒸發(fā)的差。

圖4 PI涂布后FFU風(fēng)量降低對(duì)PI邊緣膜厚影響

4   結(jié)論

本文介紹了PI 噴墨打印工藝中周邊顯示不均的改善方法。討論了周邊顯示不均失效的機(jī)理，即面板邊緣區(qū)域PI 膜厚偏薄導(dǎo)致PI 膜側(cè)鏈偏少，導(dǎo)致預(yù)傾角偏低，最后引發(fā)周邊顯示不均不良，而邊緣PI 膜厚偏薄是由于PI 液滴的擴(kuò)散、浸潤(rùn)、蒸發(fā)特性導(dǎo)致。可以從涂布設(shè)備參數(shù)、基板表面浸潤(rùn)性、液滴烘烤條件、基板搬運(yùn)條件、PI 溶劑成分配比等方面通過(guò)抑制Marangoni 對(duì)流、指進(jìn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而達(dá)到減輕AA 區(qū)邊緣PI 膜厚偏薄、相分離的現(xiàn)象。本文給出了三種有效對(duì)策：PI 邊緣液滴加大、PI 液加速蒸發(fā)、PI 涂布后FFU 風(fēng)量減小，其中PI 邊緣液滴加大最為有效，且操作簡(jiǎn)單，可有效應(yīng)用到所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬群剛.TFT-LCD原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社.2011:71-75.

[2] 簡(jiǎn) G.考文科,帕特里克 J.史密斯,申?yáng)|用.噴墨打印微制造技術(shù)[M].汪浩,孫玉繡,等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015:82-87.

[3] 黃琛.紫外光照致LCD顯示不均研究及改善[J].電子質(zhì)量,2021(05):32-35.

[4] 辛蘭,楊軍,李哲,等.TFT-LCD TN曲面顯示器色不均現(xiàn)象的研究[J].液晶與顯示,2020,35(02):128-135.

[5] 韋昌煒. 影響TFT-LCD液晶安全范圍的關(guān)鍵因子研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2018.

[6] 牟晨. 基于圖像處理的TFT-LCD Mura缺陷檢測(cè)算法研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2018.

[7] 王風(fēng)華.TFT-LCD制造過(guò)程中周邊Mura的消除[D].蘇州:蘇州大學(xué),2014.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）