TFT-LCD中周边显示不均改善研究
1 引言
配向膜(polyimide, PI) 在TFT-LCD 技术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的涂布设备多采用喷墨打印技术(Inkjet Printing)[1]P139-141，该技术相对旧式的转印方式(Roller Coater) 有PI用量精准，损耗小，效率高等优点，但因为该技术下PI 是靠液滴自然流平成膜，导致边缘出现PI 膜厚偏薄的状况，随着窄边框产品发展，PI 边缘到AA(Active Area) 区域距离不断压缩，面板周边显示问题越显突出，其中周边显示不均问题最为严重。
2 异常解析
2.1 不良现象
液晶面板在进行可靠性分析(Reliability analysis,RA) 的高温高湿动作测试(HPHHO) 时，低灰阶下面板四边边缘会出现显示不均现象，边缘较AA 区呈现发白分层，该区域宽度约1cm。
2.2 CTQ确认
2.2.1 从边缘向内贯穿测量，边缘发白区Cell gap 测量无差异，预倾角NG 区较OK 区偏小约0.2°；
2.2.2 CF 基板去除PI 膜前在钠光灯下可见，去除PI 后不可见；
2.2.3 CF PI 膜厚NG区域较OK区域偏薄100 Å (OK区域PI 膜厚1000 Å)；
2.2.4 测量不同PI 膜厚下TFT-LCD 器件VT 特性，随着PI 膜厚偏薄，PI 膜厚左移；
2.2.5 结论：玻璃基板边缘PI 膜厚偏薄导致显示不均。
2.3 失效机理分析
2.3.1 inkjet printing原理
通过图1 可以建立PI 膜厚计算模型，只需要知道滴落在基板上的液滴间距DotX、DotY、平台移动次数N，PI 液固含量比例S、单滴PI 液质量md、PI 液密度ρ、预主固化膜缩比F 等参数便可计算PI 膜厚：
单位面积内PI 液滴数量C = 1/(DotX*DotY) (1)
单位面积PI 液质量m = C*md(2)
单位面积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间距DotX、DotY 可以通过head 吐出针孔间距L、平台移动速度、液滴吐出频率确定，本实验中采用的head 分A、B 两列吐出，平台来回移动期间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)* md/ρ*S*F (8)
2.3.2 PI湿膜蒸发速率
根据液滴蒸发理论，液滴界面总的蒸发速率[2]
其中Dv是蒸气在空气中的扩散系数，ρs和ρ∞是饱和蒸气的质量密度和体积，可知蒸发率与液滴半径成正比。液滴半径容易推得：
其中θ为接触角，V为液滴体积，可知接触角越小，也就是基板表面越浸润，液滴半径越大。
由(9)、(10) 得，液滴界面蒸发速率：
另外由于本论文研究的是CF基板表面，为POA技术，仅ITO及BM膜层，CF粗糙表面的浸润方程可以用Wenzel 方程表示：
式中θ为测量接触角，θ0为杨氏接触角；Rf为粗糙因子。一般地，光滑表面Rf=1 ，粗糙表面Rf＞1，即表面浸润的界面，越粗糙则越浸润，接触角θ越小。
根据(11)、(12) 可以得出结论：CF 基板表面粗糙度与液滴蒸发速率成正比。
2.3.3 PI膜厚偏薄形成过程
PI 液滴被涂布在基板上扩散成膜，在预烘烤炉中PI 湿膜的前驱膜三相接触点被钉扎住(pinned)，蒸发过程中，在表面张力梯度的作用下，在前驱膜三相接触线处PI 液组分向湿膜中央流动，而湿膜内部PI 液组分从AA 区往三相接触线流动，同时对于整个PI 湿膜而言，三相接触线处温度最高，蒸发通量最大，此处溶剂首先被蒸发干，溶质固化下来，在Marangoni对流持续影响下，湿膜AA区PI 液组分源源不断往三相接触线处流动、堆积，当PI 液湿膜固化成干膜时，便出现边缘PI 出现一个“山峰”，而往内至AA 区之间一段PI 膜厚偏薄的现象。
2.3.4 PI成膜相分离现象
PI 液中含有NMP、DAA、BC 等溶剂成分，同时PI 液蒸发过程中分成上下两层polymer，侧链密度有所不同，下层polymer 不溶于BC，由2.3.3 知三相接触线处温度最高，溶剂首先被蒸发，由于下层polymer 分子运动慢，BC 带动上层polymer 往前移动蒸发，下层polymer 再往前移动蒸发。这样移动速度及蒸发速度的差异导致水平方向上组分不一样，导致侧链浓度差异，侧链浓度差异直接导致对液晶的锚定差异，点灯时呈现显示分层现象。
3 改善实验及结果
根据以上分析，可以从涂布设备参数、基板表面浸润性、液滴烘烤条件、基板搬运条件、PI 溶剂成分配比(改变溶剂沸点、溶解度、表面张力等参数) 等方面抑制marangoni 对流、指进失稳现象，从而达到减轻AA区边缘PI 膜厚偏薄、相分离的现象。本文受限于生产条件，仅从涂布设备参数、预烘烤条件、环境条件调整进行实验改善。
3.1 PI边缘液滴加大
3.1.1 改善机理
当head 喷头孔径结构固定，吐出频率、平台移动速度、涂布次数固定时，PI 膜厚与单滴液滴质量成正比，通过调整喷印设备喷头压电陶瓷电压大小便可控制液滴大小。由于PI 是PI 液滴扩散成膜，可以通过调整喷头吐出的液滴大小，在AA 区内部涂布通常大小的液滴，在外围涂布一圈大液滴，从而有效解决边缘膜厚偏薄问题。
3.1.2 实验实施及实验结论
实验中，AA 区用48 ng 液滴涂布1 000 Å PI 膜厚，外围用58 ng 液滴涂布1200 Å PI 膜厚。实验结果如下图2，(a) 图为SEM 测量PI 膜厚片的位置示意图，从外围往AA 区，依次为区域1、区域2、中心区，本文其他实验条件膜厚切片与该模型一致，(b) 图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å，中心区PI 膜厚1012Å，膜厚差异154Å，(c) 图表明PI 边缘液滴加大实验中，区域1 PI 膜厚958Å，中心区PI 膜厚1007Å，膜厚差异49Å，相对于周边显示不均玻璃膜厚差异已明显缩小。
图2 (a) SEM切片位置，(b) 边缘1200 Å膜厚SEM切片结果，(c) PI边缘液滴加大实验HTHHO结果
3.2 PI液加速蒸发
3.2.1 改善机理
PI 的成膜制程为：涂布前清洗→涂布→预烘烤→自动检查→主烘烤，其中预烘烤主要作用是蒸发掉PI 溶液中的溶剂，起到初步固化效果。由2.3.3内容知，PI 溶液蒸发过程中存在Marangoni对流，溶液组分会往外边缘堆积，最终导致PI最外围形成“山峰”，而靠近AA 区边缘的PI 偏薄的状况，因此若PI 液快速蒸发，可减短Marangoni对流时间，最终达到改善PI 边缘膜偏薄的效果。
3.2.2 实验实施及实验结论
实验中，预烘烤温度采用100 ℃，总的烘烤时间124 s 不变，在PIN1 烘烤时间从8 s 缩短至2s，在PIN2烘烤时间从116 s 增加至122 s。实验结果如下图3， (a)图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å，中心区PI 膜厚1012Å，膜厚差异154Å，(b) 图表明PI 预烘烤在PIN1 的停留缩短后，区域1 PI 膜厚917Å，中心区PI 膜厚1021Å，膜厚差异104Å，相对于周边显示不均玻璃膜厚差异明显缩小，但较PI 边缘液滴加大效果差。
图3 PI预烘烤参数调整PI膜厚SEM切片结果
3.3 PI涂布后FFU风量减小
3.3.1 改善机理
PI 液涂布在玻璃上扩散流平时，流平至一定程度后，PI 边缘三相接触点被钉扎住，但如受外力影响，如环境风速、搬送抖动等会导致钉扎平衡被打破，钉扎点外扩。
3.3.2 实验结论
实验中，我们将PI 涂布后的FFU 风量从800 m3/h下降到400 m3/h。实验结果如下图4，(a) 图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å， 中心区PI 膜厚1012Å，膜厚差异154Å，(b) 图表明PI 预烘烤在PIN1的停留缩短后，区域1 PI 膜厚907Å，中心区PI 膜厚1028Å，膜厚差异121Å，相对于周边显示不均玻璃膜厚差异变小，但是影响效果较PI 边缘液滴加大及PI 预烘烤炉快速蒸发的差。
图4 PI涂布后FFU风量降低对PI边缘膜厚影响
4 结论
本文介绍了PI喷墨打印工艺中周边显示不均的改善方法。讨论了周边显示不均失效的机理，即面板边缘区域PI 膜厚偏薄导致PI 膜侧链偏少，导致预倾角偏低，最后引发周边显示不均不良，而边缘PI 膜厚偏薄是由于PI 液滴的扩散、浸润、蒸发特性导致。可以从涂布设备参数、基板表面浸润性、液滴烘烤条件、基板搬运条件、PI 溶剂成分配比等方面通过抑制Marangoni 对流、指进失稳现象，从而达到减轻AA 区边缘PI 膜厚偏薄、相分离的现象。本文给出了三种有效对策：PI 边缘液滴加大、PI 液加速蒸发、PI 涂布后FFU 风量减小，其中PI 边缘液滴加大最为有效，且操作简单，可有效应用到所有产品设计中。
参考文献：
[1] 马群刚.TFT-LCD原理与设计[M].北京:电子工业出版社.2011:71-75.
[2] 简 G.考文科,帕特里克 J.史密斯,申东用.喷墨打印微制造技术[M].汪浩,孙玉绣,等译.北京:机械工业出版社,2015:82-87.
[3] 黄琛.紫外光照致LCD显示不均研究及改善[J].电子质量,2021(05):32-35.
[4] 辛兰,杨军,李哲,等.TFT-LCD TN曲面显示器色不均现象的研究[J].液晶与显示,2020,35(02):128-135.
[5] 韦昌炜. 影响TFT-LCD液晶安全范围的关键因子研究[D].广州:华南理工大学,2018.
[6] 牟晨. 基于图像处理的TFT-LCD Mura缺陷检测算法研究[D].长春:吉林大学,2018.
[7] 王风华.TFT-LCD制造过程中周边Mura的消除[D].苏州:苏州大学,2014.
（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年5月期）
评论