基于摩擦工艺的漏光不良改善

李其扬 王月 张猛 黄助兵

（合肥京东方显示技术有限公司 安徽省合肥市 230000）

1 引言

近年来信息技术的飞速发展以及人们对信息显示方式的不断追求，使面板显示行业得到了飞速发展。在实现大生产、商业化之后，TFT-LCD（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display）产品以其轻薄、环保、高性能等优点，尺寸越做越大，应用越来越广。无论是小尺寸的手机屏、还是大尺寸的笔记本电脑（Notebook PC）或监视器（Monitor），以及大型化的液晶电视（LCD-TV），到处可见TFT-LCD 的应用。自从1888 年奥地利植物学家F.Reinitzer 发现液晶，并在1889 年被德国物理学家O.Lehmann 通过实验验证开始，在近一百年的时间里，液晶一直没有被很好地利用。直到1968 年，才有美国RCA 公司的G.H.Heilmeier 发明了基于动态散射（Dynamic Scattering,DC）模式的LCD 显示装置。一般，把1888 年称为液晶元年，把1968 年成为LCD 元年。两个元年之间漫长的80 年成为液晶材料性能与应用的研究时期。目前超TFT-LCD 已成为当今显示领域中的主流产品。

作为TFT-LCD 的主要显示模式，IPS 以其优秀的视野角特性、动态清晰度、色彩还原效果、成为了一种理想显示技术。它是一种液晶分子在平面内转动，实现亮度控制的显示技术。随着工艺、材料和像素架构的不断改进，IPS 技术的性能越来越完善。第一款IPS 产品由日立公司在1996年推出，初衷是改善当时TN 产品在视野角、色彩再现上的缺点。1998 年，为了改善IPS 在斜视野角方向上出现的色偏现象，推出了Super IPS 技术，简称S-IPS。S-IPS 基本具备了用于TFT-LCD 产品的技术基础。

经过多年的发展，IPS 模式又衍生出高级超维场转换（Advanced Super Dimension Switch，ADS）模式。ADS 模式具有超宽视角、超高色彩表现力等优点，占据了目前很大的市场份额。

成盒工艺作为TFT-LCD 制作的重要工艺，使用配向膜、CF、液晶、偏光板等重要光学材料，也是一个分和分的过程。第一个“分”是对TFT 基板和CF 基板分别进行独立工艺处理，“合”就是把处理好的TFT 基板合CF 基板贴合，第二个“分”是从贴合好的大张基板上分割出一个个小的液晶显示屏。由于显示模式、产品设计的不同，具体的成盒工艺会有所差异。不管是哪种显示模式，和配向膜有关的处理工艺统一称为前工程，和贴合有关的Seal 涂布、液晶滴下、真空贴合等工艺统一称为中工程，和显示屏单片形成有关的玻璃切割、偏光板贴附等处理工艺统一称为后工程。

配向膜印刷与配向合称为配向膜处理工艺，目的是在TFT 基板和CF 基板表面形成一层均匀的配向膜，通过摩擦之类的配向处理，使配向膜对液晶分子具有配向控制力，保证液晶分子能沿着正确的方向排列，并形成一定的预倾角。配向膜处理作为一项整体工程，还需要进行一些辅助的洗净、干燥处理。完成的配向膜处理工程依次是：先进行基板清洗，使得配向膜和基板之间具有良好的涂布性和浸润性。然后通过转印或喷墨的形式形成厚度均一的配向膜，干燥处理后使配向膜固化。最后在基板表面进行配向处理，并对配向产生的异物进行洗净去除。

配向处理是使配向膜具有让液晶分子以某一预倾角沿着同一方向排列的能力，也就是让配向膜形成配向各向异性的能力。常用的配向处理利用滚轮外侧的绒布，根据力学原理摩擦配向膜。摩擦配向要求显示屏的显示领域都被均一处理。摩擦强度低时会造成配向能力低，摩擦强度高时会造成膜剥离。摩擦会产生尘埃，若尘埃过大，将造成例子污染。摩擦是一个摩擦带电的过程，带电量过大，会造成静电破坏。摩擦的方向和液晶显示模式有关，影响着视野角、对比度等光学指标。增大摩擦压入量和转数，预倾角变小。预倾角过低会引起配向不良。预倾角对摩擦条件的依存性和配向材料有关。对于TN 产品而言，摩擦压入量的转数越大，光学各向异性变大。棉布处理的基板的光学各向异性值较尼龙布的大。对于IPS 产品而言，压入量越大，光学各向异性越大。但压入量过大，由于配向膜会被摩擦掉，光学各向异性反而会变小。对于IPS 产品而言，根据配向材料的不同，对比度对处理枚数有一定的依存性。TFT 基板和CF 基板上的台阶部位，压入量等摩擦条件、摩擦布、配向材等选择不合理，易出现配向不良，形成漏光状态。

由于摩擦工艺为接触式取向技术，会导致TFT-LCD 产品膜层段差处的聚酰亚胺膜（PI）不易受到布毛取向，所以此位置上的液晶分子排列紊乱，会产生漏光不良。通常做法为利用丙烯树脂（BM）去遮挡漏光区域。但由于对产品的高规格要求，上述做法在屏幕稍弯折的情况下，由于液晶与膜层之间产生了相对位移，所以BM 无法有效挡住漏光区域，会产生漏光不良。

本文基于Rubbing 工艺改善此种特殊漏光不良。在摩擦方式和摩擦布特性等方面设计实验，最终确定了最佳解决方案。

2 原理介绍

2.1 段差模型

TFT-LCD 产品由阵列基板（TFT）和彩色矩阵基板（CF）对盒组成。本文主要针对TFT 基板展开讨论。TFT 的工艺流程为在玻璃衬底上依次形成栅极、栅极绝缘层、Active 层、源极、漏极和绝缘保护层。其中源极（Date Line）的膜厚较大，与其旁边像素区域（Pixel）会形成高段差。

摩擦辊（Roller）在取向过程中，在Date Line 左右两侧存在上坡、下坡两个过程。布毛在上坡时由于经过了高段差会存在压扁的情况。之后在经过下坡区域时，由于布毛未完全恢复，所以在图1 蓝色区域，会形成布毛无法接触到的区域，就会导致此区域的液晶取向紊乱，从而产生漏光不良现象（图2b）。本文定义此漏光现象为常规漏光不良，通常做法是利用丙烯树脂（BM）去遮挡漏光区域，可以有效解决此问题。

图1：Date line 段差示意图

图2：不良现象

目前由于对产品的规格要求日渐严格。在TFT-LCD 产品面板稍微弯折（15°）的情况下，由于液晶与Date Line 膜层之间产生了相对位移，此时原本BM 的宽度已无法遮住漏光区域，所以会产生一种特殊漏光不良。由于产品设计等方面要求，BM 不可无限地增大。所以本论文基于Rubbing 工艺为基础，研究此类特殊漏光的解决方法。

2.2 摩擦取向原理

摩擦配向是在高分子PI 表面用绒布滚轮进行接触式的定向机械摩擦，摩擦高分子表面所供的能量使高分子主链因延伸而定向排列，从而控制液晶配向排列。摩擦配向使液晶分子发生取向的机理为表面分子链取向理论。配向膜表面分子链的定向排列是由于摩擦后形成剪切应力的作用形成的。液晶分子长轴与分子链方向一致时达到能量最小的稳定状态，从而实现了液晶沿一定方向的排列。通常配向能力用摩擦强度（Rubbing Strength，RS）表征，摩擦强度会对取向层表面形貌产生一定的影响，它使取向层表面形貌呈现出沿摩擦方向取向的趋势，并影响液晶分子取向性和预倾角。一般来说，摩擦强度越大，取向层表面形貌取向性越大，取向层与液晶分子之间的相互间的锚定力越强，液晶分子取向性越好。利用如下公式：

式中，N 为转速，Λ 为摩擦布毛压入程度，R 为摩擦辊半径，ω 是摩擦辊旋转角速度，v 是玻璃基板平移速度。通过式（1）可知，当摩擦辊经过Date Line 下坡时，会出现布毛无法接触PI 膜或仅接触一点PI 膜的情况，此时摩擦布毛压入程度Λ 减小，所以RS 会变小，造成此处PI 表面形貌取向性弱，液晶紊乱，从而形成漏光区域。

3 实验结果与讨论

本章在上述原理的基础上设计实验。针对三个方面进行讨论，分别是摩擦布密度、摩擦布弹性和摩擦方式。需特别说明，下述实验中，均以单个因素为变量进行研究。

3.1 摩擦布密度

摩擦布密度是摩擦工艺的重要影响因素。通常来讲，布毛密度越大，摩擦工艺的取向效果越好。特殊漏光不良的发生原理为Date Line 旁的下坡区域由于高段差的影响，导致此位置的取向效果差，从而引起漏光不良。当摩擦布在PI膜表面高速旋转时，将在PI 表面产生许多密纹，这些密纹又称为沟槽。这些沟槽会产生强烈的锚定力，使液晶分子定向排列。布毛密度的增加，会使PI 单位面积上的沟槽增多，即增大了PI 分子的锚定力。这样即使在段差的下坡区域（此区域布毛无法接触PI 膜或仅接触一点PI 膜），由于锚定力的增加，也会使仅接触一点的PI 分子具有更强的锚定力，从而减小漏光情况。另外，当摩擦布经过高段差区域时，高密度的摩擦布会使绒毛更大机率地接触到段差下坡区域的PI膜，改善漏光不良。（图3）

图3：不同布毛密度摩擦示意

实验设计如下，选取毛密度分别为40000、50000、60000 根/cm的三种布，进行实验。结果如表1。可以得出，布毛密度对于解决特殊漏光不良有显著效果。当毛密度为60000 根/cm时，不良发生率为2.1%。

表1：摩擦布密度与不良发生率

3.2 摩擦布弹性

摩擦布弹性对于解决特殊漏光不良同样起到关键作用。布毛在经过Date Line 上坡时由于经过了高段差，所以布毛存在压扁的情况。之后在经过下坡区域时，由于布毛未完全恢复，会造成下坡区域的PI 膜没有接触或仅接触到少量的摩擦布毛，所以产生漏光不良。此时弹性恢复力强的摩擦布在经过上坡区域被压扁后，会更快地恢复到初始状态。所以它更容易接触到下坡区域的PI 膜。根据式（1），此时弹性更大的摩擦布毛压入程度Λ 更大，摩擦强度（RS）更大，会使下坡区域的PI 分子具有更好的锚定力，解决漏光问题。

根据上述原理设计实验， 分别选取不同弹性的摩擦布设计实验，结果如表2。实验的检测方式为TFT-LCD 基板弯折15°观察漏光情况。当使用弹性为350gf/cm的摩擦布时，具有显著的改善效果。

表2：摩擦布弹性与不良发生率

3.3 对向摩擦

Date Line 附近下坡区域的PI 膜，当摩擦辊一直为顺时针旋转时（图1），由于经过了高段差，导致布毛一直沿着顺时针方向被压着，所以会在下坡区域出现布毛无法接触到的区域。根据式（1），此处的PI 膜的Λ 值比较小，PI 分子的锚定力不足，易产生漏光区域。所以本实验采取双辊对向摩擦的方式（图4），即1 号辊顺时针转，2 号辊逆时针转。图1 与4 对比，同样在下坡区域，图1 情况为1 号辊一直顺时针旋转，会产生下坡处布毛无法接触PI 的情况；图4 情况为1 号辊继续顺时针转，2 号逆顺时针转。由于布毛的旋转方向相反，下坡的漏光区会被2 号辊的布毛充分摩擦，使PI 取向性提升，改善了漏光不良。

图4：对向摩擦方式

另外，根据表面分子链取向理论，液晶分子长轴与PI分子链方向一致时，可以达到最小稳定状态，完成取向过程。所以无论摩擦滚轮的旋转是顺时针或逆时针，其取向方向都是一致的。

本实验选取单向摩擦和对向摩擦对比，结果如表3。实验的检测方式为TFT-LCD 基板弯折15°观察漏光情况。通过实验数据可知，对向摩擦方式可以将不良控制在2.4%。

表3：摩擦方式与不良发生率

4 结论

本文为解决特殊漏光不良（玻璃基板弯折15°的情况下检测），从摩擦布密度、弹性和摩擦方式三方面开展研究。经过理论分析和通过大量的实验论证。得出增大摩擦布密度和弹性，采取对向的摩擦方式，均可有效改善特殊漏光不良。