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的涂布設備多采用噴墨打印技術(Inkjet Printing)^[1]P139-141，該技術相對舊式的轉印方式(Roller Coater) 有PI用量精準，損耗小，效率高等優點，但因為該技術下PI 是靠液滴自然流平成膜，導致邊緣出現PI 膜厚偏薄的狀況，隨著窄邊框產品發展，PI 邊緣到AA(Active Area) 區域距離不斷壓縮，面板周邊顯示問題越顯突出，其中周邊顯示不均問題最為嚴重。

2   異常解析

2.1 不良現象

液晶面板在進行可靠性分析(Reliability analysis,RA) 的高溫高濕動作測試(HPHHO) 時，低灰階下面板四邊邊緣會出現顯示不均現象，邊緣較AA 區呈現發白分層，該區域寬度約1cm。

2.2 CTQ確認

2.2.1 從邊緣向內貫穿測量，邊緣發白區Cell gap 測量無差異，預傾角NG 區較OK 區偏小約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區域較OK區域偏薄100 ? (OK區域PI 膜厚1000 ?)；

2.2.4 測量不同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 結論：玻璃基板邊緣PI 膜厚偏薄導致顯示不均。

2.3 失效機理分析

2.3.1 inkjet printing原理

通過圖1 可以建立PI 膜厚計算模型，只需要知道滴落在基板上的液滴間距DotX、DotY、平臺移動次數N，PI 液固含量比例S、單滴PI 液質量m_d、PI 液密度ρ、預主固化膜縮比F 等參數便可計算PI 膜厚：

單位面積內PI 液滴數量C = 1/(DotX*DotY)   (1)

單位面積PI 液質量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head 吐出針孔間距L、平臺移動速度、液滴吐出頻率確定，本實驗中采用的head 分A、B 兩列吐出，平臺來回移動期間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濕膜蒸發速率

根據液滴蒸發理論，液滴界面總的蒸發速率^[2]

其中D_v是蒸氣在空氣中的擴散系數，ρ_s和ρ_∞是飽和蒸氣的質量密度和體積，可知蒸發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，液滴半徑越大。

由(9)、(10) 得，液滴界面蒸發速率：

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

式中θ為測量接觸角，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，即表面浸潤的界面，越粗糙則越浸潤，接觸角θ越小。

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

2.3.3 PI膜厚偏薄形成過程

PI 液滴被涂布在基板上擴散成膜，在預烘烤爐中PI 濕膜的前驅膜三相接觸點被釘扎住(pinned)，蒸發過程中，在表面張力梯度的作用下，在前驅膜三相接觸線處PI 液組分向濕膜中央流動，而濕膜內部PI 液組分從AA 區往三相接觸線流動，同時對于整個PI 濕膜而言，三相接觸線處溫度最高，蒸發通量最大，此處溶劑首先被蒸發干，溶質固化下來，在Marangoni 對流持續影響下，濕膜AA區PI 液組分源源不斷往三相接觸線處流動、堆積，當PI 液濕膜固化成干膜時，便出現邊緣PI 出現一個“山峰”，而往內至AA 區之間一段PI 膜厚偏薄的現象。

2.3.4 PI成膜相分離現象

PI 液中含有NMP、DAA、BC 等溶劑成分，同時PI 液蒸發過程中分成上下兩層polymer，側鏈密度有所不同，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，由于下層polymer 分子運動慢，BC 帶動上層polymer 往前移動蒸發，下層polymer 再往前移動蒸發。這樣移動速度及蒸發速度的差異導致水平方向上組分不一樣，導致側鏈濃度差異，側鏈濃度差異直接導致對液晶的錨定差異，點燈時呈現顯示分層現象。

3   改善實驗及結果

根據以上分析，可以從涂布設備參數、基板表面浸潤性、液滴烘烤條件、基板搬運條件、PI 溶劑成分配比(改變溶劑沸點、溶解度、表面張力等參數) 等方面抑制marangoni 對流、指進失穩現象，從而達到減輕AA區邊緣PI 膜厚偏薄、相分離的現象。本文受限于生產條件，僅從涂布設備參數、預烘烤條件、環境條件調整進行實驗改善。

3.1 PI邊緣液滴加大

3.1.1 改善機理

當head 噴頭孔徑結構固定，吐出頻率、平臺移動速度、涂布次數固定時，PI 膜厚與單滴液滴質量成正比，通過調整噴印設備噴頭壓電陶瓷電壓大小便可控制液滴大小。由于PI 是PI 液滴擴散成膜，可以通過調整噴頭吐出的液滴大小，在AA 區內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題。

3.1.2 實驗實施及實驗結論

實驗中，AA 區用48 ng 液滴涂布1 000 ? PI 膜厚，外圍用58 ng 液滴涂布1200 ? PI 膜厚。實驗結果如下圖2，(a) 圖為SEM 測量PI 膜厚片的位置示意圖，從外圍往AA 區，依次為區域1、區域2、中心區，本文其他實驗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域1 PI 膜厚858?，中心區PI 膜厚1012?，膜厚差異154?，(c) 圖表明PI 邊緣液滴加大實驗中，區域1 PI 膜厚958?，中心區PI 膜厚1007?，膜厚差異49?，相對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切片結果，(c) PI邊緣液滴加大實驗HTHHO結果

3.2 PI液加速蒸發

3.2.1 改善機理

PI 的成膜制程為：涂布前清洗→涂布→預烘烤→自動檢查→主烘烤，其中預烘烤主要作用是蒸發掉PI 溶液中的溶劑，起到初步固化效果。由2.3.3內容知，PI 溶液蒸發過程中存在Marangoni 對流，溶液組分會往外邊緣堆積，最終導致PI最外圍形成“山峰”，而靠近AA 區邊緣的PI 偏薄的狀況，因此若PI 液快速蒸發，可減短Marangoni 對流時間，最終達到改善PI 邊緣膜偏薄的效果。

3.2.2 實驗實施及實驗結論

實驗中，預烘烤溫度采用100 ℃，總的烘烤時間124 s 不變，在PIN1 烘烤時間從8 s 縮短至2s，在PIN2烘烤時間從116 s 增加至122 s。實驗結果如下圖3， (a)圖表明周邊顯示不均的玻璃區域1 PI 膜厚858?，中心區PI 膜厚1012?，膜厚差異154?，(b) 圖表明PI 預烘烤在PIN1 的停留縮短后，區域1 PI 膜厚917?，中心區PI 膜厚1021?，膜厚差異104?，相對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預烘烤參數調整PI膜厚SEM切片結果

3.3 PI涂布后FFU風量減小

3.3.1 改善機理

PI 液涂布在玻璃上擴散流平時，流平至一定程度后，PI 邊緣三相接觸點被釘扎住，但如受外力影響，如環境風速、搬送抖動等會導致釘扎平衡被打破，釘扎點外擴。

3.3.2 實驗結論

實驗中，我們將PI 涂布后的FFU 風量從800 m3/h下降到400 m3/h。實驗結果如下圖4，(a) 圖表明周邊顯示不均的玻璃區域1 PI 膜厚858?， 中心區PI 膜厚1012?，膜厚差異154?，(b) 圖表明PI 預烘烤在PIN1的停留縮短后，區域1 PI 膜厚907?，中心區PI 膜厚1028?，膜厚差異121?，相對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 預烘烤爐快速蒸發的差。

圖4 PI涂布后FFU風量降低對PI邊緣膜厚影響

4   結論

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理，即面板邊緣區域PI 膜厚偏薄導致PI 膜側鏈偏少，導致預傾角偏低，最后引發周邊顯示不均不良，而邊緣PI 膜厚偏薄是由于PI 液滴的擴散、浸潤、蒸發特性導致。可以從涂布設備參數、基板表面浸潤性、液滴烘烤條件、基板搬運條件、PI 溶劑成分配比等方面通過抑制Marangoni 對流、指進失穩現象，從而達到減輕AA 區邊緣PI 膜厚偏薄、相分離的現象。本文給出了三種有效對策：PI 邊緣液滴加大、PI 液加速蒸發、PI 涂布后FFU 風量減小，其中PI 邊緣液滴加大最為有效，且操作簡單，可有效應用到所有產品設計中。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年5月期）