液晶显示器摩擦取向技术的新发展

马　颖¹ ,张方辉¹ ,盛　锋² , 王照红²

(1. 陕西科技大学电气电子工程学院,陕西 咸阳712081 ,E-mail :fanghuizhang6610 @163. com;2. 上海飞利浦电子元件有限公司研发部,上海　200131)

摘　要:摩擦取向技术一直是液晶显示器领域使用最广泛的取向技术和研究热点。介绍了液晶显示器摩擦取向技术在取向工艺、取向理论、取向材料、检测方法等方面的新进展和局限性。

关键词: 液晶显示器;取向层;摩擦取向

中图分类号: TN873. 93 ; TN305. 2 　　　文献标识码: A

1 　引　　言

摩擦取向技术是1911 年由莫根(Maugin) 发现的^[1] 。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。摩擦取向技术虽然是液晶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( TN-LCD) 发展到超扭曲(STN-LCD) 、薄膜晶体管( TFT-LCD) ,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,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 500mm×1800mm、1800mm ×2000mm。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。3. 现在的摩擦法只对平面表面起作用,对于形状不规则的基板,通过摩擦取向就很困难^{[4 ]}。4. 摩擦取向技术虽然已经诞生了90 多年,但究竟什么原因导致了取向还不清楚^[5]。为了解决上述问题,人们在取向方法、材料、理论、以及检测手段几方面作了大量研究,取得了一些成果。本文就这几方面的一些研究动态及发展做一粗略的概述,以看清其发展过程及发展方向。

2 　液晶摩擦取向的方法

2. 1 　摩擦取向的一般工艺

液晶显示器工业中摩擦法取向的工艺如下^[6]: 将光刻后的ITO 玻璃用有机溶剂和高纯水进行超声清洗,将表面的离子性不纯物洗去, 用低沸点溶剂干燥,然后在洁净的ITO 玻璃上涂取向剂溶液。取向剂涂布的方法主要有3 种:1. 旋转涂膜法(spin coating) ;2. 浸泡法;3. 凸版印刷法(APR printing) 。

旋转涂布法是利用匀胶台,在离心力和液体表面张力作用下形成一层很薄的均匀膜层,膜厚可以通过液体粘度及转盘转速来调节。

浸泡法是将玻璃基片浸入取向材料溶液中,取出后甩干即可形成均匀的膜层。膜厚同样可以通过液体粘度及转速来控制。

凸版印刷法是使用印刷的方法将取向材料溶液印刷到基板上指定的范围内。印刷时首先将取向材料溶液加到均胶滚上,然后用刮刀刮平,开动印刷滚筒,将均胶滚上的溶液粘附在印刷用的凸版上,最后把凸版上的溶液再转印到基板玻璃上。为了保证印刷的均匀性,要求所用的凸版材料与取向材料溶液有良好的亲和性,并且凸版的每个凸块都由细小的凸粒组成,这样可以依靠液体的表面张力作用获得均匀平整的膜。

3 种涂布方法各有特点,凸版印刷技术是一种选择性涂覆技术,不会影响银点胶的导通性和封框处的结合性,适用于工业生产;而旋涂和浸泡法影响银点胶的导通性和封框处的结合性,但成膜简单、膜厚均匀,适用于膜层很薄的场合^[7]。

涂布取向材料后,对基板进行预烘,除去取向材料中的溶剂,预烘的温度和时间由具体使用的取向材料溶液的种类决定。经过预烘后的取向材料膜层还要在一定温度下经过一定时间的固化处理,以得到适合摩擦的取向膜。最后用尼龙、纤维或棉绒等材料按一定方向对取向膜作定向摩擦处理,使取向膜表面状况发生改变达到取向的效果。研究表明,摩擦需要一个最小摩擦力f min ,小于此力,取向效果几乎不存在。摩擦后的取向层经过清洗和干燥后,即可用于制盒。

2. 2 　摩擦中存在的主要问题及解决方法

现在摩擦取向工艺的主要问题是摩擦过程中容易产生静电和尘埃。静电会造成薄膜晶体管的击穿;对于摩擦过程产生尘埃,虽然摩擦后增加了清洗、干燥工序,但仍然还有少数绒毛即使通过清洗工序往往也很难彻底清除,影响LCD 的显示效果,甚至出现次品。

研究发现,减小静电危害的有效措施有以下几点^[8]:

(1) 选用相对湿度大于75 %的纯棉布;

(2) 利用尖端放电现象使空气中产生正负离子,用这样的空气吹过玻璃基板使摩擦产生的电荷得以中和;

(3) 利用短路导线使基板上的电荷短路,短路导线可以通过以后的工序除去。

(4) 密闭整个摩擦设备、控制整个密闭空间的相对湿度使之大于60 %。

减小摩擦尘埃危害的有效措施有以下几点^[8]:

(1) 摩擦产生的尘埃大多分布在基板的边缘,可以通过恰当选择摩擦滚筒转动方向和基板玻璃的传输方向使尘埃抛离基板;

(2) 顺着纤维的方向进行摩擦;

(3) 整个摩擦设备应该密闭,并且使用空气过滤器对密闭空间的空气进行循环处理。

3 　摩擦取向理论的进展

关于摩擦处理如何使液晶分子发生取向,其机理目前尚无定论。目前较为流行的说法有两个:“沟槽”理论和“取向层表面分子链取向”^[9]理论。

3. 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( microgrooves) 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。

该理论是由D. W. Berreman 于1972 年提出的^[10]。W. Chen 等人利用二次谐波发生器(SHG) 研究了与经过摩擦的聚酰亚胺(PI) 取向膜相接触的液晶分子之间的关系,他们发现液晶分子将沿摩擦方向强烈锚定在PI 层上^[11～13],在摩擦过的PI 上观察到了细微的沟^[14～16]。Tokashi 等人详细研究了PI 表面摩擦产生的密纹对液晶分子取向的影响^[17], 具体做法是使用RuO₄将经过摩擦的聚酰亚胺表面进行染色,通过扫描电镜(SEM) 观察到了窄细的、规整度很好的平行密纹。通过X2射线微分析仪( EPMA) 观察到了在PI 取向膜表面上沿着摩擦方向存在许多细线,细线间隔非常规整(如图3 所示) 。采用同样方法对聚酰胺酸、明胶及聚乙烯醇进行摩擦处理再用RuO₄将经摩擦的表面进行染色,结果发现在其表面虽有密纹结构,但其宽度比聚酰亚胺大,而且规整度也差,对液晶分子的取向效果不好。对于聚氯乙烯( PVC) 与聚苯乙烯( PS) 则基本观察不到清晰的纹理,不存在规整结构。由此得出结论,因摩擦处理而在取向膜表面产生的密纹或划痕结构是液晶分子发生取向排列的主要原因。

但是,沟槽理论也有问题。Eung Sang Lee 等人利用原子力显微镜(AFM) 对摩擦过的PI 表面构形进行了仔细地研究,并且计算了沟槽产生的锚定能,他们发现取向不是由沟槽直接导致的,而是由其他因素产生的, 大量的实验研究也与他们的结论一致^{[11～14 ,18 ,19]}。实验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^[20]。为了克服以上困难,人们提出了“取向层表面分子链取向”理论。

3. 2 　取向层表面分子链取向理论

表面分子链取向理论认为: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。

这个观点最早是由Castellano 提出的, Geary等人从实验出发对该理论进行了进一步完善,并研究了影响液晶分子的取向因素^[20]。他们假设对PI 表面的摩擦处理是以一种对聚合物样品进行冷拉的方式来使聚合物分子链取向,产生折射率各向异性,并通过实验进行了验证。具体做法是测量涂在玻璃上的各种各样的聚合物薄膜中由摩擦诱发的双折射情况(biref ringence) ,通过研究得出结论,正是摩擦过程中PI 取向膜中大分子链的取向导致了液晶分子的取向。东南大学的研究人员对于液晶分子取向的影响因素也进行了考察^[21]。他们通过AFM 研究了经摩擦的PI 薄膜,在宏观范围内观察到了由于摩擦工艺而产生的密纹结构且在微观范围内则观察到了PI 分子链的不均匀取向。他们首先使用AFM 观察了一个未经摩擦的PI 薄膜样品(平均厚度为7. 5nm ,尺寸为2. 0μm ×2. 0μm) ,观察到了如图4 所示的结果。作为比较,他们又观察了经摩擦的PI 薄膜表面(如图5 所示) ,图示箭头方向为摩擦方向,从图中可以看到由摩擦产生的密纹,这与前人使用SEM 观察到的结果类似。他们还考察了经摩擦的PI 薄膜表面的微观结构,结果发现,摩擦后在PI 表面分子链形成了局部有序排列。因而得出结论: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。由此可以得出摩擦取向的实质是: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。另外,摩擦强度对取向膜表面液晶取向度也有影响,取向膜表面的液晶分子取向度随摩擦强度的增加而增加^{[22 ,23]}。

在应用表面分子链取向理论时要注意以下两点:

首先,根据Cheng 等人的研究^[11]结果,液晶分子之间的相互作用与液晶分子与取向层分子的相互作用相比要小的多,液晶分子与取向层分子的相互作用是主要因素。

第二,根据Naoki Ito 等人的研究^[24],与液晶分子作用的取向层分子不仅仅是最表面的一层,而是表面的多层分子通过范德华力与液晶分子相作用,这说明摩擦不仅使取向层中最表面的分子排列,而且是使从外表面往里的一个范围内的分子定向排列, KyokoSawa 等人测得定向排列的取向层厚度大概为14nm^[25]。

上述两种理论虽然能够解释聚酰亚胺等的取向问题,但是在解释聚苯乙烯的取向问题时却出现了困难。实验发现摩擦聚苯乙烯( PST) 取向层的表面,液晶分子的取向方向与摩擦方向相垂直,这一现象^[26]用上面的任何一种机理都无法解释,这说明现有的解释是不完全正确的。另外摩擦过程中摩擦辊上掉落下的细小纤维以及其他诸如表面张力、排斥体积效应、分散力等等因素都可能是使液晶分子发生取向的原因^[27]。关于摩擦处理对液晶分子取向的机理目前还在不断的探索之中。

4 　取向材料的进展

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 ]

Table 1 　The necessary property of alignment layer

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

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。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PI^[29],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-C_nH2 _{n + 1}侧链的PI 的研究报道也不少^[30]。研究表明-C_nH2 _{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-C_nH2 _{n + 1}侧链可以间接地影响LC的预倾角。

5 　分析检测技术的最新进展

分析检测技术是确定取向功能以及理解取向机理的非常重要的一个环节,所以不容忽视,下面介绍检测方法及手段方面的进展。

(1) 表面构形观察

通常可用扫描电镜SEM^[17]或原子探针显微镜AFM^[21]来观察取向层表面有无沟槽产生,获得所需的信息。

(2) 分子定向分布检测

1) 最常用的方法是红外吸收谱分析[29]。它是用线偏振的红外光在样品的不同方位角方向上作吸收分析,根据已知的键对某个波长的红外光的吸收情况和分子中键分布情况来确定分子的取向方向,当然该方法适用于基板是对红外透明的材料,如Si ,C_aF₂ 等。

2) 光学延迟测定也是一个比较常用的方法。当旋转偏振片一个角度θ达到消光时,则延迟

δ =

利用这一方法还可以测延迟与入射角的关系。当然此时样品要有倾斜角,通过实验数据可以估算出取向层中分子定向的分布函数,具体可以参考文献^[31]。

3) 最近有关利用反射式椭偏仪^[32]和掠入射X 射线散射分析^[33]用于分析取向层被报道,结果很令人满意。

另外,Wei 等人^[34]用Sum f requency generation (SFG) vibrational Spect roscopy 用于分析取向层,取得了较好的效果。

6 　结　　语

　　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、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。

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摘自《液晶与显示》