液晶显示器取向膜性能的影响因素分析

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摘要:取向膜作为液晶显示器的重要组成部分,起到使液晶分子在液晶盒内整齐排列的作用。影响取向膜性能的因素主要有取向膜材料聚酰亚胺本身的特性、取向膜形成的工艺和取向膜的取向摩擦过程。文章重点分析了聚酰亚胺结构及组成、取向膜涂布方法及固化温度、取向膜摩擦材质及摩擦强度等对取向膜性能的影响。

关键词:液晶显示器;取向膜;聚酰亚胺;性能

中图分类号:TN141.9文献标识码:A

Factors Analysis of Alignment Layer Properties for LCD

WANG Yong,SUN Shi-xiang,CHEN Yu,XIE Li

(Dept. of Microelectronics Engineering,Nanjing College of Information Technology,Nanjing Jiangsu 210046,China)

Abstract: As an important component of LCD, alignment layer makes liquid crystal molecule arranged orderly in the LCD cell. Properties of polyimide as alignment Layer material, manufacturing process and rubbing process of alignment layer are main influencing factors of alignment layer properties. Influence of polyimide structure and component, coating method and curing temperature of alignment layer, rubbing material and rubbing strength on alignment layer has been analyzed in the article.

Keywords: LCD; alignment layer; polyimide; properties

引 言

液晶显示器(LCD)是显示领域内最具有发展活力的电子产品,它具有驱动电压低、功耗低、重量轻、体积小、不含有害射线等显著优点。液晶显示依赖于基板表面膜的表面各向异性处理而得到不同液晶分子排列,TN-LCD及TFT-LCD要求液晶分子基本平行于基板但呈90°扭曲排列,而STN-LCD的扭曲角度是在180～270°之间。目前,使液晶分子取向排列最常用的方法是通过绒布类材料高速摩擦基板表面涂覆的有机高分子薄膜聚酰亚胺(PI) [1,2]。由于取向排列的液晶分子能诱导偏振光的偏振方向,并调制光通量,因此取向膜的性能对液晶显示器件十分重要,文中对影响取向膜性能的各种因素进行了分析。

1 聚酰亚胺材料对取向膜性能的影响

聚酰亚胺是分子主链中含有苯环和酰亚胺基团的杂环聚合物,具有突出的耐热耐低温性能、优良的机械性能、耐辐射性能以及较低的热膨胀系数(CTE)和介电常数等。聚酰亚胺主要由二元酐和二元胺合成,合成方法主要有:缩合型、加成型和热塑型,液晶显示器取向膜一般采用缩合型[3]。

由于二元酐和二元胺品种较多,不同的组合形式就可以获得不同性能的聚酰亚胺,适应于不同产品的需要。液晶器件要求聚酰亚胺膜取向排列性好、具有所需的预倾角、与ITO玻璃基板粘附性好、稳定性好等特点。预倾角是衡量取向膜取向效果的重要参数,定义为液晶长轴方向与基板之间的夹角,TN-LCD要求预倾角为1～3°,STN-LCD要求预倾角为5～30°。

为了提高预倾角,可以在PI分子的主链或侧基上引入长的烷基侧链,长的烷基侧链通常是通过在合成PI的过程中加入长链脂肪单胺获得,但太多的单胺会使PI分子量降低,从而影响其成膜性和机械强度,由于烷基的引入,PI表面会趋于疏水性,降低液晶分子与PI表面的润湿性[4]。将氟原子或氟基团引入PI主链或侧链,可有效增加液晶分子的预倾角。由PMDA/ODA制作的液晶取向膜预倾角为1～3°,只可适用于TN-LCD,而由PMDA/TFPFA制作的液晶取向膜预倾角可达10°。另外,将长的烷基侧链和氟结合引入PI分子,预倾角也可显著提高[5]。

TFT-LCD中为了防止彩色滤光片劣化,要求聚酰亚胺的固化温度低于180℃。降低PI固化温度可以通过以下途径:(1)合成可溶性PI,这类PI在溶液中已完全固化,只需烘干除去溶剂;(2)添加低温固化剂,低温固化剂一般为两个以上极性基团的羟基羧酸类化合物,例如:对羟基苯乙酸;(3)在PI分子链上加入一定结构,降低PI分子链之间的相互作用力,从而降低其固化温度[4]。

聚酰亚胺在使用中直接粘附于ITO玻璃基板,粘附性对液晶器件的性能有很大影响。为了增加聚酰亚胺与ITO玻璃的粘附性,可以采用含有机硅或有机硅氧烷的二酐和二胺单体合成的聚酰亚胺。

2 取向膜形成工艺对取向膜性能的影响

取向膜涂布方法主要有凸版印刷法、丝网印刷法、甩涂及浸泡法。其中凸版印刷法是液晶企业采用的方法,得到的膜层厚度适中且比较均匀,并可以选择指定区域涂膜,连续生产能力强;利用丝网印刷形成的膜层一般较厚,且由于PI的前驱体聚酰胺酸(PA)液体的粘度较小,液体易沿丝网下侧向外扩散,造成电极部分污染,影响电极接触;甩涂及浸泡法涂布膜层较薄,但没有选择性,为全涂方式,膜层覆盖电极部分,需进行再处理,增加工艺的复杂性及难度。

取向膜涂布之后,需进行预烘和膜层固化处理,预烘环节通过控制升温速度及温度,可以达到挥发溶剂及使膜面平整致密的作用。如升温速度过快,膜层中溶剂以气体形式快速挥发,会在膜层形成针孔;液体膜的表面张力会缓慢地使膜层流平,快速升温导致流平时间缩短,从而使膜面平整度降低。固化一般在250℃保持两小时以上,固化过程要使PI的前驱体聚酰胺酸完全脱水,形成环化亚胺结构,形成致密稳定的膜层,预烘及固化环节合理的温度如图1所示。

3摩擦工艺对取向膜性能的影响

3.1 摩擦布材质的影响

液晶取向排列的原理是利用摩擦布的尖端与聚酰亚胺取向膜间的相互作用力,使得聚酰亚胺分子的表面形成微细沟槽,使与其接触的液晶分子按照摩擦方向有序排列,摩擦前后聚酰亚胺表面及液晶排列情况如图2所示。

对摩擦布的要求主要包括尖端均匀、不产生静电、不脱落、弹性好、加压无变形、化学稳定等。其中不产生静电和脱落情况最为重要,摩擦时产生静电的积累会造成薄膜晶体管的击穿,形成不可逆的损坏;摩擦过程的摩擦布毛屑或纤维脱落则会影响产品的显示性能和环境的洁净度。常用的摩擦布材质主要有棉质、尼龙及人造纤维等,其中棉质摩擦布容易脱落毛屑但不容易产生静电,常用于对静电要求较高的TFT-LCD的摩擦工艺;而尼龙及人造纤维类摩擦布容易产生静电但不容易脱落毛屑,常用于TN-LCD、STN-LCD的摩擦工艺。

3.2 摩擦取向参数的影响

摩擦取向使用的设备及示意图如图3所示,摩擦设备主要由带有摩擦布的滚轮、基板载台、传送带、升降装置、调节滚轮与传送方向角度的装置组成,影响摩擦取向性能的参数主要有载台的移动速度、摩擦滚轮的半径、摩擦滚轮的转速、摩擦次数与压力等[6]。上述参数会共同影响摩擦强度,其中随着载台的移动速度增加,摩擦强度会降低,其它参数增加都会使摩擦强度随之增加。摩擦强度较小时,摩擦形成的沟槽数量少,液晶分子在取向膜表面排列时不能按一致方向扭曲,容易形成向错畴,造成显示时模糊不清或有色斑缺陷;摩擦强度过大时,会造成摩擦沟槽直径较大或出现划痕,直径较大的沟槽使液晶取向效果不明显,液晶分子排列不整齐,造成显示模糊不清或不显示,划痕则会导致显示时出现线状条纹。

4 结 论

液晶显示器取向膜使液晶分子在液晶盒内整齐扭曲排列,实现偏振光的偏振方向和光通量调制,取向膜的性能对液晶正常显示十分重要。影响取向膜性能的因素主要有取向膜材料聚酰亚胺本身的特性、取向膜形成的工艺和取向膜的取向摩擦过程。合适的聚酰亚胺材料可以得到理想的取向排列、预倾角和较低的固化温度。采用凸版印刷法、控制预烘和固化环节的温度以及合适的摩擦强度可得到性能较好的取向膜。

参考文献

[1] 范志新. 液晶器件工艺基础[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2000, 74-75.

[2] 高鸿锦, 董友梅. 液晶与平板显示技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2007, 254-256.

[3] 崔永丽, 张仲华, 江 利等. 聚酰亚胺的性能及应用[J]. 塑料科技, 2005,167(3): 50-53.

[4] 孙忠贤. 电子化学品[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002, 127- 140.

[5] 刘金刚, 何民辉, 王丽芳等. 含氟聚酰亚胺及其在微电子工业中的研究进展[J]. 高分子通报, 2003 (4): 8-14.

[6] 车春城, 王 丹, 李军建. TFT-LCD取向层工艺及其关键参数[J]. 现代显示, 2006, 67: 20-23.

作者简介:王 永(1975-),男,江苏徐州人,硕士、讲师、工程师,南京信息职业技术学院教师,主要从事液晶显示材料及工艺的教学和科研工作,E-mail:。