TFT－LCD中的液晶擴散研究

劉棟宏，張 琦，張 磊，王修亮，毛利軍，魏永輝

（北京京東方光電科技有限公司，北京100176）

1 引 言

近年來，液晶顯示器以其低工作電壓、低功耗、低輻射、低空間占用率以及輕、薄、美觀等優勢，已成為市場主流，廣泛出現在人們的日常生活中。隨著人們認識水平和對顯示要求的不斷提高，對液晶顯示器畫面品質的關注度也隨之不斷提升［1］，因此對液晶面板的生產和制造也提出了更高的要求。

在薄膜晶體管液晶顯示器TFT－LCD 行業的ODF（One Drop Filling，液晶滴注）工序中，TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶體管）玻璃基板與CF（Color Filter，彩色濾光片）玻璃基板之間會滴入液晶、涂上封框膠并將薄膜晶體管基板與彩色濾光片基板對盒在一起形成密閉的液晶盒。由于盒內的空間是一定的，液晶滴注工藝需要事先對盒內空間體積進行計算，經過密度轉換為理論的液晶滴入量。實際的滴入量會在理論值的基礎上經過實驗驗證來最終確定。

滴入的液晶是一滴一滴的，并不是平均地分散在玻璃基板表面，而我們最后使用的液晶顯示面板，液晶是完全擴散開來均勻地分布在薄膜晶體管基板和彩色濾光片基板之間。從剛滴在基板上的一滴一滴的形狀到擴散成均勻分布的狀態，我們稱之為液晶的擴散過程，它對于一些不良的形成和檢出有著直接的影響。

2 液晶擴散過程

液晶的擴散過程主要分為3 個階段（圖1），第一個階段是從剛剛滴在玻璃基板上到對盒之前的過程，在此過程中液晶是在開放的環境中進行擴散，主要依靠液晶自身的重力作用在玻璃基板上擴散，此過程的擴散現象是水滴狀的液晶在玻璃基板上高度慢慢降低，表面積增大；第二個階段是對盒過程，液晶在真空狀態下（＜10Pa）受到玻璃基板的擠壓作用（對盒前液晶高度約為20μm，對盒后液晶高度約為3～4μm），迅速地擴散到面板的大部分區域，四周及邊角會有一些區域還沒有液晶。

最后一個階段是對盒之后液晶的擴散。由于彩色濾光片玻璃與薄膜晶體管玻璃之間存在起支撐作用、具有一定彈性回復率的隔墊物，玻璃的重力擠壓作用被隔墊物的支撐力所抵消，實際對液晶擴散的影響基本沒有；液晶擴散過程中玻璃間間隙會發生微小變化，有液晶的地方間隙較高，沒有液晶的地方間隙較低，但總體間隙的變化不大，可以看作是固定距離的平行平板（對于擴散時間的影響后面的結果分析有說明），經過擴散過程后，間隙趨于一致，達到我們預先設計的間隙。國內外的相關研究文獻說明，固定間距平行平板間的液體擴散主要依靠液體的表面張力［2－8］，因此第三階段的液晶擴散主要依靠液晶自身的表面張力作用逐漸的在面板內部均勻的擴散至各個角落。本文中，主要研究的是第三個階段即對盒之后的液晶擴散狀態。

圖1 液晶擴散過程Fig.1 Diffusion process of LC

對盒之后，液晶在密閉的空間里面還需要一定的時間來擴散到整個面板，這個擴散過程往往需要幾個甚至幾十個小時。在后工序中經常可以在面板的邊角看到液晶未充滿的現象（圖2），正是由于液晶擴散未完全造成的。

圖2 未充滿現象Fig.2 Phenomenon of Not Fill

這種現象并不意味著產品是不合格的，放置一段時間后隨著液晶的逐漸擴散，未充滿現象可能會消失。

液晶滴注工序的另一個不良重力Mura與液晶量過多相關。它的檢查方法為：將玻璃傾斜放置于50 ℃環境下，如果面板內部的液晶過多的話，一段時間之后過多的液晶會由于重力的作用流到屏幕下端，可以在面板下端看到一條顏色較深的痕跡（圖3）。

圖3 重力Mura現象Fig.3 Phenomenon of gravity Mura

以上所述不良現象與液晶在面板內部的擴散過程和狀態有關，這些現象一直沒有相關文獻進行精確的分析與計算。而此部分的研究對于優化液晶量的控制及液晶滴注工藝和不良改善有重大意義。經過對大量的液晶擴散過程的觀察和研究、測試可認為，液晶作為流體，符合流體的一般運動規律，以流體力學的知識和規律對液晶的擴散過程及狀態進行分析與研究，可以還原出液晶在面板內部的真實運動及存在的狀況，并以此來指導來優化工藝生產。

3 液晶擴散模型

3.1 平放狀態下的液晶擴散模型

在外部環境不變的情況下，流體擴散的快慢直接與液晶本身的特性相關：黏性、表面張力系數與接觸角。

牛頓于1687年提出黏性定律，其公式為：

其中：τ為黏性切應力，μ 為黏度系數。黏度系數為常數的流體稱為牛頓流體［9－10］。

液晶在平行的2個玻璃基板之間擴散，由于表面張力很小，液晶擴散速度較慢，內部壓強梯度為常數（用表面張力換算），溫度不變，所以，液晶在面板內部的擴散過程可以視為不可壓縮牛頓流體在固定平行平板中的定常流動。關于平行平板間的流體流動研究較多，Washburn在1921年就提出了Washburn模型［4］：

式中：σ是表面張力系數，x 是t時刻流體的位置；φ 是潤濕角；μ 是流體的黏度系數；b是平行平板之間的距離。

此方程表明：在平行平板間距一定的前提下，黏度越小、接觸角越小、表面張力系數越大越有利于流體的擴散，流動模型如圖4所示。

圖4 平放狀態下液晶流動模型Fig.4 LC diffusion model of flat state

此模型在平行平板水平放置的前提下是基本適用的，下文作者也給出了相應的驗證結果。在TFT－LCD 行業的實際生產中，一般面板的放置狀態有2種：正常狀態下水平放置，檢測時傾斜放置（一般為30°～60°）。

為了更符合實際情況，本文作者經過假設與推導，提出了傾斜狀態下的液晶擴散模型。

3.2 傾斜狀態下的液晶擴散模型

傾斜一定的角度，液晶的流動受到重力、表面張力的綜合作用。根據流體力學相關知識，建立模型并做出以下假設：

1）有液晶的地方間隙高，沒有液晶的地方間隙低，間隙在擴散過程中會發生微小變化，為了簡化模型，假設液晶盒的間隙值b為常數，并且忽略盒內隔墊物對擴散的影響；

2）液晶的黏性系數會隨著溫度的變化而變化，本文中的研究條件溫度不變，可以假設液晶為不可壓縮的牛頓流體；

3）液晶在表面張力、重力的x 方向分量作用下只在x 方向做充分發展的層流，可簡化為x、y平面上的運動；

v＝0 說明y 方向液晶不發生流動；

流體力學N－S方程：

圖5 傾斜放置狀態下的液晶流動模型Fig.5 LC diffusion model of tilt state

將假設條件和（4）、（5）方程代入方程（6）可以得出

兩次積分后可得：

邊界條件：y＝0，u＝0；y＝b，u＝0，代入方程（8）可以解出：

將（9）式代入（8）式可得速度表達式：

單位寬度內的流量可由積分得出：

平均速度為：

即平均速度為最大速度的2／3。

方程（16）分情況積分：

1）當傾斜角θ 為0 時，方程（16）積分可得方程：

邊界條件：t＝0，x＝0，可得c3＝0，方程（17）變為方程（2），此即平放狀態下的方程，這表明Washburn模型是傾斜角度為0時的特例；

2）當傾斜角θ≠0時，解微分方程可得：

邊界條件：t＝0，x＝0，解得

代入得：

此即傾斜狀態下的液晶擴散時間與位移關系的方程式。

4 結果與分析

4.1 模型計算結果

某一款液晶在25℃下的參數如下：

表1 液晶參數Tab.1 LC parameters

假設間隙為3μm，玻璃放置在傾斜的角度為45°的基臺上，可以計算得出：

表2 模型理論計算結果Tab.2 Theoretical results of model

從圖6中可以看出，擴散的位移越短，傾斜與平放兩種狀態的擴散時間越接近，重力的影響不顯著；同樣的擴散位移，位移越長，兩種狀態下的擴散時間差距越大，重力的影響越顯著。

圖6 平放狀態與傾斜狀態擴散時間對比Fig.6 Comparison of diffusion time between flat state and tilted state

而且從模型中可以看出，平放狀態下擴散時間與擴散位移的平方成正比，因此在實際生產過程中，液晶滴下的形狀分布對液晶擴散起到非常重要的作用。滴下形狀越分散，擴散效果越好。

面板的尺寸大小對最后液晶擴散狀態影響也很大。小尺寸產品擴散位移短，時間快，液晶容易接觸封框膠并對封框膠造成沖擊，如果不嚴格管控工藝條件，非常容易產生液晶泄露不良。大尺寸產品容易出現液晶未充滿，是因為液晶擴散位移過長，擴散較慢，在形狀分布設計上需要進行改進。

實際生產中，大部分的面板檢測都是傾斜一定角度來方便人員觀察，而且個別不良需要傾斜放置一定時間后才能檢出（如重力Mura）。

傾斜狀態下的擴散模型的實際意義在于：1）可以指導未充滿不良的處理，在傾斜狀態下液晶擴散更快；2）為觀察重力Mura的時間提供理論上的依據。

4.2 實測數據與誤差分析

實驗條件：溫度為室溫25 ℃，玻璃間的間隙值為3μm，玻璃放置在傾斜的角度為45°的貼偏光片基臺上。液晶擴散的位移通過帶刻度的直尺量出，時間通過秒表記錄。

圖7 液晶擴散距離與時間的關系Fig.7 Relationship between diffusion distance and time

測量數據曲線與模型曲線形狀相近（圖7），在擴散位移比較小的情況下，類似于拋物線。實測數據與模型計算數據基本相符，實際液晶擴散比模型計算略慢，兩者的細微差別主要受兩個因素影響：

1）液晶盒內間隙影響。由于液晶一開始并不是均勻的分布在面板內，在有液晶存在的地方，間隙高，沒有液晶的地方間隙低。液晶由間隙高的地方向間隙低的地方擴散，比理論模型的固定Gap需要更長的時間；

2）盒內隔墊物影響。隔墊物會對液晶的流動起一定阻滯作用，隔墊物密度越大，阻滯作用越明顯。

采用滴數更多分布更合理的形狀分布設計、減小隔墊物密度設計等可以減小以上2個因素對模型的影響。

5 結 論

對TFT－LCD行業中液晶的擴散模型進行了理論研究，提出了液晶擴散的3個階段，并主要針對第三個階段及對盒后的液晶擴散進行了探討與計算。在溫度不變的前提下，對此階段傾斜狀態下的液晶擴散提出了一個新的模型，利用流體力學中的N－S方程理論推導出了液晶擴散時間與其位移的方程式，平放狀態下的Washburn模型是傾斜角度為0°時的特例。

在同樣的擴散位移下，位移量越小，兩個狀態下的擴散時間越接近，位移越大，重力的影響越顯著。

面板尺寸大小、形狀分布設計等參數對液晶擴散有非常大的影響。液晶擴散位移小，容易有液晶泄露不良；擴散位移大，容易發生未充滿。

間隙差異性以及盒內隔墊物會影響液晶擴散的速度，實測的數據與模型理論計算數據基本相符，基于牛頓流體假設下的模型可以較好地預測液晶的擴散行為。

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