LCD配向膜印刷質量淺析

【摘要】通過對液晶顯示器制造過程中的關鍵工序--配向膜原材料、印刷工藝、原理進行分析，對配向膜印刷設備工藝參數進行調整，以提高LCD配向膜印刷質量，從而提高生產合格率。

【關鍵詞】聚酰亞胺;配向膜;PI印刷;液晶取向層

平板顯示，作為信息產業的重要構成部分。平板顯示中液晶顯示的生產技術不斷提高，市場需求量急速增長，為了提高LCD產品質量，把好生產過程中的工藝關、成盒工藝中配向膜印刷質量的好壞直接影響成盒質量從而影響LCD質量。本文重點闡述了配向膜印刷對LCD的影響。

1.液晶取向原理及配向膜材料特性

1.1 摩擦法液晶分子取向技術

在早期的LCD生產中，由于使用易水解的西夫堿液晶，因此必須使用能確保器件長期可靠的低熔點玻璃密封劑。那時使用的取向膜材料主要是Si0x系列的無機材料，此種薄膜耐熱性好，曾一度作為高可靠性的、能承受低熔點玻璃密封加熱溫度的取向膜而廣為人知。

Si0x薄膜的典型形成法是斜向蒸鍍法。但斜向蒸鍍法的主要問題是均勻性和批量生產性差。隨著LCD工業的發展，人們對取向膜材料提出了更高的要求。取向膜材料應具有良好的成膜性（均勻的膜厚）、機械特性、取向特性、電氣特性及其他特性。

有機高分子材料的特性隨液晶變化較小，作為取向膜材料適于工業化生產。已見報導的用作LCD取向膜的高分子材料有聚苯乙烯（PS）及其衍生物、聚乙烯醇（PVA）聚酯、環氧樹脂、聚氨酯等，但最常見的是聚酰亞胺（PI）。聚酰亞胺是一種耐高溫、抗腐蝕、高硬度、絕緣性好、易成膜、制作成本低的優良高分子材料。聚酰亞胺作為液晶取向劑具有以下的優點：膜本身具有使液晶分子取向的功能;對所有的液晶材料都具有良好的取向效果，適應性比其它取向材料優越;可以根據基片的大小選用旋轉、滾動、浸漬、噴霧和凹板涂敷等手段，生產工藝簡單。實際生產中，在導電玻璃板的內側涂覆上一層高分子材料，然后在一定溫度下固化成膜。液晶分子的取向是同作用尼龍、纖維或棉絨等材料按一定方向對取向膜作定向摩擦處理，使膜表面狀況發生改變而實現的。關于摩擦處理如何使液晶分子發生取向，其機理尚無定論。目前較為流行的說法有兩個，即表面摩擦嘗試的密紋（microgrooves）或劃痕使液晶分子取向和摩擦過程中取向膜近表面打分子鏈發生取向從而導致液晶分子的取向。Tokashi等人詳細研究了PI表面摩擦產生的密紋對液晶分子取向的影響。具體做法是：使用Ru04將經摩擦的聚酰亞胺表面進行染色，頭骨掃描電鏡（SEM）觀察到了窄細的規整度很好的平行密紋。通過X-射線微分析儀（EPMA）觀察到了在PI取向膜表面上沿著摩擦方向存在許多細線。采用同樣方法對聚酰亞胺、明膠及聚乙烯醇進行摩擦處理再用Ru04將經摩擦的表面進行染色，結果發現在其表面雖有密紋結構，但其寬度比聚酰亞胺大，而且規整度也差，對液晶分子的取向效果不好。對于PVC與PS則基本觀察不到清晰的紋理，不存在規整結構。由此得出結論，因摩擦處理而在取向膜表面產生的密紋或劃痕結構是液晶分子發生取向排列的主要原因。

關于摩擦處理對液晶分子的取向機理目前還在不斷的探索之中，但有一點是肯定的，那就是對于取向機理的研究在很大程度上關系到液晶顯示器的應用發展，特別是隨著更高級顯示器的不斷發展，這方面的研究顯得越來越重要。

1.2 PI配向膜材料特性

1.2.1 PI導向膜的組成

對于加溫聚合固化的PI，PI導向膜原液的組份是聚酰亞胺和DMA、NMP或BC溶劑。

對于紫外線聚合固化的PI，PI導向膜原液的組份是帶紫外線光敏基團的聚酰亞胺和溶劑，這種PI由于照射方向就是液晶定向方向，所以有很快的生產效率和操作的方便性，但由于它聚合時往往不夠充分，目前使用它制作成的產品在顯示時單點缺陷率較高，只適用于一些光線轉換幕墻的制作上，在LCD顯示上應用很少，以下不再描述。

1.2.2 PI導向膜的特性

LCD使用的PI導向膜固含成份在原液中是小分子化合物，它在高溫下產生聚合反應，形成帶很多支鏈的長鏈大分子固體聚合物聚酰胺。聚合物分子中支鏈與主鏈的夾角就是所謂的導向層預傾角。這些聚合物的支鏈基團與液晶分子間的作用力比較強，對液晶分子有錨定的作用，可以使液晶按預傾角方向排列。

PI原液或未曾聚合完全的小分子聚酰亞胺則與水分子結合后呈溶膠狀，它會抑制聚酰亞胺的聚合反應，得不到完整的主鏈，并讓支鏈失去原有的排列方向，得不到LCD制作所需的預傾角。所以PI原液要防潮，作業環境要嚴格控制濕度。

有些STN及TFT專用PI，聚合固化后會在支鏈的基礎上會形成次支鏈，次支鏈與支鏈間的夾角與液晶分子的端部結構相吻合或相近，所以對液晶有更強的錨定作用。由于有了次支鏈，等若加大了液晶分子與導向層的接觸面積，在一定程度上補償了一些導向層處理缺陷。這種PI在大面積顯示上讓顯示效果更均勻。同時也避免了在摩擦處理工藝中為了在高強度的摩擦下得到更高的摩擦密度，損傷相對脆弱的CF層和TFT發生器。

已聚合固化的PI導向膜也容易吸收水份，并且會在水中分解。而經過摩擦處理后的PI層則同樣更加脆弱，長時間暴露在空氣中，會與空氣中的水和二氧化碳結合，從而打亂原有的支鏈排列狀態，讓預傾角不均勻，甚至會產生預傾角塌陷的現象。

2.配向膜印刷原理

2.1 配向膜的涂布工序流程

前清洗--gt;IR/UV清洗--gt;PI涂布--gt;預固化--gt;主固化

2.2 各工序目的

（1）前清洗：洗凈玻璃表面異物

（2）IR/UV清洗：對玻璃深層洗凈

（3）PI涂布：將PI液印刷到玻璃表面

（4）預固化：烘干PI液內部溶劑

（5）主固化：PI液固化反應過程

2.3 PI配向膜涂布原理

PI液印刷采用柯式轉印法，勻膠擠膠輥是橡膠輥，PI涂布輥為鋼質。這兩個輥均由伺服電機拖動。齒輪傳動。勻膠擠膠輥的勻膠就是把膠均勻地涂在涂膠輥上，它是靠勻膠擠膠輥的左右搖動來實現的。由搖動電機和偏心輪來帶動勻膠擠膠的左右搖動。因為勻膠擠膠輥需要在軸向上來回移動。所以用的不是普通軸承。而是滾珠軸套。擠膠就是通過控制勻膠擠膠輥和涂膠輥之間的間隙來控制涂膠輥的上膠量。來達到控制基板PI膜厚度的目的。它們之間的間隙可以手動調節。并用百分表監視調節的間隙。

APR版胴輥的作用是固定APR版胴。在運轉中和對位平臺上的基板接觸。將PI膠印刷到基板上，這里必須考慮到一個APR版胴和基板同步的問題。所以，APR版胴輥的牽引電機和平臺的牽引電機均是伺服電機。還有一個問題是，在印刷時，我們需要APR版胴和涂膠輥接觸。印刷結束后，平臺回原點。APR版胴輥回原點。在這個運轉過程中，我們不希望APR版胴和涂膠輥接觸。設備上是用兩個置位復位氣缸來實現這個功能的。

來回滴膠裝置由儲膠罐，滴膠電磁閥。N2壓力調節組成。來回移動電機和絲桿，使滴膠針來回移動。用N2壓力調節器調節滴膠的量。滴膠電磁閥的開閉，控制是否滴膠。

3.配向膜印刷要求

配向膜涂布質量要求：

（1）PI液與玻璃基板粘附良好，不能有膠脫落現象，涂層厚度均勻一致不能有厚有薄，涂層表面狀態不能有麻點、黑點、白點等缺陷。

（2）涂膠環境。涂膠工序應在洗凈的條件下進行，環境溫度要求在22℃±3℃，濕度低于63%

4.結束語

在目前所探索到的配向膜原材料主要是聚酰亞胺，我們要按上述最佳印刷涂布工藝進行調整，以提高LCD配向膜印刷質量，從而提高生產合格率。但聚酰亞胺對涂膠環境（涂膠工序應在洗凈的條件下進行，環境溫度要求在22℃±3℃，濕度低于63%）要求很高，涂布工藝條件稍有變化，配向膜印刷質量影響很大。所以，我們今后要尋求對工藝和環境要求相對寬松的配向膜材料或更佳的工藝組合，以滿足大尺寸tft-lcd的質量需求。

參考文獻

[1]范志新.液晶器件工藝基礎[M].北京：北京郵電大學出版社.

[2]李維諟，郭強編著.液晶顯示應用技術[M].電子工業出版社.

[3]馬群剛.著.TFT-LCD原理與設計[M].電子工業出版社.

作者簡介：袁玉祥（1964—），男，江蘇邗江人，南京中電熊貓液晶材料科技有限公司工程師，主要從事彩色濾光片的生產制造及產品質量的控制工作。