液晶器件制作工艺技术之 取向排列工艺论文报告指导老师：朱雪萍10级光电：李全明述了几种液晶取向技术:摩擦取向技术、倾斜蒸镀法,并阐述其优缺点。最后对未来的取向技术做一个展望。 关键词:液晶取向;摩擦法;倾斜蒸镀法;取向层;摩擦取 向 从1888年材料液晶态的发现,到1976年夏普的第一 个液晶显示器件的诞生,再到目前大屏幕液晶电视的 出现并成为市场主导，液晶的研究从未间断。对优良的 液晶材料的探寻及其包括光电效应在内的特性研究， 成了众多科学家追逐的目标。尽管现在还有不少的理 论有待完善,但是仍然阻挡不住液晶显示技术对现代 社会的冲击。近年来，从液晶器件制作工艺到液晶材料 的研究，每年都有大量的文章和专利出现。液晶显示产 品遍布我们生活的每个角落。简单的计算器、家用电 器、测量仪器的显示屏、电视机屏幕、电脑显示器、 液晶窗帘、车载显示器件、消费电子产品等都离不开 液晶显示技术的支持。液晶的取向技术可以实现整个基板表面液1.1液晶取向技术:的排列并具有最佳的夹角,并且有足够的稳定性。只有这样，液晶分子 才会在宏观上表现出来其长程有序性。可以说,液晶的取向技术是液 晶器件正常工作的必要条件。液晶取向技术涉及到取向层材料的性 质、取向层表面的处理方法、界面处的相互作用是一个综合的过程。液晶取向层的好坏，直接影响着液晶分子在基片表面的排列，从而影响 显示器的均一性、色差、对比度、阈值电压、响应时间、视角等特性。 目前，工业上采用的取向技术有两大类，一类是传统的摩擦取向技术 (rubbing),另一类是近年来发展起来的非摩擦取向技术 (non2rubbing)。这两类技术各有优缺点,也各有应用的范围。不同 的LCD基板生产线，可以采用的技术也不同。根据液晶分子预倾角的 大小，可以分为垂直取向方式和平行倾斜取向方式。平行倾斜取向的 分子预倾角于10，而垂直取向的分子预倾角接近90。传统的平行 取向技术已广泛应用于液晶显示器的生产，但其存在窄视角、低对比 度和慢响应时间等问题,因此希望通过垂直取向方式来改善显示对比 度以及响应速度。发明摩擦取向技术是1911年由M - 一显示领域里使用最为广泛的取向技术。摩擦取向的一般工艺包括:清 洗，涂膜，预烘，固化，摩擦。取向剂涂布的方法主要有3种：(1)旋转涂 膜法(sp in2coating);浸泡法(dipp ing) ; (3)凸版印刷法(APR p rinting)。这些都属于湿法。基板旋涂取向材料后，需进行预烘，除 去取向材料中的溶剂。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。最后利用尼龙、 纤维或棉绒等材料按一定方向摩擦液晶取向膜,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，从而使液晶分子在两片玻璃板 上整齐地排列。不同工艺条件对取向膜厚度和预倾角大小的影响不 同。研究结果显示：(1)刮胶滚压入量大，基台速度越快,取向膜越厚;(2)P I液滴增大,取向膜厚度先增加然后逐渐减小； 取向膜老化 的温度越高，预倾角越低；取向膜的厚度和擦强度对预倾角的影响存 在一个最大值，并随着膜厚增加，预倾角会减小。基于摩擦取向技术的、用于LCD取向膜的高分子材料包括:聚苯乙烯 (PS)及其衍生物、聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PE)、环氧树脂(ER)、 聚氨酯、聚硅烷及聚酰亚胺(P I)等等。P I是最常用的一种摩擦取向 层功能材料，这是因为P I具有高温、抗腐蚀、高硬度、绝缘性好、易 成膜、制作成本低等优良特性，能很好地满足业界对取向层材料物理 特性的要求。P I覆膜本身就有使液晶分子取向的功能,它对所有的液晶材料都显示了良好的取向效果。对P!进一步的改良通过把长烷 链引入到聚酰亚胺的主链或侧链或制备含氟聚酰亚胺等方法可大 提高衬底材料对液晶的取向能力,改善平行取向技术的不足。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i所示。表1 对取向膜的性能要求28 Table 1The necessary property of alignmen t 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。)lyst虚角酸( 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，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。近几年对含有一 CnH2 n + 1侧链的PI的研究报道也不少。研究表明一CnH2 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CnH2 n + 1侧链可以间接地影响LC的预倾角。摩擦取向的一般工艺将光刻后的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。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。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：(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：(1)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。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”理论。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(mi2crogrooves)或划痕，这些 表面密纹或划痕又称为沟槽。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。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, Gear y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。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iringence），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。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. Oym X2. Oym）。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。豪液晶显示器的制作工艺十分复杂，其中取向层的制备对于追求产率的现代生产,采用何种工艺，在满足技产率和良率，是我们追求的目标。虽然在工业上，摩擦法大行其道，但是在大尺寸的面板生产中，用于摩擦的棍轴，其加工的难度升高，采用摩擦法的设备的制造成为一个挑战。并且生产中的均匀性控制难度大幅度增大。因此需要一种改进的工艺来替代摩擦法。目前发展的离子束沉积薄膜的方法，由于在大面积薄膜生长中的优势越来越受到重视。特别是以含氟非晶碳膜为主的一类材料，由于可以使用离子束的方法进行生长，并且薄膜与液晶材料可以形成器件需要的垂直取向结构，因此具有很大的发展空间，