平面顯示器製程技術
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平面顯示器製程技術. 助理教授 陳松德. 配向技術之探討. 簡介 配向膜的特性介紹 配向膜上的液晶排列研究 配向膜材料未來的發展趨勢. 液晶顯示器的基本原理. 未偏極化的光. 偏光板. 導電玻璃. 配向膜. 液晶層. 配向膜. 導電玻璃. 彩色濾光片. 偏光板. 液晶面板製造流程. 電場下的液晶動作. 液晶與配向膜的關係. 液晶與配向膜的關係. Twisted alignment of liquid crystals. Parallel alignment of liquid crystals. 液晶與配向膜的關係. 配向膜與液晶機制.

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Presentation Transcript
4248314

平面顯示器製程技術

助理教授 陳松德


4248314
配向技術之探討

  • 簡介

  • 配向膜的特性介紹

  • 配向膜上的液晶排列研究

  • 配向膜材料未來的發展趨勢


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液晶顯示器的基本原理

未偏極化的光

偏光板

導電玻璃

配向膜

液晶層

配向膜

導電玻璃

彩色濾光片

偏光板





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液晶與配向膜的關係

Twisted alignment of liquid crystals

Parallel alignment of liquid crystals




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配向膜與液晶的關係

  • 配向膜:具有直條狀刮痕的薄膜,引導液晶分子排列方向。


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配向膜刷磨與配向

磨刷轉輪

配向膜

ITO膜

玻璃基板

刷磨移動方向



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配向膜刷磨目的

  • 液晶分子朝一致方向排列

    • (均勻的顯示效果)

  • 獲得預傾角(Pre-tilt angle)

    • (驅動方向與速度)

  • 擁有錨定能(Anchoring energy)

    • (顯示器之穩定度)

  • 良好的電性(VHR & R-DC)

    • (液晶反應速度)


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配向膜刷磨方向與預傾角關係

磨刷方向

PI層

溝槽

液晶分子

預傾角

PI層

磨刷方向



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錨定能意義

配向膜與液晶分子邊界間的力量即所謂「錨定能」





Rubbing
配向膜沉積與刷磨(Rubbing)製程



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配向膜沉積生產流程

玻璃基板載入

配向膜塗佈

500100 Å

配向膜軟烤

基板清潔

玻璃基板清潔

X,Y:≤ 50 μm

Coating good

配向膜刷磨

配向膜固化

重作程序


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配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on) -中、小尺寸



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配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on) -中、小尺寸

    • 旋塗式沈積法是薄膜材料的單體物質(Monomer)溶解於特定的有機化學溶劑(Solvent)中,以形成化學溶液(Chemical Solution)後,再將此溶液滴到旋塗機(Spin-Coater)內的基材上,並利用旋塗機加速旋轉時所產生的離心力,將溶液均勻散佈在整個基材的表面,以完成薄膜塗佈的動作。接著進行一系列烘烤步驟驅離薄膜中的溶劑,並使單體產生的相互交鏈反應(Cross-Linking),以增強低薄膜的物理或化學特性。


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配向膜沉積技術

  • 狹縫與旋轉塗佈 (Slit & Spin on) -中、大尺寸

    • 隨著生產設備之大型化,其硬體的限制和設計的難度以及面板品質要求之提升,尤其在塗佈均勻性的要求方面更加的嚴格,將使得塗佈設備商面臨更大的挑戰。為了因應這些需求,液晶顯示器塗佈機的發展也由最初的旋轉式塗佈機(Spin Coater),進而發展為狹縫與旋轉式塗佈機(Slit & Spin Coater),再發展為目前主流使用於第五世代玻璃基板以上的狹縫式塗佈機(Slit Coater)。


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配向膜沉積技術

  • 狹縫與旋轉塗佈 (Slit & Spin on) -中、大尺寸


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配向膜沉積技術

  • 狹縫與旋轉塗佈 (Slit & Spin on) -中、大尺寸


4248314
配向膜沉積技術

  • 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) - 大尺寸


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配向膜沉積技術

  • 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) - 大尺寸


4248314
配向膜沉積技術

  • 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) - 大尺寸


4248314
配向膜沉積技術

  • 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) - 大尺寸


4248314
配向膜沉積技術

  • 狹縫或非旋塗式(Slit or Spinless) - 大尺寸

    • 印刷製程

a: printing table, b: LCD glass plate, c: dispenser, d: doctor blade, e: anilox role,

f: resin letterpress, g: printing role



Flexographic
柔性凸版(Flexographic)印刷製程


Flexographic1
Flexographic印刷製程




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旋轉塗佈製程

  • 旋轉塗佈(Spin coating)

    • 步驟一

      • 於~500 rpm滴注溶液若干秒

    • 步驟二

      • 在~2000 rpm旋轉若干秒

      • 旋轉時間則視視溶劑之黏滯性而定


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旋轉塗佈製程

  • 旋轉塗佈薄膜製程特性


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旋轉塗佈製程

  • 旋轉塗佈薄膜製程特性


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旋轉塗佈製程

  • 旋轉塗佈薄膜製程特性


4248314
旋轉塗佈製程

  • 旋轉塗佈薄膜製程特性




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Z

Y

X

q

配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on)

Dispenser nozzle

PI flow

Nozzle position can be adjusted in four directions.

Glass

Stainless steel bowl

Vacuum chuck

Air flow

Air flow

Exhaust

Spin motor

Drain

Vacuum


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Resist

配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on) -中、小尺寸

烘箱

熱板

旋轉塗佈(Spin coat)

軟烤 (Soft bake)

固化(Curing)


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注入器

真空吸盤座

至真空幫浦

與馬達連接

配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on) -中、小尺寸

旋塗流程

  • 玻璃基板確實置於真空吸盤座(Vacuum chuck)

  • 滴注 ~4 ml的 PI溶液

  • 低轉速 ~ 500 rpm/ 30 sec

  • 高轉速 ~ 2000 to 4000 rpm/ 1-2 min

  • 薄膜品質

    • 旋塗時間

    • 旋塗速度

    • 薄膜厚度

    • 薄膜均勻性

    • 微粒污染與缺陷


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配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on) -中、小尺寸


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Chamber cover

Substrate

Hot plate

Exhaust

配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on)

    • 軟烤(Softbake)

      • 提高與基材附著性

      • 提高薄膜均勻性

      • 移除配向膜原料之溶劑

      • 典型烘烤溫度為 90~200°C

        • 於 Hot Plate烘烤3~20分鐘

        • 置於 Cold Plate進行冷卻


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配向膜沉積技術

  • 旋轉塗佈 (Spin on)

    • 固化(Curing)

      • 穩定化PI薄膜

      • 移除殘留溶劑

      • 固化溫度與時間需依原廠配向膜特性設定


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典型配向膜固化溫度

  • 一般分兩段curing

  • 1250C/30 minutes

  • 2500C-3500/90 minutes









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量產型刷磨機台

  • 尺寸 : 300 × 300mm

  • 速度 : 5 ~ 130mm/sec

  • 行程 : 680mm

  • 刷磨角度 : 0 ~ + 180 °


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量產型刷磨機台

  • Uniform production, improved quality of alignment layers.

  • Programmable rubbing cycle.

  • Upgradable with automatic substrate loader.

  • Detection of defective rubbing cloth

  • Substrate size (diagonal): 356 mm (14") or higher

  • Rotary table : 360°

  • Adjustable rotation speed: 50 - 1000 rpm

  • Rubbing torque: peak monitored


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量產型刷磨機台

未放置玻璃基板

,刷輪則尚未下降

刷磨機台於動作狀態







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配向膜預傾角(θp)

基板法線

液晶分子

θp

ψ

X


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配向膜預傾角與驅動電壓曲線

90

60

Mild-layer Tilt Angle

30

2.0

0

1.0

3.0

Voltage


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配向膜形式

  • 液晶分子長軸平行於配向膜,稱為Homogeneous Alignment

  • 長軸垂直於配向膜上,稱為Hetergeneous或Vertical Alignment

  • 液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾角,Pretilt Angle),達到均一配向的效果


Molecular structure

DMOAP

N,N-dimethy1-N-Octadecy1-3-aminopropyltrimethoxy-Sily1 chloride

(b) MAP

H3C-N-(CH)3Si(OCH3)3

H

分子結構(Molecular Structure)對配向膜之配向影響

側鏈


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液晶與配向膜

MBBA液晶

N- p-methoxybenzylidence -p'-n-butylaniline

液晶的表面張力>配向膜表面張力 垂直配向

液晶的表面張力<配向膜表面張力  水平配向

MBBA表面張力

卵磷脂

潤濕玻璃

石墨

100 (Dyne/cm)

10 (Dyne/cm)

配向膜表面張力

垂直配向

水平配向


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垂直配向與水平配向


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表面刷磨方向之配向

Review.J.Cognard Mol.Cryst Liq.Cryst,Vol.78(Suppl 1)1(1981) Seo, et el SID 93 Digest p953 (1993)



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PI配向膜之分子構型與預傾角








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配向膜刷磨前、後AFM影像

刷磨後試片

原始試片




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配向膜刷磨前、後對液晶之影響

  • 偏光顯微鏡觀察

未配向,黑白不均

有配向,黑白均勻


Tn stn
TN型與STN型元件的比較


90 o tn
90o TN型液晶配向膜之配置


270 o stn
270o STN型液晶配向膜之配置





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配向技術發展趨勢

  • 現有配向膜係採由滾輪包裹毛絨布進行Rubbing方式進行,但摩擦會產生particle,面板良率因此受影響,且須定期更換毛絨布會影響製程進行,且六代以上基板面積過大,滾輪重量將大幅增加,預期將改為非刷膜式配向,配向膜材料將改為光配向或是電漿配向。










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配向膜材料未來發展的趨勢

  • 低固化溫度 (200℃)

  • 高預傾角

    • STN-LCD 需要高預傾角(~150)

  • 高電壓保持率(Voltage Holding Ratio, VHR)

    • VHR定義為施加於Vo電壓於液晶盒,經過一個畫面掃描(frame cycle)時間在開路狀態所量測到的電壓值Vt的比值,VHR=Vt/Vo

    • 提高對比

  • 低直流殘留電位(DC Residual, R-DC)

    • 施加直流電壓於液晶盒一段長時間,再短路液晶盒,再將液晶盒做開路量測殘留電壓值

    • 低影像殘留 (Low Image Sticking)

  • 光配向(Photo-alignment)


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