面板過孔設(shè)計(jì)對(duì)聚酰亞胺液擴(kuò)散的影響

劉金貴，殷盛杰，顧可可，李光強(qiáng)，申 名，李 嘯，楊 妮，李云澤，羅建勇

(重慶京東方光電科技有限公司 重慶，400700)

1 引 言

聚酰亞胺(PI)由于其優(yōu)異的成膜、機(jī)械、取向和電氣性能，被廣泛用作液晶分子的配向劑[1-2]。通常PI膜經(jīng)過摩擦取向作用，在表面微溝槽[3]和短程分子間作用力[4]的作用下，使液晶分子實(shí)現(xiàn)水平或垂直方向的取向。目前PI膜制備有輥涂轉(zhuǎn)印和噴墨打印兩種涂布方式，前者使用高粘度PI液利用APR版轉(zhuǎn)印原理生產(chǎn)窄邊框、高預(yù)傾角等精度高的產(chǎn)品，但尺寸切換困難、材料浪費(fèi)多、生產(chǎn)效率低[5-6]；后者使用低粘度PI液利用噴墨打印原理生產(chǎn)各種不同尺寸產(chǎn)品，產(chǎn)品切換容易、效率高?，F(xiàn)在高世代線傾向于使用噴墨打印機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。

但相對(duì)于輥涂轉(zhuǎn)印，噴墨打印使用PI液粘度較低，PI液在TFT(陣列基板)上擴(kuò)散時(shí)，由于走線段差較大、過孔較多、周邊布線密度大等原因，PI液的均勻擴(kuò)散遇到很大的阻礙[7-8],PI液會(huì)在某些難擴(kuò)散區(qū)域聚集形成不良，同時(shí)PI膜周邊波動(dòng)范圍大，周邊形貌控制難度增加。

針對(duì)TFT周邊PI液擴(kuò)散不均形成的周邊黑線不良，徐長健等[9]通過配向膜邊界外擴(kuò)、預(yù)固化溫度和環(huán)境壓力降低、配向膜厚度減小等措施有效減少PI液在過孔周邊堆積，進(jìn)而解決此類不良問題。對(duì)于該周邊黑線不良，王海成等[10]通過更改公共電極過孔的密度及大小并結(jié)合PI液預(yù)固化工藝的優(yōu)化，也改善了周邊Mura不良。趙成明等[11]研究了陣列基板的設(shè)計(jì)對(duì)配向膜擴(kuò)散的影響，研究表明Mura區(qū)較正常區(qū)PI膜厚偏厚。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TFT過孔設(shè)計(jì)、鈍化層厚度和表層公共電極對(duì)不良影響較大，過孔密度小于1/3、鈍化層厚度小于350 nm(兼顧TFT特性基礎(chǔ)上)、取向膜印刷次數(shù)變更為2次可以有效改善印刷不良。

本文基于8.5代線13.3、14.0、15.6HADS產(chǎn)品使用噴墨打印機(jī)生產(chǎn)時(shí)，顯示區(qū)過孔區(qū)域因?yàn)镻I液擴(kuò)散不均形成“線Mura”不良。從變更鈍化層掩膜、減小過孔數(shù)量和周期、改變噴墨打印涂布次數(shù)等幾個(gè)方面的工藝參數(shù)調(diào)整或工藝過程優(yōu)化，提高PI液涂布的均勻性，進(jìn)而改善“線 Mura”不良。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 HADS型不良面板制備

該實(shí)驗(yàn)所用“線Mura”不良屏幕采用15.6、14.0、13.3HADS產(chǎn)品屏幕，因3款產(chǎn)品皆有“線Mura”不良，且現(xiàn)象一致，其中14.0HADS產(chǎn)品該不良現(xiàn)象更突出，所以我們針對(duì) “線Mura”不良主要以14.0HADS產(chǎn)品為基準(zhǔn)展開討論。PI膜涂布參數(shù)列于表1。

表1 PI膜涂布參數(shù)Tab.1 Coating parameters of PI film

圖1 AA區(qū)“線Mura”現(xiàn)象Fig.1 “Line Mura” in AA area

模組產(chǎn)出面板在實(shí)驗(yàn)室不加電旋偏光片情況下可見AA區(qū)局部細(xì)紋狀Mura(圖1)，出現(xiàn)位置不固定，發(fā)生率100%。

2.2 設(shè)備與測試

PI Inkjet Printer涂覆機(jī)，型號(hào)為IP-G85-VH-T15-CB-1180L，石井表記(Ishiihyoki)公司，涂覆PI膜厚100 nm；預(yù)固化設(shè)備，型號(hào)為14-146-N101，Zeus公司，預(yù)固化溫度100 ℃；主固化設(shè)備，型號(hào)為CLBSB8-3H24，Hanwha公司，主固化溫度230 ℃；日立液晶成盒設(shè)備，型號(hào)為SPV-2500-SF,日立(Hitachi)公司；液晶材料，牌號(hào)為BOE-F013，上海默克化工；偏光顯微鏡，型號(hào)為BX51，日本Olympus公司；原子力顯微鏡(AFM)，TS-150，Nikon公司，AFM測試TFT/CF涂覆取向劑固化后的表面，實(shí)驗(yàn)采用100 μm掃描器，輕敲模式(Tapping mode)，UL20B硅探針，力常數(shù)(Spring constant)是1.00 nN/nm，掃描速率1.22 Hz；掃描電子顯微鏡(SEM)，型號(hào)為SU8000，日立(HITACHI)公司。

3 結(jié)果與討論

3.1 “線Mura”不良分析

模組產(chǎn)出面板在實(shí)驗(yàn)室不加電旋偏光片情況下可見AA區(qū)局部細(xì)紋狀Mura，拆屏后TFT膜面對(duì)應(yīng)位置可見該不良，TFT側(cè)除去PI膜后未見不良，彩膜側(cè)膜面無異常，所以該不良是TFT側(cè)PI膜面異常所致。

圖2 NG區(qū)TFT PI膜厚測試點(diǎn)示意圖Fig.2 Test point of PI thickness on TFT plate

圖3 “線Mura”異常區(qū)和正常顯示區(qū)PI膜厚對(duì)比Fig.3 Comparison of PI thickness between abnormalarea and normal area

通過測試TFT側(cè)PI膜厚，從圖3可以看出，異常區(qū)鈍化層和Com ITO(銦錫氧化物)上PI膜厚比正常區(qū)偏厚，厚度分別約10 nm和5 nm，可能是異常區(qū)PI液擴(kuò)散不均，導(dǎo)致該區(qū)域PI膜厚厚度不均而產(chǎn)生“線Mura”不良。鈍化層膜層上PI膜厚比條形 Com ITO上厚約30 nm，這是因?yàn)橄袼貐^(qū)Com ITO膜層(厚度約70 nm)位于鈍化層之上，PI液滴通過噴頭均勻滴在ITO和鈍化層上后，高段差位置(ITO層)PI液在重力作用下會(huì)往低洼處(鈍化層)流動(dòng)，結(jié)果造成ITO上PI膜厚比在鈍化層上薄。

顯微鏡下對(duì)比“線Mura”異常區(qū)和正常區(qū)視野，發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域有發(fā)光小亮點(diǎn)(圖4箭頭指示位置)，分布無規(guī)律，而正常區(qū)域無此現(xiàn)象。放大發(fā)光小亮點(diǎn)區(qū)域，可看出該位置是鈍化層過孔用來轉(zhuǎn)接下層公共電極走線信號(hào)至表面條形Com ITO層(圖5)。放大鈍化層過孔并對(duì)比正常區(qū)(圖5(a))和異常區(qū)(圖5(b))發(fā)現(xiàn)，異常區(qū)有些鈍化層過孔發(fā)亮，過孔內(nèi)沒有PI液進(jìn)入，沒有PI液進(jìn)入的過孔呈現(xiàn)強(qiáng)金屬反射光而發(fā)亮。

同時(shí)對(duì)比正常區(qū)和異常區(qū)鈍化層過孔邊緣發(fā)現(xiàn)，正常區(qū)鈍化層過孔邊緣和下方公共電極走線邊緣重疊處有一定偏移(616.4 nm)，該偏移造成正常區(qū)鈍化層過孔周邊處于半開放狀態(tài)，PI液滴在自身重力作用下向鈍化層過孔缺口擴(kuò)散時(shí)， PI液流入過孔內(nèi)只需要克服較低的勢能就能實(shí)現(xiàn)，而鈍化層過孔周圍沒有缺口時(shí)，過孔周邊的PI液高度需要累積集聚，當(dāng)集聚高度超過過孔段差時(shí)，PI液才能從過孔外邊沿逐層向內(nèi)部擴(kuò)散。

圖5 視野正常區(qū)(a)和異常區(qū)(b)鈍化層過孔放大圖Fig.5 Enlarged picture of PVX via hole between normal area(a) and abnormal area(b)

由于HADS鈍化層過孔尺寸較小(約5 μm)，不利于觀察PI液在過孔內(nèi)擴(kuò)散情況，下面以101.6 cm(40 in)COA(CF on Array)屏體鈍化層過孔內(nèi)(約15 μm)PI液的擴(kuò)散情況加以說明。過孔內(nèi)PI液的擴(kuò)散是分步進(jìn)行的：第一步，過孔周圍PI液積聚量增加，液位高度持續(xù)增長至遠(yuǎn)大于過孔外沿高度時(shí)，才會(huì)發(fā)生PI液的擴(kuò)散進(jìn)孔現(xiàn)象。這是因?yàn)門FT固體表面與理想表面差別較大，表面存在平臺(tái)空位、彎結(jié)、單原子臺(tái)階、增原子、臺(tái)階增原子、結(jié)晶區(qū)、非晶區(qū)和表面污染等缺陷[12]，實(shí)際的固體表面接近于峰谷形貌(圖6)。靜置在這種表面上的液滴會(huì)處于亞穩(wěn)平衡態(tài)(被能壘從其相鄰狀態(tài)中隔離出來的能谷)，會(huì)出現(xiàn)接觸角的滯后現(xiàn)象[13]，即持續(xù)滴加液體只會(huì)使液滴變高，液滴周邊并不會(huì)隨之?dāng)U展，隨著液滴滴加量的增加接觸角隨之增大，這是粗糙平面導(dǎo)致的液滴擴(kuò)散滯后造成的，其根本原因是液滴的前沿存在能壘(式(1))。也就是說過孔周圍PI液高度遠(yuǎn)高于過孔外沿才會(huì)出現(xiàn)PI液流入過孔現(xiàn)象；第二步，高液位PI液通過分子鏈段的協(xié)同作用由外往內(nèi)逐層流動(dòng)擴(kuò)散[14]，最終擴(kuò)散至過孔中心完成PI液擴(kuò)散，由于過孔內(nèi)擴(kuò)散是由外往內(nèi)逐步擴(kuò)散，并且過孔內(nèi)PI液固化先后順序不一樣，導(dǎo)致在過孔固化后呈現(xiàn)顏色深淺不一的同心圓環(huán)，如圖7箭頭指示。如果過孔周圍PI液積聚高度沒有遠(yuǎn)超過孔周邊高度，則該過孔不會(huì)被PI液填充，如圖7箭頭所示。

cosθw=rcosθy，

(1)

其中θy為Young接觸角，θw為粗糙表面接觸角，r為表面粗糙度，上述方程是Wenzel方程[15]，它表明θy>90°時(shí)，表面粗糙化將使接觸角變大。

圖6 過孔周圍表面峰谷形貌Fig.6 AFM surface topography near PVX via hole showing a peak-and-valley morphology

圖7 101.6 cm(40 in) COA屏體TFT過孔內(nèi)PI液擴(kuò)散形成同心圓環(huán)Fig.7 Concentric circles formed by PI solution in the PVX via hole

相鄰未被PI液填充的鈍化層過孔數(shù)量較多時(shí)，大量相鄰過孔周圍積聚的PI液相互擴(kuò)散連成一條近似直線，該直線就是我們觀察到的“線Mura”不良現(xiàn)象。如圖8所示，兩個(gè)過孔異常亮點(diǎn)的直線連線距離是1.5 mm，這和我們?nèi)庋塾^察到的“線Mura”在同一數(shù)量級(jí)。所以，只有在某一區(qū)域存在大量PI液過孔異常點(diǎn)，并且這些異常點(diǎn)積聚一起，才會(huì)形成宏觀可見的“線Mura”,如果某一區(qū)域只有少數(shù)過孔異常點(diǎn)，并不會(huì)形成宏觀異常不良現(xiàn)象。

圖8 PI液過孔異常點(diǎn)集聚形成“線Mura”不良Fig.8 PI solution accumulated in the surrounding area of PVX via hole and formed the “l(fā)ine Mura” defects

3.2 “線Mura”不良解決方案

3.2.1 鈍化層掩膜變更方案

由3.1節(jié)“線Mura”不良分析可知，該不良是由于位于底層公共電極走線上方的鈍化層過孔能壘較高，周邊PI液無法通過提高自身勢能進(jìn)入過孔內(nèi)，過孔周圍PI液堆積形成宏觀“線Mura”不良，通過變更鈍化層掩膜設(shè)計(jì)以降低PI液進(jìn)入過孔的難度是解決該不良的途徑之一。

從圖5(a)可看出，當(dāng)鈍化層過孔和下方公共電極走線有一定偏移，造成鈍化層過孔上方有部分缺口時(shí)，PI液只需要較低的勢能就能進(jìn)入過孔內(nèi)，而和公共電極走線沒有偏移的鈍化層過孔(圖5(b))，PI液較難進(jìn)入過孔而更容易產(chǎn)生不良。

圖9 鈍化層掩膜變更方案。(a)變更前；(b)變更后。Fig.9 Schematic chart of changed schemes of PVX mask. (a)Before change; (b) After change.

該鈍化層掩膜變更如圖9所示，為增大鈍化層過孔偏移量，公共電極走線島狀突出尺寸從19 μm縮小至11 μm，鈍化層過孔尺寸從5.7 μm增大至7.5 μm，過孔偏移量變更為3.9 μm。為減小鈍化層過孔數(shù)量的影響程度，過孔周期從1/3變更為1/6，掩膜版變更后，“線Mura”發(fā)生率從100%降低至15%，得到有效改善。

3.2.2 噴墨打印涂布方式改造改善方案

“線Mura”不良的產(chǎn)生一方面是由于鈍化層過孔設(shè)計(jì)不利于PI液的擴(kuò)散進(jìn)入過孔導(dǎo)致；另一方面是由于PI液涂覆方式的變更導(dǎo)致。HADS產(chǎn)品的涂布設(shè)備從輥涂轉(zhuǎn)印變更為噴墨打印，PI膜的成型也從APR版轉(zhuǎn)印變更為PI液滴依靠重力和表面張力擴(kuò)散成膜，APR版轉(zhuǎn)印相比于噴墨打印，成膜更具均勻性和定向性，噴墨打印液滴距離為60 μm，如果相鄰液滴通過自身擴(kuò)散形成均勻PI膜，就必須在粗糙TFT表面跨越60 μm距離彼此融合。在每一滴液滴量恒定的情況下，可以通過多次滴定來提高液滴間擴(kuò)散均勻程度。

圖10 不同涂布次數(shù)的噴墨打印示意圖。(a)1 次涂布;(b) 2 次涂布。Fig.10 Schematic diagram of inkjet coating. (a) Once coating; (2) Twice coating.

為提高噴墨打印 PI液滴涂布均勻性，PI液滴涂布次數(shù)由1次變更為2次(如圖10所示)，涂布液滴間距由60 μm變更為120 μm，單次涂布時(shí)間16 s,在第二次涂布液滴滴下之前，第一次涂布滴定的液滴可以獲得額外16 s的擴(kuò)散時(shí)間，兩次涂布的疊加效果是液滴間距更小，膜厚更均勻?！熬€Mura”不良率從15%進(jìn)一步降為1%。

為改善噴墨打印涂布均勻程度，也可以通過改變機(jī)臺(tái)角度來實(shí)現(xiàn)，因TFT上數(shù)據(jù)線、柵極線走線具有方向性，噴頭涂布過程中吐出的液滴也具有方向性，通過改變液滴滴定的方向可以改變液滴在走線周圍的擴(kuò)散方向。通過驗(yàn)證機(jī)臺(tái)角度0°/1°/1.5°/2°/3°涂布，發(fā)現(xiàn)機(jī)臺(tái)角度2°時(shí)對(duì)“線Mura”有改善效果，不良發(fā)生率從1%進(jìn)一步降為0.2%。

4 結(jié) 論

HADS產(chǎn)品從輥涂轉(zhuǎn)為噴墨打印涂布PI膜時(shí)，涂布方式由APR版轉(zhuǎn)印變?yōu)閲娔蛴?，涂布方式的變更造成了PI液滴在高段差鈍化層過孔位置擴(kuò)散的不均勻。這是因?yàn)殁g化層過孔位于公共電極走線島狀結(jié)構(gòu)之上，鈍化層過孔段差較大導(dǎo)致了PI液滴擴(kuò)散到過孔內(nèi)部必須跨越過孔上沿的勢能位壘。而過孔周圍PI液滴擴(kuò)散表面的粗糙性又導(dǎo)致了PI液滴接觸角的滯后性，兩者共同作用的結(jié)果是，PI液滴的低勢能不足以跨越過孔障礙，鈍化層過孔內(nèi)由于沒有PI液的填充而導(dǎo)致過孔周圍PI液堆積而產(chǎn)生“線Mura”不良。解決“線Mura”不良，首先要降低PI液滴擴(kuò)散至過孔內(nèi)部所要跨越的勢能位壘障礙。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，正常顯示正常區(qū)的鈍化層過孔和Com走線有一定的偏移量，該偏移量使得過孔上部有一定缺口，PI液滴可以通過該過孔缺口擴(kuò)散至過孔內(nèi)部，而“線Mura” 區(qū)無此過孔偏移現(xiàn)象。通過變更鈍化層掩膜來改變鈍化層過孔的尺寸和偏移量，使得鈍化層過孔和公共電極走線有一定偏移量(鈍化層半過孔)，該變更利于PI液通過半過孔缺口設(shè)計(jì)進(jìn)入鈍化層過孔內(nèi)。為了減小鈍化層過孔尺寸和數(shù)量對(duì)PI液擴(kuò)散的不利影響，鈍化層過孔數(shù)量周期從1/3變更為1/6，過孔尺寸從5.7 μm增大到7.5 μm?？傊?，鈍化層掩膜設(shè)計(jì)變更極大改善了“線Mura”不良，不良率從100%降為15%。其次，我們也從提高PI液滴涂布均勻性方向出發(fā)，將噴墨打印涂布方式從1次涂布變更為2次涂布，兩次涂布的疊加效果是相鄰液滴間擴(kuò)散時(shí)間更久，液滴間距更小，膜厚更均勻?！熬€Mura”不良率從15%降為1%。通過改變PI液滴在過孔周圍走線的擴(kuò)散方向來提高擴(kuò)散均勻性，通過將臺(tái)角度從0°變?yōu)?°，不良率從1%降為0.2%。