液晶顯示屏擠壓漏光的分析及改善

李愿愿，程再軍，顏華生，張 旭，王建明

（1. 廈門(mén)理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361000；2. 天馬微電子股份有限公司 消費(fèi)品質(zhì)量部，福建 廈門(mén) 361000）

1 引 言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，液晶顯示屏應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、電視等各種電子產(chǎn)品中，給人們的生活帶來(lái)了許多便利［1-3］。薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor-liquid Crystal Display，TFT-LCD）以其輕薄、功耗低、便攜等優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)大了其自身的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)由于人們對(duì)液晶顯示屏的體驗(yàn)需求逐年提高，因此各大面板廠致力于提高液晶顯示屏的品質(zhì)性能來(lái)提升自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［4-5］。其中擠壓漏光對(duì)顯示質(zhì)量有很大的影響，造成終端用戶(hù)體驗(yàn)感受較差。

目前液晶顯示屏的產(chǎn)品均由彩色濾光片（Color Filter，CF）基板和TFT 陣列基板貼合而成。為保證液晶面板盒厚的穩(wěn)定性和均一性，需要在兩基板間制作柱狀隔墊物（Photo Spacer，PS）來(lái)支撐［6］。液晶面板中的PS 是一種具有一定彈性的樹(shù)脂材料，雙柱高設(shè)計(jì)，分為主隔墊物（Main Photo Spacer，MPS）和輔隔墊物（Sub Photo Spacer，SPS），兩者共同作用預(yù)防相關(guān)顯示不良［7］。其中液晶面板在受到擠壓發(fā)生形變時(shí)宏觀可見(jiàn)紅色斑點(diǎn)或者藍(lán)色斑點(diǎn)，顯微鏡下表現(xiàn)為漏光這一不良現(xiàn)象。液晶面板在制作過(guò)程中受到機(jī)臺(tái)不可控的外力作用、生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)線(xiàn)工作人員不規(guī)范的操作以及終端用戶(hù)不恰當(dāng)?shù)氖褂枚加锌赡茉斐梢壕姘迨艿綌D壓發(fā)生形變，進(jìn)而影響液晶面板的正常顯示。為了保證液晶面板正常顯示，需要對(duì)液晶面板在極端的環(huán)境下進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，快速激發(fā)暴露不良現(xiàn)象，驗(yàn)證液晶面板設(shè)計(jì)的可行性。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)液晶面板抗擠壓能力的可靠性試驗(yàn)以及對(duì)擠壓漏光機(jī)理的分析，得出其影響因素可分為3 大類(lèi)：PS 的設(shè)計(jì)、遮光區(qū)域的設(shè)計(jì)、平坦化層（Planarization Layer，PLN）的設(shè)計(jì)。采用部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiment，DOE）的方法篩選出影響擠壓漏光的主要因子有PS 的尺寸、黑色矩陣（Black Matrix，BM）寬度、PS 站位以及PLN 厚度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為提升液晶面板抗擠壓能力提出改善措施。

2 液晶面板擠壓測(cè)試可靠性實(shí)驗(yàn)及擠壓漏光機(jī)理分析

2.1 擠壓測(cè)試可靠性實(shí)驗(yàn)

擠壓測(cè)試可靠性實(shí)驗(yàn)使用萬(wàn)能測(cè)試儀（島津，AG-X plus 5 kN/1 kN，1～4 800 N/980 N）。選擇壓桿Φ10 mm、壓頭Φ15 mm 球頭的橡膠壓頭并根據(jù)樣品大小選擇相應(yīng)的PS專(zhuān)用治具。治具平臺(tái)要求平面載臺(tái)，中心圓形鏤空，直徑30 mm。先將治具固定在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)上保持平行且緊固，如圖1（a）所示。壓力計(jì)垂直正壓于液晶面板中心點(diǎn)。壓頭和治具安裝完后，如圖1（b）所示，將樣品放在載臺(tái)上，CF 側(cè)朝上，壓頭對(duì)準(zhǔn)樣品中心點(diǎn)，程序設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件為初始力值從20 N 開(kāi)始，壓桿下降速度為5 mm/min，當(dāng)壓頭接觸到樣品中心點(diǎn)后停留時(shí)間為5 s。每次按壓之后都將樣品移出治具，在點(diǎn)亮的背光源下觀察有無(wú)紅斑或藍(lán)斑出現(xiàn)，若有則本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，若無(wú)則依次遞增10 N 直至出現(xiàn)。

圖1 （a）PS 治具測(cè)試點(diǎn)位；（b）樣品固定方式。Fig.1 （a）PS fixture test point；（b）Sample fixation method.

2.2 擠壓漏光不良現(xiàn)象

本文所述擠壓漏光不良現(xiàn)象的宏觀和微觀圖片如圖2所示。由圖2（b）可以看到，紅色亮點(diǎn)出現(xiàn)的位置均在主隔墊物旁，說(shuō)明在擠壓過(guò)程中，MPS周?chē)囊壕Х肿訜o(wú)法正常偏轉(zhuǎn)從而出現(xiàn)漏光。

圖2 紅斑不良的宏觀圖片（a）和微觀圖片（b）Fig.2 Macro picture（a）and micro picture（b）of red spot

2.3 擠壓漏光不良機(jī)理分析

PS 對(duì)液晶面板起支撐作用，應(yīng)用于液晶面板中很大程度控制著液晶面板的盒厚，進(jìn)一步控制面板的顯示品質(zhì)，其中PS 的壓縮率和彈性回復(fù)率是液晶面板保持一定盒厚的關(guān)鍵因素［8］。圖3 所示為柱狀PS 的俯視和側(cè)視示意圖，由俯視圖可見(jiàn)其上底直徑小于下底直徑，其側(cè)視圖為梯形。

圖3 PS 的俯視和側(cè)視示意圖Fig.3 Top view and side view of PS

當(dāng)面板受到外力作用發(fā)生彎曲時(shí)，PS 被壓縮，如果在其彈性回復(fù)限度內(nèi)撤掉外力，面板就會(huì)恢復(fù)原狀正常顯示。如果超出其彈性回復(fù)限度，就會(huì)導(dǎo)致MPS 變形移位而劃傷TFT 基板上的聚酰亞胺（Polyimide，PI）配向膜，無(wú)法正?？刂埔壕Х肿拥呐帕?，從而導(dǎo)致漏光［9-10］。如圖4 所示，當(dāng)擠壓面板時(shí)，若PS 的尺寸過(guò)小，其與配向膜的接觸面積小且周邊空間沒(méi)有能夠阻擋PS 滑動(dòng)的阻擋物，在擠壓過(guò)程中更容易劃傷配向膜。此外，PS 站位設(shè)計(jì)同樣存在擠壓漏光問(wèn)題，例如，PS 設(shè)計(jì)若整體偏離居中，在擠壓過(guò)程中會(huì)加大其相對(duì)于下基板的偏移距離，相對(duì)于居中站位設(shè)計(jì)可能會(huì)更易劃傷配向膜。并且，由于目前人們對(duì)高分辨率產(chǎn)品的要求，BM 寬度較小，無(wú)法遮擋PS 在配向膜上劃傷的位置，致使漏光不良更易發(fā)生［11］。最后，PLN 平坦化層在面板受到擠壓時(shí)，若其對(duì)上下基板間電場(chǎng)相互干擾的防護(hù)作用受到破壞，會(huì)對(duì)基板上的像素電容造成影響（像素電容的作用即為驅(qū)動(dòng)液晶分子的旋轉(zhuǎn)），進(jìn)而影響像素周邊的液晶分子正常偏轉(zhuǎn)，也會(huì)導(dǎo)致漏光。由于MPS 設(shè)計(jì)在紅藍(lán)像素上，故宏觀上呈現(xiàn)出紅斑或者藍(lán)斑現(xiàn)象。

圖4 液晶面板擠壓示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid crystal panel pressing

3 不良影響因子的研究

3.1 擠壓漏光影響因子實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述液晶面板擠壓漏光的機(jī)理分析，對(duì)盒內(nèi)PS 相關(guān)設(shè)計(jì)、遮光BM 寬度設(shè)計(jì)以及下基板PLN 的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是改善的總體方向。本文通過(guò)DOE［12］篩選出影響擠壓漏光的主要因子，主要探討PS 的尺寸、BM 寬度、PS 站位以及PLN 厚度對(duì)擠壓漏光不良的影響?；趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的情況，以上相關(guān)因子的設(shè)置都有各自的范圍，因此本次實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 DOE 部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)Tab.1 DOE part factor experiment set parameters

以上實(shí)驗(yàn)因子共計(jì)4 個(gè)，采用24*1/2 部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行8 組實(shí)驗(yàn)。部分因子實(shí)驗(yàn)實(shí)施應(yīng)按照DOE 的基本原則進(jìn)行，即隨機(jī)性、重復(fù)性和區(qū)組化。實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性是為了防止實(shí)驗(yàn)時(shí)主觀和客觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差，以此來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的可信度。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)輸出Tab.2 Partial factor experiment design and experimental output

3.2 擠壓漏光的部分因子DOE 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2 實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果，利用Minitab 軟件制作如圖5 所示的擠壓漏光影響因子的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)Pareto 圖。圖中的豎虛線(xiàn)為95%的置信度水平顯著性判斷參考線(xiàn)，橫向矩形條為各因子的效應(yīng)絕對(duì)值。若矩形條超出判斷參考線(xiàn)，表示因子對(duì)實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果的影響顯著，且超出部分與顯著性成正相關(guān)。由圖5 可見(jiàn)，PS 尺寸、BM 寬度、PS 站位以及PLN 厚度均超過(guò)參考線(xiàn)，即可判斷以上均為顯著影響因子，并且各因子對(duì)面板擠壓漏光最大臨界值影響大小的排名為PS 站位＞PS 尺寸＞BM 寬度＞PLN 厚度。

圖5 擠壓漏光影響因子的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖Fig.5 Standardization effect of pressed leakage influence factor

為驗(yàn)證以上分析是否合理需要進(jìn)一步進(jìn)行殘差分析，如圖6 所示為擠壓漏光影響因子的殘差圖。

由圖6（a）可進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，圖中各點(diǎn)的分布在同一直線(xiàn)上下浮動(dòng)，且P值（P值是用來(lái)判定假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)參數(shù)，通常被用來(lái)判斷原始假設(shè)是否正確）為0.376（＞0.05），由此可判定滿(mǎn)足正態(tài)分布；由圖6（b）觀察與擬合值散點(diǎn)圖可知，各點(diǎn)分布未出現(xiàn)“喇叭形”或者“漏斗形”，由此判斷殘差正常；由圖6（d）觀測(cè)值順序圖可觀察到各點(diǎn)隨機(jī)分布于水平軸的上下并無(wú)呈規(guī)則波動(dòng)。以上3 個(gè)角度（直方圖用于顯示所有觀測(cè)值的殘差分布，其外觀取決于用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的區(qū)間數(shù)，但由于本文中樣本數(shù)量小，所以不具備可靠性）的分析表明，本文的DOE 數(shù)據(jù)分析基本準(zhǔn)確，可確定PS 尺寸、BM 寬度、PS 站位以及PLN 厚度為影響面板擠壓漏光的主要因子。

圖6 擠壓漏光影響因子的殘差圖Fig.6 Residual diagram of pressed leakage influence factor

4 液晶面板擠壓漏光的改善

根據(jù)DOE 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)以上顯著影響因子進(jìn)行優(yōu)化并管控好其他因子，即可提高液晶面板擠壓漏光最大臨界值，有效改善擠壓漏光不良，進(jìn)而提升面板抗擠壓能力。

4.1 增加PS 的尺寸

在確保滿(mǎn)足液晶面板光學(xué)特性的前提下，通過(guò)增加PS 的尺寸使之與配向膜接觸面積變大，進(jìn)而使其周?chē)臻g變小，在面板受到擠壓作用致使PS 發(fā)生滑動(dòng)時(shí)能夠較早與周邊金屬線(xiàn)接觸，以達(dá)到阻擋PS 滑動(dòng)的目的。為此，將柱狀PS 的上下底直徑各增加3 μm。為了驗(yàn)證原設(shè)計(jì)與增加3 μm 設(shè)計(jì)的PS 彈性回復(fù)率的區(qū)別，本文使用精密的PS 柱彈性回復(fù)率測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，利用儀器模擬在加壓情況下PS 的狀況。設(shè)置擠壓力值為50 mN，持續(xù)時(shí)間為30 s。設(shè)hmax為PS 發(fā)生的最大形變，hp為壓力撤銷(xiāo)后PS 恢復(fù)后的形變，由式（1）可以得到PS 的彈性回復(fù)率［13-14］。

不同尺寸設(shè)計(jì)的PS 彈性回復(fù)率如表3 所示。從表中可以看出，增加PS 的尺寸后，其彈性回復(fù)率較原設(shè)計(jì)平均提高了4.4%。

表3 不同產(chǎn)品PS 彈性回復(fù)率對(duì)比Tab.3 Comparison of different product PS elastic recovery rate

對(duì)比PS 的尺寸設(shè)計(jì)變更前后兩種產(chǎn)品在相同擠壓實(shí)驗(yàn)中面板出現(xiàn)漏光的臨界值，如圖7 所示。由圖可知，PS 的設(shè)計(jì)變更后擠壓出現(xiàn)漏光的平均力值增大，面板所能承受的最大壓力平均增強(qiáng)32.69%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以推測(cè)是因?yàn)镻S 的尺寸增大，與配向膜接觸面積增大，相同負(fù)載下PS 受到的壓強(qiáng)變小，形變量減小，因此壓縮后產(chǎn)生的塑性形變減小，彈性回復(fù)率增加，擠壓出現(xiàn)漏光的平均臨界力值增大，能夠有效改善擠壓漏光不良。

圖7 不同PS 尺寸設(shè)計(jì)的面板抗擠壓能力Fig.7 Panel anti-pressing capability of different PS size design

4.2 增加BM 寬度

BM 的作用是避免鄰接RGB 三原色像素的散亂光及背光直接投射，增加色彩對(duì)比性，避免背景光由顯示幕反射造成對(duì)比度下降，遮蔽薄膜晶體管以防止光電流產(chǎn)生以及減少LCD 光點(diǎn)間因彼此干擾所產(chǎn)生的光害，獲得穩(wěn)定且清晰的影像品質(zhì)，提升閱讀上的舒適度等。在保證其他因子不變的前提下，增加BM 的寬度，可以使面板在擠壓過(guò)后PS 滑動(dòng)的距離小于BM 寬度從而能夠遮擋漏光。但基于液晶顯示屏高分辨率的要求，過(guò)度增大BM 寬度的設(shè)計(jì)會(huì)降低液晶面板的透過(guò)率，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中將BM 寬度在原來(lái)基礎(chǔ)上增加3 μm。

對(duì)變更BM 寬度設(shè)計(jì)前后的液晶面板分別選擇相同數(shù)量的樣品進(jìn)行相同的擠壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，增大BM 寬度設(shè)計(jì)的液晶面板擠壓漏光平均臨界力值為64 N，對(duì)比改善前液晶面板擠壓漏光的平均臨界力值49 N 提升了30.61%，說(shuō)明增大BM 寬度設(shè)計(jì)能夠改善擠壓漏光不良。

圖8 不同BM 寬度設(shè)計(jì)的面板抗擠壓能力Fig.8 Panel anti-pressing capability of different BM width design

4.3 不同PS 站位設(shè)計(jì)對(duì)擠壓漏光的影響

圖9 展示了PS 不同站位設(shè)計(jì)的液晶面板顯微鏡圖。在保證PS 尺寸大小以及BM 寬度不變的前提下，變更PS 站位設(shè)計(jì)，其中圖9（a）為變更前的PS 站位設(shè)計(jì)，整體偏右上設(shè)計(jì)；圖9（b）為變更后的PS 設(shè)計(jì)，整體居中設(shè)計(jì)。

圖9 PS 站位不同設(shè)計(jì)的顯微鏡圖Fig.9 Microscopic map of PS different station design

根據(jù)上述PS 站位設(shè)計(jì)的液晶面板，分別選擇相同數(shù)量的樣品進(jìn)行相同的壓力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，PS 偏右上設(shè)計(jì)的液晶面板所能承受的臨界平均值為51 N，而PS 整體居中設(shè)計(jì)的面板所能承受的臨界平均值為68 N，相較之下提升了33.33%。由此可以推斷液晶面板內(nèi)PS 站位調(diào)整為整體居中設(shè)計(jì)，擠壓后偏移距離小，不易出現(xiàn)擠壓漏光。

圖10 不同PS 站位設(shè)計(jì)的面板抗擠壓能力Fig.10 Panel anti-pressing capability of different PS stamp design

4.4 減小PLN 厚度設(shè)計(jì)

PLN 為有機(jī)膜層，主要起平坦化作用使配向更均勻，同時(shí)減小耦合電容，并對(duì)下基板的TFT電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，避免影響同一基板上的像素電容，防止電場(chǎng)相互干擾。圖11 所示為不同PLN厚度的SEM 圖。

圖11 不同PLN 厚度的掃描電鏡圖Fig.11 Different PLN thickness SEM map

根據(jù)以上所述的PLN 有機(jī)膜層厚度的設(shè)計(jì)，在保證PS 尺寸，BM 寬度以及PS 站位相同的前提下，對(duì)不同PLN 厚度設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行相同條件下的擠壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖12 所示。由圖12可知PLN 厚度d=3.3 μm 的液晶面板擠壓漏光平均臨界值為48 N，而PLN 厚度為d=2.7 μm 的液晶面板出現(xiàn)擠壓漏光的平均臨界力值為61 N。相比之下，PLN 厚度減小卻使面板抗擠壓能力提升27.08%，因此減小PLN 厚度可有效改善擠壓漏光不良。

圖12 不同PLN 厚度設(shè)計(jì)的面板抗擠壓能力Fig. 12 Panel anti-pressing capability of different PLN thickness design

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)液晶面板擠壓漏光機(jī)理的分析，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中部分因子DOE 方法，確定影響擠壓漏光不良的顯著因子為PS 的尺寸、BM 寬度、PS站位設(shè)計(jì)以及PLN 厚度。

針對(duì)各個(gè)影響因子設(shè)計(jì)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中液晶面板的不良改善措施，結(jié)果表明：柱狀PS 上下底直徑各增加3 μm 的設(shè)計(jì)使面板所能承受的最大壓力平均增強(qiáng)32.69%，并且其彈性回復(fù)率較原設(shè)計(jì)提升了4.4%；增大BM 寬度設(shè)計(jì)的液晶面板對(duì)比改善前擠壓漏光平均臨界力值提升了30.61%；PS 整體居中設(shè)計(jì)的液晶面板較PS偏右上設(shè)計(jì)的面板所能承受的臨界均值提升了33.33%；PLN 厚度為2.7 μm 的液晶面板比PLN厚度為3.3 μm 的面板抗擠壓能力提升了27.08%。本文所研究的內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)方法可有效提升產(chǎn)品的品質(zhì)，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。