作者：骆官水1,2,莫达昌2,马岳2(1.北京大学微电子学与固体电子学,广东 深圳 518055;2.TCL华星光电技术有限公司,广东 深圳 518132)

  ：本文研究了周边显示不均发生机理，从生产的基本工艺方面提出PI边缘大液滴、加速PI液蒸发、涂布后环境风速降低等PI边缘膜厚偏薄改善的有效对策，改善了周边显示不均的不良。

  配向膜(polyimide, PI) 在TFT-LCD 技术中主要起到控制液晶分子排列方向的作用[1]P71-75。TV 面板中PI的涂布设备多采用喷墨打印技术(Inkjet Printing)[1]P139-141，该技术相对旧式的转印方式(Roller Coater) 有PI用量精准，损耗小，效率高等优点，但因为该技术下PI 是靠液滴自然流平成膜，导致边缘出现PI 膜厚偏薄的状况，随着窄边框产品发展，PI 边缘到AA(Active Area) 区域距离不断压缩，面板周边显示问题越显突出，其中周边显示不均问题最为严重。

  液晶面板在进行可靠性分析(Reliability analysis,RA) 的高温高湿动作测试(HPHHO) 时，低灰阶下面板四边边缘会出现显示不均现象，边缘较AA 区呈现发白分层，该区域宽度约1cm。

  2.2.1 从边缘向内贯穿测量，边缘发白区Cell gap 测量无差异，预倾角NG 区较OK 区偏小约0.2°；

  2.2.2 CF 基板去除PI 膜前在钠光灯下可见，去除PI 后不可见；

  通过图1 可以建立PI 膜厚计算模型，只必须了解到滴落在基板上的液滴间距DotX、DotY、平台移动次数N，PI 液固含量比例S、单滴PI 液质量md、PI 液密度ρ、预主固化膜缩比F 等参数便可计算PI 膜厚：

  滴落在基板上的液滴间距DotX、DotY 能够最终靠head 吐出针孔间距L、平台移动速度、液滴吐出频率确定，本实验中采用的head 分A、B 两列吐出，平台来回移动期间head 均吐出PI，因此

  其中Dv是蒸气在空气中的扩散系数，ρs和ρ∞是饱和蒸气的质量密度和体积，可知蒸发率与液滴半径成正比。液滴半径容易推得：

  其中θ为接触角，V为液滴体积，可知接触角越小，也就是基板表面越浸润，液滴半径越大。

  另外由于本论文研究的是CF基板表面，为POA技术，仅ITO及BM膜层，CF粗糙表面的浸润方程可以用Wenzel 方程表示：

  式中θ为测量接触角，θ0为杨氏接触角；Rf为粗糙因子。一般地，光滑表面Rf=1 ，粗糙表面Rf＞1，即表面浸润的界面，越粗糙则越浸润，接触角θ越小。

  根据(11)、(12) 能得出结论：CF 基板表面粗糙度与液滴蒸发速率成正比。

  PI 液滴被涂布在基板上扩散成膜，在预烘烤炉中PI 湿膜的前驱膜三相接触点被钉扎住(pinned)，蒸发过程中，在表面张力梯度的作用下，在前驱膜三相接触线处PI 液组分向湿膜中央流动，而湿膜内部PI 液组分从AA 区往三相接触线流动，同时对于整个PI 湿膜而言，三相接触线处温度最高，蒸发通量最大，此处溶剂首先被蒸发干，溶质固化下来，在Marangoni对流持续影响下，湿膜AA区PI 液组分源源不断往三相接触线处流动、堆积，当PI 液湿膜固化成干膜时，便出现边缘PI 出现一个“山峰”，而往内至AA 区之间一段PI 膜厚偏薄的现象。

  PI 液中含有NMP、DAA、BC 等溶剂成分，同时PI 液蒸发过程中分成上下两层polymer，侧链密度不一样，下层polymer 不溶于BC，由2.3.3 知三相接触线处温度最高，溶剂首先被蒸发，由于下层polymer 分子运动慢，BC 带动上层polymer 往前移动蒸发，下层polymer 再往前移动蒸发。这样移动速度及蒸发速度的差异导致水平方向上组分不一样，导致侧链浓度差异，侧链浓度差异直接引发对液晶的锚定差异，点灯时呈现显示分层现象。

  根据以上分析，可以从涂布设备参数、基板表面浸润性、液滴烘烤条件、基板搬运条件、PI 溶剂成分配比(改变溶剂沸点、溶解度、表面张力等参数) 等方面抑制marangoni 对流、指进失稳现象，进而达到减轻AA区边缘PI 膜厚偏薄、相分离的现象。本文受限于生产条件，仅从涂布设备参数、预烘烤条件、环境条件调整进行实验改善。

  当head 喷头孔径结构固定，吐出频率、平台移动速度、涂布次数固定时，PI 膜厚与单滴液滴质量成正比，通过调整喷印设备喷头压电陶瓷电压大小便可控制液滴大小。由于PI 是PI 液滴扩散成膜，能够最终靠调整喷头吐出的液滴大小，在AA 区内部涂布通常大小的液滴，在外围涂布一圈大液滴，从而有效解决边缘膜厚偏薄问题。

  实验中，AA 区用48 ng 液滴涂布1 000 Å PI 膜厚，外围用58 ng 液滴涂布1200 Å PI 膜厚。实验结果如下图2，(a) 图为SEM 测量PI 膜厚片的位置示意图，从外围往AA 区，依次为区域1、区域2、中心区，本文其他实验条件膜厚切片与该模型一致，(b) 图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å，中心区PI 膜厚1012Å，膜厚差异154Å，(c) 图表明PI 边缘液滴加大实验中，区域1 PI 膜厚958Å，中心区PI 膜厚1007Å，膜厚差异49Å，相对于周边显示不均玻璃膜厚差异已明显缩小。

  PI 的成膜制程为：涂布前清洗→涂布→预烘烤→自动检查→主烘烤，其中预烘烤最大的作用是蒸发掉PI 溶液中的溶剂，起到初步固化效果。由2.3.3内容知，PI 溶液蒸发过程中存在Marangoni对流，溶液组分会往外边缘堆积，最后导致PI最外围形成“山峰”，而靠近AA 区边缘的PI 偏薄的状况，因此若PI 液快速蒸发，可减短Marangoni对流时间，最终达到改善PI 边缘膜偏薄的效果。

  实验中，预烘烤温度采用100 ℃，总的烘烤时间124 s 不变，在PIN1 烘烤时间从8 s 缩短至2s，在PIN2烘烤时间从116 s 增加至122 s。实验结果如下图3， (a)图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å，中心区PI 膜厚1012Å，膜厚差异154Å，(b) 图表明PI 预烘烤在PIN1 的停留缩短后，区域1 PI 膜厚917Å，中心区PI 膜厚1021Å，膜厚差异104Å，相对于周边显示不均玻璃膜厚差异明显缩小，但较PI 边缘液滴加大效果差。

  PI 液涂布在玻璃上扩散流平时，流平至某些特定的程度后，PI 边缘三相接触点被钉扎住，但如受外力影响，如环境风速、搬送抖动等会导致钉扎平衡被打破，钉扎点外扩。

  实验中，我们将PI 涂布后的FFU 风量从800 m3/h下降到400 m3/h。实验结果如下图4，(a) 图表明周边显示不均的玻璃区域1 PI 膜厚858Å， 中心区PI 膜厚1012Å，膜厚差异154Å，(b) 图表明PI 预烘烤在PIN1的停留缩短后，区域1 PI 膜厚907Å，中心区PI 膜厚1028Å，膜厚差异121Å，相对于周边显示不均玻璃膜厚差异变小，但是影响效果较PI 边缘液滴加大及PI 预烘烤炉快速蒸发的差。

  本文介绍了PI喷墨打印工艺中周边显示不均的改善方法。讨论了周边显示不均失效的机理，即面板边缘区域PI 膜厚偏薄导致PI 膜侧链偏少，导致预倾角偏低，最后引发周边显示不均不良，而边缘PI 膜厚偏薄是由于PI 液滴的扩散、浸润、蒸发特性导致。可以从涂布设备参数、基板表面浸润性、液滴烘烤条件、基板搬运条件、PI 溶剂成分配比等方面通过抑制Marangoni 对流、指进失稳现象，进而达到减轻AA 区边缘PI 膜厚偏薄、相分离的现象。本文给出了三种有效对策：PI 边缘液滴加大、PI 液加速蒸发、PI 涂布后FFU 风量减小，其中PI 边缘液滴加大最为有效，且简单易操作，可有效应用到全部的产品设计中。

  [2] 简 G.考文科,帕特里克 J.史密斯,申东用.喷墨打印微制造技术[M].汪浩,孙玉绣,等译.北京:机械工业出版社,2015:82-87.

  [5] 韦昌炜. 影响TFT-LCD液晶安全范围的关键因子研究[D].广州:华南理工大学,2018.