偏光干涉法檢測LCD間隔子的均勻性

范應娟，袁桃利，張麥麗

（陜西科技大學理學院，陜西 西安 710021）

1 引 言

近年來，液晶顯示器因其低電壓、低輻射、低功耗以及輕、薄、美觀等優點，已廣泛應用于各種信息、通訊和消費性電子產品中［1］。液晶顯示器的顯 示 模 式 有 很 多 種，例 如 TN［2］、STN［3］、IPS［4］、MVA［5］等模式。無論哪種顯示模式，顯示屏中都含有間隔子。間隔子一般分為兩類：玻璃間隔子和塑料間隔子。玻璃間隔子主要用于摻在封框膠中來控制兩塊基板之間的間隙，以保持最佳液晶層厚度。張方輝等［6］對玻璃間隔子的應用進行了探討，指出玻璃間隔子對液晶盒的厚度有著重要影響。另一類塑料間隔子均勻分散在液晶屏內，決定液晶盒厚度的均勻性［7］。液晶顯示器的反應速度、對比度、視角等都與液晶層的厚度有密切關系。特別是對于特定模式的液晶屏，如果不按照液晶材料的光學特性嚴格設定液晶層的厚度，就不能獲得高對比度及優良的顯示效果，所以在設計液晶盒時要適當選擇間隔子的種類及大小，使液晶層的厚度及其均勻性達到設計要求。此外，隨著對液晶顯示器顯示容量、顯示品質的要求越來越高，間隔子的功能不僅是保持間隙，人們還在努力研究用間隔子來解決液晶屏的性能問題。程石等［8］研究了液晶屏內塑料間隔子的分布情況與低溫空洞的關系，解決溫度變化引起的色調變化以及間隔子的移動或低溫時發生的空洞等問題。張麥麗等［9］指出，為獲得大面積均勻厚度的液晶層，就要在整個液晶盒內均勻分散間隔子。總之，塑料間隔子分布的均勻性對液晶盒的性能有重要影響。為了檢測間隔子在液晶屏中的分布均勻性，范志新等［10］采用掃描電鏡觀察液晶屏中間隔子的分布情況，但這種方法不僅要破壞液晶盒，而且非常麻煩。總體來看，國內外對間隔子均勻性檢測的相關報道還比較少。本文提出了一種在不破壞液晶盒的前提下，利用偏光干涉法檢測液晶盒內塑料間隔子均勻性的方法，為實際生產提供了一種簡單快捷的檢測手段。

2 液晶盒偏光干涉原理

眾所周知，液晶盒包括上下玻璃基板、ITO導電層、取向層、封框膠、液晶層、上下偏光片，在液晶層內還含有塑料間格子，封框膠中有玻璃間隔子。封框膠與上下玻璃基板共同圍成一個密閉空間，液晶薄層就被密封在該空間內。在兩塊玻璃基板的外面貼有偏光片，兩偏光片的取向成一定夾角。一般來講，玻璃基板、ITO導電層、取向層等均為各向同性材料，處于扭曲排列的液晶層既有雙折射特征，又有旋光作用；處于平行排列的液晶層僅有雙折射效應，與波片類似。為了簡單起見，下面以90°扭曲排列的液晶層為例探討一下液晶盒偏光干涉的基本特性。

圖1為液晶盒偏光干涉原理圖。設L1和L2為上玻璃基板和下玻璃基板錨定的液晶分子的指向方向，兩者夾角為90°，P1和P2分別為起偏片和檢偏片。在未加驅動電壓的情況下，來自光源的自然光經過起偏片后只剩下平行于起偏片透光軸的線偏振光，當線偏振光與第一塊玻璃基板上的液晶分子指向軸有一定夾角β時，就會發生偏光干涉，此時，偏振光分為o光和e光，到達輸出面時，其o光和e光旋轉了90°，變成了o’光和e’光，此時液晶分子的指向矢與檢偏片夾角為γ。

圖1 液晶盒偏光干涉原理圖Fig.1 Image of the principle of the polarization interference for liquid crystal cell

設液晶盒的折射率各向異性為Δn、盒厚為d。光通過液晶盒產生的非常光和尋常光之間的光程差R以及相位差#可分別表示為：

垂直入射則液晶盒的光的透射強度公式可推導為：

因此，如果白光照射液晶盒時，在偏光片一定夾角的情況下，液晶盒對各色光的透射光強不同，從偏光顯微鏡下看，液晶盒呈現為某一顏色的復色光。

3 實 驗

先用超聲清洗機清洗玻璃基片，然后用鑷子取出在烘箱里烘10min，溫度設為50℃，讓玻璃基片上的酒精完全揮發掉。然后用萬用表測出兩片玻璃基片導電的一面，并在玻璃基片導電的一面涂上取向劑，用液晶基片懸涂機懸涂120s，時間太短均勻性不好，時間太長，膜太薄；轉速為2 500r／min，轉速太高或太低都不能使膜旋涂均勻。然后在烘箱里烘干預熱30 min，溫度設為80℃，如此設置時間和溫度使膜的附著力達到一個最佳的值；然后再烘烤2h，溫度為200℃，此時，溫度太高，膜太硬，摩擦取向的時候不容易刷成溝槽，溫度太低達不到固化的效果。待烘烤完畢，取出，將涂取向劑的一面朝上放在液晶配向摩擦機的平臺上，摩擦一下，轉速設為2 500r／min，轉速太小，摩擦的溝槽不太深，轉速太大，摩擦過頭，影響液晶盒制作效果。然后均勻噴灑間隔子，將兩個玻璃基板正交重疊，最后在臺式液晶盒光固機上先用膠封住兩邊，然后灌注液晶，最后封住灌晶口，至此，液晶盒制備完成。然后在偏光顯微鏡下觀察間隔子分布不良的TN液晶盒，以及間隔子分布比較優良的TN液晶盒、STN液晶盒和TFT液晶盒。

所用設備為：超聲清洗機，購于惠州市龍標電器有限公司。液晶配向摩擦機，型號為ZKYLCDZBX－MC；液晶基片旋涂機，型號為ZKYLCDZBX－XT；臺式液晶盒光固機，型號為ZKYLCDZBX－GG；立式電熱恒溫箱，型號為ZKYLCDZBX－HW；USB透射式偏光顯微鏡，型號為ZKY－LCDZBX－XW；還有液晶和間隔子均購于成都世紀中科儀器有限公司。

4 結果與討論

圖2為顯微鏡下觀察到的間隔子分布不良的TN液晶盒。從圖2中可以看出，間隔子噴灑的不均勻，且有團聚現象，如圖2中畫圈的地方。液晶顯示器是通過控制上下基板間的電場，改變液晶材料的排列方式來達到預期的顯示效果，而兩片基板中的間隔子扮演著控制基板間厚度與均勻性的角色。在LCD制作過程中，間隔子材料一般為球狀，本實驗所做的圖2液晶盒采用干噴法，分散間隔子在基板上用來控制盒厚。采用這種方法，球形間隔子在氣流的作用下隨機分布在面板上，容易出現不均勻和團聚現象。間隔子是白色透明的塑料小球、屬非晶態物質。在偏光顯微鏡下，來自于光源的白光透過偏光片后產生線偏光，線偏振光照射在液晶與間隔子上會產生不同的效應。

圖2 間隔子分布不良的TN液晶盒Fig.2 Bad distribution of the spacers of TN liquid crystal cell

線偏光經過間隔子后不會產生光程差，經過偏光顯微鏡的檢偏片后也不發生偏光干涉，只要兩塊偏振片不互相垂直，就會有光透過（本實驗讓偏光片成一定夾角）；由于間隔子的大小為微米級，如果存在散射，主要為米氏散射，散射的光強與波長沒關系，吸收也可以忽略不計，因此，間隔子不會產生彩色。線偏光經過液晶層后產生o光和e光，二者經過液晶層會產生光程差，經過檢偏器后會發生偏光干涉。結果在液晶屏上間隔子出現的區域呈現白色，其余液晶出現的區域其亮度與顏色由偏振光的干涉狀態決定。當單色光入射，經過檢偏片后，光強的大小由式（5）決定。當白光入射時，產生的干涉色是許多種單色光的復合，是復色光，每一種單色光的光強由式（5）決定，其中，在一定的偏振片夾角的情況下，有某一種單色光可能干涉相長，又有另一種單色光干涉相消，其余的單色光光強介于兩者之間，因此，最后的干涉色會出現某一種顏色的復色光。由以上分析可見在間隔子團聚的區域會出現與控制信號無關的亮點，從而影響液晶顯示屏的對比度，影響顯示效果。

圖3是顯微鏡下觀察到的間隔子分布比較優良的TN液晶盒。我們從圖2看到不均勻的和團聚的間隔子的圖像，從圖3可以看到不是非常均勻，但沒有團聚現象發生。這可能是由于圖3液晶盒采用了濕噴法，但還是噴灑得不是非常的均勻。從圖3中可以看出，液晶盒間隔子的最小距離大約在20μm左右，最大距離超過100μm。這與現在的間隔子的噴灑工藝還不完善有關。由于圖3的TN液晶盒沒有彩色濾色膜，透過率高，相應的對比度也高，因此間隔子很清晰。從圖3還可以看出，液晶盒呈藍色，這是偏光干涉呈現的復色光。從圖3中還可以看出，背景顏色還比較均勻，這與間隔子沒出現團聚現象，有一定關系。

圖3 間隔子分布比較優良的TN液晶盒Fig.3 Excellent distribution of the spacers of TN liquid crystal cell

圖4是顯微鏡下觀察到的間隔子分布比較優良的STN液晶盒。從圖4中可以看出，液晶盒玻璃基板上貼了彩色濾色膜，有3個像素，紅、綠、藍。在3個像素里面，散布著發亮的間隔子，從圖中可以看出，間隔子不是非常的均勻，但沒有出現團聚現象。圖4液晶盒同樣也是采用了濕噴法。從圖中可以看出每個像素里間隔子的最小距離接近30μm，最大的距離為100μm左右。根據前面的式（1）、（2），由于液晶盒產生的相位差只與液晶本身有關，在未加電壓的情況下，相位差是一定的，因此，透射光強就只與偏光片的夾角有關。偏光片不同的夾角，也就是前面式（5）中的β和γ不一樣，就會產生不同的偏振光干涉，也就會顯示不同的顏色。如果偏光片夾角調得不好，有可能會導致某一種濾色膜里的間隔子看不見或看不清。從圖中可以看出，紅色濾色膜里的間隔子最亮，對比度最高，而藍色濾色膜里的間隔子要稍微模糊一點，即對比度最低，可能是因為此時產生的某種干涉色里面，紅色雖不一定是干涉相長的，但紅色的光強有一定程度地加強，在這3種顏色里面是最強的，而此時藍色雖不至于干涉相消，但光強比綠色還有一定程度地減弱，因此對比度最低。因此，偏光片夾角調到合適的程度，間隔子的對比度達到最佳，3種濾色膜里面的間隔子都能看清，只是亮度有強有弱。

圖4 間隔子分布比較優良的STN液晶盒Fig.4 Good distribution of the spacers of STN liquid crystal cell

圖5 間隔子分布比較優良的TFT液晶盒Fig.5 Good distribution of spacers of TFT liquid crystal cell

圖5是顯微鏡下觀察到的間隔子分布比較優良的TFT液晶盒。從圖5中可以看出，它與STN最大的不同是帶有TFT電極，圖中突出的小黑塊即為TFT電極。圖中也有紅、綠、藍三像素，且比STN中的紅、綠、藍三像素要小。其中發亮的點為間隔子。間隔子分布的不是非常的均勻，但沒有團聚現象。圖5液晶盒仍然采用了濕噴法。從圖中可以看出，每一個像素里間隔子的最小距離接近20μm，最大距離超過60μm。由于帶了TFT電極以后，透過率低，整個視場顯得比TN液晶盒和STN液晶盒的視場要暗，起偏片和檢偏片調到合適的角度，就能觀察到紅、綠、藍三像素里的間隔子發光。從圖中還可以看出，綠色像素里的間隔子最亮，對比度最高，而紅色像素里間隔子的對比度最低，說明此時產生的干涉色里面，綠色光雖不一定是干涉相長那個色光，但光強卻有一定程度地加強，而且是三者當中最強的，而這三者之中紅色光減弱程度是最大的，因而光強是最小的，對比度是最低的。當偏光片調到合適的夾角，3種像素里的間隔子都能比較清晰地看見。

5 小 結

實驗室制備了4種液晶盒，第一種采用干噴法，后面3種采用濕噴法，在偏光顯微鏡下觀察了液晶盒中間隔子噴灑的均勻性。分析了間隔子發亮的原因，給出了這些液晶盒當中，除了那個間隔子分布不良的TN液晶盒外，其余的液晶盒間隔子噴灑的最小距離在接近20μm，最大距離超過100μm。由于液晶盒中的間隔子均為無色，如果不采用偏光干涉法，間隔子的均勻與否是無法觀察到的。文中還分析了液晶盒偏光干涉的原理，以及分析了STN液晶盒和TFT液晶盒中間隔子顯示的對比度和偏光片夾角的關系。

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