面板過孔設計對聚酰亞胺液擴散的影響

劉金貴，殷盛杰，顧可可，李光強，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)由于其優異的成膜、機械、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，使液晶分子實現水平或垂直方向的取向。目前PI膜制備有輥涂轉印和噴墨打印兩種涂布方式，前者使用高粘度PI液利用APR版轉印原理生產窄邊框、高預傾角等精度高的產品，但尺寸切換困難、材料浪費多、生產效率低[5-6]；后者使用低粘度PI液利用噴墨打印原理生產各種不同尺寸產品，產品切換容易、效率高。現在高世代線傾向于使用噴墨打印機進行生產。

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

針對TFT周邊PI液擴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、預固化溫度和環境壓力降低、配向膜厚度減小等措施有效減少PI液在過孔周邊堆積，進而解決此類不良問題。對于該周邊黑線不良，王海成等[10]通過更改公共電極過孔的密度及大小并結合PI液預固化工藝的優化，也改善了周邊Mura不良。趙成明等[11]研究了陣列基板的設計對配向膜擴散的影響，研究表明Mura區較正常區PI膜厚偏厚。對比實驗結果表明TFT過孔設計、鈍化層厚度和表層公共電極對不良影響較大，過孔密度小于1/3、鈍化層厚度小于350 nm(兼顧TFT特性基礎上)、取向膜印刷次數變更為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產品使用噴墨打印機生產時，顯示區過孔區域因為PI液擴散不均形成“線Mura”不良。從變更鈍化層掩膜、減小過孔數量和周期、改變噴墨打印涂布次數等幾個方面的工藝參數調整或工藝過程優化，提高PI液涂布的均勻性，進而改善“線 Mura”不良。

2 實 驗

2.1 HADS型不良面板制備

該實驗所用“線Mura”不良屏幕采用15.6、14.0、13.3HADS產品屏幕，因3款產品皆有“線Mura”不良，且現象一致，其中14.0HADS產品該不良現象更突出，所以我們針對 “線Mura”不良主要以14.0HADS產品為基準展開討論。PI膜涂布參數列于表1。

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

圖1 AA區“線Mura”現象Fig.1 “Line Mura” in AA area

模組產出面板在實驗室不加電旋偏光片情況下可見AA區局部細紋狀Mura(圖1)，出現位置不固定，發生率100%。

2.2 設備與測試

PI Inkjet Printer涂覆機，型號為IP-G85-VH-T15-CB-1180L，石井表記(Ishiihyoki)公司，涂覆PI膜厚100 nm；預固化設備，型號為14-146-N101，Zeus公司，預固化溫度100 ℃；主固化設備，型號為CLBSB8-3H24，Hanwha公司，主固化溫度230 ℃；日立液晶成盒設備，型號為SPV-2500-SF,日立(Hitachi)公司；液晶材料，牌號為BOE-F013，上海默克化工；偏光顯微鏡，型號為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，實驗采用100 μm掃描器，輕敲模式(Tapping mode)，UL20B硅探針，力常數(Spring constant)是1.00 nN/nm，掃描速率1.22 Hz；掃描電子顯微鏡(SEM)，型號為SU8000，日立(HITACHI)公司。

3 結果與討論

3.1 “線Mura”不良分析

模組產出面板在實驗室不加電旋偏光片情況下可見AA區局部細紋狀Mura，拆屏后TFT膜面對應位置可見該不良，TFT側除去PI膜后未見不良，彩膜側膜面無異常，所以該不良是TFT側PI膜面異常所致。

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

圖3 “線Mura”異常區和正常顯示區PI膜厚對比Fig.3 Comparison of PI thickness between abnormalarea and normal area

通過測試TFT側PI膜厚，從圖3可以看出，異常區鈍化層和Com ITO(銦錫氧化物)上PI膜厚比正常區偏厚，厚度分別約10 nm和5 nm，可能是異常區PI液擴散不均，導致該區域PI膜厚厚度不均而產生“線Mura”不良。鈍化層膜層上PI膜厚比條形 Com ITO上厚約30 nm，這是因為像素區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液在重力作用下會往低洼處(鈍化層)流動，結果造成ITO上PI膜厚比在鈍化層上薄。

顯微鏡下對比“線Mura”異常區和正常區視野，發現異常區域有發光小亮點(圖4箭頭指示位置)，分布無規律，而正常區域無此現象。放大發光小亮點區域，可看出該位置是鈍化層過孔用來轉接下層公共電極走線信號至表面條形Com ITO層(圖5)。放大鈍化層過孔并對比正常區(圖5(a))和異常區(圖5(b))發現，異常區有些鈍化層過孔發亮，過孔內沒有PI液進入，沒有PI液進入的過孔呈現強金屬反射光而發亮。

同時對比正常區和異常區鈍化層過孔邊緣發現，正常區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)，該偏移造成正常區鈍化層過孔周邊處于半開放狀態，PI液滴在自身重力作用下向鈍化層過孔缺口擴散時， PI液流入過孔內只需要克服較低的勢能就能實現，而鈍化層過孔周圍沒有缺口時，過孔周邊的PI液高度需要累積集聚，當集聚高度超過過孔段差時，PI液才能從過孔外邊沿逐層向內部擴散。

圖5 視野正常區(a)和異常區(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液在過孔內擴散情況，下面以101.6 cm(40 in)COA(CF on Array)屏體鈍化層過孔內(約15 μm)PI液的擴散情況加以說明。過孔內PI液的擴散是分步進行的：第一步，過孔周圍PI液積聚量增加，液位高度持續增長至遠大于過孔外沿高度時，才會發生PI液的擴散進孔現象。這是因為TFT固體表面與理想表面差別較大，表面存在平臺空位、彎結、單原子臺階、增原子、臺階增原子、結晶區、非晶區和表面污染等缺陷[12]，實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處于亞穩平衡態(被能壘從其相鄰狀態中隔離出來的能谷)，會出現接觸角的滯后現象[13]，即持續滴加液體只會使液滴變高，液滴周邊并不會隨之擴展，隨著液滴滴加量的增加接觸角隨之增大，這是粗糙平面導致的液滴擴散滯后造成的，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液高度遠高于過孔外沿才會出現PI液流入過孔現象；第二步，高液位PI液通過分子鏈段的協同作用由外往內逐層流動擴散[14]，最終擴散至過孔中心完成PI液擴散，由于過孔內擴散是由外往內逐步擴散，并且過孔內PI液固化先后順序不一樣，導致在過孔固化后呈現顏色深淺不一的同心圓環，如圖7箭頭指示。如果過孔周圍PI液積聚高度沒有遠超過孔周邊高度，則該過孔不會被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，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PI液擴散形成同心圓環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量較多時，大量相鄰過孔周圍積聚的PI液相互擴散連成一條近似直線，該直線就是我們觀察到的“線Mura”不良現象。如圖8所示，兩個過孔異常亮點的直線連線距離是1.5 mm，這和我們肉眼觀察到的“線Mura”在同一數量級。所以，只有在某一區域存在大量PI液過孔異常點，并且這些異常點積聚一起，才會形成宏觀可見的“線Mura”,如果某一區域只有少數過孔異常點，并不會形成宏觀異常不良現象。

圖8 PI液過孔異常點集聚形成“線Mura”不良Fig.8 PI solution accumulated in the surrounding area of PVX via hole and formed the “line 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“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入過孔內，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計以降低PI液進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，PI液只需要較低的勢能就能進入過孔內，而和公共電極走線沒有偏移的鈍化層過孔(圖5(b))，PI液較難進入過孔而更容易產生不良。

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”不良的產生一方面是由于鈍化層過孔設計不利于PI液的擴散進入過孔導致；另一方面是由于PI液涂覆方式的變更導致。HADS產品的涂布設備從輥涂轉印變更為噴墨打印，PI膜的成型也從APR版轉印變更為PI液滴依靠重力和表面張力擴散成膜，APR版轉印相比于噴墨打印，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散均勻程度。

圖10 不同涂布次數的噴墨打印示意圖。(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的擴散時間，兩次涂布的疊加效果是液滴間距更小，膜厚更均勻。“線Mura”不良率從15%進一步降為1%。

為改善噴墨打印涂布均勻程度，也可以通過改變機臺角度來實現，因TFT上數據線、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散方向。通過驗證機臺角度0°/1°/1.5°/2°/3°涂布，發現機臺角度2°時對“線Mura”有改善效果，不良發生率從1%進一步降為0.2%。

4 結 論

HADS產品從輥涂轉為噴墨打印涂布PI膜時，涂布方式由APR版轉印變為噴墨打印，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散的不均勻。這是因為鈍化層過孔位于公共電極走線島狀結構之上，鈍化層過孔段差較大導致了PI液滴擴散到過孔內部必須跨越過孔上沿的勢能位壘。而過孔周圍PI液滴擴散表面的粗糙性又導致了PI液滴接觸角的滯后性，兩者共同作用的結果是，PI液滴的低勢能不足以跨越過孔障礙，鈍化層過孔內由于沒有PI液的填充而導致過孔周圍PI液堆積而產生“線Mura”不良。解決“線Mura”不良，首先要降低PI液滴擴散至過孔內部所要跨越的勢能位壘障礙。通過對比分析發現，正常顯示正常區的鈍化層過孔和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散至過孔內部，而“線Mura” 區無此過孔偏移現象。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計進入鈍化層過孔內。為了減小鈍化層過孔尺寸和數量對PI液擴散的不利影響，鈍化層過孔數量周期從1/3變更為1/6，過孔尺寸從5.7 μm增大到7.5 μm。總之，鈍化層掩膜設計變更極大改善了“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，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散時間更久，液滴間距更小，膜厚更均勻。“線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散方向來提高擴散均勻性，通過將臺角度從0°變為2°，不良率從1%降為0.2%。