噴墨涂覆配向膜涂覆的質量優化

王 平，聶 慧，李 煥，韓海濱，胡 晉， 馬 濤，王強強，徐 濤，徐 祥，王 鵬

(合肥京東方顯示技術有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示(TFT-LCD)是當前顯示行業的主流工藝，隨著時代的進步，液晶顯示產品客戶的數量和需求激增，客戶對液晶顯示產品在高分辨率、高開口率、低功耗等方面有著更高的要求。作為成盒工段第一站的配向膜涂覆工藝更是至關重要，因為配向膜作為陣列基板和彩色濾光片基板的最底層材料，其涂覆品質直接影響較高顯示畫質性能的達成。目前隨著液晶顯示尺寸越來越大，產品厚度越來越薄，這種趨勢帶來了高視覺效果和便攜性等諸多優點。而噴墨涂覆工藝本身的獨特優勢最適合大尺寸玻璃基板的生產。

隨著液晶產品的更新換代，對更高畫質和噴墨涂覆工藝涂覆質量提出更高要求，實際生產中也出現了涂覆性膜面缺陷。本文也對噴墨涂覆工藝相關材料參數和設備參數進行深入研究，對噴墨涂覆工藝涂覆質量進一步優化。

2 噴墨涂覆工藝的介紹

噴墨涂覆工藝(Inkjet)是通過壓電陶瓷定量噴墨吐出實現配向膜溶液涂覆在玻璃基板上的一種涂覆方式[1]。

其工作原理是將配向膜溶液通過壓力送入噴頭(Head)內，通過電流使噴頭內的壓電陶瓷產生形變將配向膜溶液從噴孔內吐出，利用噴頭或機臺的移動形成高密度配向膜液滴，最后在表面張力的作用下使液滴擴散后連接成膜。由于配向膜液滴擴散作用影響較大，涂覆邊緣不宜控制，噴墨涂覆工藝不適合小尺寸液晶產品的涂覆生產[2]。但是其更加節省配向膜溶液，所以更加廣泛地使用在大尺寸液晶產品的涂覆生產中[3-4]。

圖1 噴墨涂覆工藝設備[5]Fig.1 Inkjet equipment introduction[5]

噴墨涂覆工藝設備由以下部分組成(圖1)。

對位機臺(Alignment Table)：用于放置玻璃基板且做對位的機臺；

噴頭龍門架軸(Head Shaft)：移動噴頭龍門架的軸，負責吐出的噴頭單員搭載在噴頭龍門架上，從而實現移動涂覆的功能；

廢液盤單元(Cap Unit)：用來承載從噴頭內噴出的液體的單元；

真空擦拭單元(Wiping Unit)：真空吸收粘著在噴頭面的多余液體，以及測量吐出量的單元；

未吐出檢查(Inspection Unit)：檢測噴頭位置的單元；

供液單元：供應配向膜溶液及其控制單元。

3 噴墨涂覆質量優化方法

噴墨涂覆工藝作為聚酰亞胺配向膜涂覆的方式之一，同轉印版輥筒涂覆方式一樣，也把焦點放在配向膜膜厚和膜面[5]。

本論文通過調整噴墨設備吐出和材料相關參數，對核心特性膜厚、膜面和畫質提升進行系統性研究。最后得出了可以滿足生產的最優條件。

3.1 配向膜膜厚質量優化

配向膜膜厚通過配向膜膜厚測量設備測得，與轉印版輥筒涂覆方式不同(轉印版涂覆膜厚與轉印版凹坑深度、勻膠輥凹坑深度等強相關)，噴墨涂覆工藝膜厚由配向膜材料的聚合物固型份含量、噴涂量、噴涂密度等決定。其膜厚計算公式為Dm×(1/Dp(縱)×1/Dp(橫))×固含量×(1-本燒成比例)。其中Dm(液滴量)為每滴吐出量大小，受電壓決定，液滴量=a*電圧+b(a、b為噴吐頭的特有屬性，是液滴量與電壓線性關系式的兩個參數)；Dp(滴液間距)為噴涂密度，分縱方向間距和橫方向間距。本燒成比例為聚酰亞胺配向膜溶液經過主固化后去除的比例系數。

在優化噴墨涂覆整體膜厚之前，先進行兩步重要的工作：一是優化單個噴涂頭內各個噴吐口的噴吐均一性；二是優化噴涂頭相互間的噴吐均一性。

首先進行噴吐量測定，尋找每個噴涂頭的線性參數a和b，每個噴涂頭在制作后因其本身的壓電陶瓷差異造成a和b各不相同，每次進行質量優化前均需測量，得到屬于每個噴涂頭噴涂量和電壓間的線性關系式，在后續進行質量優化后只需調整電壓就可以實現。

噴墨涂覆設備噴涂頭噴吐口初期狀態較差，表面各不相同，所以要優化單個噴涂頭內各個噴吐口的噴吐均一性。方法為測量以32個噴吐口為測量單位的噴吐量，每個噴涂頭有16組數據。通過設備自動補正和后續量產中人工手動補正調整噴吐量的差異性，使其噴吐均一，減少噴吐后可能產生的融合不良。如圖2所示，調整前噴吐量差異為10 pL，調整后為5 pL，減少了5 pL的差異。

單個噴涂頭內各個噴吐口的噴吐均一性優化后，還需要優化噴涂頭與噴涂頭相互間的噴吐均一性。方法為選取噴吐量最大的噴涂頭為基準，其他噴涂頭以最大值為基準，通過增加噴吐電壓，整體提升每個噴涂頭的噴吐量，減少噴涂頭間的膜厚差異，減少噴吐后可能產生的融合不良。如圖3所示，調整后噴涂量最大值為744.9 pL，最小值為733.9 pL，平均值為741.1 pL，均一性為0.74%，滿足小于1%的標準。

圖2 噴出量測定結果Fig.2 Results of discharge amount

3.1.1 噴吐頻率

噴墨涂覆設備使用噴涂頭進行涂覆，而噴涂頭為電壓控制,按照一定噴吐頻率進行噴吐。本測試測量了在不同頻率下噴吐量的均一性，通過噴吐量可以反饋膜厚的涂覆均一性，以驗證可使用的頻率范圍。

測試條件為在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，選取部分噴涂頭，分別設定噴吐頻率為1 000，5 000，8 000，10 000 Hz，分別測得不同頻率下的吐出量。

由圖4可以看出，不同設定噴吐頻率1 000，5 000，8 000，10 000 Hz下，測得實際噴吐量及其均一性有明顯差異性。當噴吐頻率為1 000～8 000 Hz時，噴吐量曲線較平穩，噴吐量均一性滿足要求；當吐出頻率達到10 000 Hz時，噴吐量嚴重不均一，均一性非常差，無法用于生產。原因為當高頻率噴吐時，噴涂頭內壓電陶瓷無法正常工作，造成機械形變較大或者損壞引起的形變不足。由實驗數據可見，在進行噴墨涂覆質量優化時，噴吐頻率必須<10 000 Hz，實際大規模量產使用時，在滿足量產節拍和設定膜厚參數的前提下，噴吐頻率越小，噴涂頭內壓電陶瓷更能長久地使用。

3.1.2 噴吐量

由3.1.1節可知，在進行噴墨涂覆質量優化時，噴吐頻率必須<10 000 Hz。本測試測量了在不同頻率不同設定噴吐量時的噴吐量均一性，通過噴吐量可以反饋膜厚的涂覆均一性，以驗證可使用的頻率范圍和噴吐量范圍。

在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，選取部分噴涂頭，設定噴吐頻率為低頻率1 000 Hz、高頻率8 000 Hz共兩個頻率，在兩種頻率下，分別設定噴吐量為40，50，60，70，80 pL，測得不同條件下的噴涂量及其均一性。測試數據如圖5所示。

圖5 噴吐量均一性Fig.5 Uniformity of discharge amount

由圖5中可以看出，在低頻率1 000 Hz、高頻率8 000 Hz下，設定噴吐量為40，50，60，70 ，80 pL，不同條件下均可平穩噴吐，測得實際均一性處于0%～10%。但是當噴吐量超過80 pL時，計算噴吐電壓超過設備能力，設備無法達到；低于40 pL時，設備標準a、b測量值異常，無法正常吐出。為確保噴吐的穩定性，實際大規模量產使用時，噴涂頻率多使用3 000 ～5 000 Hz，噴吐量多使用50 ～70 pL。

3.1.3 不同標的膜厚

在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，分別設定理論膜厚為50.0，65.0，80.0，100.0，120.0，150.0 nm，理論膜厚為根據理論膜厚公式進行計算可得(理論膜厚公式為多次膜厚測量修正公式所得)，每個條件進行素玻璃的涂覆，測試數據如由表1、圖6所示。

圖6 不同目標膜厚噴涂測試結果Fig.6 Film thickness at different target

表1 膜厚測試結果Tab.1 Results of film thickness

不同設定理論膜厚50.0，65.0，80.0，100.0，120.0，150.0 nm時，測得實際膜厚及其均一性分別為54.7(4.0%)，63.0(3.1%)，78.9(5.0%)，100.2(2.2%)，127.2(3.4%)，150.6 nm(3.8%)。實際膜厚較標準的理論膜厚差值分別為0，-2.0，-1.1，0.2，7.2，0.6 nm。由實驗數據可見，測得的各個實際膜厚值與目標理論膜厚的差值小于<10.0 nm，且后續可以修改噴吐密度來進一步優化。測得膜厚均一性均較好，都符合噴吐偏差小于5%的標準要求。由此可知，該臺噴墨涂覆設備具有較優的噴涂膜厚及均一性的能力，待后續選擇具體設定膜厚時，有能力調試好最優的膜厚及其均一性以對應量產[6]。

3.2 膜面質量影響研究

通過上述噴墨涂覆工藝膜厚質量優化的準備工作，優化了單個噴涂頭內各個噴吐口的噴吐均一性，優化了噴涂頭與噴涂頭間的噴吐均一性。這些是膜面質量優化的前期工作，因為膜厚均一性直接影響了膜面均一性，噴涂量不均一，膜厚不均勻，直接反饋到宏觀膜面即為膜面不均勻。

3.2.1 半月面負壓

圖7 噴吐頭表面狀態Fig.7 Status of head nozzle

除了上述膜厚質量優化條件外，膜面質量還受半月面負壓狀況影響。噴墨涂覆工藝設備采用負壓控制噴涂頭噴吐口處配向膜溶液的狀態，即半月面狀態。圖7中紅線為噴涂頭噴吐口處配向膜溶液的狀態。理論上噴吐口處液體內凹的狀態為剛剛好，但是工程生產時，人員無法通過數十微米級直徑的噴嘴判斷液體在里面內凹的深度。通過實踐證明，通過圖7中第三種狀況，液體微凸，可以明確觀察噴嘴的狀態，且滿足膜面要求。是實踐得出的有效觀察方法，在此種觀察方法下，這種噴嘴面最好。利于監控且能滿足要求。

負壓太大，液體被吸回噴涂頭內，造成未吐出引起膜面品質惡化，負壓不足，配向膜溶液集聚在噴吐口處造成吐出膜厚偏厚，造成膜面品質缺陷。

在測試前，需要進入噴墨涂覆設備中，目視觀察不同負壓條件下的噴涂頭噴吐口處配向膜溶液半月面的狀態。測試負壓為-4 000 Pa時，目視半月面效果較好，所以選擇負壓中心值為-4 000 Pa。

在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，在最優膜厚參數條件下，圍繞負壓中心值-4 000 Pa，分別設定負壓增減量為+100，+0，-100，-200，-300 Pa，分別在ITO玻璃基板上涂覆，測試確認宏觀膜面如表2、圖8所示。

表2 負壓與膜面等級Tab.2 Negative pressure condition and film surface grade

圖8 樣品e1～e5的負壓測試膜面情況Fig.8 Appearance of film(Sample e1～e5) in the negative pressure test

由表2、圖8可以看出，圍繞負壓中心值-4 000 Pa，負壓增減量分別為+100，+0，-100，-200，-300 Pa， ITO玻璃基板上配向膜宏觀膜面各不相同。宏觀膜面評級分別為等級1.5、等級0、等級1、等級3、等級4，標準值為等級0～1.5。在中心負壓值的基礎上，減少負壓，噴吐頭口處配向膜溶液半月面往下凸度增加，使得噴吐量變大，膜面顏色變深；增大負壓，噴吐頭口處配向膜溶液半月面往下凸度減少，使得噴吐量減小，造成吐出量不足，在膜面上表現為細線未吐出缺陷，負壓繼續增大，半月面由往下凸出變成凹陷，吐出量更加不足，在膜面上表現為更大面積的細線未吐出缺陷。本次測試數據得出，在負壓中心值基礎上負壓±100 Pa時，膜面最優，此時半月面達到最優狀態。

3.2.2 涂覆速度

在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，在最優膜厚參數條件下，分別設定涂覆速度為500(中心參數，速度<500 mm/s，不滿足生產節拍)，600，700，800 mm/s，分別在ITO玻璃基板上涂覆，測試確認宏觀膜面如表3、圖9所示。

表3 涂覆速度與膜面等級Tab.3 Printing speed and film surface grade

圖9 樣品f1～f5的涂覆速度測試膜面情況Fig.9 Appearance of film(Sampl f1～f5)in the printing speed test

由如表3、圖9可以看出，涂覆速度為500，600，700，800 mm/s， ITO玻璃基板上配向膜宏觀膜面各不相同。宏觀膜面評級分別為等級1、等級1.5、等級3、等級4，標準值為等級0～1.5；即涂覆速度為500 mm/s、600 mm/s時，膜面質量達到產品生產標準；涂覆速度為700 mm/s、800 mm/s時，出現涂覆污漬缺陷，膜面質量達不到產品生產標準需求。涂覆吐出量與吐出頻率成正比，與涂覆速度成反比。當高速涂覆時，噴涂頭必須使用高頻率涂覆(涂布設備生產廠家建議使用吐出頻率小于6 000 Hz)，使得噴吐均一性變差，造成膜面質量差。本次測試時，基于PI液SE-6414(0348)，當涂覆速度為500 mm/s時(對應5 000 Hz頻率)，涂覆質量最好，且能滿足大批量生產的產能需要。

3.2.3 固含量

聚酰亞胺配向膜溶液由溶劑和聚合物固型份組成，在后續工藝過程中，溶劑逐漸揮發，聚合物留在了玻璃基板上，用來進行取向使用。

固型份的大小影響著噴涂頭的吐出和配向膜溶液擴散的難易。固含量高，涂覆性差，但是成本會降低；固含量低，涂覆性好，但是成本會高，不具有經濟效益。所以本論文對同一款配向膜溶液3種固含量下的涂覆膜面進行測試，找到最優的膜面質量條件。

在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，在最優膜厚參數條件下，選用同一款配向膜溶液，固含量分別為：4.5%、4.3%、3.9%，在ITO玻璃基板上涂覆，宏觀膜面如表4、圖10和圖11所示。

表4 PI固含量與膜面等級Tab.4 Solid content of PI and film surface grade

圖10 樣品g1～g3的固含量測試膜面情況Fig.10 Appearance of film (Sampl g1～g3) in the solid content test

圖11 樣品g1～g3的膜邊緣直線性Fig.11 Appearance of Sampl g1～g3 film edge

由表4、圖10、圖11可以看出，同一款配向膜溶液，不同固含量4.5%，4.3%，3.9%，ITO玻璃基板上配向膜宏觀膜面和直線性各不相同。宏觀膜面評級分別為等級3、等級1.5、等級1，標準值為等級0～1.5。從數據可以得出固含量(3.9±0.4)%(固含量降低至3.5%，涂覆性會更好，但是低于3.5%成本會上升，不具有量產性)表現最優，此時配向膜溶液和涂覆設備噴涂頭參數完美契合，此時膜面質量最優，配向膜邊緣直線性最優，無鋸齒狀不良。

3.2.4 噴吐密度

噴墨涂覆設備除噴吐電壓影響吐出量外，還可以微調噴涂密度進行調整涂覆區域內噴吐的疏密度，從而影響膜面的質量，因而可以微調噴涂密度，找到最優的膜面質量條件。

在上述調試好的噴墨涂覆設備條件下，在最優膜厚參數條件下，選用同一款配向膜溶液，噴墨涂覆設備分別選用涂覆密度為50%，50.3%，50.7%，51.1%，60%，分別在ITO玻璃基板上涂覆，結果如表5、圖12、圖13和圖14所示。

表5 噴涂密度與膜面等級Tab.5 Printing density and film surface grade

圖12 樣品h1～h5噴吐圖案結果Fig.12 Printing pattern results of Sample h1～h5

圖13 樣品h1～h5的噴吐液滴Fig.13 Spitting liquid drop of Sample h1～h5

圖14 樣品h1～h5的涂覆密度測試膜面情況Fig.14 Appearance of Sample h1～h5 film in the printing density test

由表5、圖12～14中可以看出，噴墨涂覆設備涂覆密度為50%，50.3%，50.7%，51.1%，60%， 噴涂設定圖案(黑色十字架為增加的吐出量，數量越多，涂覆密度越大)、實際噴吐液滴(圖中直徑較大液滴為設定黑色十字架的增大涂覆密度的實際液滴，大液滴數量越多，涂覆密度越大)、宏觀膜面(涂覆密度增大的樣品膜面顏色逐漸明顯)各不相同。宏觀膜面評級分別為等級1、等級1.5、等級2、等級3、等級5，標準值為等級0～1.5。從圖中可以看出，通過微調涂覆密度，設計噴涂設定圖案，實際噴吐液滴也會進行相應變化，宏觀膜面繼而發生變化。從膜面圖可以得出噴涂密度50%～50.3%表現最優，此時配向膜溶液和涂覆設備噴涂頭參數完美契合，此時膜面質量最優。且隨著涂覆密度的增大，膜面越來越不均一，體現在涂覆密度大的地方膜面偏厚。在實際大規模生產時，當膜面質量出現如圖中惡化的狀況時，一方面通過設備自動補正改變噴吐密度來優化膜面質量；另一方面當噴涂頭均一性超過規定值，出現明顯偏厚或偏薄，就需要通過手動補正增大或減少噴吐密度來優化膜面質量[1]。

4 結 論

本文根據液晶顯示產品對噴墨涂覆工藝涂覆質量要求更高的需求，對噴墨涂覆工藝進行深入研究，對噴墨涂覆工藝涂覆質量進一步優化。分析了噴吐頻率對噴吐量及其均一性的影響。當噴吐頻率為1 000～8 000 Hz時，噴吐量均一性滿足要求；當吐出頻率達到10 000 Hz時，噴吐量嚴重不均一，不滿足生產需求。噴吐量超過80 pL時，計算噴吐電壓超過設備能力，設備無法達到；低于40 pL時，設備標準a、b測量值異常，無法正常吐出。為確保噴吐的穩定性，實際大規模量產使用時，噴涂頻率多使用3 000 ～5 000 Hz，噴吐量多使用50 ～70 pL。在負壓中心值±100 Pa時，膜面最優，此時半月面達到最優狀態。涂覆速度為500 mm/s、600 mm/s時，膜面質量達到產品生產標準；涂覆速度為700 mm/s、800 mm/s時，出現涂覆污漬缺陷，膜面質量達不到產品生產標準需求。配向膜溶液固含量(3.9±0.4)%時，配向膜溶液和涂覆設備噴涂頭參數完美契合，此時膜面質量達到量產水平。噴涂密度50%～50.3%時，膜面質量達到量產水平。隨著涂覆密度的增大，膜面越來越不均一，體現在涂覆密度大的地方膜面偏厚。在實際大規模生產時，當膜面質量出現膜面不均的狀況時，可以增大或減少噴吐密度來優化膜面質量。降低配向膜溶液固含量可改善涂覆性不均缺陷，改變吐出密度可改善涂覆性不均缺陷，畫質質量得到提升。本文對成盒工段配向膜涂覆質量優化取得了良好效果，能滿足工程實踐量產的需要。