基底涂層對PS彈性回復(fù)率的影響

鄒 虎， 張 浩， 黃 想， 尹 海斌

(武漢京東方光電科技有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引 言

近年來國內(nèi)薄膜晶體管液晶顯示器(TFT- LCD)行業(yè)發(fā)展迅速，目前已被廣泛地應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品及智能家居顯示等領(lǐng)域中。隨著行業(yè)的迅猛發(fā)展，用戶對畫面品質(zhì)的要求也不斷提高[1-6]。為進(jìn)一步提升產(chǎn)品的畫面品質(zhì)特性，需要更加嚴(yán)格的工藝要求。在TFT-LCD的生產(chǎn)過程中，液晶盒厚通常由隔墊物(Spacer)和液晶(Liquid Crystal，LC)來維持。高ER的隔墊物可以提升產(chǎn)品的畫面品質(zhì)，改善黑斑(Gap)、按壓(Touch)Mura等不良，因此近年對于隔墊物的研究也較多[7-10]。程石[11]等人報(bào)導(dǎo)了隔墊物密度與沖壓(Push)Mura的關(guān)系，他們的研究闡明，高的PS密度可提升產(chǎn)品的抗壓能力，從而改善Mura。通過增加隔墊物密度的方式進(jìn)行改善會犧牲產(chǎn)品的透過率，而通過改善隔墊物彈性回復(fù)率的方式則可保證透過率不變。于濤[12]等人從PS的柱直徑及測量時的載入壓力(Loading Force)等方面對PS的ER進(jìn)行了一系列研究。結(jié)果表明，柱直徑與PS的ER呈正比，載入壓力與PS ER呈反比。目前大多數(shù)對于PS ER的研究往往聚焦在PS本身的尺寸及材料特性上，很少有關(guān)于PS基底對ER影響的研究。PS基底通常為彩膜(Color Filter，CF)側(cè)的平坦層(Over Coat，OC)、彩色光阻層(Color Resist)、黑色矩陣層(Black Matrix，BM)[13-18]。基底材料一般為高分子材料(某些產(chǎn)品BM材料為金屬)，其硬度往往不及金屬及玻璃，因此可以以PS基底作為切入點(diǎn)，分析基底層對PS ER的影響。

本文首先研究了PS規(guī)格對ER的影響，然后選取兩種由不同廠家提供的平坦層材料A和B，測量不同負(fù)載下相同規(guī)格的PS ER。同時還探究了相同RGB材料在不同膜厚時PS ER。通過對比基底材料在有差異情況下PS ER的變化趨勢，研究PS基底層與PS ER間的關(guān)系，同時也對在基底涂層下的PS疲勞性進(jìn)行探究，以便為PS ER的提升提供新的方向及可能。

2 實(shí)驗(yàn)與表征

2.1 制樣

本實(shí)驗(yàn)在TFT-LCD G10.5線上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用的玻璃尺寸為3 370 mm×2 940 mm×0.5 mm，工藝過程如圖1所示。通過對PS的曝光條件進(jìn)行優(yōu)化，并對前制程特性值進(jìn)行調(diào)整，得到了不同狀態(tài)的PS。

圖1 PS制作工藝流程圖

2.2 測試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的測試儀器主要有SNU 3D顯微鏡(SIS-2000，SNU Precision)、掃描電鏡(SEM Regulus8100，HITACHI)、動態(tài)超顯微硬度計(jì)(DUH-211S，日本島津公司)。

2.3 測試方法

2.3.1 SEM表征

圖2(a)為彩膜基板PS底部膜層結(jié)構(gòu)斷面示意圖，圖2(b)為膜層示意圖。OC作為平坦層與PS接觸，OC層下部為BGR膜層材料，PS柱位置在紅膜層上。OC膜厚約為1.3 μm，BGR膜厚約為2.2 μm。膜層形貌良好。

圖2 (a) 膜層結(jié)構(gòu)斷面圖；(b) 膜層示意圖。

2.3.2 PS形貌表征

圖3(a)為PS 3D示意圖，圖(b)為PS顯微示意圖，可看出曝光后主PS呈圓形，形貌良好，主PS高度(MPSH)為～3.64 μm，主PS上層尺寸為18.5 μm ×19 μm。

圖3 (a)PS 3D示意圖；(b)PS顯微示意圖。

2.3.3 維氏硬度表征

維氏硬度可以表征材料的力學(xué)性能。其測量方式如圖4所示，維氏硬度(HV)測量公式如式(1)所示。

圖4 維氏硬度測試模擬圖

(1)

其中：F為負(fù)荷，S為壓痕表面積(mm2)，α為壓頭相對面夾角，136°，d為平均壓痕對角線長度(mm)。

本實(shí)驗(yàn)選用材料組份不同的A、B兩種OC材料作為PS的基底涂層，其維氏硬度測量結(jié)果為A=86.5，B=77.7。

3 結(jié)果與討論

3.1 PS 形貌對ER影響分析

同種PS材料在被制作成樣品時，其ER受樣品形貌的影響，如高度、上直徑和下直徑尺寸等。因此在研究底部涂層材料對PS ER影響之前，首先對不同尺寸、高度的PS進(jìn)行測試，了解其變化規(guī)律。

3.1.1 PS尺寸

在負(fù)載力為100 mN，負(fù)載力加速速度為4.4 mN/s條件下對10～18 μm不同頂部尺寸PS進(jìn)行測量，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，隨著PS尺寸逐漸增大，PS ER呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。10～14 μm時增加明顯，PS ER從84.8增加到90.6；14～18 μm時增加速度逐漸放緩，PS ER從90.6僅增加到92.5。從以上數(shù)據(jù)可以推測，隨著PS尺寸逐漸增大，在相同負(fù)載作用下PS所受到壓強(qiáng)減小，導(dǎo)致PS 形變量較小(從10～18 μm，PS最大壓力量(Hmax)呈逐步下降趨勢)，因此壓縮產(chǎn)生的塑性形變量也會減小，PS ER增大。

圖5 不同尺寸的PS ER

3.1.2 PS高度

因不同產(chǎn)品對PS高度要求不同，研究PS高度對PS ER的影響可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供幫助。同樣在負(fù)載力為100 mN，負(fù)載力加速速度為4.4 mN/s條件下對3.0～3.6 μm不同高度 PS進(jìn)行測量。如圖6所示，隨著高度增加，PS ER呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，但整體變化較小，約為±1%，Hmax則呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。這可能是因?yàn)镻S高度增加，在相同負(fù)載下，PS壓入量增大，所以塑性形變量占比增加，從而降低PS ER。

圖6 不同高度的PS ER

3.2 PS底部涂層對PS ER的影響

為了研究彩膜基板中底部涂層對PS ER的影響，我們首先將PS分別制作在空白玻璃以及有底部涂層的正常產(chǎn)品上面進(jìn)行對比，了解底部涂層對PS ER的影響程度。隨后針對OC及BGR涂層進(jìn)行分析。以下測試均采用MPSH為～3.64 μm，頂部尺寸為18.5 μm×19 μm的樣品。

3.2.1 PS在空白玻璃基板和正常彩膜基板上的ER分析

本實(shí)驗(yàn)在同樣條件下，分別將相同規(guī)格的PS制作在空白玻璃基板和正常彩膜基板上，使用50，100，200 mN的負(fù)載力來測試PS ER。結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，在3種不同的負(fù)載力作用下，相對于正常彩膜基板，空白玻璃基板上的PS均表現(xiàn)出更為出色的 ER，且負(fù)載力越大，兩者差距愈加明顯，在200 mN下最大相差3.9%。說明彩膜基板中的黑矩陣、RGB和平坦層等底部涂層對PS的彈性恢復(fù)率存在影響。

圖7 不同基板上的PS ER

3.2.2 OC對PS ER的影響

TFT-LCD的彩膜側(cè)為了避免因亞像素段差和角段差引起液晶顯示面板出現(xiàn)漏光和透過率偏低等問題，在RGB色阻層之上，PS層之下，引入一層平坦化層，即OC。為了進(jìn)一步研究PS底部涂層對PS ER的影響，本實(shí)驗(yàn)針對彩膜基板的平坦層進(jìn)行了研究。根據(jù)PS ER測試原理，本實(shí)驗(yàn)選用兩種不同的OC材料A和B，分別在50，100，200，300，400，500 mN條件下，測試在2.2 μm和2.5 μm RGB膜厚下兩種不同OC材料的PS ER，分析其材料特性對PS ER的影響情況，A 和B 維氏硬度分別為86.5和77.7。結(jié)果如圖8(a)、(b)所示，從圖中可以看出，平坦層為A材料的彩膜基板，表現(xiàn)出更為出色的PS ER，且隨著負(fù)載力的逐漸加大，兩者區(qū)別愈加明顯。由圖8(a)可見，在采用2.2 μm RGB膜厚時，在400 mN負(fù)載作用下差距達(dá)到4.3%，在500 mN下差距達(dá)到6.4%；由圖8(b)可見，在采用2.5 μm RGB膜厚時，在400 mN負(fù)載作用下差距達(dá)到6.0%，在500 mN下差距達(dá)到6.3%。說明OC的材料特性對LCD的PS ER影響較大，OC材料的維氏硬度越大，PS ER越高。

圖8 不同OC材料下的PS ER。(a)RGB膜厚：2.2 μm；維氏硬度：A>B;(b)RGB膜厚： 2.5 μm；維氏硬度：A>B。

3.2.3 RGB對PS ER的影響

當(dāng)OC材料相同時，以RGB膜層厚度為變量進(jìn)行分析，可以判斷RGB膜厚對PS ER的影響，結(jié)果如圖9(a)、(b)所示。從圖中可以看出，當(dāng)采用A或者B為OC材料時，在不同負(fù)載條件下2.5 μm膜厚RGB基板的PS ER均低于2.2 μmRGB基板，這可能是因?yàn)镽GB材料自身力學(xué)性能不佳，從而導(dǎo)致RGB膜厚越高時，PS ER越低。

圖9 (a) 不同RGB膜厚下A材料的PS ER；(b) 不同RGB膜厚下B材料的PS ER。

3.3 PS ER的影響機(jī)理分析

通常我們定義 ER為：

(2)

從公式(2)可以看出，彈性形變與塑性形變的比例越大， ER越高。當(dāng)在空白玻璃基板上進(jìn)行 ER測試時，如圖10(a)所示，白玻璃基板硬度更高，基板基本不會發(fā)生形變，所測得PS ER只由PS自身材料性能決定，因此測量結(jié)果會更高。而對正常彩膜基板上的PS進(jìn)行ER測試時，如圖10(b)所示，底部膜層材料力學(xué)性能相較于玻璃基板更差，測試負(fù)載力不僅會使PS發(fā)生形變，也會使底部膜層發(fā)生形變，底部膜層材料形變中存在塑性形變，而不能完全回復(fù)，導(dǎo)致PS ER降低。因此，底部涂層的力學(xué)性能特征對PS ER有一定的影響，在保證材料工藝特性要求的前提下，提高底部涂層材料的維氏硬度是改善PS ER的有效方法。

圖10 PS ER測試機(jī)理。(a)基板為空白玻璃；(b)基板為彩膜。

3.4 PS的疲勞特性

通常面板在使用中PS會受到數(shù)次擠壓，因此在產(chǎn)品評價過程中研究PS疲勞特性也顯得至關(guān)重要。在負(fù)載力為100～500 mN，負(fù)載力加速速度為4.4 mN/s測試條件下對樣品進(jìn)行測量，結(jié)果如圖11所示。圖中可見，負(fù)載力越大，第一次壓入發(fā)生的塑型形變量越大，PS ER越小，100 mN下為90.75%，400 mN下為67.63%。隨壓入次數(shù)的增加，2～25次塑性形變量所占比例下降明顯，Hmax減小，導(dǎo)致 ER增大顯著。26～45次塑性形變量保持不變， ER和Hmax趨于平坦。

圖11 不同負(fù)載下1～45次的PS ER及最大壓入量

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)分析了基底膜層對PS ER的影響，得到以下結(jié)果：(1)PS Top Size對PS ER影響顯著，并且隨著尺寸增大，PS ER逐漸增大，在10～14 μm時增加明顯，提高了5.8%。14～18 μm后增加速度逐漸放緩，僅提高1.9%。PS Height對PS ER影響較小。(2)通過對比空白玻璃及正常玻璃的PS ER結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空白玻璃上的PS ER更優(yōu)，兩者在200 mN負(fù)載力時最大相差3.9%。(3)對比不同OC材料的PS ER發(fā)現(xiàn)，OC材料的維氏硬度越大，PS ER越優(yōu)異。在采用2.2 μm RGB膜厚時，400 mN負(fù)載作用下PS ER差距達(dá)到4.3%，在500 mN時差距達(dá)到6.4%。(4)對比不同膜厚RGB材料上的PS ER，發(fā)現(xiàn)RGB材料的力學(xué)性能同樣對PS ER有影響，且RGB材料膜厚越大，PS ER越低。(5)PS疲勞性研究結(jié)果表明，隨著壓入次數(shù)增加，PS ER增加，塑性形變比例減小，彈性形變比例增大。2～25次時，隨壓入次數(shù)增加塑性形變量下降，PS ER增加明顯；25～45時，次塑性形變量保持不變， ER和Hmax趨于平坦。

通過本文分析可以看出，TFT-LCD彩膜側(cè)PS的底部涂層材料維氏硬度等力學(xué)特性對PS ER影響較大，也對后續(xù)的PS底部涂層材料選擇和優(yōu)化提供了參考意見。