溫度及盒厚對PS特性的影響

黃 想， 尹海斌， 程志偉， 徐文磊， 石雄鷹

(武漢京東方光電科技有限公司，湖北 武漢)

1 引 言

液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)近幾十年發展迅速，應用廣泛[1-4]。行業競爭也日益激烈，各大面板生產商均面臨巨大競爭壓力，因此對產品性能提升需求也迫在眉睫。LCD的盒厚(Cell Gap，CG)主要由液晶量(Liquid Crystal，LC)決定，柱狀隔墊物(Photo Spacer，PS)起到輔助支撐的作用。為保證LCD顯示器可以在不同的外界環境溫度下正常使用，LCD在制作時往往會選取合適的液晶安全區間(LC Margin)，并制定相應的中心液晶量[5-7]。當屏幕出現液晶不足時，PS處于極限壓縮狀態，不再發生形變，盒厚完全由PS支撐，此時會出現低溫氣泡不良(低溫Bubble)；反之，當屏幕出現液晶過充時，PS處于未受力狀態，PS無壓縮量，盒厚完全由LC支撐，屏幕豎起放置時，LC受重力作用流動至屏幕底部，呈現發黃現象，此時出現的不良稱為重力Mura(亮度不均勻造成痕跡的一種缺陷)。在這之間的LC量為液晶安全范圍，此時PS及LC均對盒厚有支撐作用，該區間被稱為液晶安全范圍。評估LC Margin的方式通常為制作-6%～+6%液晶量的樣品，將所有樣品投入LC Margin評價，在高低溫實驗條件下判斷重力Mura及低溫Bubble的臨界LC值，并根據最大最小值選取中心液晶量[8]。PS作為一種高分子材料，其彈性回復特性及楊氏模量在維持液晶盒厚變化過程中起著至關重要的作用[9-10]。LC Margin可以保證部分工藝波動不對顯示品質造 成影響。

我們曾報道了關于基底膜層對于PS彈性回復率(ER)的影響[11]，但目前鮮有關于溫度與PS楊氏模量之間關系的報道。因此，本文針對溫度對PS特性的影響進行了相關研究，主要探究了不同環境溫度對PS楊氏模量的影響。以此為基礎，進一步探究了工藝制程溫度對PS彈性回復率的影響。同時，本文還研究了PS在不同液晶盒厚，處于不同壓縮量時的彈性回復速率問題。該研究結果可為后續開發高性能PS材料提供一定的理論基礎及參考。

2 實驗與表征

2.1 樣品制作流程

本文樣品制作分為實驗室制作及G10.5產線制作，其中實驗室制作樣品基底(Substrate)為白玻璃(Bare Glass)，產線制作樣品基底為正常彩膜(Color Filter，CF)層。

樣品制作規格為PS高度(Height)3.0 μm，PS頂部尺寸(Top Size)18.5 μm×19.0 μm，PS底部尺寸(Bottom Size)33.0 μm×34.0 μm。

2.2 測試設備

測試設備主要有SNU 3D顯微鏡(SIS-2000，SNU Precision)；微納米硬度計(HM-2000XYp，Fischer)；動態超顯微硬度計(DUH-211S，Shimadzu)；小型光刻機(MA6，Karl-Suss)。

2.3 測試方法

2.3.1 PS形貌表征

利用SNU 3D顯微鏡對PS規格進行表征，其結果為PS高度3.0 μm，PS頂部尺寸18.5 μm×19 μm，PS底部尺寸33.0 μm×34.0 μm。3D形貌圖如圖1(a)所示，圖1(b)為PS的俯視2D圖。

圖1 PS 3D形貌。(a)3D形貌圖；(b)俯視2D圖。Fig.1 PS 3D pattern profile. (a) 3D pattorn profile; (b) Top view of 2D morphology.

2.3.2 PS彈性回復率表征

利用動態超顯微硬度計對PS ER進行表征，其測量方式為：載入壓力(Loading Force)100,150,200,400 mN，壓力載入速度(Loading Speed)4.4 mN/s，保壓保持時間(Loading Holding Time)5 s，卸壓保持時間5 s(Unloading Holding Time)。

2.3.3 楊氏彈性模量表征

利用微納米硬度計對PS 楊氏彈性模量進行表征，其測量方式為：載入壓力0.7 mN，壓力載入速度0.05 mN/s，保壓保持時間5 s，卸壓保持時間5 s。

3 結果與討論

3.1 環境溫度對PS楊氏模量的影響

楊氏彈性模量(E)是表示固體材料抗形變能力的物理量，其公式如式(1)所示：

(1)

其中：σ為應力，ε為應變，F為負載力，A為受力面積，ΔL為形變量，L為材料長度。

該物理參數與PS 特性息息相關，而PS 特性又對TFT-LCD的產品性能有著十分重要的影響，如抗黑斑能力(Black Gap)[12-13]、液晶安全區間范圍(LC Margin)等。因此，本文對溫度與PS材料楊氏彈性模量的關系進行了研究，其結果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著測量環境溫度從20 ℃升高到80 ℃，PS的楊氏彈性模量也從5 939 MPa降低到4 876 MPa，二者呈現反比關系。

圖2 PS楊氏彈性模量與溫度的關系Fig.2 Relationship between PS Young’s modulus and ambient temperature

PS彈性回復率公式如式(2)所示：

(2)

通常PS在對盒時，會被壓縮一定壓入量，從而使得一部分塑性形變被壓縮掉，而PS在一定盒厚變化范圍內的高度變化，可看作為完全彈性形變。根據公式(1)，當PS材料發生完全彈性形變時，PS的尺寸(Size)即為橫截面積A，PS的高度(Height)即為材料長度L，可設定相同的負載力F，PS材料的Hmax(Hmax為PS 彈性回復測試時一定負載力下的最大壓入深度)可以看作為形變量ΔL。根據公式(1)可明顯看出，ΔL與E呈反而推測當溫度升高時，PS的楊氏彈性模量比，從下降伴隨著Hmax的增大。

接下來繼續對不同環境溫度下的PS進行彈性回復率測量，并對不同溫度下的PSHmax進行分析，其結果如圖3所示。本文測試了兩種負載力下的Hmax。從圖3中可以看到，當下壓力為100 mN時，不同溫度下的Hmax無明顯差異，而當下壓力為150 mN時，Hmax呈現隨著溫度升高而略微增大的趨勢。該結果與前文的推測相符合。另一方面，在PS ER特性上，兩種條件下的ER結果相差較小，無明顯差異。但是也可以看到，隨著溫度的升高，兩種條件下的ER整體都呈上升的趨勢，說明隨溫度升高，PS形變能力增強，這也與楊氏模量——固體材料抗形變的能力隨溫度升高而降低的結果相匹配。

圖3 PS Hmax和ER與溫度的關系圖Fig.3 Diagram of PS ER and Hmax at different temperature

3.2 工藝溫度對PS 特性的影響

本實驗選取后烘溫度為230 ℃及240 ℃的G10.5玻璃各一張，并在每片玻璃大板上選取3個位置的玻璃制成樣片進行測試，測試結果如圖4(a)、(b)所示。兩種后烘溫度下的PS特性值如表1所示。

表1 不同后烘溫度下的PS Hmax和ERTab.1 PS Hmax and ER under different oven temperature

圖4中1#、2#、3#分別代表玻璃大板不同位置的樣片，圖4(a)中的測試載入壓力為200 mN，圖4(b)中的測試載入壓力為400 mN。從圖4可以看到，在兩種載入壓力下，后烘溫度為240 ℃的樣片，其PS ER相較于后烘溫度230 ℃樣品呈現出略微提升的趨勢。從表1中可見，當負載力為200 mN時，1#樣品的PS ER從88.56%上升至91.29%，同時PSHmax呈現略微下降的趨勢，從1.02 μm下降至0.92 μm。當負載力為400 mN時，1#樣品PS ER提升至4.4%，2#及3#樣品提升約為1%，同樣表明后烘溫度升高可略微提升PS彈性回復率。

圖4 PS Hmax和ER與工藝溫度的關系。 (a)載入壓力為200 mN; (b) 載入壓力為400 mN。Fig.4 PS ER and Hmax at different process temperature. (a) Loading pressune of 200 mN; (b) Loading pressure of 400 mN.

3.3 盒厚對PS 特性的影響

液晶顯示面板產品在前期驗證階段，會對液晶安全范圍進行測試，得到符合要求的液晶區間，并選取中心液晶量。液晶面板盒厚主要由液晶量決定，彩膜段的PS高度在對盒前均為相同規格，因此不同盒厚中的PS主要表現為壓縮量不同。本小節對不同壓縮量下的PS恢復速率進行了研究。選取液晶量分別為0%及-3%兩種165.1 cm(65 in)寸屏幕，拆解屏幕后測量其PS高度，接著用150 mN的載入壓力按壓PS并保持999 s，然后不斷重復測量被按壓PS的高度，研究PS的彈性回復速率，其結果如圖5所示。從圖5中可以看出，PS被長時間按壓后，并不是立刻就回復完成，而是緩慢回復，回復速率隨時間越來越慢。且LC為-3%的屏幕，其PS起始高度與按壓后的高度均比LC為0%的PS低。對測量數據分別進行曲線擬合后可以發現，PS高度與PS回復速率符合冪指數關系：R2> 0.99，其曲線方程分別為LC( 0%)：y=3.347 2x0.0027；LC(-3%)：y=3.321 7x0.0015。對擬合曲線求導，得到方程LC(0%)：y=0.009 037 44x-0.9973；LC(-3%)：y=0.004 985 255x-0.9985。根據兩種液晶量回復速率方程的導數方程，可以發現，在相同回復時間內，LC為0%的PS彈性回復速率更快，這表明高度較高的PS產生按壓不良后，會更快地恢復正常。因此后續對于較低盒厚的產品，要更加關注抗黑斑能力及按壓不良恢復時間。

圖5 不同盒厚PS的彈性回復速率圖Fig.5 PS recovery ratio at different cell gap

4 結 論

本文主要研究了溫度及盒厚與PS彈性回復率之間的關系，其中又包括環境溫度與制程溫度對PS彈性回復率及楊氏模量的影響。主要結論如下：(1)當環境溫度升高時，PS材料的楊氏模量變小，在20～80 ℃溫度范圍內，楊氏模量下降約170 MPa/10 ℃。并且當溫度升高時，PS材料的Hmax和彈性回復率也隨之變大，這與楊氏模量的降低存在關聯性；(2)當制程溫度由230 ℃升高到240 ℃時，PS材料的彈性回復率有輕微提升，在負載力為200 mN及400 mN時均提升約1%～2%；(3)當相同規格PS材料處于不同盒厚的條件下，其彈性回復速率不同。高盒厚對應PS塑性形變小，PS高度高，且彈性回復速率更快。

通過探究溫度及盒厚與PS材料楊氏模量及彈性回復率的關系，為制作更寬LC margin產品及后續高彈性PS材料的開發提供了新的思路及方向。