配向膜材料与面残影的关联性研究

刘晓那，宋勇志，徐长健，周 波，马国靖，陈松飞，袁剑峰，林承武，邵喜斌

（北京京东方显示技术有限公司Cell工艺开发部，北京 100176）

1 引 言

所谓“影像残留（IS：Image Sticking，亦简称残像）”，是指TFT＿LCD中液晶受到长时间的驱动，导致显示画面改变后，之前图像痕迹仍可见的现象［1］。从工艺流程以及材料污染等客观因素角度，通过提高液晶、配向膜等离子纯度，尽量减少来自原材料和工艺流程的离子污染，可以降低由于外界污染导致的影像残留［2－4］；从材料本身性能角度，配向膜与液晶材料的优异匹配，有助于液晶面板内部存储的残余电荷的释放，利于影像残留的改善［5－6］。

本文暂时忽略工艺流程以及材料污染等客观因素，从材料本身特性角度出发，选取五款配向膜材料，分别在mini－cell模拟产线和京东方B4生产线进行综合评估，对mini－cell的RDC和VHR与TFT－LCD面残影之间的关联性进行了综合研究。

2 实验工作

2.1 mini－cell工艺制程

准备10cm×10cm ITO玻璃数片，分别经过酒精清洗、洗剂超声、清水超声、清水喷淋、气枪干燥、高温干燥和冷却等工序完成玻璃清洗；利用薄膜旋涂设备将配向膜溶液均匀涂覆在ITO玻璃表面，经加热台预固化150s、烘箱主固化20 min后，完成配向膜成膜工序；利用摩擦布对固化完全的配向膜进行取向，摩擦布的压入量控制约在0.33mm，摩擦次数为1；然后，取两片摩擦取向完成的玻璃，在其中一片玻璃表面按照4×1 Cell分布涂覆封框胶，对位后进行对盒工序，确保上下两片玻璃的摩擦取向方向互相垂直，然后放入150℃烘箱中进行封框胶固化10min；将完成对盒的玻璃精确切割成单个Cell，利用毛细作用进行液晶灌注，确保无气泡后，利用紫外固化封框胶固化时间约为10min进行封口。

2.2 mini－cell的性能测试

光学测试内容为mini－cell盒厚测试，电学测试内容包括电压保持率（Voltage Holding Residual，VHR）和直流电流残余（Residual of Direct Current，RDC），VHR测试条件为脉冲电压5V，作用时间60μs；RDC测试条件为直流电压5V持续加压3 600s，然后移除外加电压，测试600s后器件残余电压值。

2.3 测试材料

选取5款配向膜材料（由日本JSR材料供应商提供），摩擦布由Hyper flex供应商提供，液晶材料为京东方B4产线用量产品（由Merck提供），封框胶由Sekisui供应商提供。

3 结果与讨论

将5款配向膜材料在同一工艺条件下，进行mini－cell制作，5种方案使用的材料明细如表1所示。对配向膜的层厚和成品的盒厚进行检测，确保5款材料的评价平台处于同一水平，然后再进行VHR和RDC测试。表2为5款配向膜材料采用旋涂方法制成的薄膜层厚数据，5款膜厚的均值分布为1 003.55，1 117.18，1 009.35，1 107.32nm和1118.56nm，膜层厚度差别微小，消除了由于配向膜材料膜层厚度差异对电学结果的影响［7］。）

表1 5种方案采用的材料明细Tab.1 Materials used in five cases

表2 5款配向膜材料膜层厚数据Tab.2 Thickness of alignment film in five cases

表3为采用5款配向膜材料制成的mini－cell成品的盒厚检测数据。5款配向膜材料制成的mini－cell成品的盒厚均值分别为 3.56，3.90，3.96，3.87μm和4.01μm，由盒厚数据分别可以看出，5种材料制成的mini－cell成品在盒厚方面基本无差距，mini－cell的制作工艺稳定性优异。

表3 5款PI材料制成的mini－cell成品的盒厚数据Tab.3 Cell gap of mini－cell in five cases

图1 5种PI材料制成的mini－cell VHR数据比较Fig.1 VHR of mini－cells with five kinds ofalignment materials

图1为5款配向膜材料制成的mini－cell成品的VHR比较图。根据表4中5款配向膜材料制成的mini－cell成品的电学检测数据可知，5款配向膜材料常温下VHR分别为94.0%，96.0%，94.2%，95.3%和94.6%；60 ℃下 VHR 分别为89.1%，92.2%，92.2%，91.3%和94.4%。随着温度升高，5款方案的VHR均呈现下降趋势。根据VHR理论计算公式（如图2），温度升高，液晶的介电常数下降，进而导致VHR发生一定程度的下降，5款方案中，VHR分别下降了4.90%，3.80%，2.00%，4.00%和0.20%。假设配向膜层和周边封框胶对液晶的污染恒定，则VHR下降的幅度应该相同，但该实验中，方案1配向膜材料的VHR下降幅度较大，达到4.9%。由于五款方案除了选取的配向膜材料不同外，其余工艺条件和材料完全相同，进而推测出，温度升高，方案1的配向膜材料稳定性相对较差，对mini－cell盒内的液晶污染程度较高，使得该方案盒内的液晶介电常数下降较大，最终导致VHR下降幅度较大。同理，方案5中VHR随温度升高变化微小，说明液晶的介电常数未受到配向膜材料的污染，方案5使用的配向膜材料稳定性最优异。

图2 VHR测试原理示意图及理论公式推导过程，其中，C：液晶盒电容（F），R：液晶盒电阻（Ω），t：帧周期（s），V1：外加电压（V），V2：极性反转前电压，ε0：真空介电常数（F／m），ε：液晶的介电常数，S：电极的面积（cm2），d：液晶盒厚度（μm）Fig.2 Test principle of VHR and its derivation process of the theoretical formula，the key parameters of the mini－cell including C：capacitance（F），R：resistance（Ω），t：frame period（s），V1：applied voltage（V），V2：voltage before polarity inversion，ε0：Permittivity of vacuum（F／m），ε：Permittivity of liquid crystal，S：area of electrode（cm2），d：cell gap of liquid crystal（μm）

根据表4中5款配向膜材料制成的mini－cell成品的电学检测数据可知，5款配向膜材料60℃下的RDC数值分别为899，899，873，471mV 和190mV。从工艺流程以及材料使用方面综合考虑，5种方案的本质区别在于使用的配向膜材料不同，因此，配向膜材料与mini－cell的RDC数值密不可分。从选取的5款配向膜材料本身特性角度出发，配向膜材料的电阻是影响mini－cell的RDC数值的主要因素之一。五款配向膜材料的电阻率分别为1.9×1015，1.0×1014，1.0×1014，1.0×1013和4.0×1013，如表1。在配向膜层面积和厚度均相同时，电阻率越高，配向膜的电阻越大［8］。5个方案中，配向膜层面积和厚度均相同，5款配向膜材料的电阻率呈下降趋势，对应的Mini－cell的RDC数据亦呈下降趋势。因此，配向膜材料电阻率下降，利于材料自身对存储电荷的释放，进而实现较低的RDC数值。

表4 五款配向膜制成的mini－cell电学检测数据及残影等级Tab.4 Electrical test results of mini－cell in five cases and the level of image sticking

图3 5种PI材料制成的Mini－cell成品的RDC数据与TFT－LCD面残影对比图Fig.3 RDC of mini－cells with five kinds of alignment materials and the level of area image sticking of TFT－LCD module with five kinds of alignment materials，separately

将5款配向膜材料制作的mini－cell成品的RDC数据与TFT－LCD模块测量的面残影等级进行对比，如图3。5款配向膜材料制成的Minicell成品的RDC分别为899，899，873，471mV和190mV，相对应的TFT－LCD模块面残影等级分别为5.9，5.7，3.2，2.4和0.2。随着RDC数值的下降，面残像等级整体呈现下降的趋势。对于方案3，Mini－cell成品的RDC数值为873mV，略低于方案1和方案2，但是TFT－LCD模块的面残像等级明显低于方案1和方案2；对于方案4，mini－cell成品的RDC数值为417mV，明显低于方案3，但TFT－LCD模块的面残像等级仅比方案3低0.8。综合分析方案1～方案4的minicell电学数据，包括VHR和RDC，发现，虽然方案3的RDC数据与方案1和方案2相当，但是方案3的ΔVHR明显低于方案1和方案2，约为方案1或方案2的一半；虽然方案4的RDC数据明显低于方案3，但是方案4的ΔVHR是方案3的两倍。因此，TFT－LCD模块的面残像等级同时与mini－cell成品的RDC和ΔVHR相关，在minicell成品验证中，只有当RDC和ΔVHR同时处于比较低的状态下，才能获得面残像等级比较低的TFT－LCD模块。

4 结 论

本文主要利用mini－cell作为平台，同时与实际产线数据进行对比，对5款配向膜材料进行了综合性的评价，重点关注材料在RDC和VHR方面体现的差别，以及RDC和VHR与TFTLCD模块的面残影之间的关联。实验结果表明，首先，在温度变化的条件下，配向膜材料优异的稳定性有助于维持mini－cell的VHR；其次，配向膜材料自身的低电阻率特性有助于存储电荷的释放，利于实现较低的RDC；最后，当minicell的RDC和ΔVHR同时处于较低水平时，可以获得面残影水平较低的TFT－LCD模块。因此，利用mini－cell对配向膜材料进行评估，通过比较mini－cell的RDC以及ΔVHR数值，可以间接实现对TFT－LCD的残影结果的评估，为实际生产中面影像残留的改善提供了基础理论指导，对TFT－LCD产品残影改善具有重要的指导性作用。

［1］ Nanno Y，Mini Y，Takeda M E，et al.Characterization of sticking effects of TFT－LCD ［C］／／SID90 Digest，California，USA：SID，1990：404－407.

［2］ Huang P W，Liang B J.Study on image sticking phenomenon in STN LCD ［D］.Taiwan：DMC，2003：667.

［3］ Stojmenovik G，Neyts K，Vermael S，et al.The influence of the driving voltage and ion concentration on the lateral ion transport in nematic liquid crystal displays［J］.J.Appl.Phys.，2005，44（8）：6190－6195.

［4］ Neyts K，Vermael S，Desimple C，et al.Lateral ion transport in nematic liquid crystal devices ［J］.J.Appl.Phys.，2003，94（6）：3891－3896.

［5］ Mizusaki M，Nakanishi Y，Yoshimura Y，et al.Influence of ion on voltage holding ratio in LCD［C］／／IDW’08 Digest，Niigata，Japan：lDW，2008：39－42.

［6］ 李永忠，纪伟丰，周炎宏.STN－LCD残影显示的原理分析及实验研究［J］.液晶与显示，2011，2（6）：733－740.Li Y Z，Ji W F，Zhou Y H.Research of image－retention phenomenon in STN－LCD ［J］.Chines Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（6）：733－740.（in Chinese）

［7］ 田园，张亚星，孙玉宝.取向层厚度对液晶层分压的影响［J］.液晶与显示，2010，25（4）：588－592.Tian Y，Zhang Y X，Sun Y B.Effect of polyimide thickness on voltage grading of liquid crystal layer［J］.Chines Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（4）：588－592.（in Chinese）

［8］ 张武勤.液晶面板PI层电荷累积和释放过程分析［J］.液晶与显示，2010，25（3）：351－354.Zhang W Q.Analysis of electric charges accumulation and release in LCD panel PI layer ［J］.Chines Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（3）：351－354.（in Chinese）