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4．LCD 的结构、工作原理及主要技术指标

 

4-1 LCD 的结构

①偏光片；②基板玻璃；③SIO2 隔阻层；④电极；⑤定向膜；⑥封接框；⑦过渡电极；⑧液晶；⑨反射片；⑩封口胶；○11 间隙子

 

4-2 LCD 的工作原理：

要了解LCD 的工作原理，我们首先须了解光。这是一种电磁波。即电磁场以波动的形式传播的。人眼可见的光的波长范围大致在380 纳米至780 纳米之间。

通常光是沿直线方式传播的，光波的振动方向垂直于光的传播方向。对自然光（如太阳光）来说在垂直光传播方向的各平面内，光波的振动方向随机均匀分布的。

如果光波振动的方向是沿一个方向，这样的光线称为偏振光，这个振动方向称为偏振方向。偏振方向与光波的传播方向形成的平面称为振动面。

偏光片有一个固定的偏光轴。偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向一致的光通过。而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸收。这样当自然光通过液晶盒的入射偏光片（称其偏器）后，只剩下振动方向与起偏器偏光轴相同的光。

即成为线性偏振光。偏振光经过液晶盒 后再经过偏光片（称为检偏器）射出。

这样光是否通过检偏器多少，取决于线性偏振光经过液晶盒后的偏振状态。从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示的。

具体的说，TN 型液晶盒内液液晶分子形成一种扭曲结构。在一定条件下入射光的偏振将顺着液晶分子的扭曲方向旋转。液晶分子长轴扭曲900 导致900 的旋光如图4-2-1，当对两块玻璃片上的电极施加一定大小的电压后，液晶分子就转变为垂直于上下玻璃片排列，扭曲结构消失，导致旋光作用消失，这种电光效应就称为扭曲电场效应。

对于白底黑字型的液晶显示器，上下偏振片是正交放置的。即偏光轴相互垂直，入射的自然光经起偏器后变成平面偏振光。在液晶盒未加电场时，偏振光将顺着分子的扭曲结构扭曲900，振动方向变成和检偏器的偏光轴一致，因此可以顺利通过检偏器，这时显示器呈透明状态，处于非显示状态，同时驱动电路将驱动信号电压加到需要显示的有关电极上时，该部分液晶分子扭曲结构消失。丧失了旋光能力。从起偏器出的偏振光未经改变就直达检偏器。由于其偏振方向与检偏器轴方向垂直。偏振光将无法透过检偏器，这样该通信号电压的部分电极将呈黑色，呈显示状态。

 

4-3 LCD 的主技术指标：

 

4-3-1 电光响应特性：

液晶显示器的相对透光率随着外加信号电压变化而变化，就是电光响

应特性，这是最重要的特性之一。

 

4-3-2 对比度：

液晶显示器的对比是显示状态和非显示状态相对透光率的比值，当对

比度≥5 时，图象清晰。

 

4-3-3 视角：

LCD 的对比度跟视角（即人眼观察角度）有关。对比度随 观察角度变化的特性称之为视角特性。视角特性指标。一般取定一个对比度的最小可接受值，来考察对比度大于这个值的视角范围，这个范围称为视角锥。例如LCD的对比度=3 的视角值时。其上视角为100，下视角为400，左右视角为300。视角即观察方向与显示器件法线的夹角。视角方向（最佳视角象限）：扭曲向列型液晶显示器有一个最佳视观方向，一般的前视角（正视角）都从这个方向的θ角来确定。

视观方向一般以指针式时钟钟点的位置来表示：θ1 表示前视角（正视角），一般最大450。θ3、θ4 为左右视角，一般为±300。

LCD 与其他显示器相比，缺点之一是其视角范围较小。如果盒厚与

液晶折射率各向性的乘积△n*d=0.5 微米左右，则器件的视角特性会有较大的改善。但其制造环境要求比较苛刻。

 

4-3-4 响应时间：

LCD 经常显示不断变化的图象。人眼的反应时间大约为几个毫秒。故显示图象的变化以外加信号电压变化的响应不应低于这个速度，描述液晶显示器动态特性的响应时间，通常用三个常数等表示延迟时间，上升时间和下降时间。

 

4-3-5 功耗：

功耗是LCD 工作所消耗的能量，一般在微瓦/平方厘米量级，功耗低是LCD 最大的优点之一。LCD 功耗的大小取决于显示面积，驱动电压及频率、液晶的电阻率、介电常数和盒厚等。其中液晶的正电阻率很容易随液晶被污染而急剧下降。故液晶的妥善保存至关重要。

 

4-3-6 温度特性：

我们知道液晶材料只在一定的温度范围内呈现液晶态，即使 在液晶态温度范围之内，温度的变化也会影响液晶材料的物性参数。如粘度，介电常数和弹性常数等。

 

5．制造LCD 使用的原物料和LCD 制造工艺。

 

5-1 LCD 制造使用的原物料指LCD 生产出后，产品中所保留的原材料。主要包括：ITO 玻璃液晶、偏光片、PI 液、丝印胶（印框胶、导电胶）、封口胶、Ni 粉、塑料垫片等。通常所讲LCD 的三大主要原物料为：液晶、ITO 玻璃及偏光片。

制造LCD 的辅助材料是指产品生产过程中使用而最终产品中不存在的原材料如：光刻胶及稀释剂、NMP、PI 稀释剂、BC 液、 SiO2 稀释剂、磨擦布、异丙醇、乙醇、丙酮、清洗剂、酸、碱等。5-2 以上是我们现已知道LCD 的使用的原材料，其实LCD 制造工艺，LCD 生产过程即是这些原材料的加工和组合过程.

 

5-2-1 备料：

准备好适合清洗所需规格的ITO 玻璃（14”×14”或14”×16”），玻璃的正面都朝同一方向放置，即让所有待清洗玻璃的识别角朝同一方向放置。同一方向作业。

 

5-2-2 清洗与干燥：

第一道工序是将符合生产规格（14”×14”或14”×16”）的ITO 玻璃用清洁剂、DI 水等清洗干净，并用物理的化学的方法将ITO 玻璃表面的杂质等洗净，然后把水除去并干燥，为下道工序的质量打好基础，清洗主要参数、工艺流程见《清洗作业指导书》。

 

5-2-3 涂胶：

涂胶是光刻的首道工序，它是在ITO 玻璃ITO 面上均匀涂一层光刻胶，涂胶的效果好坏直接影响光刻的质量，它主要控制的内容为：光刻胶的配制，涂层厚度及均匀性，涂层表面状态等。光刻胶一般在低温避光条件下贮存，因此使用光刻胶前先把胶从低温环境中取出，直到瓶内胶的温度和室内空气的温度一致时，开启光刻胶的瓶盖，胶在使用前粘度须行测试。因为胶粘度高时，涂胶厚抗蚀性虽然高，但其分辨低，相反胶的粘度低时，其抗蚀能力较差，但其分辨率高，通常胶粘度的调整，使用稀释的方法，即将高粘度的胶调成低粘度胶。涂胶前的ITO 玻璃表面状况对光刻胶与ITO 层粘附质量影响极大。在生产过程中为保证ITO 膜与光刻胶间有良好的接触和粘性，清洗后的玻璃须干净及干燥。

涂胶的质量要求是：胶与ITO 粘附良好，不能有脱落现象；涂胶厚度均匀一致，不能有厚有薄，这样在显影，蚀刻时会出现图形缺陷。涂胶的表面一般不允许有条纹、针孔、突起等缺陷。涂胶的方法有浸涂、甩涂、辊涂等，其中辊涂的涂覆质量要好于其他两种，它是通过胶辊将光刻胶均匀地涂在ITO 玻璃下面上，为确保涂胶质量，涂胶工作须在洁净的条件下进行；具体环境条件见《涂胶作业指导书》。

 

5-2-4 前烘：

前烘的目的是促使胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥以增强胶膜与ITO 玻璃表面的粘附性和胶膜的耐磨性。曝光时，掩模版与光刻胶即使接触也不会损伤光刻胶膜和沾污掩模膜，同时只有光刻胶干净、在曝光时，光刻胶才能充分地和光发生反应。

 

5-2-5 曝光：

曝光就是在涂好光刻胶的玻璃表面覆盖掩模版，通常紫外光是行选择性使受光部分的光刻胶发生化学反应，改变了这一部分胶在显影液中的溶解度。显影后，光刻胶膜显现出与掩模版上一致的图案。一般曝光的操作过程：曝光机的紫外灯打开预热，待电压稳定，光刻版在版柜上通过显微镜进行初对位。要求光刻版两侧标记与显示镜＂+＂字线重合然后固定版夹，然后试曝，对位、微调，使对位满足要求。

曝光时间和曝光光强选择是根据版的质量、光刻胶性质、光源强弱和光源到ITO 玻璃的距离来衡量，一般先用光强计测得光强，后设定相应曝光时间、再试曝一片，经仔细检验后方确定曝光的条件。

在设定的曝光条件前首先要知道：光刻胶的感光度，感光度是一个表征光刻胶光的敏感性能指标，感光度不同，说明它对光的敏感程度不同，即光化学反应所需要 的曝光量也不一样。感光度S 可用曝光时使光刻胶发生光化学反应，所需要最小的曝光量的倒数来表示。

曝光量E 的单位一般用“勒克斯?秒”来表示。由于曝光量的数值等于照射光的强度I 与曝光时间t 的乘积，感光度S 可以进一步表示为：对于某固定光强的曝光机，光刻胶的感光度越高，则曝光时向越短：反之光刻胶的感光度降低，则曝光时间需相应的加长。为保证曝光的质量，操作时需注意以下几点：

 

5-2-5-1 掩模版上机前需严格检查。因为版若有缺陷，做出的产品也会有缺陷，尤其不能有版污染、划伤等。

 

5-2-5-2 曝光定位一定要准确，否则后工序加工困难。

 

5-2-5-3 操作中对版和玻璃都必须轻拿轻放。

 

5-2-5-4 涂胶玻璃放置时间一般不超过8 小时，曝光前如已被感（即胶膜已失效），不能作为正品，需返工处理。

 

5-2-5-5 如用菲淋做掩膜版，菲淋与光学基板需贴合平整、紧密，不允许部分鼓起。

 

5-2-6．显影：

显影是将感光部分的光刻胶溶解，除去留下来感光部分的胶膜从而显示出所需的胶层图案。显影过程是将曝光后的玻璃放入显影槽中，经过一段时间后取出，再通过DI 水把显影液冲洗干净。显影液有两种：第一种是与光刻胶配套的显影液，第二种是一定浓度的碱液（NaOH 或KOH）。一般TN-LCD 厂家都采用第二种。

显影时必须控制好显影液的温度、浓度及显影的时间。在一定浓度下的显影液中，温度和时间直接影响的速度，若显影时间不足或温度低，则感光部位的光刻胶不能够完全溶解，留有一层光刻胶，在刻蚀时，这层胶会对ITO 面进行保护作用，使应该刻蚀的ITO 留下来。若显影时间过长或温度过高，显影时未被曝光部位的光刻胶也会被从边缘里钻溶。使图案的边缘变差，再严重会使光刻胶大量脱落，形成脱胶。

显影工作要认真，必须对玻璃进行自主检查，检查图形的状况，

一旦发现不合格必须马上返工，同时批量生产时要对碱液的浓度进行抽检，确保其浓度在一定范围：（显影的主要参数、工艺流程见《显影作业指导书》。

 

5-2-7．坚膜

由于显影时光刻胶膜发生软化、膨胀、影响胶膜的抗蚀能力，因此显影后必须用适当温度烘焙玻璃以除水分，增强胶膜与玻璃的粘附性，这个过程称坚膜。

坚膜有用烤箱和红外线两种，其中烤箱比较常见。坚膜的条件：

一是温度，另一是时间，一般情况下坚膜条件略高于前烘条件（见有关坚膜规定）。

 

5-2-8．刻蚀:

刻蚀用一定配比的酸把玻璃上未受到光刻胶保护的ITO 膜去掉，

而将有光刻胶保护的ITO 留下来，最终形成所需的图案。如图5-2-8

选用的刻蚀液一般要能把ITO 刻掉，同时又不会损伤玻璃表面的光刻胶，一般选用一定比例的Hcl、HNO3（或Fed3）、水的混合液。刻蚀刻的温度和时间对刻蚀的效果影响很大，生产时必须按《刻蚀作业指导书》中的参数执行。

 

5-2-9．脱膜：

脱膜就是把刻蚀后的玻璃上的光刻胶除去正常脱膜一般用一定温度的碱液，它的浓度需高于显影浓度。其主要参数见《刻蚀作业指导书》。一般以上几个工艺过程称为光刻过程，其在LCD 制迁中起着关键性的作用，光刻质量的好坏直接影响到器件的性能、成品率和可靠性。光刻质量的基本要求如下：

①刻蚀的图形完整，尺寸准确、边缘整齐、线陡直。

②图形内无多余ITO 图案、针孔、毛刺等、刻蚀干净。

③腐蚀后的玻璃表面清洁，没有刻蚀不良，没有残留的被腐蚀物质、油渍等。

④图形定位准确，各类标记完整。

 

5-2-10 后清洗就是经光刻过程后的玻璃用清洁剂DI 水等把玻璃清洗干净，烘干以供后工序生产。（清洗主要数见《后清洗作业指导书》）。

 

5-2-11．涂取向膜：

一般生产中低档LCD 的定向材料都是用PA,即聚酰亚胺酸，它是通过二酐与二胺在低温聚合反应全成的，其在高温下脱水固化后（化学上层是一种环化反应），即成为聚酰亚胺（PI），聚酰亚胺有很好的化学稳定性，优良的机械性能、高绝缘性、耐高温、高介电常数、耐辐射和不可燃。其分子式为：

涂膜就是将含有定向材料的溶液均匀地涂布在具有电板图形的玻璃的指定位置上，然后进行烘烤得到完整的PI。常用的涂膜有三种：一种是旋转涂膜法，另一是浸泡法，再一种是柯氏印刷法。柯氏印刷法要比另两种效果好。

柯氏印刷法是一种选择性涂覆（也叫移印法）。

印刷时，先将定向材料溶液加到刮刀辊与均胶辊上、使之在均胶辊上均匀的分布，然后开动APR 版的滚筒，这样APR 版上的凸粒便可均匀获得PA液，再转印到基座的ITO 玻璃上。