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●文/南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司研發(fā)中心馬群剛 焦峰 王海宏

　　液晶光配向技術(shù)因為使用紫外光對光敏感度高、穩(wěn)定性好的配向材料進(jìn)行光配向，用其制作的液晶面板不需要制作域分界物，具有高開口、高對比、快速響應(yīng)等特性，成為液晶行業(yè)研究的熱點方向。本文主要介紹基于光配向的POA（Patternless Optical Alignment）技術(shù)，分別說明其在設(shè)計、材料、工藝上的特點。

　　引 言

　　目前，電視用液晶面板（LCD-TV）的顯示模式主要采用VA（Vertical Alignment）技術(shù)和IPS（In Plane Switching）技術(shù)。其中，VA技術(shù)包括MVA（Multi-domain Vertical Alignment）技術(shù)和PVA（Patterned Vertical Alignment）技術(shù)等，這些技術(shù)由于突起、縫隙等域分界物的存在而引起開口率低、對比度差、響應(yīng)速度慢和工藝復(fù)雜等問題。而光配向技術(shù)主要使用紫外光對光敏感度高、穩(wěn)定性好的配向材料進(jìn)行光配向，用其制作的液晶面板不需要域分界物，具有高開口、高對比、快速響應(yīng)等特性，消除了傳統(tǒng)模式所無法克服的缺陷，而日漸成為液晶行業(yè)研究的熱點。本文將主要介紹中電熊貓在原有光配向技術(shù)基礎(chǔ)上通過自主研發(fā)所形成的POA（Patternless Optical Alignment）技術(shù)，詳細(xì)闡述了具體的設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)和工藝改進(jìn)措施。

　　1、POA技術(shù)

　　1.1 POA技術(shù)原理

　　配向膜需要進(jìn)行配向處理才能有效地控制液晶分子的排列，配向技術(shù)主要有摩擦（Rubbing）型和非摩擦（Non-Rubbing）型兩大類。非摩擦配向可以避免機(jī)械摩擦給配向膜帶來的不良問題。

　　摩擦配向是在高分子PI表面用絨布滾輪進(jìn)行接觸式的定向機(jī)械摩擦，摩擦高分子表面所供的能量使高分子主鏈因延伸而定向排列，從而控制液晶配向排列。這種方法的優(yōu)點是在常溫下操作，摩擦?xí)r間短，量產(chǎn)性高。缺點是PI材料具有高極性、高吸水性，儲存或運送時容易變質(zhì)而造成配向不均勻；摩擦造成的粉塵顆粒、靜電殘留、刷痕等問題容易降低工藝良率[3]。POA技術(shù)屬于非摩擦型配向，其原理是利用高精度實時追蹤補(bǔ)償模式的紫外光使得光敏聚合物單體材料發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生各向異性，液晶分子與配向膜表面分子相互作用，為了達(dá)到能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)，液晶分子沿著光配向所定義的受力最大的方向排列，并從設(shè)計、材料、工藝等多個方面進(jìn)行了改進(jìn)，提高了光配向產(chǎn)品的整體性能。

　　1.2 設(shè)計技術(shù)

　　(1)POA多域液晶配向方式

　　在POA模式中，使用一定角度的紫外光通過1/2像素寬度間隙的掩模版，照射到每個像素的左側(cè)1/2像素上的配向膜層上，使配向膜層發(fā)生光配向反應(yīng)（如二聚反應(yīng)、分解反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、光再取向反應(yīng)等），使液晶分子以與基板法線有一定夾角（1度致5度）排列在配向膜層上；然后再反方向使用一定角度的紫外光通過1/2像素寬度間隙的掩模版，照射到每個像素的右側(cè)1/2像素上的配向膜層上，使配向膜層發(fā)生光配向反應(yīng)，使液晶分子以與基板法線有一定夾角（1度至5度）排列在配向膜層上。

　　液晶面板的陣列基板膜面向上和彩膜基板膜面向上的狀態(tài)如圖1所示。在陣列基板側(cè)像素和彩膜基板側(cè)像素掃描紫外光后的配向方向如圖2所示。

　　如圖3所示，是陣列基板和彩膜基板貼合后的像素的配向方向示意圖。這樣的話，在一個像素內(nèi)可以形成4個不同排列角度液晶配向域，即所謂的4域顯示模式。

　　圖3陣列基板和彩膜基板貼合后的像素的配向方向示意圖

　　如圖4所示，是一個域的液晶分子配向排列在加電壓和不加電壓的液晶狀態(tài)示意圖，可以看出，在不加電壓的Off狀態(tài)時，液晶分子沿著和法線具有一固定夾角旋轉(zhuǎn)90度，這個夾角為1度至5度，這時顯示為黑狀態(tài)；在加電壓的On狀態(tài)時，液晶分子受電場作用躺下，這個夾角增大，這時顯示為白狀態(tài)。POA技術(shù)中，液晶分子的轉(zhuǎn)動類似TN（Twist Nematic）液晶的扭曲旋轉(zhuǎn)。

　　通過上述過程使得液晶實現(xiàn)了先進(jìn)的VA-TN液晶排列方式，使得同一域內(nèi)液晶光軸均勻旋轉(zhuǎn)90度，發(fā)揮了垂直配向液晶和扭曲向列液晶各自的優(yōu)點，改善了各視角顏色差異，視野角特性大幅提升。

　　(2)雙重曝光區(qū)算法優(yōu)化技術(shù)

　　如圖5和圖6所示，通過將原來拼接處MASK的三角形圖形算法優(yōu)化為正弦形圖形算法，使得拼接過渡區(qū)更加平滑，雙重曝光領(lǐng)域同普通區(qū)域配向效果達(dá)到一致。

　　使用掩模版拼接處的雙重曝光區(qū)算法優(yōu)化技術(shù)，使得雙重曝光領(lǐng)域同普通區(qū)域配向效果達(dá)到一致化。

　　1.2 材料技術(shù)

　　采用獨特的光敏取向基團(tuán)搭配普通強(qiáng)化取向基團(tuán)實現(xiàn)了光敏性和熱穩(wěn)定性的完美組合，實現(xiàn)光敏配向膜的穩(wěn)定性高且靈敏度高的高分子材料技術(shù)，大幅提高了液晶分子的配向比例和長期工作穩(wěn)定性。

　　使用了一種新的配向膜結(jié)構(gòu)，該配向膜含有以第一結(jié)構(gòu)單元和第二結(jié)構(gòu)單元作為必要結(jié)構(gòu)單元的聚合物，第一結(jié)構(gòu)單元通過光照射表現(xiàn)出對液晶分子進(jìn)行取向控制的特性，第二結(jié)構(gòu)單元無論是否進(jìn)行光照射都表現(xiàn)出對液晶分子進(jìn)行取向控制的特性。第一結(jié)構(gòu)單元具有選自香豆素基、肉桂酸酯基、查爾酮基、偶氮苯基和菧基中的至少一個光官能團(tuán)的側(cè)鏈；第二結(jié)構(gòu)單元具有類淄醇骨架的側(cè)鏈。具體結(jié)構(gòu)如下圖7所示，由實線包圍的部分是由酸酐衍生的單元（酸酐單元），由虛線包圍的部分是由有具有光官能團(tuán)的側(cè)鏈的二胺衍生的單元（光取向二胺單元），由單點劃線包圍的部分是由有具有垂直取向性官能團(tuán)的側(cè)鏈的二胺衍生的單元（垂直取向性二胺單元）。

　　1.3 工藝技術(shù)

　　(1)凸版印刷方式進(jìn)行配向膜處理

　　噴墨印刷方式以其材料利用率高，環(huán)保和快捷，一度成為配向膜成膜的希望之星。但隨著應(yīng)用的深入，相比于凸版印刷方式的缺點也逐漸暴露。噴墨印刷配向膜時，需要對非圖形區(qū)進(jìn)行阻擋圖形化或布置非親Ink圖形，工藝復(fù)雜度高；噴墨印刷的配向膜的位置精度和膜厚精度也不如凸版印刷方式，容易產(chǎn)生相關(guān)膜位置和膜厚不均的不良；基于以上考慮，果斷地將噴墨印刷配向膜改為了凸版印刷方式。

　　(2)視野角對稱的分域曝光技術(shù)。

　　如圖9所示，在陣列基板的上下方向使用2組拼接式MASK對像素的左右兩個域進(jìn)行不同方向的小夾角垂直光配向，在彩膜基板的左右方向使用2組拼接式MASK對像素的上下兩個域進(jìn)行不同方向的小夾角垂直光配向，形成旋轉(zhuǎn)90度 VA-TN液晶配向方式，并且4域的面積相等，使得上下左右4個方向的視野角對稱分布，視野角特性大幅改善。

　　2、POA技術(shù)優(yōu)勢

　　(1)高開口率：

　　MVA不可避免的被溝槽（Slit）和突起（Protrusion）占掉一些開口率，而POA技術(shù)是由不同方向的紫外光照射使液晶在配向膜上形成多域配向，可以不使用溝槽和突起，因此開口率比MVA的面板提高20%以上。

　　由于LCD-TV目前最耗電的部份為背光源，因此可以背照燈亮度較小的情況下即可獲得與原來同等的亮度，能降低耗電量(在組裝成電視機(jī)的基礎(chǔ)上，降低30%)和削減背照燈光源數(shù)量有利于節(jié)能和節(jié)省成本。節(jié)能比是現(xiàn)有通用產(chǎn)品的1.5倍。

　　(2)高對比度：

　　MVA在相對于Protrusion的位置上有漏光，其原因是因為液晶分子在靠近Protrusion的位置為傾斜站立而形成雙折射效應(yīng)故造成漏光，因此泛黑；而POA技術(shù)因為不需要Protrusion來控制液晶的倒向，故不會有漏光，實現(xiàn)了“深黑”顯示，所以POA的對比可較MVA由原本的3000：1提升至6000：1，對比增加可增進(jìn)LCD-TV的影像品質(zhì)。

　　(3)高速反應(yīng)：

　　過去的MVA技術(shù)，由于不賦予所有液晶分子配向的規(guī)制力，二靠多米諾骨牌式傳播反應(yīng)，反應(yīng)速度慢，在8ms左右。POA技術(shù)實現(xiàn)了所有液晶分子全面均一的限制力，實現(xiàn)了高速反應(yīng)，達(dá)到了4ms，是過去技術(shù)的2倍，這樣能應(yīng)對快速動作3D的高速反應(yīng)。

　　(4)簡化生產(chǎn)工藝

　　POA技術(shù)由于沒有溝槽和突起，像素結(jié)構(gòu)簡單，能簡化生產(chǎn)工藝，工藝對比如下圖10所示。

　　(5)降低彩色濾光片(CF)成本

　　如圖11所示，由于開口率、透光率的提高，對CF面板的要求就會降低，過去需要6次光刻的CF在采用POA技術(shù)后，可減少1次光刻，減少CF制造成本20%。

　　3、結(jié)論

　　與其他VA技術(shù)的產(chǎn)品相比，使用POA技術(shù)的產(chǎn)品具有更高的顯示屏透過效率，所以相應(yīng)的模塊背光成本較低，并且產(chǎn)品的功耗也較低。使用POA技術(shù)后，液晶面板具將具有以下特點：(1)可完美呈現(xiàn)「深黑」色彩的6,000：1高對比度(為現(xiàn)行產(chǎn)品的2倍)；(2)可實現(xiàn)絕佳省能源效能的高光能利用效率(開口率(aperture ratio)較現(xiàn)行產(chǎn)品高出20%以上)；(3)可支持高精細(xì)4K*2K顯示器或3D電視的高速反應(yīng)速度(為現(xiàn)行產(chǎn)品的2倍快)；(4)簡單的面板構(gòu)造可提高生產(chǎn)效率，因此采用POA技術(shù)的液晶面板將可以完全滿足未來高世代TFT-LCD產(chǎn)線所需高速響應(yīng)、高畫質(zhì)商品的高端TV市場需求。

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