配向膜就技術
配向膜在液晶螢幕中的重要性
隨著數位網路科技的發展,已逐漸地影響二十一世紀人類的工作與生活。在液晶螢幕(LCD)已廣泛地應用在日常生活中的各個層面中,其LCD面板產業除了原本以筆記型電腦(NB)作為核心應用外,更朝向包括液晶螢幕、可攜式消費型影音產品、行動電話及液晶電視機等資訊家電的市場應用全力發展。
LCD螢幕的畫質雖然已與發展完整的CRT螢幕很接近了,但仍有視角、對比、顯示均勻性等幾個問題要加以改善,而應用在LCD TV等高密度、高精細化、大尺寸產品的開發上,更有應答速度、色再現性等問題要克服。而在液晶面板中有關液晶配向的控制技術、配向膜的評估技術研究,即直接地與上述的問題息息相關。所以配向膜的製造控制技術有其相當的重要性。
圖一為一液晶螢幕橫面簡圖,圖中介於液晶及透明電極之間的即為配向膜所在位置,配向膜之重要性亦可由液晶螢幕之工作原理更加以確認,液晶之所以可應用於螢幕上,乃因其在平行分子方向與垂直分子方向之誘電率不同,因此可用電場驅動之,另一方面,由於液晶也具有視分子方向而變化之折射率(也就是具有雙折射),可改變偏極光之偏極方向,最後更因液晶與配向膜之介面有很強之作用力(Anchoring Strength),在電場關閉後液晶就靠著彈性係數(恢復力)而恢復到原來之排列,由此可知沒有配向膜之存在,液晶是無法工作的。
圖一
製作配向膜之配向技術
一般而言,液晶分子排列方式粗分為三種,如圖二所示。第一種為液晶分子長軸平行於配向膜,稱為Homogeneous Alignment,第二種為長軸垂直於配向膜上,稱為Hetergeneous或Vertical Alignment,但在液晶螢幕之應用上,其液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾角, Pretilt Angle),如此才能達到均一配向的效果。預傾角是影響LCD顯示特性的重要引數,主要取決於(1)配向膜的物化作用力,如氫鍵(Hydrogen bond)、凡得瓦力(van der Waals force)及Dipole-dipole force;(2)機械力效應,即溝槽(Groove)或配向膜表面型態。
通常對於TN(扭轉向列型)-LCD而言,預傾角約2~3度,多應用在手錶、計算機螢幕上;HTN(高扭轉向列型)-LCD約1~2度,多應用在汽車音響面板;STN(超扭轉向列型)-LCD約5~7度應用在電子字典;TFT-LCD約5~8度則是在筆記型電腦上。
圖二
探索配向膜的主流生產技術
配向膜在液晶顯示器中的地位非常重要,而其生產製造配向膜的主流技術,共有以下四種:
1.SiO2/斜向蒸著法(SiO2/Evaporation)
利用高真空條件下將SiO2高溫蒸發,從特定的角度射向ITO導電玻璃表面,產生SiO
長柱狀體,可控制長柱狀體傾斜角度及密度,達到液晶配向排列的目的,這是最早的液晶配向控制方法;優點為液晶傾斜角度可精準控制,配向可靠度高;缺點則是高真空製程不易量產,僅能少量製作高價之特用LCD顯示器。
2.PI/ 摩擦定向法(PI/Rubbing)
利用對高分子Polyimide的表面施予絨布滾輪進行接觸式之順向機械式摩擦行為,摩擦高分子表面所供的能量使高分子主鏈因延伸而順向排列,達到液晶配向排列的方法;此項技術的優點為摩擦定向方式操作時間極短,在常溫下操作即可,具有優異量產特性,故沿用至目前的TFT-LCD四代廠製程中;但也有不少缺點,如:PI材料具高極性、高吸水性,於儲存或運送時容易變質而造成配向不均勻;刷膜製程造成的粉塵顆粒、靜電殘留、刷痕產生等問題容易造成製程良率降低;其流程見圖三。
圖三
3.光配向法(Photo-alignment)
光配向法即是利用偏極化的紫外光(UV)以特定方向照射配向膜引發光學異方性,為一種非刷膜式配向技術,極有可能取代現有之機械式摩擦定向技術。光配向材料形成配向膜的變化機制分為三種,其中以光致裂解機制混合PI所形成的光配向材料,因具有熱安定性和配向穩定性,故為各相關機構及公司積極開發。
4.離子束配向法(DLC/Ion Beam Alignment)
此為IBM所發展出的最新非刷膜式配向技術,主要乃為了改善大型超高解析度顯示器製程問題。以蒸鍍方式將DLC(Diamond Like Carbon)附著於ITO玻璃表面上,再以經過濾處理的線狀離子束撞擊DLC,破壞鑽石碳的表面網路,產生類似前述的SiO傾斜長柱體,以控制液晶配向。此法提供極完美的配向均勻性,因此能呈現超高解析度的顯示畫質,目前第五代廠的量產製程已朝此方向進行。
5.LCD液晶螢幕開創臺灣顯示器產業的春天
6.LCD液晶螢幕所衍生出來的相關產品,是今年最熱門且最受矚目的,因為它帶來另一次
生活家電使用上的革命。從二三年前所提出的電腦通訊相關產品與家電結合而成資訊家電,如今的確收到一些成效,但仍不是十分普及,其不外乎是價格與使用的觀念。而以資金、技術導向的產業界生態由原本獨大的晶圓代工業,例如:臺積電、聯電等,如今液晶面板產業,例如:友達光電、奇美電子、華映等,也佔有一席之地,而研發配向膜技術並已量產的廠商,則以大立高分子、長興較為知名。
7.奈米技術替平面顯示產業注入源頭活水
8.由於平面顯示產業的技術發展邁向高畫質(對比強、 全綵、視角廣)、輕薄化(反射
式、 塑膠基板)、大型化,又因配向膜技術直接影響液晶顯示器的畫質表現與效能,為了因應市場對配向膜技術之要求日益嚴苛,目前行之有年的配向技術也已邁入升級的階段,而奈米液晶配向薄膜技術,就成為業界與學界積極研發的重點,目前已經問世的技術,包括利用特殊奈米材料,像是奈米複合材料及奈米結構材料技術,將多層結構材
料整合成面板,如此一來液晶面板就能更加輕巧、薄型,且具備更高的畫質,同時更可大幅降低製造成本,提升產業競爭優勢。奈米技術的匯入,舉凡超薄有機發光二極體是或是非刷膜式配向技術,都是奈米技術在平面顯示產業中值得期待的研發成果。
9.(一)奈米配向技術
10.研究配向膜在奈米尺度中,以利用原子力顯微鏡為主,其方法有二種:ANR(AFM
Nano-rubbing)及AFM Lithography。以原子力顯微鏡為研究工具,不僅可以用來檢測定向摩擦後的配向膜表面,還能利用原子力顯微鏡的微探針,模擬傳統定向摩擦法對配向膜造成的細微溝紋。
11.(二)奈米微結構製作方法
12.利用奈米配向法中,微結構於配向膜中所扮演的角色非常重要,所以製作穩定且大面積
的微結構有其必要性。而一旦微結構小到奈米等級,則傳統製程方法已無法滿足,必須引人新製程方法,主要有三種:(1)Nanolmprint Lithography(NIL):奈米印刷法;
(2)MicroContact Printing(mCP):微觸印刷法;(3)Lithographically Induced
Self-Construction(LISC):微影引導自組裝法。
13.理工人積極投入,讓液晶配向技術精益求精
14.液晶面板產業是近幾年來蓬勃發展,具極高的成長價值的明日之星,雖已有部份的應用
產品誕生,但嚴格說來,液晶面板在視角、對比、顯示均勻性等功能上,仍有極大的改良空間,如同晶圓代工上從0.25微米的製程改良到現今0.13微米,而90奈米的製程也已在研發測試階段了;所以,液晶面板業的未來,理工人的研發、改良的專才一定是不可能缺席的。而液晶面板中的配向膜,正是能進一步改良液晶顯示器等相關產品功能的重要的環節,再者,新的配向技術模式的概念,也需要有配套的配向膜材料,來控制液晶分子的排列,發揮關鍵的顯示作用,這也都端賴理工人才的參與、努力。而液晶面板業的加速成長,更逐漸帶動相關產品的製造、創新的產品,進一步也提供了很多理工人才參與改良、研究開發的機會,如此期望能在不久的將來在技術製程上逐漸地趕上鄰近的日、韓。
奈米科技為液晶配向膜技術開創新局
15.奈米技術當紅的今日,未來,任何高科技產業都將向奈米尺度的方向發展,所以在前幾
期的內容中,我們約略提及了奈米配向技術,然而僅先作粗略的介紹和名詞解釋,因為這些研究都尚在進行開發的階段,但相信以目前科技一日千里的進展速度,也許不到半年時間,就夠見到奈米配向膜的產品問世,而一年後,甚至就能見到於視角、對比、顯示均勻性等功能進一步是升後,更優質的液晶顯示器的相關產品。
16.液晶配向膜技術與理工專業科目密不可分
17.液晶配向膜的技術門檻很高,學科的領域亦非常廣泛,涉及材料、化學分析等專業科目,
例如:材料科學、儀器分析、物理光電學等。尤其是精密分析儀器的應用,因為在追求尺寸愈來愈精細小巧的製程技術中,一定要有夠精密的儀器來輔助才行。
18.彩色液晶顯示器為了爭取單色LCD、傳統監示器市場,取代CRT的努力,必須滿足鮮明
的色彩,廣視角需求及大面積畫面等重要的品質提升,其中非磨擦配向、奈米配向技術
的突破是相當重要的一環,說不定假以時日待液晶面板業的相關技術日趨成熟,液晶面板與晶圓代工形成撐起臺灣產業發展的二大支柱,帶領臺灣進入下一階段經濟的起飛。
配向膜就技術
配向膜在液晶螢幕中的重要性
隨著數位網路科技的發展,已逐漸地影響二十一世紀人類的工作與生活。在液晶螢幕(LCD)已廣泛地應用在日常生活中的各個層面中,其LCD面板產業除了原本以筆記型電腦(NB)作為核心應用外,更朝向包括液晶螢幕、可攜式消費型影音產品、行動電話及液晶電視機等資訊家電的市場應用全力發展。
LCD螢幕的畫質雖然已與發展完整的CRT螢幕很接近了,但仍有視角、對比、顯示均勻性等幾個問題要加以改善,而應用在LCD TV等高密度、高精細化、大尺寸產品的開發上,更有應答速度、色再現性等問題要克服。而在液晶面板中有關液晶配向的控制技術、配向膜的評估技術研究,即直接地與上述的問題息息相關。所以配向膜的製造控制技術有其相當的重要性。
圖一為一液晶螢幕橫面簡圖,圖中介於液晶及透明電極之間的即為配向膜所在位置,配向膜之重要性亦可由液晶螢幕之工作原理更加以確認,液晶之所以可應用於螢幕上,乃因其在平行分子方向與垂直分子方向之誘電率不同,因此可用電場驅動之,另一方面,由於液晶也具有視分子方向而變化之折射率(也就是具有雙折射),可改變偏極光之偏極方向,最後更因液晶與配向膜之介面有很強之作用力(Anchoring Strength),在電場關閉後液晶就靠著彈性係數(恢復力)而恢復到原來之排列,由此可知沒有配向膜之存在,液晶是無法工作的。
圖一
製作配向膜之配向技術
一般而言,液晶分子排列方式粗分為三種,如圖二所示。第一種為液晶分子長軸平行於配向膜,稱為Homogeneous Alignment,第二種為長軸垂直於配向膜上,稱為Hetergeneous或Vertical Alignment,但在液晶螢幕之應用上,其液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾角, Pretilt Angle),如此才能達到均一配向的效果。預傾角是影響LCD顯示特性的重要引數,主要取決於(1)配向膜的物化作用力,如氫鍵(Hydrogen bond)、凡得瓦力(van der Waals force)及Dipole-dipole force;(2)機械力效應,即溝槽(Groove)或配向膜表面型態。
通常對於TN(扭轉向列型)-LCD而言,預傾角約2~3度,多應用在手錶、計算機螢幕上;HTN(高扭轉向列型)-LCD約1~2度,多應用在汽車音響面板;STN(超扭轉向列型)-LCD約5~7度應用在電子字典;TFT-LCD約5~8度則是在筆記型電腦上。
圖二
探索配向膜的主流生產技術
配向膜在液晶顯示器中的地位非常重要,而其生產製造配向膜的主流技術,共有以下四種:
1.SiO2/斜向蒸著法(SiO2/Evaporation)
利用高真空條件下將SiO2高溫蒸發,從特定的角度射向ITO導電玻璃表面,產生SiO
長柱狀體,可控制長柱狀體傾斜角度及密度,達到液晶配向排列的目的,這是最早的液晶配向控制方法;優點為液晶傾斜角度可精準控制,配向可靠度高;缺點則是高真空製程不易量產,僅能少量製作高價之特用LCD顯示器。
2.PI/ 摩擦定向法(PI/Rubbing)
利用對高分子Polyimide的表面施予絨布滾輪進行接觸式之順向機械式摩擦行為,摩擦高分子表面所供的能量使高分子主鏈因延伸而順向排列,達到液晶配向排列的方法;此項技術的優點為摩擦定向方式操作時間極短,在常溫下操作即可,具有優異量產特性,故沿用至目前的TFT-LCD四代廠製程中;但也有不少缺點,如:PI材料具高極性、高吸水性,於儲存或運送時容易變質而造成配向不均勻;刷膜製程造成的粉塵顆粒、靜電殘留、刷痕產生等問題容易造成製程良率降低;其流程見圖三。
圖三
3.光配向法(Photo-alignment)
光配向法即是利用偏極化的紫外光(UV)以特定方向照射配向膜引發光學異方性,為一種非刷膜式配向技術,極有可能取代現有之機械式摩擦定向技術。光配向材料形成配向膜的變化機制分為三種,其中以光致裂解機制混合PI所形成的光配向材料,因具有熱安定性和配向穩定性,故為各相關機構及公司積極開發。
4.離子束配向法(DLC/Ion Beam Alignment)
此為IBM所發展出的最新非刷膜式配向技術,主要乃為了改善大型超高解析度顯示器製程問題。以蒸鍍方式將DLC(Diamond Like Carbon)附著於ITO玻璃表面上,再以經過濾處理的線狀離子束撞擊DLC,破壞鑽石碳的表面網路,產生類似前述的SiO傾斜長柱體,以控制液晶配向。此法提供極完美的配向均勻性,因此能呈現超高解析度的顯示畫質,目前第五代廠的量產製程已朝此方向進行。
5.LCD液晶螢幕開創臺灣顯示器產業的春天
6.LCD液晶螢幕所衍生出來的相關產品,是今年最熱門且最受矚目的,因為它帶來另一次
生活家電使用上的革命。從二三年前所提出的電腦通訊相關產品與家電結合而成資訊家電,如今的確收到一些成效,但仍不是十分普及,其不外乎是價格與使用的觀念。而以資金、技術導向的產業界生態由原本獨大的晶圓代工業,例如:臺積電、聯電等,如今液晶面板產業,例如:友達光電、奇美電子、華映等,也佔有一席之地,而研發配向膜技術並已量產的廠商,則以大立高分子、長興較為知名。
7.奈米技術替平面顯示產業注入源頭活水
8.由於平面顯示產業的技術發展邁向高畫質(對比強、 全綵、視角廣)、輕薄化(反射
式、 塑膠基板)、大型化,又因配向膜技術直接影響液晶顯示器的畫質表現與效能,為了因應市場對配向膜技術之要求日益嚴苛,目前行之有年的配向技術也已邁入升級的階段,而奈米液晶配向薄膜技術,就成為業界與學界積極研發的重點,目前已經問世的技術,包括利用特殊奈米材料,像是奈米複合材料及奈米結構材料技術,將多層結構材
料整合成面板,如此一來液晶面板就能更加輕巧、薄型,且具備更高的畫質,同時更可大幅降低製造成本,提升產業競爭優勢。奈米技術的匯入,舉凡超薄有機發光二極體是或是非刷膜式配向技術,都是奈米技術在平面顯示產業中值得期待的研發成果。
9.(一)奈米配向技術
10.研究配向膜在奈米尺度中,以利用原子力顯微鏡為主,其方法有二種:ANR(AFM
Nano-rubbing)及AFM Lithography。以原子力顯微鏡為研究工具,不僅可以用來檢測定向摩擦後的配向膜表面,還能利用原子力顯微鏡的微探針,模擬傳統定向摩擦法對配向膜造成的細微溝紋。
11.(二)奈米微結構製作方法
12.利用奈米配向法中,微結構於配向膜中所扮演的角色非常重要,所以製作穩定且大面積
的微結構有其必要性。而一旦微結構小到奈米等級,則傳統製程方法已無法滿足,必須引人新製程方法,主要有三種:(1)Nanolmprint Lithography(NIL):奈米印刷法;
(2)MicroContact Printing(mCP):微觸印刷法;(3)Lithographically Induced
Self-Construction(LISC):微影引導自組裝法。
13.理工人積極投入,讓液晶配向技術精益求精
14.液晶面板產業是近幾年來蓬勃發展,具極高的成長價值的明日之星,雖已有部份的應用
產品誕生,但嚴格說來,液晶面板在視角、對比、顯示均勻性等功能上,仍有極大的改良空間,如同晶圓代工上從0.25微米的製程改良到現今0.13微米,而90奈米的製程也已在研發測試階段了;所以,液晶面板業的未來,理工人的研發、改良的專才一定是不可能缺席的。而液晶面板中的配向膜,正是能進一步改良液晶顯示器等相關產品功能的重要的環節,再者,新的配向技術模式的概念,也需要有配套的配向膜材料,來控制液晶分子的排列,發揮關鍵的顯示作用,這也都端賴理工人才的參與、努力。而液晶面板業的加速成長,更逐漸帶動相關產品的製造、創新的產品,進一步也提供了很多理工人才參與改良、研究開發的機會,如此期望能在不久的將來在技術製程上逐漸地趕上鄰近的日、韓。
奈米科技為液晶配向膜技術開創新局
15.奈米技術當紅的今日,未來,任何高科技產業都將向奈米尺度的方向發展,所以在前幾
期的內容中,我們約略提及了奈米配向技術,然而僅先作粗略的介紹和名詞解釋,因為這些研究都尚在進行開發的階段,但相信以目前科技一日千里的進展速度,也許不到半年時間,就夠見到奈米配向膜的產品問世,而一年後,甚至就能見到於視角、對比、顯示均勻性等功能進一步是升後,更優質的液晶顯示器的相關產品。
16.液晶配向膜技術與理工專業科目密不可分
17.液晶配向膜的技術門檻很高,學科的領域亦非常廣泛,涉及材料、化學分析等專業科目,
例如:材料科學、儀器分析、物理光電學等。尤其是精密分析儀器的應用,因為在追求尺寸愈來愈精細小巧的製程技術中,一定要有夠精密的儀器來輔助才行。
18.彩色液晶顯示器為了爭取單色LCD、傳統監示器市場,取代CRT的努力,必須滿足鮮明
的色彩,廣視角需求及大面積畫面等重要的品質提升,其中非磨擦配向、奈米配向技術
的突破是相當重要的一環,說不定假以時日待液晶面板業的相關技術日趨成熟,液晶面板與晶圓代工形成撐起臺灣產業發展的二大支柱,帶領臺灣進入下一階段經濟的起飛。