●文/南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司研發中心馬群剛 焦峰 王海宏
液晶光配向技術因為使用紫外光對光敏感度高、穩定性好的配向材料進行光配向，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、快速響應等特性，成為液晶行業研究的熱點方向。本文主要介紹基于光配向的POA（Patternless Optical Alignment）技術，分別說明其在設計、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）技術和IPS（In Plane Switching）技術。其中，VA技術包括MVA（Multi-domain Vertical Alignment）技術和PVA（Patterned Vertical Alignment）技術等，這些技術由于突起、縫隙等域分界物的存在而引起開口率低、對比度差、響應速度慢和工藝復雜等問題。而光配向技術主要使用紫外光對光敏感度高、穩定性好的配向材料進行光配向，用其制作的液晶面板不需要域分界物，具有高開口、高對比、快速響應等特性，消除了傳統模式所無法克服的缺陷，而日漸成為液晶行業研究的熱點。本文將主要介紹中電熊貓在原有光配向技術基礎上通過自主研發所形成的POA（Patternless Optical Alignment）技術，詳細闡述了具體的設計技術、材料技術和工藝改進措施。
1、POA技術
1.1 POA技術原理
配向膜需要進行配向處理才能有效地控制液晶分子的排列，配向技術主要有摩擦（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表面用絨布滾輪進行接觸式的定向機械摩擦，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。這種方法的優點是在常溫下操作，摩擦時間短，量產性高。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技術屬于非摩擦型配向，其原理是利用高精度實時追蹤補償模式的紫外光使得光敏聚合物單體材料發生光化學反應產生各向異性，液晶分子與配向膜表面分子相互作用，為了達到能量最小的穩定狀態，液晶分子沿著光配向所定義的受力最大的方向排列，并從設計、材料、工藝等多個方面進行了改進，提高了光配向產品的整體性能。
1.2 設計技術
(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1/2像素上的配向膜層上，使配向膜層發生光配向反應（如二聚反應、分解反應、異構化反應、光再取向反應等），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1/2像素上的配向膜層上，使配向膜層發生光配向反應，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如圖1所示。在陣列基板側像素和彩膜基板側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示意圖，可以看出，在不加電壓的Off狀態時，液晶分子沿著和法線具有一固定夾角旋轉90度，這個夾角為1度至5度，這時顯示為黑狀態；在加電壓的On狀態時，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。POA技術中，液晶分子的轉動類似TN（Twist Nematic）液晶的扭曲旋轉。
通過上述過程使得液晶實現了先進的VA-TN液晶排列方式，使得同一域內液晶光軸均勻旋轉90度，發揮了垂直配向液晶和扭曲向列液晶各自的優點，改善了各視角顏色差異，視野角特性大幅提升。
(2)雙重曝光區算法優化技術
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化為正弦形圖形算法，使得拼接過渡區更加平滑，雙重曝光領域同普通區域配向效果達到一致。
使用掩模版拼接處的雙重曝光區算法優化技術，使得雙重曝光領域同普通區域配向效果達到一致化。
1.2 材料技術
采用獨特的光敏取向基團搭配普通強化取向基團實現了光敏性和熱穩定性的完美組合，實現光敏配向膜的穩定性高且靈敏度高的高分子材料技術，大幅提高了液晶分子的配向比例和長期工作穩定性。
使用了一種新的配向膜結構，該配向膜含有以第一結構單元和第二結構單元作為必要結構單元的聚合物，第一結構單元通過光照射表現出對液晶分子進行取向控制的特性，第二結構單元無論是否進行光照射都表現出對液晶分子進行取向控制的特性。第一結構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的側鏈；第二結構單元具有類淄醇骨架的側鏈。具體結構如下圖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的側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的側鏈的二胺衍生的單元（垂直取向性二胺單元）。
1.3 工藝技術
(1)凸版印刷方式進行配向膜處理
噴墨印刷方式以其材料利用率高，環保和快捷，一度成為配向膜成膜的希望之星。但隨著應用的深入，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，需要對非圖形區進行阻擋圖形化或布置非親Ink圖形，工藝復雜度高；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，容易產生相關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。
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行不同方向的小夾角垂直光配向，形成旋轉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技術優勢
(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(在組裝成電視機的基礎上，降低30%)和削減背照燈光源數量有利于節能和節省成本。節能比是現有通用產品的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故造成漏光，因此泛黑；而POA技術因為不需要Protrusion來控制液晶的倒向，故不會有漏光，實現了“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LCD-TV的影像品質。
(3)高速反應：
過去的MVA技術，由于不賦予所有液晶分子配向的規制力，二靠多米諾骨牌式傳播反應，反應速度慢，在8ms左右。POA技術實現了所有液晶分子全面均一的限制力，實現了高速反應，達到了4ms，是過去技術的2倍，這樣能應對快速動作3D的高速反應。
(4)簡化生產工藝
POA技術由于沒有溝槽和突起，像素結構簡單，能簡化生產工藝，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技術后，可減少1次光刻，減少CF制造成本20%。
3、結論
與其他VA技術的產品相比，使用POA技術的產品具有更高的顯示屏透過效率，所以相應的模塊背光成本較低，并且產品的功耗也較低。使用POA技術后，液晶面板具將具有以下特點：(1)可完美呈現「深黑」色彩的6,000：1高對比度(為現行產品的2倍)；(2)可實現絕佳省能源效能的高光能利用效率(開口率(aperture ratio)較現行產品高出20%以上)；(3)可支持高精細4K*2K顯示器或3D電視的高速反應速度(為現行產品的2倍快)；(4)簡單的面板構造可提高生產效率，因此采用POA技術的液晶面板將可以完全滿足未來高世代TFT-LCD產線所需高速響應、高畫質商品的高端TV市場需求。
...... 更多精彩內容請見《國際光電與顯示》2012年8月刊，歡迎訂閱！ 訂閱咨詢：0755-86149014
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