第3O卷第3期 液 晶与显示 Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vo1.30 No.3 2015年6月 Jun.2015 文章编号:1007—2780(2015)03—0416—05 偏光干涉法检测LCD间隔子的均匀性 范应娟 ,袁桃利,张麦丽 (陕西科技大学理学院,陕西西安710021) 摘要:由于液晶显示器中间隔子的均匀性影响着对比度、色调变化等性能,因此,本文对液晶显示屏间隔子均匀性的检测 方法进行了研究。首先分别利用干喷和湿喷法制备了对应的液晶盒,然后采用偏光显微镜研究了所制备液晶显示屏间 隔子的分布特性。研究发现,正常情况下,液晶盒内间隔子最小距离接近20 m,最大距离超过100 m;间隔子分布不良 的主要缺陷为间隔子团聚;在实验室条件下,干喷法间隔子团聚比较严重,湿喷法基本上无此现象。所以,利用偏光干涉 法,通过调节偏光显微镜上下偏光片的相对角度,可以在不破坏液晶显示屏的前提下直接观察到其内部的间隔子及间隔 子的分布情况。文中还分析了利用偏光干涉检验间隔子均匀性的原理。 关键词:间隔子;均匀性;偏光干涉;液晶盒 中图分类号:TN141.9 文献标识码:A doi:10.3788/YJYXS20153003.0416 Testing uniformity of spacers in LCD with the way of polarization interference FAN Ying—j uan ,YUAN Tao—li,ZHANG Mai—li (College of Science,Shanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China) Abstract:In liquid crystal display,the uniformity of spacers influences contrast degree and color tone change,et a1.Thus,the test method of uniformity of spacers in LCD is researched in this paper. Firstly,the liquid crystal cells are made by using dry spray method and wet spray method,then the distribution character of spacers is studied by using the polarizing microscope.It is found that,in nor— ealr case,the least distance of spacers in LCD is close to 20 um and the largest distance exceeds 100 um.The cluster of spacers is the main defect which leads to badly distribute.Under laboratory condi— tions,the cluster of spacers is more serious by using dry spray method but this phenomenon doesn’t exist basically by using wet spray method.Therefore,by using the way of polarization interference and through adj usting the relative angle of up and down polarized plates of the polarizing microscope, the spacers and distribution of spacers can be directly observed without destroying the LCD.The prin— ciple of the spacers uniformity tested by using polarization interference is also analyzed. Key words:spacer;uniformity;polarization interference;liquid crystal cell 收稿日期:2014—09—09;修订日期:2014—10—26. 基金项目:国家自然科学基金(No.61076066) *通信联系人,E—mail:ci.ming@163.tom 第3期 范应娟,等:偏光干涉法检测LCD间隔子的均匀性417 在液晶层内还含有塑料间格子,封框胶中有玻 1 引 言 璃间隔子。封框胶与上下玻璃基板共同围成 一个密闭空间,液晶薄层就被密封在该空间 近年来,液晶显示器因其低电压、低辐射、低 功耗以及轻、薄、美观等优点,已广泛应用于各种 信息、通讯和消费性电子产品中l_1]。液晶显示器 内。在两块玻璃基板的外面贴有偏光片,两偏 光片的取向成一定夹角。一般来讲,玻璃基 板、ITO导电层、取向层等均为各向同性材料, 处于扭曲排列的液晶层既有双折射特征,又有 旋光作用;处于平行排列的液晶层仅有双折射 的显示模式有很多种,例如TNl2]、STNl3]、 IPS ]、MVAl5 等模式。无论哪种显示模式,显示 屏中都含有间隔子。间隔子一般分为两类:玻璃 间隔子和塑料间隔子。玻璃间隔子主要用于掺在 封框胶中来控制两块基板之间的间隙,以保持最 佳液晶层厚度。张方辉等 对玻璃间隔子的应用 进行了探讨,指出玻璃间隔子对液晶盒的厚度有 着重要影响。另一类塑料间隔子均匀分散在液晶 屏内,决定液晶盒厚度的均匀性l7]。液晶显示器 的反应速度、对比度、视角等都与液晶层的厚度有 密切关系。特别是对于特定模式的液晶屏,如果 不按照液晶材料的光学特性严格设定液晶层的厚 度,就不能获得高对比度及优良的显示效果,所以 在设计液晶盒时要适当选择间隔子的种类及大 小,使液晶层的厚度及其均匀性达到设计要求。 此外,随着对液晶显示器显示容量、显示品质的要 求越来越高,间隔子的功能不仅是保持间隙,人们 还在努力研究用间隔子来解决液晶屏的性能问 题。程石等 ]研究了液晶屏内塑料问隔子的分布 情况与低温空洞的关系,解决温度变化引起的色 调变化以及间隔子的移动或低温时发生的空洞等 问题。张麦丽等[g]指出,为获得大面积均匀厚度 的液晶层,就要在整个液晶盒内均匀分散间隔子。 总之,塑料间隔子分布的均匀性对液晶盒的性能 有重要影响。为了检测间隔子在液晶屏中的分布 均匀性,范志新等[1叩采用扫描电镜观察液晶屏中 问隔子的分布情况,但这种方法不仅要破坏液晶 盒,而且非常麻烦。总体来看,国内外对间隔子均 匀性检测的相关报道还比较少。本文提出了一种 在不破坏液晶盒的前提下,利用偏光干涉法检测 液晶盒内塑料间隔子均匀性的方法,为实际生产 提供了一种简单快捷的检测手段。 2 液晶盒偏光干涉原理 众所周知,液晶盒包括上下玻璃基板、ITO 导电层、取向层、封框胶、液晶层、上下偏光片, 效应,与波片类似。为了简单起见,下面以90。 扭曲排列的液晶层为例探讨一下液晶盒偏光 干涉的基本特性。 图1为液晶盒偏光干涉原理图。设L 和L 为上玻璃基板和下玻璃基板锚定的液晶分子的 指向方向,两者夹角为90。,P 和P 分别为起偏 片和检偏片。在未加驱动电压的情况下,来自 光源的自然光经过起偏片后只剩下平行于起偏 片透光轴的线偏振光,当线偏振光与第一块玻 璃基板上的液晶分子指向轴有一定夹角 时,就 会发生偏光干涉,此时,偏振光分为O光和e光, 到达输出面时,其。光和e光旋转了9O。,变成了 o’光和e’光,此时液晶分子的指向矢与检偏片 夹角为y。 。’光 P2 。光 ,P1 / o’光/ \ / \ e光一 图1 液晶盒偏光干涉原理图 Fig.1 Image of the principle of the polarization interference for liquid crystal cell 设液晶盒的折射率各向异性为An、盒厚为 d。光通过液晶盒产生的非常光和寻常光之间的 光程差R以及相位差6可分别表示为: R—An・d, (1) 一2 ̄R/2—2nAn・d/X. (2) 垂直入射则液晶盒的光的透射强度公式可推 导为: A。一A1 sin卢A 一Al COS , (3) 』【A2Az :A COS。一A。sin y—A1 y—A sCOS in JpcOS)9sin y,, (4) 418 —液晶与显示 A。一A 2。+A; +2A2。A2 COS 一 第3O卷 (A 。+A 。)2—4A 。A sin 萼一 A [COS2( 一y)一sin2卢sin27sin 号].(5) 4 结果与讨论 图2为显微镜下观察到的间隔子分布不良的 因此,如果白光照射液晶盒时,在偏光片一定 夹角的情况下,液晶盒对各色光的透射光强不同, 从偏光显微镜下看,液晶盒呈现为某一颜色的复 色光。 3 实 验 先用超声清洗机清洗玻璃基片,然后用镊 子取出在烘箱里烘10 rain,温度设为5O℃,让 玻璃基片上的酒精完全挥发掉。然后用万用表 测出两片玻璃基片导电的一面,并在玻璃基片 导电的一面涂上取向剂,用液晶基片悬涂机悬 涂120 S,时间太短均匀性不好,时间太长,膜太 薄;转速为2 500 r/rain,转速太高或太低都不能 使膜旋涂均匀。然后在烘箱里烘干预热30 arin,温度设为8O℃,如此设置时间和温度使膜 的附着力达到一个最佳的值;然后再烘烤2 h, 温度为200℃,此时,温度太高,膜太硬,摩擦取 向的时候不容易刷成沟槽,温度太低达不到固 化的效果。待烘烤完毕,取出,将涂取向剂的一 面朝上放在液晶配向摩擦机的平台上,摩擦一 下,转速设为2 500 r/rain,转速太小,摩擦的沟 槽不太深,转速太大,摩擦过头,影响液晶盒制 作效果。然后均匀喷洒间隔子,将两个玻璃基 板正交重叠,最后在台式液晶盒光固机上先用 胶封住两边,然后灌注液晶,最后封住灌晶口, 至此,液晶盒制备完成。然后在偏光显微镜下 观察间隔子分布不良的TN液晶盒,以及间隔子 分布比较优良的TN液晶盒、STN液晶盒和 TFT液晶盒。 所用设备为:超声清洗机,购于惠州市龙标电 器有限公司。液晶配向摩擦机,型号为ZKY— LCDZBX—MC;液晶基片旋涂机,型号为ZKY— LCDZBX—XT;台式液晶盒光固机,型号为ZKY— I CDZBX—GG;立式电热恒温箱,型号为ZKY— LCDZBX—Hw;USB透射式偏光显微镜,型号为 ZKY—LCDZBX—XW;还有液晶和间隔子均购于成 都世纪中科仪器有限公司。 TN液晶盒。从图2中可以看出,间隔子喷洒的不 均匀,且有团聚现象,如图2中画圈的地方。液晶 显示器是通过控制上下基板间的电场,改变液晶材 料的排列方式来达到预期的显示效果,而两片基板 中的间隔子扮演着控制基板间厚度与均匀性的角 色。在LCD制作过程中,间隔子材料一般为球状, 本实验所做的图2液晶盒采用干喷法,分散间隔子 在基板上用来控制盒厚。采用这种方法,球形间隔 子在气流的作用下随机分布在面板上,容易出现不 均匀和团聚现象。间隔子是白色透明的塑料小球、 属非晶态物质。在偏光显微镜下,来自于光源的白 光透过偏光片后产生线偏光,线偏振光照射在液晶 与间隔子上会产生不同的效应。 图2 间隔子分布不良的TN液晶盒 Fig.2 Bad distribution 0f the spacers of TN liquid crystal cell 线偏光经过问隔子后不会产生光程差,经过偏 光显微镜的检偏片后也不发生偏光干涉,只要两块 偏振片不互相垂直,就会有光透过(本实验让偏光 片成一定夹角);由于间隔子的大小为微米级,如果 存在散射,主要为米氏散射,散射的光强与波长没 关系,吸收也可以忽略不计,因此,间隔子不会产生 彩色。线偏光经过液晶层后产生O光和e光,二者 经过液晶层会产生光程差,经过检偏器后会发生偏 光干涉。结果在液晶屏上间隔子出现的区域呈现 白色,其余液晶出现的区域其亮度与颜色由偏振光 的干涉状态决定。当单色光入射,经过检偏片后, 光强的大小由式(5)决定。当白光入射时,产生的 干涉色是许多种单色光的复合,是复色光,每一种 42O 液晶与显示 第3O卷 间隔子。间隔子分布的不是非常的均匀,但没有团 聚现象。图5液晶盒仍然采用了湿喷法。从图中 5 小 结 实验室制备了4种液晶盒,第一种采用干喷 法,后面3种采用湿喷法,在偏光显微镜下观察 可以看出,每一个像素里间隔子的最小距离接近 2O lin,最大距离超过6O/f,m。由于带了TFT电极 以后,透过率低,整个视场显得比TN液晶盒和 STN液晶盒的视场要暗,起偏片和检偏片调到合 适的角度,就能观察到红、绿、蓝三像素里的间隔子 发光。从图中还可以看出,绿色像素里的间隔子最 亮,对比度最高,而红色像素里间隔子的对比度最 低,说明此时产生的干涉色里面,绿色光虽不一定 了液晶盒中间隔子喷洒的均匀性。分析了间隔 子发亮的原因,给出了这些液晶盒当中,除了那 个间隔子分布不良的TN液晶盒外,其余的液晶 盒间隔子喷洒的最小距离在接近20 p.m,最大距 离超过100 m。由于液晶盒中的间隔子均为无 色,如果不采用偏光干涉法,间隔子的均匀与否 是无法观察到的。文中还分析了液晶盒偏光干 涉的原理,以及分析了STN液晶盒和TFT液晶 盒中间隔子显示的对比度和偏光片夹角的 关系。 是干涉相长那个色光,但光强却有一定程度地加 强,而且是三者当中最强的,而这三者之中红色光 减弱程度是最大的,因而光强是最小的,对比度是 最低的。当偏光片调到合适的夹角,3种像素里的 间隔子都能比较清晰地看见。 参 考 文 献: Eli 高媛媛,郑远洋,杜渭松,等.含氟液晶的性能、应用于合成进展EJ].液晶与显示,2014,29(2):159—171. Gao A A,Zheng Y Y,Du W S,et a1.Fluorinated liquid crystal properties,application and synthetic progress[J]. Chinese Journal of Liquid Crystal and Displays,2014,29(2):159-171.(in Chinese) k E R,Ford M J,Hale P S,et a1.Liquid—crystal displays:fabrication and measurement of a twisted ne E22 Waclawimatic liquid crystal cell[J].Journal of Chemical Education,2004,81(6):854—858. [3] 徐长远.STN—LCD液晶显示器定向层摩擦工序的静电研究EJ].现代显示,2006,69(10):49—52. Xu C Y.The electrostatio study in rubbing process of STN—LCD EJ].Advanced Display,2006,69(10):49—52. (in Chinese) E4] 荆海.IPS液晶显示模式的研究ED3.长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2000. Jin H.Study on the mode of IPS liquid crystal display[D].Changchun:Changchun Institute of Optics,Fine Me— chanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2000.(in Chinese) LCD用彩色滤光片制程解析[J].现代显示,2009,98:28—33. E53 费民权,费悦.MVA模式TFT—Fei M Q,Fei Y.The process analysis of MVA mode TFT—LCD color filter[J].Advanced Display,2009,98:28— 33.(in Chinese) E6] 张方辉,张麦丽,许淑惠.液晶显示器用玻璃衬垫的探讨[J].玻璃与搪瓷,2005,33(2):34 51. Zhang F H.Zhang M L.xu S H.Research on LCD-Glass spacers EJ].Glass&Enamel,2005,33(2):34—51.(in Chinese) a1.Formation of the overcoat layer and column spacer for TFT一1 CD using capil E73 Jinook K,Tae—joon S,Ju H K,etlary force lithography[J].Displays,2010,31(2):82—86. [8] 程石,王涛,张敏,等.TFT-LCD中隔垫物密度与Push Mura和低温气泡的关系[J].液晶与显示,2011,26(5):604—607. Cheng S,Wang T,Zhang M,et a1.Relationship of spacer density with push mura and cold bubble in TFT—I CD _J].Chinese Journal of Liquid Crystal and Displays,2011,26(5):604—607.(in Chinese) [9] 张麦丽,王秀峰,张方辉,等.液晶显示器用隔垫物的研究现状与最新进展[J].液晶与显示,2004,19(1):24—29. Zhang M L,Wang X F,Zhang F H,et a1.Status and future prospects of LCD-spacer[J].Chinese Journal of Liquid Crystal and Displays,2004,19(1):24—29.(in Chinese) [10] 范志新,陈久琳,章红林.液晶显示器用衬垫料的扫描电镜图像EJ].光学技术,2002,28(2):189—190. Fan Z X,Chen J L,Zhang H I .SEM photograph of LCD-spacer[J].Optical Technique,2002,28(2):189 190 (in Chinese) 作者简介:范应娟(1978一),女,重庆万州人,硕士,讲师,主要从事液晶显示与半导体照明的研究。E—mail:ci.ming@ 163.com