范應(yīng)娟，袁桃利，張麥麗

（陜西科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710021）

1 引 言

近年來，液晶顯示器因其低電壓、低輻射、低功耗以及輕、薄、美觀等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各種信息、通訊和消費性電子產(chǎn)品中［1］。液晶顯示器的顯 示 模 式 有 很 多 種，例 如 TN［2］、STN［3］、IPS［4］、MVA［5］等模式。無論哪種顯示模式，顯示屏中都含有間隔子。間隔子一般分為兩類：玻璃間隔子和塑料間隔子。玻璃間隔子主要用于摻在封框膠中來控制兩塊基板之間的間隙，以保持最佳液晶層厚度。張方輝等［6］對玻璃間隔子的應(yīng)用進行了探討，指出玻璃間隔子對液晶盒的厚度有著重要影響。另一類塑料間隔子均勻分散在液晶屏內(nèi)，決定液晶盒厚度的均勻性［7］。液晶顯示器的反應(yīng)速度、對比度、視角等都與液晶層的厚度有密切關(guān)系。特別是對于特定模式的液晶屏，如果不按照液晶材料的光學(xué)特性嚴(yán)格設(shè)定液晶層的厚度，就不能獲得高對比度及優(yōu)良的顯示效果，所以在設(shè)計液晶盒時要適當(dāng)選擇間隔子的種類及大小，使液晶層的厚度及其均勻性達(dá)到設(shè)計要求。此外，隨著對液晶顯示器顯示容量、顯示品質(zhì)的要求越來越高，間隔子的功能不僅是保持間隙，人們還在努力研究用間隔子來解決液晶屏的性能問題。程石等［8］研究了液晶屏內(nèi)塑料間隔子的分布情況與低溫空洞的關(guān)系，解決溫度變化引起的色調(diào)變化以及間隔子的移動或低溫時發(fā)生的空洞等問題。張麥麗等［9］指出，為獲得大面積均勻厚度的液晶層，就要在整個液晶盒內(nèi)均勻分散間隔子。總之，塑料間隔子分布的均勻性對液晶盒的性能有重要影響。為了檢測間隔子在液晶屏中的分布均勻性，范志新等［10］采用掃描電鏡觀察液晶屏中間隔子的分布情況，但這種方法不僅要破壞液晶盒，而且非常麻煩。總體來看，國內(nèi)外對間隔子均勻性檢測的相關(guān)報道還比較少。本文提出了一種在不破壞液晶盒的前提下，利用偏光干涉法檢測液晶盒內(nèi)塑料間隔子均勻性的方法，為實際生產(chǎn)提供了一種簡單快捷的檢測手段。

2 液晶盒偏光干涉原理

眾所周知，液晶盒包括上下玻璃基板、ITO導(dǎo)電層、取向?qū)?、封框膠、液晶層、上下偏光片，在液晶層內(nèi)還含有塑料間格子，封框膠中有玻璃間隔子。封框膠與上下玻璃基板共同圍成一個密閉空間，液晶薄層就被密封在該空間內(nèi)。在兩塊玻璃基板的外面貼有偏光片，兩偏光片的取向成一定夾角。一般來講，玻璃基板、ITO導(dǎo)電層、取向?qū)拥染鶠楦飨蛲圆牧希幱谂で帕械囊壕蛹扔须p折射特征，又有旋光作用；處于平行排列的液晶層僅有雙折射效應(yīng)，與波片類似。為了簡單起見，下面以90°扭曲排列的液晶層為例探討一下液晶盒偏光干涉的基本特性。

圖1為液晶盒偏光干涉原理圖。設(shè)L1和L2為上玻璃基板和下玻璃基板錨定的液晶分子的指向方向，兩者夾角為90°，P1和P2分別為起偏片和檢偏片。在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過起偏片后只剩下平行于起偏片透光軸的線偏振光，當(dāng)線偏振光與第一塊玻璃基板上的液晶分子指向軸有一定夾角β時，就會發(fā)生偏光干涉，此時，偏振光分為o光和e光，到達(dá)輸出面時，其o光和e光旋轉(zhuǎn)了90°，變成了o’光和e’光，此時液晶分子的指向矢與檢偏片夾角為γ。

圖1 液晶盒偏光干涉原理圖Fig.1 Image of the principle of the polarization interference for liquid crystal cell

設(shè)液晶盒的折射率各向異性為Δn、盒厚為d。光通過液晶盒產(chǎn)生的非常光和尋常光之間的光程差R以及相位差#可分別表示為：

垂直入射則液晶盒的光的透射強度公式可推導(dǎo)為：

因此，如果白光照射液晶盒時，在偏光片一定夾角的情況下，液晶盒對各色光的透射光強不同，從偏光顯微鏡下看，液晶盒呈現(xiàn)為某一顏色的復(fù)色光。

3 實 驗

先用超聲清洗機清洗玻璃基片，然后用鑷子取出在烘箱里烘10min，溫度設(shè)為50℃，讓玻璃基片上的酒精完全揮發(fā)掉。然后用萬用表測出兩片玻璃基片導(dǎo)電的一面，并在玻璃基片導(dǎo)電的一面涂上取向劑，用液晶基片懸涂機懸涂120s，時間太短均勻性不好，時間太長，膜太?。晦D(zhuǎn)速為2 500r／min，轉(zhuǎn)速太高或太低都不能使膜旋涂均勻。然后在烘箱里烘干預(yù)熱30 min，溫度設(shè)為80℃，如此設(shè)置時間和溫度使膜的附著力達(dá)到一個最佳的值；然后再烘烤2h，溫度為200℃，此時，溫度太高，膜太硬，摩擦取向的時候不容易刷成溝槽，溫度太低達(dá)不到固化的效果。待烘烤完畢，取出，將涂取向劑的一面朝上放在液晶配向摩擦機的平臺上，摩擦一下，轉(zhuǎn)速設(shè)為2 500r／min，轉(zhuǎn)速太小，摩擦的溝槽不太深，轉(zhuǎn)速太大，摩擦過頭，影響液晶盒制作效果。然后均勻噴灑間隔子，將兩個玻璃基板正交重疊，最后在臺式液晶盒光固機上先用膠封住兩邊，然后灌注液晶，最后封住灌晶口，至此，液晶盒制備完成。然后在偏光顯微鏡下觀察間隔子分布不良的TN液晶盒，以及間隔子分布比較優(yōu)良的TN液晶盒、STN液晶盒和TFT液晶盒。

所用設(shè)備為：超聲清洗機，購于惠州市龍標(biāo)電器有限公司。液晶配向摩擦機，型號為ZKYLCDZBX－MC；液晶基片旋涂機，型號為ZKYLCDZBX－XT；臺式液晶盒光固機，型號為ZKYLCDZBX－GG；立式電熱恒溫箱，型號為ZKYLCDZBX－HW；USB透射式偏光顯微鏡，型號為ZKY－LCDZBX－XW；還有液晶和間隔子均購于成都世紀(jì)中科儀器有限公司。

4 結(jié)果與討論

圖2為顯微鏡下觀察到的間隔子分布不良的TN液晶盒。從圖2中可以看出，間隔子噴灑的不均勻，且有團聚現(xiàn)象，如圖2中畫圈的地方。液晶顯示器是通過控制上下基板間的電場，改變液晶材料的排列方式來達(dá)到預(yù)期的顯示效果，而兩片基板中的間隔子扮演著控制基板間厚度與均勻性的角色。在LCD制作過程中，間隔子材料一般為球狀，本實驗所做的圖2液晶盒采用干噴法，分散間隔子在基板上用來控制盒厚。采用這種方法，球形間隔子在氣流的作用下隨機分布在面板上，容易出現(xiàn)不均勻和團聚現(xiàn)象。間隔子是白色透明的塑料小球、屬非晶態(tài)物質(zhì)。在偏光顯微鏡下，來自于光源的白光透過偏光片后產(chǎn)生線偏光，線偏振光照射在液晶與間隔子上會產(chǎn)生不同的效應(yīng)。

圖2 間隔子分布不良的TN液晶盒Fig.2 Bad distribution of the spacers of TN liquid crystal cell

線偏光經(jīng)過間隔子后不會產(chǎn)生光程差，經(jīng)過偏光顯微鏡的檢偏片后也不發(fā)生偏光干涉，只要兩塊偏振片不互相垂直，就會有光透過（本實驗讓偏光片成一定夾角）；由于間隔子的大小為微米級，如果存在散射，主要為米氏散射，散射的光強與波長沒關(guān)系，吸收也可以忽略不計，因此，間隔子不會產(chǎn)生彩色。線偏光經(jīng)過液晶層后產(chǎn)生o光和e光，二者經(jīng)過液晶層會產(chǎn)生光程差，經(jīng)過檢偏器后會發(fā)生偏光干涉。結(jié)果在液晶屏上間隔子出現(xiàn)的區(qū)域呈現(xiàn)白色，其余液晶出現(xiàn)的區(qū)域其亮度與顏色由偏振光的干涉狀態(tài)決定。當(dāng)單色光入射，經(jīng)過檢偏片后，光強的大小由式（5）決定。當(dāng)白光入射時，產(chǎn)生的干涉色是許多種單色光的復(fù)合，是復(fù)色光，每一種單色光的光強由式（5）決定，其中，在一定的偏振片夾角的情況下，有某一種單色光可能干涉相長，又有另一種單色光干涉相消，其余的單色光光強介于兩者之間，因此，最后的干涉色會出現(xiàn)某一種顏色的復(fù)色光。由以上分析可見在間隔子團聚的區(qū)域會出現(xiàn)與控制信號無關(guān)的亮點，從而影響液晶顯示屏的對比度，影響顯示效果。

圖3是顯微鏡下觀察到的間隔子分布比較優(yōu)良的TN液晶盒。我們從圖2看到不均勻的和團聚的間隔子的圖像，從圖3可以看到不是非常均勻，但沒有團聚現(xiàn)象發(fā)生。這可能是由于圖3液晶盒采用了濕噴法，但還是噴灑得不是非常的均勻。從圖3中可以看出，液晶盒間隔子的最小距離大約在20μm左右，最大距離超過100μm。這與現(xiàn)在的間隔子的噴灑工藝還不完善有關(guān)。由于圖3的TN液晶盒沒有彩色濾色膜，透過率高，相應(yīng)的對比度也高，因此間隔子很清晰。從圖3還可以看出，液晶盒呈藍(lán)色，這是偏光干涉呈現(xiàn)的復(fù)色光。從圖3中還可以看出，背景顏色還比較均勻，這與間隔子沒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，有一定關(guān)系。

圖3 間隔子分布比較優(yōu)良的TN液晶盒Fig.3 Excellent distribution of the spacers of TN liquid crystal cell

圖4是顯微鏡下觀察到的間隔子分布比較優(yōu)良的STN液晶盒。從圖4中可以看出，液晶盒玻璃基板上貼了彩色濾色膜，有3個像素，紅、綠、藍(lán)。在3個像素里面，散布著發(fā)亮的間隔子，從圖中可以看出，間隔子不是非常的均勻，但沒有出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。圖4液晶盒同樣也是采用了濕噴法。從圖中可以看出每個像素里間隔子的最小距離接近30μm，最大的距離為100μm左右。根據(jù)前面的式（1）、（2），由于液晶盒產(chǎn)生的相位差只與液晶本身有關(guān)，在未加電壓的情況下，相位差是一定的，因此，透射光強就只與偏光片的夾角有關(guān)。偏光片不同的夾角，也就是前面式（5）中的β和γ不一樣，就會產(chǎn)生不同的偏振光干涉，也就會顯示不同的顏色。如果偏光片夾角調(diào)得不好，有可能會導(dǎo)致某一種濾色膜里的間隔子看不見或看不清。從圖中可以看出，紅色濾色膜里的間隔子最亮，對比度最高，而藍(lán)色濾色膜里的間隔子要稍微模糊一點，即對比度最低，可能是因為此時產(chǎn)生的某種干涉色里面，紅色雖不一定是干涉相長的，但紅色的光強有一定程度地加強，在這3種顏色里面是最強的，而此時藍(lán)色雖不至于干涉相消，但光強比綠色還有一定程度地減弱，因此對比度最低。因此，偏光片夾角調(diào)到合適的程度，間隔子的對比度達(dá)到最佳，3種濾色膜里面的間隔子都能看清，只是亮度有強有弱。

圖4 間隔子分布比較優(yōu)良的STN液晶盒Fig.4 Good distribution of the spacers of STN liquid crystal cell

圖5 間隔子分布比較優(yōu)良的TFT液晶盒Fig.5 Good distribution of spacers of TFT liquid crystal cell

圖5是顯微鏡下觀察到的間隔子分布比較優(yōu)良的TFT液晶盒。從圖5中可以看出，它與STN最大的不同是帶有TFT電極，圖中突出的小黑塊即為TFT電極。圖中也有紅、綠、藍(lán)三像素，且比STN中的紅、綠、藍(lán)三像素要小。其中發(fā)亮的點為間隔子。間隔子分布的不是非常的均勻，但沒有團聚現(xiàn)象。圖5液晶盒仍然采用了濕噴法。從圖中可以看出，每一個像素里間隔子的最小距離接近20μm，最大距離超過60μm。由于帶了TFT電極以后，透過率低，整個視場顯得比TN液晶盒和STN液晶盒的視場要暗，起偏片和檢偏片調(diào)到合適的角度，就能觀察到紅、綠、藍(lán)三像素里的間隔子發(fā)光。從圖中還可以看出，綠色像素里的間隔子最亮，對比度最高，而紅色像素里間隔子的對比度最低，說明此時產(chǎn)生的干涉色里面，綠色光雖不一定是干涉相長那個色光，但光強卻有一定程度地加強，而且是三者當(dāng)中最強的，而這三者之中紅色光減弱程度是最大的，因而光強是最小的，對比度是最低的。當(dāng)偏光片調(diào)到合適的夾角，3種像素里的間隔子都能比較清晰地看見。

5 小 結(jié)

實驗室制備了4種液晶盒，第一種采用干噴法，后面3種采用濕噴法，在偏光顯微鏡下觀察了液晶盒中間隔子噴灑的均勻性。分析了間隔子發(fā)亮的原因，給出了這些液晶盒當(dāng)中，除了那個間隔子分布不良的TN液晶盒外，其余的液晶盒間隔子噴灑的最小距離在接近20μm，最大距離超過100μm。由于液晶盒中的間隔子均為無色，如果不采用偏光干涉法，間隔子的均勻與否是無法觀察到的。文中還分析了液晶盒偏光干涉的原理，以及分析了STN液晶盒和TFT液晶盒中間隔子顯示的對比度和偏光片夾角的關(guān)系。

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