●文/南京中电熊猫液晶显示科技有限公司研发中心马群刚 焦峰 王海宏

　　液晶光配向技术因为使用紫外光对光敏感度高、稳定性好的配向材料进行光配向，用其制作的液晶面板不需要制作域分界物，具有高开口、高对比、快速响应等特性，成为液晶行业研究的热点方向。本文主要介绍基于光配向的POA（Patternless Optical Alignment）技术，分别说明其在设计、材料、工艺上的特点。

　　引 言

　　目前，电视用液晶面板（LCD-TV）的显示模式主要采用VA（Vertical Alignment）技术和IPS（In Plane Switching）技术。其中，VA技术包括MVA（Multi-domain Vertical Alignment）技术和PVA（Patterned Vertical Alignment）技术等，这些技术由于突起、缝隙等域分界物的存在而引起开口率低、对比度差、响应速度慢和工艺复杂等问题。而光配向技术主要使用紫外光对光敏感度高、稳定性好的配向材料进行光配向，用其制作的液晶面板不需要域分界物，具有高开口、高对比、快速响应等特性，消除了传统模式所无法克服的缺陷，而日渐成为液晶行业研究的热点。本文将主要介绍中电熊猫在原有光配向技术基础上通过自主研发所形成的POA（Patternless Optical Alignment）技术，详细阐述了具体的设计技术、材料技术和工艺改进措施。

　　1、POA技术

　　1.1 POA技术原理

　　配向膜需要进行配向处理才能有效地控制液晶分子的排列，配向技术主要有摩擦（Rubbing）型和非摩擦（Non-Rubbing）型两大类。非摩擦配向可以避免机械摩擦给配向膜带来的不良问题。

　　摩擦配向是在高分子PI表面用绒布滚轮进行接触式的定向机械摩擦，摩擦高分子表面所供的能量使高分子主链因延伸而定向排列，从而控制液晶配向排列。这种方法的优点是在常温下操作，摩擦时间短，量产性高。缺点是PI材料具有高极性、高吸水性，储存或运送时容易变质而造成配向不均匀；摩擦造成的粉尘颗粒、静电残留、刷痕等问题容易降低工艺良率[3]。POA技术属于非摩擦型配向，其原理是利用高精度实时追踪补偿模式的紫外光使得光敏聚合物单体材料发生光化学反应产生各向异性，液晶分子与配向膜表面分子相互作用，为了达到能量最小的稳定状态，液晶分子沿着光配向所定义的受力最大的方向排列，并从设计、材料、工艺等多个方面进行了改进，提高了光配向产品的整体性能。

　　1.2 设计技术

　　(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过1/2像素宽度间隙的掩模版，照射到每个像素的左侧1/2像素上的配向膜层上，使配向膜层发生光配向反应（如二聚反应、分解反应、异构化反应、光再取向反应等），使液晶分子以与基板法线有一定夹角（1度致5度）排列在配向膜层上；然后再反方向使用一定角度的紫外光通过1/2像素宽度间隙的掩模版，照射到每个像素的右侧1/2像素上的配向膜层上，使配向膜层发生光配向反应，使液晶分子以与基板法线有一定夹角（1度至5度）排列在配向膜层上。

　　液晶面板的阵列基板膜面向上和彩膜基板膜面向上的状态如图1所示。在阵列基板侧像素和彩膜基板侧像素扫描紫外光后的配向方向如图2所示。

　　如图3所示，是阵列基板和彩膜基板贴合后的像素的配向方向示意图。这样的话，在一个像素内可以形成4个不同排列角度液晶配向域，即所谓的4域显示模式。

　　图3阵列基板和彩膜基板贴合后的像素的配向方向示意图

　　如图4所示，是一个域的液晶分子配向排列在加电压和不加电压的液晶状态示意图，可以看出，在不加电压的Off状态时，液晶分子沿着和法线具有一固定夹角旋转90度，这个夹角为1度至5度，这时显示为黑状态；在加电压的On状态时，液晶分子受电场作用躺下，这个夹角增大，这时显示为白状态。POA技术中，液晶分子的转动类似TN（Twist Nematic）液晶的扭曲旋转。

　　通过上述过程使得液晶实现了先进的VA-TN液晶排列方式，使得同一域内液晶光轴均匀旋转90度，发挥了垂直配向液晶和扭曲向列液晶各自的优点，改善了各视角颜色差异，视野角特性大幅提升。

　　(2)双重曝光区算法优化技术

　　如图5和图6所示，通过将原来拼接处MASK的三角形图形算法优化为正弦形图形算法，使得拼接过渡区更加平滑，双重曝光领域同普通区域配向效果达到一致。

　　使用掩模版拼接处的双重曝光区算法优化技术，使得双重曝光领域同普通区域配向效果达到一致化。

　　1.2 材料技术

　　采用独特的光敏取向基团搭配普通强化取向基团实现了光敏性和热稳定性的完美组合，实现光敏配向膜的稳定性高且灵敏度高的高分子材料技术，大幅提高了液晶分子的配向比例和长期工作稳定性。

　　使用了一种新的配向膜结构，该配向膜含有以第一结构单元和第二结构单元作为必要结构单元的聚合物，第一结构单元通过光照射表现出对液晶分子进行取向控制的特性，第二结构单元无论是否进行光照射都表现出对液晶分子进行取向控制的特性。第一结构单元具有选自香豆素基、肉桂酸酯基、查尔酮基、偶氮苯基和菧基中的至少一个光官能团的侧链；第二结构单元具有类淄醇骨架的侧链。具体结构如下图7所示，由实线包围的部分是由酸酐衍生的单元（酸酐单元），由虚线包围的部分是由有具有光官能团的侧链的二胺衍生的单元（光取向二胺单元），由单点划线包围的部分是由有具有垂直取向性官能团的侧链的二胺衍生的单元（垂直取向性二胺单元）。

　　1.3 工艺技术

　　(1)凸版印刷方式进行配向膜处理

　　喷墨印刷方式以其材料利用率高，环保和快捷，一度成为配向膜成膜的希望之星。但随着应用的深入，相比于凸版印刷方式的缺点也逐渐暴露。喷墨印刷配向膜时，需要对非图形区进行阻挡图形化或布置非亲Ink图形，工艺复杂度高；喷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，容易产生相关膜位置和膜厚不均的不良；基于以上考虑，果断地将喷墨印刷配向膜改为了凸版印刷方式。

　　(2)视野角对称的分域曝光技术。

　　如图9所示，在阵列基板的上下方向使用2组拼接式MASK对像素的左右两个域进行不同方向的小夹角垂直光配向，在彩膜基板的左右方向使用2组拼接式MASK对像素的上下两个域进行不同方向的小夹角垂直光配向，形成旋转90度 VA-TN液晶配向方式，并且4域的面积相等，使得上下左右4个方向的视野角对称分布，视野角特性大幅改善。

　　2、POA技术优势

　　(1)高开口率：

　　MVA不可避免的被沟槽（Slit）和突起（Protrusion）占掉一些开口率，而POA技术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，可以不使用沟槽和突起，因此开口率比MVA的面板提高20%以上。

　　由于LCD-TV目前最耗电的部份为背光源，因此可以背照灯亮度较小的情况下即可获得与原来同等的亮度，能降低耗电量(在组装成电视机的基础上，降低30%)和削减背照灯光源数量有利于节能和节省成本。节能比是现有通用产品的1.5倍。

　　(2)高对比度：

　　MVA在相对于Protrusion的位置上有漏光，其原因是因为液晶分子在靠近Protrusion的位置为倾斜站立而形成双折射效应故造成漏光，因此泛黑；而POA技术因为不需要Protrusion来控制液晶的倒向，故不会有漏光，实现了“深黑”显示，所以POA的对比可较MVA由原本的3000：1提升至6000：1，对比增加可增进LCD-TV的影像品质。

　　(3)高速反应：

　　过去的MVA技术，由于不赋予所有液晶分子配向的规制力，二靠多米诺骨牌式传播反应，反应速度慢，在8ms左右。POA技术实现了所有液晶分子全面均一的限制力，实现了高速反应，达到了4ms，是过去技术的2倍，这样能应对快速动作3D的高速反应。

　　(4)简化生产工艺

　　POA技术由于没有沟槽和突起，像素结构简单，能简化生产工艺，工艺对比如下图10所示。

　　(5)降低彩色滤光片(CF)成本

　　如图11所示，由于开口率、透光率的提高，对CF面板的要求就会降低，过去需要6次光刻的CF在采用POA技术后，可减少1次光刻，减少CF制造成本20%。

　　3、结论

　　与其他VA技术的产品相比，使用POA技术的产品具有更高的显示屏透过效率，所以相应的模块背光成本较低，并且产品的功耗也较低。使用POA技术后，液晶面板具将具有以下特点：(1)可完美呈现「深黑」色彩的6,000：1高对比度(为现行产品的2倍)；(2)可实现绝佳省能源效能的高光能利用效率(开口率(aperture ratio)较现行产品高出20%以上)；(3)可支持高精细4K*2K显示器或3D电视的高速反应速度(为现行产品的2倍快)；(4)简单的面板构造可提高生产效率，因此采用POA技术的液晶面板将可以完全满足未来高世代TFT-LCD产线所需高速响应、高画质商品的高端TV市场需求。

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