TFTLCD液晶用边框胶的研究进展.docx

收稿日期：2013-07-23作者简介：宋继瑞（1973-），男，博士，高级工程师，北京市博士后（青年英才）创新实践基地工作站研究员，主要从事电子胶粘剂研究。 e-mail：felix_。基金项目：本项目获得北京市博士后工作经费资助。tft-lcd液晶用边框胶的研究进展宋继瑞1，史伟同1，张军营2（1.北京海斯迪克新材料有限公司，北京 100041；2.北京化工大学胶接材料与原位固化技术研究室，北京 100029）摘 要 ： 综 述 了tft-lcd液 晶 面 板odf制 程 用 边 框 胶 的 研 究 进 展 ， 包 括odf制 程 的 特 点 、odf边框 胶 的 研 制 、 应 用 特 点 及 其 性 能 要 求 。 通 过 与 传 统 的 真 空 灌 注 工 艺 及 其 相 应 的 边 框 胶 相 比 较 ，odf制 程 及odf边 框 胶 具 有 简 化cell工 艺 、 缩 短 工 时 和 节 约 液 晶 用 量 以 及 提 高 产 品 品 质 的 特 点 。odf边 框 胶 的成功研发，可以替代进口胶，实现odf边框胶的国产化。关键词：odf制程；边框胶；液晶面板中图分类号：tq437+.6文献标识码：a文章编号：1001-5922（2013）12-0071-04随 着 信 息 时 代 的 到 来 ， 液 晶 显 示 器 （lcd）的 应 用越 来 越 广 泛 。 从 主 要 应 用 于 手 机 、mp3、 数 码 相 机 、 游 戏 机 、 学 习 机 、 gps、 车 载 显 示 器 、 pda等 中 小 尺 寸 tft-lcd液 晶 屏 ， 到 以 液 晶 电 视 为 主 的 大 尺 寸 tft- lcd液 晶 屏 的 需 求 量 都 出 现 了 迅 速 增 长 。lcd行 业 是 高 投入行业，原材料占整个成本的51%左右，其中边框胶作为 一 种 重 要 材 料 ， 在lcd产 业 中 起 着 关 键 作 用1,2。 边 框 胶 （seal）主 要 用 途 是 将2片 玻 璃 基 板 结 合 在 一 起 ， 避 免 注 入 面 板 内 层 的 液 晶 材 料 流 出 ， 并 阻 止 外 部 的 空 气 、 水 雾 等 杂 质 进 入 而 污 染 液 晶 。 因 此 ， 边 框 胶 必 须 具 有 良 好 的 抗 穿 刺 性 能 和 对 玻 璃 基 板 的 良 好 的 粘 接 强 度 ， 抗 穿 刺 性 能 就 是 阻 止 液 晶 分 子 泄 露 或 外 界 的 空 气 、 水 分 通 过 边 框 胶 进 入 液 晶 层 ， 同 时 边 框 胶 还 应 无 小 分 子 析 出 ， 以 防 止小分子进入液晶层而污染液晶。在 液 晶 显 示 器 面 世 后 ， 主 要 以 小 尺 寸 为 主 ， 而 小 尺寸 的 液 晶 显 示 器 在 生 产 过 程 中 ， 液 晶 的 灌 注 是 以 真 空 灌 注的方式进行。1.1 真空液晶灌注工艺液 晶 显 示 器主要由显示屏和背光源2部分组成，其中 在 显 示 屏 上 涂 覆 有 边 框 胶 ， 封 框 内 灌 注 液 晶 材 料 制 成 液 晶 盒 （ 屏 ）3。lcd是 由 各 种 不 同 性 能 的 功 能 材 料 组 成 ， 其中多种材料如光刻胶、封框胶均为辐射固化材料。随 着 应 用 领 域 的 拓 展 ， 人 们 对 响 应 时 间 和 视 角 等 关 键 技 术 指 标 提 出 了 更 高 的 要 求 。 为 了 实 现 快 速 响 应 ， 最 简 单 的 方 法 是 将 盒 做 得 更 薄 些 。 为 了 实 现 宽 视 角 ， 各 厂家 大 多 采 用 多 畴 垂 直 取 向 （ mva）4和 沿 面 取 向（ips）5技 术 。 然 而 ， 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 限 制 了 这 些 技 术 的 应 用 。 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 是 利 用 毛 细 现 象 和 内 外 压 力 差 将 液 晶 注 入 盒 内 ， 盒 越 薄 ， 液 晶 流 动 阻 力 越 大 ， 注1lcd传统制程及边框胶国内外研究进展071粘接杂志社 上海电话湖北电话兼传真e-mail：网址：研 究 报 告 及 专 论综 述特 约 专 栏应 用 技 术新 专 利学 术 论 文academic paper综述入 就 越 困 难 。 同 时 ， 注 入 难 易 还 受pi膜 的 取 向 及 其 润 湿性制约，mva和ips技术的膜取向不利于液晶的注入，导 致注入时间过长6。另外，基板的尺寸越大，液晶注入时 间 越 长 ， 当 尺 寸 增 加 到 一 定 程 度 后 ， 真 空 注 入 工 艺 根 本 无 法 满 足 生 产 要 求 。 尽 管 真 空 液 晶 灌 注 方 式 存 在 诸 多 不 足，但在odf工艺7还没有开发出来之前，该技术还是被 广泛应用。1.2 真空灌注工艺用边框胶在 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 中 ， 先 进 行 边 框 胶 的 涂 覆 和 固 化 ， 再 进 行 液 晶 注 入 ， 此 时 与 液 晶 接 触 的 边 框 胶 已 经 固 化 ， 极 少 对 液 晶 产 生 污 染 ， 这 也 是 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 的 一 个 优 点 。 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 的 边 框 胶 一 般 由 环 氧 树脂 、 固 化 剂 和 溶 剂 组 成 。 常 温 下 ， 边 框 胶 里 的 环 氧 树 脂呈 液 态 ， 而 固 化 剂 则 溶 解 在 溶 剂 里 。 溶 剂 在80 时 开 始 挥 发 ， 但 要 挥 发 完 全 ， 则 要 在105 左 右 ， 在 此 温 度 固 化 剂 不 会 吸 收 水 分 。 失 去 溶 剂 的 固 化 剂 会 成 为 晶 体 ， 可 以 支 撑 起 液 晶 盒 的 上 下 基 板 ， 减 少 后 面 加 温 时 边 框 胶 里 的 空 间 阻 隔 物 承 受 的 压 力 ， 不 至 于 让 空 间 阻 隔 物 长 时 间 受 力 而 产 生 永 久 形 变 ， 并 改 变 所 设 定 的 液 晶 盒 参 数 。 固 化 剂 在118 左 右 熔 化 成 液 态 ， 随 着 温 度 的 升 高 ， 分 散 到 环 氧 树 脂 分 子 基 团 内 ， 升 温 到142 左 右 时 ， 环 氧 树 脂 快 速 聚 合 形 成 玻 璃 态 固 体 ， 从 而 把 上 下 基 板 粘 接 在 一 起。表1是真空灌注工艺边框胶的规格要求。表1 真空灌注工艺边框胶的规格要求tab.1 specification requirement for vacuum injection process sealant项目规格备注外观性状黏度/pas 挥发速度/% 固化时间/s 最大粒径/m奶黄色或白色膏状液体709032005bl型旋转黏度计，25 105 、3 h150 ，热板 贮 存 条 件 - 2 0 - 1 5 ，6个 月 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 边 框 胶 虽 然 对 液 晶 污 染 性 小 ， 但因 其 含 有 有 机 溶 剂 ， 会 污 染 环 境 ， 危 害 生 产 者 健 康 ； 另 外 ， 随 着 液 晶 面 板 尺 寸 的 大 型 化 ， 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 已 经 不 能 满 足 生 产 的 需 求 ，odf工 艺 应 运 而 生 ， 对 边 框 胶 也就提出了新的要求。odf制程完全避免了上述问题，提升了产品品质。2.2 odf制程边框胶odf制 程 中 同 时 滴 下 液 晶 和 涂 布 边 框 胶 ， 未 能 及 时 固 化 的 边 框 胶 与 液 晶 会 直 接 接 触 ， 从 而 导 致 液 晶 污 染 ， 这 是odf制 程 最 大 的 技 术 障 碍 之 一 。 如 果 边 框 胶 不 能 在 非 常 短 的 时 间 内 固 化 也 容 易 发 生 液 晶 穿 透 边 框 胶 的 现 象。最早采用了uv固化型边框胶，但由于array基板的金 属 走 线 会 将 部 分 边 框 胶 遮 挡 住 ， 导 致 部 分 边 框 胶 不 能 固 化 ， 后 来 又 开 发 了uv固 化 和 热 固 化 混 合 型 边 框 胶811。 这 样 ， 可 保 证 未 遮 挡 部 分 迅 速 固 化 ， 而 遮 挡 部 分 可 通 过 热 方 式 固 化 。 为 了 防 止 边 框 胶 在 完 全 固 化 前 由 于 强 度 不 够 导 致 液 晶 泄 露 ， 人 们 改 善 了 混 合 胶 的 强 度 ， 目 前 所 用 odf边框胶通常为高强度的边框胶。odf边 框 胶 材 料 的 关 键 技 术 要 求 是6：（1）odf制 程 要 求 涂 布 闭 合 的 边 框 胶 图 案 ， 始 终 端 必 须 交 叠 ， 这 样 很 容 易 造 成 胶 条 过 宽 ， 因 此 要 求 胶 必 须 有 好 的 涂 布 能 力 ； （2）胶 体 直 接 接 触 的 玻 璃 表 面 可 能 有 有 机pi膜 、 无 机金属膜或无机半导体膜，因此要求边框胶对以上3种材 料都有较好的粘接力；（3）针对胶穿刺不良的问题，边 框 胶 要 有 比 较 好 的 强 度 ， 保 证 在 液 晶 压 力 和 大 气 压 力 的 物 理 冲 击 下 ， 不 发 生 穿 刺 现 象 ； （4）为 了 获 得 均 匀 盒 厚，需要在有液晶情况下容易压合；（5）lcd产品要求2odf制程及边框胶的发展状况随 着 技 术 的 进 步 和 用 户 对 液 晶 显 示 器 要 求 的 不 断 提高 ， 液 晶 显 示 器 尺 寸 不 断 增 大 ， 真 空 灌 注 工 艺 因 灌 注 时 间 长 、 液 晶 利 用 率 低 等 已 不 能 满 足 生 产 需 要 。odf制 程 及与之相配的边框胶有效地解决了这一问题。2.1 odf制程所 谓odf制 程 （one drop filling），就 是 先 将 边 框 胶 在 玻 璃 基 板 上 涂 布 成 一 个 密 闭 的 图 案 ， 然 后 将 液 晶 一 次性滴注到封闭的边框胶内。与 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 比 较 ，odf制 程 优 势 在 于 不 需 要通过注入孔注入液晶，从而简化了cell工艺、缩短了工 艺 时 间 。 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 液 晶 利 用 率 约50%以 下 ， 而 odf利 用 率 可 达95%以 上 。 另 外 ， 真 空 液 晶 灌 注 工 艺 需 要将cell浸入到液晶里，虽然注入后还有清洗工序，但液 晶 仍 很 容 易 残 留 在 外 部 端 子 上 ， 长 时 间 端 子 会 被 腐 蚀 。072粘接杂志社 上海电话湖北电话兼传真e-mail：网址：综 述研 究 报 告 及 专 论特 约 专 栏应 用 技 术新 专 利边 框 胶 在 比 较 宽 的 温 湿 度 范 围 内 都 能 保 持 比 较 好 的 特性 。 在 真 空 灌 注 工 艺 中 ， 以 上 问 题 基 本 上 是 独 立 的 ， 可 以 独 立 解 决 ， 但 在odf制 程 中 以 上 因 素 互 相 关 联 ， 互 相 制约，因此，odf制程比真空液晶灌注工艺复杂。由 于odf边 框 胶 采 用uv和加 热 双 重 固 化 ， 这 就 要 求 制 备 边 框 胶 的 树 脂 必 须 既 能 光 固 化 ， 又 能 加 热 固 化 。 胶 中 一 般 包 含 环 氧 丙 烯 酸 酯 低 聚 物 、 活 性 稀 释 剂 、 光 引 发 剂 、 填 料 和 潜 伏 性 固 化 剂 及 固 化 促 进 剂 等 。 环 氧 丙 烯 酸 酯 低 聚 物 是 边 框 胶 的 主 体 ， 其 性 能 决 定 了 边 框 胶 的 粘 接 能 力 。 由 于 边 框 胶 主 要 用 于 粘 接 玻 璃 ， 所 以 要 求 低 聚 物 必 须 对 玻 璃 具 有 良 好 的 粘 接 性 能 。 采 用uv和 加 热 双 重 固 化 的 边 框 胶 在uv固 化 过 程 中 以 自 由 基 方 式 固 化 ， 而 自 由 基 固 化 的 低 聚 物 主 要 有 丙 烯 酸 酯 类 、 环 氧 丙 烯 酸 酯 、 聚 氨 酯 丙 烯 酸 酯 和 聚 酯 丙 烯 酸 酯 等 。 由 不 饱 和 聚 酯 制 得 的 胶 粘 剂 固 化 收 缩 率 大 ， 粘 接 接 头 的 内 应 力 很 大 ， 胶 层 的 内 部 易 出 现 微 裂 纹 而 导 致 粘 接 力 变 小 。 环 氧 丙 烯 酸 酯 低 聚 物 含 有 羟 基 、 乙 烯 基 （ch2=ch2）、 酯 基 和 醚 基 ， 具有 环 氧 树 脂 和 不 饱 和 双 键 的 特 性 ， 边 框 胶 经 过 紫 外 照 射 后 ， 其 内 的 环 氧 丙 烯 酸 酯 形 成 三 维 网 状 聚 合 物 ， 减 小 了小 分 子 或 外 界 空 气 对 液 晶 的 污 染 ， 同 时 环 氧 对 玻 璃 的 粘接 强 度 高 。 活 性 稀 释 剂 在 体 系 中 不 仅 起 到 降 低 体 系 黏 度 作 用 ， 还 能 参 与 反 应 ， 通 过 调 节 活 性 稀 释 剂 的 添 加 量 和 种 类 ， 能 够 控 制 边 框 胶 的 固 化 速 度 和 固 化 后 胶 膜 的 硬 度 以 及 固 化 收 缩 率 等 。 光 引 发 剂 在uv光 的 照 射 下 ， 能 够 产 生 自 由 基 ， 并 引 发 低 聚 物 和 活 性 稀 释 剂 的 反 应 ， 使 胶 固 化 。 一 般 选 择 白 炭 黑 作 为 边 框 胶 的 填 料 ， 起 到 调 节 黏 度 和 触 变 性 的 作 用 。 在 边 框 胶 的 贮 存 和 运 输 过 程 中 ， 要 求 其 质 量 稳 定 ， 这 就 使 得 所 添 加 的 固 化 剂 必 须 具 有 室 温 稳 定 、 加 热 固 化 的 特 点 。 另 外 ， 一 般 热 固 化 剂 需 要 较 高 的 固 化 温 度 ， 而 使 用 边 框 胶 的 工 件 又 不 能 承 受 过 高 的 温 度 ， 必 须 添 加 一 定 量 的 固 化 促 进 剂 ， 保 证 胶 粘 剂 在 较 低 的温度下就可固化。表 2是 odf边 框 胶 的 规 格 要 求 。 从 表 2可 以 看 出 ， odf边 框 胶 与 真 空 灌 注 边 框 胶 相 比 黏 度 大 幅 度 增 加 ， 达 到300 pas，胶 中 含 有 的 颗 粒 粒 径 小 于3m，所 有 这 些 变 化 都 与 odf制 程 的 边 框 胶 涂 布 方 式 、 固 化 方 式 以 及 lcd面板的质量要求有关。目 前 odf制 程 边 框 胶 的 研 发 和 生 产 主 要 集 中 在 日表2 odf边框胶规格要求tab.2 specification requirement for odf sealant测试项目规格试验方法300501 500 mj/cm2以下60以下80515以下0.5以下3以下na5010-6k5010-6cl5010-605 ，6个月cone/plate type viscometer 2.5 r/min at （251）metal halide lamp(365 nm wavelength) dsc，at 120 shore d pct（121 2atm）20htga，120 /60 minmicroscope黏度/pasuv固化性 加热固化性/min 硬度抽出水导电率/（s/cm） 加热减量/% 颗粒粒径/m离子含量icp-ms贮存条件本 ， 分 别 是 three bond、 mitsuichemical、 sekisui究 开 发 实 现 量 化 生 产 ， 可 实 现odf边 框 胶 的 国 产 化 ， 降chemical等 。 北 京 海 斯 迪 克 新 材 料 有 限 公 司 正 致 力 于odf边 框 胶 的 开 发 研 究 ， 随 着 项 目 开 发 的 不 断 进 行 和 产 品 的 研 发 成 功 ， 将 为 lcd面 板 生 产 商 提 供 质 优 价 廉 的 odf边框胶，改变依靠进口的局面。低生产成本。参考文献1秦 长 喜.辐 射 固 化 技 术 在lcd产 业 中 的 应 用j.信 息 记 录3结语材料,2006,7(1):38-42.2秦 长 喜,郑 军.辐 射 固 化 技 术 的 现 状 和 发 展 趋 势j.信 息odf边 框 胶 作 为 液 晶 面 板 生 产 的 一 个 重 要 材 料 对lcd面 板 及 相 关 产 业 的 发 展 会 产 生 重 要 的 影 响 。 通 过 研记录材料,2005,6(2):21-26.073粘接杂志社 上海电话湖北电话兼传真e-mail：网址：研 究 报 告 及 专 论综 述特 约 专 栏应 用 技 术新 专 利学 术 论 文academic paper综述3takashi ukachi.radiation curing technology progressand its industrial applications in japanc.rad-tech asia2003 conference proceedings.4ohmuro k,kataoka s,sakai t,et al.development of super-high-image-quality vertical-alignment-mode lcdm.sid,1997,97:845-848. 5 n a k a y o s h i y , k u r a h a s h i n , t a n n o j , e t a l . h i g h transmittance pixel design of in-plane switching tft- lcd for tvm.sid,2003,03:1100-1103.6杨 国 波 ,王 永 茂 ,赵 军 ,等 .odf工 艺 的 进 展 j.光 机 电 信 息,2011,28(1):23-27.7yamada s,kimura s,sakai n,et al.a new production of the large size tft-panel by lc-droping methodm.sid,2001,01:1350-1353. 8 y o u n g - j u n p a r k , d o n g - h y u k l i m , h y u n - j o o n gkim,et al.uv-and thermal-curing behaviors of dual-c u r a b l e a d h e s i v e s b a s e d o n e p o x y a c r y l a t eo l i g o m e r s j . i n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f a d h e s i o n & adhesives,2009(29):710-717.9yasuhiro morii,shin tahata,fumio matsukawa,et al.a s t u d y o n u v - c u r a b l e a d h e s i v e s e a l a n t f o r l c d panelj.electronics and communications in japan,part2,2000,83(5). 1 0 k a r l a m u n d s o n , a l f o n s v a n b l a a d e r e n , p i e r r e w i l t z i us . m o r p h ol og y and e l e c t r o- op t i c p r op e r t i es of polymer-dispersed liquid-crystal filmsj.physical review e,1997,55(2):1464-1454.11domasius nwabunma,kap jin kim,yuhui lin,et al.phase diagam and photopolymerization behavior of mixtures of uv- curable multifuntional monomer and low molar mass nematic liquid crystalj.macromolecules,1998,31:6806-6812.research progre