【牛顿环检测TN-LCD盒厚的具体方法探究7900字（论文）】

牛顿环检测TN-LCD盒厚的具体方法研究摘要阐述了牛顿环干涉原理,解释了牛顿环实验图样和附加光程差对牛顿环图样的影响,并指出应用牛顿环现象可判断透镜表面凸凹、精确检验光学元件表面质量、测量透镜表面曲率半径和液体折射率.总结了TN-LCD盒及实盒对应干涉环的一些情况,用劈尖原理推算了空盒干涉环明、暗环对应盒厚差值等,推算值与实测值基本相符;提出用实盒干涉环规整程度分析TN-LCD盒盒厚均匀性或颜色均匀性,由此可以相应深入分析产生盒厚不匀的相关原因。关键词:TN-LCD盒;空盒;实盒;干涉环;盒厚均匀性引言牛顿环是光的波动性的典型现象，TN-LCD盒也是主流的液晶显示器件类型，分别与光电子技术专业所开设的波动光学和液晶显示器件课程紧密相关。根据牛顿环的形状可以判断盒厚的均匀程度，这种测盒厚的方法是TN型液晶显示器件制造和检测中的常用方法，也是牛顿环在实际生产中的典型应用。通过该课题的研究，能够帮助学生提高专业知识之间的融会贯通能力，将所学知识举一反三运用于解决实际问题的能力。一牛顿环的原理及现象1.1牛顿环的透镜待测原理利用牛顿环干涉现象可以方便地判断透镜表面的凸凹情况.将待测表面置于一平面标准件上,然后对上面的待测透镜轻轻施压,观察牛顿环图样的变化:若中心有环涌出,各环半径向边缘扩散,则透镜待测表面为凸面,这是因为在施压时空气膜厚度减小,牛顿环的半径相应增加;同理,若观察到中心有环淹没,各环半径向中心收缩,则透镜待测表面为凹面.1.2牛顿环的现象由于盒厚变化引起的显示“黑斑”缺陷做了研究，分析了由盒厚变化引起的显示“黑斑”缺陷，将“黑斑”缺陷区与正常显示区的盒厚、电光性质作了比较，并用偏光显微镜观察了“黑斑”，分析了“黑斑”缺陷的形成实质．基于详细的工艺过程分析，给出了有可能造成“黑斑”缺陷的相关工艺过程和工艺生产条件，从而达到改进工艺的目的．二牛顿环的应用2.1提高产品合格率LCD制造影响产品合格率的废品有：ITO针孔、划伤、腐蚀不足、PI污染、静电击穿、制盒短路、摩擦痕迹、光划/制缺、封口污染、边框缺陷、“冲痕”、功耗大和显示不匀等．解决这些技术问题，各家公司均有自己的诀窍和秘密，见诸报道的不多．液晶显示在笔记本电脑、监视器、液晶电视等市场强劲的增长势头，使得与LCD制造工艺相关的技术研究活动倍显活力．新型取向方法，新型液晶灌注方式，新液晶材料的物理特性等研究屡见报道．LCD显示市场TN-LCD盒的市场份额首当其冲，而STN生产线在中小型产品如手机、PDA等和手机等特定用途以及新产品e-book中仍有一定的生存余地．在TN-LCD盒的产品制造中，实现量产，提高合格率，增加产品的竞争能力，是各个厂家不遗余力的追求目标。2.2光学元件表面质量的精确检验根据上述原理,利用牛顿环可以检测透镜表面的质量.如图3所示,将标准件覆盖在待测件上,如果不出现牛顿环,见图(a),则表明两者完全密合,即达到标准要求.如果出现牛顿环,则表明被测曲率半径小于或大于标准值,根据上述表面凸凹的判断方法,可知被测件曲率大于还是小于标准件.牛顿环愈多,则表明误差愈大,图3(b)(c)显示的是牛顿环的暗环位置,根据牛顿环暗环条件δk=2nd+λ/2=(2k+1)λ/2(k=0,1,2,…;n=1),从图3可以看出图3(b)中暗环的最高级数k=4,那么该暗环对应的空气厚度为d=kλ/(2n)=4λ/2=2λ.同理,图3(c)中环的最高级数k=4,该环所对应的空气厚度亦为2λ,考虑到相邻明暗环中心位置所对应的空气厚度为λ/4,中央最大厚度为d0=2λ+λ/4,如果所见牛顿环不圆,则表明被测件曲率不均匀.通过观测牛顿环,可以及时判断待测件的优劣,以便对其进行精加工.图：利用牛顿环检测透镜表面的质量2.3光学元件表面质量的精确检验根据上述原理,利用牛顿环可以检测透镜表面的质量.如图3所示,将标准件覆盖在待测件上,如果不出现牛顿环,见图3(a),则表明两者完全密合,即达到标准要求.如果出现牛顿环,则表明被测曲率半径小于或大于标准值,根据上述表面凸凹的判断方法,可知被测件曲率大于还是小于标准件.牛顿环愈多,则表明误差愈大,图3(b)(c)显示的是牛顿环的暗环位置,根据牛顿环暗环条件δk=2nd+λ/2=(2k+1)λ/2(k=0,1,2,…;n=1),从图3可以看出图3(b)中暗环的最高级数k=4,那么该暗环对应的空气厚度为d=kλ/(2n)=4λ/2=2λ.同理,图3(c)中环的最高级数k=4,该环所对应的空气厚度亦为2λ,考虑到相邻明暗环中心位置所对应的空气厚度为λ/4,中央最大厚度为d0=2λ+λ/4,如果所见牛顿环不圆,则表明被测件曲率不均匀.通过观测牛顿环,可以及时判断待测件的优劣,以便对其进行精加工.3.牛顿环检测TN-LCD盒厚的具体方法3.1牛顿环装置牛顿环装置：在一块平面玻璃与一曲率半径很大的平凸透镜之间形成一个上表面是球面、下表面是平面的空气薄层,当垂直光照射时,入射光在空气膜的上下表面依次反射和折射,并在表面附近相遇而发生干涉.空气膜厚度相同的地方形成相同的干涉条纹,因而干涉图样是以接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环,即所谓牛顿环.设入射光波长为λ,某牛顿环半径为r,对应的空气膜厚度为d,则空气膜上下表面依次反射的两反射光的光程差为：式中,n为空气的折射率.由图1中几何关系可知,R2=r2+(R-d)2,因dR,故d2可忽略,于是得d=r2/(2R),代入①式可得：由等厚干涉条件可知,当δk=kλ(k=1,2,3,…)时,形成明纹;当δk=(2k+1)λ/2(k=0,1,2,…)时,形成暗纹,由此可分别求出：明环半径：暗环半径：透镜与平板玻璃之间为透明液体时,③④两式亦适用.3.2牛顿环实验图样的定性解释②式表明,光程差δk与牛顿环半径r的平方成正比,所以离中心愈远(r愈大),光程差增加愈快,牛顿环也愈密.由①式可知,在透镜凸面与平板玻璃的接触点O,d※0,这里的光程差δk※λ/2.相应地,由④式可知,r※0,牛顿环的中心应为一暗点.然而,实验所得的牛顿环图样通常并不是一个点状图样,而是一个不甚清晰的暗的或不太明亮的圆斑.这是由于接触压力引起玻璃形变而使接触处为一圆面,或是由接触处可能存在的尘埃所产生的附加光程差造成的.3.3附加光程差对牛顿环半径影响的定量分析设在牛顿环装置的接触点由于有空气间隙d0而引起附加光程差(如图2),则由①式可知,此时光程差为δk=2n(d+d0)+λ/2.由相消条件：可得,k级暗环半径为：联立④式和⑤式,可得k级暗环半径为：联立①式和⑤式，可得k级暗环半径为:由此可见，当透镜与标准件之间的距离增加时，牛顿环的半径减小，反之增加.图3利用牛顿环检测透镜表面的质量四盒厚检测中的典型现象分析及问题4.1盒厚检测中的典型现象分析4.1.1CSTN空盒干涉环热压是形成LCD盒的重要工序,热压后通常要检查内污、绒毛等缺陷,当然也要关注热压后盒内干涉环有无异常,干涉环可在白台灯或黄色强光灯下观察,当内污、粉碎等引起盒厚问题时,通常表现为局部小圆圈型的干涉环,另外热压成盒后都较容易观察到规则的干涉环,通常大玻璃上排布的TN-LCD盒盒很难实现干涉环形状、圈数都一致,这主要受Spacer密度均匀性及盒受压均匀性等因素的影响。干涉环的圈数能反映出整体盒厚变化的剧烈程度。图1和图2为两TN-LCD盒盒的干涉环,表现为红、绿相间的环状。两图TN-LCD盒盒的干涉环有很大区别,图1干涉环圈数较多,为红4圈、绿4圈半;图2干涉环圈数较少,为红2圈半、绿2圈半。图1对应的TN-LCD盒空盒盒厚变化较剧烈、边框与盒中间差值0.8um左右,图2对应的TN-LCD盒空盒盒厚变化平缓、边框与盒中间差值为0.5μm左右。4.1.2CSTN实盒干涉环空盒经过灌液晶、盒整平及封口后成为实盒、实盒干涉环较难观察，需要在白台灯或黄色强光灯下观察，干涉环一般环绕盒内四周、在四周黑色遮光区BM区)。实盒干涉环的规整程度能很好地反映TN-LCD盒厚整体均匀性。图3和图4为两TN-LCD盒实盒的干涉环。图3中实盒干涉环不规整,在左侧BM区出现距离很近的两圈较细的紫红色干涉环,图4中在BM区形成一圈较宽、规整的紫红色干涉环。图3干涉环对应TN-LCD盒的盒厚均匀性较差,表现为较明显的颜色不匀,如图5所示。图4干涉环对应TN-LCD盒的盒厚均匀性较好,表现为颜色较均匀,如图6所示。4.1.3用干涉环原理分析盒厚均匀性4.1.3.1等厚干涉条纹形成原理用单色平行光垂直照射空气劈尖,由于在同条纹下的薄膜厚度相同,形成干涉条纹为平行于劈棱的一系列等厚干涉条纹。由于单色光经劈尖上下两个表面反射后形成①、②两束光,满足干涉条件。由于入射角i很小,则cosr=1,设:n1>n;由薄膜干涉公式(1)得:4.1.3.2TN-LCD盒干涉环分析盒厚均匀性成盒后的TN-LCD盒,空盒可认为是空气薄膜;实盒可认为是液晶薄膜。当可见光照射TN-LCD盒时,在这两个薄膜装置中都可观察到明暗的、近似等厚的干涉条纹。观察方法如图7所示,人眼垂直或近似垂直TN-LCD盒表面观察,薄膜上的等厚干涉条纹便可在人眼视网膜上形成,即第一节部分拍到的干涉环照片。由第③条推论,分析我们TN-LCD盒产品两个相邻的亮环(红色)或暗环(绿色)盒厚差,可见光波长约为400~740nm之间,我们取400nm做估算,相邻的两个暗环或者亮环对应的盒厚高度差约为:Δd=λ/2≈400nm/2=200nm=0.20μm;此推论值和实测值比较接近。同样由2.1中第③条推论,分析计算同一个环中从红色到紫色色带盒厚差:Δd=λ红/2-λ绿/2≈740-520nm/2=110nm=0.11μm;此推论值和实测值也比较接近。4.1.3.4干涉环在TN-LCD盒盒厚均匀性分析中应用可以通过环的多少判断盒厚变化的大小,盒厚变化越大,则环数越多。可以通过数环数推算其对应盒厚变化值。实际中,盒整平后如果有1个环以上,则会出现非常明显的颜色不匀(如图5对应颜色不匀)。同一个环对应的盒厚一致,即相当于等高线。如果LCD空盒的干涉环同心、均匀,则LCD盒厚较均匀;如果出现偏心环、多心环,则LCD盒厚不均匀。4.1.3.5结论用干涉环方法可以分析LCD盒厚均匀性,这种方法比较简单、直观,且有充分理论依据,盒厚推算结果和实测结果较接近。从本文可知,LCD空盒干涉环同心且均匀则LCD盒厚较均匀,出现偏心环、多心环则LCD盒厚不均匀;LCD实盒有一个规整的干涉环则对应LCD盒厚均匀且颜色均匀;出现一个以上干涉环则对应LCD盒厚不均匀且颜色不均匀。果LCD空盒的干涉环同心、均匀，则LCD盒厚较均匀几如果出现偏心环、多心环、则LCD盒厚不均匀。5.对盒厚检测中问题相应解决办法5.1盒厚不均匀的检验方法5.1.1用牛顿环法检验用钠光灯照射空盒形成干涉光环一牛顿环,根据牛顿环的形状可以判断盒厚的均匀程度。如果牛顿环是圆形或者是椭圆形的,则认为盒厚是均匀的。通常TN-LCD盒都是长方形的,所以液晶盒的牛顿环也呈长方形。此法常用于TN-LCD盒生产的在线检查,据此可以考查生产工艺的情况。5.2.2用盒厚测定仪检验盒厚测定仪有空盒厚度测试仪和灌液晶后盒厚测定仪两种。一般TN-LCD盒生产中采用盒厚测定仪来确认材料选择、匹配以及工艺的合理性。5.2选择合适的生产工艺5.2.1衬垫的喷洒工艺液晶盒内的衬垫必须均匀分布，不均匀度最大不能超过士20%--25%，最好小于士10%，以保证间隙的一致性。为了达到这样的要求，需要选择合适的喷洒工艺。在TN-LCD盒生产中，一般采用干式或湿式喷洒方式。干式和湿式喷洒衬垫的比较如表3所列。5.2.2选择合适的PI和边框胶材料PI和边框胶材料虽然不会直接影响TN-LCD盒的平展度，但会影响玻璃基板的平展度。在生产中，PI和边框胶都需要高温固化。经过高温处理的玻璃基板极易变形，导致LCD盒厚不匀。因此必须选择低温固化且热膨胀系数较小的材料，防止玻璃基板变形。5.2.3增加必要的TOPCOATITO基板玻璃蚀刻出图案后，有ITO层处和无ITO层处存在一个高度差，一般在300-1500nm。对TN-LCD盒来说，这个高度差足以影响到盒厚的均匀性。为了改善这种状况，必须在蚀刻出图案后，增加TOPCOAT工艺，将整个图案显示区填平，保证基板的平整度。TOPCOAT最常见的材料是Si0:或者T10.ZrOz.SiOz，后者优于前者，它可以调节折光率(在1.65一1.70之间变化)，有效消除显示器的字影。一般通过凸版移印方式形成比ITO表面高70一100nm厚的TOPCOAT膜。随着sTN一LCD向大容量、高品质方向发展,工程师们不断地探讨衬垫及盒厚均匀性问题,出现了多种利用衬垫来控制盒厚均匀性的新技术。l)采用粘着性衬垫。用5%PMMA树脂加表2一般的衬垫喷洒数量sssNT一LcD使用温度(℃)))喷洒密度(个/mmZ)))一一20002444一一30001999一一4000l666衬垫高速搅拌,喷后加温,即使用水清洗衬垫都不会移动;2)将衬垫分散在液晶中,印在玻璃上再封盒,可防止真空灌液时把衬垫冲动;3)在特定部位印上衬垫。因为STN一LCD在装配过程中,某些部位受外部压力较大,易造成盒厚不匀,如果在这些部位增加衬垫强度,又不影响视窗内显示,效果会更好;4)采用硬度介于玻璃纤维和塑料球之间的衬垫料,更易于控制盒厚均匀性。除了选择衬垫材料外,边框衬垫和盒内衬垫的大小匹配也直接影响盒厚的均匀性。在理论上,盒厚考虑到热膨胀,盒厚(t)实际上是将盒内衬垫压缩巧%后的厚度,以防止衬垫移动,因此在式(l)中出现了一个0.85的因子。从式(l)可以看到,盒内衬垫和边框衬垫存在直接关系,并且与Tl、TZ和T。有关。在实际生产中,由于不同的TN-LCD盒使用的玻璃基板的方块电阻不同,其ITO膜厚会有不同;TOPCoAT和IP的材料种类、浓度等不同或者工艺控制、设备等不同,它们的膜厚也会不同,因此我们在确定中,和中2之前,首先必须确定基板、TOPCOAT和PI材料,并且保持生产工艺和设备的稳定性,这样才能使咖和币,实现最佳匹配,从而保证盒厚的均匀性.否则,lT、TZ和T不断变化永远无法配合好。5.3“黑斑”缺陷区的盒厚和电光性质5.3.1TN-LCD盒厚均匀性的控制在TN-LCD制造中，产品的盒厚均匀性控制显得有些苛刻，一般情况下产品盒厚偏差超过0.1m或更小（几十纳米），就会出现盒厚不均废品．严重的盒厚不匀废品在目测时就可以挑出来，而相对较轻者，则在电测时检出．因此，TN-LCD制造中需寻求多种控制盒厚均匀性的方法．衬垫料的选择，现在TN-LCD制造中，多选用塑料衬垫，塑料衬垫的好处是一能够赋予产品良好的低温特性；二是它的弹性较大，在热压条件下可以产生形变而不易于压碎．2）合适的边框料配比，对于不导电边框料选择合适的玻璃纤维材料与环氧树脂胶配比即可，而对于全导电边框料，则要选择导电金球、玻璃纤维与环氧树脂胶三者的合适配比，因此造成了后者的制造更加困难．还有就是衬垫粉的喷粉密度、粉的形状、粒径分布、热压压力、时间、温度、调盒压力、时间等都是生产中控制盒厚均匀性的技术关键．显示“黑斑”缺陷是显示不均匀废品的一种，出现的位置不确定，如图1所示，电测时的表现是缺陷处暗黑或暗蓝，而严重的“黑斑”缺陷在偏光台下目测就可以看出上述缺陷．5.3.2“黑斑”缺陷区的盒厚和电光性质取样正常生产工艺条件下四种显示“黑斑”缺陷样品：边框封接料中环氧树脂用XN-5A、玻璃纤维用PF系列，除样品1外均加有导电金球；基板为ITO玻璃，厚度分别为0.7mm、0.55mm、0.55mm、0.4mm；热压压力分别为0.04mPa、0.08mPa、0.06mPa、0.08mPa、热压时间、温度相同；喷粉密度选用EXH系列的粉，密度为120±20个/mm2；调盒压力分别为25kg、12kg、8.5kg、14kg，调盒时间样品1为40min，其它均为20min．使用CG-100液晶显示器延迟量（测量精度<0.01m）与扭曲角测试系统和EO-100电光测试系统，本文分别测试了显示“黑斑”缺陷区与正常显示区的实盒盒厚、V10、V50和V90，在表1中给出了测试结果．通过比较，可以发现对于四种样品，缺陷区的实盒盒厚、V10、V50和V90均较小．由此本文分析认为是由于液晶盒的盒厚变小导致了电显电压的降低；而对于目测黑斑，是由于盒厚减小偏大，光透射过液晶盒后产生较大光程差偏差，从而表现出与正常显示区不同的光干涉特性．此外，用偏光显微镜观察后发现，部分缺陷区的衬垫粉出现了破碎的现象，并在该区域分散开来，本文认为这也是造成“黑斑”处不同光学表现的原因．图2给出了显示“黑斑”区破碎衬垫粉的偏光显微镜观察照片．实验与工艺过程分析：本实验用以确定TN-LCD显示黑斑缺陷形成的工艺过程发生在灌晶前工序还是在灌晶后工序．对上述四种产品分别作了多组实验，发现实验结果并无差异，所以为了叙述方便，把它们统称为实验品．取样正常工艺热压出货的产品用作实验品，在实验品液晶盒表面用胶粘附玻璃碎屑（粘附区用色笔标识），用调盒工序模拟热压过程，获得盒厚偏小区．调盒用加压封口机SK-ES-4H（韩国），玻璃衬垫为白纸板．实际上在比热压压力小的压力下，就已造成了粘附玻璃碎屑区的盒厚的偏小，而且出现了衬垫本实验用以确定TN-LCD显示黑斑缺陷形成的工艺过程发生在灌晶前工序还是在灌晶后工序．对上述四种产品分别作了多组实验，发现实验结果并无差异，所以为了叙述方便，把它们统称为实验品．取样正常工艺热压出货的产品用作实验品，在实验品液晶盒表面用胶粘附玻璃碎屑（粘附区用色笔标识），用调盒工序模拟热压过程，获得盒厚偏小区．调盒用加压封口机SK-ES-4H（韩国），玻璃衬垫为白纸板．实际上在比热压压力小的压力下，就已造成了粘附玻璃碎屑区的盒厚的偏小，而且出现了衬垫粉的破碎．将上述实验品经由灌晶工序灌晶，工艺参数（灌晶压力、时间、温度等）均为正常工艺．再经由调盒工序，正常工艺参数加压封口．实验参数如表2所示．用偏光显微镜观察标识区衬垫粉的状态并拍照．图3与图4分别给出了同一标识点灌晶前和灌晶后液晶盒中衬垫粉的比较照片，图中的较大颗粒是碎粉，较小的为正常衬垫．发现灌晶前后，破碎衬垫粉的状态几乎没有变化．分析认为液晶盒中的衬垫粉很好的镶嵌在定向层表面，碎了的粉同样受定向层的粘附作用．灌晶工序，借助灌晶过程的毛细作用，不可能“冲”走衬垫粉，即使是碎粉，作用也是微乎其微的．需要指出的是，图4的碎粉相对成群聚集，成点状，而图3则相对较分散，原因是图3的样品取自前清洗工序之后，受到超声清洗作用的结果，超声振荡会引起盒内衬垫粉的移动．形成TN-LCD显示“黑斑”缺陷有可能发生在灌晶之前．本文认为喷粉、热压和调盒工序是三个牵连工序．造成显示“黑斑”缺陷的可能因素有：1）喷粉密度不均匀造成的盒厚偏小．干喷方法喷粉，由于受静电影响，导致衬垫粉带电不均匀或电场方向无序；喷粉机喷头自生的缺陷等，衬垫粉很难在玻璃表面形成绝对的均匀分布．较大的密度偏小部位，在热压过程中支撑力不足，产生了部位塌陷，就会形成显示“黑斑”缺陷．2）热压压力稍大、热压垫纸局部平整度超标、热压垫纸上的颗粒状污染物造成的盒厚偏小．热压压力偏大，产生“黑斑”缺陷的机理与1相同．热压垫纸在使用过程中，由于人为的因素会造成对热压纸的破坏，如褶皱、表面破损等，使得热压过程中玻璃基板表面受力不均匀．同样，若在上工装的过程，有玻璃碎屑掉落在热压纸表面，或由于清理不净，有颗粒状污物残留在垫纸上．这些最终都有可能导致显示“黑斑”缺陷．3）调盒垫纸表面的颗粒状杂物或表面突出造成的盒厚偏小．调盒压力相比热压压力要来的小，但即使在这样小的压力作用下，若垫纸表面有玻璃渣类颗粒状杂物，也有可能造成衬垫粉的破碎，本文已用实验证实了这一结论．表实验用参数：六结论TN-LCD产品的盒厚变小会导致显示“黑斑”缺陷，喷粉、热压、调盒工序是造成液晶盒的局部盒厚变小的3个牵连制造工序．对于TN-LCD的制造者们，可就本文的分析结果，采取相应的技术改进措施和加强生产过程的管理，提高TN-LCD产品