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Flüssigkristalle

Flüssigkristalle sind organische Moleküle mit kristallähnlichen Eigenschaften. Sie sind bei bei Raumtemperatur flüssig. Aufgrund der schwachen zwischenmolekularen Bindungen können die Moleküle bereits durch schwache elektromagnetische Felder ausgerichtet werden. Die in LCDs für die Erstellung sichtbarer Bilder genutzen Moleküle sind optisch anisotroph (haben unterschiedliche Brechungsindizes für die verschiedenen Molekülachsen). Je nach der Ausrichtung der Moleküle ist das Panel entweder transparent oder dunkel.

Aufbau einer typischen Flüssigkristallzelle: 1 - Polarisator, 2 - Glassubstrate, 3 - Dichtung, 4 - Abstandhalter, 5 - ITO, 6 - Hartschicht, 7 - Polyimid, 8 - TFT

Passive LCDs

Eine passive Matrix LCD besteht aus mehreren Schichten. Das Gerüst besteht aus zwei über Dichtungen verbundene Glasplatten. Auf der vorderen Glasseite ist ein Polarisator zur linearen Polarisation des einfallenden Lichts in einer Richtung aufgebracht. Das Licht passiert danach die Glasplatte und eine Indiumzinnoxidschicht, die transparent ist und als Elektrode dient. Eine auf SiOx basierende Passivierungsschicht, manchmal auch Hartschicht genannt ist zur elektrischen Isolation über der ITO Schicht aufgebracht. Darüber befindet sich eine aufgedruckte Polyimid-Schicht die der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle dient. Die Flüssigkristallfüllung kann durch elektromagnetische Felder ausgerichtet werden und ändert Ihre Orientierung mit dem angelegten Feld. Die Flüssigkristalle sind auch optisch aktiv und drehen die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts. Die Dicke der Flüssigkristallschicht wird von der Grösse der Abstandhalter bestimmt, die den Abstand der beiden Glasplatten exakt festlegen. Ist kein elektromagnetisches Feld zwischen vorderer und hinterer Glasplatte angelegt, so wird das Licht auf seinem Weg durch die Flüssigkristallschicht um 90° gedreht. Falls ein Feld zwischen den beiden Glasplatten angelegt ist, findet keine Drehung des Lichts statt. Auf seinem Weg durch die Zelle trifft das Licht nach dem Passieren des Flüssigkristalls wiederum auf eine Polyimidschicht, eine weitere Hartschicht, eine ITO-Schicht und schliesslich auf das rückseitige Glas. Der zweite Polarisator auf der Aussen seite der Glasplatte lässt das ankommende Licht je nach Polarisationsrichtung entweder passieren oder absorbiert es. Diese Technik findet auch zunehmend für die Herstellung intelligenter Fenster Anwendung.

Aktiv-Matrix LCDs

Die gebräuchlichste Technologie für Aktiv-Matrix Zellen nutzt amorphe oder polykristalline Dünnschichttransistoren (TFT), die auf der rückseitigen Glasplatte angebracht sind. Während das amorphe Silicium leichter aufzubringen ist und daher zumeist für grosse Displays Anwendung findet, lassen sich über Polysiliciumtransistoren bessere Displays mit höherer Auflösung herstellen. Die Polysiliciumschichten erfodern allerdings höhere Abscheidetemperaturen. Zu ihrer Herstellung werden Rohröfen eingesetzt und daher lassen sich nur kleinere Displays mit dieser Technologie herstellen.

Farbige LCDs

In farbigen LCDs, werden auf der vorderen Glasplatte Farbfilter aufgebracht. Die drei Farben rot, blau und grün sowie eine schwarze Schicht (black matrix) werden eingesetzt.

Vordere und hintere Glasplatte werden in getrennten Produktionsstraßen bearbeitet. Zumeist befinden sich auf einer Glasplatte mehrere (4-6) Displays. Die rückseitige Glasplatte dient im Fall von Aktiv-Matrix Bauteilen als Substrat für den Transistoraufbau. Diese werden auf der ITO-Schicht durch eine Reihe von PECVD und Sputter-Schritten generiert. Anschliessend werden die Hartschicht, sowie das Polyimid aufgebracht und die Abstandhalter aufgesprüht.

Die vordere Glasplatte dient als Träger für die Farbfilter und erhält anschliessend wie auch die rückseitige Glasplatte eine ITO-Schicht, eine Hartschicht und eine Polyimidschicht. Die Dichtungen werden ebenfalls auf dieser Glasplatte aufgebracht.

In der Montagemaschine werden die beiden Glasplatten ausgerichtet, zusammengesetzt und mittels UV-gehärteter Klebepunkten in der richtigen Position fixiert. Heute findet dieser Prozess unter Vakuum im sogenannten ODF-Prozess statt. Dann werden die so vorbereiteten Panele gepresst und erhitzt um die Dichtungen auszuhärten und stabile Zellen zu bilden. Schliesslich werden die Zellen durch Ritzen und Brechen vereinzelt. Die Bruchkanten werden rund geschliffen. Jetzt können die einzelnen Zellen mit Flüssigkristallmaterial befüllt und anschliessend versiegelt werden. Die Polarisatorfolien werden aufgebracht. Die eigentliche Zelle ist fertig. Jetzt folgen nur noch Gehäusemontage, Kontaktierung und Verpackung.

Hier finden Sie ein Beispiel für eine integrierte LCD-Produktionslinie von Joyo. 1- Beladung, 2 - Naßreinigung, 3 - PI Beschichtung, 4 - Inspektion, 5 - Reibemaschine, 6 - US Reiniger, 7 - Reinigungsanlage, 8 - Sprühen Abstandhalter, 9 - Prüfen Abstandhalterdichte, 10 - Ag Abscheidung, 11 - Dichtungsabscheidung, 12 - Vorheizofen, 13 - Montagemaschine, 14 - Heißpressofen, 15 - Qualitätskontrolle, 16 - Entladung

Für kleinere Fabriken sind neben einer solchen vollautomatischen Produktionsstraße auch viele Maschinen als einzelstehende Anlagen oder in der Form kleinerer Cluster verfügbar.

TFT Herstellung auf der rückseitigen Glasplatte

Die Herstellung der Dünnschichttransistoren (TFT) besteht aus mehreren Vacuumtechnologieschritten. PECVD wird für die Abscheidung von a-Si und Isolationsschichten (Gate) verwendet. Sputter Techniken kommen für die Herstellung von Leiterbahnen und ITO-Schichten zum Einsatz. Ein typischer Prozessablauf besteht aus der Abscheidung von Gate-Metall (Ta, Al, MoTa), Strukturierung, anodischer Oxidation Ta2O5, Abscheidung von Siliciumnitrid, Strukturierung, Abscheidung von amorphem Silicium für die Electrode, Strukturierung, Abscheidung der Leiterbahnen (Ti, Al), Strukturierung, Abscheidung der Pixelelektroden (ITO), Strukturierung, Passivierung, Strukturierung. Einige Firmen kaufen als Ausgangsmaterial bereits ITO-beschichtete Glasplatten ein. Der Prozess beginnt in diesem Fall dann mit der Strukturierung und Ätzung dieser Schicht.

Poly-Silicium Abscheidung

Für hochauflösende Displays kommt die poly-Silicium Abscheidung anstelle der a-Si Abscheidung zum Einsatz. Diese erfolgt bei Unterdruck in einem Rohrofen, wie er auch in der Halbleiterindustrie angewendet wird.

Anbringung der Farbfilter

Die Aufbringung der Farbfilter ist ein sehr wichtiger Prozess, der aufgrund des teuren Ausgangsmaterials und teilweise geringer Ausbeuten auch sehr teuer sein kann. Es gibt mehrere Methoden, die Farbfilter auf die Glasplatte aufzubringen. Flüssige Pigmentfarbe kann aufgeschleudert werden. Das ist ein einfaches Verfahren, das allerdings viel teures Abfallmaterial liefert. Die materialsparende Doctor Blade Technologie kann anstelledessen zur Abscheidung der flüssigen Farbfilter verwendet werden. In beiden Fällen folgt ein Temperprozess dem Abscheidevorgang. Die dritte Möglichkeit zur Aufbringung der Farbfilter ist die Anhaftung fertiger Farbfilterfolien auf die vordere Glasplatte. Die Farbfilter werden mit einer Schutzschicht abgedeckt.

ITO Abscheidung & Hartschicht

Indiumzinnoxid (ITO) wird in der Regel aufgesputtert.

Eine Passivierungs- oder Hartschicht, die aus SiOx und SOG besteht wird zumeist mittels Flexo-Druck aufgebracht. Anschliessend ist eine Temperung in einem Ofen nötig.

Polyimid (PI) Schichten & Reiben

Die Polyimid-Schichten werden gewöhnlich durch Flexo-Drucktechnologie auf die Substrate aufgebracht. Das Polyimid verlangt einen ausgereiften Aushärteprozess unter Inertgasatmosphäre. Dies geschieht entweder in einem Konvektionsofen oder auf sogenannten Hot Plates. Eine gute Temperaturgleichmässigkeit während dieses Prozesses ist für ausgeglichene Polyimideigenschaften äusserst wichtig.

Das Reiben der Polyimidschicht ist für die spätere Ausrichtung der Flüssigkristalle zur Polyimidoberfläche nötig. Die Reiberichtung ist grundsätzlich parallel zur Ausrichtung des Polarisators.

Abstandhalter

Um einen gleichmässigen Abstand der beiden Glasplatten eines Displays zu gewährleisten werden auf eines der beiden Substrate vor der Montage des Panels Abstandhalter aufgebracht. Heute verwendet man fast ausschließlich Lithospacer für diesen Zweck. Früher wurden Spacer aufgesprüht. Diese bestehen aus kleinen Glaskügelchen oder Kunststoffkügelchen. Dabei können drei Prozessarten unterschieden werden: Trockenes Sprühen der Abstandhalter wird im Wesentlichen für grosse Display und grosse Durchsätze verwendet. Das Halbtrockenverfahren ist die Methode der Wahl für mittelgrosse und kleinere Displays und mittlere Durchsätze. Das Nasssprühverfahren wird heute nicht mehr sehr oft eingesetzt, ergibt aber eine sehr gleichmässige Verteilung der Abstandhalter sowie eine geringe Zahl von Clustern.

Abscheidung und Aushärtung der Dichtungen

In grossen Fabriken wird das Siebdruckverfahren für die Aufbringung der Dichtungen eingesetzt. Hohe Präzision und hoher Durchsatz sind hierfür ausschlaggebend. Für kleinere Produktionseinheiten und für den Fall, dass Designflexibilität bei der Aufbringung der Dichtungen erforderlich ist, ist der Einsatz von Materialspendern, sogenannter Dispenser der beste Weg. Die noch weichen Dichtungen müssen zunächst in einem Trocknungsofen vorgehärtet werden, bevor die Glasplatten zur Montagemaschine weitergeleitet werden. Nach der Montage der beiden Glasplatten zu einem Display findet dann die vollständige Aushärtung der Dichtungen in einem Heisspressofen statt. Dabei werden die Panele entweder in grossen Stapeln oder aber einzeln unter Druck aufgeheizt.

Kontaktierung, Zellenmontage, Heisspressofen

Die Kontakte für die spätere Verdrahtung der Displays werden durch Aufdrucken von Silberleitpaste im Siebdruckverfahren auf die Glasplatten ausgebracht. Der Einsatz von Dispensern für diese Anwendung ist ebenfalls möglich.

In der Montagemaschine werden die beiden prozessierten Glasplatten zueinander ausgerichtet und zu einem Panel vereinigt. Dabei wird die Position der beiden Glasplatten zueinander durch UV-härtende Polymerfixierpunkte festgelegt. Die Montage der Zelle kann auch unter Vakuumbedingungen erfolgen, wenn dies nötig ist.

Wie bereits oben erwähnt, muss die Dichtung nach der Montage des Panels vollständig ausgehärtet werden. Dies muss unter Druck erfolgen um sicherzustellen, dass die Dichtungsdicke exakt der Dicke der Abstandhalter entspricht und die vorberechnete Dicke der Flüssigkristallschicht mit kleinen Toleranzen erreicht wird. Heisspressofen gibt es in einer Batch-Ausführung und als Einzelprozessanlage. Ersterer erfordert die Ansammlung einer gewissen Anzahl von Panelen, die dann zu einem Stoss vereinigt werden. Der gesamte Stoss wird dann gepresst und in einen Umluftofen überführt, wo der Härteprozess stattfindet. Die Einzelprozessanlagen können die Panele sofort nach der Montage aushärten. Damit wird ein kontinuierlicher Prozessfluss erreicht und diese Anlagen sind somit leichter in automatische Produktionsstrassen zu integrieren.

Befüllung mit Flüssigkristallen

Die Befüllung der Panele ist ein Vakuumprozess und heute kaum mehr nötig, da im ODF-Verfahren die Befüllung während der Zellmontage erfolgt. Das noch leere Panel wird so in eine Vakuumkammer eingebracht,das es sich über den Flüssigkristallen befinden. Dann wird die Kammer und somit auch das leere Panel evakuiert. Das Panel wird dann mit dem Füllloch voraus in die Flüssigkristalle getaucht und anschliessend die Kammer wieder mit Luft gefüllt. Der atmosphärische Druck presst die Flüssigkeit in das Panel. In einem weiteren Prozessschritt wird das Füllloch verschlossen. Alternativ können die Flüssigkristalle vor Montage der Zellen auf die untere Glasplatte aufdosiert werden. Diese Technologie nennt sich ODF-Technologie und sie erfordert eine Vakuum-Montagemaschine.

Anbringung der Polarisatoren, Reinigung & Qualitätskontrolle

Nach einer sorgfältigen Oberflächenreinigung werden die Polarisationsfolien auf der Aussenseite der Panele angebracht. Die Ausrichung erfolgt parallel zur Reiberichtung der Polyimidschicht. Das ist der letzte Schritt in der LCD Herstellung.

Mehrer Reinigungsschritte sind im Laufe des Herstellungsprozesses nötig: Reinigung der angelieferten Glasplatten, Reinigung for dem Sprühen der Abstandhalter (nach dem Reiben), Reinigung vor dem Anbringen der Polarisatoren. Ultraschallreinigung wird dabei häufig eingesetzt.

Die Überprüfung der Prozessergebnisse ist an mehreren Stellen im Produktionsablauf erforderlich. Die wichtigste Qualitätskontrolle ist allerdings die Endkontrolle der gefertigten Displays. Vielfach erfolgt das noch manuell. Es sind allerdings auch entsprechende automatische Maschinen verfügbar.