Flachbildschirm Herstellung
Anlagen für die LCD-Industrie
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Auf dieser Seite geben wir Ihnen einen Überblick über die Funktionsweise von passiven und aktiven Flüssigkristallanzeigen (LCDs) und deren wesentlichen Herstellungsschritten. Beschreibungen der entsprechenden Produktionsmaschinen finden Sie, wenn Sie den Links im Text folgen. Wir können über unsere Partner in Japan und Korea für fast alle Produktionsschritte die passenden Anlagen und Maschinen anbieten, auch wenn diese nicht explizit auf unseren Internetseiten erwähnt sind.
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 Außenseite 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.
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.
Für die Strukturierung der unterschiedlichen Schichten wird handelsübliches Lithographiegerät wie Lackbeschichter, Stepper und Naß- bzw. Trockenätzer verwendet. Plasmaätzer liefern die genaueren Linienbreiten, während das Naßätzverfahren schneller und günstiger ist. Letzteres kann mit größeren Losen gefahren werden.
Anbringung der Farbfilter auf der vorderen Glasplatte
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 teueres 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
Indiumzinnoxid (ITO) wird in der Regel aufgesputtert.
Hartschicht
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
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.
Reiben
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 Sprüher 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 wir 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
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.
Zellenmontage
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.
Heisspressofen
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. Heisspressöfen 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 Polaristoren
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.
Reinigung
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 häfig eingesetzt.
Qualitätskontrolle
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.
