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【物理制造】每天都在看的液(shou)晶(ji)屏,是怎么做出来的?

送交者: 不清不楚[♂☆★★声望品衔11★★☆♂] 于 2019-11-08 14:39 已读 2472 次  

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这篇液晶屏的写作难度,大概和我们去年挑战《耳机,是怎么把电流变成声音的?》属于同一个级别——写到生理不适想呕吐。 - = 虽然听起来有点难,但是大家放心,已经给我们哭着改过 N 遍,真的尽力了...


首先我们来做一道有年代感的物理题,「常用的 CRT (阴极射线管 Cathode Ray Tube)显示器,是利用电子枪发射电子,去轰击屏幕的荧光层,从而显示出图像来的。」那么,请问电流的方向是什么?



答案是:屏幕到电子枪的方向。因为电子的方向与电流方向相反。看个过去的 CRT 显示器多费劲儿就好了,我们这篇不会展开讲...



唔,这道题真不是要考大家初中物理知识,只是想告诉年轻的小可爱们,我小时候用的显示器,这前世今生的变化是如何的巨大!顺便说明知识它就算进了脑子,还会用进废退的...这真是初中物理题...


在我上初中的时候,家用的电视、电脑显示器都有这种厚重的屁股墩,当然,中间也有过背投电视、等离子电视的阶段。不过一直笑到现在的就是液晶屏了,由于成本大大降低,逐渐成了市面上最靓丽的仔,被广泛应用于各种电子设备,大大的缩小了屏幕的体积,使得笔记本、pad、手机成为日常更可携带(同时也使得工作无限侵占生活…叹气)

液晶屏构造


LCD 是 liquid crystal display 液晶显示屏的简称,现在主流的是 TFT-LCD (薄膜晶体管-液晶显示屏)技术。看下图的拆解,液晶屏包括要有背光源偏振片最重要的是两片平行的玻璃基板中放置液晶,下基板上再设置 TFT 薄膜晶体管(你理解成排布有许多电路就行啦),上基板设置 CF 彩色滤光片(有 RGB 的红绿蓝三色光阻)



显色原理


因为 CF 彩色滤光片上印刷有 RGB 三种颜色的色块,那等到屏幕背光源的光线穿过时,来~我们对照上图看个顺序:光线先是穿过透明的 TFT 薄膜晶体管基板,再透过液晶分子,然后再透过 CF 彩色滤光片,受各个色块下液晶分子的穿透率不同的影响,色块就会发出下图这样亮暗不同的红绿蓝三色,从而混合成显示所需要的颜色。



当然前提是,这一个个的色块要足够的小,小到积少成多能组成颜色丰富的图像,也就是我们说的像素点啦!


液晶是个啥?


请出我们的主角——液晶,这是一种特殊的物质状态。所谓的物质状态,我们了解最多的有气态(水蒸气)、液态(水滴)、固态(冰块),另一个总有耳闻的就是等离子态(火)了。这次再来熟悉下液晶的这种物质态,它具有晶体的各向异性,又具有液体的流动性。大多数液晶分子都是「棒状分子」,原本是方向各异的液晶,在不同电压的作用下呈现出不同的光特性,像磁场中的金属一样,当受到外界电场影响时,液晶分子会产生一定的方向性。


所以,我们只要对液晶分子的排列加以恰当的控制,就能操纵液晶分子允许有些光线通过,有些不给过,这就产生透光度的差别啦~智力卓绝的人类,有没有!



偏光片妙用


再来看下液晶屏的两片偏光片,它们的方向是相互垂直的,一般来说是不能通过去光线的。但是!我们有液晶!下面左图中的液晶分子排列形成一个螺旋线,从而就旋转了光线,使其能通过第二层的偏光片,并出现在屏幕前方了。


上面这是微观的纯原理讲解,等到了我们肉眼可见的一大块液晶屏上。操作不同区域的通不通电,给光线过不过,最后宏观上一组合起来,就给显示成啥图像了。



原理都讲完啦,别头疼!接下来我们看有趣的制造~


制造液晶


首先来看看这个引起电子设备半个世纪来翻天覆地变化的液晶制造!一般我们国内的液晶屏制造厂,都是直接买的液晶原料,可我既然找到了视频...总不能浪费了。工人将化工原料倒入罐体,经过一系列的反应,最终会得到液体状的物质。



在瓶中加温旋转的就是液晶了,现在是正在进行提纯工作。



接着把液晶溶液送去净化,再倒出来进行晾置。



等液晶溶液慢慢结晶后,会形成白花花的晶体,不同的液晶会呈现出不同的状态,像是牛奶或冰凌= =



最后捣碎成粉末,液晶屏用的液晶就是由许多这些单体混合而成的啦,什么 IPS、PSVA 、VA-TFT 等液晶材料种类。至于中文名...不是我们在炫技啥的,是学的时候就真的不知道叫啥,记得都是英文的...



话说,液晶制造的过程,有那么一股 breaking bad 的味道,有没有想起老白和小粉...


制作步骤


光有「液晶」这主材料是不够的。除了通过光,还需要控制光的「亮度」与「色度」。大概分一下,LCD 的生产流水线流程分别是:先 ARRAY 阵列制造,再 CELL 面板制造,最后是 MODULE 模组组装。


光刻技术


在 ARRAY 阵列厂, TFT 薄膜晶体管基板中最为核心的部分就是「光刻工艺」了。所谓「光刻」就是以光为刀,对光敏保护层进行雕刻,这个光敏材料就是光刻胶。咳咳,鸠摩智的火焰刀可能有很多话要说...



话说,日本现在虽然已经不是液晶王者了,但是被雕刻的载体「光刻胶」还牢牢把持在手中,所以一限制出口,韩国做液晶屏的三星和 LG 就要跳脚大骂...


阵列制造


还记得我们一开始说过的TFT 薄膜晶体管,可以把它当成是电路板的制作,小时候玩儿小霸王游戏机,电路板可能都拆开见过啦~


制作时,先是将刻有图案的「光罩」覆盖到光阻材料上,用紫外线去照射,那照到光的部分就会发生「光固化反应」,溶于「光阻显影液」中,也就得到了我们需要的图像。当显影后再加热,就可以将未受光阻保护的薄膜层蚀刻,再剥膜,滴入去光阻液,这就能把被光阻保护着的那一部分保留下来,完成了一层薄膜晶体管的制造。和这个很像的过程,我们在《可以扭来扭曲的柔性电路板》中有详细介绍,所以这一段就节奏比较快的了...



重复多次这样的沉积薄膜、光阻涂布、曝光、显影的步骤,就完成了 TFT 薄膜晶体管的光刻~



面板制作


先将基板清洗干净,首先在右边那个大圆筒上均匀的涂布配向液,然后转印到玻璃基板上,经过加热固化后,就形成了「配向膜」。接着用这个有凹槽的配向摩擦布,在配向膜上给滚出沟槽来,就使液晶在基板上规律排列了,形成了一定的预倾角。如果没有配向膜,液晶会在基板上散乱分布,我们就无法控制光的方向了。



对 CF 彩色滤光片,也要进行同样的配向。



要提到一个知识点,就是「框胶涂布」。目的在于让 TFT 与 CF 固着的更好,保证两者之间存在的间隙高度,同时还能防止液晶渗漏。漏过液晶屏的人表示心塞...



接着喷洒间隔物,目的是控制液晶层厚度与支撑两片基板中间的空间。



然后是在真空的环境下,滴入液晶,并将 TFT 和 CF 对位压合,制成液晶面板的母板。再使用紫外光照射以及加热的过程,就使框胶硬化了。最后再经过切割偏贴做成液晶面板。



来看一个实际制作的特写镜头!在 TFT 薄膜晶体管基板上完成点液晶的工作~毫无疑问的,这些工作也只能让机器操作,不会出现老爷爷老奶奶的手工了,极其精密地控制液晶滴下的量以及滴下的位置。



棕色的瓶子里装着的就是液晶,利用管子从中抽取,并一滴滴的去滴到基板上。



覆盖偏光片


现在要将偏光板,按照一定的方向,贴附到液晶面板的两面,先看个动画演示。



dangdangdang~实际过程如下图,你要的液晶面板就这样完成啦。



模组组装


最后一个环节了!将液晶面板与背光等组件装成模组,再一起测试就可以出厂了。下图就是将 LCD 液晶成品面板(Cell)、异方向性导电胶(ACF)、驱动 IC、柔性线路板(FPC)和 PCB 电路板利用机台在一起压合。



接下来还要和背光板、灯源、铁框一起去组装出成品。



再再最后,就是老化测试和质检了,都没问题后打个贴了小心易碎的包装,over~ 模组的生产线相比面板和阵列的生产线自动化就没那么高了,但这种精度的加工也都是由机器自动化完成的,只有「检验」和「点胶水」是通过人工去完成的。



大家看到这篇文章里大多都是动画演示的动图,也是因为一个个制作环节极为精确,差不多都是封闭加工的


等等!小江还有话说


我总觉得自己是被命运选中的一代,才能在短短的二十多年看到这么多巨大的变化,然后我爹妈说他们才是...


来源:有趣的制造


文中 Gif 截取自YouTube 博主 How To Asia 的《認識TFT-LCD的製造過程》、Media VR Lab 的《Color Filter Array of the LCD display》、之無奇不有世界 的《科學動畫-液晶LCD螢幕是如何製作的》、CCTV 走近科学官方频道 的《《走近科学》物从何处来 · 液晶:液晶显示器里到底有没有液体?20181010 | CCTV走近科学官方频道》以及 97 版电视剧《天龙八部》-鸠摩智殴打慕容复

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