Displays de cristal líquido (LCDs) estão disponíveis comercialmente desde a década de 1970. Eles são comumente usados ​​em relógios, calculadoras, rádios e outros produtos que requerem indicadores e três ou quatro caracteres alfanuméricos. Aperfeiçoamentos recentes nos materiais de cristal líquido permitem que telas grandes sejam fabricadas. Embora os LCDs sejam apenas uma pequena parte da indústria de semicondutores, sua importância cresceu com seu uso em monitores de tela plana para computadores portáteis, laptops muito leves e processadores de texto dedicados. Espera-se que a importância dos LCDs continue a crescer à medida que eventualmente substituem o último tubo de vácuo comumente usado em eletrônica - o tubo de raios catódicos (CRT) (O'Mara 1993).

A fabricação de LCDs é um processo muito especializado. Os resultados do monitoramento da higiene industrial indicam níveis muito baixos de contaminantes no ar para as várias exposições a solventes monitoradas (Wade et al. 1981). Em geral, os tipos e quantidades de sólidos tóxicos, corrosivos e inflamáveis, produtos químicos líquidos e gasosos e agentes físicos perigosos em uso são limitados em comparação com outros tipos de fabricação de semicondutores.

Os materiais de cristal líquido são moléculas semelhantes a bastões, exemplificadas pelas moléculas de cianobifenil mostradas na figura 1. Essas moléculas possuem a propriedade de girar na direção da passagem da luz polarizada. Embora as moléculas sejam transparentes à luz visível, um recipiente do material líquido parece leitoso ou translúcido em vez de transparente. Isso ocorre porque o longo eixo das moléculas está alinhado em ângulos aleatórios, de modo que a luz é espalhada aleatoriamente. Uma célula de exibição de cristal líquido é disposta de modo que as moléculas sigam um alinhamento específico. Esse alinhamento pode ser alterado com um campo elétrico externo, permitindo que a polarização da luz recebida seja alterada.

Figura 1. Moléculas básicas de polímero de cristal líquido

Na fabricação de monitores de tela plana, dois substratos de vidro são processados ​​separadamente e depois unidos. O substrato frontal é padronizado para criar uma matriz de filtros de cores. O substrato de vidro traseiro é padronizado para formar transistores de filme fino e as linhas de interconexão de metal. Essas duas placas são unidas no processo de montagem e, se necessário, fatiadas e separadas em expositores individuais. Material de cristal líquido é injetado em um espaço entre as duas placas de vidro. Os monitores são inspecionados e testados e um filme polarizador é aplicado a cada placa de vidro.

Numerosos processos individuais são necessários para fabricar monitores de tela plana. Eles exigem equipamentos, materiais e processos especializados. Certos processos-chave são descritos abaixo.

Preparação de substrato de vidro

O substrato de vidro é um componente essencial e caro da tela. Um controle muito rigoroso das propriedades ópticas e mecânicas do material é necessário em todas as etapas do processo, especialmente quando o aquecimento está envolvido.

fabricação de vidro

Dois processos são usados ​​para fazer um vidro muito fino com dimensões muito precisas e propriedades mecânicas reprodutíveis. O processo de fusão, desenvolvido pela Corning, utiliza uma vareta de alimentação de vidro que derrete em uma calha em forma de cunha e flui para cima e pelas laterais da calha. Fluindo por ambos os lados da calha, o vidro fundido se junta em uma única folha no fundo da calha e pode ser puxado para baixo como uma folha uniforme. A espessura da folha é controlada pela velocidade de extração do vidro. Larguras de até quase 1 m podem ser obtidas.

Outros fabricantes de vidro com as dimensões apropriadas para substratos de LCD usam o método de fabricação flutuante. Neste método, o vidro derretido é deixado fluir para um leito de estanho derretido. O vidro não se dissolve nem reage com o estanho metálico, mas flutua na superfície. Isso permite que a gravidade alise a superfície e permite que ambos os lados fiquem paralelos. (Veja o capítulo Vidro, cerâmica e materiais afins.)

Uma variedade de tamanhos de substrato está disponível, estendendo-se até 450 × 550 mm e maiores. A espessura típica do vidro para monitores de tela plana é de 1.1 mm. O vidro mais fino é usado para alguns monitores menores, como pagers, telefones, jogos e assim por diante.

Corte, biselamento e polimento

Os substratos de vidro são cortados no tamanho após o processo de fusão ou flutuação, normalmente em cerca de 1 m de lado. Várias operações mecânicas seguem o processo de conformação, dependendo da aplicação final do material.

Como o vidro é quebradiço e facilmente lascado ou rachado nas bordas, eles são normalmente chanfrados, chanfrados ou tratados de outra forma para reduzir lascas durante o manuseio. As tensões térmicas nas rachaduras de borda se acumulam durante o processamento do substrato e levam à quebra. A quebra do vidro é um problema significativo durante a produção. Além da possibilidade de cortes e lacerações dos funcionários, representa perda de rendimento, podendo permanecer fragmentos de vidro nos equipamentos, causando contaminação particulada ou riscando outros substratos.

O aumento do tamanho do substrato resulta em maiores dificuldades para o polimento do vidro. Grandes substratos são montados em transportadores usando cera ou outro adesivo e polidos usando uma pasta de material abrasivo. Este processo de polimento deve ser seguido de uma limpeza química minuciosa para remover qualquer resto de cera ou outro resíduo orgânico, bem como os contaminantes metálicos contidos no meio abrasivo ou polidor.

Limpeza

Os processos de limpeza são usados ​​para substratos de vidro nu e para substratos cobertos com filmes orgânicos, como filtros de cor, filmes de orientação de poliimida e assim por diante. Além disso, substratos com filmes semicondutores, isolantes e metálicos requerem limpeza em determinados pontos do processo de fabricação. No mínimo, a limpeza é necessária antes de cada etapa de mascaramento na fabricação do filtro de cor ou do transistor de filme fino.

A maioria das limpezas de painéis planos emprega uma combinação de métodos físicos e químicos, com uso seletivo de métodos secos. Após o ataque químico ou limpeza, os substratos são geralmente secos com álcool isopropílico. (Ver tabela 1.)

Tabela 1. Limpeza de monitores de tela plana

* Solventes orgânicos comuns usados ​​na limpeza química incluem: acetona, metanol, etanol, n-propanol, isômeros de xileno, tricloroetileno, tetracloroetileno.

Formação de filtro de cor

A formação do filtro de cor no substrato de vidro frontal inclui algumas das etapas de acabamento e preparação do vidro comuns aos painéis frontal e traseiro, incluindo os processos de biselamento e lapidação. Operações como padronização, revestimento e cura são realizadas repetidamente no substrato. Existem muitos pontos de semelhança com o processamento de pastilhas de silício. Substratos de vidro são normalmente manuseados em sistemas de trilhos para limpeza e revestimento.

Padronização do filtro de cores

Vários materiais e métodos de aplicação são usados ​​para criar filtros de cores para vários tipos de monitores de tela plana. Tanto um corante quanto um pigmento podem ser usados, e qualquer um deles pode ser depositado e modelado de várias maneiras. Em uma abordagem, a gelatina é depositada e tingida em operações fotolitográficas sucessivas, usando equipamentos de impressão de proximidade e fotorresistentes padrão. Em outro, são empregados pigmentos dispersos em fotorresistente. Outros métodos para formar filtros de cores incluem eletrodeposição, gravação e impressão.

Deposição de ITO

Após a formação do filtro de cor, a etapa final é a deposição por pulverização catódica de um material de eletrodo transparente. Este é o óxido de índio-estanho (ITO), que é na verdade uma mistura dos óxidos em₂O₃ e SnO₂. Este material é o único adequado para a aplicação de condutor transparente para LCDs. É necessário um filme ITO fino em ambos os lados da tela. Normalmente, os filmes ITO são feitos usando evaporação a vácuo e pulverização catódica.

Filmes finos de ITO são fáceis de corroer com produtos químicos úmidos, como ácido clorídrico, mas, como o passo dos eletrodos torna-se menor e as características tornam-se mais finas, a corrosão a seco pode ser necessária para evitar rebaixamento das linhas devido ao desgaste excessivo.

Formação de Transistor de Filme Fino

A formação do transistor de película fina é muito semelhante à fabricação de um circuito integrado.

Deposição de filme fino

Os substratos começam o processo de fabricação com uma etapa de aplicação de filme fino. Filmes finos são depositados por CVD ou deposição física de vapor (PVD). O CVD aprimorado por plasma, também conhecido como descarga luminescente, é usado para silício amorfo, nitreto de silício e dióxido de silício.

Padronização do dispositivo

Uma vez que o filme fino foi depositado, um fotorresiste é aplicado e gerado para permitir a corrosão do filme fino nas dimensões apropriadas. Uma sequência de filmes finos é depositada e gravada, como na fabricação de circuitos integrados.

Aplicação de filme de orientação e fricção

Tanto no substrato superior quanto no inferior, um filme fino de polímero é depositado para orientação das moléculas de cristal líquido na superfície do vidro. Este filme de orientação, talvez com 0.1 μm de espessura, pode ser uma poliimida ou outro material polimérico “duro”. Após a deposição e cozimento, é esfregado com tecido em uma direção específica, deixando sulcos quase imperceptíveis na superfície. A fricção pode ser feita com um pano de passagem em uma correia, alimentado por um rolo de um lado, passando por baixo de um rolo que entra em contato com o substrato, para um rolo do outro lado. O substrato se move sob o pano na mesma direção do pano. Outros métodos incluem uma escova móvel que se move pelo substrato. O cochilo do material de fricção é importante. As ranhuras servem para ajudar as moléculas de cristal líquido a se alinharem na superfície do substrato e a assumirem o ângulo de inclinação adequado.

O filme de orientação pode ser depositado por revestimento giratório ou por impressão. O método de impressão é mais eficiente no uso de material; 70 a 80% da poliimida é transferida do rolo de impressão para a superfície do substrato.

Montagem

Uma vez concluída a etapa de fricção do substrato, inicia-se uma sequência de linha de montagem automatizada, que consiste em:

• aplicação de adesivo (necessário para a vedação dos painéis)

• aplicação de espaçador

• localização e alinhamento óptico de uma placa em relação à outra

• exposição (calor ou UV) para curar o adesivo e unir as duas placas de vidro.

O transporte automatizado das placas superior e inferior ocorre através da linha. Uma placa recebe o adesivo e a segunda placa é introduzida na estação aplicadora do espaçador.

Injeção de Cristal Líquido

No caso em que mais de um monitor foi construído no substrato, os monitores agora são separados por corte. Neste ponto, o material de cristal líquido pode ser introduzido no espaço entre os substratos, aproveitando um orifício deixado no material de vedação. Este orifício de entrada é então selado e preparado para a inspeção final. Os materiais de cristal líquido são geralmente fornecidos como sistemas de dois ou três componentes que são misturados na injeção. Os sistemas de injeção fornecem mistura e purga da célula para evitar o acúmulo de bolhas durante o processo de enchimento.

Inspeção e Teste

A inspeção e o teste funcional são realizados após a montagem e injeção de cristal líquido. A maioria dos defeitos está relacionada a partículas (incluindo defeitos de ponto e linha) e problemas de lacunas celulares.

Acessório Polarizador

A etapa final de fabricação do próprio visor de cristal líquido é a aplicação do polarizador na parte externa de cada placa de vidro. Os filmes polarizadores são filmes compostos que contêm a camada adesiva sensível à pressão necessária para fixar o polarizador ao vidro. São aplicados por máquinas automatizadas que dispensam o material a partir de rolos ou folhas pré-cortadas. As máquinas são variantes de rotuladoras desenvolvidas para outras indústrias. O filme polarizador é colocado em ambos os lados da tela.

Em alguns casos, um filme de compensação é aplicado antes do polarizador. Filmes de compensação são filmes de polímeros (por exemplo, policarbonato e polimetilmetacrilato) que são esticados em uma direção. Esse alongamento altera as propriedades ópticas do filme.

Uma exibição completa normalmente terá circuitos integrados de driver montados em ou próximo a um dos substratos de vidro, geralmente o lado do transistor de filme fino.

Riscos

A quebra do vidro é um risco significativo na fabricação de LCD. Cortes e lacerações podem ocorrer. A exposição a produtos químicos usados ​​para limpeza é outra preocupação.

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