光電產業


光電產業

二十年來光電工業的發展是最為蓬膨,隨著TFT-LCD工業的日益精密,所以對這些材質成份的光譜判斷及各種污染源的確定即變為極為重要,因為材質的微小變化或污染皆會影響TFT-LCD產品的品質,而紅外線光譜的技術具有快速、乾淨、非破壞、準確等特性,正是研究TFT-LCD及相關產業污染的最佳利器。隨著顯微紅外線光譜技術的發展,能測試樣品的範圍和種類不斷的擴大和創新,尤其是電腦和光學系統上的進展,使得紅外光譜儀在操作上,功能上有顯著的進步,以應付更多元化的需求,提供更快速更簡單的操作方法。

熱分析技術在光電產業上的應用


LCD主要組成元件包括玻璃基板(Glass)、液晶(Liquid Crystal)、偏光膜(Polarizer)、異向導電膠(ACF)等;如下圖所示。接下來我們將究熱分析儀器於各元件之應用為您一一介紹。



【I】液晶於熱分析之應用
液晶,顧名思義具有液態物質的可流動性及固態物質的晶體次序性,常被稱為所謂中間相(mesophase)物質。而由於液晶具有誘電性與光學的異方性,亦具備良好的分子配向與流動特性,當受到光、熱、電場、磁場等外界刺激時,分子的配向容易發生變化,造成液晶材料明暗對比的改變或特殊的電氣光學效果,使其成為顯示器中之重要元件。然而不同特性的液晶在反應速度、對比度,視角以及溫度範圍等的表現上都會有所不同; 以DSC量測液晶分子在不同溫度下的結晶相可幫助我們更加了解材料的特性,對於材料的選擇以及品質控管上都會有很大的幫助。以DSC測試液晶樣品可得結果如下圖所示: 右圖中液晶材料隨著分子排列的有序程度改變,會呈現出許多不同的相變化。然而這些相變化所產生的能量變化都相當的微小,不容易辨識。當我門針對118~123 ℃的範圍作放大後可以觀察到有許多的吸熱峰,而且這些能量變化都相當的微小(0.001 J/g)。唯有搭配高靈敏度、高解析度的PerkinElmer DSC才可精確量測出這些相變化點。



【II】偏光膜(Polarizer)於熱分析之應用

偏光膜主要是將一般不具偏極性的自然光產生偏極化,使進入液晶顯示器的光為偏極光(Polarized Light)。如下左圖所示,當一非偏極光通過偏光膜後,平行於吸收軸方向的電場向量被吸收,垂直於吸收軸方向的電廠向量才可通過。 偏光膜的製造過程中必須使用易揮發的溶劑,因此烘乾的過程中時間及溫度的掌控變得非常重要,利用熱重分析儀(TGA)則可幫助我們掌握製程中所需的溫度與時間。如下右圖所示,利用PerkinElmer Pyris 1 TGA對重量損失之高靈敏度可觀測出在製程中因烘烤溫度不夠產生的揮發性有機物之殘留。



聚乙烯醇(PVA)是偏光膜中的主要材料,其結晶度影響其主要特性,利用DSC觀察PVA材料之融熔點(Melting Point),由熔點之吸熱多寡可看出材料結晶度的高低;如下圖所示,PVA-73591-upf吸熱為59.266 J/g而PVA-73591吸熱則為62.440 J/g;由圖中可得知吸熱多寡與結晶度成正比,結晶度又與融熔溫度成正比。

利用熱示差掃描卡量計DSC量測PVA之結晶度



【III】UV Curing框膠於照光DSC之應用

在LCD製程中將組合熱壓完成之大片基板組,切割成為最終尺寸之cell;切割完成後利用高溫真空之設備,將組合完成之空面板(Panel)內之水氣、未脫盡之框膠、彩色濾光片(CF, Color Filter)中之樹酯殘留溶劑或揮發性氣體除去。並縮短液晶之注入時間,並將其中之氣體置換成氮氣之過程。 其後便可利用壓力差及毛細力之方法,將空cell填充滿液晶,再經壓合之動作將多餘的液晶從面板中擠出,之後以UV膠將注入口封閉,再放鬆後將塗在封口之UV膠吸入並曝光硬化,以達封口且與外界隔絕之目的(如下圖所示)。



為了能更精準的掌控因光照而交連之材料於製程上之相關參數,包括照光強度、照光時間及材料之反應速率等。PerkinElmer DSC可提供光照量測配件(如下左圖所示),希望藉由DSC精準的量測速率及快速的反應時間,配合UV光源配件,以其能全方位了解材料之特性。 此配件主要目的是藉由提供UV光源經光纖提供UV能量使材料產生交連之反應,再利用熱補償式DSC量測材料於交連反應之過程中的放熱情形,藉以模擬材料再製程中經UV光源照射後之特性。 不同的照光強度或是波長都會影響材料之反應時間,如下右圖所示,利用補償式DSC配合UV光照配件於不同波長下對同一材料進行測試,可發現不同之交連情況藉以找出最適合製程之參數。

利用UV-DSC於不同波長下量測材料交連反應



FT-IR 分析技術在光電產業上的應用


二十年來光電工業的發展是最為蓬膨,隨著TFT-LCD工業的日益精密,所以對這些材質成份的光譜判斷及各種污染源的確定即變為極為重要,因為材質的微小變化或污染皆會影響TFT-LCD產品的品質,而紅外線光譜的技術具有快速、乾淨、非破壞、準確等特性,正是研究TFT-LCD及相關產業污染的最佳利器。隨著顯微紅外線光譜技術的發展,能測試樣品的範圍和種類不斷的擴大和創新,尤其是電腦和光學系統上的進展,使得紅外光譜儀在操作上,功能上有顯著的進步,以應付更多元化的需求,提供更快速更簡單的操作方法。而PerkinElmer即本著上述的需求,研發出適合客戶需求的最新紅外線顯微光譜系統Spotlight System,下列即是FTIR& FTIR-Microscope在LCD之應用實例。



原物料的檢驗
左圖是OLED(有機發光二極體)的染料光譜;OLED是利用有機分子激發產生色光的方式,因為OLED具有更輕更薄耗電量小的優點是業界相當看好的一個新的發展,OLED對於染料(Dye)的要求非常嚴格,而FTIR是最快速合適的檢查儀器,可以得到各種不同染料的成份和品質純度。
中間圖是常用的高分子材料PP的原料,由圖中明顯可以正常原料和變質原料的差異,在1610cm-1 1000cm-1,有導致變質的吸收產生。
在TFT/LCD 工廠中會將晶圓中Si-H、N-H的濃度作監控,了解每平方公分中Si-H、N-H的含量和Si-H、N-H的百分比,這些定量都可以使用FT-IR來量測。

右圖是編號CO-014的污染物光譜,很新奇的是此污染物含有2250cm-1的吸收,這表示污染物含-CoN、或-C=N-的官能基,因為只有-CoN、-C=N-的官能基,才會在2250cm-1產生吸收。

彩色濾光片是LCD中成本最高、最重要的元件,所以其良率高低關係著LCD的品質,下圖是Color filter污染物的光譜,我們可以初步判斷是具有-OH C=O, C-O-C,官能基的污染物,進而追蹤改善真正的污染來源。

UV / Vis分析技術在光電產業上的應用

著TFT/LCD光電工業的發展,對於高階UV/Vis光譜儀的需求也就愈來愈高,光電工業的發展可說是「眼球革命」追逑視覺愈高愈好的享受及感觀刺激,光電工業是以面板產棠為中向外幅射,舉凡電視機、電腦、Notebook、遊戲機、手機、數位相框等使用螢幕的3C電子產品都是光電工業的範疇,台灣是世界TFT/LCD光電工業的重鎮是僅次於韓國的面板的生產大國,當然對UV/vis光譜儀也是日益需要。PerkinElmer 是世界執UV/Vis spectroscope之牛耳的著名廠商,提供一系列高階Lambda 650/750/ 850/950UV/Vis光譜儀及反射穿透配件來滿足光電工業客戶檢測需求。



層析分析技術於光電產業之相關應用


1. GC(氣相層析儀):
光電產業對於製程所使用的溶劑純度十分重視,所以可以使用氣相層析儀搭配針對光電產業製程中所使用的溶劑及試劑的純度進行測試。而且在成本考量下,製程中所剩餘的溶液常會需要回收,將溶劑和溶質添加至原有濃度,除了節省成本也兼頊環保。



2. GC/MS(氣相層析質譜儀):
GC/MS因為具有強大的未知物鑑定功能,所以一直是材料研發上的利器。在材料分析上,除了針對液體樣品如液晶等成份做分析外,還可搭配熱裂解儀,將樣品中的配方一一解析定性,另外除了 NIST的結構圖庫外,還有高分子材料圖庫及自建圖庫功能,對於材料的配方研究是最好的工具。



3. HPLC(高效率液相層析儀):
光電產業使用許多等定的的聚合物及高分子量的物種,其聚合效果對於整體材料的效能及用途影響頗鉅。所以必需以GPC(凝膠滲透層析儀、HPLC的一種)來測量材料的物理特性,以確保材料效能。PerkinElmer Series 200 GPC系統搭配TurboSEC軟體,能量測Number-average molecular weight(Mw)、mass-average molecular weight(Mw、z-average molecular weight(Mz) 和Polydispersity/Molecular weight distribution(MWD),這些都是材料定性中常重要的參數。所以GPC是材料分析中十分重要的工具。



4. ATD(自動熱脫附系統):
光電製桯中常會因為潤滑油的油氣擴散而造成成品污染,使用熱附儀ATD-GC/MS可以做常態性的監測,避免油氣擴散發生。另外也可以做材料外氣釋放”(Material Outgassing)分析。以確保產品不會被製程材料污染,這些測試都是以ATD連結GCMS測試,除了控制Outgassing的量,也能做表面未知污染物的測試。ATD熱脫附儀為一個能針對固態及氣態樣品揮發/半揮發性有機物的進樣系統,後面需搭配GC或GCMS的分析機台才能得到數據。



5. Headspace(自動頂空採樣系統):
光電廠會排放許多的廢水,而根據環境法規,排放廢水中揮發性有機化合物不得超標,而量測廢水的取樣方式即為Headspace,頂空採樣能將廢水中揮發性有機化合物的成份因加熱而平衡至氣相層,再利用專利的壓力平衡式取樣法,將VOCs有效的傳輸至GC或GC/MS分析。若要求更高的靈敏度,則可選配吸附劑的設計,將VOCs濃縮至吸附管中再傳輸至GC分析,能增進百倍的效能。尤其當樣品中含有微量的酸或鹼存在時,需避免進入到GC系統,造成機台及零件的損傷,只有PerkinElmer Turbomatrix HS不使用任何閥件及金屬管路,還有鉑/銥合金的取樣針,才能應付所有的樣品。



6. Pyrolysis(熱裂解儀)
在光電製程中會使用到許多油品及溶劑,如果擴散到成品中就會造成成品瑕疵,但是因為液晶成份太大,而污染的量太少,所以無法以溶劑溶解的方法來分析,此時就要使用熱裂解儀Py-GCMS來做分析。在比較良品及不良品之間的差異後,即能找到污染物種,另外也可以用自建材料圖庫來達到污染源,對光電產品的良率非常重要。 熱裂解儀是一種樣品前處理機台,後面必需接GC或GC/MS。其工作原理即利用熱能將材料中的組成一層一層的分開進樣,所以可以將樣品中使用的溶劑、添加劑、共聚合物甚至比例都解析開,可以提供給使用者在研發上更多更完整的資訊。Pyroprobe 5000 Series是市場上升溫速度最快、可達溫度最高、分析段數最多的熱裂解儀,具有不佔GC注射口可快速切換的特性,可帶給使用者最多的便利。



表面分析技術於光電產業之相關應用


晶顯示器LCD為含有有機及無機多層膜的裝置,ToF-SIMS可藉由縱深分析的方式,來還原各層的平面離子影像圖。這對於LCD類多層膜的偵錯分析非常有用。下圖為各層的平面離子影像圖,可看到氧化鉻粒子停留在第一、第二層中。