每天都在看的手机屏,是怎么做出来的?

每天都在看的手机屏,是怎么做出来的?

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。

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...

在我上小学的时候,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、液态、固态,另一个总有耳闻的就是等离子态了。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。

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!小编还有话说

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...

校对:Cast  江小丧

截图:阳哥

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

来源:有趣的制造

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