王小元， 方 琰，王 武， 白雅杰， 畢瑞琳， 廖燕平， 李承珉， 袁劍峰， 邵喜斌

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶400700)

1 引 言

先進(jìn)的超級(jí)多維場(chǎng)開(kāi)關(guān)(Advanced Super Dimension Switch，ADS)顯示模式具有視角寬、響應(yīng)速度快和對(duì)比度高等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)行業(yè)，是TV產(chǎn)品的主流顯示模式之一[1-5]。目前，TFT-LCD行業(yè)趨于成熟，伴隨競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境和OLED(Organic Light-Emitting Diode)等新型顯示技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大[6-7]。為保持TFT-LCD產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷提升TFT-LCD產(chǎn)品性能、降低TFT-LCD面板的生產(chǎn)成本。

大尺寸、高分辨率(4K/8K)、高透過(guò)率和高性?xún)r(jià)比是TV產(chǎn)品發(fā)展的主要方向。雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以減少一半的數(shù)據(jù)信號(hào)集成電路(Source-IC)成本，同時(shí)陣列基板柵極(Gate On Array，GOA)結(jié)構(gòu)可省去掃描信號(hào)集成電路(Gate-IC)，因而ADS雙柵線(xiàn)4K GOA產(chǎn)品是目前市場(chǎng)上主流的TV產(chǎn)品之一[8-10]。

因產(chǎn)品分辨率高，像素尺寸較小，相對(duì)于單柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)，雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)的柵極掃描線(xiàn)加倍，同時(shí)考慮“斑點(diǎn)不良”預(yù)防設(shè)計(jì)，需要增加隔墊物(Photo Spacer，PS)支撐密度和PS站位處的黑矩陣(BM)寬度，導(dǎo)致像素開(kāi)口率較低，致使面板透過(guò)率較低[11]。

為提高液晶面板透過(guò)率，往往需要采用高透材料(高透偏光片、高透液晶、高透彩膜等)或提高背光亮度。而高透材料會(huì)增加成本，提高背光亮度會(huì)增加產(chǎn)品功耗和背光成本，影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

本文在常規(guī)ADS雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變兩層電極的功能，使底層電極作為像素電極，頂層電極作為公共電極，同時(shí)頂層電極在兩個(gè)子像素面內(nèi)采用連通設(shè)計(jì)，減小有效電場(chǎng)弱區(qū)，提升像素光效和透過(guò)率。

2 器件結(jié)構(gòu)及工作原理

TFT-LCD主要由陣列基板、彩膜(CF)基板以及兩層基板中間的液晶分子組成。ADS模式陣列基板采用的膜層順序通常為：玻璃基板、底層電極、柵極信號(hào)線(xiàn)、柵極絕緣層(GI)、有源層&數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)(SD)、鈍化層(PVX)和頂層電極。其中，底層電極采用板狀設(shè)計(jì)，頂層電極采用條形設(shè)計(jì)，上下兩層電極形成邊緣電場(chǎng)，控制液晶分子偏轉(zhuǎn)程度，從而控制透光量，條形電極范圍為有效電場(chǎng)控制區(qū)[12]。

目前常見(jiàn)的ADS 雙柵線(xiàn)像素設(shè)計(jì)如圖1(a)和(b)所示：陣列基板底層電極為公共電極，在兩個(gè)子像素內(nèi)連通；頂層電極為像素電極，采用條形設(shè)計(jì)，周邊封閉，封邊的關(guān)鍵線(xiàn)寬一般為2.5 μm

(a) 平面圖(a) Flat image

(b) 截面圖(b) Section view圖1 常規(guī)ADS 雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Normal ADS dual gate structure

左右， 條形電極范圍為有效電場(chǎng)控制區(qū)。頂層電極在兩個(gè)子像素內(nèi)獨(dú)立，為避免短路，在兩個(gè)子像素中間公共信號(hào)線(xiàn)處需保證一定間距(6 μm以上)。對(duì)應(yīng)的彩膜基板上由黑矩陣遮擋住信號(hào)走線(xiàn)和漏光區(qū)。公共信號(hào)線(xiàn)上方的頂層電極間距和封邊設(shè)計(jì)導(dǎo)致兩個(gè)子像素中間的有效電場(chǎng)區(qū)減小，暗區(qū)較大。

本文提出一種新型ADS雙柵線(xiàn)像素設(shè)計(jì)，如圖2(a)和(b)所示：改變上下兩層電極的功能，使底層電極作為像素電極，在兩個(gè)子像素內(nèi)獨(dú)立，間距6 μm以上，避免短路；頂層電極作為公共電極，采用條形設(shè)計(jì)，同時(shí)頂層電極在兩個(gè)子像素面內(nèi)采用連通設(shè)計(jì)，可消除公共信號(hào)線(xiàn)處的間距和封邊，增加條形電極在兩個(gè)子像素中間的控制范圍，大幅減小兩個(gè)子像素中間的有效電場(chǎng)弱區(qū)，提升光效，從而提高像素透過(guò)率。

(a) 平面圖(a) Flat image

(b) 截面圖(b) Section view圖2 新型ADS 雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 New ADS dual gate structure

3 結(jié)構(gòu)模擬與結(jié)果

以55UHD(Ultra High Definition)雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)GOA產(chǎn)品為例，使用Tech-wiz LCD 3D軟件，模擬兩種ADS 雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)的光效圖以及電壓與透過(guò)率曲線(xiàn)(V-T曲線(xiàn))，來(lái)評(píng)估新型雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)的透過(guò)率提升效果。ADS顯示模式光透過(guò)率公式如式(1)所示[13]：

，

(1)

式中：λ為入射光波長(zhǎng)，φ為液晶指向矢與外加電場(chǎng)之間的方位角，Δn為液晶雙折射率，d為器件盒厚。在本文中，模擬使用的入射光波長(zhǎng)為550 nm(綠光)，對(duì)應(yīng)液晶的雙折射率為0.1，盒厚設(shè)定為3.6 μm，頂層電極寬度設(shè)定為2.2 μm，電極間隙設(shè)定為4.4 μm，黑矩陣寬度設(shè)定一致。

由式可知，當(dāng)φ=45°時(shí)，透過(guò)率最大。液晶分子初始沿水平方向(平行于掃描線(xiàn))排列，電極條與水平方向呈小夾角(常取7°)，便于明確施加電場(chǎng)后的液晶分子偏轉(zhuǎn)取向，即初始方位角φ大(83°)。ADS顯示模式為常黑模式，初始狀態(tài)下為暗態(tài)，在外加電場(chǎng)作用下，液晶分子偏轉(zhuǎn)，方位角逐步減小，呈現(xiàn)白態(tài)。外加電壓過(guò)小和過(guò)大均不利于透過(guò)率最大化，最佳值即為飽和電壓。

在飽和電壓下，常規(guī)雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)和新型雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)的光效圖如圖3和圖4所示，由圖可以看出，常規(guī)雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)公共信號(hào)線(xiàn)附近暗區(qū)較大，新型雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)公共信號(hào)線(xiàn)附近的暗區(qū)面積大幅減小。

這是因?yàn)椋涸诔Ｒ?guī)雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)中，公共信號(hào)線(xiàn)上方的頂層電極封邊與底層電極形成的電場(chǎng)方向紊亂，不能有效控制液晶分子偏轉(zhuǎn)，液晶分子方位角大，透過(guò)率低，導(dǎo)致暗區(qū)較大。在新型雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)中，公共信號(hào)線(xiàn)上方的頂層電極呈條形分布，與底層電極形成可控制液晶分子正常偏轉(zhuǎn)的電壓，液晶分子方位角小，透過(guò)率高，因而暗區(qū)減小。

兩種結(jié)構(gòu)在飽和電壓附近的V-T曲線(xiàn)如圖5所示，兩種結(jié)構(gòu)的液晶飽和電壓相同(8.4 V)，相較于常規(guī)雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)，新型雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)透過(guò)率提升約3%。

圖3 常規(guī)ADS雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)光效圖Fig.3 Light efficiency of normal ADS dual gate structure

圖4 新型ADS雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)光效圖Fig.4 Light efficiency of new ADS dual gate structure

圖5 兩種ADS雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)模擬V-T曲線(xiàn)Fig.5 Simulated V-T curves of normal and new ADS dual gate structure

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果

在55UHD雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)GOA產(chǎn)品上進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)掩膜版變更實(shí)現(xiàn)兩種不同的結(jié)構(gòu)，其它材料參數(shù)和工藝條件完全相同。圖6為兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)V-T曲線(xiàn)，結(jié)果表明：相對(duì)于現(xiàn)有雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)，新型雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)透過(guò)率提升3%，對(duì)透過(guò)率提升有實(shí)際效果。同時(shí)，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行了完整的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械和信賴(lài)性評(píng)價(jià)，除透過(guò)率差異外，其它光學(xué)參數(shù)相當(dāng)，電學(xué)、機(jī)械測(cè)試和信賴(lài)性評(píng)價(jià)均無(wú)問(wèn)題。

圖6 兩種ADS 雙柵線(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)V-T曲線(xiàn)Fig.6 Measured V-T curves of normal and new ADS dual gate structure

5 結(jié) 論

常規(guī)ADS 雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)在兩個(gè)子像素中間存在較大暗區(qū)，影響面板透過(guò)率和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。本文在常規(guī)ADS 雙柵線(xiàn)像素結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變兩層電極的功能，使底層電極作為像素電極，頂層電極作為公共電極，同時(shí)頂層電極在兩個(gè)子像素面內(nèi)采用連通設(shè)計(jì)，減小有效電場(chǎng)盲區(qū)，提升像素光效和透過(guò)率。模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明：新型ADS 雙柵線(xiàn)像素設(shè)計(jì)可以提升面板透過(guò)率約3%。且光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械和信賴(lài)性等評(píng)價(jià)無(wú)問(wèn)題，可實(shí)際應(yīng)用于產(chǎn)品。

方案僅通過(guò)像素設(shè)計(jì)創(chuàng)新優(yōu)化提升透過(guò)率，不增加新工藝、新設(shè)備、新材料?？商嵘a(chǎn)品性能，也可替代高透材料(高透液晶、偏光片和色阻等)，降低成本，提高產(chǎn)品邊效。對(duì)產(chǎn)品性能升級(jí)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提升有重要作用。