張 衛(wèi),王慶浦,徐佳偉,曾 琴,謝濤峰,郭總杰
(合肥鑫晟光電科技有限公司,安徽 合肥 230011)
目前市場(chǎng)上觸控屏的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣,在手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦,觸控一體機(jī)、電子白板、醫(yī)療事業(yè)、車載等方面均有應(yīng)用。觸摸屏技術(shù)的迅速發(fā)展使得市場(chǎng)上對(duì)其要求越來(lái)越高,如何從外觀、質(zhì)量、技術(shù)細(xì)節(jié)等各方面來(lái)吸引消費(fèi)者,提高用戶體驗(yàn)也是每個(gè)觸摸屏企業(yè)追求的目標(biāo)。隨著質(zhì)量、價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,越來(lái)越多的廠家越來(lái)越重視觸摸屏細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)的新穎設(shè)計(jì),因?yàn)閺募?xì)節(jié)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)方面著手往往能提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟[1]。當(dāng)前大部分觸摸屏產(chǎn)品(Touch Panel,TP)與液晶顯示模組(Liquid Crystal Module, LCM)貼合后,可視區(qū)和黑色光組(Black Matrix,BM)區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的色差,整體外觀看起來(lái)不美觀,難以起到?jīng)_擊性的視覺(jué)效果,雖然全貼合(Direct Bonding)較框貼(Air Bonding)已有明顯改善,但仍然無(wú)法滿足市場(chǎng)上消費(fèi)者的外觀需求,于是一體黑的概念被提出。
一體黑是指觸控顯示模組(Touch Panel LCD Module,TLCM)在關(guān)機(jī)狀態(tài)下,邊緣BM區(qū)與可視區(qū)的色差小到人眼無(wú)法區(qū)分,全屏顯示為黑色。目前針對(duì)一體黑部分,也陸續(xù)有客戶提出需求,行業(yè)內(nèi)大部分采用對(duì)CG (Cover Glass,CG)調(diào)整油墨顏色的方式對(duì)應(yīng)[2],但是黑化的程度不夠,同時(shí)針對(duì)OGS(One Glass Soulution)觸控模組部分尚未找到很好的方案對(duì)應(yīng),單一改變BM材料色差來(lái)匹配黑色效果不理想,另外針對(duì)OGS,為改善消影基本上只使用一層IM或者一層SiOxNy,對(duì)消影確實(shí)有改善,但對(duì)改善黑色光阻區(qū)與可視區(qū)顏色對(duì)比度效果不明顯,本文通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)和工藝,提出雙IM層,減少BM區(qū)與可視區(qū)色偏差異,達(dá)到一體黑的效果。
ITO透明導(dǎo)電薄膜是電容觸摸屏的核心部分,它是具有一定吸收特性的高折射率介質(zhì)[3],這層介質(zhì)影響可視區(qū)的光學(xué)特性,導(dǎo)致可視區(qū)顏色不呈中性,一般處理方法是利用其他介質(zhì)制作ITO的匹配層,以此改善可視區(qū)的色偏情況;消影增透膜是用來(lái)解決色差和提高透過(guò)率的主要手段,其一般由高、低折射率透明介質(zhì)匹配組成,比如高折射率材料為Nb2O5或者SiOxNy,低折射率材料為SiO2或者M(jìn)aF2薄膜等[3]。綜合設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等各種因素的考慮,選擇SiO2/Nb2O5/SiOxNy三種消影材料與ITO匹配使用,以達(dá)到降低色偏的目的。
圖1為TLCM的光學(xué)反射原理示意圖, 其由BM區(qū)和可視區(qū)組成;它的中間區(qū)域是可視區(qū),入射光A需要透射5層介質(zhì)Glass-IM(Nb2O5/SiO2)-ITO-SiOxNy-光學(xué)透明膠,再經(jīng)過(guò)LCD的表面反射,按相反的順序從5層介質(zhì)透射出變成出射光A1;黑色BM在TLCM的四周區(qū)域,入射光A需要透射玻璃,經(jīng)過(guò)BM反射后再透射出玻璃變成出射光A2。由色度學(xué)原理可知,顏色是不同波長(zhǎng)的光波作用于人的視覺(jué)系統(tǒng)后所產(chǎn)生的效果[5],因此若要滿足TLCM的一體黑,出射光A1和A2的波段成分必須相近,從而人眼對(duì)光波A1和A2響應(yīng)的顏色一致,且無(wú)法區(qū)分。下面將從色差角度說(shuō)明實(shí)現(xiàn)一體黑的理論基礎(chǔ)。
色差是指用來(lái)表征兩個(gè)顏色的相互差異程度,目前使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)色空間是CIE1976LAB,此標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)色差數(shù)值與人眼視覺(jué)感受具有一致性[5-6];色差的計(jì)算公式為規(guī)范評(píng)價(jià)色差的數(shù)學(xué)模型,在CIE1976LAB標(biāo)準(zhǔn)中色差ΔE計(jì)算公式為:
ΔE= [(ΔL)2+ (ΔA)2+ (ΔB)2]1/2,
(1)
式中:ΔE的單位是NBS,ΔL,ΔA,ΔB是指兩種顏色的L、A、B差值,由式(2)~(4)計(jì)算:
ΔL=L1-L2,
(2)
ΔA=A1-A2,
(3)
ΔB=B1-B2,
(4)
根據(jù)色差公式和光學(xué)原理示意圖,能夠發(fā)現(xiàn)影響TLCM一體黑的因素有OGS的4層介質(zhì)、光學(xué)透明膠以及LCD與BM的色差。經(jīng)過(guò)測(cè)試BM區(qū)、LCD(HADS型)以及TLCM可視區(qū)的LAB值,計(jì)算出BM與LCD的色差在1 NBS以內(nèi),而BM與TLCM的可視區(qū)色差大于3 NBS;由于光學(xué)透明膠是無(wú)色透明介質(zhì),對(duì)可視區(qū)顏色無(wú)影響,因此OGS的4層介質(zhì)對(duì)TLCM一體黑影響最大。分析BM、LCD、TLCM和OGS單體的色度值,發(fā)現(xiàn)OGS單體的A值和B值與BM差值大,造成TLCM的可視區(qū)與BM色差大;因此若要實(shí)現(xiàn)TLCM一體黑效果,需要調(diào)控4層介質(zhì)Glass-IM-ITO-SiOxNy的A或B值趨近于0。
為了找出Glass-IM-ITO-SiOxNy的最佳匹配膜層厚度,利用光學(xué)模擬軟件TFCalc進(jìn)行膜層設(shè)計(jì),分別在ITO厚度為45 nm、90 nm和120 nm時(shí),模擬不同IM和SiOxNy膜層厚度對(duì)OGS色度值影響[4],探索出透射和反射|A|值和|B|值接近于0的膜層設(shè)計(jì),再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,最后利用光學(xué)設(shè)備測(cè)試找出貼合后的最佳一體黑效果。
圖1 一體黑原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated black
本論文涉及的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試均在6代OGS生產(chǎn)線進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)前述一體黑實(shí)現(xiàn)方法分析,先選取一款HADS型的LCD,且表面顏色和BM區(qū)顏色接近,通過(guò)模擬找出OGS單體A值和B值趨近于0的匹配膜層設(shè)計(jì)值,以不同ITO厚度為條件分階段進(jìn)行驗(yàn)證,每階段驗(yàn)證不同厚度的IM和SiOxNy對(duì)OGS色度值的影響,并測(cè)試TLCM的色差,找出每階段的最佳一體黑樣品。
表1和表2是ITO厚度為45 nm時(shí)的不同TLCM樣品反射LAB測(cè)試結(jié)果及其對(duì)應(yīng)不同膜層的厚度,從表1看出黑色光阻區(qū)與可視區(qū)最小色差為0.97,幾乎低于人眼識(shí)別色差閾值(約1 NBS)[4-5],一體黑光學(xué)效果明顯;結(jié)合表1和表2能夠發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:(1)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情況下,SiOxNy厚度90 nm的樣品色差總體比SiOxNy厚度60 nm和70 nm的大;(2)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情況下,Nb2O5厚度10 nm的樣品色差總體比厚度8 nm和9 nm的大,參考此規(guī)律樣品制作時(shí),要將SiOxNy膜層厚度朝工藝下限生產(chǎn),Nb2O5厚度朝工藝上限制作。
表1 ITO厚度45 nm時(shí)的不同TLCM樣品測(cè)試結(jié)果
Tab.1 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 45 nm
樣品序號(hào)反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.440.19-2.706.012.40229.060.07-2.165.931.84328.77-0.06-2.085.871.80429.34-0.29-2.566.072.22531.08-0.490.036.911.93630.63-0.650.296.601.62730.30-0.430.106.401.21830.46-0.50-0.496.511.29930.17-0.31-0.216.440.971030.17-0.32-0.446.360.98
表2 ITO厚度45 nm時(shí)的不同TLCM樣品對(duì)應(yīng)膜層厚度
Tab.2 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 45 nm
樣品序號(hào)Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1840902940903104090493090583060693060710306088307099307010103070
圖2是ITO厚度為45 nm 時(shí)OGS單體反射LAB的實(shí)測(cè)值和模擬值比對(duì)情況,從圖中看出反射率R值實(shí)測(cè)和模擬接近,反射L、A和B部分值有差別,但值接近且趨勢(shì)具有一致性,說(shuō)明模擬結(jié)果具有一定參考性。
圖2 ITO厚度45 nm時(shí)OGS單體模擬和實(shí)測(cè)反射LAB值情況。(a)L值;(b)A值;(c)B值;(d)R值。Fig.2 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 45 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.
表3和表4是ITO厚度90 nm時(shí)的不同TLCM樣品反射LAB測(cè)試結(jié)果及其對(duì)應(yīng)不同膜層的厚度,從表1看出黑色光阻區(qū)與可視區(qū)最小色差為1.07,人眼色彩感覺(jué)差別輕微,屬于小色差;結(jié)合表3和表4能夠發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:(1)隨著SiO2厚度的變大,色差逐漸變大;(2)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情況下,SiOxNy厚度90 nm的樣品色差總體比厚度50 nm的大。
表3 ITO厚度90 nm時(shí)的不同TLCM樣品測(cè)試結(jié)果
Tab.3 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 90 nm
樣品序號(hào)反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差130.81-1.56-0.066.681.97229.370.85-3.296.023.33
續(xù) 表
表4 ITO厚度90 nm時(shí)的不同TLCM樣品對(duì)應(yīng)膜層厚度
Tab.4 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 90 nm
樣品序號(hào)Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1920902930903940904950905830906103090792050
續(xù) 表
圖3是ITO厚度為90 nm 時(shí)OGS單體反射LAB的實(shí)測(cè)值和模擬值比對(duì)情況,從圖中看出反射L值和A值實(shí)測(cè)和模擬接近,反射B和反射率R部分值接近但趨勢(shì)具有一致性。
圖3 ITO厚度90nm時(shí)OGS單體模擬和實(shí)測(cè)反射LAB值情況。(a)L值;(b)A值;(c)B值;(d)R值。Fig.3 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 90 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.
表5和表6是ITO厚度120 nm時(shí)的不同TLCM樣品反射LAB測(cè)試結(jié)果及其對(duì)應(yīng)不同膜層的厚度,從表1看出黑色光阻區(qū)與可視區(qū)最小色差為0.63,人眼感覺(jué)差別輕微;結(jié)合表5和表6能夠發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象:(1)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情況下,Nb2O5厚度8 nm的樣品色差比厚度9 nm和10 nm時(shí)的小。
表5 ITO厚度120 nm時(shí)的不同TLCM樣品測(cè)試情況
Tab.5 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 120 nm
樣品序號(hào)反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.370.40-1.756.171.43229.400.90-3.086.082.84328.951.04-2.865.842.72429.36-0.43-0.926.070.63528.940.02-2.215.921.85628.870.30-3.025.782.67729.370.32-2.595.952.22828.80-0.23-1.265.901.01
表6 ITO厚度120 nm時(shí)的不同TLCM樣品對(duì)應(yīng)膜層厚度
Tab.6 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 120 nm
樣品序號(hào)Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm18309029309031030904830805930806103080783050883070
圖4 ITO厚度120nm時(shí)OGS單體模擬和實(shí)測(cè)反射LAB值情況。(a)L值;(b)A值;(c)B值;(d)R值。Fig.4 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was120nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.
圖4是ITO厚度為120 nm 時(shí)OGS單體反射LAB的實(shí)測(cè)值和模擬值比對(duì)情況,從圖中看出反射L值、A值、B值和反射率R值實(shí)測(cè)和模擬趨勢(shì)具有一致性,部分值與模擬值有差異,可能與模型準(zhǔn)確性和測(cè)試誤差有關(guān)。
經(jīng)過(guò)設(shè)備測(cè)試和人眼判級(jí)找到最佳一體黑樣品如圖5所示,通過(guò)比對(duì)圖可以發(fā)現(xiàn)兩者的差異,一體黑樣品幾乎區(qū)分不了樣品的可視區(qū)和BM區(qū),測(cè)試色差值為0.63;常規(guī)樣品可視區(qū)和BM區(qū)色差為3.72,人眼能夠明顯識(shí)別,其可視區(qū)顯藍(lán)白色;說(shuō)明通過(guò)使用雙IM層,使得可視區(qū)與BM區(qū)的色差降低,進(jìn)而達(dá)到一體黑效果。
圖5 一體黑樣品與常規(guī)產(chǎn)品效果比對(duì)圖Fig.5 Comparison of integrated black sample with the conventional product
上述3次實(shí)驗(yàn)在不同ITO厚度下,改變Nb2O5、SiO2和SiOxNy的厚度探索最佳一體黑條件,通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),3種膜層對(duì)樣品的色差影響程度各不相同。圖6(a)是色差與SiOxNy厚度變化的關(guān)系曲線,可以發(fā)現(xiàn)不同的ITO膜層厚度下,SiOxNy厚度變化引起的色差變化趨勢(shì)基本一致,在SiOxNy厚度大于90 nm后,色差變化非常敏感;圖6(b)是色差與SiO2厚度變化的關(guān)系曲線,兩者幾乎成指數(shù)變化的關(guān)系,因此SiO2的厚度最好控制在30 nm以內(nèi);圖6(c)是色差與Nb2O5厚度的關(guān)系曲線,在不同ITO厚度下,Nb2O5厚度在10 nm以內(nèi)變化引起的色差變化趨勢(shì)不同,但對(duì)色差影響程度相對(duì)較小。
圖6 色差與3種消影膜層的關(guān)系曲線。(a)色差與Nb2O5厚度變化差系;(b)色差與SiO2厚度變化差系;(c)色差與SiOxNy厚度變化差系。Fig.6 Relationship between chromatic aberration and three kinds of films. (a)Color difference value varies with Nb2O5 thickness; (b)Color difference value varies with SiO2 thickness; (c)Color difference value varies with SiOxNy thickness.
本文根據(jù)觸控顯示模組的結(jié)構(gòu),分析了影響TLCM的VA區(qū)色度的主要因素,研究不同膜層對(duì)產(chǎn)品的VA區(qū)和BM區(qū)色差影響程度。結(jié)果表明:使用雙IM層能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的一體黑,而單IM層則無(wú)法實(shí)現(xiàn);結(jié)合設(shè)備測(cè)試和人眼判級(jí)的結(jié)果,最佳一體黑樣品的色差為0.63;同時(shí)發(fā)現(xiàn)SiO2和SiOxNy超過(guò)一定厚度時(shí),對(duì)色差影響大,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)需要控制兩種膜層的制程能力向下限偏。