李曉吉,趙彥禮,栗 鵬,李 哲,辛 蘭,樸正淏,廖燕平,李承珉,閔泰燁,邵喜斌
(重慶京東方光電科技有限公司,重慶 400700)
薄膜晶體管液晶顯示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT-LCD)面板在大尺寸電視(TV)領(lǐng)域仍占據(jù)主要的市場[1-2]。高級超維場轉(zhuǎn)換技術(shù)(Advanced Super Dimension Switch,ADS )顯示模式具有寬視角,快速響應(yīng)和高對比度等優(yōu)勢,成為TV產(chǎn)品的主流顯示模式。對于ADS液晶(LC)面板,其透過率的提升依然為永恒的主題,同時(shí)對畫質(zhì)的要求仍在不斷提升。畫質(zhì)的好壞決定了終端客戶的競爭力水平。對于TV產(chǎn)品,力學(xué)方面畫質(zhì)評價(jià)包括按壓測試,拍擊測試,及滑動(dòng)按壓測試等[2-6]。這些嚴(yán)苛的測試用來模擬生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中遇到碰撞、擠壓時(shí)液晶面板的顯示狀態(tài),以提前得知液晶面板的不良缺陷,并通過設(shè)計(jì)、工藝、包裝、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)措施降低不良發(fā)生率,或者完全規(guī)避不良,以保證終端客戶能夠有更好的使用體驗(yàn)[7-9]。
本文通過對比5種不同像素設(shè)計(jì)的ADS液晶面板的滑動(dòng)按壓結(jié)果,得到了像素末端設(shè)計(jì)、電極間距設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電壓對劃痕Mura(Trace Mura)的影響;同時(shí)通過模擬軟件模擬5種面板的液晶分子排列,對比試驗(yàn)結(jié)果,分析Trace Mura發(fā)生的理論機(jī)理,得出模擬判定Trace Mura的參考依據(jù)。
滑動(dòng)按壓測試方法為:在液晶顯示面板的白態(tài)電壓(L255),用手指在液晶面板上滑動(dòng),見圖1(左)。由于按壓導(dǎo)致的液晶分子形變,與電場的共同作用,使得手指按壓位置發(fā)暗,那么手指滑動(dòng)過的位置,會(huì)在液晶面板上留下發(fā)暗的按壓痕跡,我們稱之為Trace Mura[10-12]。以按壓痕跡消失的快慢程度,來判斷液晶顯示面板的抗壓能力。若液晶顯示屏不能顯示痕跡,或者顯示痕跡后,能在5 s內(nèi)消失,則認(rèn)為該顯示屏無Trace Mura。若手指按壓的痕跡不能夠在5 s內(nèi)消失則認(rèn)為該顯示屏有Trace Mura,見圖1(右)。
對于按壓劃痕在5 s內(nèi)不能恢復(fù)正常,即發(fā)生Trace Mura的液晶屏,現(xiàn)象輕微的液晶屏需要幾分鐘可以恢復(fù)到正常畫面,現(xiàn)象嚴(yán)重的液晶屏永久不能恢復(fù)到正常的畫面,需要手動(dòng)切換到低灰階畫面,劃痕才能消失。為了不影響終端客戶的使用體驗(yàn),行業(yè)內(nèi)通常以5 s內(nèi)作為觀察時(shí)間,作為判定Trace Mura不良的標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 Trace Mura按壓手法及不良顯示屏(L255) Fig.1 Pressing method and phenomenon of trace Mura (at Lever 255)
本文所采用的液晶面板均為ADS顯示面板[13-14],其顯示示意圖見圖2,圖3為ADS顯示面板俯視示意圖。 ADS顯示面板通常采用氧化銦錫(ITO)作為透明電極。第一層氧化銦錫金屬(1ITO)為整面設(shè)計(jì);第二層氧化銦錫電極(2ITO)為條狀設(shè)計(jì),其中W為條狀電極的寬度,S為狀電極的間距,P為W與S的和代表?xiàng)l狀電極的節(jié)距。1ITO & 2ITO之間的邊緣電場驅(qū)動(dòng)液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2 ADS顯示電極示意圖(P=W+S)Fig.2 ADS Display electrode diagram (P=W+S)
圖3 ADS顯示面板俯視示意圖Fig.3 ADS display electrode diagram at overlooking
我們選取了5種不同像素設(shè)計(jì)的液晶顯示面板進(jìn)行測試,見圖4。
圖4 面板a(a)、 面板b(b)、面板c(c)、面板d(d)、面板e(cuò)(e),5種面板的電極設(shè)計(jì)圖。Fig.4 Panel a(a), Panel b(b), panel c(c), panel d(d) and panel e(e) electrode design, respectively.
面板a:亞像素的條狀電極寬度為W=2.6 μm,節(jié)距P=8.0 μm,電極末端為切角設(shè)計(jì),見圖4(a)。
面板b:亞像素的條狀電極寬度為W=2.6 μm,節(jié)距P=8.0 μm,電極末端為弧角設(shè)計(jì),見圖4(b)。
面板c:亞像素的條狀電極寬度為W=2.2 μm,節(jié)距P=6.6 μm,電極末端為切角設(shè)計(jì),見圖4(c)。
面板d:亞像素的條狀電極寬度為W=2.2 μm,節(jié)距P=6.6 μm,電極末端為開口設(shè)計(jì),見圖4(d)。
面板e(cuò):亞像素的條狀電極寬度為W=2.9 μm,節(jié)距P=7.8 μm,電極末端為切角設(shè)計(jì)。見圖4(e)。
對以上5種面板分別在L255灰階下進(jìn)行滑動(dòng)按壓測試,觀察有無Trace Mura。同時(shí),為了更好地了解按壓前后的像素變化細(xì)節(jié),我們將5種面板點(diǎn)亮,在L255灰階畫面下,用尼康(Nicon)顯微鏡,在10倍放大鏡頭下,按壓液晶顯示面板,記錄按壓前后像素的微觀變化情況。
面板a用手指滑動(dòng)后痕跡5 s不能消失,即判定為有Trace Mura,見圖5;面板b用手指滑動(dòng)后痕跡不顯示滑動(dòng)痕跡,即判定為無Trace Mura, 見圖6;面板c用手指滑動(dòng)后痕跡不顯示滑動(dòng)痕跡,即判定為無Trace Mura, 見圖7;面板d用手指滑動(dòng)后痕跡不能消失,即判定為有Trace Mura,見圖8;面板e(cuò)用手指滑動(dòng)后痕跡不顯示滑動(dòng)痕跡,即判定為無Trace Mura, 見圖9。
圖5(a)為面板a滑動(dòng)按壓測試5 s后的宏觀圖,我們可以見到在面板a宏觀畫面中, L255灰階下用手指按壓滑動(dòng)過的局部區(qū)域,畫面偏暗,即存在Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。
圖5 面板a的滑動(dòng)按壓測試結(jié)果宏觀(a)及微觀圖(b)。(b)-1為按壓前的微觀圖,(b)-2為按壓5 s后的微觀圖。Fig.5 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel a. (b)-1 is microgram before the pressing; (b)- 2 is microgram after pressing 5 s.
圖5(b)為面板a滑動(dòng)按壓測試的微觀圖,其中圖5(b)-1為按壓前的微觀圖,圖5(b)-2為按壓5 s后的微觀圖。在微觀畫面下圖(b)-1,面板a單個(gè)像素在按壓前為正常驅(qū)動(dòng)畫面和排布;按壓后,部分亞像素的液晶分子由于壓力和電場的共同作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),在壓力消失后液晶分子不能回轉(zhuǎn)到原有電場驅(qū)動(dòng)下的排布,導(dǎo)致部分條狀電極區(qū)域亮度偏低,從而導(dǎo)致按壓后宏觀畫面局部偏暗,而被人眼所觀察到。
圖6為面板b的滑動(dòng)按壓測試宏觀圖和微觀圖,圖6(a)-1為面板b手指滑動(dòng)按壓中的宏觀圖,(a)-2為手指滑動(dòng)按壓5 s后的宏觀圖,(b)-1為滑動(dòng)按壓中的微觀圖,(b)-2為滑動(dòng)按壓5 s后的微觀圖。
圖6 面板b的滑動(dòng)按壓測試結(jié)果宏觀圖(a)及微觀圖(b)。(a)-1為面板b手指滑動(dòng)按壓中的宏觀圖,(a)-2手指滑動(dòng)按壓5 s后的宏觀圖, (b)-1為滑動(dòng)按壓中的微觀圖,(b)-2為滑動(dòng)按壓5S后的微觀圖。Fig.6 Macro (a) and micro (b) diagram of sliding pressure test result of panel b. (a)-1 is macrograph on the pressing; (a)-2 is macrograph after pressing 5 s; (b)-1 is microgram on the press; (b)- 2 is microgram after pressing 5 s.
在宏觀畫面下,可以看到面板b(在L255灰階下)在用手指按壓滑動(dòng)過的局部區(qū)域,按壓痕跡出現(xiàn)后在5 s內(nèi)消失,即無Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。
在微觀畫面下,面板b單個(gè)像素在按壓中,像素的小部分像素條狀電極上的液晶分子,由于壓力和電場的共同作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),在壓力消失5 s后液晶分子回轉(zhuǎn)到原有電場驅(qū)動(dòng)下的排布。
圖7為面板c的滑動(dòng)按壓測試宏觀圖和微觀圖,圖7(a)-1為面板c手指滑動(dòng)按壓中的宏觀圖,(a)-2為手指滑動(dòng)按壓5 s后的宏觀圖,(b)為滑動(dòng)按壓5 s后的微觀圖。
在宏觀畫面下,可以看到面板c(在L255灰階下)在用手指按壓滑動(dòng)過的局部區(qū)域,按壓痕跡出現(xiàn)后在5 s內(nèi)消失,即無Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。
在微觀畫面下,面板c在壓力消失5 s后大部分的液晶分子能回到原有狀態(tài),只有小部分液晶分子不能回到原有狀態(tài),但是由于這部分占有比例較小,不能被人眼所察覺。
圖8為面板d的滑動(dòng)按壓測試宏觀圖和微觀圖,圖8(a)為面板d手指按壓滑動(dòng)5 s后的宏觀圖, (b)為滑動(dòng)按壓5 s后的微觀圖。
圖7 面板c的滑動(dòng)按壓測試結(jié)果宏觀(a)及微觀圖(b)。(a)-1為面板c手指滑動(dòng)按壓中的宏觀圖;(a)-2手指滑動(dòng)按壓5 s后的宏觀圖;(b)為滑動(dòng)按壓5 s后的微觀圖。Fig.7 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel c; (a)-1 is macrograph on the pressing; (a)-2 is macrograph after pressing 5 s; (b) is microgram after pressing 5 s.
圖8 面板d的滑動(dòng)按壓測試結(jié)果宏觀(a)及微觀圖(b)Fig.8 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel d
在宏觀畫面下,可以看到面板d(在L255灰階下)在用手指按壓液晶顯示面板時(shí),按壓痕跡出現(xiàn)且5 s后不消失,即有Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。
在微觀畫面下,面板d的單個(gè)像素在按壓壓力消失5 s后,像素的大部分、甚至整個(gè)像素條狀電極上的液晶分子,由于壓力和電場的共同作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),不能回到原有狀態(tài),且這部分占有比例較高,被人眼所察覺,即形成了按壓的痕跡。
圖9為面板e(cuò)的滑動(dòng)按壓測試宏觀圖和微觀圖,圖9(a)-1為面板e(cuò)手指按壓滑動(dòng)中的宏觀圖,(a)-2為面板e(cuò)手指按壓滑動(dòng)5 s后的宏觀圖, (a)-1為滑動(dòng)按壓中的微觀圖,(b)-2為滑動(dòng)按壓5 s后的微觀圖。可以看到,在宏觀畫面下面板e(cuò)(在L255灰階下),用手指按壓液晶顯示面板時(shí),痕跡較小,且按壓壓力消失5 s后,面板無按壓痕跡留下,即無Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。
圖9 面板e(cuò)的滑動(dòng)按壓測試結(jié)果宏觀(a)及微觀圖(b)。(a)-1為面板e(cuò)手指滑動(dòng)按壓中的宏觀圖;(a)-2手指滑動(dòng)按壓5 s后的宏觀圖;(b)-1為滑動(dòng)按壓中的微觀圖;(b)-2為滑動(dòng)按壓5 s后的微觀圖。 Fig.9 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel e. (a)-1 is macrograph on the pressing 5 s; (a)-2 is macrograph after pressing 5 s; (b)-1 is microgram on the pressing; (b) -2 is microgram after pressing 5 s.
在微觀畫面下,面板e(cuò)的像素在按壓時(shí),像素的小部分條狀電極上的液晶分子,由于壓力和電場的共同作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),在壓力消失后,液晶分子均能回到原有狀態(tài),即無Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。
通過對比分析5種ADS液晶顯示面板的滑動(dòng)按壓結(jié)果,我們從以下3個(gè)方面考慮ADS液晶面板影響Trace Mura的關(guān)鍵因素及其發(fā)生機(jī)理。
從面板a和面板b、面板c和面板d兩組的滑動(dòng)按壓測試可以看到(表1):在相同的寬度(W)、節(jié)距(P)條件下,弧角設(shè)計(jì)優(yōu)于切角設(shè)計(jì)(面板a與b對比),而切角設(shè)計(jì)優(yōu)于開口設(shè)計(jì)(面板c與d對比),即得出以下結(jié)論:對于Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)的防范設(shè)計(jì),在考慮電極末端設(shè)計(jì)時(shí),弧角設(shè)計(jì)優(yōu)于切角設(shè)計(jì),切角設(shè)計(jì)優(yōu)于開口設(shè)計(jì)。
表1 不同像素末端設(shè)計(jì)的按壓結(jié)果對比
Tab.1 Sliding pressure test results of different electrode end design panels
Item末端設(shè)計(jì)Trace Mura結(jié)果W=2.6 μmP=8.0 μm面板a切角有面板b弧角無W=2.2 μmP=6.6 μm面板c切角無面板d開口有
我們選取條狀電極末端設(shè)計(jì)為切角設(shè)計(jì)的面板,從面板a、c和面板e(cuò)的滑動(dòng)按壓測試結(jié)果可以看到(表2):從模擬a、c、e面板的電極末端的液晶分子可以看到,見圖10,對于切角設(shè)計(jì),其間距(Space)越大,則紊亂區(qū)域越大,即液晶分子的突變區(qū)域長度越大,越不利于液晶分子在末端的連續(xù)分布,故在受壓力變形后,容易和電場的共同作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),不能回到原有狀態(tài),被人眼所察覺,即形成了按壓的痕跡。由此得出結(jié)論,條狀電極的間距(Space)越大,越不利于Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)。
圖10 面板a、c、e不同電極間距設(shè)計(jì)的模擬突變區(qū)域長度。(a)面板a突變區(qū)域長度為2.4 μm;(b)面板c突變區(qū)域長度為2.0 μm;(c)面板e(cuò)突變區(qū)域長度為2.1 μm。Fig.10 Simulation azimuth mutation angle of different space design. (a) The length of the disordered region is 2.4 μm of panel a; (b) The length of the disordered region is 2.0 μm of panel c; (c) The length of the disordered region is 2.1 μm of panel e.
表2 不同間距設(shè)計(jì)的按壓結(jié)果對比
Tab.2 Sliding pressure test results of different electrode space panels
ItemW/μmS/μm突變區(qū)域/μmTrace Mura結(jié)果電極末端切角設(shè)計(jì)面板a2.65.42.4有面板c2.24.42.0無面板e(cuò)2.94.92.1無
對于面板d,其Trace Mura的現(xiàn)象最為明顯,我們對其增加了電壓對Trace Mura的影響實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)1,見圖11:我們在正常的灰階畫面下,用手指劃動(dòng)液晶顯示面板,發(fā)現(xiàn)在L255~L240灰階下均能劃出Trace Mura, 而在低于L240灰階時(shí),則不能劃出Trace Mura。
圖11 面板d不同電壓下滑動(dòng)按壓測試結(jié)果。(a) L255灰階,發(fā)生按壓痕跡,現(xiàn)象明顯; (b)L245灰階,發(fā)生按壓痕跡,按壓痕跡輕; (c) L240灰階,按壓不出痕跡。Fig.11 Sliding pressure test result of Panel d at different voltage. (a) At L255 gray, there are obvious trace Mura after pressing; (b) At L245 gray, there are slightly trace Mura after pressing; (c) At L240 gray, there are no trace Mura after pressing.
實(shí)驗(yàn)2,見圖12:我們在L255灰階電場下,在面板d上劃出Trace Mura后,逐步降低液晶面板d的灰階電壓,發(fā)現(xiàn)Trace Mura會(huì)隨著電壓下降而消失。
圖12 有按壓劃痕的面板d,逐步降低電壓的結(jié)果。(a)在電壓L255灰階按壓后,像素變暗明顯;(b)降低電壓到L245灰階,之前的按壓痕跡現(xiàn)象減輕;(c)降低電壓到L240灰階,之前的按壓痕跡現(xiàn)象消失。Fig.12 Panel d with obvious trace Mura after gradually reducing the voltage.(a)At L255 gray, there are obvious trace Mura;(b)Reduce the voltage to L245 gray, the previous trace Mura is reduced;(c)Reduce the voltage to L240 gray, the previous trace Mura disappears.
由于設(shè)備條件限制,每次灰階電壓調(diào)整為2.5個(gè)灰階。在L255灰階,受壓力影響,液晶分子偏轉(zhuǎn)后與電場達(dá)成平衡態(tài),形成Trace Mura,見圖12(a)。當(dāng)降低面板d的灰階電壓到L245灰階時(shí),電壓變化導(dǎo)致平衡態(tài)被打破,發(fā)暗的像素減小,見圖12(b)。當(dāng)繼續(xù)降低面板d的灰階電壓到L240灰階時(shí),液晶分子受力場影響的作用完全消失,液晶面板恢復(fù)正常,見圖12(c)。
由以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可知:首先,需要在高灰階電壓下(即較大的液晶偏轉(zhuǎn)角度)按壓劃動(dòng)液晶面板才能發(fā)生Trace Mura;其次,發(fā)生Trace Mura的液晶面板,可以通過降低液晶面板的灰階電壓來消除按壓痕跡。
通過模擬5種面板液晶分子排布,我們發(fā)現(xiàn),ADS面板,在高灰階(L255)電壓下,在條狀電極中部,液晶分子受電場作用,其方位角約為40°~65°,排列有序。但是到了條狀電極末端,由于電場的終止,導(dǎo)致末端液晶分子排列紊亂,出現(xiàn)了局部的方位角突變,即向相反方向偏轉(zhuǎn),這個(gè)局部區(qū)域在受力按壓后,擴(kuò)大到條狀電極中部,導(dǎo)致按壓地方出現(xiàn)了局部發(fā)暗,形成痕跡,并與電場形成了穩(wěn)定的排列,不能恢復(fù),被人眼觀察到,即形成了Trace Mura。
圖13 面板a在L255灰階的液晶分子模擬方位角,俯視圖(a)和0.5 μm深度的切面圖(b)。Fig.13 Simulated azimuth of panel a at L255 gray voltage (a) and sectional view at 0.5 μm depth (b)
以面板a為例,圖13為面板a在L255灰階的液晶分子模擬方位角,其中(a)為俯視圖,(b)為圖(a)中沿電極方向不同位置 (如圖(a)中黑色箭頭線所示)深度為0.5 μm切面圖的方位角。圖13中分為3個(gè)位置:①表示電極中部,②表示電極末端,③表示為電極結(jié)束。在①位置,電極中部,電場驅(qū)動(dòng),液晶分子偏轉(zhuǎn)40°~65°;在②位置,條狀電極末端,電場紊亂區(qū)域,出現(xiàn)了局部的方位角突變, 面板a向相反方向偏轉(zhuǎn)了約15°;在③位置,電極結(jié)束,無電場,液晶分子不轉(zhuǎn)動(dòng)。
對比5種面板液晶分子在電極末端位置突變的角度與Trace Mura的現(xiàn)象,由表3可知,模擬實(shí)驗(yàn)a~e面板的液晶分子在條狀電極末端的方位角的最大突變角度,發(fā)現(xiàn)突變的偏轉(zhuǎn)角度大于15°時(shí),液晶面板有Trace Mura風(fēng)險(xiǎn),且該角度越大,則Trace Mura越嚴(yán)重。
表3 不同面板在L255灰階模擬最大突變方位角
Tab.3 In L255 gray-scale, simulated maximum mutations azimuth of different panels.
ItemsTrace Mura現(xiàn)象最大方位角偏轉(zhuǎn)模擬值面板a有-15.1°面板b無-9.6°面板c無-8.7°面板d有,最嚴(yán)重-36.9°面板e(cuò)無-10.3°
圖14 面板d電極末端不同電壓的液晶分子模擬最大突變方位角Fig.14 Simulated maximum azimuth mutation angle of Panel d at different voltages
對于Trace Mura與電壓的關(guān)系,通過模擬,見圖14,以面板d為例。我們發(fā)現(xiàn)在不同電壓下,液晶分子的局部突變方位角度,會(huì)隨電壓的提高而逐漸增加, 0~4 V下,液晶分子不發(fā)生突變; 4~6.3 V時(shí),液晶分子發(fā)生突變,但是向相反方向偏轉(zhuǎn)角度較小,即在0~6.3 V時(shí)不發(fā)生Trace Mura;大于6.3 V時(shí),突變角度大于15°,與實(shí)驗(yàn)1的高電壓灰階下發(fā)生Trace Mura相符,說明在較大的液晶突變偏轉(zhuǎn)角度時(shí),更容易發(fā)生Trace Mura。
本文通過對比5種不同像素設(shè)計(jì)的ADS液晶面板的按壓劃痕,得到了像素條狀電極末端設(shè)計(jì)、條狀電極間距設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電壓對Trace Mura的影響:
對于Trace Mura 風(fēng)險(xiǎn)的防范設(shè)計(jì),在考慮像素電極末端設(shè)計(jì)時(shí),弧角設(shè)計(jì)優(yōu)于切角設(shè)計(jì),切角設(shè)計(jì)優(yōu)于開口設(shè)計(jì);像素條狀電極的間距越小,Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)越??;Trace Mura需要在高灰階電壓下(即較大的液晶偏轉(zhuǎn)角度)按壓劃動(dòng)液晶面板才能發(fā)生;發(fā)生Trace Mura的液晶面板可以通過降低液晶面板的電壓灰階來消除按壓痕跡[1,8]。
本文模擬了L255電壓下像素電極末端的液晶分子狀態(tài)。在末端的液晶分子方位角會(huì)發(fā)生突變,向相反方向偏轉(zhuǎn)角度越大,Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)越大,以現(xiàn)有模擬數(shù)據(jù)認(rèn)為,模擬偏轉(zhuǎn)角度在15°以上,有Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)。該方法與實(shí)驗(yàn)有較好的符合,為以后產(chǎn)品開發(fā)時(shí),通過模擬分析評判Trace Mura風(fēng)險(xiǎn)提供了參考依據(jù)。