葉成枝，操彬彬，呂艷明，馬 力，安 暉，彭俊林，馮耀耀，楊增乾，栗芳芳，陸相晚，李恒濱

（合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示技術(shù)（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD）是目前平板顯示市場(chǎng)主流的顯示技術(shù)之一［1］。TFTLCD 器件因其輕薄、輕質(zhì)、功耗低等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種中大尺寸的終端顯示設(shè)備［2］。隨著高端顯示技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)液晶顯示屏的畫質(zhì)要求越發(fā)嚴(yán)格，因此液晶顯示屏不同視角下顯示的色偏（Off-Angle Color shift，OAC shift）成為評(píng)價(jià)面板性能的重要指標(biāo)，特別是采用了DCI-P3材料的高色域產(chǎn)品，隨觀察視角增大更容易出現(xiàn)發(fā)紅等色偏現(xiàn)象［3］。理論上影響TFT-LCD 產(chǎn)品的色度的關(guān)鍵因子有很多，如背光源（BLU）、偏光片（POL）、液晶（LC）、彩膜（CF）以及陣列（Array）基板等［4-6］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于前4 個(gè)方面的研究較多，比如背光源類型不同、光源色度不同直接影響色度曲線的起始位置，偏光片類型對(duì)色度影響較小，液晶類型不同、折射率不同但是只影響色度曲線的延伸長(zhǎng)度，彩膜厚度不同主要影響色度曲線的延伸長(zhǎng)度。以上因素都沒有涉及到對(duì)色度曲線形態(tài)的影響，因此，對(duì)陣列的研究成為突破口。

對(duì)于薄膜晶體管陣列而言，一方面其與側(cè)視角白畫面色偏的研究十分欠缺，可參考經(jīng)驗(yàn)較少；另一方面像素開口區(qū)內(nèi)的透光膜層復(fù)雜，界面較多，光經(jīng)過不同界面時(shí)會(huì)發(fā)生干涉作用，理論上會(huì)影響色度［7］。因此本文以像素開口區(qū)內(nèi)的氮化硅絕緣層作為突破口，研究氮化硅膜層厚度對(duì)TFT-LCD 產(chǎn)品側(cè)視角白畫面色偏的影響，并建立薄膜晶體管陣列與OAC shift 的關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)而指導(dǎo)高色域面板色偏改善。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2 .1 側(cè)視角白畫面色偏測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)樣品制備基于合肥鑫晟光電8.5 G TFT-LCD 生產(chǎn)線生產(chǎn)的色域?yàn)镈CI-P3 99.5%的某尺寸HADS 有機(jī)膜產(chǎn)品，其TFT 膜層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。透光膜層包括氮化硅材質(zhì)的柵極絕緣層（Gate Insulator，GI）和鈍化絕緣層（Passivat，PVX1，PVX2）、樹脂材質(zhì)的有機(jī)絕緣層（Organic Resin）、氧化銦錫材質(zhì)的公共電極層（1stITO）和像素電極層（2ndITO），其中氮化硅膜厚參考值分別為：GI（320 nm）、PVX1（100 nm）和PVX2（200 nm）。

圖1 TFT 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 TFT structure schematic

本文使用F-STAR 光學(xué)特性自動(dòng)測(cè)量設(shè)備（型號(hào)PR 730），待測(cè)顯示屏搭配同一塊背光在白畫面（L255）下進(jìn)行4 個(gè)方位不同視角下色度測(cè)試，如圖2 所示。測(cè)試的光斑位于顯示屏中心，測(cè)試視角區(qū)間為［-60°，60°］，設(shè)置5°為一個(gè)測(cè)試步階，測(cè)試結(jié)果為垂直和水平方向不同角度下白點(diǎn)色度坐標(biāo)為(u＇i，v＇i)，i=-60°，-55°，…，50°，60°。

圖2 四方位的側(cè)視角色偏測(cè)試示意圖Fig.2 OAC shift test schematic of four directions

2 .2 側(cè)視角白畫面色偏的表征

目前行業(yè)內(nèi)常用的色偏量化分析方法，是基于CIE-1976u＇v＇色坐標(biāo)系統(tǒng)，分別計(jì)算出不同視角的坐標(biāo)（u＇i，v＇i）與正視視角下坐標(biāo)（u＇i，v＇i）的偏移，偏移量計(jì)算如公式（1）所示。但是這個(gè)偏移量無(wú)法直觀地表達(dá)人眼感知的顏色信息，判斷顯示屏偏向哪種顏色還需要通過人眼主觀判定。

為了能找到一種不需要人眼判定，并且可以直觀地表征顯示屏偏向哪種顏色的方法，利用公式（2）計(jì)算顯示屏不同視角下色度偏差坐標(biāo)：

圖3 是基于偏移量和感官判斷建立的色偏坐標(biāo)系，色度偏差坐標(biāo)（Δu＇，Δv＇）在該坐標(biāo)系的位置決定了顯示屏實(shí)際顯示顏色的表現(xiàn)［8］。紅色橢圓線代表OAC shift 的規(guī)格（人眼對(duì)綠色和紅色更敏感，對(duì)應(yīng)規(guī)格更嚴(yán)格），橢圓大小由短半軸a、長(zhǎng)半軸b和傾斜角θ三個(gè)參數(shù)定義，橢圓面積越小，規(guī)格越嚴(yán)格。不同的客戶或者不同產(chǎn)品限定的規(guī)格存在差異。規(guī)定角度范圍的色度偏差坐標(biāo)都落在橢圓內(nèi)表示滿足規(guī)格，反之有一個(gè)點(diǎn)以上落在橢圓外表示超出規(guī)格，色偏坐標(biāo)離橢圓零點(diǎn)距離越遠(yuǎn)代表色偏越嚴(yán)重。

圖3 色偏坐標(biāo)系Fig.3 OAC shift coordinate system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3 .1 SiNx膜厚對(duì)OAC shift 的影響

薄膜晶體管陣列膜層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，沉積了多層膜層（開口區(qū)主要包括SiNx、有機(jī)膜層（Resin）、ITO 等），因此會(huì)形成更多界面，光線透過開口區(qū)膜層，在不同界面都會(huì)發(fā)生光的干涉作用［9］。根據(jù)折射定律可以推導(dǎo)出光程差與膜厚的關(guān)系式，參考公式（3），其中參數(shù)d為膜層厚度，n1為膜層折射率，Ψ為入射角度。因此膜厚不同光程差不同，當(dāng)光程差為某波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)該波長(zhǎng)處相干疊加，當(dāng)光程差為某波長(zhǎng)的半數(shù)倍時(shí)該波長(zhǎng)處相干減少［10］。所以透光膜層膜厚變化導(dǎo)致薄膜晶體管陣列整體膜層干涉效應(yīng)的變化，引起各波段透過率的變化，因此理論上SiNx厚度變化對(duì)色度會(huì)產(chǎn)生直接的影響。

為驗(yàn)證上述理論分析，實(shí)驗(yàn)使用某尺寸HADS 產(chǎn)品，選擇陣列膜層中不同作用的SiNx作為單一變量，開口區(qū)SiNx膜厚參考值分別為：GI（320 nm）、PVX1（100 nm）和PVX2（200 nm），改變GI/PVX1/PVX2 厚度（設(shè)計(jì)范圍考慮量產(chǎn)性），其他條件保持不變，不同條件的樣品制作完成無(wú)背光的顯示屏待測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 SiNx膜厚對(duì)側(cè)視角白畫面色偏的影響Tab. 1 Effect of SiNx THK on OAC shift

不同條件的樣品搭配同一塊背光進(jìn)行白畫面（L255）下不同視角下的OAC shift 測(cè)試（水平方位下-60°～60°），對(duì)比上述樣品色偏量變化曲線，以樣品1#為參考基準(zhǔn)，如圖4 所示。由圖4 可以看出，所有樣品的Δu＇v＇值隨著側(cè)視角度增大而增大。

由圖4（a）可以看出，相比樣品1#，樣品3#的Δu＇v＇值整體都 有所下降，其中在60°視 角下從0.015 降到0.010；樣品2#和樣品3#整體水平相當(dāng)，在60°視角下從0.010 微升到0.012；樣品4#的Δu＇v＇值整體明顯下降，其中在60°視角下從0.015 大幅降到0.003；樣品5#的Δu＇v＇值整體反彈回升，在60°視角下從0.003 回升到0.007?？傮w看，GI 厚度增加對(duì)Δu＇v＇值影響較大，GI 厚度減 薄 對(duì)Δu＇v＇值 影 響 較 小，但 都 是 非 線 性 變化的。

由圖4（b）可以看出，相比樣品1#，樣品6#的Δu＇v＇值 整 體 都 有 所 下 降，其 中 在60°視 角 下 從0.015 降到0.012；樣品7#的Δu＇v＇值整體明顯下降，在60°視 角 下 從0.012 大 幅 降 到0.005；樣 品8#的Δu＇v＇值 整 體 反 彈 回 升，在60°視 角 下 從0.005 回升到0.008?？傮w看，PVX1 厚度增加對(duì)Δu＇v＇值影響較大，且是非線性變化的。

由圖4（c）可以看出，相比樣品1#，樣品9#的Δu＇v＇值整體變化不大，其中在60°視角下Δu＇v＇值也無(wú)明顯差異；樣品10#～12#整體水平相當(dāng)，Δu＇v＇值 相 對(duì) 樣 品1#稍 有 降 低，在60°視 角 下 從0.015 降到0.012?？傮w看，PVX2 厚度的變化對(duì)Δu＇v＇值影響較小。

圖4 （a）不同GI THK 色偏量變化曲線；（b）不同PVX1 THK 色偏量變化曲線；（c）不同PVX2 THK 色偏量變化曲線。Fig. 4 （a）Δu＇v＇ curve changed with GI THK；（b）Δu＇v＇curve changed with PVX1 THK；（c）Δu＇v＇ curve changed with PVX2 THK.

以上基于色偏量Δu＇v＇值分析無(wú)法直觀表征顯示屏偏向哪種顏色，下面利用“色偏坐標(biāo)系”處理得到如圖5 所示結(jié)果。由圖5 可以看出，所有樣品的（Δu＇，Δv＇）隨著側(cè)視角度增大而遠(yuǎn)離原點(diǎn)。

由圖5（a）可以看出，相比樣品1#，樣品3#在60°視 角 下（Δu＇，Δv＇）由（0.011，-0.010）降 到（0.009，0.003），側(cè)視角下色度由偏紅轉(zhuǎn)向偏黃；樣品2#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）由（0.009，0.003）變到（0.006，0.010），側(cè)視角下色度偏黃加重；樣品4# 在60°視 角 下（Δu＇，Δv＇）明 顯 下 降，由（0.011，-0.010）降到（0.002，-0.001），側(cè)視角下色度偏紅明顯減弱；樣品5#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）升 高，由（0.002，-0.001）回 到（0.005，-0.005），側(cè)視角下色度偏紅加重。總體上看，GI 厚度減薄對(duì)偏移量影響較小，主要是影響色偏方向，由偏紅轉(zhuǎn)為偏黃；GI 厚度增加對(duì)色偏方向無(wú)影響，對(duì)偏移量影響較大，但呈非線性變化，GI 360 nm 條件對(duì)側(cè)視角偏紅改善明顯。

圖5 （a）不 同GI THK 色 偏 坐 標(biāo) 變 化 曲 線；（b）不 同PVX1 THK 色偏坐標(biāo)變化曲線；（c）不同PVX2 THK 色偏坐標(biāo)變化曲線。Fig. 5 （a）OAC shift curve changed with GI THK；（b）OAC shift curve changed with PVX1 THK；（c）OAC shift curve changed with PVX2 THK.

由圖5（b）可以看出，相比樣品1#，樣品6#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.007，-0.009），色度偏紅減弱；樣品7#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.003，-0.003），色度偏紅大幅度減弱；樣品8#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）回到（0.006，-0.005），色度偏紅反轉(zhuǎn)加重?？傮w來(lái)看，PVX1 厚度的增加對(duì)色偏方向無(wú)影響，對(duì)偏移量影響較大，但呈非線性變化，PVX1 140 nm 條件對(duì)側(cè)視角偏紅改善明顯。

由圖5（c）可以看出，相比樣品1#，樣品9#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）無(wú)變化；樣品10#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.012，-0.002），側(cè)視角下色偏方向改變，但是仍偏紅；樣品11#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）下降到（0.009，0.007），側(cè)視角下色偏方向改變，由偏紅轉(zhuǎn)向偏黃；樣品12#在60°視角下（Δu＇，Δv＇）變到（0.011，0.002），側(cè)視角下色偏方向改變較小，仍偏黃?？傮w來(lái)看，PVX2 厚度的增加對(duì)偏移量影響較小，對(duì)色偏方向有一定影響，有偏紅向偏黃轉(zhuǎn)換趨勢(shì)，但存在波動(dòng)性，規(guī)律不明顯。

綜上所述，GI 和PVX1 對(duì)色偏的影響較大，PVX2 對(duì)色偏的影響較小，膜層位置不同影響有差異，位于有機(jī)膜下面的SiNx（GI）厚度降低對(duì)色偏量影響較小，但對(duì)色偏方向有影響；位于有機(jī)膜層下面的SiNx（GI&PVX1）厚度增加色偏量先減小后增加，呈現(xiàn)非線性影響，符合光干涉規(guī)律；而位于有機(jī)膜和1stITO 層上面的SiNx（PVX2）厚度增加對(duì)色偏量影響較小，但是對(duì)色偏方向有一定影響。

3.2 SiNx膜厚對(duì)OAC shift 影響的模擬

為了從理論上佐證上述單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇GI+PVX1 厚度為420 nm和460 nm 作為模擬條件，利用Matlab 軟件建立光學(xué)模型對(duì)OAC shift 進(jìn)行仿真模擬，模擬條件為白畫面下水平方位-60°～60°，模擬方案如表2所示。

表2 SiNx膜厚對(duì)OAC shift 的模擬Tab.2 Simulation of OAC shift by SiNx THK

圖6 為OAC shift 模擬結(jié)果，其中紅色橢圓線代表OAC shift 的規(guī)格線，橢圓短半軸a=0.015，長(zhǎng)半軸b=0.007 5，傾斜角θ=16°。圖6（a）OAC 結(jié)果顯示色偏量較大（超出規(guī)格），且色度偏紅嚴(yán)重，與圖5 中樣品1#的OAC 測(cè)試結(jié)果一致。圖6（b）OAC 結(jié)果顯示色偏量較小（規(guī)格內(nèi)），且色偏現(xiàn)象明顯減輕，與圖5（b）中樣品7#的OAC 測(cè)試結(jié)果接近。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匹配證明了前文的理論推斷：透光膜層膜厚變化導(dǎo)致薄膜晶體管陣列整體膜層干涉效應(yīng)的發(fā)生改變，進(jìn)而引起各波段透過率的變化，最終導(dǎo)致色偏現(xiàn)象。

圖6 （a）OAC shift 模擬曲線1；（b）OAC shift 模擬曲線2。Fig.6 （a）OAC shift simulation curve of case1；（b）OAC shift simulation curve of case2.

3.3 側(cè)視角發(fā)紅的改善

鑒于上述單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果和軟件模擬結(jié)果，本文針對(duì)側(cè)視角白畫面發(fā)紅提出改善措施。綜合考慮電學(xué)特性和產(chǎn)能影響，改善條件采用PVX1 140 nm 更為合理，按照客戶規(guī)格（橢圓線）、斜視方位和角度、測(cè)試數(shù)量（N=15x）以及實(shí)際顯示屏點(diǎn)燈畫面綜合判定樣品是否合格。

參考條件和改善條件分別隨機(jī)取15 片樣品搭配同一塊背光進(jìn)行白畫面下不同視角下的OAC shift 測(cè)試（水平方位-60°～60°），樣品OAC shift 測(cè) 試 結(jié) 果 如 圖7 所 示。圖7（a）OAC shift 實(shí)測(cè)結(jié)果顯示色偏量較大（超出規(guī)格），角度越大色度偏紅越嚴(yán)重，與圖6（a）OAC shift 模擬結(jié)果一致。圖7（b）OAC shift 實(shí)測(cè)結(jié)果顯示色偏量較?。ㄒ?guī)格內(nèi)），且無(wú)明顯色偏現(xiàn)象，與圖6（b）OAC shift 模擬結(jié)果對(duì)比無(wú)明顯差異。

圖7 （a）參考條件的色偏坐標(biāo)變化曲線；（b）改善條件的色偏坐標(biāo)變化曲線。Fig.7 （a）OAC shift curve of reference；（b）OAC shift curve of improved condition.

上述參考樣品和改善樣品分別在水平和垂直方位±60°視角下的白畫面對(duì)比如圖8 所示。通過宏觀視角圖對(duì)比，參考樣品正視角下的白畫面在±60°斜視角下可見明顯發(fā)紅，而改善樣品在斜視角下無(wú)此現(xiàn)象，與圖（7）OAC shift 曲線匹配。綜合OAC shift 曲線和實(shí)際畫面判定，PVX1 140 nm 的條件針對(duì)側(cè)視角發(fā)紅的改善有效。

圖8 參考樣品和改善樣品白畫面四方位視角圖對(duì)比Fig.8 Comparison of the reference sample and improved sample under L255 viewing angle

4 結(jié) 論

針對(duì)HADS 型TFT-LCD 白畫面?zhèn)纫暯前l(fā)紅現(xiàn)象研究了薄膜晶體管透光區(qū)不同氮化硅層對(duì)側(cè)視角色偏的影響。其中有機(jī)膜層以下的氮化硅是影響側(cè)視角色偏的關(guān)鍵因素之一，不僅會(huì)影響色偏量，也會(huì)影響到色偏方向。同步進(jìn)行的軟件模擬驗(yàn)證了單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終綜合考慮特性和產(chǎn)能影響選擇最優(yōu)的條件解決了大視角發(fā)紅問題。

（1）位于有機(jī)膜層下面的SiNx（GI 和PVX1）對(duì)色偏的影響較大，色偏量隨SiNx（GI+PVX1）厚度增加先減小再增加，呈現(xiàn)非線性影響；位于有機(jī)膜下面的SiNx（GI）厚度降低對(duì)色偏量影響較小，但對(duì)色偏方向有影響；而位于有機(jī)膜和1ITO 層上面的SiNx（PVX2）厚度對(duì)色偏量的影響較小，但是對(duì)色偏方向有一定影響，也是呈現(xiàn)非線性影響。

（2）選擇GI+PVX1 厚度420 nm 和460 nm兩個(gè)條件進(jìn)行OAC shift 仿真模擬，模擬結(jié)果與單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配，從而證明了以下理論推斷：透光膜層膜厚變化導(dǎo)致TFT 基板整體膜層干涉效應(yīng)的變化，引起各波段透過率的變化，最終導(dǎo)致色偏現(xiàn)象。

（3）結(jié)合單因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，綜合考慮電學(xué)特性和產(chǎn)能影響，采用PVX1 140 nm 作為改善條件，OAC shift 測(cè)試結(jié)果和宏觀視角圖綜合判定對(duì)側(cè)視角白畫面發(fā)紅的改善有效。

本文研究填補(bǔ)了薄膜晶體管陣列中氮化硅膜層與TFT-LCD 白畫面色偏的研究欠缺，為其他產(chǎn)品類似的光學(xué)色度不良改善提供了有益的參考。