ADS超高清產(chǎn)品對(duì)比度提升

董 霆， 李曉吉， 曲瑩瑩， 陳軼夫， 黃建華， 薄靈丹， 孫志華， 李承珉， 廖燕平， 邵喜斌

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176 )

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示在大尺寸(TV)領(lǐng)域仍占主要市場(chǎng)[1]。眾多廣視角技術(shù)中，京東方公司的高級(jí)超維場(chǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)[2](Advanced Super Dimension Switch,ADS)具有高分辨率、高透過(guò)率、低功耗、寬視角、高開(kāi)口率、低色差、無(wú)擠壓水波紋[3](Push Mura)等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于其他顯示模式(例如VA),存在著對(duì)比度(Contrast Ratio，CR)偏低的問(wèn)題。

對(duì)比度(CR)是指屏幕的純白色亮度(L255)和純黑色亮度(L0)的比值。對(duì)比度影響因素較多，其中影響純黑色亮度(L0)主要包括配向膜預(yù)傾角的大小[4]以及金屬膜層的反射等因素。本文基于配向膜材料以及TFT基板工藝不變更的前提下，首先分析了ADS模式CR偏低的原因，然后根據(jù)分析從設(shè)計(jì)和材料兩方面提出了ADS超高清(UHD)產(chǎn)品CR提升的方法。與傳統(tǒng)的產(chǎn)品相比較，在設(shè)計(jì)方面采用了高透像素設(shè)計(jì)，在提升L255的亮度的同時(shí)，保證L0亮度不變；同時(shí)開(kāi)發(fā)了一種低散射液晶，降低L0亮度，明顯改善了對(duì)比度。將高透像素設(shè)計(jì)搭載55UHD ADS及49UHD產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將低散射液晶搭載49UHD ADS產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用高透像素設(shè)計(jì)面板的與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)面板相比，對(duì)比度約提升8.3%；采用高透像素設(shè)計(jì)面板的與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)面板相比，對(duì)比度約提升22%。

2 ADS UHD產(chǎn)品CR偏低原因

2.1 顯示模式差異

ADS結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。在此結(jié)構(gòu)中，液晶的配向力弱，液晶的旋轉(zhuǎn)為面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。光通過(guò)液晶盒時(shí)，光的行進(jìn)方向?yàn)橐壕Х枪廨S方向，其光路圖如圖1(b)所示，散射比較大，CR約為1 200；VA結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，在此結(jié)構(gòu)中，光通過(guò)液晶盒時(shí)，光的行進(jìn)方向?yàn)橐壕У墓廨S方向，其光路圖如圖2(b)，散射比較小，CR約為3 000。顯示模式的差異導(dǎo)致了對(duì)比度差異的產(chǎn)生。

(a)ADS模式結(jié)構(gòu)截面圖(a)Section view of ADS mode structure

(b)光通過(guò)ADS 液晶盒示意圖(b) Diagram of light passing through ADS cell圖1 ADS模式結(jié)構(gòu)及光路圖Fig.1 Diagram of ADS mode structure and light path

(a)VA模式結(jié)構(gòu)截面圖(a)Section view of VA mode structure

(b)光通過(guò)VA液晶盒示意圖(b) Diagram of light pass through VA cell圖2 VA模式結(jié)構(gòu)及光路圖Fig.2 Diagram of VA mode structure and light path

2.2 液晶配向差異

摩擦配向工藝[5]是目前ADS模式中常用的液晶取向工藝，如圖3(a)所示，其特點(diǎn)是技術(shù)成熟，穩(wěn)定性高，可靠性好。其缺點(diǎn)也十分明顯，一是易產(chǎn)生異物，且易導(dǎo)致PI劃傷；二是易產(chǎn)生靜電；三是由于段差的存在，導(dǎo)致摩擦弱區(qū)的產(chǎn)生，如圖3(b)所示，在此區(qū)域內(nèi)，液晶配向紊亂，暗態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏光現(xiàn)象，導(dǎo)致暗態(tài)的亮度偏高，從而導(dǎo)致對(duì)比度偏低。在VA模式中，使用的配向工藝為光配向[6]，如圖4(a)所示。與摩擦工藝相比較，其具有兩個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：一是摩擦工藝相關(guān)不良均不會(huì)產(chǎn)生；二是無(wú)摩擦弱區(qū)存在，如圖4(b)所示，液晶的配向均一性大大優(yōu)于摩擦工藝,因此暗態(tài)亮度明顯低于ADS模式，這就導(dǎo)致了VA模式的CR高于ADS模式。

(a)摩擦工藝截面圖(a)Section view of rubbing process

(b)摩擦弱區(qū)截面圖(b)Section view of rubbing weak area圖3 摩擦工藝和弱區(qū)截面圖Fig.3 Section view of rubbing process and weak area

(a)光配向工藝截面圖(a)Section view of OA process

(b)光配向工藝液晶配向圖(b)Section view of OA LC alignment圖4 光配向工藝和液晶配向圖Fig.4 Section view of OA process and LC alignment

2.3 摩擦角度和偏光片光軸夾角的存在

對(duì)于ADS模式而言，最理想的狀態(tài)是液晶分子與偏光片的透過(guò)軸完全平行[7]，這樣的狀態(tài)下，不會(huì)有漏光產(chǎn)生。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，摩擦角度無(wú)法實(shí)時(shí)管控，偏光片貼附存在貼附公差，則會(huì)導(dǎo)致摩擦角度與偏光片光軸夾角θ的存在(圖5)。以1 905 cm(75 in)面板為例，對(duì)VA模式和ADS模式做比較，在相同的貼附精度下，總的工藝精度相差較大[8]，詳見(jiàn)表1。這就導(dǎo)致了暗態(tài)亮度偏高，從而導(dǎo)致對(duì)比度偏低。

圖5 夾角θ產(chǎn)生示意圖Fig.5 Diagvam of θ generation

表1 總精度比較Tab.1 Total accuracy contrast

圖6 夾角θ對(duì)CR的影響(模擬結(jié)構(gòu))Fig.6 Simulation structure of θ effect on CR

同時(shí)使用TechWiz2D軟件模擬了摩擦方向偏差角度對(duì)CR的影響，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，結(jié)論也與上面的理論一致，夾角越大，暗態(tài)亮度越高，從而導(dǎo)致對(duì)比度越低，詳情見(jiàn)表2。

表2 模擬結(jié)果Tab.2 Simulation result

3 ADS UHD產(chǎn)品CR提升方案

液晶顯示器的主要參數(shù)為分辨率、色域、透過(guò)率與對(duì)比度等。對(duì)比度對(duì)視覺(jué)效果的影響非常關(guān)鍵，一般來(lái)說(shuō)對(duì)比度越大，圖像越清晰醒目，色彩也越鮮明艷麗。對(duì)比度的定義為在暗室中，白色畫(huà)面(最亮?xí)r)下的亮度除以黑色畫(huà)面(最暗時(shí))下的亮度，常用公式(1)進(jìn)行表征計(jì)算：

(1)

其中：L255為屏幕的純白色亮度， L0為屏幕的純黑色亮度。根據(jù)公式，可以從以下方案著手考慮：(1)提升L255，L0不變；(2)L255不變，降低L0亮度。其中，方案1可以從設(shè)計(jì)方面考慮。根據(jù)上面的分析，由于顯示模式的差異，ADS模式具有更多的散射，從而導(dǎo)致CR偏低；方案二可以從材料方面著手，通過(guò)降低散射達(dá)到降低L0亮度的目的。

3.1 L255提升，L0不變方案

本文對(duì)我公司所使用的高透過(guò)率像素設(shè)計(jì)對(duì)CR的影響進(jìn)行了研究，平面圖如圖7所示，主要通過(guò)3個(gè)方向?qū)⒁壕姘宓耐高^(guò)率提升，從而使得L255得以提升。

通過(guò)TechWiz 3D軟件模擬，3個(gè)優(yōu)化點(diǎn)[9]所帶來(lái)的透過(guò)率的提升具體見(jiàn)表3。

圖7 高透過(guò)率像素設(shè)計(jì)平面圖Fig.7 Top view of high transmittance pixel design

表3 高透像素模擬結(jié)果Tab.3 High transmittance pixel simulation result

如圖8所示，對(duì)于ADS模式，電場(chǎng)可以分為Ey及Ez。Ey有利于液晶旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋光，Ez不利于液晶分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)。由于電極結(jié)構(gòu)的原因，在電極寬度中間位置和電極間隔中間的位置，是有效電場(chǎng)Ey的極弱區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，液晶分子旋轉(zhuǎn)較少，導(dǎo)致透過(guò)率偏低[10]。

圖8 ADS 電場(chǎng)分布Fig.8 ADS electric field distribution

高透像素設(shè)計(jì)首先通過(guò)像素間距及電極寬度W的減小有效改善了電極中間位置的暗場(chǎng)區(qū)及電極間隔中間的暗場(chǎng)區(qū)，從而提升了液晶面板的透過(guò)率；其次通過(guò)優(yōu)化像素電極到數(shù)據(jù)線的距離及優(yōu)化像素電極邊緣寬度，進(jìn)一步改善整個(gè)像素邊緣的暗場(chǎng)區(qū)與，從而進(jìn)一步導(dǎo)致透過(guò)率提升；最后優(yōu)化隔墊物(PS)大小及黑矩陣(BM)寬度，提升開(kāi)口率實(shí)現(xiàn)透過(guò)率的提升。根據(jù)表3模擬結(jié)果。3個(gè)方案透過(guò)率共計(jì)提升7%，同時(shí)優(yōu)化PS大小及BM寬度，透過(guò)率合計(jì)提升8.5%。其光效圖如圖9所示，圖中藍(lán)色框線所標(biāo)示的區(qū)域即為相對(duì)普通像素通過(guò)設(shè)計(jì)改善的區(qū)域。

將本設(shè)計(jì)投入55UHD及49UHD產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖9 像素液晶光效對(duì)比Fig.9 LC efficiency compare

3.2 L255不變，L0降低方案

ADS模式相比VA模式，具有更多的散射，導(dǎo)致了暗態(tài)亮度偏高。降低材料的散射系數(shù)可以有效減少暗態(tài)時(shí)的亮度，提升對(duì)比度。RGB光刻膠及液晶均可以降低散射。目前RGB光刻膠所使用的顯色劑大多為顏料系。相比于顏料系，染料系具有更高的對(duì)比度，但染料系存在壽命短、信賴性差等問(wèn)題，暫時(shí)不能量產(chǎn)。而顏料系本身的對(duì)比度已經(jīng)到達(dá)瓶頸階段，故只能尋求通過(guò)降低液晶散射來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶面板整體的散射降低。液晶的物性參數(shù)與散射的關(guān)系如下：

(2)

其中：Scell為液晶盒的散射系數(shù)，從公式(2)中可以看出，液晶材料的折射率及彈性常數(shù)(K)[11]是主要影響因素，可以通過(guò)調(diào)整液晶的這兩項(xiàng)參數(shù)，即Kii變大，Δn變小，有效降低液晶盒的散射系數(shù)，從而達(dá)到降低暗態(tài)亮度，提升對(duì)比度的目的。

我公司聯(lián)合液晶供應(yīng)商，進(jìn)行新液晶材料的開(kāi)發(fā)，通過(guò)TechWiz 2D軟件模擬，確認(rèn)可以有效降低散射系數(shù)，液晶參數(shù)見(jiàn)表4，具體的模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 高對(duì)比度液晶參數(shù)Tab.4 High CR LC parameters

表5 高對(duì)比度液晶模擬結(jié)果Tab.5 High CR LC simulation results

根據(jù)表5的光學(xué)模擬數(shù)據(jù)，其中，亮態(tài)考慮液晶參數(shù)的影響，暗態(tài)考慮散射因子，通過(guò)Tr(L255)/Scell(散射因子)表征CR的變化，相對(duì)于參照液晶，高CR-A及高CR-B液晶在不同程度上可以提升對(duì)比度，其中高CR-A提升了52.42%，高CR-B提升7.28%。根據(jù)模擬結(jié)果，我們以49 UHD ADS產(chǎn)品為測(cè)試平臺(tái)，對(duì)高CR-A液晶進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

4.1 實(shí)驗(yàn)樣品及光學(xué)結(jié)果(L255提升，L0不變方案)

為驗(yàn)證高透像素設(shè)計(jì)對(duì)面板對(duì)比度的實(shí)際影響，我們采用a-Si, 4mask工藝流程，將高透像素設(shè)計(jì)搭載在55UHD及49UHD 單柵驅(qū)動(dòng)ADS產(chǎn)品上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。兩款產(chǎn)品均為常規(guī)的RGB產(chǎn)品。主要對(duì)液晶面板的光學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，確認(rèn)了對(duì)高透像素設(shè)計(jì)的影響。

表6 光學(xué)參數(shù)對(duì)比Tab.6 Optical data contrast

由表6結(jié)果可以看出，采用高透像素設(shè)計(jì)的面板光學(xué)參數(shù)與采用常規(guī)像素設(shè)計(jì)的面板相比，液晶面板的黑畫(huà)面亮度(L0)并無(wú)明顯變化，由于白畫(huà)面亮度(L255)提升明顯，這就導(dǎo)致了CR提升約100，對(duì)比度提升比例約為8.3%。這個(gè)結(jié)果與上文中提到的模擬值相吻合。

4.2 實(shí)驗(yàn)樣品及光學(xué)結(jié)果(L255不變，L0降低方案)

為驗(yàn)證高對(duì)比度液晶對(duì)對(duì)比度的實(shí)際影響，我們采用a-Si, 4mask工藝流程，在49UHD單柵驅(qū)動(dòng)ADS產(chǎn)品上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該產(chǎn)品均為常規(guī)的RGB產(chǎn)品，分辨率為3 840×2 160，幀頻為60 Hz，像素大小為279.6×279.6 μm，量產(chǎn)品主要使用普通正性液晶，除液晶以外，兩種面板的其他設(shè)計(jì)完全相同。通過(guò)對(duì)兩種面板的光學(xué)、信賴性、殘像等性能參數(shù)的測(cè)試，對(duì)比分析出高CR-A液晶的優(yōu)劣以及對(duì)比度提升的比例。其中光學(xué)部分包括色域、色溫、透過(guò)率、對(duì)比度、響應(yīng)時(shí)間、Gamma等，詳見(jiàn)表7，其數(shù)據(jù)為5片面板的平均值。

根據(jù)表7的光學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，使用兩種液晶的面板，白畫(huà)面亮度差異非常小，由于液晶的Δn及彈性常數(shù)K的調(diào)整，液晶盒散射系數(shù)(Scell)大幅降低，其直觀的光學(xué)結(jié)果表現(xiàn)在暗態(tài)亮度降低明顯。由對(duì)比度計(jì)算公式可知，對(duì)比度有大幅提升，提升比例為22%，其他光學(xué)結(jié)果基本一致， 與上文中提到的模擬值趨勢(shì)一致。

殘像水平是評(píng)價(jià)液晶面板的重要指標(biāo)[12]，我公司的評(píng)價(jià)方式采用7×5 Chess畫(huà)面和127灰階畫(huà)面，圖9即為測(cè)試畫(huà)面。

表7 高對(duì)比液晶測(cè)試光學(xué)結(jié)果Tab.5 High CR LC test optical result

圖10 殘像測(cè)試圖片F(xiàn)ig.10 Image sticking test pattern

檢測(cè)時(shí)間分別為1 h，3 h+5 min，10 h+5 s，24 h，之后每24 h檢查一次，直至168 h，終檢時(shí)間點(diǎn)為168 h+1 h。其檢查方法為將7×5 chess畫(huà)面切換至127灰階畫(huà)面，觀察殘像嚴(yán)重程度，對(duì)嚴(yán)重程度求多片液晶面板平均值。如果有殘像，就繼續(xù)向上調(diào)整灰階，直至無(wú)法觀察到殘像，這個(gè)灰階會(huì)定義為消失灰階。我公司的殘像評(píng)價(jià)基準(zhǔn)是從嚴(yán)重程度和消失灰階兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，詳情參見(jiàn)表8，其數(shù)據(jù)為4片液液晶面板結(jié)果的平均值。

表8 高對(duì)比液晶測(cè)試殘像結(jié)果Tab.8 High CR LC image sticking result

如表8所示，與量產(chǎn)相比，殘像短期出現(xiàn)較早，1 h即出現(xiàn)殘像，消失灰階略高，為L(zhǎng)140；隨著時(shí)間增加，由于直流(DC)積累，殘像嚴(yán)重程度未有大幅變化，但消失灰階逐漸增加，消失灰階仍處在客戶可接受范圍之內(nèi)；168+1 h終檢，消失灰階最終變?yōu)長(zhǎng)147，屬于和量產(chǎn)相當(dāng)?shù)臍埾袼健?/p>

信賴性測(cè)試[13]是液晶面板的必須測(cè)試項(xiàng)目之一。針對(duì)產(chǎn)品制定一系列方法、試驗(yàn)和檢查流程，目的在于確認(rèn)生產(chǎn)的半成品、完成品在入庫(kù)、在庫(kù)、出廠過(guò)程中是否符合產(chǎn)品環(huán)境相關(guān)規(guī)定要求。測(cè)試項(xiàng)目主要包括低溫運(yùn)行(LTO)、高溫高濕存儲(chǔ)(THS)、低溫存儲(chǔ)(LTS)、高溫高濕運(yùn)行(THO)、冷熱沖擊試驗(yàn)1(TST-1),以及低溫結(jié)晶測(cè)試等。具體的測(cè)試條件及結(jié)果詳見(jiàn)表9。

表9 高對(duì)比度液晶信賴性結(jié)果Tab.8 High CR LC reliability test result

如表9所示，搭載高CR-A液晶的面板，信賴性測(cè)試全部通過(guò)，與普通液晶相比，滿足產(chǎn)品的需求。

高CR-A液晶在提升對(duì)比度的同時(shí)，面板的透過(guò)率并未降低，響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)甚至優(yōu)于當(dāng)前的量產(chǎn)液晶；殘像水平略差于普通的量產(chǎn)液晶，但仍滿足客戶要求，后續(xù)可以通過(guò)灰階透過(guò)率曲線精細(xì)化調(diào)整進(jìn)行改善；信賴性方面也全面通過(guò)測(cè)試，綜合光學(xué)、殘像、信賴性等全部測(cè)試的結(jié)果可以判定，該液晶可提升對(duì)比度約22%，且滿足量產(chǎn)需求。

5 結(jié) 論

本文分析了ADS模式對(duì)比度偏低的原因，并根據(jù)原因介紹了一種高透像素設(shè)計(jì)及一種高對(duì)比度液晶。通過(guò)高透像素設(shè)計(jì)的使用，實(shí)現(xiàn)了液晶面板白畫(huà)面亮度提升，而且黑畫(huà)面亮度未受影響。搭載55UHD和49UHD兩款產(chǎn)品對(duì)這種設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，并與常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用這種高透像素設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，對(duì)比度提升了約8.3%，該設(shè)計(jì)具備通用性；同時(shí)從ADS模式液晶盒散射較高作為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種低散射液晶，該液晶通過(guò)調(diào)整液晶的折射率(Δn)和彈性常數(shù)(K)，實(shí)現(xiàn)了液晶盒散射的降低，達(dá)到降低黑畫(huà)面亮度的目的，同時(shí)其白畫(huà)面亮度并未降低。搭載55UHD產(chǎn)品對(duì)這種低散射液晶進(jìn)行了驗(yàn)證，并與使用普通液晶的量產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用這種低散射液晶的面板的光學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果與普通液晶的TFT面板除黑畫(huà)面亮度及對(duì)比度以外的數(shù)據(jù)基本一致，其對(duì)比度獲得大幅提升；同時(shí)，其殘像及信賴性測(cè)試均滿足量產(chǎn)需求，在不變更工藝條件的前提下，可以直接使用，對(duì)比度提升約22%。高透像素設(shè)計(jì)方案配合高對(duì)比液晶共同使用，可使ADS UHD產(chǎn)品的面板對(duì)比度提升約30%。