TFT-LCD光致發(fā)綠不良改善、機理分析及研究

汪 棟， 張思凱， 萬冀豫， 袁劍峰， 吳洪江， 洪永泰， 陳維濤

(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器(TFT-LCD)是目前平面顯示器的主流。TFT-LCD包括背光源、偏光片、驅(qū)動電路、陣列基板、彩色濾光片基板、液晶層等結(jié)構(gòu)，其中彩色濾光片具有使成像圖像彩色化的功能。隨著現(xiàn)代顯示器件的要求越來越高，廣色域、低功耗、超高清、低成本等產(chǎn)品的需求日益強烈。作為彩色濾光片中顯色核心的彩色色阻，其在著色力、透過率、信賴性等方面也在持續(xù)優(yōu)化中。色阻在其開發(fā)與生產(chǎn)過程中，難免會出現(xiàn)一些不良，有些為常見不良，但還有一些不良是需要在特定條件下激發(fā)產(chǎn)生[1]，比如本文中的光致發(fā)綠不良。

所謂的“光致發(fā)綠不良(Light-caused green Mura)”，是指產(chǎn)品不同位置出現(xiàn)不同形狀的發(fā)綠現(xiàn)象，微觀分析顯示綠色亞像素顯示局部發(fā)亮現(xiàn)象，而紅色與藍色亞像素顯示正常，如圖1所示。

圖1 TFT-LCD光致發(fā)綠不良現(xiàn)象示意圖Fig.1 Diagram of TFT-LCD light-caused green Mura

TFT-LCD在受到周圍光(環(huán)境光、LED光、紫外光，等)照射一段時間后，其發(fā)綠現(xiàn)象隨點屏?xí)r間而發(fā)生變化。直流點屏10～20 s狀態(tài)下的TFT-LCD受光照區(qū)域會逐漸呈現(xiàn)發(fā)綠現(xiàn)象，持續(xù)點屏25～30 min后，發(fā)綠現(xiàn)象逐漸消失；關(guān)屏靜置2 h后再次點屏，發(fā)綠情況依然存在，如圖2所示。

圖2 TFT-LCD光致發(fā)綠不良隨點屏?xí)r間變化趨勢Fig.2 Trend of TFT-LCD light-caused green Mura with light-on

本文依托4種不同成分的綠色色阻材料，通過液晶面板生產(chǎn)線制成TFT-LCD，測試其在不同光源、不同時間照射下的發(fā)綠情況，另一方面，在實驗室制成色阻材料光電測試樣板，測試其電壓保持率、體積阻抗、介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)等材料光電特性，研究TFT-LCD光致發(fā)綠不良的誘發(fā)原因與根本原因，并建立改善方法與機理分析。

2 樣品制作與測試

2.1 綠色色阻材料

色阻材料一般由顏料、分散劑、聚合物、單體、光起始劑、表面活性劑與添加劑等成分組成，其中顏料為色阻材料的顯色核心成分。本文準(zhǔn)備4種成分的綠色色阻材料A、B、C、D，其詳細成分如表1所示，包含不同的顏料類型、顏料含量與光起始劑類型。其中，色阻A為參比色阻，其他色阻的成分均以A為基準(zhǔn)進行參比；色阻B中G顏料與Y顏料含量比例為A的1.4倍；色阻C在B的基礎(chǔ)上，光起始劑變更為高敏感度類型；色阻D在A的基礎(chǔ)上，使用新型的顏料G58→G58+G59(G59較G58具備更廣的色域)，且G顏料與Y顏料含量比例為A的0.6倍，同時分散劑為了匹配顏料G59也進行相應(yīng)的變更。

表1 色阻材料成分Tab.1 Constituent of color resin

2.2 測試條件及方法

本文依托上述4種不同成分的綠色色阻材料，通過液晶面板生產(chǎn)線制成TFT-LCD，測試其在不同光源、不同時間照射下的發(fā)綠情況；另一方面，在實驗室制成色阻材料光電測試樣板，測試其色度、阻抗、電壓保持率、介質(zhì)損耗因數(shù)等色阻材料光電特性。

2.2.1 TFT-LCD光照發(fā)綠測試

首先針對制成的TFT-LCD，分別用LED白光燈(線光源)與日光燈(面光源)對其進行不同時間的照射，兩種光源與TFT-LCD的彩色濾光品(CF)間距分別變?yōu)?5 cm與120 cm，照射時間分別為10，30，60，120，600 s與1，5，9，36 h，隨后匹配相同的背光源進行直流點屏測試，記錄發(fā)綠的發(fā)生情況，如圖3所示。

(a)LED白光燈(a)LED white lamp

(b)日光燈(b)Fluorescent lamp圖3 TFT-LCD光照發(fā)綠測試方法示意圖Fig.3 Diagram of test method of TFT-LCD light-caused green Mura

2.2.2 測試樣板介質(zhì)損耗因數(shù)測試

介質(zhì)損耗因數(shù)測試樣品制作時，首先在玻璃正面涂覆一層鉻(Cr)膜層，在Cr膜層上方通過旋轉(zhuǎn)涂布制作一層綠色色阻膜層，隨后沉積一層金(Au)膜層，且金膜層不完全覆蓋色阻膜層，存在環(huán)狀局部色阻裸露，如圖4所示。介質(zhì)損耗因素測量時，一側(cè)電極通過金線以及Cr接觸點與環(huán)狀中心區(qū)的Au膜層連接，另一側(cè)電極與Cr膜層連接。隨后采用正接西林電橋[2]的方法對測試樣品進行介質(zhì)損耗因數(shù)的測量，其中測試交流電壓為1 V，交流周波頻率為10 Hz，分別在LED On(光照)和LED Off(無光照)條件下測試材料的介質(zhì)損耗因數(shù)。

圖4 介質(zhì)損耗因數(shù)測試樣品示意圖Fig.4 Diagram of test sample of dielectric loss factor

3 測試結(jié)果及分析

3.1 TFT-LCD光照發(fā)綠測試結(jié)果

上述4種綠色色阻材料制成的TFT-LCD在不同光源、不同照射時間下的發(fā)綠情況如表2所示，其中色阻A與D制成的TFT-LCD在LED白光燈照射600 s以及日光燈照射36 h時均未出現(xiàn)發(fā)綠現(xiàn)象，色阻C制成的TFT-LCD在LED白光燈照射600 s以及日光燈照射36 h時均出現(xiàn)發(fā)綠現(xiàn)象，色阻B制成的TFT-LCD在LED白光燈照射10 s以及日光燈照射5 h時照射出現(xiàn)發(fā)綠現(xiàn)象。綜上所示，色阻A及D制成的TFT-LCD抵抗光致發(fā)綠的能力最強，色阻C次之，色阻B最弱。

比較色阻A、B、D的成分，在材料其他成分不變的情況下，顏料G與顏料Y含量比例越大，該色阻制成的TFT-LCD抵抗光致發(fā)綠的能力越差，所以色阻成分中顏料G可以算是影響光致發(fā)綠能力的重要因素。通過顏料G型號由G58→G58+G59，在保證TFT-LCD產(chǎn)品色度規(guī)格的前提下，可以有效降低色阻中的顏料G的含量，其呈現(xiàn)最佳的光致發(fā)綠抵抗能力。

此外，比較色阻B、C的成分，即使顏料G與顏料Y含量比例相同的情況下，通過增加高敏感度光起始劑的方法也能夠有效提升色阻制成的TFT-LCD抵抗光致發(fā)綠的能力，但是提升的程度有限。

表2色阻材料制成的TFT-LCD光致發(fā)綠測試結(jié)果(√：無不良；×：有不良)

Tab.2 Light-caused green Mura of TFT-LCD with color resin(√：No Mura；×：Have Mura)

LED白光燈樣品10 s 30 s 60 s 120 s 600 s A√√√√√B×××××C√√√√×D√√√√√日光燈樣品1 h 5 h 9 h 36 h A√√√√B√×××C√√√×D√√√√

3.2 測試樣板介質(zhì)損耗因數(shù)測試結(jié)果

針對上述4種綠色色阻材料，除TFT-LCD光致發(fā)綠測試外，其光電特性也被用來分析TFT-LCD光致發(fā)綠的根本原因。依托材料制成的光電測試樣板，進行材料光電特性研究。如表3所示，雖然上述材料制成的TFT-LCD呈現(xiàn)不同的光致發(fā)綠現(xiàn)象，但是其電壓保持率、體積電阻與介電常數(shù)基本相同，排除上述3項光電特性造成光致發(fā)綠不良。除上述3項光電特性外，介質(zhì)損耗因數(shù)也是近期提出的可能影響TFT-LCD光致發(fā)綠的原因。

表3色阻材料制成的光電測試樣板電壓保持率、體積電阻與介電常數(shù)測試結(jié)果

Tab.3 VHR,volume resistance,dielectric constant of test substrate with color resin

項目電壓保持率/% 體積電阻/(Ω?cm)介電常數(shù)測試條件60 Hz, 5 V-10 V,100 kHz10 V,10 kHz10 V,1 kHzA91.6%4.11E+154.314.434.53B91.2%3.87E+153.914.014.09C92.0%4.75E+153.914.014.10D91.6%4.07E+153.944.054.13

圖5 色阻材料制成的光電測試樣板的介質(zhì)損耗因數(shù)Fig.5 Dielectric loss factor of test substrate with color resin

對4種綠色色阻制成的光電測試樣板，分別測量LED Off(無光照)以及LED On(有光照)兩種情況下各樣板的介質(zhì)損耗因數(shù)。以色阻A制成的光電測試樣板LED On時的介質(zhì)損耗因數(shù)為基準(zhǔn)1.0，其他測試樣板的介質(zhì)損耗因數(shù)均以相對基準(zhǔn)值給出。如圖5所示，LED Off狀態(tài)下，色阻A、B、C、D制成的光電測試樣板對應(yīng)的相對介質(zhì)損耗因數(shù)均在1.0以下；LED On狀態(tài)下，色阻B、C制成的光電測試樣板對應(yīng)的相對介質(zhì)損耗因數(shù)均超過1.0，色阻D對應(yīng)的相對介質(zhì)損耗因數(shù)較LED Off時有所增加，但仍然低于1.0；結(jié)合色阻B、C制成的TFT-LCD樣品易于出現(xiàn)光致發(fā)綠不良，而色阻A、D樣品不容易出現(xiàn)光致發(fā)綠的結(jié)果來看，利用介質(zhì)損耗因數(shù)的大小能夠很好地表征綠色色阻制成的TFT-LCD樣品抵抗光致發(fā)綠不良的能力；受光照射后，色阻的介質(zhì)損耗因數(shù)越大，就越容易發(fā)生光致發(fā)綠不良。

4 光致發(fā)綠機理分析

4.1 綠色色阻成分中顏料特性

針對綠色色阻材料，其成分中的顏料單元均包含一種叫做酞箐的金屬絡(luò)合物，如圖6所示。該絡(luò)合物的分子結(jié)構(gòu)骨架中心金屬M為銅(Cu)或鋅(Zn)金屬，最外側(cè)連接為氯(Cl)或者溴(Br)原子[3]。

圖6 G顏料的酞箐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of Phthalocyanine of green pigment

金屬酞箐具有共軛結(jié)構(gòu)，周邊的芳香環(huán)不僅有電子給體的特性，還有電子受體的特性，此外它還具備一定的半導(dǎo)體性能[4-5]。當(dāng)存在光照時，金屬酞箐較容易發(fā)生電子遷移，導(dǎo)致材料的絕緣性能減弱，宏觀即表征為該材料的介質(zhì)損耗因數(shù)升高。

4.2 光致發(fā)綠原因分析

針對關(guān)電狀態(tài)下常黑模式的TFT-LCD，只有在施加電壓進行直流點屏?xí)r液晶盒中的液晶(LC)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，背光源的光線才能穿過LC層進入彩色濾光片的RGB像素層。當(dāng)TFT-LCD持續(xù)點屏一段時間后，由于液晶出現(xiàn)極化[6]，液晶盒中會產(chǎn)生與當(dāng)前電場方向相反的耦合電場，逐步削弱原電場對LC的偏轉(zhuǎn)作用，所以透過RGB像素膜層的光也會逐漸減弱。

當(dāng)液晶盒中的電場狀態(tài)正常時，透過RGB像素膜層的光的減弱趨勢一致，TFT-LCD顯示畫面呈現(xiàn)正常狀態(tài)。當(dāng)綠色色阻膜層被周邊光線照射后，由于其介質(zhì)損耗因數(shù)增加，在原電場的作用下，損耗的能量將以電場的形式釋放出來，如圖7所示為介質(zhì)損耗因素(tanδ)對應(yīng)液晶盒中電路示意圖。當(dāng)TFT-LCD彩色濾光片的材料存在介質(zhì)損耗時，等效于一個電阻與電容的并聯(lián)電路，TFT-LCD中電流I被分解為IC與IR。在TFT-LCD長時間點屏的過程中，液晶的極化使得紅色與藍色像素逐漸變暗，但是綠色像素因為存在額外電場，如圖8所示，綠色色阻膜層介質(zhì)損耗因素增加誘發(fā)額外電場，誘導(dǎo)綠色像素對應(yīng)的液晶分子偏轉(zhuǎn)異常，進而導(dǎo)致綠色像素變暗的速度會較紅藍像素慢，宏觀表征為光致發(fā)綠現(xiàn)象。隨著TFT-LCD點屏?xí)r間的繼續(xù)延長，耦合電場逐漸加強，最終綠色像素還是會逐漸變暗，發(fā)綠現(xiàn)象消失。

(1)

圖7 介質(zhì)損耗因素(tanδ)對應(yīng)液晶盒中電路示意圖Fig.7 Circuit diagram of Phthalocyanine corresponding to the TFT-LCD

圖8 額外電場誘導(dǎo)液晶分子偏轉(zhuǎn)異常示意圖Fig.8 Diagram of abnormal deflection of LC induced by extra electric field

5 結(jié) 論

通過4種不同成分的綠色色阻材料制成的TFT-LCD與光電測試樣板在光照條件下的發(fā)綠情況分析，確定TFT-LCD光致發(fā)綠不良源于綠色色阻中含有的金屬酞箐類G顏料，且不良程度與G顏料含量強關(guān)聯(lián)。此類顏料具有共軛結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體特性，光照狀態(tài)下發(fā)生電子遷移，導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)升高，影響TFT-LCD的耦合電場，進而導(dǎo)致彩色濾光片RGB像素亮度的差異化，形成光致發(fā)綠不良。依托方法(1)使用廣色域的G顏料，在保證TFT-LCD產(chǎn)品色度規(guī)格的前提下，可以有效降低綠色色阻中的G顏料含量，方法(2)使用高敏感度的光起始劑，可以有效改善TFT-LCD產(chǎn)品的光致發(fā)綠不良，尤其方法(1)更為有效。

通過TFT-LCD光致發(fā)綠不良改善、機理分析與研究，建立TFT-LCD顯色核心的彩色濾光片RGB色阻成分管理基準(zhǔn)，同時搭建光致發(fā)綠不良的生產(chǎn)線與實驗室評價體系，為后續(xù)色阻材料開發(fā)提供理論指導(dǎo)。