ADS液晶面板劃痕Mura研究

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)

1 引 言

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)評價包括按壓測試，拍擊測試，及滑動按壓測試等[2-6]。這些嚴苛的測試用來模擬生產(chǎn)、運輸、使用過程中遇到碰撞、擠壓時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、工藝、包裝、運輸?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[7-9]。

本文通過對比5種不同像素設(shè)計的ADS液晶面板的滑動按壓結(jié)果，得到了像素末端設(shè)計、電極間距設(shè)計、驅(qū)動電壓對劃痕Mura(Trace Mura)的影響；同時通過模擬軟件模擬5種面板的液晶分子排列，對比試驗結(jié)果，分析Trace Mura發(fā)生的理論機理，得出模擬判定Trace Mura的參考依據(jù)。

2 滑動按壓測試方法和判定標(biāo)準(zhǔn)

滑動按壓測試方法為：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，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，那么手指滑動過的位置，會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)象嚴重的液晶屏永久不能恢復(fù)到正常的畫面，需要手動切換到低灰階畫面，劃痕才能消失。為了不影響終端客戶的使用體驗，行業(yè)內(nèi)通常以5 s內(nèi)作為觀察時間，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)

3 液晶面板ADS模式的像素設(shè)計

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；第二層氧化銦錫電極(2ITO)為條狀設(shè)計，其中W為條狀電極的寬度，S為狀電極的間距，P為W與S的和代表條狀電極的節(jié)距。1ITO & 2ITO之間的邊緣電場驅(qū)動液晶分子轉(zhuǎn)動。

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)計的液晶顯示面板進行測試，見圖4。

圖4 面板a(a)、 面板b(b)、面板c(c)、面板d(d)、面板e(e)，5種面板的電極設(shè)計圖。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，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，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，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，見圖4(d)。

面板e：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。見圖4(e)。

4 不同像素設(shè)計的ADS面板的按壓結(jié)果

對以上5種面板分別在L255灰階下進行滑動按壓測試，觀察有無Trace Mura。同時，為了更好地了解按壓前后的像素變化細節(jié)，我們將5種面板點亮，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用手指滑動后痕跡不顯示滑動痕跡，即判定為無Trace Mura, 見圖6；面板c用手指滑動后痕跡不顯示滑動痕跡，即判定為無Trace Mura, 見圖7；面板d用手指滑動后痕跡不能消失，即判定為有Trace Mura，見圖8；面板e用手指滑動后痕跡不顯示滑動痕跡，即判定為無Trace Mura, 見圖9。

圖5(a)為面板a滑動按壓測試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過的局部區(qū)域，畫面偏暗，即存在Trace Mura風(fēng)險。

圖5 面板a的滑動按壓測試結(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單個像素在按壓前為正常驅(qū)動畫面和排布；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的滑動按壓測試宏觀圖和微觀圖，圖6(a)-1為面板b手指滑動按壓中的宏觀圖，(a)-2為手指滑動按壓5 s后的宏觀圖，(b)-1為滑動按壓中的微觀圖，(b)-2為滑動按壓5 s后的微觀圖。

圖6 面板b的滑動按壓測試結(jié)果宏觀圖(a)及微觀圖(b)。(a)-1為面板b手指滑動按壓中的宏觀圖，(a)-2手指滑動按壓5 s后的宏觀圖， (b)-1為滑動按壓中的微觀圖，(b)-2為滑動按壓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。

在微觀畫面下，面板b單個像素在按壓中，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)動下的排布。

圖7為面板c的滑動按壓測試宏觀圖和微觀圖，圖7(a)-1為面板c手指滑動按壓中的宏觀圖，(a)-2為手指滑動按壓5 s后的宏觀圖，(b)為滑動按壓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。

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的滑動按壓測試宏觀圖和微觀圖，圖8(a)為面板d手指按壓滑動5 s后的宏觀圖， (b)為滑動按壓5 s后的微觀圖。

圖7 面板c的滑動按壓測試結(jié)果宏觀(a)及微觀圖(b)。(a)-1為面板c手指滑動按壓中的宏觀圖；(a)-2手指滑動按壓5 s后的宏觀圖;(b)為滑動按壓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，按壓痕跡出現(xiàn)且5 s后不消失，即有Trace Mura風(fēng)險。

在微觀畫面下，面板d的單個像素在按壓壓力消失5 s后，像素的大部分、甚至整個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的滑動按壓測試宏觀圖和微觀圖，圖9(a)-1為面板e手指按壓滑動中的宏觀圖，(a)-2為面板e手指按壓滑動5 s后的宏觀圖， (a)-1為滑動按壓中的微觀圖，(b)-2為滑動按壓5 s后的微觀圖?？梢钥吹?，在宏觀畫面下面板e(在L255灰階下)，用手指按壓液晶顯示面板時，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。

圖9 面板e的滑動按壓測試結(jié)果宏觀(a)及微觀圖(b)。(a)-1為面板e手指滑動按壓中的宏觀圖；(a)-2手指滑動按壓5 s后的宏觀圖；(b)-1為滑動按壓中的微觀圖；(b)-2為滑動按壓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的像素在按壓時，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。

5 ADS模式不同面板滑動按壓結(jié)果分析

通過對比分析5種ADS液晶顯示面板的滑動按壓結(jié)果，我們從以下3個方面考慮ADS液晶面板影響Trace Mura的關(guān)鍵因素及其發(fā)生機理。

5.1 像素電極末端設(shè)計對Trace Mura的影響

從面板a和面板b、面板c和面板d兩組的滑動按壓測試可以看到(表1)：在相同的寬度(W)、節(jié)距(P)條件下，弧角設(shè)計優(yōu)于切角設(shè)計(面板a與b對比)，而切角設(shè)計優(yōu)于開口設(shè)計(面板c與d對比)，即得出以下結(jié)論：對于Trace Mura風(fēng)險的防范設(shè)計，在考慮電極末端設(shè)計時，弧角設(shè)計優(yōu)于切角設(shè)計，切角設(shè)計優(yōu)于開口設(shè)計。

表1 不同像素末端設(shè)計的按壓結(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

5.2 像素電極的間距對Trace Mura的影響

我們選取條狀電極末端設(shè)計為切角設(shè)計的面板，從面板a、c和面板e的滑動按壓測試結(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，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)險設(shè)計。

圖10 面板a、c、e不同電極間距設(shè)計的模擬突變區(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)計面板a2.65.42.4有面板c2.24.42.0無面板e2.94.92.1無

5.3 電壓對Trace Mura的影響

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的影響實驗。

實驗1，見圖11：我們在正常的灰階畫面下，用手指劃動液晶顯示面板，發(fā)現(xiàn)在L255～L240灰階下均能劃出Trace Mura, 而在低于L240灰階時，則不能劃出Trace Mura。

圖11 面板d不同電壓下滑動按壓測試結(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.

實驗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個灰階。在L255灰階，受壓力影響，液晶分子偏轉(zhuǎn)后與電場達成平衡態(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，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，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)。

由以上兩個實驗可知：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。

5.4 ADS模式液晶面板Trace Mura模擬判定方法

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)，這個局部區(qū)域在受力按壓后，擴大到條狀電極中部，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，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。

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，模擬實驗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，液晶面板有Trace Mura風(fēng)險，且該角度越大，則Trace Mura越嚴重。

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,最嚴重-36.9°面板e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，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時不發(fā)生Trace Mura；大于6.3 V時，突變角度大于15°，與實驗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，更容易發(fā)生Trace Mura。

6 結(jié) 論

本文通過對比5種不同像素設(shè)計的ADS液晶面板的按壓劃痕，得到了像素條狀電極末端設(shè)計、條狀電極間距設(shè)計、驅(qū)動電壓對Trace Mura的影響：

對于Trace Mura 風(fēng)險的防范設(shè)計，在考慮像素電極末端設(shè)計時，弧角設(shè)計優(yōu)于切角設(shè)計，切角設(shè)計優(yōu)于開口設(shè)計；像素條狀電極的間距越小，Trace Mura風(fēng)險越?。籘race 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發(fā)生突變，向相反方向偏轉(zhuǎn)角度越大，Trace Mura風(fēng)險越大，以現(xiàn)有模擬數(shù)據(jù)認為，模擬偏轉(zhuǎn)角度在15°以上，有Trace Mura風(fēng)險。該方法與實驗有較好的符合，為以后產(chǎn)品開發(fā)時，通過模擬分析評判Trace Mura風(fēng)險提供了參考依據(jù)。