ADS雙柵線結構高透像素設計

王小元， 方 琰，王 武， 白雅杰， 畢瑞琳， 廖燕平， 李承珉， 袁劍峰， 邵喜斌

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶400700)

1 引 言

先進的超級多維場開關(Advanced Super Dimension Switch，ADS)顯示模式具有視角寬、響應速度快和對比度高等優勢，廣泛應用于TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)行業，是TV產品的主流顯示模式之一[1-5]。目前，TFT-LCD行業趨于成熟，伴隨競爭日益激烈的市場環境和OLED(Organic Light-Emitting Diode)等新型顯示技術的發展，液晶顯示行業面臨的挑戰越來越大[6-7]。為保持TFT-LCD產品的競爭力，需要不斷提升TFT-LCD產品性能、降低TFT-LCD面板的生產成本。

大尺寸、高分辨率(4K/8K)、高透過率和高性價比是TV產品發展的主要方向。雙柵線結構可以減少一半的數據信號集成電路(Source-IC)成本，同時陣列基板柵極(Gate On Array，GOA)結構可省去掃描信號集成電路(Gate-IC)，因而ADS雙柵線4K GOA產品是目前市場上主流的TV產品之一[8-10]。

因產品分辨率高，像素尺寸較小，相對于單柵線結構，雙柵線結構的柵極掃描線加倍，同時考慮“斑點不良”預防設計，需要增加隔墊物(Photo Spacer，PS)支撐密度和PS站位處的黑矩陣(BM)寬度，導致像素開口率較低，致使面板透過率較低[11]。

為提高液晶面板透過率，往往需要采用高透材料(高透偏光片、高透液晶、高透彩膜等)或提高背光亮度。而高透材料會增加成本，提高背光亮度會增加產品功耗和背光成本，影響產品競爭力。

本文在常規ADS雙柵線像素結構基礎上，改變兩層電極的功能，使底層電極作為像素電極，頂層電極作為公共電極，同時頂層電極在兩個子像素面內采用連通設計，減小有效電場弱區，提升像素光效和透過率。

2 器件結構及工作原理

TFT-LCD主要由陣列基板、彩膜(CF)基板以及兩層基板中間的液晶分子組成。ADS模式陣列基板采用的膜層順序通常為：玻璃基板、底層電極、柵極信號線、柵極絕緣層(GI)、有源層&數據信號線(SD)、鈍化層(PVX)和頂層電極。其中，底層電極采用板狀設計，頂層電極采用條形設計，上下兩層電極形成邊緣電場，控制液晶分子偏轉程度，從而控制透光量，條形電極范圍為有效電場控制區[12]。

目前常見的ADS 雙柵線像素設計如圖1(a)和(b)所示：陣列基板底層電極為公共電極，在兩個子像素內連通；頂層電極為像素電極，采用條形設計，周邊封閉，封邊的關鍵線寬一般為2.5 μm

(a) 平面圖(a) Flat image

(b) 截面圖(b) Section view圖1 常規ADS 雙柵線結構Fig.1 Normal ADS dual gate structure

左右， 條形電極范圍為有效電場控制區。頂層電極在兩個子像素內獨立，為避免短路，在兩個子像素中間公共信號線處需保證一定間距(6 μm以上)。對應的彩膜基板上由黑矩陣遮擋住信號走線和漏光區。公共信號線上方的頂層電極間距和封邊設計導致兩個子像素中間的有效電場區減小，暗區較大。

本文提出一種新型ADS雙柵線像素設計，如圖2(a)和(b)所示：改變上下兩層電極的功能，使底層電極作為像素電極，在兩個子像素內獨立，間距6 μm以上，避免短路；頂層電極作為公共電極，采用條形設計，同時頂層電極在兩個子像素面內采用連通設計，可消除公共信號線處的間距和封邊，增加條形電極在兩個子像素中間的控制范圍，大幅減小兩個子像素中間的有效電場弱區，提升光效，從而提高像素透過率。

(a) 平面圖(a) Flat image

(b) 截面圖(b) Section view圖2 新型ADS 雙柵線結構Fig.2 New ADS dual gate structure

3 結構模擬與結果

以55UHD(Ultra High Definition)雙柵線結構GOA產品為例，使用Tech-wiz LCD 3D軟件，模擬兩種ADS 雙柵線像素結構的光效圖以及電壓與透過率曲線(V-T曲線)，來評估新型雙柵線像素結構的透過率提升效果。ADS顯示模式光透過率公式如式(1)所示[13]：

，

(1)

式中：λ為入射光波長，φ為液晶指向矢與外加電場之間的方位角，Δn為液晶雙折射率，d為器件盒厚。在本文中，模擬使用的入射光波長為550 nm(綠光)，對應液晶的雙折射率為0.1，盒厚設定為3.6 μm，頂層電極寬度設定為2.2 μm，電極間隙設定為4.4 μm，黑矩陣寬度設定一致。

由式可知，當φ=45°時，透過率最大。液晶分子初始沿水平方向(平行于掃描線)排列，電極條與水平方向呈小夾角(常取7°)，便于明確施加電場后的液晶分子偏轉取向，即初始方位角φ大(83°)。ADS顯示模式為常黑模式，初始狀態下為暗態，在外加電場作用下，液晶分子偏轉，方位角逐步減小，呈現白態。外加電壓過小和過大均不利于透過率最大化，最佳值即為飽和電壓。

在飽和電壓下，常規雙柵線像素結構和新型雙柵線像素結構的光效圖如圖3和圖4所示，由圖可以看出，常規雙柵線像素結構公共信號線附近暗區較大，新型雙柵線像素結構公共信號線附近的暗區面積大幅減小。

這是因為：在常規雙柵線像素結構中，公共信號線上方的頂層電極封邊與底層電極形成的電場方向紊亂，不能有效控制液晶分子偏轉，液晶分子方位角大，透過率低，導致暗區較大。在新型雙柵線像素結構中，公共信號線上方的頂層電極呈條形分布，與底層電極形成可控制液晶分子正常偏轉的電壓，液晶分子方位角小，透過率高，因而暗區減小。

兩種結構在飽和電壓附近的V-T曲線如圖5所示，兩種結構的液晶飽和電壓相同(8.4 V)，相較于常規雙柵線像素結構，新型雙柵線像素結構透過率提升約3%。

圖3 常規ADS雙柵線結構光效圖Fig.3 Light efficiency of normal ADS dual gate structure

圖4 新型ADS雙柵線結構光效圖Fig.4 Light efficiency of new ADS dual gate structure

圖5 兩種ADS雙柵線結構模擬V-T曲線Fig.5 Simulated V-T curves of normal and new ADS dual gate structure

4 實驗驗證與結果

在55UHD雙柵線結構GOA產品上進行驗證，通過掩膜版變更實現兩種不同的結構，其它材料參數和工藝條件完全相同。圖6為兩種結構產品的實測V-T曲線，結果表明：相對于現有雙柵線像素結構，新型雙柵線像素結構透過率提升3%，對透過率提升有實際效果。同時，對兩種結構產品進行了完整的光學、電學、機械和信賴性評價，除透過率差異外，其它光學參數相當，電學、機械測試和信賴性評價均無問題。

圖6 兩種ADS 雙柵線結構實測V-T曲線Fig.6 Measured V-T curves of normal and new ADS dual gate structure

5 結 論

常規ADS 雙柵線像素結構在兩個子像素中間存在較大暗區，影響面板透過率和產品競爭力。本文在常規ADS 雙柵線像素結構基礎上，改變兩層電極的功能，使底層電極作為像素電極，頂層電極作為公共電極，同時頂層電極在兩個子像素面內采用連通設計，減小有效電場盲區，提升像素光效和透過率。模擬和試驗結果表明：新型ADS 雙柵線像素設計可以提升面板透過率約3%。且光學、電學、機械和信賴性等評價無問題，可實際應用于產品。

方案僅通過像素設計創新優化提升透過率，不增加新工藝、新設備、新材料。可提升產品性能，也可替代高透材料(高透液晶、偏光片和色阻等)，降低成本，提高產品邊效。對產品性能升級和市場競爭力提升有重要作用。