OGS觸控顯示模組一體黑技術研究

張 衛(wèi)，王慶浦，徐佳偉，曾 琴，謝濤峰，郭總杰

(合肥鑫晟光電科技有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引 言

目前市場上觸控屏的應用領域越來越廣，在手機、平板電腦、筆記本電腦，觸控一體機、電子白板、醫(yī)療事業(yè)、車載等方面均有應用。觸摸屏技術的迅速發(fā)展使得市場上對其要求越來越高，如何從外觀、質量、技術細節(jié)等各方面來吸引消費者，提高用戶體驗也是每個觸摸屏企業(yè)追求的目標。隨著質量、價格的競爭日益激烈，越來越多的廠家越來越重視觸摸屏細節(jié)、結構的新穎設計，因為從細節(jié)、創(chuàng)新結構方面著手往往能提高產品競爭力，在市場上站穩(wěn)腳跟[1]。當前大部分觸摸屏產品(Touch Panel，TP)與液晶顯示模組(Liquid Crystal Module, LCM)貼合后，可視區(qū)和黑色光組(Black Matrix,BM)區(qū)會出現明顯的色差，整體外觀看起來不美觀，難以起到沖擊性的視覺效果，雖然全貼合(Direct Bonding)較框貼(Air Bonding)已有明顯改善，但仍然無法滿足市場上消費者的外觀需求，于是一體黑的概念被提出。

一體黑是指觸控顯示模組(Touch Panel LCD Module,TLCM)在關機狀態(tài)下，邊緣BM區(qū)與可視區(qū)的色差小到人眼無法區(qū)分，全屏顯示為黑色。目前針對一體黑部分，也陸續(xù)有客戶提出需求，行業(yè)內大部分采用對CG (Cover Glass，CG)調整油墨顏色的方式對應[2]，但是黑化的程度不夠，同時針對OGS(One Glass Soulution)觸控模組部分尚未找到很好的方案對應，單一改變BM材料色差來匹配黑色效果不理想，另外針對OGS,為改善消影基本上只使用一層IM或者一層SiOxNy，對消影確實有改善，但對改善黑色光阻區(qū)與可視區(qū)顏色對比度效果不明顯，本文通過改變設計和工藝，提出雙IM層，減少BM區(qū)與可視區(qū)色偏差異，達到一體黑的效果。

2 一體黑光學實現分析

ITO透明導電薄膜是電容觸摸屏的核心部分，它是具有一定吸收特性的高折射率介質[3]，這層介質影響可視區(qū)的光學特性，導致可視區(qū)顏色不呈中性，一般處理方法是利用其他介質制作ITO的匹配層，以此改善可視區(qū)的色偏情況；消影增透膜是用來解決色差和提高透過率的主要手段，其一般由高、低折射率透明介質匹配組成，比如高折射率材料為Nb2O5或者SiOxNy，低折射率材料為SiO2或者MaF2薄膜等[3]。綜合設計和生產等各種因素的考慮，選擇SiO2/Nb2O5/SiOxNy三種消影材料與ITO匹配使用，以達到降低色偏的目的。

圖1為TLCM的光學反射原理示意圖， 其由BM區(qū)和可視區(qū)組成；它的中間區(qū)域是可視區(qū)，入射光A需要透射5層介質Glass-IM(Nb2O5/SiO2)-ITO-SiOxNy-光學透明膠，再經過LCD的表面反射，按相反的順序從5層介質透射出變成出射光A1；黑色BM在TLCM的四周區(qū)域，入射光A需要透射玻璃，經過BM反射后再透射出玻璃變成出射光A2。由色度學原理可知，顏色是不同波長的光波作用于人的視覺系統(tǒng)后所產生的效果[5]，因此若要滿足TLCM的一體黑，出射光A1和A2的波段成分必須相近，從而人眼對光波A1和A2響應的顏色一致，且無法區(qū)分。下面將從色差角度說明實現一體黑的理論基礎。

色差是指用來表征兩個顏色的相互差異程度，目前使用最廣泛的標準色空間是CIE1976LAB，此標準評價色差數值與人眼視覺感受具有一致性[5-6]；色差的計算公式為規(guī)范評價色差的數學模型，在CIE1976LAB標準中色差ΔE計算公式為：

ΔE= [(ΔL)2+ (ΔA)2+ (ΔB)2]1/2，

(1)

式中:ΔE的單位是NBS，ΔL，ΔA，ΔB是指兩種顏色的L、A、B差值，由式(2)～(4)計算：

ΔL=L1-L2，

(2)

ΔA=A1-A2，

(3)

ΔB=B1-B2，

(4)

根據色差公式和光學原理示意圖，能夠發(fā)現影響TLCM一體黑的因素有OGS的4層介質、光學透明膠以及LCD與BM的色差。經過測試BM區(qū)、LCD(HADS型)以及TLCM可視區(qū)的LAB值，計算出BM與LCD的色差在1 NBS以內，而BM與TLCM的可視區(qū)色差大于3 NBS；由于光學透明膠是無色透明介質，對可視區(qū)顏色無影響，因此OGS的4層介質對TLCM一體黑影響最大。分析BM、LCD、TLCM和OGS單體的色度值，發(fā)現OGS單體的A值和B值與BM差值大，造成TLCM的可視區(qū)與BM色差大；因此若要實現TLCM一體黑效果，需要調控4層介質Glass-IM-ITO-SiOxNy的A或B值趨近于0。

為了找出Glass-IM-ITO-SiOxNy的最佳匹配膜層厚度，利用光學模擬軟件TFCalc進行膜層設計，分別在ITO厚度為45 nm、90 nm和120 nm時，模擬不同IM和SiOxNy膜層厚度對OGS色度值影響[4]，探索出透射和反射|A|值和|B|值接近于0的膜層設計，再進行試驗驗證，最后利用光學設備測試找出貼合后的最佳一體黑效果。

圖1 一體黑原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated black

3 實 驗

本論文涉及的實驗和測試均在6代OGS生產線進行。實驗室根據前述一體黑實現方法分析，先選取一款HADS型的LCD，且表面顏色和BM區(qū)顏色接近，通過模擬找出OGS單體A值和B值趨近于0的匹配膜層設計值，以不同ITO厚度為條件分階段進行驗證，每階段驗證不同厚度的IM和SiOxNy對OGS色度值的影響，并測試TLCM的色差，找出每階段的最佳一體黑樣品。

3.1 ITO厚度45 nm TLCM一體黑驗證

表1和表2是ITO厚度為45 nm時的不同TLCM樣品反射LAB測試結果及其對應不同膜層的厚度，從表1看出黑色光阻區(qū)與可視區(qū)最小色差為0.97，幾乎低于人眼識別色差閾值(約1 NBS)[4-5]，一體黑光學效果明顯；結合表1和表2能夠發(fā)現以下現象：(1)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情況下，SiOxNy厚度90 nm的樣品色差總體比SiOxNy厚度60 nm和70 nm的大；(2)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情況下，Nb2O5厚度10 nm的樣品色差總體比厚度8 nm和9 nm的大，參考此規(guī)律樣品制作時，要將SiOxNy膜層厚度朝工藝下限生產，Nb2O5厚度朝工藝上限制作。

表1 ITO厚度45 nm時的不同TLCM樣品測試結果

Tab.1 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 45 nm

樣品序號反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.440.19-2.706.012.40229.060.07-2.165.931.84328.77-0.06-2.085.871.80429.34-0.29-2.566.072.22531.08-0.490.036.911.93630.63-0.650.296.601.62730.30-0.430.106.401.21830.46-0.50-0.496.511.29930.17-0.31-0.216.440.971030.17-0.32-0.446.360.98

表2 ITO厚度45 nm時的不同TLCM樣品對應膜層厚度

Tab.2 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 45 nm

樣品序號Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1840902940903104090493090583060693060710306088307099307010103070

圖2是ITO厚度為45 nm 時OGS單體反射LAB的實測值和模擬值比對情況，從圖中看出反射率R值實測和模擬接近，反射L、A和B部分值有差別，但值接近且趨勢具有一致性，說明模擬結果具有一定參考性。

圖2 ITO厚度45 nm時OGS單體模擬和實測反射LAB值情況。(a)L值；(b)A值；(c)B值；(d)R值。Fig.2 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 45 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.

3.2 ITO厚度90 nm TLCM一體黑驗證

表3和表4是ITO厚度90 nm時的不同TLCM樣品反射LAB測試結果及其對應不同膜層的厚度，從表1看出黑色光阻區(qū)與可視區(qū)最小色差為1.07，人眼色彩感覺差別輕微，屬于小色差；結合表3和表4能夠發(fā)現以下現象：(1)隨著SiO2厚度的變大，色差逐漸變大；(2)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情況下，SiOxNy厚度90 nm的樣品色差總體比厚度50 nm的大。

表3 ITO厚度90 nm時的不同TLCM樣品測試結果

Tab.3 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 90 nm

樣品序號反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差130.81-1.56-0.066.681.97229.370.85-3.296.023.33

續(xù) 表

表4 ITO厚度90 nm時的不同TLCM樣品對應膜層厚度

Tab.4 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 90 nm

樣品序號Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1920902930903940904950905830906103090792050

續(xù) 表

圖3是ITO厚度為90 nm 時OGS單體反射LAB的實測值和模擬值比對情況，從圖中看出反射L值和A值實測和模擬接近，反射B和反射率R部分值接近但趨勢具有一致性。

圖3 ITO厚度90nm時OGS單體模擬和實測反射LAB值情況。(a)L值；(b)A值；(c)B值；(d)R值。Fig.3 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 90 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.

3.3 ITO厚度120 nm TLCM一體黑驗證

表5和表6是ITO厚度120 nm時的不同TLCM樣品反射LAB測試結果及其對應不同膜層的厚度，從表1看出黑色光阻區(qū)與可視區(qū)最小色差為0.63，人眼感覺差別輕微；結合表5和表6能夠發(fā)現以下現象：(1)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情況下，Nb2O5厚度8 nm的樣品色差比厚度9 nm和10 nm時的小。

表5 ITO厚度120 nm時的不同TLCM樣品測試情況

Tab.5 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 120 nm

樣品序號反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.370.40-1.756.171.43229.400.90-3.086.082.84328.951.04-2.865.842.72429.36-0.43-0.926.070.63528.940.02-2.215.921.85628.870.30-3.025.782.67729.370.32-2.595.952.22828.80-0.23-1.265.901.01

表6 ITO厚度120 nm時的不同TLCM樣品對應膜層厚度

Tab.6 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 120 nm

樣品序號Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm18309029309031030904830805930806103080783050883070

圖4 ITO厚度120nm時OGS單體模擬和實測反射LAB值情況。(a)L值；(b)A值；(c)B值；(d)R值。Fig.4 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was120nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.

圖4是ITO厚度為120 nm 時OGS單體反射LAB的實測值和模擬值比對情況，從圖中看出反射L值、A值、B值和反射率R值實測和模擬趨勢具有一致性，部分值與模擬值有差異，可能與模型準確性和測試誤差有關。

4 結果與討論

經過設備測試和人眼判級找到最佳一體黑樣品如圖5所示，通過比對圖可以發(fā)現兩者的差異，一體黑樣品幾乎區(qū)分不了樣品的可視區(qū)和BM區(qū)，測試色差值為0.63；常規(guī)樣品可視區(qū)和BM區(qū)色差為3.72，人眼能夠明顯識別，其可視區(qū)顯藍白色；說明通過使用雙IM層，使得可視區(qū)與BM區(qū)的色差降低，進而達到一體黑效果。

圖5 一體黑樣品與常規(guī)產品效果比對圖Fig.5 Comparison of integrated black sample with the conventional product

上述3次實驗在不同ITO厚度下，改變Nb2O5、SiO2和SiOxNy的厚度探索最佳一體黑條件，通過分析數據發(fā)現，3種膜層對樣品的色差影響程度各不相同。圖6(a)是色差與SiOxNy厚度變化的關系曲線，可以發(fā)現不同的ITO膜層厚度下，SiOxNy厚度變化引起的色差變化趨勢基本一致，在SiOxNy厚度大于90 nm后，色差變化非常敏感；圖6(b)是色差與SiO2厚度變化的關系曲線，兩者幾乎成指數變化的關系，因此SiO2的厚度最好控制在30 nm以內；圖6(c)是色差與Nb2O5厚度的關系曲線，在不同ITO厚度下，Nb2O5厚度在10 nm以內變化引起的色差變化趨勢不同，但對色差影響程度相對較小。

圖6 色差與3種消影膜層的關系曲線。(a)色差與Nb2O5厚度變化差系；(b)色差與SiO2厚度變化差系；(c)色差與SiOxNy厚度變化差系。Fig.6 Relationship between chromatic aberration and three kinds of films. (a)Color difference value varies with Nb2O5 thickness; (b)Color difference value varies with SiO2 thickness; (c)Color difference value varies with SiOxNy thickness.

5 結 論

本文根據觸控顯示模組的結構，分析了影響TLCM的VA區(qū)色度的主要因素，研究不同膜層對產品的VA區(qū)和BM區(qū)色差影響程度。結果表明：使用雙IM層能夠實現產品的一體黑，而單IM層則無法實現；結合設備測試和人眼判級的結果，最佳一體黑樣品的色差為0.63；同時發(fā)現SiO2和SiOxNy超過一定厚度時，對色差影響大，實際生產時需要控制兩種膜層的制程能力向下限偏。