TFT-LCD TN曲面顯示器色不均現象的研究

辛 蘭，楊 軍，李 哲，栗 鵬，陳東川，李曉吉，胡競勇，朱 維，龔鵬程，樸正淏，閔泰燁

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

TFT 液晶顯示器因其重量輕、體積小、功耗低以及其優異顯示效果，近十幾年得到飛速發展，廣泛應用于電視、電腦、手機等電子產品上。

隨著電競行業的興起，人們對游戲中顯示器的性能需求逐漸提高，要求顯示器擁有高分辨、快響應、大視角、高色域等高性能[1-2]。TN(Twisted Nematic)型液晶面板由于其優秀的響應速度，在游戲本顯示器應用上仍占有重要地位。為增加游戲者更直觀的視覺體驗，近兩年推出了812.8 mm(32 in)等大尺寸曲面顯示器。

傳統TN液晶顯示器大視角時存在暗態漏光、窄視角等缺點。針對TFT-LCD TN顯示器暗態漏光問題，經過多年努力，眾多科研工作者取得了不錯成績[3-5]。改善暗態漏光、增大視角主要有兩種方式：一種是開發新的液晶排列方式，以抵消或者降低液晶雙折射效應，如多籌顯示[6]；另一種是盒外光學補償法，在不改變現有液晶盒結構的前提下采用光學補償膜來消除液晶雙折射[7-8]。

受TN液晶面板視角小的特性限制，目前制作TN顯示器多搭配寬視角補償膜，使用范圍最廣的為富士公司生產的廣視角(WV)偏光片，在不改變顯示器顯示效果的基礎上，使TN型顯示器擁有左右視角150°，上下視角170°。目前市面上的曲面顯示器主要為TN型液晶顯示器或VA(Vertical Alignment)顯示器，且大部分搭配使用WV偏光片[9-11]。

本文中所研究的812.8 mm(32 in)曲面TN顯示器采用的是WV偏光片補償視角，TN型液晶顯示器搭配WV偏光片在平面狀態時與常規邊緣電場(FFS)顯示器大視角無異，在曲面狀態暗態下上視角能夠明顯觀察到顯示器左下與右上角存在色不均現象，給游戲體驗者造成極不愉快的視覺感受。

近年TFT-LCD關于曲面TN顯示器暗態下色偏的分析、改善尚未有詳細和系統的文章，本文從多方面對TFT-LCD TN顯示器搭配WV偏光片暗態色不均現象進行了研究。

2 實驗與分析

2.1 實驗設備

TN色不均現象分析改善實驗所用設備和材料為LCD常規線體(陣列、彩膜、成盒工藝設備)，液晶材料、偏光片，高溫腔室、曲面支架(Jig)等。

2.2 實驗與分析

圖1(a)為上視角色不均現象，圖1(b)為正視角色不均現象。正視角時顯示器左下明顯發藍，上視角觀測顯示器左下角與右上角均有明顯發藍現象。為改善曲面狀態時TN COA(Color Filter on Array)顯示器暗態下色不均現象，本文從多方面進行實驗分析。

圖1 TN顯示器上視角(a)與正視角(b)色不均現象

2.3 TN色不均發生機理

TN型液晶顯示器與WV偏光片搭配使用產生的色不均現象發生機理，推測為TN顯示器曲面狀態時，顯示屏在外框作用下發生彎曲，外部機械應力作用于顯示屏上，引起玻璃內部的應力分布不均所致。它屬于暫時應力，會隨外力的撤除而消失[11]，本文中研究的曲面顯示器主要是通過前框搭配曲面背板達到顯示器曲面狀態，無法實現撤消外力，只能采用其他方式消除應力或使應力在顯示屏中均一化。

3 實驗結果與討論

本文以812.8 mm(32 in)曲面TN顯示器為例，進行色不均改善測試，并分析玻璃厚度、偏光片補償膜吸收軸角度、盒厚等對TN曲面顯示器色不均現象的影響。

3.1 暗態亮度對色不均的影響

將812.8 cm(32 in)曲面顯示器暗態亮度由0.188 cd/m2(L0)調整到0.253 cd/m2(L12)，如圖3所示，色不均面積由顯示器面積的30%減小至10%，對比度由1 100下降至800，響應時間由6 ms上升至16 ms。調節暗態亮度可以使色不均面積減少70%，但同時會造成對比度、響應時間等性能下降。

圖2 暗態亮度調整前(a)與調整后(b)色不均

3.2 高溫老化對色不均的影響

在高溫腔室中將812.8 mm(32 in) COA顯示屏固定在曲面支架上，如圖3所示，曲率半徑調整到1 800 mm，60 ℃老化24～72 h，觀察不同老化時間對色不均的影響情況。

圖3 高溫老化裝置示意圖

不同老化時間對色不均的影響如圖4 所示，隨老化時間延長，色不均現象程度變輕，改善效果為：72 h≈48 h>36 h>24 h。

圖4 不同老化時間對色不均影響

顯示屏曲面狀態下內部應力不均一可以通過高溫老化的方式進行改善，改善效果隨老化時間增加明顯，72 h高溫老化后顯示器色不均現象消失。

3.3 WV偏光片對色不均影響

3.3.1 偏光片補償層膜厚對色不均影響

模擬不同厚度補償層對顯示屏色不均影響，如圖5所示，補償層厚度由1.786 μm增加到2.186 μm時，左右顏色趨于發藍，色不均加重，視角由75°增加到85°；補償層厚度由1.786 μm降低到1.386 μm，左右顏色趨于一致發粉，色不均現象減輕，視角由75°降低到63°；模擬結果顯示降低補償層膜厚能減輕色不均現象，但對視角有不利影響。

同時模擬了補償層膜厚降低對對比度的影響，如圖6所示，補償膜厚度下降5%，上80°視角時對比度將會下降20%，左右視角80°時對比度下降40%，降低補償層膜厚對對比度也有不利影響。

3.3.2 偏光片補償層預傾角和扭曲角對色不均影響

模擬WV偏光片補償層預傾角和扭曲角對色不均影響，模擬結果如圖7、8所示，WV偏光片補償層預傾角、扭曲角變化對色不均無明顯影響。

圖5 WV偏光片補償層不同厚度對色不均影響

圖6 補償膜厚度對對比度的影響

圖7 WV偏光片預傾角對色不均影響

圖8 WV偏光片扭曲角對色不均影響

3.3.3 偏光片吸收軸角度對色不均影響

調整WV偏光片吸收軸角度134°，134.3°，134.5°，對比吸收軸135°，測試色不均現象以及基礎的光學數據。實驗結果如圖9所示，光學數據如表1所示，WV偏光片吸收軸角度134°時，無色不均現象，對比度507；吸收軸角度134.3°時，顯示器色不均面積為顯示的5%，對比度608；吸收軸角度134.5°時，顯示器色不均面積減少至顯示器的10%，對比度可達到977；吸收軸角度135°時，色不均現象明顯。

圖9 不同吸收軸角度對色不均影響

從實驗結果可以看出，隨著WV偏光片吸收軸角度降低，色不均現象逐漸減輕，對比度下降明顯，其余光學數據無明顯變化，綜合顯示效果及產品性能，在實際應用中可選取WV偏光片吸收軸角度為134.5°，既可以改善色不均現象，同時又能保證光學性能無明顯變化。

3.4 玻璃基板厚度對色不均的影響

色不均發生原理推測為TN顯示器曲面狀態下玻璃彎曲后機械應力分布不均導致，本實驗模擬了不同玻璃基板厚度對色不均的影響，模擬結果如圖10示， 隨玻璃基板厚度降低， 色不均現象減輕，玻璃厚度到0.3 mm時，色不均現象明顯改善，在0.2 mm時色不均現象消失。同時實驗實際測試了不同玻璃基板厚度0.25 mm、0.2 mm的色不均情況，如圖11所示，玻璃基板厚度0.25 mm時色不均現象基本消失，玻璃基板為0.2 mm時已無色不均現象。

表1 不同吸收軸角度光學數據

圖10 玻璃基板減薄后色不均模擬

圖11 玻璃基板減薄后色不均現象

從實驗結果來看，減薄玻璃基板厚度能明顯改善顯示屏內部應力均一性，玻璃基板厚度降低到0.25 mm時色不均現象基本消失，玻璃基板厚度0.2 mm時已無色不均現象。

3.5 液晶盒對色不均的影響

模擬了不同液晶盒厚、預傾角對色不均的影響，模擬結果如圖12所示，液晶盒厚增加有利改善上視角色偏，但會加劇左右視角色偏；液晶盒不同預傾角對色不均現象無明顯影響。根據模擬結果，本文測試了不同盒厚下的色不均情況，實驗結果如圖13所示，液晶盒厚由3.5 μm增加到3.6 μm、3.7 μm時，色不均現象有輕微改善，色不均不良面積由顯示器面積的30%減少至20%。改變顯示屏液晶盒厚度，色不均現象無明顯改善。

圖12 不同液晶盒厚、預傾角對色不均影響

圖13 不同液晶盒厚色對色不均影響

4 結 論

TN曲面顯示器搭配WV偏光片使用時，易出現暗態色不均現象，推測該色不均現象發生原理為曲面狀態下顯示器所受外部應力，導致內部應力不均一，加之液晶雙折射作用，從而導致左右視角看到的顏色不一致。

本文模擬了不同改善措施對色不均現象影響，同時對有改善的模擬結果進行了實驗測試。第一種是增加暗態亮度，掩蓋暗態時色不均現象，如電路調整增加暗態亮度、調整偏光片吸收軸角度增加暗態亮度等，實驗結果表明將顯示器暗態亮度由0.188 cd/m2提升至0.25 cd/m2，顯示器色不均面積由30%減小至10%，調整電路會使響應時間增加至原來的2.5倍；吸收軸角度減小1.0°，色不均現象消失，但對比度下降60%，吸收軸角度減小0.5°時，色不均面積減小10%，對比度下降20%。第二種是改善曲面狀態下顯示屏內部應力均一性，如增加液晶盒盒厚、降低顯示器玻璃基板厚度等。實驗表明：液晶盒厚增加0.2 μm，色不均現象有輕微改善，色不均不良面積由顯示器面積的30%減小至20%，高溫60 ℃老化72 h、顯示器玻璃基板厚度降低至0.2 mm均能使顯示器色不均現象消失，高溫老化增加高溫老化設備投資，減薄玻璃基板會增加一道減薄工序，增加成本。本文通過對812.8 cm (32 in) TN COA曲面顯示器色不均現象改善的模擬以及實驗測試，為后續TN產品搭配寬視角補償膜色不均不良改善提供了參考依據。