ADS超高清產品對比度提升

董 霆， 李曉吉， 曲瑩瑩， 陳軼夫， 黃建華， 薄靈丹， 孫志華， 李承珉， 廖燕平， 邵喜斌

(北京京東方顯示技術有限公司，北京 100176 )

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示在大尺寸(TV)領域仍占主要市場[1]。眾多廣視角技術中，京東方公司的高級超維場轉換技術[2](Advanced Super Dimension Switch,ADS)具有高分辨率、高透過率、低功耗、寬視角、高開口率、低色差、無擠壓水波紋[3](Push Mura)等優點，但相對于其他顯示模式(例如VA),存在著對比度(Contrast Ratio，CR)偏低的問題。

對比度(CR)是指屏幕的純白色亮度(L255)和純黑色亮度(L0)的比值。對比度影響因素較多，其中影響純黑色亮度(L0)主要包括配向膜預傾角的大小[4]以及金屬膜層的反射等因素。本文基于配向膜材料以及TFT基板工藝不變更的前提下，首先分析了ADS模式CR偏低的原因，然后根據分析從設計和材料兩方面提出了ADS超高清(UHD)產品CR提升的方法。與傳統的產品相比較，在設計方面采用了高透像素設計，在提升L255的亮度的同時，保證L0亮度不變；同時開發了一種低散射液晶，降低L0亮度，明顯改善了對比度。將高透像素設計搭載55UHD ADS及49UHD產品進行了實驗驗證，將低散射液晶搭載49UHD ADS產品進行了實驗驗證。結果表明，采用高透像素設計面板的與傳統設計面板相比，對比度約提升8.3%；采用高透像素設計面板的與傳統設計面板相比，對比度約提升22%。

2 ADS UHD產品CR偏低原因

2.1 顯示模式差異

ADS結構如圖1(a)所示。在此結構中，液晶的配向力弱，液晶的旋轉為面內旋轉。光通過液晶盒時，光的行進方向為液晶非光軸方向，其光路圖如圖1(b)所示，散射比較大，CR約為1 200；VA結構如圖2(a)所示，在此結構中，光通過液晶盒時，光的行進方向為液晶的光軸方向，其光路圖如圖2(b)，散射比較小，CR約為3 000。顯示模式的差異導致了對比度差異的產生。

(a)ADS模式結構截面圖(a)Section view of ADS mode structure

(b)光通過ADS 液晶盒示意圖(b) Diagram of light passing through ADS cell圖1 ADS模式結構及光路圖Fig.1 Diagram of ADS mode structure and light path

(a)VA模式結構截面圖(a)Section view of VA mode structure

(b)光通過VA液晶盒示意圖(b) Diagram of light pass through VA cell圖2 VA模式結構及光路圖Fig.2 Diagram of VA mode structure and light path

2.2 液晶配向差異

摩擦配向工藝[5]是目前ADS模式中常用的液晶取向工藝，如圖3(a)所示，其特點是技術成熟，穩定性高，可靠性好。其缺點也十分明顯，一是易產生異物，且易導致PI劃傷；二是易產生靜電；三是由于段差的存在，導致摩擦弱區的產生，如圖3(b)所示，在此區域內，液晶配向紊亂，暗態時會出現漏光現象，導致暗態的亮度偏高，從而導致對比度偏低。在VA模式中，使用的配向工藝為光配向[6]，如圖4(a)所示。與摩擦工藝相比較，其具有兩個明顯優點：一是摩擦工藝相關不良均不會產生；二是無摩擦弱區存在，如圖4(b)所示，液晶的配向均一性大大優于摩擦工藝,因此暗態亮度明顯低于ADS模式，這就導致了VA模式的CR高于ADS模式。

(a)摩擦工藝截面圖(a)Section view of rubbing process

(b)摩擦弱區截面圖(b)Section view of rubbing weak area圖3 摩擦工藝和弱區截面圖Fig.3 Section view of rubbing process and weak area

(a)光配向工藝截面圖(a)Section view of OA process

(b)光配向工藝液晶配向圖(b)Section view of OA LC alignment圖4 光配向工藝和液晶配向圖Fig.4 Section view of OA process and LC alignment

2.3 摩擦角度和偏光片光軸夾角的存在

對于ADS模式而言，最理想的狀態是液晶分子與偏光片的透過軸完全平行[7]，這樣的狀態下，不會有漏光產生。實際生產過程中，摩擦角度無法實時管控，偏光片貼附存在貼附公差，則會導致摩擦角度與偏光片光軸夾角θ的存在(圖5)。以1 905 cm(75 in)面板為例，對VA模式和ADS模式做比較，在相同的貼附精度下，總的工藝精度相差較大[8]，詳見表1。這就導致了暗態亮度偏高，從而導致對比度偏低。

圖5 夾角θ產生示意圖Fig.5 Diagvam of θ generation

表1 總精度比較Tab.1 Total accuracy contrast

圖6 夾角θ對CR的影響(模擬結構)Fig.6 Simulation structure of θ effect on CR

同時使用TechWiz2D軟件模擬了摩擦方向偏差角度對CR的影響，其結構見圖6，結論也與上面的理論一致，夾角越大，暗態亮度越高，從而導致對比度越低，詳情見表2。

表2 模擬結果Tab.2 Simulation result

3 ADS UHD產品CR提升方案

液晶顯示器的主要參數為分辨率、色域、透過率與對比度等。對比度對視覺效果的影響非常關鍵，一般來說對比度越大，圖像越清晰醒目，色彩也越鮮明艷麗。對比度的定義為在暗室中，白色畫面(最亮時)下的亮度除以黑色畫面(最暗時)下的亮度，常用公式(1)進行表征計算：

(1)

其中：L255為屏幕的純白色亮度， L0為屏幕的純黑色亮度。根據公式，可以從以下方案著手考慮：(1)提升L255，L0不變；(2)L255不變，降低L0亮度。其中，方案1可以從設計方面考慮。根據上面的分析，由于顯示模式的差異，ADS模式具有更多的散射，從而導致CR偏低；方案二可以從材料方面著手，通過降低散射達到降低L0亮度的目的。

3.1 L255提升，L0不變方案

本文對我公司所使用的高透過率像素設計對CR的影響進行了研究，平面圖如圖7所示，主要通過3個方向將液晶面板的透過率提升，從而使得L255得以提升。

通過TechWiz 3D軟件模擬，3個優化點[9]所帶來的透過率的提升具體見表3。

圖7 高透過率像素設計平面圖Fig.7 Top view of high transmittance pixel design

表3 高透像素模擬結果Tab.3 High transmittance pixel simulation result

如圖8所示，對于ADS模式，電場可以分為Ey及Ez。Ey有利于液晶旋轉，產生旋光，Ez不利于液晶分子發生旋轉。由于電極結構的原因，在電極寬度中間位置和電極間隔中間的位置，是有效電場Ey的極弱區，在該區域內，液晶分子旋轉較少，導致透過率偏低[10]。

圖8 ADS 電場分布Fig.8 ADS electric field distribution

高透像素設計首先通過像素間距及電極寬度W的減小有效改善了電極中間位置的暗場區及電極間隔中間的暗場區，從而提升了液晶面板的透過率；其次通過優化像素電極到數據線的距離及優化像素電極邊緣寬度，進一步改善整個像素邊緣的暗場區與，從而進一步導致透過率提升；最后優化隔墊物(PS)大小及黑矩陣(BM)寬度，提升開口率實現透過率的提升。根據表3模擬結果。3個方案透過率共計提升7%，同時優化PS大小及BM寬度，透過率合計提升8.5%。其光效圖如圖9所示，圖中藍色框線所標示的區域即為相對普通像素通過設計改善的區域。

將本設計投入55UHD及49UHD產品進行了驗證。

圖9 像素液晶光效對比Fig.9 LC efficiency compare

3.2 L255不變，L0降低方案

ADS模式相比VA模式，具有更多的散射，導致了暗態亮度偏高。降低材料的散射系數可以有效減少暗態時的亮度，提升對比度。RGB光刻膠及液晶均可以降低散射。目前RGB光刻膠所使用的顯色劑大多為顏料系。相比于顏料系，染料系具有更高的對比度，但染料系存在壽命短、信賴性差等問題，暫時不能量產。而顏料系本身的對比度已經到達瓶頸階段，故只能尋求通過降低液晶散射來實現液晶面板整體的散射降低。液晶的物性參數與散射的關系如下：

(2)

其中：Scell為液晶盒的散射系數，從公式(2)中可以看出，液晶材料的折射率及彈性常數(K)[11]是主要影響因素，可以通過調整液晶的這兩項參數，即Kii變大，Δn變小，有效降低液晶盒的散射系數，從而達到降低暗態亮度，提升對比度的目的。

我公司聯合液晶供應商，進行新液晶材料的開發，通過TechWiz 2D軟件模擬，確認可以有效降低散射系數，液晶參數見表4，具體的模擬結果見表5。

表4 高對比度液晶參數Tab.4 High CR LC parameters

表5 高對比度液晶模擬結果Tab.5 High CR LC simulation results

根據表5的光學模擬數據，其中，亮態考慮液晶參數的影響，暗態考慮散射因子，通過Tr(L255)/Scell(散射因子)表征CR的變化，相對于參照液晶，高CR-A及高CR-B液晶在不同程度上可以提升對比度，其中高CR-A提升了52.42%，高CR-B提升7.28%。根據模擬結果，我們以49 UHD ADS產品為測試平臺，對高CR-A液晶進行了測試驗證。

4 實驗與結果討論

4.1 實驗樣品及光學結果(L255提升，L0不變方案)

為驗證高透像素設計對面板對比度的實際影響，我們采用a-Si, 4mask工藝流程，將高透像素設計搭載在55UHD及49UHD 單柵驅動ADS產品上進行了實驗驗證。兩款產品均為常規的RGB產品。主要對液晶面板的光學性能進行測試對比，確認了對高透像素設計的影響。

表6 光學參數對比Tab.6 Optical data contrast

由表6結果可以看出，采用高透像素設計的面板光學參數與采用常規像素設計的面板相比，液晶面板的黑畫面亮度(L0)并無明顯變化，由于白畫面亮度(L255)提升明顯，這就導致了CR提升約100，對比度提升比例約為8.3%。這個結果與上文中提到的模擬值相吻合。

4.2 實驗樣品及光學結果(L255不變，L0降低方案)

為驗證高對比度液晶對對比度的實際影響，我們采用a-Si, 4mask工藝流程，在49UHD單柵驅動ADS產品上進行了實驗驗證。該產品均為常規的RGB產品，分辨率為3 840×2 160，幀頻為60 Hz，像素大小為279.6×279.6 μm，量產品主要使用普通正性液晶，除液晶以外，兩種面板的其他設計完全相同。通過對兩種面板的光學、信賴性、殘像等性能參數的測試，對比分析出高CR-A液晶的優劣以及對比度提升的比例。其中光學部分包括色域、色溫、透過率、對比度、響應時間、Gamma等，詳見表7，其數據為5片面板的平均值。

根據表7的光學測試數據，使用兩種液晶的面板，白畫面亮度差異非常小，由于液晶的Δn及彈性常數K的調整，液晶盒散射系數(Scell)大幅降低，其直觀的光學結果表現在暗態亮度降低明顯。由對比度計算公式可知，對比度有大幅提升，提升比例為22%，其他光學結果基本一致， 與上文中提到的模擬值趨勢一致。

殘像水平是評價液晶面板的重要指標[12]，我公司的評價方式采用7×5 Chess畫面和127灰階畫面，圖9即為測試畫面。

表7 高對比液晶測試光學結果Tab.5 High CR LC test optical result

圖10 殘像測試圖片Fig.10 Image sticking test pattern

檢測時間分別為1 h，3 h+5 min，10 h+5 s，24 h，之后每24 h檢查一次，直至168 h，終檢時間點為168 h+1 h。其檢查方法為將7×5 chess畫面切換至127灰階畫面，觀察殘像嚴重程度，對嚴重程度求多片液晶面板平均值。如果有殘像，就繼續向上調整灰階，直至無法觀察到殘像，這個灰階會定義為消失灰階。我公司的殘像評價基準是從嚴重程度和消失灰階兩方面進行評價，詳情參見表8，其數據為4片液液晶面板結果的平均值。

表8 高對比液晶測試殘像結果Tab.8 High CR LC image sticking result

如表8所示，與量產相比，殘像短期出現較早，1 h即出現殘像，消失灰階略高，為L140；隨著時間增加，由于直流(DC)積累，殘像嚴重程度未有大幅變化，但消失灰階逐漸增加，消失灰階仍處在客戶可接受范圍之內；168+1 h終檢，消失灰階最終變為L147，屬于和量產相當的殘像水平。

信賴性測試[13]是液晶面板的必須測試項目之一。針對產品制定一系列方法、試驗和檢查流程，目的在于確認生產的半成品、完成品在入庫、在庫、出廠過程中是否符合產品環境相關規定要求。測試項目主要包括低溫運行(LTO)、高溫高濕存儲(THS)、低溫存儲(LTS)、高溫高濕運行(THO)、冷熱沖擊試驗1(TST-1),以及低溫結晶測試等。具體的測試條件及結果詳見表9。

表9 高對比度液晶信賴性結果Tab.8 High CR LC reliability test result

如表9所示，搭載高CR-A液晶的面板，信賴性測試全部通過，與普通液晶相比，滿足產品的需求。

高CR-A液晶在提升對比度的同時，面板的透過率并未降低，響應時間等關鍵參數甚至優于當前的量產液晶；殘像水平略差于普通的量產液晶，但仍滿足客戶要求，后續可以通過灰階透過率曲線精細化調整進行改善；信賴性方面也全面通過測試，綜合光學、殘像、信賴性等全部測試的結果可以判定，該液晶可提升對比度約22%，且滿足量產需求。

5 結 論

本文分析了ADS模式對比度偏低的原因，并根據原因介紹了一種高透像素設計及一種高對比度液晶。通過高透像素設計的使用，實現了液晶面板白畫面亮度提升，而且黑畫面亮度未受影響。搭載55UHD和49UHD兩款產品對這種設計進行了驗證，并與常規設計進行了比較。實驗結果顯示，使用這種高透像素設計的產品，對比度提升了約8.3%，該設計具備通用性；同時從ADS模式液晶盒散射較高作為出發點，開發了一種低散射液晶，該液晶通過調整液晶的折射率(Δn)和彈性常數(K)，實現了液晶盒散射的降低，達到降低黑畫面亮度的目的，同時其白畫面亮度并未降低。搭載55UHD產品對這種低散射液晶進行了驗證，并與使用普通液晶的量產品進行了對比。實驗結果表明，使用這種低散射液晶的面板的光學參數測試結果與普通液晶的TFT面板除黑畫面亮度及對比度以外的數據基本一致，其對比度獲得大幅提升；同時，其殘像及信賴性測試均滿足量產需求，在不變更工藝條件的前提下，可以直接使用，對比度提升約22%。高透像素設計方案配合高對比液晶共同使用，可使ADS UHD產品的面板對比度提升約30%。