TFT-LCD TN曲面顯示器色不均現(xiàn)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(yōu)異顯示效果，近十幾年得到飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電視、電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品上。

隨著電競行業(yè)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(yīng)、大視角、高色域等高性能[1-2]。TN(Twisted Nematic)型液晶面板由于其優(yōu)秀的響應(yīng)速度，在游戲本顯示器應(yīng)用上仍占有重要地位。為增加游戲者更直觀的視覺體驗(yàn)，近兩年推出了812.8 mm(32 in)等大尺寸曲面顯示器。

傳統(tǒng)TN液晶顯示器大視角時(shí)存在暗態(tài)漏光、窄視角等缺點(diǎn)。針對TFT-LCD TN顯示器暗態(tài)漏光問題，經(jīng)過多年努力，眾多科研工作者取得了不錯(cuò)成績[3-5]。改善暗態(tài)漏光、增大視角主要有兩種方式：一種是開發(fā)新的液晶排列方式，以抵消或者降低液晶雙折射效應(yīng)，如多籌顯示[6]；另一種是盒外光學(xué)補(bǔ)償法，在不改變現(xiàn)有液晶盒結(jié)構(gòu)的前提下采用光學(xué)補(bǔ)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(bǔ)償膜，使用范圍最廣的為富士公司生產(chǎn)的廣視角(WV)偏光片，在不改變顯示器顯示效果的基礎(chǔ)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(bǔ)償視角，TN型液晶顯示器搭配WV偏光片在平面狀態(tài)時(shí)與常規(guī)邊緣電場(FFS)顯示器大視角無異，在曲面狀態(tài)暗態(tài)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(xiàn)象，給游戲體驗(yàn)者造成極不愉快的視覺感受。

近年TFT-LCD關(guān)于曲面TN顯示器暗態(tài)下色偏的分析、改善尚未有詳細(xì)和系統(tǒng)的文章，本文從多方面對TFT-LCD TN顯示器搭配WV偏光片暗態(tài)色不均現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

TN色不均現(xiàn)象分析改善實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備和材料為LCD常規(guī)線體(陣列、彩膜、成盒工藝設(shè)備)，液晶材料、偏光片，高溫腔室、曲面支架(Jig)等。

2.2 實(shí)驗(yàn)與分析

圖1(a)為上視角色不均現(xiàn)象，圖1(b)為正視角色不均現(xiàn)象。正視角時(shí)顯示器左下明顯發(fā)藍(lán)，上視角觀測顯示器左下角與右上角均有明顯發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。為改善曲面狀態(tài)時(shí)TN COA(Color Filter on Array)顯示器暗態(tài)下色不均現(xiàn)象，本文從多方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 TN顯示器上視角(a)與正視角(b)色不均現(xiàn)象

2.3 TN色不均發(fā)生機(jī)理

TN型液晶顯示器與WV偏光片搭配使用產(chǎn)生的色不均現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理，推測為TN顯示器曲面狀態(tài)時(shí)，顯示屏在外框作用下發(fā)生彎曲，外部機(jī)械應(yīng)力作用于顯示屏上，引起玻璃內(nèi)部的應(yīng)力分布不均所致。它屬于暫時(shí)應(yīng)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(dá)到顯示器曲面狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)撤消外力，只能采用其他方式消除應(yīng)力或使應(yīng)力在顯示屏中均一化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

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

3.1 暗態(tài)亮度對色不均的影響

將812.8 cm(32 in)曲面顯示器暗態(tài)亮度由0.188 cd/m2(L0)調(diào)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(yīng)時(shí)間由6 ms上升至16 ms。調(diào)節(jié)暗態(tài)亮度可以使色不均面積減少70%，但同時(shí)會造成對比度、響應(yīng)時(shí)間等性能下降。

圖2 暗態(tài)亮度調(diào)整前(a)與調(diào)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(diào)整到1 800 mm，60 ℃老化24～72 h，觀察不同老化時(shí)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(shí)間對色不均的影響如圖4 所示，隨老化時(shí)間延長，色不均現(xiàn)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(shí)間對色不均影響

顯示屏曲面狀態(tài)下內(nèi)部應(yīng)力不均一可以通過高溫老化的方式進(jìn)行改善，改善效果隨老化時(shí)間增加明顯，72 h高溫老化后顯示器色不均現(xiàn)象消失。

3.3 WV偏光片對色不均影響

3.3.1 偏光片補(bǔ)償層膜厚對色不均影響

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

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

3.3.2 偏光片補(bǔ)償層預(yù)傾角和扭曲角對色不均影響

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

圖5 WV偏光片補(bǔ)償層不同厚度對色不均影響

圖6 補(bǔ)償膜厚度對對比度的影響

圖7 WV偏光片預(yù)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(diào)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(xiàn)象以及基礎(chǔ)的光學(xué)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，光學(xué)數(shù)據(jù)如表1所示，WV偏光片吸收軸角度134°時(shí)，無色不均現(xiàn)象，對比度507；吸收軸角度134.3°時(shí)，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(shí)，顯示器色不均面積減少至顯示器的10%，對比度可達(dá)到977；吸收軸角度135°時(shí)，色不均現(xiàn)象明顯。

圖9 不同吸收軸角度對色不均影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著WV偏光片吸收軸角度降低，色不均現(xiàn)象逐漸減輕，對比度下降明顯，其余光學(xué)數(shù)據(jù)無明顯變化，綜合顯示效果及產(chǎn)品性能，在實(shí)際應(yīng)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(xiàn)象，同時(shí)又能保證光學(xué)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(fā)生原理推測為TN顯示器曲面狀態(tài)下玻璃彎曲后機(jī)械應(yīng)力分布不均導(dǎo)致，本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同玻璃基板厚度對色不均的影響，模擬結(jié)果如圖10示， 隨玻璃基板厚度降低， 色不均現(xiàn)象減輕，玻璃厚度到0.3 mm時(shí)，色不均現(xiàn)象明顯改善，在0.2 mm時(shí)色不均現(xiàn)象消失。同時(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)色不均現(xiàn)象基本消失，玻璃基板為0.2 mm時(shí)已無色不均現(xiàn)象。

表1 不同吸收軸角度光學(xué)數(shù)據(jù)

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(xiàn)象

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，減薄玻璃基板厚度能明顯改善顯示屏內(nèi)部應(yīng)力均一性，玻璃基板厚度降低到0.25 mm時(shí)色不均現(xiàn)象基本消失，玻璃基板厚度0.2 mm時(shí)已無色不均現(xiàn)象。

3.5 液晶盒對色不均的影響

模擬了不同液晶盒厚、預(yù)傾角對色不均的影響，模擬結(jié)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(yù)傾角對色不均現(xiàn)象無明顯影響。根據(jù)模擬結(jié)果，本文測試了不同盒厚下的色不均情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，液晶盒厚由3.5 μm增加到3.6 μm、3.7 μm時(shí)，色不均現(xiàn)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(xiàn)象無明顯改善。

圖12 不同液晶盒厚、預(yù)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(jié) 論

TN曲面顯示器搭配WV偏光片使用時(shí)，易出現(xiàn)暗態(tài)色不均現(xiàn)象，推測該色不均現(xiàn)象發(fā)生原理為曲面狀態(tài)下顯示器所受外部應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力不均一，加之液晶雙折射作用，從而導(dǎo)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(xiàn)象影響，同時(shí)對有改善的模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。第一種是增加暗態(tài)亮度，掩蓋暗態(tài)時(shí)色不均現(xiàn)象，如電路調(diào)整增加暗態(tài)亮度、調(diào)整偏光片吸收軸角度增加暗態(tài)亮度等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將顯示器暗態(tài)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(diào)整電路會使響應(yīng)時(shí)間增加至原來的2.5倍；吸收軸角度減小1.0°，色不均現(xiàn)象消失，但對比度下降60%，吸收軸角度減小0.5°時(shí)，色不均面積減小10%，對比度下降20%。第二種是改善曲面狀態(tài)下顯示屏內(nèi)部應(yīng)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(shí)驗(yàn)表明：液晶盒厚增加0.2 μm，色不均現(xiàn)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(xiàn)象消失，高溫老化增加高溫老化設(shè)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(xiàn)象改善的模擬以及實(shí)驗(yàn)測試，為后續(xù)TN產(chǎn)品搭配寬視角補(bǔ)償膜色不均不良改善提供了參考依據(jù)。