劉仕彬，鄒忠飛，鐘德鎮(zhèn) *，郭小軍

(1. 上海交通大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院 電子工程系，上海 200240；2.昆山龍騰光電股份有限公司，江蘇 昆山 215301)

1 引 言

隨著近幾年來(lái)，智慧型手機(jī)和平版電腦等移動(dòng)裝置的急速發(fā)展，多媒體功能越來(lái)越全面，液晶顯示屏 (Liquid Crystal Display, LCD) 被廣泛地運(yùn)用在現(xiàn)代社會(huì)中。然而這些強(qiáng)大功能的運(yùn)作，需要計(jì)算機(jī)程序、微電子器件、觸控屏以及通訊網(wǎng)絡(luò)的同步支持才能實(shí)現(xiàn)，電源續(xù)航時(shí)間的長(zhǎng)短是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在全球化節(jié)能熱潮的推動(dòng)下，我們從顯示能耗著手，嘗試在制程方式上改善顯示屏的耗電問(wèn)題，進(jìn)而在行動(dòng)裝置有限的電池容量上，增加消費(fèi)者的操作時(shí)間。

本文在原有具視角可切換功能 (Hybrid Viewing Angle, HVA) 的邊緣場(chǎng)開(kāi)關(guān) (Fringe Field Switching, FFS) 負(fù)性向列相液晶顯示屏基礎(chǔ)上[1-2]，提出一種新型的低電壓液晶運(yùn)用，并根據(jù)這個(gè)基礎(chǔ)在薄膜晶體管 (Thin-Film Transistor, TFT) 制程架構(gòu)上做出進(jìn)一步的改良。藉由改動(dòng)彩膜 (Color Filter, CF) 側(cè)玻璃基板上的氧化銦錫 (Indium Tin Oxide, ITO) 層[3]位置，和對(duì) TFT 側(cè)玻璃基板上的第二絕緣鈍化 (Passivation, PV) 層進(jìn)行部分減薄和置換。我們對(duì)所提出的新型節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析其屏內(nèi)各電場(chǎng)交互作用與強(qiáng)度，探討部分減薄和置換處對(duì)液晶水平扭轉(zhuǎn)角的影響；通過(guò)V-T特性曲線提取液晶飽和電壓，并評(píng)估所能節(jié)省的邏輯功耗大小。

2 低功耗液晶顯示屏設(shè)計(jì)

2.1 原有架構(gòu)與低電壓液晶

圖1為目前在LCD像素設(shè)計(jì)上所廣泛使用且技術(shù)成熟的HVA基礎(chǔ)架構(gòu)。此處TFT側(cè)的堆迭分別由柵極 (Gate) 金屬、柵極絕緣層 (Gate Insulator, GI)、非晶硅 (a-Si)、源極/漏極 (Source/Drain, S/D) 金屬、第一鈍化層 (PV1)、保護(hù)層 (Overcoat,OC)、底層氧化銦錫 (B-ITO)、第二鈍化層 (PV2) 和頂層氧化銦錫 (T-ITO) 所組成。而CF側(cè)則是由黑色矩陣 (Black Matrix,BM)、色層 (RGB)、ITO層和OC層所構(gòu)成。其中需要注意的是，PV2層是在沉積后利用干刻法來(lái)進(jìn)行圖案化，而CF側(cè)的ITO則是被置于RGB層與OC層中間。

為了達(dá)到降低功耗的需求，低電壓液晶首先被運(yùn)用在顯示屏的新設(shè)計(jì)中，此處我們選用石家莊誠(chéng)志永華顯示材料有限公司的負(fù)性FFS液晶。由圖2可知，在原有架構(gòu)不改動(dòng)的前提下，新舊兩種液晶的透過(guò)率極大值分別為5.94% 與5.96%，兩者差異只有舊液晶的0.34%，對(duì)顯示屏整體透過(guò)率沒(méi)有太大影響。但新液晶的V-T特性曲線整體都比舊液晶的V-T曲線偏左，表示我們可以提取到較低的液晶飽和電壓 (Vsat) 和操作電壓 (Vop)。新舊液晶的Vsat、實(shí)測(cè)Vop與基本物理參數(shù)，如清亮點(diǎn) (Tni)、雙折射率 (Δn)、介電各向異性 (Δε)、流動(dòng)黏度 (γ1)、展曲彈性常數(shù) (Κ11)、彎曲彈性常數(shù) (Κ33) 等，被記錄在表1中。如表1的測(cè)量結(jié)果所示，新型液晶的實(shí)測(cè)Vop為3.4 V，較原有液晶的 5.0 V 降低了 1.6 V (約減少 32%)，此結(jié)果表明新型低電壓液晶對(duì)節(jié)省顯示屏的功耗有很大的幫助。

圖1 原有的TFT-LCD基礎(chǔ)架構(gòu)示意圖Fig.1 Drawing of conventional architecture for our TFT-LCD

圖2 原有架構(gòu)下不同液晶的V-T曲線比較Fig.2 Comparison of V-T curves for different LC on conventional architecture

表1 低電壓液晶的特性參數(shù)Tab.1 Properties of LC with low operating voltage

2.2 部分減薄的低功耗設(shè)計(jì)

在運(yùn)用低電壓液晶的基礎(chǔ)上，我們嘗試對(duì)TFT-LCD制程的架構(gòu)設(shè)計(jì)再做一些改動(dòng)，以進(jìn)一步降低HVA顯示屏的功耗。新型節(jié)能設(shè)計(jì)與原架構(gòu)的差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，具體細(xì)節(jié)如圖3和圖4所示。

(1)CF側(cè)；改動(dòng)ITO層的位置，將原本置放在RGB與OC兩層中間的ITO層，更換到玻璃基板與RGB層；或BM與RGB層之間。這個(gè)制備工序的變化，雖然有別于傳統(tǒng)TFT-LCD工藝的作法，有使ITO薄膜附著力降低的可能，但是對(duì)屏內(nèi)垂直電場(chǎng)的改進(jìn)有所幫助。

圖3 低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)A截面圖Fig.3 Cross section of design A with low power consumption

圖4 低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)B截面圖 Fig.4 Cross section of design B with low power consumption

(2)TFT側(cè)；設(shè)計(jì)A，如圖3所示，在T-ITO層圖案化蝕刻完成后，讓PV2層膜厚根據(jù)電極圖案進(jìn)行部分減薄[4]，減薄后所剩余的厚度，我們將其命名為PV3層；設(shè)計(jì)B，如圖4所示，先鍍上SiOx層取代PV3層，只改變PV2與SiOx的膜厚關(guān)系，且PV2層不另做部分減薄，直接依電極圖案蝕刻。

此處所利用的SiOx為一種可透光材料，該材料能隙大小約在 1.9～3.0 eV間[5-6]。其他材料均為現(xiàn)在TFT-LCD制程所常用的材料，制備工藝都兼融量產(chǎn)制程。

2.3 新設(shè)計(jì)制程工藝驗(yàn)證

改動(dòng)CF側(cè)玻璃基板上ITO的工藝順序，會(huì)使OC層與RGB層直接相連，這種工序與一般廣視角的IPS和FFS模式LCD產(chǎn)品相同。因此我們沒(méi)有對(duì)該薄膜層間的應(yīng)力關(guān)系再加以測(cè)試，但是經(jīng)過(guò)高壓加速老化壽命試驗(yàn)(Pressure Cooker Test, PCT)后，發(fā)現(xiàn)各膜層間附著力的差別并不存在，故能合理推測(cè)此變化對(duì)制程不會(huì)造成過(guò)大的影響。而TFT側(cè)新設(shè)計(jì)在制程上多了膜厚減薄與替換的工藝，所以需要對(duì)制程工藝進(jìn)行再驗(yàn)證。如圖5所示，在設(shè)計(jì)A的方案中，我們利用半色調(diào)掩膜與剝離法，在T-ITO層的濕蝕刻工序完成后，保留光阻 (Photo Resist, PR) 用來(lái)對(duì)PV2層多加一道干蝕刻的工序，使PV2膜厚能夠根據(jù)ITO電極圖案進(jìn)行部分減薄的蝕刻動(dòng)作；此處所形成的凹槽，該深度需要大于 0 nm，小于等于 500 nm，若以PV2厚度 200 nm 為基準(zhǔn)，優(yōu)選深度為 120 nm。

圖5 PV層部分減薄的制備工藝簡(jiǎn)圖Fig.5 Process sketch of PV layer with partial thinning

圖6為依照設(shè)計(jì)方案A進(jìn)行PV2層二次蝕刻后的掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM) 實(shí)際形貌圖，減薄后的PV層厚度可以在圖中清楚地觀察到，且各測(cè)量點(diǎn)的膜厚數(shù)值詳細(xì)地列在表2中。由上述圖表可知，利用半色調(diào)掩膜技術(shù)并透過(guò)ECCP模式的干蝕刻法，能確實(shí)地在原有PV2層上再蝕刻出PV3層。從圖6還可以清楚地看出，PV3層的蝕刻深度可以被很好地控制在120 nm左右，即殘余厚度約在80 nm。

圖6 架構(gòu)A上二次蝕刻后的實(shí)際結(jié)果Fig.6 Photograph of design A after the second etching

Tab.2 Actual thickness of design A after the second etching

Fig.6(a)/nmFig.6(b)/nmT-ITO55.5847.62PV198.583.3679.37198.4B-ITO138.9127.0127.0127.0

而在設(shè)計(jì)B的方案中，B-ITO層的濕蝕刻工序完成后，會(huì)先鍍上一層SiOx，再依原有工序制備PV2層與T-ITO層；同樣在T-ITO層完成圖案化后，對(duì)PV2再次依電極圖案進(jìn)行干蝕刻，但蝕刻處不做厚度保留，具體細(xì)節(jié)參考圖7所示。該P(yáng)V2層與SiOx層的蝕刻選擇比大于1，根據(jù)兩層的刻蝕速率不同，每個(gè)ITO電極狹縫區(qū)域的PV2能完全刻蝕去除；在去除這些PV2時(shí)，由于SiOx更加致密，不易被刻蝕，因此避免SiOx層被刻蝕穿透，能更好地保護(hù)下面的B-ITO層，而無(wú)需擔(dān)心因蝕刻速率控制不當(dāng)所導(dǎo)致的膜厚不均或過(guò)刻問(wèn)題。在產(chǎn)品上，因?yàn)椴灰装l(fā)生短路，從而能提升產(chǎn)品良率。

圖7 帶有SiOx層的制備工藝簡(jiǎn)圖Fig.7 Sketch of the process with SiOx layer

此處SiOx的膜厚為 30～50 nm，PV2的膜厚為 100～250 nm。PV2之所以采用較大的膜厚，是因?yàn)樯舷聝蓪覫TO間需要形成儲(chǔ)存電容 (Cst)，如果PV2做得的太薄，則不利于電極的充電保持。而SiOx的厚度可以維持相近的光學(xué)水準(zhǔn)，大幅度降低操作電壓，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。圖8為設(shè)計(jì)方案B的制程工藝實(shí)驗(yàn)，主要是為了決定ITO電極狹縫區(qū)域再次刻蝕的速率與時(shí)間，來(lái)達(dá)到對(duì)該區(qū)域PV的完全刻蝕。

圖8 架構(gòu)B蝕刻驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的SEM圖Fig.8 Photograph of etching experiment for design B

3 液晶電場(chǎng)分析與仿真結(jié)果

3.1 仿真架構(gòu)與電場(chǎng)方向

HVA技術(shù)的液晶工作原理[2]如圖9(a) 所示，窄視角顯示模式時(shí)會(huì)利用CF側(cè)ITO施加電場(chǎng)，使液晶分子額外產(chǎn)生傾角，造成斜視角方向漏光以達(dá)到防窺功能。所以在運(yùn)行架構(gòu)仿真時(shí)，必需考慮CF側(cè)的ITO電極對(duì)仿真結(jié)果的影響。此處使用TechWiz模擬軟件進(jìn)行液晶盒結(jié)構(gòu)評(píng)估，建立FFS顯示模式的像素電極模型，盒厚設(shè)置為3.1 μm，通過(guò)仿真確定合適的CF預(yù)傾角與CF側(cè)ITO電極的電壓大小。

圖9 液晶盒電場(chǎng)分布示意圖。(a)垂直截面；(b)水平截面。Fig.9 Distribution of electric field in a LC cell. (a) vertical section；(b) horizontal section.

圖10 電場(chǎng)絕對(duì)值與z方向分量的仿真曲線Fig.10 Simulations of average electric field and the component along z-axis

3.2 液晶電場(chǎng)隨盒厚變化

我們對(duì)飽和電壓下的液晶電場(chǎng)加以分析，圖10為垂直電場(chǎng)強(qiáng)度Ez和電場(chǎng)絕對(duì)值大小|E|隨盒厚變化的仿真結(jié)果。在電場(chǎng)的仿真過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，同樣處于飽和電壓時(shí)，靠近TFT側(cè)PV2層與SiOx層的厚度變動(dòng)，對(duì)架構(gòu)A和架構(gòu)B都會(huì)增加垂直向下電場(chǎng)的強(qiáng)度。若以原架構(gòu)盒厚0.4 μm的位置為例，設(shè)計(jì)A在該處的垂直電場(chǎng)Ez會(huì)增強(qiáng)2.93%，設(shè)計(jì)B則會(huì)增強(qiáng)9.23%。而CF側(cè)ITO置換所形成的垂直間距增加，主要反應(yīng)在能使屏內(nèi)垂直電場(chǎng)趨近完全同向，減少電場(chǎng)損耗。若只從垂直電場(chǎng)Ez的強(qiáng)度來(lái)看，設(shè)計(jì)A與設(shè)計(jì)B在盒厚2.8 μm的位置上，其大小分別為62,279 V/m和 67,537 V/m，是原架構(gòu)電壓幅值的36.35% 和39.42%；但與各自的電場(chǎng)絕對(duì)值相比則分別為98.88%和99.92%。因此，將RGB層置于ITO電極與T-ITO電極之間，除了會(huì)在CF側(cè)從驅(qū)動(dòng)液晶的電壓幅值中分去一定壓降外，并不會(huì)對(duì)電場(chǎng)隨盒厚的變化趨勢(shì)造成大幅度的改動(dòng)。

3.3 水平扭轉(zhuǎn)角隨盒厚變化

圖11為新型低電壓液晶在被部分減薄后的ITO電極狹縫區(qū)域上，于飽和電壓時(shí)水平扭轉(zhuǎn)角隨盒厚變化的仿真示意圖。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角隨電場(chǎng)變化且越接近45°，該處的透過(guò)率Tr會(huì)越向最大值靠近。透過(guò)率公式如式(1)所示[12]。

(1)

式中：Φ為液晶水平扭轉(zhuǎn)角, Δneff為有效雙折射率,d為盒厚,λ為入射光波長(zhǎng)。由圖11可知，當(dāng)施加電壓為飽和電壓時(shí)，除了靠近電極水平面的液晶水平扭轉(zhuǎn)角有約6.7% 的角度差異外，電極狹縫區(qū)域上整體的扭轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)并沒(méi)有太大的不同。此外，考慮受電極邊緣與刻蝕減薄所造成的邊緣場(chǎng)效應(yīng)[10]影響，在盒厚約為1.2 μm的位置時(shí)，水平扭轉(zhuǎn)角會(huì)超過(guò)45°達(dá)到50°左右，且依架構(gòu)不同而有所變化，該趨勢(shì)與產(chǎn)品透過(guò)率的變化相似。

圖11 ITO電極狹縫區(qū)域Φ角隨盒厚變化示意圖Fig.11 Variation of angle Φ with cell gap at the area between ITO electrodes

3.4 透過(guò)率與電壓的關(guān)系

圖12 不同架構(gòu)下液晶透過(guò)率隨電壓的變化Fig.12 Variations of TR with various voltages in different architectures

由圖12可知，原有架構(gòu)、新架構(gòu)A和新架構(gòu)B三種設(shè)計(jì)所得到的透過(guò)率最大值分別為5.96%、5.86% 和5.77%，數(shù)值上的差異約為原有架構(gòu)的3.19% 左右。而當(dāng)仿真進(jìn)行到透過(guò)率極大值附近時(shí)，可提取到飽和電壓Vsat，因此得知在使用低電壓液晶的情況下，原有架構(gòu)、新架構(gòu)A和新架構(gòu)B的Vsat值分別為4.3 V、3.9 V和3.7 V。此處兩種新設(shè)計(jì)的Vsat值分別比原有架構(gòu)減少0.4 V和0.6 V，約比原架構(gòu)降低了9.30% 和13.95%，這表明較低的Vop也可以在新架構(gòu)與新液晶同時(shí)使用的情況下被實(shí)現(xiàn)。此種結(jié)果說(shuō)明了在電壓同樣達(dá)到飽和值的情況下，兩種新設(shè)計(jì)的水平扭轉(zhuǎn)角雖然略小于原有架構(gòu)，且透過(guò)率略為降低，但相對(duì)地具有較低的電壓數(shù)值。圖12為新舊3種不同架構(gòu)在使用新型低電壓液晶時(shí)V-T特性曲線的變化。

4 結(jié) 論

針對(duì)IVO所廣泛使用的具有HVA功能負(fù)性FFS向列相液晶顯示屏，本文提出幾種新型節(jié)能的架構(gòu)設(shè)計(jì)?；趯?shí)際量測(cè)的結(jié)果，在原有架構(gòu)不變的前提下，使用新型低電壓液晶的操作電壓會(huì)比原有液晶低32%。若同時(shí)使用新型液晶，則新架構(gòu)A與新架構(gòu)B仿真后所提取到的液晶飽和電壓會(huì)比原有架構(gòu)的電壓低9.30% 和 13.95%；而且可以直觀地發(fā)現(xiàn)在透過(guò)率極大值的變化上與水平扭轉(zhuǎn)角度有相似關(guān)系。這些結(jié)果表明這幾種節(jié)能新架構(gòu)在HVA顯示屏的灰階操作上會(huì)具有較低的電壓，進(jìn)而能降低整體功耗且達(dá)到低功耗的特性需求。