梅文娟 李紀(jì) 許金波 尹小斌 祝政委

（合肥京東方光電科技有限公司 安徽省合肥市 230000）

1 引言

薄膜晶體管-液晶顯示器(TFT-LCD,Thin film transistor-Liquid crystal display)在通訊、顯示、信息傳遞、科技發(fā)展中應(yīng)用廣泛，但隨著OLED、QLED、MLED等新型顯示器件的不斷沖擊，TFT-LCD各種特性也迎來(lái)了更極致的要求[1-4]。

亮度響應(yīng)曲線主要是指根據(jù)液晶顯示器的電壓-透過(guò)率關(guān)系曲線，為適應(yīng)人眼及大腦對(duì)灰階的識(shí)別能力，擬合的灰階-透過(guò)率關(guān)系曲線，稱為Gamma曲線，如圖1所示，其中Gamma=2.2時(shí)，最適合人眼分辨，Gamma值大于2.2，整體偏暗；小于2.2，整體偏亮，層次感變差。通常為了達(dá)到理想的亮度響應(yīng)曲線，必須對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行Gamma調(diào)整[4]。有些研究者曾研究過(guò)TN型的Gamma影響因子，但未建立其模型[5-8]；我們?cè)?jīng)通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證數(shù)據(jù)，得出過(guò)ADS型初始Gamma模型，但存在較多缺陷，如單一因子驗(yàn)證數(shù)據(jù)不滿足不良解析實(shí)際[9]，亟需修正。

圖1：不同Gamma灰階示意圖

考慮產(chǎn)能及成本控制，行業(yè)內(nèi)使用固定Gamma燒錄，但由于工藝波動(dòng)，樣品間會(huì)出現(xiàn)Gamma的波動(dòng)，行業(yè)內(nèi)眾多研究者著眼于電路調(diào)試[10-11]，基于LCD工藝優(yōu)化產(chǎn)品的Gamma均一性，已經(jīng)成為提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)重要工作?；诖?，文中針對(duì)ADS型TFT-LCD展開了Gamma模型建立研究分析。

2 Gamma模型探究

Gamma是和透過(guò)率(Tr.%)、驅(qū)動(dòng)電壓(V)、灰階(Gray Level)密切相關(guān)的，受多因子雜合影響，如圖2所示為ADS型TFT-LCD像素結(jié)構(gòu)示意圖，像素電容主要受像素電極（1-ITO）、公共電極（2-ITO）、PVX，電容公式如公式（1）所示[12]：

圖2：TFT-LCD像素結(jié)構(gòu)圖(a)電場(chǎng)強(qiáng)度示意圖(b)

式中ε：介電常數(shù)，S：電極overlap面積，d：電極間距。在本文中，像素電極（1-ITO）CD、公共電極（2-ITO）CD主要與S相關(guān)；PVX厚度及介電常數(shù)主要與ε、d相關(guān)；取向?qū)樱≒I）和液晶（LC）會(huì)影響電場(chǎng)強(qiáng)度。

為了探究Gamma波動(dòng)影響因子，利用Techwiz軟件基于720*1560的6.52in TFT-LCD模組進(jìn)行1ITO CD、2ITO CD、1-2ITO OL、PVX介電常數(shù)、PVX膜厚、PI膜厚、Cell Gap等因子波動(dòng)對(duì)高灰階Gamma（L240灰階）模擬，并制作模組樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 1-ITO CD波動(dòng)對(duì)Gamma影響分析

由圖3(a)模擬結(jié)果可以看出，1-ITO CD與Gamma成正比。由圖2可知，當(dāng)CD變化時(shí)，電容的像素電極發(fā)生變化，影響電容電極overlap的變化，直接影響電場(chǎng)強(qiáng)度。1-ITO CD減小，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，透過(guò)率變化增大，Gamma減??；1-ITO CD增大，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，透過(guò)率變化減小，Gamma增大。如圖3(b)，實(shí)際樣品測(cè)試1ITO CD減小1μm、增大1μm與對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果顯示：與對(duì)照組相比，1-ITO CD減小1μm組，Gamma較對(duì)照組（Gamma中心值2.16）偏小0.3；1-ITO CD增大1μm組，Gamma較對(duì)照組（Gamma中心值2.16）偏大0.4，證明模擬數(shù)據(jù)可靠，單因子影響為y1= 0.3494x1+ 2.2。

圖3：1ITO CD波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響模擬(a)和實(shí)測(cè)（b）

2.2 2-ITO CD波動(dòng)對(duì)Gamma影響分析

保持其它條件不變，更改2-ITO CD的波動(dòng)模擬及實(shí)際測(cè)試結(jié)果，如圖4(a)、4(b)。結(jié)果可見(jiàn)Gamma與2-ITO CD波動(dòng)呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系，由圖2可知，當(dāng)2-ITO CD變化時(shí)，影響電容電極overlap的變化，直接影響電場(chǎng)強(qiáng)度。但2ITO CD發(fā)生不同變化時(shí)，100%透過(guò)率的電壓值不同，當(dāng)選取固定的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)截?cái)嚯妷籂奚畲笸高^(guò)，該方法被稱為截?cái)嗤高^(guò)率法[13]，所以Gamma會(huì)出現(xiàn)隨著2-ITO CD增大，Gamma增大；2-ITO CD減小，Gamma先減小后增大。Gamma與2-ITO CD波動(dòng)呈現(xiàn)多項(xiàng)式y(tǒng)2=0.424x22+0.3454x2+2.2。實(shí)驗(yàn)選取2-ITO CD-0.5μm、2-ITO+0.5μm與對(duì)照組進(jìn)行Gamma對(duì)比，實(shí)際正向增加0.5um，Gamma增加，CD減小0.5μm，Gamma幾乎不變，符合模擬數(shù)據(jù)。

圖4：2ITO CD波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響模擬(a)和實(shí)測(cè)(b)

2.3 1-2ITO OL對(duì)Gamma影響分析

1-2ITO OL對(duì)像素電容的影響主要是S，當(dāng)OL過(guò)大時(shí)，像素電場(chǎng)會(huì)減弱，有效電場(chǎng)線減少，導(dǎo)致透過(guò)率變化變小，Gamma會(huì)增大。保持其它條件不變，更改1-2ITO OL的波動(dòng)模擬及實(shí)際測(cè)試結(jié)果，如圖5(a)、圖5(b)。隨著1-2ITO OL增大，像素電場(chǎng)減弱，透過(guò)率減小，Gamma增大。收集不同1-2ITO OL樣品進(jìn)行實(shí)際Gamma測(cè)試，顯示隨1-2ITO OL增大，Gamma增大。Gamma與1-2ITO OL波動(dòng)呈現(xiàn)多項(xiàng)式y(tǒng)3=0.3281x32+ 0.0092x3+ 2.2028。

圖5：1-2ITO OL波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響模擬(a)和實(shí)測(cè)(b)

2.4 PVX膜厚及介電常數(shù)對(duì)Gamma影響分析

由圖2可知，PVX厚度影響像素電容d的大小，與C成反比，PVX的介電常數(shù)與像素電容ε的大小相關(guān)。厚度變大時(shí)，像素電容減小，電場(chǎng)強(qiáng)度減小，透過(guò)率的變化減小，Gamma增大。厚度變小時(shí)，像素電容變大，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，透過(guò)率的變化增大，Gamma減??；介電常數(shù)變大時(shí)，像素電容變大，電場(chǎng)強(qiáng)度變大，透過(guò)率的變化變大，Gamma減小。介電常數(shù)變小時(shí)，像素電容變小，電場(chǎng)強(qiáng)度變小，透過(guò)率的變化變小，Gamma增大。

由圖6(a)、6(b)可以看出，PVX厚度與Gamma成正比，隨PVX厚度增大，像素電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，透過(guò)率減小，Gamma增大。選取PVX膜厚較對(duì)照組-2000?、-1000?、+1500?與對(duì)照組進(jìn)行Gamma比較，結(jié)果表明隨PVX厚度增大，Gamma增大。Y4=0.0006x4+2.2。

圖6：PVX膜厚波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響模擬(a)和實(shí)測(cè)(b)

由圖7(a)、圖7(b)可以看出PVX介電常數(shù)與Gamma成正比例關(guān)系，隨PVX介電常數(shù)增加，Gamma減小，實(shí)驗(yàn)樣品通過(guò)調(diào)節(jié)成膜工藝，制作PVX介電常數(shù)樣品進(jìn)行Gamma測(cè)試，與模擬數(shù)據(jù)匹配，該處僅對(duì)比，故未選取對(duì)照組進(jìn)行Gamma2.2優(yōu)化，y5= -0.2642x5+2.2。

圖7：PVX介電常數(shù)波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響模擬(a)和實(shí)測(cè)(b)

2.5 PI膜厚對(duì)Gamma影響分析

由圖8可以看出，PI厚度與Gamma成正比，隨PI厚度增大，像素電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，透過(guò)率減小，Gamma增大。選取PI膜厚較對(duì)照組減小250?，結(jié)果表明PI厚度減小250?，Gamma偏低約0.5，影響較大；由圖2可以看出，ADS模式下，電場(chǎng)線需經(jīng)過(guò)兩次TFT側(cè)PI膜層，PI層層與液晶層存在一定的分壓關(guān)系，PI層厚度越小，液晶層厚度越大，液晶層的分壓就接近于驅(qū)動(dòng)電壓，液晶層的分壓會(huì)隨著取向?qū)雍穸鹊脑黾佣杆贉p小[14]，所以PI膜厚變小時(shí)，膜層表面電阻及膜層取向能力會(huì)發(fā)生變化，所需要的驅(qū)動(dòng)電壓變低，導(dǎo)致透過(guò)率變化增大，Gamma變?。籔I膜厚變大時(shí)，膜層表面電阻及膜層取向能力會(huì)發(fā)生變化，器件所需要的驅(qū)動(dòng)電壓升高，導(dǎo)致透過(guò)率變化減小，Gamma變大。由數(shù)據(jù)擬合得到對(duì)Gamma的影響公式：Y6=0.0025x6+2.2005。

圖8：PI膜厚波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響(a)和實(shí)測(cè)(b)

2.6 盒厚（Cell Gap）對(duì)Gamma影響分析

由于ADS模式下，電場(chǎng)線需經(jīng)過(guò)兩次TFT側(cè)PI膜層及液晶層，PI膜層與液晶層存在一定的分壓關(guān)系，由PI膜層分析可以知道PI膜厚固定時(shí)，液晶層厚度變化也會(huì)影響液晶層的分壓，影響透過(guò)率曲線的變化。由圖9可以看出Gap與Gamma成反比，隨著Gap增加，Gamma減小，y7= -0.6668x7+2.2。實(shí)際生產(chǎn)履歷中曾同一產(chǎn)品Gap 3.1μm樣品Gamma較 Gap 2.97μm 樣品Gamma偏低近0.1，與模擬數(shù)據(jù)相匹配。

圖9：Gap波動(dòng)對(duì)Gamma波動(dòng)影響模擬

3 結(jié)論

本文根據(jù)對(duì)TFT-LCD高規(guī)格要求，對(duì)Gamma模型的建立進(jìn)行了研究，利用Techwiz軟件基于720*1560的6.52in TFT-LCD，對(duì)1-ITO CD、2-ITO CD、1-2ITO OL、PVX介電常數(shù)、PVX膜厚、PI膜厚等關(guān)鍵影響因子進(jìn)行軟件模擬及樣品驗(yàn)證，探究Gamma的變化趨勢(shì)。最后得出對(duì)Gamma影響較大因素1ITO CD、2ITO CD、1-2ITO OL、PVX介電常數(shù)、PVX膜厚、PI膜厚、Cell Gap對(duì)其影響的因子系數(shù)，建立的Gamma影響模型為：

Y=0.3494x1+0.424x22+0.3454x2+0.3281x32+0.0092x3+0.0006x4-0.2642x5+0.0025x6-0.6668x7+2.2；其中X1為1ITO CD波動(dòng)，單位為μm；X2為2ITO CD波動(dòng)，單位為μm；X3為1-2ITO CD波動(dòng)，單位為μm；X4為PVX厚度，單位為?；X5為PVX介電常數(shù)；X6為PI厚度，單位為?；X7為Cell Gap，單位為μm。這對(duì)后續(xù)Gamma不良研究提供了理論基礎(chǔ)。