使用环境对LCD液晶盒厚的影响研究

周华+陆建钢+朱健

【摘 要】 本文通过建立模型研究了液晶显示器盒厚的形成机制，通过实验测试数据验证了模型的正确性以及得出初步的液晶盒厚公式。并进一步研究了模型中相关参数在不同使用环境中的变异以及这些变异对盒厚和最终显示效果的一些影响。

【关键词】 液晶盒厚 液晶 液晶垫层

薄膜晶体管液晶显示器（TFT LCD）为目前显示领域内应用范围最广的主流技术，具有低功耗，低重量，体积轻巧，显示效果佳等显著优点。液晶盒厚是影响液晶显示器显示特性的一个重要参数。研究表明，随着盒厚的变化，显示器的透过率，响应时间，对比度都会发生明显的变化，进而影响到显示器的显示效果。因此，对液晶盒厚形成机制的研究，以及盒厚控制要素的研究，对液晶显示行业具有普遍且积极的意义。

1 模型

1.1 盒厚模型建立及公式

首先，我们尝试建立液晶盒厚的理论模型。TFT-LCD由上基板组件、下基板组件、液晶、驱动电路单元、背光灯模组和其他附件组成，液晶填充于上、下基板形成的空隙内。其中盒内组成有TFT器件，TFT显示区域（包含画素电极，存储电容等），CF色阻，配向膜，Black matrix，垫层（Photo Spacer，以下均简称PS）和液晶。液晶盒厚即为TFT侧表面到CF侧表面的距离。通过剖面图图1，我们可以确定影响盒厚的因子为TFT膜厚，CF色阻厚度，以及垫层PS高度，内部液晶量的多少。由于膜厚的变异非常微小，在我们初步的研究中暂时不考虑，只考虑PS高度以及液晶量对盒厚的影响。因此我们建模型如图1。

模型显示，盒厚是PS高度和液晶量共同影响的结果。PS是一种树脂材料，具有一定的弹性变化能力，对于固定的使用温度下，即外部压力和温度不变的情况下，盒厚变化呈现如下规律。

当充入的液晶量不足时，盒厚表现为完全的由PS支撑。外部压力给予PS施压，PS受到压力后产生形变，进而高度发生变化。这个变化量通常由材料的弹性系数决定。当PS形变到材料允许的极限值后该形变即会停止。在该盒厚范围内，液晶量的变化并不会影响盒厚的变化，盒厚表现为PS高度单一影响。随着液晶量注入量的增多，液晶平面高出PS支撑的高度。此时PS不再受到外力的挤压，由于PS是一种具备弹性的材料，当外力撤除后，PS在自身弹性回复力作用下会恢复部分高度，直到和现有水平面齐平，再次和外力相平衡为止。此时盒厚表现为和液晶量相关性。

当液晶量进一步增多时，此时PS已经达到其弹性回复的极限，无法再变高，整个盒厚完全由液晶支撑。

在上述的三种状态中，第二种是TFT LCD可以正常工作的状态，第一种表现为液晶无法充满整个液晶盒，部分区域会出现真空气泡。第三种状态由于缺乏PS的支撑，液体流动性较强，因此盒厚表现为不稳定不均匀的状态，容易产生Mura，因此，盒厚公式可以表达为如下形式

a*PS LC

Cell gap = { b*LC/S Va*PS

c*PS Vc*PS

式中a为PS压缩率，LC为液晶注入量，b为液晶量对盒厚有效的部分，以88%计算。S为该产品可视区面积，c为PS的最大弹性回复率。其中a，c由PS材质设计决定，b由画素设计决定。

1.2 实测数据

为验证公式的正确性，我们设计了两组实验。分别选定了10”和12”的两个产品为研究对象。实验方法为收集该产品PS高度，可视区面积的数据，然后理论计算出Cell Gap相对液晶量的变化曲线。同时，我们选用不同的液晶量实际注入产品并去实际测量其Cell Gap， 并和理论计算值做比较。

首先，根据盒厚公式以及产品数据我们可以得到盒厚的理论计算值；然后，我们实际改变液晶量测量盒厚实际值。最后，结合以上数据，得到了理论盒厚和实际盒厚的对比数据。如下图

上图10”数据中实际盒厚红色区间为异常区间，左侧红色区间为液晶量不足部分，盒厚不随液晶量变化，和理论计算一致。右侧红色区间为液晶量过多区域，我们将此时的盒厚数据修正为理论计算值一致，这样可以很直观的从数据上判断该显示器的正常工作区间。12”的理论和实测数据同样吻合。

综合以上分析，理论和实测数据基本吻合，证明盒厚的理论公式是有效的。

2 其他影响因素研究

以上研究均建立在一个标准大气压和25度的环境下，事实上，当温度和气压发生变化时，PS的压缩率和液晶的密度均会发生变化，进而进一步影响最终的盒厚。我们以10”为研究对象。其在一个大气压环境下PS压缩率为10%，在完全无外力状态下压缩率为0，所以我们可以近似得到PS压缩率和气压的公式为a=P/1013mb*10%。式中P为实际压力（单位mb）。同时我们研究液晶密度随温度的变化曲线，通过液晶厂商提供的资料分析得到液晶密度公式为ρ=1.007-0.000747T，式中ρ为液晶密度，T为温度。

因此，我们可以修正公式如下，

（1-P/1013*10%）*PS LC

Cell gap={0.88*LC/（（1.007-0.000747T）*S） Va*PS

0.98*PS Vc*PS

我们分别选择一个标准大气压+25度，1.2大气压+40度以及0.8大气压+10度来计算盒厚，计算结果如下。

结果显示：（1）低压状态下显示器的可正常工作区间变小，即工作下限上移。提示部分原来可正常工作的盒厚区间将会出现真空气泡而无法正常工作。相对的高压状态下则下限下移，工作区间变大。（2）温度变化使得同一液晶量条件下盒厚会发生变异，以106度为例，盒厚分别为25度3.24um，40度3.28um，10度3.20um。变化幅度在2%以上。

3 结语

通过以上模型建立和数据分析，我们可以发现液晶盒厚可以简化为PS高度和液晶量相关的一个公式，进一步考虑环境压力和温度的变化，我们可以得到盒厚公式如下：

（1-P/1013*a）*PS LC

Cell gap={b*LC/（（1.007-0.000747T）*S） Va*PS

c*PS Vc*PS

该公式的意义为可以指导后续产品设计和实际生产过程中液晶盒厚的控制，并且通过公式发现，液晶显示器的工作区间会随环境压力的变化而发生显著变化，且盒厚也会随温度变化而变化，这对于我们依据产品使用环境不同而调整设计和生产同样具有一定的指导作用。

【摘 要】 本文通过建立模型研究了液晶显示器盒厚的形成机制，通过实验测试数据验证了模型的正确性以及得出初步的液晶盒厚公式。并进一步研究了模型中相关参数在不同使用环境中的变异以及这些变异对盒厚和最终显示效果的一些影响。

【关键词】 液晶盒厚 液晶 液晶垫层

薄膜晶体管液晶显示器（TFT LCD）为目前显示领域内应用范围最广的主流技术，具有低功耗，低重量，体积轻巧，显示效果佳等显著优点。液晶盒厚是影响液晶显示器显示特性的一个重要参数。研究表明，随着盒厚的变化，显示器的透过率，响应时间，对比度都会发生明显的变化，进而影响到显示器的显示效果。因此，对液晶盒厚形成机制的研究，以及盒厚控制要素的研究，对液晶显示行业具有普遍且积极的意义。

1 模型

1.1 盒厚模型建立及公式

首先，我们尝试建立液晶盒厚的理论模型。TFT-LCD由上基板组件、下基板组件、液晶、驱动电路单元、背光灯模组和其他附件组成，液晶填充于上、下基板形成的空隙内。其中盒内组成有TFT器件，TFT显示区域（包含画素电极，存储电容等），CF色阻，配向膜，Black matrix，垫层（Photo Spacer，以下均简称PS）和液晶。液晶盒厚即为TFT侧表面到CF侧表面的距离。通过剖面图图1，我们可以确定影响盒厚的因子为TFT膜厚，CF色阻厚度，以及垫层PS高度，内部液晶量的多少。由于膜厚的变异非常微小，在我们初步的研究中暂时不考虑，只考虑PS高度以及液晶量对盒厚的影响。因此我们建模型如图1。

模型显示，盒厚是PS高度和液晶量共同影响的结果。PS是一种树脂材料，具有一定的弹性变化能力，对于固定的使用温度下，即外部压力和温度不变的情况下，盒厚变化呈现如下规律。

当充入的液晶量不足时，盒厚表现为完全的由PS支撑。外部压力给予PS施压，PS受到压力后产生形变，进而高度发生变化。这个变化量通常由材料的弹性系数决定。当PS形变到材料允许的极限值后该形变即会停止。在该盒厚范围内，液晶量的变化并不会影响盒厚的变化，盒厚表现为PS高度单一影响。随着液晶量注入量的增多，液晶平面高出PS支撑的高度。此时PS不再受到外力的挤压，由于PS是一种具备弹性的材料，当外力撤除后，PS在自身弹性回复力作用下会恢复部分高度，直到和现有水平面齐平，再次和外力相平衡为止。此时盒厚表现为和液晶量相关性。

当液晶量进一步增多时，此时PS已经达到其弹性回复的极限，无法再变高，整个盒厚完全由液晶支撑。

在上述的三种状态中，第二种是TFT LCD可以正常工作的状态，第一种表现为液晶无法充满整个液晶盒，部分区域会出现真空气泡。第三种状态由于缺乏PS的支撑，液体流动性较强，因此盒厚表现为不稳定不均匀的状态，容易产生Mura，因此，盒厚公式可以表达为如下形式

a*PS LC

Cell gap = { b*LC/S Va*PS

c*PS Vc*PS

式中a为PS压缩率，LC为液晶注入量，b为液晶量对盒厚有效的部分，以88%计算。S为该产品可视区面积，c为PS的最大弹性回复率。其中a，c由PS材质设计决定，b由画素设计决定。

1.2 实测数据

为验证公式的正确性，我们设计了两组实验。分别选定了10”和12”的两个产品为研究对象。实验方法为收集该产品PS高度，可视区面积的数据，然后理论计算出Cell Gap相对液晶量的变化曲线。同时，我们选用不同的液晶量实际注入产品并去实际测量其Cell Gap， 并和理论计算值做比较。

首先，根据盒厚公式以及产品数据我们可以得到盒厚的理论计算值；然后，我们实际改变液晶量测量盒厚实际值。最后，结合以上数据，得到了理论盒厚和实际盒厚的对比数据。如下图

上图10”数据中实际盒厚红色区间为异常区间，左侧红色区间为液晶量不足部分，盒厚不随液晶量变化，和理论计算一致。右侧红色区间为液晶量过多区域，我们将此时的盒厚数据修正为理论计算值一致，这样可以很直观的从数据上判断该显示器的正常工作区间。12”的理论和实测数据同样吻合。

综合以上分析，理论和实测数据基本吻合，证明盒厚的理论公式是有效的。

2 其他影响因素研究

以上研究均建立在一个标准大气压和25度的环境下，事实上，当温度和气压发生变化时，PS的压缩率和液晶的密度均会发生变化，进而进一步影响最终的盒厚。我们以10”为研究对象。其在一个大气压环境下PS压缩率为10%，在完全无外力状态下压缩率为0，所以我们可以近似得到PS压缩率和气压的公式为a=P/1013mb*10%。式中P为实际压力（单位mb）。同时我们研究液晶密度随温度的变化曲线，通过液晶厂商提供的资料分析得到液晶密度公式为ρ=1.007-0.000747T，式中ρ为液晶密度，T为温度。

因此，我们可以修正公式如下，

（1-P/1013*10%）*PS LC

Cell gap={0.88*LC/（（1.007-0.000747T）*S） Va*PS

0.98*PS Vc*PS

我们分别选择一个标准大气压+25度，1.2大气压+40度以及0.8大气压+10度来计算盒厚，计算结果如下。

结果显示：（1）低压状态下显示器的可正常工作区间变小，即工作下限上移。提示部分原来可正常工作的盒厚区间将会出现真空气泡而无法正常工作。相对的高压状态下则下限下移，工作区间变大。（2）温度变化使得同一液晶量条件下盒厚会发生变异，以106度为例，盒厚分别为25度3.24um，40度3.28um，10度3.20um。变化幅度在2%以上。

3 结语

通过以上模型建立和数据分析，我们可以发现液晶盒厚可以简化为PS高度和液晶量相关的一个公式，进一步考虑环境压力和温度的变化，我们可以得到盒厚公式如下：

（1-P/1013*a）*PS LC

Cell gap={b*LC/（（1.007-0.000747T）*S） Va*PS

c*PS Vc*PS

该公式的意义为可以指导后续产品设计和实际生产过程中液晶盒厚的控制，并且通过公式发现，液晶显示器的工作区间会随环境压力的变化而发生显著变化，且盒厚也会随温度变化而变化，这对于我们依据产品使用环境不同而调整设计和生产同样具有一定的指导作用。

【摘 要】 本文通过建立模型研究了液晶显示器盒厚的形成机制，通过实验测试数据验证了模型的正确性以及得出初步的液晶盒厚公式。并进一步研究了模型中相关参数在不同使用环境中的变异以及这些变异对盒厚和最终显示效果的一些影响。

【关键词】 液晶盒厚 液晶 液晶垫层

薄膜晶体管液晶显示器（TFT LCD）为目前显示领域内应用范围最广的主流技术，具有低功耗，低重量，体积轻巧，显示效果佳等显著优点。液晶盒厚是影响液晶显示器显示特性的一个重要参数。研究表明，随着盒厚的变化，显示器的透过率，响应时间，对比度都会发生明显的变化，进而影响到显示器的显示效果。因此，对液晶盒厚形成机制的研究，以及盒厚控制要素的研究，对液晶显示行业具有普遍且积极的意义。

1 模型

1.1 盒厚模型建立及公式

首先，我们尝试建立液晶盒厚的理论模型。TFT-LCD由上基板组件、下基板组件、液晶、驱动电路单元、背光灯模组和其他附件组成，液晶填充于上、下基板形成的空隙内。其中盒内组成有TFT器件，TFT显示区域（包含画素电极，存储电容等），CF色阻，配向膜，Black matrix，垫层（Photo Spacer，以下均简称PS）和液晶。液晶盒厚即为TFT侧表面到CF侧表面的距离。通过剖面图图1，我们可以确定影响盒厚的因子为TFT膜厚，CF色阻厚度，以及垫层PS高度，内部液晶量的多少。由于膜厚的变异非常微小，在我们初步的研究中暂时不考虑，只考虑PS高度以及液晶量对盒厚的影响。因此我们建模型如图1。

模型显示，盒厚是PS高度和液晶量共同影响的结果。PS是一种树脂材料，具有一定的弹性变化能力，对于固定的使用温度下，即外部压力和温度不变的情况下，盒厚变化呈现如下规律。

当充入的液晶量不足时，盒厚表现为完全的由PS支撑。外部压力给予PS施压，PS受到压力后产生形变，进而高度发生变化。这个变化量通常由材料的弹性系数决定。当PS形变到材料允许的极限值后该形变即会停止。在该盒厚范围内，液晶量的变化并不会影响盒厚的变化，盒厚表现为PS高度单一影响。随着液晶量注入量的增多，液晶平面高出PS支撑的高度。此时PS不再受到外力的挤压，由于PS是一种具备弹性的材料，当外力撤除后，PS在自身弹性回复力作用下会恢复部分高度，直到和现有水平面齐平，再次和外力相平衡为止。此时盒厚表现为和液晶量相关性。

当液晶量进一步增多时，此时PS已经达到其弹性回复的极限，无法再变高，整个盒厚完全由液晶支撑。

在上述的三种状态中，第二种是TFT LCD可以正常工作的状态，第一种表现为液晶无法充满整个液晶盒，部分区域会出现真空气泡。第三种状态由于缺乏PS的支撑，液体流动性较强，因此盒厚表现为不稳定不均匀的状态，容易产生Mura，因此，盒厚公式可以表达为如下形式

a*PS LC

Cell gap = { b*LC/S Va*PS

c*PS Vc*PS

式中a为PS压缩率，LC为液晶注入量，b为液晶量对盒厚有效的部分，以88%计算。S为该产品可视区面积，c为PS的最大弹性回复率。其中a，c由PS材质设计决定，b由画素设计决定。

1.2 实测数据

为验证公式的正确性，我们设计了两组实验。分别选定了10”和12”的两个产品为研究对象。实验方法为收集该产品PS高度，可视区面积的数据，然后理论计算出Cell Gap相对液晶量的变化曲线。同时，我们选用不同的液晶量实际注入产品并去实际测量其Cell Gap， 并和理论计算值做比较。

首先，根据盒厚公式以及产品数据我们可以得到盒厚的理论计算值；然后，我们实际改变液晶量测量盒厚实际值。最后，结合以上数据，得到了理论盒厚和实际盒厚的对比数据。如下图

上图10”数据中实际盒厚红色区间为异常区间，左侧红色区间为液晶量不足部分，盒厚不随液晶量变化，和理论计算一致。右侧红色区间为液晶量过多区域，我们将此时的盒厚数据修正为理论计算值一致，这样可以很直观的从数据上判断该显示器的正常工作区间。12”的理论和实测数据同样吻合。

综合以上分析，理论和实测数据基本吻合，证明盒厚的理论公式是有效的。

2 其他影响因素研究

以上研究均建立在一个标准大气压和25度的环境下，事实上，当温度和气压发生变化时，PS的压缩率和液晶的密度均会发生变化，进而进一步影响最终的盒厚。我们以10”为研究对象。其在一个大气压环境下PS压缩率为10%，在完全无外力状态下压缩率为0，所以我们可以近似得到PS压缩率和气压的公式为a=P/1013mb*10%。式中P为实际压力（单位mb）。同时我们研究液晶密度随温度的变化曲线，通过液晶厂商提供的资料分析得到液晶密度公式为ρ=1.007-0.000747T，式中ρ为液晶密度，T为温度。

因此，我们可以修正公式如下，

（1-P/1013*10%）*PS LC

Cell gap={0.88*LC/（（1.007-0.000747T）*S） Va*PS

0.98*PS Vc*PS

我们分别选择一个标准大气压+25度，1.2大气压+40度以及0.8大气压+10度来计算盒厚，计算结果如下。

结果显示：（1）低压状态下显示器的可正常工作区间变小，即工作下限上移。提示部分原来可正常工作的盒厚区间将会出现真空气泡而无法正常工作。相对的高压状态下则下限下移，工作区间变大。（2）温度变化使得同一液晶量条件下盒厚会发生变异，以106度为例，盒厚分别为25度3.24um，40度3.28um，10度3.20um。变化幅度在2%以上。

3 结语

通过以上模型建立和数据分析，我们可以发现液晶盒厚可以简化为PS高度和液晶量相关的一个公式，进一步考虑环境压力和温度的变化，我们可以得到盒厚公式如下：

（1-P/1013*a）*PS LC

Cell gap={b*LC/（（1.007-0.000747T）*S） Va*PS

c*PS Vc*PS

该公式的意义为可以指导后续产品设计和实际生产过程中液晶盒厚的控制，并且通过公式发现，液晶显示器的工作区间会随环境压力的变化而发生显著变化，且盒厚也会随温度变化而变化，这对于我们依据产品使用环境不同而调整设计和生产同样具有一定的指导作用。