OGS触控显示模组一体黑技术研究
2019-11-11王庆浦徐佳伟谢涛峰郭总杰
张 卫,王庆浦,徐佳伟,曾 琴,谢涛峰,郭总杰
(合肥鑫晟光电科技有限公司,安徽 合肥 230011)
1 引 言
目前市场上触控屏的应用领域越来越广,在手机、平板电脑、笔记本电脑,触控一体机、电子白板、医疗事业、车载等方面均有应用。触摸屏技术的迅速发展使得市场上对其要求越来越高,如何从外观、质量、技术细节等各方面来吸引消费者,提高用户体验也是每个触摸屏企业追求的目标。随着质量、价格的竞争日益激烈,越来越多的厂家越来越重视触摸屏细节、结构的新颖设计,因为从细节、创新结构方面着手往往能提高产品竞争力,在市场上站稳脚跟[1]。当前大部分触摸屏产品(Touch Panel,TP)与液晶显示模组(Liquid Crystal Module, LCM)贴合后,可视区和黑色光组(Black Matrix,BM)区会出现明显的色差,整体外观看起来不美观,难以起到冲击性的视觉效果,虽然全贴合(Direct Bonding)较框贴(Air Bonding)已有明显改善,但仍然无法满足市场上消费者的外观需求,于是一体黑的概念被提出。
一体黑是指触控显示模组(Touch Panel LCD Module,TLCM)在关机状态下,边缘BM区与可视区的色差小到人眼无法区分,全屏显示为黑色。目前针对一体黑部分,也陆续有客户提出需求,行业内大部分采用对CG (Cover Glass,CG)调整油墨颜色的方式对应[2],但是黑化的程度不够,同时针对OGS(One Glass Soulution)触控模组部分尚未找到很好的方案对应,单一改变BM材料色差来匹配黑色效果不理想,另外针对OGS,为改善消影基本上只使用一层IM或者一层SiOxNy,对消影确实有改善,但对改善黑色光阻区与可视区颜色对比度效果不明显,本文通过改变设计和工艺,提出双IM层,减少BM区与可视区色偏差异,达到一体黑的效果。
2 一体黑光学实现分析
ITO透明导电薄膜是电容触摸屏的核心部分,它是具有一定吸收特性的高折射率介质[3],这层介质影响可视区的光学特性,导致可视区颜色不呈中性,一般处理方法是利用其他介质制作ITO的匹配层,以此改善可视区的色偏情况;消影增透膜是用来解决色差和提高透过率的主要手段,其一般由高、低折射率透明介质匹配组成,比如高折射率材料为Nb2O5或者SiOxNy,低折射率材料为SiO2或者MaF2薄膜等[3]。综合设计和生产等各种因素的考虑,选择SiO2/Nb2O5/SiOxNy三种消影材料与ITO匹配使用,以达到降低色偏的目的。
图1为TLCM的光学反射原理示意图, 其由BM区和可视区组成;它的中间区域是可视区,入射光A需要透射5层介质Glass-IM(Nb2O5/SiO2)-ITO-SiOxNy-光学透明胶,再经过LCD的表面反射,按相反的顺序从5层介质透射出变成出射光A1;黑色BM在TLCM的四周区域,入射光A需要透射玻璃,经过BM反射后再透射出玻璃变成出射光A2。由色度学原理可知,颜色是不同波长的光波作用于人的视觉系统后所产生的效果[5],因此若要满足TLCM的一体黑,出射光A1和A2的波段成分必须相近,从而人眼对光波A1和A2响应的颜色一致,且无法区分。下面将从色差角度说明实现一体黑的理论基础。
色差是指用来表征两个颜色的相互差异程度,目前使用最广泛的标准色空间是CIE1976LAB,此标准评价色差数值与人眼视觉感受具有一致性[5-6];色差的计算公式为规范评价色差的数学模型,在CIE1976LAB标准中色差ΔE计算公式为:
ΔE= [(ΔL)2+ (ΔA)2+ (ΔB)2]1/2,
(1)
式中:ΔE的单位是NBS,ΔL,ΔA,ΔB是指两种颜色的L、A、B差值,由式(2)~(4)计算:
ΔL=L1-L2,
(2)
ΔA=A1-A2,
(3)
ΔB=B1-B2,
(4)
根据色差公式和光学原理示意图,能够发现影响TLCM一体黑的因素有OGS的4层介质、光学透明胶以及LCD与BM的色差。经过测试BM区、LCD(HADS型)以及TLCM可视区的LAB值,计算出BM与LCD的色差在1 NBS以内,而BM与TLCM的可视区色差大于3 NBS;由于光学透明胶是无色透明介质,对可视区颜色无影响,因此OGS的4层介质对TLCM一体黑影响最大。分析BM、LCD、TLCM和OGS单体的色度值,发现OGS单体的A值和B值与BM差值大,造成TLCM的可视区与BM色差大;因此若要实现TLCM一体黑效果,需要调控4层介质Glass-IM-ITO-SiOxNy的A或B值趋近于0。
为了找出Glass-IM-ITO-SiOxNy的最佳匹配膜层厚度,利用光学模拟软件TFCalc进行膜层设计,分别在ITO厚度为45 nm、90 nm和120 nm时,模拟不同IM和SiOxNy膜层厚度对OGS色度值影响[4],探索出透射和反射|A|值和|B|值接近于0的膜层设计,再进行试验验证,最后利用光学设备测试找出贴合后的最佳一体黑效果。
图1 一体黑原理示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated black
3 实 验
本论文涉及的实验和测试均在6代OGS生产线进行。实验室根据前述一体黑实现方法分析,先选取一款HADS型的LCD,且表面颜色和BM区颜色接近,通过模拟找出OGS单体A值和B值趋近于0的匹配膜层设计值,以不同ITO厚度为条件分阶段进行验证,每阶段验证不同厚度的IM和SiOxNy对OGS色度值的影响,并测试TLCM的色差,找出每阶段的最佳一体黑样品。
3.1 ITO厚度45 nm TLCM一体黑验证
表1和表2是ITO厚度为45 nm时的不同TLCM样品反射LAB测试结果及其对应不同膜层的厚度,从表1看出黑色光阻区与可视区最小色差为0.97,几乎低于人眼识别色差阈值(约1 NBS)[4-5],一体黑光学效果明显;结合表1和表2能够发现以下现象:(1)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情况下,SiOxNy厚度90 nm的样品色差总体比SiOxNy厚度60 nm和70 nm的大;(2)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情况下,Nb2O5厚度10 nm的样品色差总体比厚度8 nm和9 nm的大,参考此规律样品制作时,要将SiOxNy膜层厚度朝工艺下限生产,Nb2O5厚度朝工艺上限制作。
表1 ITO厚度45 nm时的不同TLCM样品测试结果
Tab.1 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 45 nm
样品序号反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.440.19-2.706.012.40229.060.07-2.165.931.84328.77-0.06-2.085.871.80429.34-0.29-2.566.072.22531.08-0.490.036.911.93630.63-0.650.296.601.62730.30-0.430.106.401.21830.46-0.50-0.496.511.29930.17-0.31-0.216.440.971030.17-0.32-0.446.360.98
表2 ITO厚度45 nm时的不同TLCM样品对应膜层厚度
Tab.2 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 45 nm
样品序号Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1840902940903104090493090583060693060710306088307099307010103070
图2是ITO厚度为45 nm 时OGS单体反射LAB的实测值和模拟值比对情况,从图中看出反射率R值实测和模拟接近,反射L、A和B部分值有差别,但值接近且趋势具有一致性,说明模拟结果具有一定参考性。
图2 ITO厚度45 nm时OGS单体模拟和实测反射LAB值情况。(a)L值;(b)A值;(c)B值;(d)R值。Fig.2 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 45 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.
3.2 ITO厚度90 nm TLCM一体黑验证
表3和表4是ITO厚度90 nm时的不同TLCM样品反射LAB测试结果及其对应不同膜层的厚度,从表1看出黑色光阻区与可视区最小色差为1.07,人眼色彩感觉差别轻微,属于小色差;结合表3和表4能够发现以下现象:(1)随着SiO2厚度的变大,色差逐渐变大;(2)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情况下,SiOxNy厚度90 nm的样品色差总体比厚度50 nm的大。
表3 ITO厚度90 nm时的不同TLCM样品测试结果
Tab.3 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 90 nm
样品序号反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差130.81-1.56-0.066.681.97229.370.85-3.296.023.33
续 表
表4 ITO厚度90 nm时的不同TLCM样品对应膜层厚度
Tab.4 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 90 nm
样品序号Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1920902930903940904950905830906103090792050
续 表
图3是ITO厚度为90 nm 时OGS单体反射LAB的实测值和模拟值比对情况,从图中看出反射L值和A值实测和模拟接近,反射B和反射率R部分值接近但趋势具有一致性。
图3 ITO厚度90nm时OGS单体模拟和实测反射LAB值情况。(a)L值;(b)A值;(c)B值;(d)R值。Fig.3 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 90 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.
3.3 ITO厚度120 nm TLCM一体黑验证
表5和表6是ITO厚度120 nm时的不同TLCM样品反射LAB测试结果及其对应不同膜层的厚度,从表1看出黑色光阻区与可视区最小色差为0.63,人眼感觉差别轻微;结合表5和表6能够发现以下现象:(1)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情况下,Nb2O5厚度8 nm的样品色差比厚度9 nm和10 nm时的小。
表5 ITO厚度120 nm时的不同TLCM样品测试情况
Tab.5 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 120 nm
样品序号反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.370.40-1.756.171.43229.400.90-3.086.082.84328.951.04-2.865.842.72429.36-0.43-0.926.070.63528.940.02-2.215.921.85628.870.30-3.025.782.67729.370.32-2.595.952.22828.80-0.23-1.265.901.01
表6 ITO厚度120 nm时的不同TLCM样品对应膜层厚度
Tab.6 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 120 nm
样品序号Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm18309029309031030904830805930806103080783050883070
图4 ITO厚度120nm时OGS单体模拟和实测反射LAB值情况。(a)L值;(b)A值;(c)B值;(d)R值。Fig.4 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was120nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.
图4是ITO厚度为120 nm 时OGS单体反射LAB的实测值和模拟值比对情况,从图中看出反射L值、A值、B值和反射率R值实测和模拟趋势具有一致性,部分值与模拟值有差异,可能与模型准确性和测试误差有关。
4 结果与讨论
经过设备测试和人眼判级找到最佳一体黑样品如图5所示,通过比对图可以发现两者的差异,一体黑样品几乎区分不了样品的可视区和BM区,测试色差值为0.63;常规样品可视区和BM区色差为3.72,人眼能够明显识别,其可视区显蓝白色;说明通过使用双IM层,使得可视区与BM区的色差降低,进而达到一体黑效果。
图5 一体黑样品与常规产品效果比对图Fig.5 Comparison of integrated black sample with the conventional product
上述3次实验在不同ITO厚度下,改变Nb2O5、SiO2和SiOxNy的厚度探索最佳一体黑条件,通过分析数据发现,3种膜层对样品的色差影响程度各不相同。图6(a)是色差与SiOxNy厚度变化的关系曲线,可以发现不同的ITO膜层厚度下,SiOxNy厚度变化引起的色差变化趋势基本一致,在SiOxNy厚度大于90 nm后,色差变化非常敏感;图6(b)是色差与SiO2厚度变化的关系曲线,两者几乎成指数变化的关系,因此SiO2的厚度最好控制在30 nm以内;图6(c)是色差与Nb2O5厚度的关系曲线,在不同ITO厚度下,Nb2O5厚度在10 nm以内变化引起的色差变化趋势不同,但对色差影响程度相对较小。
图6 色差与3种消影膜层的关系曲线。(a)色差与Nb2O5厚度变化差系;(b)色差与SiO2厚度变化差系;(c)色差与SiOxNy厚度变化差系。Fig.6 Relationship between chromatic aberration and three kinds of films. (a)Color difference value varies with Nb2O5 thickness; (b)Color difference value varies with SiO2 thickness; (c)Color difference value varies with SiOxNy thickness.
5 结 论
本文根据触控显示模组的结构,分析了影响TLCM的VA区色度的主要因素,研究不同膜层对产品的VA区和BM区色差影响程度。结果表明:使用双IM层能够实现产品的一体黑,而单IM层则无法实现;结合设备测试和人眼判级的结果,最佳一体黑样品的色差为0.63;同时发现SiO2和SiOxNy超过一定厚度时,对色差影响大,实际生产时需要控制两种膜层的制程能力向下限偏。