ADS液晶面板划痕Mura研究

李晓吉，赵彦礼，栗 鹏，李 哲，辛 兰，朴正淏，廖燕平，李承珉，闵泰烨，邵喜斌

(重庆京东方光电科技有限公司，重庆 400700)

1 引 言

薄膜晶体管液晶显示(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display, TFT-LCD)面板在大尺寸电视(TV)领域仍占据主要的市场[1-2]。高级超维场转换技术(Advanced Super Dimension Switch，ADS )显示模式具有宽视角，快速响应和高对比度等优势，成为TV产品的主流显示模式。对于ADS液晶(LC)面板，其透过率的提升依然为永恒的主题，同时对画质的要求仍在不断提升。画质的好坏决定了终端客户的竞争力水平。对于TV产品，力学方面画质评价包括按压测试，拍击测试，及滑动按压测试等[2-6]。这些严苛的测试用来模拟生产、运输、使用过程中遇到碰撞、挤压时液晶面板的显示状态，以提前得知液晶面板的不良缺陷，并通过设计、工艺、包装、运输等相关措施降低不良发生率，或者完全规避不良，以保证终端客户能够有更好的使用体验[7-9]。

本文通过对比5种不同像素设计的ADS液晶面板的滑动按压结果，得到了像素末端设计、电极间距设计、驱动电压对划痕Mura(Trace Mura)的影响；同时通过模拟软件模拟5种面板的液晶分子排列，对比试验结果，分析Trace Mura发生的理论机理，得出模拟判定Trace Mura的参考依据。

2 滑动按压测试方法和判定标准

滑动按压测试方法为：在液晶显示面板的白态电压(L255)，用手指在液晶面板上滑动，见图1(左)。由于按压导致的液晶分子形变，与电场的共同作用，使得手指按压位置发暗，那么手指滑动过的位置，会在液晶面板上留下发暗的按压痕迹，我们称之为Trace Mura[10-12]。以按压痕迹消失的快慢程度，来判断液晶显示面板的抗压能力。若液晶显示屏不能显示痕迹，或者显示痕迹后，能在5 s内消失，则认为该显示屏无Trace Mura。若手指按压的痕迹不能够在5 s内消失则认为该显示屏有Trace Mura，见图1(右)。

对于按压划痕在5 s内不能恢复正常，即发生Trace Mura的液晶屏，现象轻微的液晶屏需要几分钟可以恢复到正常画面，现象严重的液晶屏永久不能恢复到正常的画面，需要手动切换到低灰阶画面，划痕才能消失。为了不影响终端客户的使用体验，行业内通常以5 s内作为观察时间，作为判定Trace Mura不良的标准。

图1 Trace Mura按压手法及不良显示屏(L255) Fig.1 Pressing method and phenomenon of trace Mura (at Lever 255)

3 液晶面板ADS模式的像素设计

本文所采用的液晶面板均为ADS显示面板[13-14]，其显示示意图见图2，图3为ADS显示面板俯视示意图。 ADS显示面板通常采用氧化铟锡(ITO)作为透明电极。第一层氧化铟锡金属(1ITO)为整面设计；第二层氧化铟锡电极(2ITO)为条状设计，其中W为条状电极的宽度，S为状电极的间距，P为W与S的和代表条状电极的节距。1ITO & 2ITO之间的边缘电场驱动液晶分子转动。

图2 ADS显示电极示意图(P=W+S)Fig.2 ADS Display electrode diagram (P=W+S)

图3 ADS显示面板俯视示意图Fig.3 ADS display electrode diagram at overlooking

我们选取了5种不同像素设计的液晶显示面板进行测试，见图4。

图4 面板a(a)、 面板b(b)、面板c(c)、面板d(d)、面板e(e)，5种面板的电极设计图。Fig.4 Panel a(a), Panel b(b), panel c(c), panel d(d) and panel e(e) electrode design, respectively.

面板a：亚像素的条状电极宽度为W=2.6 μm，节距P=8.0 μm，电极末端为切角设计，见图4(a)。

面板b：亚像素的条状电极宽度为W=2.6 μm，节距P=8.0 μm，电极末端为弧角设计，见图4(b)。

面板c：亚像素的条状电极宽度为W=2.2 μm，节距P=6.6 μm，电极末端为切角设计，见图4(c)。

面板d：亚像素的条状电极宽度为W=2.2 μm，节距P=6.6 μm，电极末端为开口设计，见图4(d)。

面板e：亚像素的条状电极宽度为W=2.9 μm，节距P=7.8 μm，电极末端为切角设计。见图4(e)。

4 不同像素设计的ADS面板的按压结果

对以上5种面板分别在L255灰阶下进行滑动按压测试，观察有无Trace Mura。同时，为了更好地了解按压前后的像素变化细节，我们将5种面板点亮，在L255灰阶画面下，用尼康(Nicon)显微镜，在10倍放大镜头下，按压液晶显示面板，记录按压前后像素的微观变化情况。

面板a用手指滑动后痕迹5 s不能消失，即判定为有Trace Mura，见图5；面板b用手指滑动后痕迹不显示滑动痕迹，即判定为无Trace Mura, 见图6；面板c用手指滑动后痕迹不显示滑动痕迹，即判定为无Trace Mura, 见图7；面板d用手指滑动后痕迹不能消失，即判定为有Trace Mura，见图8；面板e用手指滑动后痕迹不显示滑动痕迹，即判定为无Trace Mura, 见图9。

图5(a)为面板a滑动按压测试5 s后的宏观图，我们可以见到在面板a宏观画面中， L255灰阶下用手指按压滑动过的局部区域，画面偏暗，即存在Trace Mura风险。

图5 面板a的滑动按压测试结果宏观(a)及微观图(b)。(b)-1为按压前的微观图，(b)-2为按压5 s后的微观图。Fig.5 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel a. (b)-1 is microgram before the pressing; (b)- 2 is microgram after pressing 5 s.

图5(b)为面板a滑动按压测试的微观图，其中图5(b)-1为按压前的微观图，图5(b)-2为按压5 s后的微观图。在微观画面下图(b)-1，面板a单个像素在按压前为正常驱动画面和排布；按压后，部分亚像素的液晶分子由于压力和电场的共同作用发生偏转，在压力消失后液晶分子不能回转到原有电场驱动下的排布，导致部分条状电极区域亮度偏低，从而导致按压后宏观画面局部偏暗，而被人眼所观察到。

图6为面板b的滑动按压测试宏观图和微观图，图6(a)-1为面板b手指滑动按压中的宏观图，(a)-2为手指滑动按压5 s后的宏观图，(b)-1为滑动按压中的微观图，(b)-2为滑动按压5 s后的微观图。

图6 面板b的滑动按压测试结果宏观图(a)及微观图(b)。(a)-1为面板b手指滑动按压中的宏观图，(a)-2手指滑动按压5 s后的宏观图， (b)-1为滑动按压中的微观图，(b)-2为滑动按压5S后的微观图。Fig.6 Macro (a) and micro (b) diagram of sliding pressure test result of panel b. (a)-1 is macrograph on the pressing; (a)-2 is macrograph after pressing 5 s； (b)-1 is microgram on the press; (b)- 2 is microgram after pressing 5 s.

在宏观画面下，可以看到面板b(在L255灰阶下)在用手指按压滑动过的局部区域，按压痕迹出现后在5 s内消失，即无Trace Mura风险。

在微观画面下，面板b单个像素在按压中，像素的小部分像素条状电极上的液晶分子，由于压力和电场的共同作用发生偏转，在压力消失5 s后液晶分子回转到原有电场驱动下的排布。

图7为面板c的滑动按压测试宏观图和微观图，图7(a)-1为面板c手指滑动按压中的宏观图，(a)-2为手指滑动按压5 s后的宏观图，(b)为滑动按压5 s后的微观图。

在宏观画面下，可以看到面板c(在L255灰阶下)在用手指按压滑动过的局部区域，按压痕迹出现后在5 s内消失，即无Trace Mura风险。

在微观画面下，面板c在压力消失5 s后大部分的液晶分子能回到原有状态，只有小部分液晶分子不能回到原有状态，但是由于这部分占有比例较小，不能被人眼所察觉。

图8为面板d的滑动按压测试宏观图和微观图，图8(a)为面板d手指按压滑动5 s后的宏观图， (b)为滑动按压5 s后的微观图。

图7 面板c的滑动按压测试结果宏观(a)及微观图(b)。(a)-1为面板c手指滑动按压中的宏观图；(a)-2手指滑动按压5 s后的宏观图;(b)为滑动按压5 s后的微观图。Fig.7 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel c; (a)-1 is macrograph on the pressing; (a)-2 is macrograph after pressing 5 s; (b) is microgram after pressing 5 s.

图8 面板d的滑动按压测试结果宏观(a)及微观图(b)Fig.8 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel d

在宏观画面下，可以看到面板d(在L255灰阶下)在用手指按压液晶显示面板时，按压痕迹出现且5 s后不消失，即有Trace Mura风险。

在微观画面下，面板d的单个像素在按压压力消失5 s后，像素的大部分、甚至整个像素条状电极上的液晶分子，由于压力和电场的共同作用发生偏转，不能回到原有状态，且这部分占有比例较高，被人眼所察觉，即形成了按压的痕迹。

图9为面板e的滑动按压测试宏观图和微观图，图9(a)-1为面板e手指按压滑动中的宏观图，(a)-2为面板e手指按压滑动5 s后的宏观图， (a)-1为滑动按压中的微观图，(b)-2为滑动按压5 s后的微观图。可以看到，在宏观画面下面板e(在L255灰阶下)，用手指按压液晶显示面板时，痕迹较小，且按压压力消失5 s后，面板无按压痕迹留下，即无Trace Mura风险。

图9 面板e的滑动按压测试结果宏观(a)及微观图(b)。(a)-1为面板e手指滑动按压中的宏观图；(a)-2手指滑动按压5 s后的宏观图；(b)-1为滑动按压中的微观图；(b)-2为滑动按压5 s后的微观图。 Fig.9 Macro(a) and micro(b) diagram of sliding pressure test result of panel e. (a)-1 is macrograph on the pressing 5 s; (a)-2 is macrograph after pressing 5 s; (b)-1 is microgram on the pressing; (b) -2 is microgram after pressing 5 s.

在微观画面下，面板e的像素在按压时，像素的小部分条状电极上的液晶分子，由于压力和电场的共同作用发生偏转，在压力消失后，液晶分子均能回到原有状态，即无Trace Mura风险。

5 ADS模式不同面板滑动按压结果分析

通过对比分析5种ADS液晶显示面板的滑动按压结果，我们从以下3个方面考虑ADS液晶面板影响Trace Mura的关键因素及其发生机理。

5.1 像素电极末端设计对Trace Mura的影响

从面板a和面板b、面板c和面板d两组的滑动按压测试可以看到(表1)：在相同的宽度(W)、节距(P)条件下，弧角设计优于切角设计(面板a与b对比)，而切角设计优于开口设计(面板c与d对比)，即得出以下结论：对于Trace Mura风险的防范设计，在考虑电极末端设计时，弧角设计优于切角设计，切角设计优于开口设计。

表1 不同像素末端设计的按压结果对比

Tab.1 Sliding pressure test results of different electrode end design panels

Item末端设计Trace Mura结果W=2.6 μmP=8.0 μm面板a切角有面板b弧角无W=2.2 μmP=6.6 μm面板c切角无面板d开口有

5.2 像素电极的间距对Trace Mura的影响

我们选取条状电极末端设计为切角设计的面板，从面板a、c和面板e的滑动按压测试结果可以看到(表2)：从模拟a、c、e面板的电极末端的液晶分子可以看到，见图10，对于切角设计，其间距(Space)越大，则紊乱区域越大，即液晶分子的突变区域长度越大，越不利于液晶分子在末端的连续分布，故在受压力变形后，容易和电场的共同作用发生偏转，不能回到原有状态，被人眼所察觉，即形成了按压的痕迹。由此得出结论，条状电极的间距(Space)越大，越不利于Trace Mura风险设计。

图10 面板a、c、e不同电极间距设计的模拟突变区域长度。(a)面板a突变区域长度为2.4 μm；(b)面板c突变区域长度为2.0 μm；(c)面板e突变区域长度为2.1 μm。Fig.10 Simulation azimuth mutation angle of different space design. (a) The length of the disordered region is 2.4 μm of panel a; (b) The length of the disordered region is 2.0 μm of panel c; (c) The length of the disordered region is 2.1 μm of panel e.

表2 不同间距设计的按压结果对比

Tab.2 Sliding pressure test results of different electrode space panels

ItemW/μmS/μm突变区域/μmTrace Mura结果电极末端切角设计面板a2.65.42.4有面板c2.24.42.0无面板e2.94.92.1无

5.3 电压对Trace Mura的影响

对于面板d，其Trace Mura的现象最为明显，我们对其增加了电压对Trace Mura的影响实验。

实验1，见图11：我们在正常的灰阶画面下，用手指划动液晶显示面板，发现在L255～L240灰阶下均能划出Trace Mura, 而在低于L240灰阶时，则不能划出Trace Mura。

图11 面板d不同电压下滑动按压测试结果。(a) L255灰阶，发生按压痕迹，现象明显; (b)L245灰阶，发生按压痕迹，按压痕迹轻; (c) L240灰阶，按压不出痕迹。Fig.11 Sliding pressure test result of Panel d at different voltage. (a) At L255 gray, there are obvious trace Mura after pressing; (b) At L245 gray, there are slightly trace Mura after pressing; (c) At L240 gray, there are no trace Mura after pressing.

实验2，见图12：我们在L255灰阶电场下，在面板d上划出Trace Mura后，逐步降低液晶面板d的灰阶电压，发现Trace Mura会随着电压下降而消失。

图12 有按压划痕的面板d，逐步降低电压的结果。(a)在电压L255灰阶按压后，像素变暗明显;(b)降低电压到L245灰阶，之前的按压痕迹现象减轻;(c)降低电压到L240灰阶，之前的按压痕迹现象消失。Fig.12 Panel d with obvious trace Mura after gradually reducing the voltage.(a)At L255 gray, there are obvious trace Mura;(b)Reduce the voltage to L245 gray, the previous trace Mura is reduced;(c)Reduce the voltage to L240 gray, the previous trace Mura disappears.

由于设备条件限制，每次灰阶电压调整为2.5个灰阶。在L255灰阶，受压力影响，液晶分子偏转后与电场达成平衡态，形成Trace Mura，见图12(a)。当降低面板d的灰阶电压到L245灰阶时，电压变化导致平衡态被打破，发暗的像素减小，见图12(b)。当继续降低面板d的灰阶电压到L240灰阶时，液晶分子受力场影响的作用完全消失，液晶面板恢复正常，见图12(c)。

由以上两个实验可知：首先，需要在高灰阶电压下(即较大的液晶偏转角度)按压划动液晶面板才能发生Trace Mura；其次，发生Trace Mura的液晶面板，可以通过降低液晶面板的灰阶电压来消除按压痕迹。

5.4 ADS模式液晶面板Trace Mura模拟判定方法

通过模拟5种面板液晶分子排布，我们发现，ADS面板，在高灰阶(L255)电压下，在条状电极中部，液晶分子受电场作用，其方位角约为40°～65°，排列有序。但是到了条状电极末端，由于电场的终止，导致末端液晶分子排列紊乱，出现了局部的方位角突变，即向相反方向偏转，这个局部区域在受力按压后，扩大到条状电极中部，导致按压地方出现了局部发暗，形成痕迹，并与电场形成了稳定的排列，不能恢复，被人眼观察到，即形成了Trace Mura。

图13 面板a在L255灰阶的液晶分子模拟方位角，俯视图(a)和0.5 μm深度的切面图(b)。Fig.13 Simulated azimuth of panel a at L255 gray voltage (a) and sectional view at 0.5 μm depth (b)

以面板a为例，图13为面板a在L255灰阶的液晶分子模拟方位角，其中(a)为俯视图，(b)为图(a)中沿电极方向不同位置 (如图(a)中黑色箭头线所示)深度为0.5 μm切面图的方位角。图13中分为3个位置：①表示电极中部，②表示电极末端，③表示为电极结束。在①位置，电极中部，电场驱动，液晶分子偏转40°～65°；在②位置，条状电极末端，电场紊乱区域，出现了局部的方位角突变, 面板a向相反方向偏转了约15°；在③位置，电极结束，无电场，液晶分子不转动。

对比5种面板液晶分子在电极末端位置突变的角度与Trace Mura的现象，由表3可知，模拟实验a～e面板的液晶分子在条状电极末端的方位角的最大突变角度，发现突变的偏转角度大于15°时，液晶面板有Trace Mura风险，且该角度越大，则Trace Mura越严重。

表3 不同面板在L255灰阶模拟最大突变方位角

Tab.3 In L255 gray-scale, simulated maximum mutations azimuth of different panels.

ItemsTrace Mura现象最大方位角偏转模拟值面板a有-15.1°面板b无-9.6°面板c无-8.7°面板d有,最严重-36.9°面板e无-10.3°

图14 面板d电极末端不同电压的液晶分子模拟最大突变方位角Fig.14 Simulated maximum azimuth mutation angle of Panel d at different voltages

对于Trace Mura与电压的关系，通过模拟，见图14，以面板d为例。我们发现在不同电压下，液晶分子的局部突变方位角度，会随电压的提高而逐渐增加， 0～4 V下，液晶分子不发生突变； 4～6.3 V时，液晶分子发生突变，但是向相反方向偏转角度较小，即在0～6.3 V时不发生Trace Mura；大于6.3 V时，突变角度大于15°，与实验1的高电压灰阶下发生Trace Mura相符，说明在较大的液晶突变偏转角度时，更容易发生Trace Mura。

6 结 论

本文通过对比5种不同像素设计的ADS液晶面板的按压划痕，得到了像素条状电极末端设计、条状电极间距设计、驱动电压对Trace Mura的影响：

对于Trace Mura 风险的防范设计，在考虑像素电极末端设计时，弧角设计优于切角设计，切角设计优于开口设计；像素条状电极的间距越小，Trace Mura风险越小；Trace Mura需要在高灰阶电压下(即较大的液晶偏转角度)按压划动液晶面板才能发生；发生Trace Mura的液晶面板可以通过降低液晶面板的电压灰阶来消除按压痕迹[1,8]。

本文模拟了L255电压下像素电极末端的液晶分子状态。在末端的液晶分子方位角会发生突变，向相反方向偏转角度越大，Trace Mura风险越大，以现有模拟数据认为，模拟偏转角度在15°以上，有Trace Mura风险。该方法与实验有较好的符合，为以后产品开发时，通过模拟分析评判Trace Mura风险提供了参考依据。