基于ADS型TFT-LCD的Gamma模型研究

梅文娟 李纪 许金波 尹小斌 祝政委

（合肥京东方光电科技有限公司 安徽省合肥市 230000）

1 引言

薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD,Thin film transistor-Liquid crystal display)在通讯、显示、信息传递、科技发展中应用广泛，但随着OLED、QLED、MLED等新型显示器件的不断冲击，TFT-LCD各种特性也迎来了更极致的要求[1-4]。

亮度响应曲线主要是指根据液晶显示器的电压-透过率关系曲线，为适应人眼及大脑对灰阶的识别能力，拟合的灰阶-透过率关系曲线，称为Gamma曲线，如图1所示，其中Gamma=2.2时，最适合人眼分辨，Gamma值大于2.2，整体偏暗；小于2.2，整体偏亮，层次感变差。通常为了达到理想的亮度响应曲线，必须对每个样本进行Gamma调整[4]。有些研究者曾研究过TN型的Gamma影响因子，但未建立其模型[5-8]；我们曾经通过实际验证数据，得出过ADS型初始Gamma模型，但存在较多缺陷，如单一因子验证数据不满足不良解析实际[9]，亟需修正。

图1：不同Gamma灰阶示意图

考虑产能及成本控制，行业内使用固定Gamma烧录，但由于工艺波动，样品间会出现Gamma的波动，行业内众多研究者着眼于电路调试[10-11]，基于LCD工艺优化产品的Gamma均一性，已经成为提升品牌竞争力的一项重要工作。基于此，文中针对ADS型TFT-LCD展开了Gamma模型建立研究分析。

2 Gamma模型探究

Gamma是和透过率(Tr.%)、驱动电压(V)、灰阶(Gray Level)密切相关的，受多因子杂合影响，如图2所示为ADS型TFT-LCD像素结构示意图，像素电容主要受像素电极（1-ITO）、公共电极（2-ITO）、PVX，电容公式如公式（1）所示[12]：

图2：TFT-LCD像素结构图(a)电场强度示意图(b)

式中ε：介电常数，S：电极overlap面积，d：电极间距。在本文中，像素电极（1-ITO）CD、公共电极（2-ITO）CD主要与S相关；PVX厚度及介电常数主要与ε、d相关；取向层（PI）和液晶（LC）会影响电场强度。

为了探究Gamma波动影响因子，利用Techwiz软件基于720*1560的6.52in TFT-LCD模组进行1ITO CD、2ITO CD、1-2ITO OL、PVX介电常数、PVX膜厚、PI膜厚、Cell Gap等因子波动对高灰阶Gamma（L240灰阶）模拟，并制作模组样品进行实验验证。

2.1 1-ITO CD波动对Gamma影响分析

由图3(a)模拟结果可以看出，1-ITO CD与Gamma成正比。由图2可知，当CD变化时，电容的像素电极发生变化，影响电容电极overlap的变化，直接影响电场强度。1-ITO CD减小，电场强度增大，透过率变化增大，Gamma减小；1-ITO CD增大，电场强度减小，透过率变化减小，Gamma增大。如图3(b)，实际样品测试1ITO CD减小1μm、增大1μm与对照组进行对比测试，结果显示：与对照组相比，1-ITO CD减小1μm组，Gamma较对照组（Gamma中心值2.16）偏小0.3；1-ITO CD增大1μm组，Gamma较对照组（Gamma中心值2.16）偏大0.4，证明模拟数据可靠，单因子影响为y1= 0.3494x1+ 2.2。

图3：1ITO CD波动对Gamma波动影响模拟(a)和实测（b）

2.2 2-ITO CD波动对Gamma影响分析

保持其它条件不变，更改2-ITO CD的波动模拟及实际测试结果，如图4(a)、4(b)。结果可见Gamma与2-ITO CD波动呈现多项式关系，由图2可知，当2-ITO CD变化时，影响电容电极overlap的变化，直接影响电场强度。但2ITO CD发生不同变化时，100%透过率的电压值不同，当选取固定的电压进行驱动时，会出现截断电压牺牲最大透过，该方法被称为截断透过率法[13]，所以Gamma会出现随着2-ITO CD增大，Gamma增大；2-ITO CD减小，Gamma先减小后增大。Gamma与2-ITO CD波动呈现多项式y2=0.424x22+0.3454x2+2.2。实验选取2-ITO CD-0.5μm、2-ITO+0.5μm与对照组进行Gamma对比，实际正向增加0.5um，Gamma增加，CD减小0.5μm，Gamma几乎不变，符合模拟数据。

图4：2ITO CD波动对Gamma波动影响模拟(a)和实测(b)

2.3 1-2ITO OL对Gamma影响分析

1-2ITO OL对像素电容的影响主要是S，当OL过大时，像素电场会减弱，有效电场线减少，导致透过率变化变小，Gamma会增大。保持其它条件不变，更改1-2ITO OL的波动模拟及实际测试结果，如图5(a)、图5(b)。随着1-2ITO OL增大，像素电场减弱，透过率减小，Gamma增大。收集不同1-2ITO OL样品进行实际Gamma测试，显示随1-2ITO OL增大，Gamma增大。Gamma与1-2ITO OL波动呈现多项式y3=0.3281x32+ 0.0092x3+ 2.2028。

图5：1-2ITO OL波动对Gamma波动影响模拟(a)和实测(b)

2.4 PVX膜厚及介电常数对Gamma影响分析

由图2可知，PVX厚度影响像素电容d的大小，与C成反比，PVX的介电常数与像素电容ε的大小相关。厚度变大时，像素电容减小，电场强度减小，透过率的变化减小，Gamma增大。厚度变小时，像素电容变大，电场强度增大，透过率的变化增大，Gamma减小；介电常数变大时，像素电容变大，电场强度变大，透过率的变化变大，Gamma减小。介电常数变小时，像素电容变小，电场强度变小，透过率的变化变小，Gamma增大。

由图6(a)、6(b)可以看出，PVX厚度与Gamma成正比，随PVX厚度增大，像素电场强度减弱，透过率减小，Gamma增大。选取PVX膜厚较对照组-2000Å、-1000Å、+1500Å与对照组进行Gamma比较，结果表明随PVX厚度增大，Gamma增大。Y4=0.0006x4+2.2。

图6：PVX膜厚波动对Gamma波动影响模拟(a)和实测(b)

由图7(a)、图7(b)可以看出PVX介电常数与Gamma成正比例关系，随PVX介电常数增加，Gamma减小，实验样品通过调节成膜工艺，制作PVX介电常数样品进行Gamma测试，与模拟数据匹配，该处仅对比，故未选取对照组进行Gamma2.2优化，y5= -0.2642x5+2.2。

图7：PVX介电常数波动对Gamma波动影响模拟(a)和实测(b)

2.5 PI膜厚对Gamma影响分析

由图8可以看出，PI厚度与Gamma成正比，随PI厚度增大，像素电场强度减弱，透过率减小，Gamma增大。选取PI膜厚较对照组减小250Å，结果表明PI厚度减小250Å，Gamma偏低约0.5，影响较大；由图2可以看出，ADS模式下，电场线需经过两次TFT侧PI膜层，PI层层与液晶层存在一定的分压关系，PI层厚度越小，液晶层厚度越大，液晶层的分压就接近于驱动电压，液晶层的分压会随着取向层厚度的增加而迅速减小[14]，所以PI膜厚变小时，膜层表面电阻及膜层取向能力会发生变化，所需要的驱动电压变低，导致透过率变化增大，Gamma变小；PI膜厚变大时，膜层表面电阻及膜层取向能力会发生变化，器件所需要的驱动电压升高，导致透过率变化减小，Gamma变大。由数据拟合得到对Gamma的影响公式：Y6=0.0025x6+2.2005。

图8：PI膜厚波动对Gamma波动影响(a)和实测(b)

2.6 盒厚（Cell Gap）对Gamma影响分析

由于ADS模式下，电场线需经过两次TFT侧PI膜层及液晶层，PI膜层与液晶层存在一定的分压关系，由PI膜层分析可以知道PI膜厚固定时，液晶层厚度变化也会影响液晶层的分压，影响透过率曲线的变化。由图9可以看出Gap与Gamma成反比，随着Gap增加，Gamma减小，y7= -0.6668x7+2.2。实际生产履历中曾同一产品Gap 3.1μm样品Gamma较 Gap 2.97μm 样品Gamma偏低近0.1，与模拟数据相匹配。

图9：Gap波动对Gamma波动影响模拟

3 结论

本文根据对TFT-LCD高规格要求，对Gamma模型的建立进行了研究，利用Techwiz软件基于720*1560的6.52in TFT-LCD，对1-ITO CD、2-ITO CD、1-2ITO OL、PVX介电常数、PVX膜厚、PI膜厚等关键影响因子进行软件模拟及样品验证，探究Gamma的变化趋势。最后得出对Gamma影响较大因素1ITO CD、2ITO CD、1-2ITO OL、PVX介电常数、PVX膜厚、PI膜厚、Cell Gap对其影响的因子系数，建立的Gamma影响模型为：

Y=0.3494x1+0.424x22+0.3454x2+0.3281x32+0.0092x3+0.0006x4-0.2642x5+0.0025x6-0.6668x7+2.2；其中X1为1ITO CD波动，单位为μm；X2为2ITO CD波动，单位为μm；X3为1-2ITO CD波动，单位为μm；X4为PVX厚度，单位为Å；X5为PVX介电常数；X6为PI厚度，单位为Å；X7为Cell Gap，单位为μm。这对后续Gamma不良研究提供了理论基础。