宽窄视角切换技术的制程改善应用于液晶显示屏的节能架构

1 引 言

随着近几年来，智慧型手机和平版电脑等移动装置的急速发展，多媒体功能越来越全面，液晶显示屏 (Liquid Crystal Display, LCD) 被广泛地运用在现代社会中。然而这些强大功能的运作，需要计算机程序、微电子器件、触控屏以及通讯网络的同步支持才能实现，电源续航时间的长短是一个关键问题。在全球化节能热潮的推动下，我们从显示能耗着手，尝试在制程方式上改善显示屏的耗电问题，进而在行动装置有限的电池容量上，增加消费者的操作时间。

本文在原有具视角可切换功能 (Hybrid Viewing Angle, HVA) 的边缘场开关 (Fringe Field Switching, FFS) 负性向列相液晶显示屏基础上[1-2]，提出一种新型的低电压液晶运用，并根据这个基础在薄膜晶体管 (Thin-Film Transistor, TFT) 制程架构上做出进一步的改良。藉由改动彩膜 (Color Filter, CF) 侧玻璃基板上的氧化铟锡 (Indium Tin Oxide, ITO) 层[3]位置，和对 TFT 侧玻璃基板上的第二绝缘钝化 (Passivation, PV) 层进行部分减薄和置换。我们对所提出的新型节能设计进行数值仿真，分析其屏内各电场交互作用与强度，探讨部分减薄和置换处对液晶水平扭转角的影响；通过V-T特性曲线提取液晶饱和电压，并评估所能节省的逻辑功耗大小。

2 低功耗液晶显示屏设计

2.1 原有架构与低电压液晶

图1为目前在LCD像素设计上所广泛使用且技术成熟的HVA基础架构。此处TFT侧的堆迭分别由栅极 (Gate) 金属、栅极绝缘层 (Gate Insulator, GI)、非晶硅 (a-Si)、源极/漏极 (Source/Drain, S/D) 金属、第一钝化层 (PV1)、保护层 (Overcoat,OC)、底层氧化铟锡 (B-ITO)、第二钝化层 (PV2) 和顶层氧化铟锡 (T-ITO) 所组成。而CF侧则是由黑色矩阵 (Black Matrix,BM)、色层 (RGB)、ITO层和OC层所构成。其中需要注意的是，PV2层是在沉积后利用干刻法来进行图案化，而CF侧的ITO则是被置于RGB层与OC层中间。

为了达到降低功耗的需求，低电压液晶首先被运用在显示屏的新设计中，此处我们选用石家庄诚志永华显示材料有限公司的负性FFS液晶。由图2可知，在原有架构不改动的前提下，新旧两种液晶的透过率极大值分别为5.94% 与5.96%，两者差异只有旧液晶的0.34%，对显示屏整体透过率没有太大影响。但新液晶的V-T特性曲线整体都比旧液晶的V-T曲线偏左，表示我们可以提取到较低的液晶饱和电压 (Vsat) 和操作电压 (Vop)。新旧液晶的Vsat、实测Vop与基本物理参数，如清亮点 (Tni)、双折射率 (Δn)、介电各向异性 (Δε)、流动黏度 (γ 1)、展曲弹性常数 (Κ 11)、弯曲弹性常数 (Κ 33) 等，被记录在表1中。如表1的测量结果所示，新型液晶的实测Vop 为3.4 V，较原有液晶的 5.0 V 降低了 1.6 V (约减少 32%)，此结果表明新型低电压液晶对节省显示屏的功耗有很大的帮助。

图1 原有的TFT-LCD基础架构示意图
Fig.1 Drawing of conventional architecture for our TFT-LCD

图2 原有架构下不同液晶的V-T曲线比较
Fig.2 Comparison of V-T curves for different LC on conventional architecture

表1 低电压液晶的特性参数
Tab.1 Properties of LC with low operating voltage

2.2 部分减薄的低功耗设计

在运用低电压液晶的基础上，我们尝试对TFT-LCD制程的架构设计再做一些改动，以进一步降低HVA显示屏的功耗。新型节能设计与原架构的差异主要体现在两个方面，具体细节如图3和图4所示。

(1)CF侧；改动ITO层的位置，将原本置放在RGB与OC两层中间的ITO层，更换到玻璃基板与RGB层；或BM与RGB层之间。这个制备工序的变化，虽然有别于传统TFT-LCD工艺的作法，有使ITO薄膜附着力降低的可能，但是对屏内垂直电场的改进有所帮助。

图3 低功耗架构设计A截面图
Fig.3 Cross section of design A with low power consumption

图4 低功耗架构设计B截面图
Fig.4 Cross section of design B with low power consumption

(2)TFT侧；设计A，如图3所示，在T-ITO层图案化蚀刻完成后，让PV2层膜厚根据电极图案进行部分减薄[4]，减薄后所剩余的厚度，我们将其命名为PV3层；设计B，如图4所示，先镀上SiOx层取代PV3层，只改变PV2与SiOx的膜厚关系，且PV2层不另做部分减薄，直接依电极图案蚀刻。

此处所利用的SiOx为一种可透光材料，该材料能隙大小约在 1.9～3.0 eV间[5-6]。其他材料均为现在TFT-LCD制程所常用的材料，制备工艺都兼融量产制程。

2.3 新设计制程工艺验证

改动CF侧玻璃基板上ITO的工艺顺序，会使OC层与RGB层直接相连，这种工序与一般广视角的IPS和FFS模式LCD产品相同。因此我们没有对该薄膜层间的应力关系再加以测试，但是经过高压加速老化寿命试验(Pressure Cooker Test, PCT)后，发现各膜层间附着力的差别并不存在，故能合理推测此变化对制程不会造成过大的影响。而TFT侧新设计在制程上多了膜厚减薄与替换的工艺，所以需要对制程工艺进行再验证。如图5所示，在设计A的方案中，我们利用半色调掩膜与剥离法，在T-ITO层的湿蚀刻工序完成后，保留光阻 (Photo Resist, PR) 用来对PV2层多加一道干蚀刻的工序，使PV2膜厚能够根据ITO电极图案进行部分减薄的蚀刻动作；此处所形成的凹槽，该深度需要大于 0 nm，小于等于 500 nm，若以PV2厚度 200 nm 为基准，优选深度为 120 nm。

图5 PV层部分减薄的制备工艺简图
Fig.5 Process sketch of PV layer with partial thinning

图6为依照设计方案A进行PV2层二次蚀刻后的扫描式电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM) 实际形貌图，减薄后的PV层厚度可以在图中清楚地观察到，且各测量点的膜厚数值详细地列在表2中。由上述图表可知，利用半色调掩膜技术并透过ECCP模式的干蚀刻法，能确实地在原有PV2层上再蚀刻出PV3层。从图6还可以清楚地看出，PV3层的蚀刻深度可以被很好地控制在120 nm左右，即残余厚度约在80 nm。

图6 架构A上二次蚀刻后的实际结果
Fig.6 Photograph of design A after the second etching

表2 架构A上二次蚀刻后的实际膜厚

Tab.2 Actual thickness of design A after the second etching

而在设计B的方案中，B-ITO层的湿蚀刻工序完成后，会先镀上一层SiOx，再依原有工序制备PV2层与T-ITO层；同样在T-ITO层完成图案化后，对PV2再次依电极图案进行干蚀刻，但蚀刻处不做厚度保留，具体细节参考图7所示。该PV2层与SiOx层的蚀刻选择比大于1，根据两层的刻蚀速率不同，每个ITO电极狭缝区域的PV2能完全刻蚀去除；在去除这些PV2时，由于SiOx更加致密，不易被刻蚀，因此避免SiOx层被刻蚀穿透，能更好地保护下面的B-ITO层，而无需担心因蚀刻速率控制不当所导致的膜厚不均或过刻问题。在产品上，因为不易发生短路，从而能提升产品良率。

图7 带有SiOx层的制备工艺简图
Fig.7 Sketch of the process with SiOx layer

此处SiOx的膜厚为 30～50 nm，PV2的膜厚为 100～250 nm。PV2之所以采用较大的膜厚，是因为上下两层ITO间需要形成储存电容 (Cst)，如果PV2做得的太薄，则不利于电极的充电保持。而SiOx的厚度可以维持相近的光学水准，大幅度降低操作电压，达到节省功耗的目的。图8为设计方案B的制程工艺实验，主要是为了决定ITO电极狭缝区域再次刻蚀的速率与时间，来达到对该区域PV的完全刻蚀。

图8 架构B蚀刻验证实验的SEM图
Fig.8 Photograph of etching experiment for design B

3 液晶电场分析与仿真结果

3.1 仿真架构与电场方向

HVA技术的液晶工作原理[2]如图9(a) 所示，窄视角显示模式时会利用CF侧ITO施加电场，使液晶分子额外产生倾角，造成斜视角方向漏光以达到防窥功能。所以在运行架构仿真时，必需考虑CF侧的ITO电极对仿真结果的影响。此处使用TechWiz模拟软件进行液晶盒结构评估，建立FFS显示模式的像素电极模型，盒厚设置为3.1 μm，通过仿真确定合适的CF预倾角与CF侧ITO电极的电压大小。

图9 液晶盒电场分布示意图。(a)垂直截面；(b)水平截面。
Fig.9 Distribution of electric field in a LC cell. (a) vertical section；(b) horizontal section.

基于面内转换 (In-Plane Switching, IPS)[7-8] 和FFS技术的工作原理[9-11]，液晶分子受到屏内各处电场的交互作用后，其在水平方向的扭转程度会造成入射光透过率的变化[8-9]。如图9所示，在液晶分子立体的旋转空间中，将电场的横穿方向定为x轴，其正交方向定为y轴，而从TFT侧到CF侧的盒厚方向定为z轴。液晶分子经过摩擦槽和锚定力的处理，会以预倾方位角ĉ朝同一方向排列，在x-y平面上形成配向各向异性。此时y轴电压分量的大小，会影响y方向电场的强度，并改变液晶分子在水平方向的转动角度如图9(b)所示。

图10 电场绝对值与z方向分量的仿真曲线
Fig.10 Simulations of average electric field and the component along z-axis

3.2 液晶电场随盒厚变化

我们对饱和电压下的液晶电场加以分析，图10为垂直电场强度Ez和电场绝对值大小|E|随盒厚变化的仿真结果。在电场的仿真过程中可以发现，同样处于饱和电压时，靠近TFT侧PV2层与SiOx层的厚度变动，对架构A和架构B都会增加垂直向下电场的强度。若以原架构盒厚0.4 μm的位置为例，设计A在该处的垂直电场Ez会增强2.93%，设计B则会增强9.23%。而CF侧ITO置换所形成的垂直间距增加，主要反应在能使屏内垂直电场趋近完全同向，减少电场损耗。若只从垂直电场Ez的强度来看，设计A与设计B在盒厚2.8 μm的位置上，其大小分别为62,279 V/m和 67,537 V/m，是原架构电压幅值的36.35% 和39.42%；但与各自的电场绝对值相比则分别为98.88%和99.92%。因此，将RGB层置于ITO电极与T-ITO电极之间，除了会在CF侧从驱动液晶的电压幅值中分去一定压降外，并不会对电场随盒厚的变化趋势造成大幅度的改动。

3.3 水平扭转角随盒厚变化

图11为新型低电压液晶在被部分减薄后的ITO电极狭缝区域上，于饱和电压时水平扭转角随盒厚变化的仿真示意图。当扭转角随电场变化且越接近45°，该处的透过率Tr 会越向最大值靠近。透过率公式如式(1)所示[12]。

(1)

式中：Φ 为液晶水平扭转角, Δneff 为有效双折射率, d 为盒厚, λ 为入射光波长。由图11可知，当施加电压为饱和电压时，除了靠近电极水平面的液晶水平扭转角有约6.7% 的角度差异外，电极狭缝区域上整体的扭转角变化趋势并没有太大的不同。此外，考虑受电极边缘与刻蚀减薄所造成的边缘场效应[10]影响，在盒厚约为1.2 μm的位置时，水平扭转角会超过45°达到50°左右，且依架构不同而有所变化，该趋势与产品透过率的变化相似。

图11 ITO电极狭缝区域Φ角随盒厚变化示意图
Fig.11 Variation of angle Φ with cell gap at the area between ITO electrodes

3.4 透过率与电压的关系

图12 不同架构下液晶透过率随电压的变化
Fig.12 Variations of TR with various voltages in different architectures

由图12可知，原有架构、新架构A和新架构B三种设计所得到的透过率最大值分别为5.96%、5.86% 和5.77%，数值上的差异约为原有架构的3.19% 左右。而当仿真进行到透过率极大值附近时，可提取到饱和电压Vsat，因此得知在使用低电压液晶的情况下，原有架构、新架构A和新架构B的Vsat值分别为4.3 V、3.9 V和3.7 V。此处两种新设计的Vsat值分别比原有架构减少0.4 V和0.6 V，约比原架构降低了9.30% 和13.95%，这表明较低的Vop也可以在新架构与新液晶同时使用的情况下被实现。此种结果说明了在电压同样达到饱和值的情况下，两种新设计的水平扭转角虽然略小于原有架构，且透过率略为降低，但相对地具有较低的电压数值。图12为新旧3种不同架构在使用新型低电压液晶时V-T特性曲线的变化。

4 结 论

针对IVO所广泛使用的具有HVA功能负性FFS向列相液晶显示屏，本文提出几种新型节能的架构设计。基于实际量测的结果，在原有架构不变的前提下，使用新型低电压液晶的操作电压会比原有液晶低32%。若同时使用新型液晶，则新架构A与新架构B仿真后所提取到的液晶饱和电压会比原有架构的电压低9.30% 和 13.95%；而且可以直观地发现在透过率极大值的变化上与水平扭转角度有相似关系。这些结果表明这几种节能新架构在HVA显示屏的灰阶操作上会具有较低的电压，进而能降低整体功耗且达到低功耗的特性需求。