TFT-LCD TN曲面显示器色不均现象的研究

1 引 言

TFT 液晶显示器因其重量轻、体积小、功耗低以及其优异显示效果，近十几年得到飞速发展，广泛应用于电视、电脑、手机等电子产品上。

随着电竞行业的兴起，人们对游戏中显示器的性能需求逐渐提高，要求显示器拥有高分辨、快响应、大视角、高色域等高性能[1-2]。TN(Twisted Nematic)型液晶面板由于其优秀的响应速度，在游戏本显示器应用上仍占有重要地位。为增加游戏者更直观的视觉体验，近两年推出了812.8 mm(32 in)等大尺寸曲面显示器。

传统TN液晶显示器大视角时存在暗态漏光、窄视角等缺点。针对TFT-LCD TN显示器暗态漏光问题，经过多年努力，众多科研工作者取得了不错成绩[3-5]。改善暗态漏光、增大视角主要有两种方式：一种是开发新的液晶排列方式，以抵消或者降低液晶双折射效应，如多筹显示[6]；另一种是盒外光学补偿法，在不改变现有液晶盒结构的前提下采用光学补偿膜来消除液晶双折射[7-8]。

受TN液晶面板视角小的特性限制，目前制作TN显示器多搭配宽视角补偿膜，使用范围最广的为富士公司生产的广视角(WV)偏光片，在不改变显示器显示效果的基础上，使TN型显示器拥有左右视角150°，上下视角170°。目前市面上的曲面显示器主要为TN型液晶显示器或VA(Vertical Alignment)显示器，且大部分搭配使用WV偏光片[9-11]。

本文中所研究的812.8 mm(32 in)曲面TN显示器采用的是WV偏光片补偿视角，TN型液晶显示器搭配WV偏光片在平面状态时与常规边缘电场(FFS)显示器大视角无异，在曲面状态暗态下上视角能够明显观察到显示器左下与右上角存在色不均现象，给游戏体验者造成极不愉快的视觉感受。

近年TFT-LCD关于曲面TN显示器暗态下色偏的分析、改善尚未有详细和系统的文章，本文从多方面对TFT-LCD TN显示器搭配WV偏光片暗态色不均现象进行了研究。

2 实验与分析

2.1 实验设备

TN色不均现象分析改善实验所用设备和材料为LCD常规线体(阵列、彩膜、成盒工艺设备)，液晶材料、偏光片，高温腔室、曲面支架(Jig)等。

2.2 实验与分析

图1(a)为上视角色不均现象，图1(b)为正视角色不均现象。正视角时显示器左下明显发蓝，上视角观测显示器左下角与右上角均有明显发蓝现象。为改善曲面状态时TN COA(Color Filter on Array)显示器暗态下色不均现象，本文从多方面进行实验分析。

图1 TN显示器上视角(a)与正视角(b)色不均现象

Fig.1 Uneven color pictures of up (a) and position (b) angle

2.3 TN色不均发生机理

TN型液晶显示器与WV偏光片搭配使用产生的色不均现象发生机理，推测为TN显示器曲面状态时，显示屏在外框作用下发生弯曲，外部机械应力作用于显示屏上，引起玻璃内部的应力分布不均所致。它属于暂时应力，会随外力的撤除而消失[11]，本文中研究的曲面显示器主要是通过前框搭配曲面背板达到显示器曲面状态，无法实现撤消外力，只能采用其他方式消除应力或使应力在显示屏中均一化。

3 实验结果与讨论

本文以812.8 mm(32 in)曲面TN显示器为例，进行色不均改善测试，并分析玻璃厚度、偏光片补偿膜吸收轴角度、盒厚等对TN曲面显示器色不均现象的影响。

3.1 暗态亮度对色不均的影响

将812.8 cm(32 in)曲面显示器暗态亮度由0.188 cd/m2(L0)调整到0.253 cd/m2(L12)，如图3所示，色不均面积由显示器面积的30%减小至10%，对比度由1 100下降至800，响应时间由6 ms上升至16 ms。调节暗态亮度可以使色不均面积减少70%，但同时会造成对比度、响应时间等性能下降。

图2 暗态亮度调整前(a)与调整后(b)色不均

Fig.2 Color unevenness before (a) and after (b) dark brightness adjustment

3.2 高温老化对色不均的影响

在高温腔室中将812.8 mm(32 in) COA显示屏固定在曲面支架上，如图3所示，曲率半径调整到1 800 mm，60 ℃老化24～72 h，观察不同老化时间对色不均的影响情况。

图3 高温老化装置示意图

Fig.3 Schematic diagram of high temperature aging device

不同老化时间对色不均的影响如图4 所示，随老化时间延长，色不均现象程度变轻，改善效果为：72 h≈48 h>36 h>24 h。

图4 不同老化时间对色不均影响

Fig.4 Effect of different aging time to the uneven color

显示屏曲面状态下内部应力不均一可以通过高温老化的方式进行改善，改善效果随老化时间增加明显，72 h高温老化后显示器色不均现象消失。

3.3 WV偏光片对色不均影响

3.3.1 偏光片补偿层膜厚对色不均影响

模拟不同厚度补偿层对显示屏色不均影响，如图5所示，补偿层厚度由1.786 μm增加到2.186 μm时，左右颜色趋于发蓝，色不均加重，视角由75°增加到85°；补偿层厚度由1.786 μm降低到1.386 μm，左右颜色趋于一致发粉，色不均现象减轻，视角由75°降低到63°；模拟结果显示降低补偿层膜厚能减轻色不均现象，但对视角有不利影响。

同时模拟了补偿层膜厚降低对对比度的影响，如图6所示，补偿膜厚度下降5%，上80°视角时对比度将会下降20%，左右视角80°时对比度下降40%，降低补偿层膜厚对对比度也有不利影响。

3.3.2 偏光片补偿层预倾角和扭曲角对色不均影响

模拟WV偏光片补偿层预倾角和扭曲角对色不均影响，模拟结果如图7、8所示，WV偏光片补偿层预倾角、扭曲角变化对色不均无明显影响。

图5 WV偏光片补偿层不同厚度对色不均影响

Fig.5 Influence of compensation layer thickness on uneven color

图6 补偿膜厚度对对比度的影响

Fig.6 Effect of DLC thickness on CR

图7 WV偏光片预倾角对色不均影响

Fig.7 Influence of WV polarizer pretilt angle effect on uneven color

图8 WV偏光片扭曲角对色不均影响

Fig.8 Influence of WV polarizer twist angle effect on uneven color

3.3.3 偏光片吸收轴角度对色不均影响

调整WV偏光片吸收轴角度134°，134.3°，134.5°，对比吸收轴135°，测试色不均现象以及基础的光学数据。实验结果如图9所示，光学数据如表1所示，WV偏光片吸收轴角度134°时，无色不均现象，对比度507；吸收轴角度134.3°时，显示器色不均面积为显示的5%，对比度608；吸收轴角度134.5°时，显示器色不均面积减少至显示器的10%，对比度可达到977；吸收轴角度135°时，色不均现象明显。

图9 不同吸收轴角度对色不均影响

Fig.9 Different optical axis angle effect on uneven color

从实验结果可以看出，随着WV偏光片吸收轴角度降低，色不均现象逐渐减轻，对比度下降明显，其余光学数据无明显变化，综合显示效果及产品性能，在实际应用中可选取WV偏光片吸收轴角度为134.5°，既可以改善色不均现象，同时又能保证光学性能无明显变化。

3.4 玻璃基板厚度对色不均的影响

色不均发生原理推测为TN显示器曲面状态下玻璃弯曲后机械应力分布不均导致，本实验模拟了不同玻璃基板厚度对色不均的影响，模拟结果如图10示， 随玻璃基板厚度降低， 色不均现象减轻，玻璃厚度到0.3 mm时，色不均现象明显改善，在0.2 mm时色不均现象消失。同时实验实际测试了不同玻璃基板厚度0.25 mm、0.2 mm的色不均情况，如图11所示，玻璃基板厚度0.25 mm时色不均现象基本消失，玻璃基板为0.2 mm时已无色不均现象。

表1 不同吸收轴角度光学数据

Tab.1 Optical data of different axis angle

图10 玻璃基板减薄后色不均模拟

Fig.10 Simulation of color unevennes after thinning glass substrate

图11 玻璃基板减薄后色不均现象

Fig.11 Uneven color phenomenon after thinning glass substrate

从实验结果来看，减薄玻璃基板厚度能明显改善显示屏内部应力均一性，玻璃基板厚度降低到0.25 mm时色不均现象基本消失，玻璃基板厚度0.2 mm时已无色不均现象。

3.5 液晶盒对色不均的影响

模拟了不同液晶盒厚、预倾角对色不均的影响，模拟结果如图12所示，液晶盒厚增加有利改善上视角色偏，但会加剧左右视角色偏；液晶盒不同预倾角对色不均现象无明显影响。根据模拟结果，本文测试了不同盒厚下的色不均情况，实验结果如图13所示，液晶盒厚由3.5 μm增加到3.6 μm、3.7 μm时，色不均现象有轻微改善，色不均不良面积由显示器面积的30%减少至20%。改变显示屏液晶盒厚度，色不均现象无明显改善。

图12 不同液晶盒厚、预倾角对色不均影响

Fig.12 Eeffect of different cell gap and pretilt angle on color unevenness

图13 不同液晶盒厚色对色不均影响

Fig.13 Eeffect of different panel cell gap on color unevenness

4 结 论

TN曲面显示器搭配WV偏光片使用时，易出现暗态色不均现象，推测该色不均现象发生原理为曲面状态下显示器所受外部应力，导致内部应力不均一，加之液晶双折射作用，从而导致左右视角看到的颜色不一致。

本文模拟了不同改善措施对色不均现象影响，同时对有改善的模拟结果进行了实验测试。第一种是增加暗态亮度，掩盖暗态时色不均现象，如电路调整增加暗态亮度、调整偏光片吸收轴角度增加暗态亮度等，实验结果表明将显示器暗态亮度由0.188 cd/m2提升至0.25 cd/m2，显示器色不均面积由30%减小至10%，调整电路会使响应时间增加至原来的2.5倍；吸收轴角度减小1.0°，色不均现象消失，但对比度下降60%，吸收轴角度减小0.5°时，色不均面积减小10%，对比度下降20%。第二种是改善曲面状态下显示屏内部应力均一性，如增加液晶盒盒厚、降低显示器玻璃基板厚度等。实验表明：液晶盒厚增加0.2 μm，色不均现象有轻微改善，色不均不良面积由显示器面积的30%减小至20%，高温60 ℃老化72 h、显示器玻璃基板厚度降低至0.2 mm均能使显示器色不均现象消失，高温老化增加高温老化设备投资，减薄玻璃基板会增加一道减薄工序，增加成本。本文通过对812.8 cm (32 in) TN COA曲面显示器色不均现象改善的模拟以及实验测试，为后续TN产品搭配宽视角补偿膜色不均不良改善提供了参考依据。