微結(jié)構(gòu)用于視角可控的液晶顯示技術

鐘德鎮(zhèn)，劉 瑞，姜麗梅

(昆山龍騰光電股份有限公司 江蘇省龍騰平板顯示技術研究院,江蘇 昆山 215301)

1 引 言

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的進步，用戶對于分享性資料及機密性資料具有不同的視覺需求，單一視角模式的顯示屏已經(jīng)不能滿足使用者的需求，液晶顯示屏最好擁有自身在寬窄視角模式之間轉(zhuǎn)換的能力。當使用者需要共享信息時，打開寬視角模式(Wide Viewing Angle，WVA)；當使用者想要保護顯示信息時，使用窄視角模式(Narrow Viewing Angle，NVA)。由此，視角可控顯示屏成為現(xiàn)代平板顯示領域內(nèi)一個新興的發(fā)展方向，它的應用領域非常廣泛，大至自動取款機等銀行設備，小至人們最常用的手機、筆記本電腦等消費性電子產(chǎn)品。針對這種市場的新興需求，視角可控顯示屏也應運而生，成為近年來各大顯示公司的熱點與新興研究方向[1-2]。

現(xiàn)有技術對于寬窄視角切換的實現(xiàn)有如下幾個途徑：(1)利用對多疇像素的驅(qū)動達到視角可變顯示。但是這種方法涉及到后臺驅(qū)動程序，技術與工藝比較復雜。(2)通過調(diào)整不同電壓來控制暗態(tài)對比達到視角可變的顯示目的。利用在大視角處形成嚴重的灰階反轉(zhuǎn)等光學性差異，使觀察者在大視角處觀察到的影像變得非常模糊而無法辨別，從而得到窄視角的顯示狀態(tài)，提供的窄視角模式是一反轉(zhuǎn)視角模式。(3)在背光側(cè)與常白液晶顯示面板之間設置調(diào)光器件液晶盒，在常白扭曲向列相液晶盒與上層偏光板之間設置光學補償液晶盒,該架構(gòu)搭配背光為準直光出射背光結(jié)構(gòu)。當光學補償液晶盒關閉時，對扭曲向列相顯示盒進行補償，同時，調(diào)光器件液晶盒不給電，由于調(diào)光器件液晶盒此時對光起到散射作用，表現(xiàn)出廣視角顯示模式；而當光學補償液晶盒給電時，對扭曲向列相液晶盒的補償作用消失，調(diào)光器件液晶盒打開，從背光側(cè)準直出射光的光路未發(fā)生變化，切換至窄視角防窺模式。(4)利用在顯示器表面貼附防窺功能的保護膜來達到防窺效果[3-8]。

以上方法能夠在現(xiàn)有顯示技術基礎上有效地實現(xiàn)寬窄視角切換功效。本文介紹的寬窄視角切換技術是基于現(xiàn)有負性液晶的邊緣場切換技術(Fringe Field Switching，F(xiàn)FS)的 LCD提出的一種多視角可切換筆記本電腦顯示技術，相比于上述方法不同的是，本文提出的架構(gòu)為通過在LCD 中設置微型棱鏡結(jié)構(gòu)，搭配額外的調(diào)光液晶盒，以及背光側(cè)設置光柵百葉窗結(jié)構(gòu)的調(diào)光膜片顯示模式，通過結(jié)合光從背光側(cè)出射經(jīng)過光柵結(jié)構(gòu)與微型棱鏡結(jié)構(gòu)，調(diào)整調(diào)光液晶盒的電壓實現(xiàn)大視角亮度的調(diào)整，從而改變液晶顯示視角大小，達到寬視角與窄視角切換的目的。

2 工作原理與仿真分析

2.1 寬窄視角顯示模式的工作原理

圖1為本文提出架構(gòu)的液晶顯示原理圖示，主要由DLCD、帶有微結(jié)構(gòu)的LCD、背光源模塊(含百葉窗結(jié)構(gòu)層Louver film)組成。其中DLCD上基板側(cè)與LCD上基板與下基板側(cè)均包含偏振器(圖中未示出)，液晶顯示盒的上偏振器與下偏振器成正交關系。DLCD的上偏振器的偏光軸方向與液晶顯示盒的上偏振器的偏振軸方向平行。DLCD的調(diào)光方向為左右視角。LCD中的微結(jié)構(gòu)棱鏡圖形的排列方向與背光側(cè)百葉窗結(jié)構(gòu)膜片的光柵排列方向平行。

圖1 本文提出的寬窄視角切換架構(gòu)的原理圖Fig.1 Principle diagram of the proposed viewing angle switching structure

本技術架構(gòu)實現(xiàn)寬窄視角的工作原理為：從背光(Back Light，BL)出射的光，經(jīng)過百葉窗結(jié)構(gòu)層(Louver film)，穿過光柵遮擋部分的光被遮擋，另一部分以光柵的預設角度出射，完成對光的第一次調(diào)整。當光經(jīng)過LCD時，由于LCD中設置微型結(jié)構(gòu)圖形，光路在微結(jié)構(gòu)中行進方向如圖2所示。當背光側(cè)出射光時，經(jīng)過LCD 下基板，再經(jīng)過微結(jié)構(gòu)棱鏡重新分布，進行光的第二次調(diào)整，側(cè)面出射光均勻化分散。當DLCD施加適當電壓產(chǎn)生微弱垂直電場E1時，液晶沿垂直玻璃基板方向的傾角較小，DLCD中的液晶分子此時在正視與側(cè)視產(chǎn)生的相位延遲較小，光經(jīng)過DLCD后光路幾乎未發(fā)生變化，此時背光源電流為高電平模式，光線經(jīng)過液晶顯示模組后表現(xiàn)為廣視角顯示，如圖1(a)所示。而當光源電流切換為低電平模式時，調(diào)光液晶盒中垂直電場E1增強，DLCD中的液晶分子沿垂直基板方向的傾角加大，液晶在DLCD中在正視與大視角側(cè)視方向的相位延遲增大，光線在大視角下由于相位延遲的產(chǎn)生，部分光線被DLCD上方的偏振器吸收，光線經(jīng)過第三次的調(diào)整，視角進行第二次的窄化處理，使大視角出射光進入人眼的亮度下降，液晶顯示內(nèi)容由于大視角亮度降低而影像模糊，達到防窺的目的，實現(xiàn)窄視角模式。

圖2 本文提出的微結(jié)構(gòu)棱鏡的光路圖示Fig.2 Light path diagram of the micro lens presented in this paper

2.2 調(diào)光液晶盒的仿真分析

為證明本技術搭配LCD微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)寬窄切換效果，在進行實驗驗證前，借助TechWiz仿真軟件進行實驗前的最優(yōu)設計的評估。首先建立像素電極與公共電極均為面狀電極的模型，通過仿真發(fā)現(xiàn)，當調(diào)光液晶盒的光程差(Δnd)的設計區(qū)間為700～800 nm時，調(diào)光液晶盒可兼顧全方位廣視角特性與對左右方向上大視角的光線，具有良好收光效果的窄視角特性。圖3為本技術架構(gòu)搭配的調(diào)光液晶盒Δnd為760 nm時，亮度隨水平方向極化角從正視0°到45°變化在寬視角模式(像素與公共電極之間電壓差為0.8 V)與窄視角模式(像素與公共電極之間電壓差為2.2 V)的仿真結(jié)果比較。仿真數(shù)據(jù)表明，在廣視角模式(圖3(a))，極化角從正視0°經(jīng)歷10°，20°，30°，變化至45°，亮度曲線無明顯變化；而當切換至窄視角模式，觀察視角隨極化角0°變化至45°，亮度呈遞減趨勢，隨側(cè)視極化角角度增大，亮度下降程度增大。當極化角為0°時，穿透率為27%；而當極化角增加至45°時，穿透率下降至2%。仿真數(shù)據(jù)說明，通過調(diào)整調(diào)光液晶盒的像素電極與公共電極的壓差，可以控制亮度在水平方向不同極化角的變化。

(a)寬視角模式(a) WVA mode

本文利用折射率定律[9]，當光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，折射角度大于入射角的特性，在LCD 側(cè)設計微型結(jié)構(gòu)圖層，將氮化硅設置于透明平坦層與柵極絕緣層之間，平坦層位于氮化硅上面，柵極絕緣層位于微型結(jié)構(gòu)層氮化硅下面。氮化硅(550 nm)折射率n為1.91，光學透明平坦層(550 nm)折射率n為1.56。光從氮化硅微型結(jié)構(gòu)層出射進入平坦層，光線在微結(jié)構(gòu)層與OC層界面處向兩側(cè)折射，達到調(diào)光目的。

3 實驗驗證與結(jié)果分析

本文采用33.78 cm(13.3 in)筆記本電腦顯示液晶盒進行相關驗證。該產(chǎn)品LCD使用負性液晶材料，液晶盒厚設計值為3.2 μm，分辨率為1 920(RGB)×1 080。DLCD調(diào)光液晶盒Δnd設計為782 nm，液晶的初始排列方向與百葉窗結(jié)構(gòu)膜片的光柵排列方向平行。實驗中柵極絕緣層厚度設計為310 nm，與之相鄰的用于微結(jié)構(gòu)圖形形成的氮化硅設計值為500 nm，在氮化硅層之后進行2 000 nm的透明平坦層涂布。為獲得最優(yōu)的顯示效果，在LCD側(cè)進行了兩組不同的微結(jié)構(gòu)蝕刻條件的實驗驗證，以及微結(jié)構(gòu)未進行蝕刻的對照組實驗。實驗組條件一的蝕刻條件為SF6流量為400 mL/min，Cl2流量為2 000 mL/min，蝕刻時間為 120 s；條件二的蝕刻條件為在第一組蝕刻條件的基礎上進行O2流量與壓力的增加，O2流量為1 000 mL/min，壓力為13 332.24 Pa。兩組實驗樣品的掃描電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope，SEM) 斷面形態(tài)如圖4所示。對比兩組樣品的SEM斷面形貌，發(fā)現(xiàn)兩組樣品的微型結(jié)構(gòu)形態(tài)不同。在沒有O2流量與壓力下，微型棱鏡結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的氮化硅層蝕刻深度為206 nm，斜坡角度為36.87°，光阻剩余厚度534 nm；而增加O2流量與壓力，氮化硅蝕刻深度隨之增加。當O2流量增加至1 000 mL/min，同時壓力設置為13 332.24 Pa時，氮化硅以及其下層的柵極絕緣層均呈現(xiàn)被蝕刻的痕跡，且柵極絕緣層被蝕刻深度為70 nm，微結(jié)構(gòu)總縱深為572.4 nm，斜坡角為59.98°，光阻剩余厚度為602.9 nm。通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同的蝕刻條件可以形成不同蝕刻深度及傾斜角度的微結(jié)構(gòu)圖形。

(a)條件一的微型結(jié)構(gòu)的斷面形貌(a)Section morphology of microstructure in condition 1

本技術在33.78 cm (13.3 in)筆記本顯示屏制作了實際成品，表1為其在寬視角模式下的光學實測結(jié)果，表2為其在窄視角模式下的光學實測結(jié)果。為有效凸顯廣視角與窄視角切換效果，液晶模組亮度對廣視角模式與窄視角模式的模組亮度分別預設為400 cd/m2與150 cd/m2。Sample A為條件一產(chǎn)出的LCD搭配DLCD及百葉窗結(jié)構(gòu)膜片樣品，Sample B為條件二產(chǎn)出的LCD搭配DLCD及百葉窗結(jié)構(gòu)膜片樣品，Sample C為普通FFS LCD 搭配DLCD及百葉窗結(jié)構(gòu)膜片樣品，Sample D為普通FFS LCD樣品。

表1 液晶顯示面板的寬視角實測光學結(jié)果Tab.1 WVA optical measurement results of LCD

表2 液晶顯示面板的窄視角實測光學結(jié)果Tab.2 NVA Optical measurement results of LCD

本文以左右45°亮度與中心亮度比值作為衡量寬視角模式與窄視角模式可視角度的標準。結(jié)合圖4與表1可知，微結(jié)構(gòu)棱鏡縱深值越大，則在寬視角模式左右45°與中心亮度比值越大。當微結(jié)構(gòu)棱鏡縱深為572.4 nm時,斜視角左右45°與正視角中心亮度比值已達5.2%以上。而LCD中無微結(jié)構(gòu)設置的Sample C，其寬視角模式下左右45°亮度與中心亮度的比值僅在2.0%左右。此時，單純普通FFS產(chǎn)品寬視角模式下其左右45°亮度與中心比值為19%以上，但僅局限于單一的顯示模式，即只能實現(xiàn)寬視角，不能滿足防窺顯示的需求。在窄視角模式下，對比實驗品Sample A、Sample B與對照組Sample C，發(fā)現(xiàn)LCD 微結(jié)構(gòu)縱深值增加時，在窄視角模式下左右極化角45°與中心亮度比值呈現(xiàn)小幅度的增加，當微結(jié)構(gòu)縱深為572.4 nm時，其比值仍可控制在0.8%左右,同時其寬窄模式下中心對比度均在1 500∶1以上。

為能更直觀比較實驗組樣品與對照組及普通FFS產(chǎn)品除左右45°視角外的其他視角的差異，圖5繪出不同實驗組樣品在水平方向左右極化角35°～85°下亮度與中心亮度的比值曲線。圖5(a)與圖5(b)數(shù)據(jù)表明，本技術通過LCD設計微結(jié)構(gòu)以及控制微結(jié)構(gòu)的蝕刻縱向深度與斜坡角，搭配調(diào)光液晶盒，可對光進行有效調(diào)整，實現(xiàn)寬視角與窄視角兩種模式的切換。

(a)寬視角模式左右視角與中心亮度比值曲線圖(a) Curves of brightness ratio between left and right viewing angle and center in WVA mode

根據(jù)模組樣品實際點亮顯示效果可知，Sample B可以更好地兼顧寬窄視角顯示效果。圖6為本技術架構(gòu)在33.78 cm (13.3 in)Sample B成功點亮的窄視角顯示效果圖展示。在窄視角模式下，如圖6(b)所示，斜視角45°已經(jīng)達到顯示內(nèi)容模糊化的防窺效果，圖6(a)中的正視角圖片顏色鮮艷且清晰可見；圖7為本技術架構(gòu)寬視角模式，圖7(a)正視角及圖7(b)斜視角45°方向的效果與常規(guī)FFS正視效果無明顯差別，正視與斜視均清晰可見，其寬窄模式正視顯示效果的畫質(zhì)細膩程度水準相當。圖8為Sample B在可見光下其寬窄視角模式下的等對比度全視角特性曲線實際測量結(jié)果。對比圖8(a)與圖8(b),寬視角模式與窄視角模式在中心對比度均大于1 500∶1，在斜向?qū)蔷€方位角為135°，225°，315°，窄視角模式在CR <10的藍色覆蓋面積均相對偏小。圖8所呈現(xiàn)的等對比度實測曲線特性，進一步證明本技術實現(xiàn)廣視角與窄視角模式的切換為通過調(diào)整側(cè)視大視角亮度實現(xiàn)，兩種模式下對比度可基本維持不變，在正視瀏覽下，寬窄模式可進行無感切換。

圖6 Sample B的窄視角模式顯示效果圖Fig.6 Picture performance in NVA mode of Sample B

圖7 Sample B的寬視角模式顯示效果圖Fig.7 Picture performance in WVA mode of Sample B

(a)寬視角模式(a)WVA mode

4 結(jié) 論

本文提出一種基于LCD陣列基板制作微型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬窄視角切換的液晶顯示技術，介紹了其結(jié)構(gòu)、工作原理及樣品制備?；谧顑?yōu)的模擬結(jié)果，通過結(jié)合光從背光側(cè)出射經(jīng)過光柵結(jié)構(gòu)與微型棱鏡結(jié)構(gòu)，調(diào)整調(diào)光液晶盒的電壓，可改變液晶顯示視角大小，達到寬視角與窄視角切換的較佳效果。實驗結(jié)果表明：通過控制LCD微型結(jié)構(gòu)蝕刻深度及角度可對光進行有效調(diào)整。當微結(jié)構(gòu)縱向深度為572.4 nm，角度為59.98°時，在窄視角模式下，視角大于45°后顯示屏顯示內(nèi)容基本達可以到個人隱私防窺；寬視角模式具備與業(yè)界FFS模式同等的廣視角的全視角顯示特性，同時中心對比度水準可達1 500以上，上下左右視角均可達85°。本文研究的視角可控技術，不犧牲開口率與顯示品質(zhì)，視角模式可靈活切換，在筆記本電腦防窺顯示技術的發(fā)展方面具有重要意義。