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williamhill吧:显示屏的构成

发布时间:2022-05-25 04:49:35 来源:william威廉希尔 作者:williamhill吧

  一块液晶显示屏,根据功能不同可以分成三个部分:显示区(Active Area)、密封区(Sealing Area)和衬垫区(Pad Area),如图3.1所示。

  显示区是指一块显示屏的图像显示区域。常说的一块显示屏尺寸大小,就是指显示区的大小,而且其尺寸大小是用该区域对角线的长度是多少英寸(Inch,1in=2.54cm)来表示。一块显示屏显示屏幕的长宽比(Aspect Ratio),常见的规格有4:3、16:9和21:9三种。

  显示区是由像素(Pixel)组成的一个阵列。通常一个像素又是由红色、绿色和蓝色三个亚像素(Sub-pixel或Dot)组成的。阵列的水平方向(Horizontal,H)分布着列像素(Column),垂直方向(Vertical,V)分布着行像素(Row)。例如,全高清(Full High Definition)液晶显示器就是水平方向由1920列、垂直方向由1080行像素组成的,通常表示为 H × V =1920×1080个像素,或者 H × V =1920×(3)×1080个亚像素。

  由像素组成的显示区,与阵列设计相关的基本要素是分辨率、宽长比、像素排列方式和TFT排列方式。当显示器的目标尺寸、分辨率和宽长比确定后,就可以计算出像素尺寸。

  显示器的分辨率(Resolution)可以用显示分辨率和图像分辨率两个概念来表示。

  显示分辨率又被称为屏幕分辨率,是指显示器所能显示的像素数有多少,从一定程度上反映了屏幕显示图像的清晰度。对于尺寸相同的两块显示器,显示分辨率越高,则其显示区的像素数就越多,画面就越清晰。或者说显示分辨率一定的情况下,显示屏尺寸越小则显示的图像越清晰。表3.1 列出了常见显示器的分辨率规格。

  图像分辨率是指每英寸长度上中所包含的像素数,即多少 PPI(Pixels Per Inch)。图像分辨率决定了显示图像细节的精细程度。图像分辨率越高,单位面积的像素数量就越多,画面的细节就越丰富。在一款液晶显示器的开发中,产品规格书通常提到的是显示分辨率。

  一块标准格式的液晶显示屏,已知显示器尺寸、屏幕长宽比和分辨率,即可求得像素尺寸和亚像素尺寸。通常而言,液晶显示器中由面积相等的三个亚像素组成的像素是方方正正的(假设为 A × A ),即亚像素短边是长边的三分之一( A /3),如图3.2所示。假设已知一款液晶显示屏为 X 英寸,屏幕长宽比为16:9,分辨率为 H × V ,则假设像素大小为 A × A (单位:μm 2 ),则根据勾股定理得到

  图3.2 屏幕尺寸 X 、长宽比16:9和分辨率 H × V 的显示屏像素尺寸计算示意图

  在实际面板设计中,由于掩模版(Mask)制作精度等原因,通常像素尺寸最小精度以 0.25μm 为步长即可。因此,对于一个显示屏的像素尺寸计算过程中,先以目标尺寸进行计算,最后在基于 0.25μm 的步长确定实际的像素尺寸。反过来,由实际的像素尺寸又可以得到实际的显示屏尺寸。像素尺寸计算流程和实例对比如图3.3所示。

  像素的排列方式,通常是指组成像素的红色、绿色和蓝色三基色的彩膜排列方式。按照三基色的像素排列方式可以分为条形(Stripe Type)排列、岛状(Island Type)排列、马赛克形(Mosaic Type)排列和Delta形(品字形)排列,如图3.4所示。为了提高显示器的分辨率或透过率或色域,又出现了四基色显示,即RGBW(红绿蓝白)和RGBY(红绿蓝黄)的排列方式,也就是说1个像素是由4个亚像素组成。

  液晶显示器是逐行扫描驱动的,即一行行依次开启,每开启一行,所有的列数据信号线传输数据信号到该行像素上。根据某一时刻,行开启的数量以及对应像素信号的输入,像素驱动结构可以分为1G1D和2G2D。

  1G1D 结构是像素的常规驱动方式,即某时刻只开启一行,所有的列传输数据信号到该行像素上。根据像素中 TFT 的排列方式,1G1D 结构又分为列反转(Column-Inversion)1G1D结构和Z反转(Z-Inversion)1G1D结构,如图3.5所示。相比常规的1G1D,2G2D结构中的数据信号线增加了一倍。

  2G2D 的意思是在某时刻同时开启两行,奇数列的数据信号输入上一行对应的像素中,偶数列的数据信号输入下一行对应的像素中。在2G2D结构中,根据亚像素TFT的排列方式,又有两种结构,如图3.6所示。2G2D这种像素驱动结构,在总行线数不变的情况下,相当于增加了每行的数据写入时间(Writing Time),从而有利于像素充电率的提高或确保。

  这里需要特别说明的是,在VA模式中,为了扩大视角特点,每个亚像素包含多畴(通常有8畴,畴指不同取向的液晶区域)。为了实现这种多畴结构,把每个亚像素再分成两个子亚像素。VA 模式实现 8 畴液晶取向,第一种像素驱动结构就是增加一倍的列数据线D的意思是某时刻只开启一行,每相邻两列数据信号输入到同一个亚像素中,即输入到两个子亚像素中。第二种像素驱动结构是增加一倍的行扫描线D 的意思是依次开启两行,同一列数据信号线分别给两个子亚像素输入数据信号,如图3.7(b)所示。第三种像素驱动结构被称为CS hG-2D(Charge Sharing half-Gate-2D),如图3.7(c)所示。CS hG-2D结构有几个特征:第一个特征是每个亚像素含有三个薄膜晶体管(TFT);第二个特征是每个亚像素中含有一个电荷分享电容(CS);第三个特征是采用2G2D方式驱动(同上面描述的2G2D);最后一个特征是同时开始的后两行扫描信号又分别反馈给上两行,并开启亚像素中的一个TFT,使一个子亚像素通过电荷分享电容实现像素电压的改变。2G1D 常用于60Hz面板中,1G2D用于120Hz面板中,CS hG-2D用于240Hz面板中。

  相比常规的1G1D 像素驱动结构,VA 模式为了实现多畴,采用增加扫描线或数据线来实现。有时采用特殊的像素驱动结构,实现数据线的减少、扫描线的增加。这种特殊的像素驱动结构就是双栅像素驱动结构(Dual-gate)和三栅像素驱动结构(Triple-gate),如图 3.8 所示。在双栅像素驱动结构中,行扫描线增加了一倍,同时数据线减少了一半;在三栅像素驱动结构中,行扫描线增加了两倍,同时数据线变为原来的三分之一。如果采用GOA(Gate on Array)的驱动结构,扫描线数增加也不需要额外增加驱动电路的成本,而数据线数的下降可以减少驱动IC的个数,因此具有成本优势。但是相比1G1D结构,双栅像素驱动结构中行写入时间下降为原来的一半,三栅像素驱动结构下降为原来的三分之一。在面板设计中,考量像素驱动结构的首要要点是确保像素具备充足的像素充电率,而影响像素充电率的一个关键因素就是行写入时间。

  密封区(Sealing Area)是显示区边界到衬垫区或显示区边界到玻璃切割边缘之间的区域。从字面上理解,密封区的主要作用是对液晶盒内的液晶进行密封和对来自背光源的光进行“密封”。

  对液晶密封,防止液晶泄漏出来,是通过在周边涂布一圈边框胶(Sealant)来实现的。边框胶还起到把彩膜基板和阵列基板黏合在一起的作用;同时,边框胶内分布的硅球粒子或塑料球粒子起到支撑和维持液晶盒周边盒厚的作用。对于 TN 模式或 VA 模式的大尺寸液晶显示器,边框胶内还含有连通上下玻璃基板导电电极的金球;如果是小尺寸,有时通过在液晶盒边角点银胶来实现连通。

  对来自背光源的光进行的密封,防止在非显示区有光泄露出来,是通过彩膜玻璃基板上的黑矩阵(Black Matrix,BM)来实现的,即在彩膜玻璃基板上的密封区域,都覆盖着一层黑矩阵层,起到遮光的作用。

  阵列基板与彩膜基板在真空环境下高精确度对盒后,需要马上对边框胶进行紫外固化,防止液晶与其接触上,造成液晶污染或泄漏。紫外线的照射方向可以通过彩膜玻璃基板向下照射,也可以通过阵列玻璃基板向下照射。为了实现边框胶与紫外线的充分接触,因此需要让边框胶露出一定的区域。如果是从彩膜基板侧照射,则BM边缘与边框胶边缘需要保留一定的间距,如图3.9(a)所示。这个间距考虑要素是边框胶的涂布公差、扩散公差和冗余值。如果是从阵列基板侧照射,需要确保阵列基板上的金属图形区有一定比例的通光面积(典型值大于40%),并且不能有宽的线条和图形,否则其下面的边框胶不能充分固化,如图3.9(b)所示。紫外线的照射方向,影响到密封区BM的宽度。相比,从彩膜基板侧照射,密封区的尺寸需要更大。对于窄边框的产品规格,一般都是从阵列基板侧照射。但是阵列图形需要确保足够的通光面积,对阵列图形的设计提出了更高的要求,即可能线宽更窄或该线条的面积更小,造成该线路的电阻增加,增加了该线上驱动信号的负载。

  衬垫区(Pad Area)又称为邦定区(Bonding Area),是阵列玻璃基板上的电极与外围的驱动集成电路相连通的区域。常用的连通方式有COF(Chip-on-Film,用于大尺寸)、COG(Chip-on-Glass,用于中小尺寸)和FOG(Film-on-Glass)三种,其中 COG 需要搭配 FOG(用柔性印制电路板连通)的方式实现电路上的连通。

  根据面板驱动架构的不同,衬垫区要么分布在面板四周,要么分布在三边(两边的扫描衬垫区和一边的数据衬垫区),要么仅分布在一边(GOA驱动架构,只有一边的数据衬垫区)。通常,一个衬垫区含有数个衬垫(Pad),每个衬垫对应一个COF、一个COG或一个柔性印制电路板(Flexible Printed Circuit,FPC),它们之间通过各向异性导电胶里面的金球相连通。

  图3.10是玻璃基板上一个与COF相连通的衬垫结构示意图。从图3.10中可以看出,每个衬垫都包含了一排电极和两个标记(Mark,或称为符号)。从功能上,这排电极分为通道电极区和功能电极区。通道电极区的电极连通数据线或扫描线;功能电极区的电极包括扫描驱动相关的各种控制信号线和公共电极线。在电极两侧的两个标记是邦定时与COF对位的;电极两侧边缘各有一个虚拟电极,是用来判断邦定后各向异性导电胶里面金球的压接状态。

  液晶屏的制作工艺过程中,为了各个工艺环节的需要,在彩膜和阵列基板上设计有各种标记(Mark)。这些标记有的用于设备的自动识别和读取,有的用于人工识别和量测。

  在一张大玻璃基板上可以切割出多个液晶屏。为了把各个液晶屏分割开,就需要按照设计好的路线进行切割。设计上需要在阵列图形四个边角附近各设置一个切割标记(Cutting Mark)。在编制切割菜单时,可以以分布在玻璃四角的标记为基准建立切割坐标,实现各个液晶屏的高精度切割分离。

  面板被分割出来后,接下来需要对玻璃边缘进行研磨。为了人工观察实际的研磨量是否在规格值范围内,避免过渡研磨或又没有研磨到的情况发生,在玻璃基板切割线附近会设置研磨标记(Grinding Mark)。

  液晶屏的工艺标记(Panel Process Key)一般设置在衬垫区边角。它的作用包括以下几个方面:液晶屏在切割完成后,需要对切割边进行检查,查看是否有玻璃碎片残留的定位;液晶盒在线电学检测时,测试治具的定位;贴COF时液晶屏的定位。

  重叠标记(Overlay Mark)是为了检测曝光形成的各个膜层之间在玻璃基板上的相对位置关系。由于曝光设备的机构对位精度等因素造成层与层之间出现偏差,通过重叠标记,可以检测曝光工艺过程某个环节是否出现故障。目前曝光设备的重叠偏差规格值一般是±1.5μm。重叠标记一般放置在阵列图形的四个角外侧。

  在面板设计时,一般会在阵列图形的四个角设置总节距标记(Total Pitch Mark),通过量测两个标记的间距,可以判断与设计值的偏差。产生偏差的原因可能是曝光光场畸变或基板温度异常等因素。总节距偏差的规格值在一次曝光场内一般小于1.5μm;在整个玻璃基板内(一般是两次曝光场以上),总节距偏差的规格值一般小于3.0μm。

  玻璃基板上薄膜的边界条件,是指没有薄膜或薄膜特性不满足规格值的玻璃基板边缘数值。它关系到设计图形的位置,或哪些图形可以位于薄膜边界条件内,哪些不能位于薄膜边界内。薄膜的边界条件,对阵列图形在玻璃基板上的排布有着重要的影响。

  彩膜玻璃基板上的各层薄膜,如黑矩阵BM、红色色阻、绿色色阻、蓝色色阻和柱状隔垫物,都是采用涂布工艺涂布在玻璃基板上的。在起始端和终止端附近,涂布薄膜的厚度和均匀性不能满足规格值的要求。从玻璃边到符合规格值的范围就是薄膜的边界条件(长度值)。对于前面提到的这些树脂材料薄膜,一般来说,从玻璃边往里5mm是无薄膜区,再往里5mm是薄膜的规格不达标区,即薄膜的边界条件值是10mm。对于VA和TN模式,彩膜玻璃基板上的ITO薄膜位于基板内侧,而对于IPS和FFS模式,ITO薄膜位于基板外侧。两者在厚度和电学特性的规格上不同,即薄膜的边界条件不同。与树脂材料的涂布工艺不同,ITO薄膜是用溅射工艺淀积而成的,即其薄膜的边界条件与溅射设备相关。一般而言,从玻璃边缘开始存在数毫米的无薄膜区,再往里存在数毫米的薄膜规格不符合区,两个距离相加就是ITO薄膜的边界条件。ITO薄膜的无膜区一般是5mm,特性不确保区是15mm,因此ITO薄膜的边界条件一般在20mm左右。

  阵列玻璃基板上的各层薄膜,从其淀积的工艺上来说,可以分为两类:一类是用溅射工艺制备的诸如金属薄膜和ITO薄膜的导电薄膜,另外一类是用等离子体增强化学气相沉积工艺制备的诸如氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)、磷掺杂的氢化非晶硅薄膜(n + a-Si:H)和氮化硅薄膜(SiN x )的功能薄膜。导电薄膜的边界条件与彩膜玻璃基板上的ITO的基本一致。功能薄膜也有一个无薄膜区和薄膜特性不确保区,两者相加就是其边界条件。在边缘区域,有些用于阵列基板测试作用的布线或标记是用金属图形制作的,这些图形就位于氮化硅的边界条件内,但是此处的氮化硅的厚度要足够厚,确保后面的金属刻蚀工艺不会把这些图形刻蚀掉。这个可放置金属图形的最小间距在业内又被称为“CVD Margin”。通常,G8.5世代线“CVD Margin”一般在10mm左右,即大于10mm又小于边界条件的范围内可以设置一些测试用的金属图形。