微结构用于视角可控的液晶显示技术

钟德镇，刘 瑞，姜丽梅

(昆山龙腾光电股份有限公司 江苏省龙腾平板显示技术研究院,江苏 昆山 215301)

1 引 言

随着社会经济和科学技术的进步，用户对于分享性资料及机密性资料具有不同的视觉需求，单一视角模式的显示屏已经不能满足使用者的需求，液晶显示屏最好拥有自身在宽窄视角模式之间转换的能力。当使用者需要共享信息时，打开宽视角模式(Wide Viewing Angle，WVA)；当使用者想要保护显示信息时，使用窄视角模式(Narrow Viewing Angle，NVA)。由此，视角可控显示屏成为现代平板显示领域内一个新兴的发展方向，它的应用领域非常广泛，大至自动取款机等银行设备，小至人们最常用的手机、笔记本电脑等消费性电子产品。针对这种市场的新兴需求，视角可控显示屏也应运而生，成为近年来各大显示公司的热点与新兴研究方向[1-2]。

现有技术对于宽窄视角切换的实现有如下几个途径：(1)利用对多畴像素的驱动达到视角可变显示。但是这种方法涉及到后台驱动程序，技术与工艺比较复杂。(2)通过调整不同电压来控制暗态对比达到视角可变的显示目的。利用在大视角处形成严重的灰阶反转等光学性差异，使观察者在大视角处观察到的影像变得非常模糊而无法辨别，从而得到窄视角的显示状态，提供的窄视角模式是一反转视角模式。(3)在背光侧与常白液晶显示面板之间设置调光器件液晶盒，在常白扭曲向列相液晶盒与上层偏光板之间设置光学补偿液晶盒,该架构搭配背光为准直光出射背光结构。当光学补偿液晶盒关闭时，对扭曲向列相显示盒进行补偿，同时，调光器件液晶盒不给电，由于调光器件液晶盒此时对光起到散射作用，表现出广视角显示模式；而当光学补偿液晶盒给电时，对扭曲向列相液晶盒的补偿作用消失，调光器件液晶盒打开，从背光侧准直出射光的光路未发生变化，切换至窄视角防窥模式。(4)利用在显示器表面贴附防窥功能的保护膜来达到防窥效果[3-8]。

以上方法能够在现有显示技术基础上有效地实现宽窄视角切换功效。本文介绍的宽窄视角切换技术是基于现有负性液晶的边缘场切换技术(Fringe Field Switching，FFS)的 LCD提出的一种多视角可切换笔记本电脑显示技术，相比于上述方法不同的是，本文提出的架构为通过在LCD 中设置微型棱镜结构，搭配额外的调光液晶盒，以及背光侧设置光栅百叶窗结构的调光膜片显示模式，通过结合光从背光侧出射经过光栅结构与微型棱镜结构，调整调光液晶盒的电压实现大视角亮度的调整，从而改变液晶显示视角大小，达到宽视角与窄视角切换的目的。

2 工作原理与仿真分析

2.1 宽窄视角显示模式的工作原理

图1为本文提出架构的液晶显示原理图示，主要由DLCD、带有微结构的LCD、背光源模块(含百叶窗结构层Louver film)组成。其中DLCD上基板侧与LCD上基板与下基板侧均包含偏振器(图中未示出)，液晶显示盒的上偏振器与下偏振器成正交关系。DLCD的上偏振器的偏光轴方向与液晶显示盒的上偏振器的偏振轴方向平行。DLCD的调光方向为左右视角。LCD中的微结构棱镜图形的排列方向与背光侧百叶窗结构膜片的光栅排列方向平行。

图1 本文提出的宽窄视角切换架构的原理图Fig.1 Principle diagram of the proposed viewing angle switching structure

本技术架构实现宽窄视角的工作原理为：从背光(Back Light，BL)出射的光，经过百叶窗结构层(Louver film)，穿过光栅遮挡部分的光被遮挡，另一部分以光栅的预设角度出射，完成对光的第一次调整。当光经过LCD时，由于LCD中设置微型结构图形，光路在微结构中行进方向如图2所示。当背光侧出射光时，经过LCD 下基板，再经过微结构棱镜重新分布，进行光的第二次调整，侧面出射光均匀化分散。当DLCD施加适当电压产生微弱垂直电场E1时，液晶沿垂直玻璃基板方向的倾角较小，DLCD中的液晶分子此时在正视与侧视产生的相位延迟较小，光经过DLCD后光路几乎未发生变化，此时背光源电流为高电平模式，光线经过液晶显示模组后表现为广视角显示，如图1(a)所示。而当光源电流切换为低电平模式时，调光液晶盒中垂直电场E1增强，DLCD中的液晶分子沿垂直基板方向的倾角加大，液晶在DLCD中在正视与大视角侧视方向的相位延迟增大，光线在大视角下由于相位延迟的产生，部分光线被DLCD上方的偏振器吸收，光线经过第三次的调整，视角进行第二次的窄化处理，使大视角出射光进入人眼的亮度下降，液晶显示内容由于大视角亮度降低而影像模糊，达到防窥的目的，实现窄视角模式。

图2 本文提出的微结构棱镜的光路图示Fig.2 Light path diagram of the micro lens presented in this paper

2.2 调光液晶盒的仿真分析

为证明本技术搭配LCD微结构可实现宽窄切换效果，在进行实验验证前，借助TechWiz仿真软件进行实验前的最优设计的评估。首先建立像素电极与公共电极均为面状电极的模型，通过仿真发现，当调光液晶盒的光程差(Δnd)的设计区间为700～800 nm时，调光液晶盒可兼顾全方位广视角特性与对左右方向上大视角的光线，具有良好收光效果的窄视角特性。图3为本技术架构搭配的调光液晶盒Δnd为760 nm时，亮度随水平方向极化角从正视0°到45°变化在宽视角模式(像素与公共电极之间电压差为0.8 V)与窄视角模式(像素与公共电极之间电压差为2.2 V)的仿真结果比较。仿真数据表明，在广视角模式(图3(a))，极化角从正视0°经历10°，20°，30°，变化至45°，亮度曲线无明显变化；而当切换至窄视角模式，观察视角随极化角0°变化至45°，亮度呈递减趋势，随侧视极化角角度增大，亮度下降程度增大。当极化角为0°时，穿透率为27%；而当极化角增加至45°时，穿透率下降至2%。仿真数据说明，通过调整调光液晶盒的像素电极与公共电极的压差，可以控制亮度在水平方向不同极化角的变化。

(a)宽视角模式(a) WVA mode

本文利用折射率定律[9]，当光从光密介质进入光疏介质，折射角度大于入射角的特性，在LCD 侧设计微型结构图层，将氮化硅设置于透明平坦层与栅极绝缘层之间，平坦层位于氮化硅上面，栅极绝缘层位于微型结构层氮化硅下面。氮化硅(550 nm)折射率n为1.91，光学透明平坦层(550 nm)折射率n为1.56。光从氮化硅微型结构层出射进入平坦层，光线在微结构层与OC层界面处向两侧折射，达到调光目的。

3 实验验证与结果分析

本文采用33.78 cm(13.3 in)笔记本电脑显示液晶盒进行相关验证。该产品LCD使用负性液晶材料，液晶盒厚设计值为3.2 μm，分辨率为1 920(RGB)×1 080。DLCD调光液晶盒Δnd设计为782 nm，液晶的初始排列方向与百叶窗结构膜片的光栅排列方向平行。实验中栅极绝缘层厚度设计为310 nm，与之相邻的用于微结构图形形成的氮化硅设计值为500 nm，在氮化硅层之后进行2 000 nm的透明平坦层涂布。为获得最优的显示效果，在LCD侧进行了两组不同的微结构蚀刻条件的实验验证，以及微结构未进行蚀刻的对照组实验。实验组条件一的蚀刻条件为SF6流量为400 mL/min，Cl2流量为2 000 mL/min，蚀刻时间为 120 s；条件二的蚀刻条件为在第一组蚀刻条件的基础上进行O2流量与压力的增加，O2流量为1 000 mL/min，压力为13 332.24 Pa。两组实验样品的扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope，SEM) 断面形态如图4所示。对比两组样品的SEM断面形貌，发现两组样品的微型结构形态不同。在没有O2流量与压力下，微型棱镜结构所表现的氮化硅层蚀刻深度为206 nm，斜坡角度为36.87°，光阻剩余厚度534 nm；而增加O2流量与压力，氮化硅蚀刻深度随之增加。当O2流量增加至1 000 mL/min，同时压力设置为13 332.24 Pa时，氮化硅以及其下层的栅极绝缘层均呈现被蚀刻的痕迹，且栅极绝缘层被蚀刻深度为70 nm，微结构总纵深为572.4 nm，斜坡角为59.98°，光阻剩余厚度为602.9 nm。通过实验发现，不同的蚀刻条件可以形成不同蚀刻深度及倾斜角度的微结构图形。

(a)条件一的微型结构的断面形貌(a)Section morphology of microstructure in condition 1

本技术在33.78 cm (13.3 in)笔记本显示屏制作了实际成品，表1为其在宽视角模式下的光学实测结果，表2为其在窄视角模式下的光学实测结果。为有效凸显广视角与窄视角切换效果，液晶模组亮度对广视角模式与窄视角模式的模组亮度分别预设为400 cd/m2与150 cd/m2。Sample A为条件一产出的LCD搭配DLCD及百叶窗结构膜片样品，Sample B为条件二产出的LCD搭配DLCD及百叶窗结构膜片样品，Sample C为普通FFS LCD 搭配DLCD及百叶窗结构膜片样品，Sample D为普通FFS LCD样品。

表1 液晶显示面板的宽视角实测光学结果Tab.1 WVA optical measurement results of LCD

表2 液晶显示面板的窄视角实测光学结果Tab.2 NVA Optical measurement results of LCD

本文以左右45°亮度与中心亮度比值作为衡量宽视角模式与窄视角模式可视角度的标准。结合图4与表1可知，微结构棱镜纵深值越大，则在宽视角模式左右45°与中心亮度比值越大。当微结构棱镜纵深为572.4 nm时,斜视角左右45°与正视角中心亮度比值已达5.2%以上。而LCD中无微结构设置的Sample C，其宽视角模式下左右45°亮度与中心亮度的比值仅在2.0%左右。此时，单纯普通FFS产品宽视角模式下其左右45°亮度与中心比值为19%以上，但仅局限于单一的显示模式，即只能实现宽视角，不能满足防窥显示的需求。在窄视角模式下，对比实验品Sample A、Sample B与对照组Sample C，发现LCD 微结构纵深值增加时，在窄视角模式下左右极化角45°与中心亮度比值呈现小幅度的增加，当微结构纵深为572.4 nm时，其比值仍可控制在0.8%左右,同时其宽窄模式下中心对比度均在1 500∶1以上。

为能更直观比较实验组样品与对照组及普通FFS产品除左右45°视角外的其他视角的差异，图5绘出不同实验组样品在水平方向左右极化角35°～85°下亮度与中心亮度的比值曲线。图5(a)与图5(b)数据表明，本技术通过LCD设计微结构以及控制微结构的蚀刻纵向深度与斜坡角，搭配调光液晶盒，可对光进行有效调整，实现宽视角与窄视角两种模式的切换。

(a)宽视角模式左右视角与中心亮度比值曲线图(a) Curves of brightness ratio between left and right viewing angle and center in WVA mode

根据模组样品实际点亮显示效果可知，Sample B可以更好地兼顾宽窄视角显示效果。图6为本技术架构在33.78 cm (13.3 in)Sample B成功点亮的窄视角显示效果图展示。在窄视角模式下，如图6(b)所示，斜视角45°已经达到显示内容模糊化的防窥效果，图6(a)中的正视角图片颜色鲜艳且清晰可见；图7为本技术架构宽视角模式，图7(a)正视角及图7(b)斜视角45°方向的效果与常规FFS正视效果无明显差别，正视与斜视均清晰可见，其宽窄模式正视显示效果的画质细腻程度水准相当。图8为Sample B在可见光下其宽窄视角模式下的等对比度全视角特性曲线实际测量结果。对比图8(a)与图8(b),宽视角模式与窄视角模式在中心对比度均大于1 500∶1，在斜向对角线方位角为135°，225°，315°，窄视角模式在CR <10的蓝色覆盖面积均相对偏小。图8所呈现的等对比度实测曲线特性，进一步证明本技术实现广视角与窄视角模式的切换为通过调整侧视大视角亮度实现，两种模式下对比度可基本维持不变，在正视浏览下，宽窄模式可进行无感切换。

图6 Sample B的窄视角模式显示效果图Fig.6 Picture performance in NVA mode of Sample B

图7 Sample B的宽视角模式显示效果图Fig.7 Picture performance in WVA mode of Sample B

(a)宽视角模式(a)WVA mode

4 结 论

本文提出一种基于LCD阵列基板制作微型结构实现宽窄视角切换的液晶显示技术，介绍了其结构、工作原理及样品制备。基于最优的模拟结果，通过结合光从背光侧出射经过光栅结构与微型棱镜结构，调整调光液晶盒的电压，可改变液晶显示视角大小，达到宽视角与窄视角切换的较佳效果。实验结果表明：通过控制LCD微型结构蚀刻深度及角度可对光进行有效调整。当微结构纵向深度为572.4 nm，角度为59.98°时，在窄视角模式下，视角大于45°后显示屏显示内容基本达可以到个人隐私防窥；宽视角模式具备与业界FFS模式同等的广视角的全视角显示特性，同时中心对比度水准可达1 500以上，上下左右视角均可达85°。本文研究的视角可控技术，不牺牲开口率与显示品质，视角模式可灵活切换，在笔记本电脑防窥显示技术的发展方面具有重要意义。