OGS触控显示模组一体黑技术研究

张 卫，王庆浦，徐佳伟，曾 琴，谢涛峰，郭总杰

(合肥鑫晟光电科技有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引 言

目前市场上触控屏的应用领域越来越广，在手机、平板电脑、笔记本电脑，触控一体机、电子白板、医疗事业、车载等方面均有应用。触摸屏技术的迅速发展使得市场上对其要求越来越高，如何从外观、质量、技术细节等各方面来吸引消费者，提高用户体验也是每个触摸屏企业追求的目标。随着质量、价格的竞争日益激烈，越来越多的厂家越来越重视触摸屏细节、结构的新颖设计，因为从细节、创新结构方面着手往往能提高产品竞争力，在市场上站稳脚跟[1]。当前大部分触摸屏产品(Touch Panel，TP)与液晶显示模组(Liquid Crystal Module, LCM)贴合后，可视区和黑色光组(Black Matrix,BM)区会出现明显的色差，整体外观看起来不美观，难以起到冲击性的视觉效果，虽然全贴合(Direct Bonding)较框贴(Air Bonding)已有明显改善，但仍然无法满足市场上消费者的外观需求，于是一体黑的概念被提出。

一体黑是指触控显示模组(Touch Panel LCD Module,TLCM)在关机状态下，边缘BM区与可视区的色差小到人眼无法区分，全屏显示为黑色。目前针对一体黑部分，也陆续有客户提出需求，行业内大部分采用对CG (Cover Glass，CG)调整油墨颜色的方式对应[2]，但是黑化的程度不够，同时针对OGS(One Glass Soulution)触控模组部分尚未找到很好的方案对应，单一改变BM材料色差来匹配黑色效果不理想，另外针对OGS,为改善消影基本上只使用一层IM或者一层SiOxNy，对消影确实有改善，但对改善黑色光阻区与可视区颜色对比度效果不明显，本文通过改变设计和工艺，提出双IM层，减少BM区与可视区色偏差异，达到一体黑的效果。

2 一体黑光学实现分析

ITO透明导电薄膜是电容触摸屏的核心部分，它是具有一定吸收特性的高折射率介质[3]，这层介质影响可视区的光学特性，导致可视区颜色不呈中性，一般处理方法是利用其他介质制作ITO的匹配层，以此改善可视区的色偏情况；消影增透膜是用来解决色差和提高透过率的主要手段，其一般由高、低折射率透明介质匹配组成，比如高折射率材料为Nb2O5或者SiOxNy，低折射率材料为SiO2或者MaF2薄膜等[3]。综合设计和生产等各种因素的考虑，选择SiO2/Nb2O5/SiOxNy三种消影材料与ITO匹配使用，以达到降低色偏的目的。

图1为TLCM的光学反射原理示意图， 其由BM区和可视区组成；它的中间区域是可视区，入射光A需要透射5层介质Glass-IM(Nb2O5/SiO2)-ITO-SiOxNy-光学透明胶，再经过LCD的表面反射，按相反的顺序从5层介质透射出变成出射光A1；黑色BM在TLCM的四周区域，入射光A需要透射玻璃，经过BM反射后再透射出玻璃变成出射光A2。由色度学原理可知，颜色是不同波长的光波作用于人的视觉系统后所产生的效果[5]，因此若要满足TLCM的一体黑，出射光A1和A2的波段成分必须相近，从而人眼对光波A1和A2响应的颜色一致，且无法区分。下面将从色差角度说明实现一体黑的理论基础。

色差是指用来表征两个颜色的相互差异程度，目前使用最广泛的标准色空间是CIE1976LAB，此标准评价色差数值与人眼视觉感受具有一致性[5-6]；色差的计算公式为规范评价色差的数学模型，在CIE1976LAB标准中色差ΔE计算公式为：

ΔE= [(ΔL)2+ (ΔA)2+ (ΔB)2]1/2，

(1)

式中:ΔE的单位是NBS，ΔL，ΔA，ΔB是指两种颜色的L、A、B差值，由式(2)～(4)计算：

ΔL=L1-L2，

(2)

ΔA=A1-A2，

(3)

ΔB=B1-B2，

(4)

根据色差公式和光学原理示意图，能够发现影响TLCM一体黑的因素有OGS的4层介质、光学透明胶以及LCD与BM的色差。经过测试BM区、LCD(HADS型)以及TLCM可视区的LAB值，计算出BM与LCD的色差在1 NBS以内，而BM与TLCM的可视区色差大于3 NBS；由于光学透明胶是无色透明介质，对可视区颜色无影响，因此OGS的4层介质对TLCM一体黑影响最大。分析BM、LCD、TLCM和OGS单体的色度值，发现OGS单体的A值和B值与BM差值大，造成TLCM的可视区与BM色差大；因此若要实现TLCM一体黑效果，需要调控4层介质Glass-IM-ITO-SiOxNy的A或B值趋近于0。

为了找出Glass-IM-ITO-SiOxNy的最佳匹配膜层厚度，利用光学模拟软件TFCalc进行膜层设计，分别在ITO厚度为45 nm、90 nm和120 nm时，模拟不同IM和SiOxNy膜层厚度对OGS色度值影响[4]，探索出透射和反射|A|值和|B|值接近于0的膜层设计，再进行试验验证，最后利用光学设备测试找出贴合后的最佳一体黑效果。

图1 一体黑原理示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated black

3 实 验

本论文涉及的实验和测试均在6代OGS生产线进行。实验室根据前述一体黑实现方法分析，先选取一款HADS型的LCD，且表面颜色和BM区颜色接近，通过模拟找出OGS单体A值和B值趋近于0的匹配膜层设计值，以不同ITO厚度为条件分阶段进行验证，每阶段验证不同厚度的IM和SiOxNy对OGS色度值的影响，并测试TLCM的色差，找出每阶段的最佳一体黑样品。

3.1 ITO厚度45 nm TLCM一体黑验证

表1和表2是ITO厚度为45 nm时的不同TLCM样品反射LAB测试结果及其对应不同膜层的厚度，从表1看出黑色光阻区与可视区最小色差为0.97，几乎低于人眼识别色差阈值(约1 NBS)[4-5]，一体黑光学效果明显；结合表1和表2能够发现以下现象：(1)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情况下，SiOxNy厚度90 nm的样品色差总体比SiOxNy厚度60 nm和70 nm的大；(2)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情况下，Nb2O5厚度10 nm的样品色差总体比厚度8 nm和9 nm的大，参考此规律样品制作时，要将SiOxNy膜层厚度朝工艺下限生产，Nb2O5厚度朝工艺上限制作。

表1 ITO厚度45 nm时的不同TLCM样品测试结果

Tab.1 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 45 nm

样品序号反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.440.19-2.706.012.40229.060.07-2.165.931.84328.77-0.06-2.085.871.80429.34-0.29-2.566.072.22531.08-0.490.036.911.93630.63-0.650.296.601.62730.30-0.430.106.401.21830.46-0.50-0.496.511.29930.17-0.31-0.216.440.971030.17-0.32-0.446.360.98

表2 ITO厚度45 nm时的不同TLCM样品对应膜层厚度

Tab.2 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 45 nm

样品序号Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1840902940903104090493090583060693060710306088307099307010103070

图2是ITO厚度为45 nm 时OGS单体反射LAB的实测值和模拟值比对情况，从图中看出反射率R值实测和模拟接近，反射L、A和B部分值有差别，但值接近且趋势具有一致性，说明模拟结果具有一定参考性。

图2 ITO厚度45 nm时OGS单体模拟和实测反射LAB值情况。(a)L值；(b)A值；(c)B值；(d)R值。Fig.2 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 45 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.

3.2 ITO厚度90 nm TLCM一体黑验证

表3和表4是ITO厚度90 nm时的不同TLCM样品反射LAB测试结果及其对应不同膜层的厚度，从表1看出黑色光阻区与可视区最小色差为1.07，人眼色彩感觉差别轻微，属于小色差；结合表3和表4能够发现以下现象：(1)随着SiO2厚度的变大，色差逐渐变大；(2)在相同的Nb2O5和SiO2厚度情况下，SiOxNy厚度90 nm的样品色差总体比厚度50 nm的大。

表3 ITO厚度90 nm时的不同TLCM样品测试结果

Tab.3 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 90 nm

样品序号反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差130.81-1.56-0.066.681.97229.370.85-3.296.023.33

续 表

表4 ITO厚度90 nm时的不同TLCM样品对应膜层厚度

Tab.4 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 90 nm

样品序号Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm1920902930903940904950905830906103090792050

续 表

图3是ITO厚度为90 nm 时OGS单体反射LAB的实测值和模拟值比对情况，从图中看出反射L值和A值实测和模拟接近，反射B和反射率R部分值接近但趋势具有一致性。

图3 ITO厚度90nm时OGS单体模拟和实测反射LAB值情况。(a)L值；(b)A值；(c)B值；(d)R值。Fig.3 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was 90 nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.

3.3 ITO厚度120 nm TLCM一体黑验证

表5和表6是ITO厚度120 nm时的不同TLCM样品反射LAB测试结果及其对应不同膜层的厚度，从表1看出黑色光阻区与可视区最小色差为0.63，人眼感觉差别轻微；结合表5和表6能够发现以下现象：(1)在相同的SiOxNy和SiO2厚度情况下，Nb2O5厚度8 nm的样品色差比厚度9 nm和10 nm时的小。

表5 ITO厚度120 nm时的不同TLCM样品测试情况

Tab.5 Test results of different TLCM samples when ITO thickness is 120 nm

样品序号反射L反射A反射B反射率@550nm/%色差129.370.40-1.756.171.43229.400.90-3.086.082.84328.951.04-2.865.842.72429.36-0.43-0.926.070.63528.940.02-2.215.921.85628.870.30-3.025.782.67729.370.32-2.595.952.22828.80-0.23-1.265.901.01

表6 ITO厚度120 nm时的不同TLCM样品对应膜层厚度

Tab.6 Different film thickness of TLCM samples when ITO thickness is 120 nm

样品序号Nb2O5厚度/nmSiO2厚度/nmSiOxNy厚度/nm18309029309031030904830805930806103080783050883070

图4 ITO厚度120nm时OGS单体模拟和实测反射LAB值情况。(a)L值；(b)A值；(c)B值；(d)R值。Fig.4 OGS simulated and measured reflectance LAB values when the ITO thickness was120nm. (a)L value; (b)A value; (c)B value; (d)R value.

图4是ITO厚度为120 nm 时OGS单体反射LAB的实测值和模拟值比对情况，从图中看出反射L值、A值、B值和反射率R值实测和模拟趋势具有一致性，部分值与模拟值有差异，可能与模型准确性和测试误差有关。

4 结果与讨论

经过设备测试和人眼判级找到最佳一体黑样品如图5所示，通过比对图可以发现两者的差异，一体黑样品几乎区分不了样品的可视区和BM区，测试色差值为0.63；常规样品可视区和BM区色差为3.72，人眼能够明显识别，其可视区显蓝白色；说明通过使用双IM层，使得可视区与BM区的色差降低，进而达到一体黑效果。

图5 一体黑样品与常规产品效果比对图Fig.5 Comparison of integrated black sample with the conventional product

上述3次实验在不同ITO厚度下，改变Nb2O5、SiO2和SiOxNy的厚度探索最佳一体黑条件，通过分析数据发现，3种膜层对样品的色差影响程度各不相同。图6(a)是色差与SiOxNy厚度变化的关系曲线，可以发现不同的ITO膜层厚度下，SiOxNy厚度变化引起的色差变化趋势基本一致，在SiOxNy厚度大于90 nm后，色差变化非常敏感；图6(b)是色差与SiO2厚度变化的关系曲线，两者几乎成指数变化的关系，因此SiO2的厚度最好控制在30 nm以内；图6(c)是色差与Nb2O5厚度的关系曲线，在不同ITO厚度下，Nb2O5厚度在10 nm以内变化引起的色差变化趋势不同，但对色差影响程度相对较小。

图6 色差与3种消影膜层的关系曲线。(a)色差与Nb2O5厚度变化差系；(b)色差与SiO2厚度变化差系；(c)色差与SiOxNy厚度变化差系。Fig.6 Relationship between chromatic aberration and three kinds of films. (a)Color difference value varies with Nb2O5 thickness; (b)Color difference value varies with SiO2 thickness; (c)Color difference value varies with SiOxNy thickness.

5 结 论

本文根据触控显示模组的结构，分析了影响TLCM的VA区色度的主要因素，研究不同膜层对产品的VA区和BM区色差影响程度。结果表明：使用双IM层能够实现产品的一体黑，而单IM层则无法实现；结合设备测试和人眼判级的结果，最佳一体黑样品的色差为0.63；同时发现SiO2和SiOxNy超过一定厚度时，对色差影响大，实际生产时需要控制两种膜层的制程能力向下限偏。