LCD、POL基础知识及检验方法

LCD/POL 物料特性和检验方法
1. 偏光片结构以及特性 a) 偏光片的基本结构 偏光片是一种由多层高分子 材料复合而成的具有产生偏振光 功能的光学薄膜，按其在液晶屏 的使用位置不同，大体上可分为 面片（又称透过片）和底片两种 （又称反射片） ，右图是典型 TN 型偏光片的面片结构示意图： PVA 膜（偏光层） ：是由 PVA（聚乙烯醇）薄膜经染色拉伸后制成，该 层是偏光片的主要部分，也称偏光原膜，该膜将非偏极光（一般光线）过滤 成偏极光。偏光层决定了偏光片的偏光性能、透过率，同时也是影响偏光片 色调和光学耐久性的主要部分。偏光层的基本加工工艺按染色方法可分为染 料系和碘系两大系列，按拉伸工艺可分为干法拉伸和湿法拉伸两大系列，改 变其材料和加工工艺可实现对偏光度、透过率、色调和光学耐久性的调整。 偏光膜 PVA 作为一种使用延伸方法制成的产品， 具有以下一些独特的特 性： 光线选择性：选择通过偏振方向与延伸方向一致的光线通过； 温度、湿度敏感性：吸潮或加温后，被拉伸的成线性的分子链将会自动 还原回团状的分子链，失去光线选择性。 脆弱性：很容易在外力的作用下失去光线选择性。 TAC 层：由 PVA 膜制成的偏光层易吸水、褪色而丧失偏光性能，因此 需要在其两边用一层光学均匀性和透明性良好的 TAC（三醋酸纤维素酯）膜 来隔绝水分和空气，保护偏光层。采用具有紫外隔离（UV CUT）和防眩 （Anti-Glare）功能的 TAC 膜可制成防紫外型偏光片和防眩型偏光片。 感压胶（adhesive） ：可分为反射膜侧粘着剂和剥离膜侧粘着剂。反射 膜侧粘着剂的作用是将反射膜牢固地粘合在 TAC 膜上，其工艺要求不允许 有再剥离性。剥离膜侧粘着剂是一层压敏胶，它决定了偏光片的粘着性能及 贴片加工性能，其性能优劣是 LCD 偏光片使用者最为关心的问题之一。 离型膜（separate film） ：为单侧涂布硅涂层的 PET（对苯二甲酸乙二 醇酯）膜，主要起保护压敏胶层的作用，同时其剥离力的大小对 LCD 贴片 时的作业性有一定影响。 保护膜（protective film） ：为单侧涂布 EVA 层（乙烯醋酸乙烯共聚物） 的 PE（聚乙烯）膜，具有低粘性，起保护 TAC 膜表面的作用。 此外，在反射型的底片偏光片还有一层反射膜： 反射膜（reflective film） ：为单侧蒸铝的 PET 膜，目前大多使用无指向
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反射型蒸铝膜。 如将反射膜更换为半透半反膜， 则可制成半透半反型偏光片， 此外也可使用各种镀金、镀银膜、镭射膜作为反射膜，以获得各种底色和镜 面反射等效果。 使用的压敏胶为耐高温防潮压敏胶， 并对 PVA 进行特殊浸胶处理 （染料 系列产品） ，所制成的偏光片即为宽温类型偏光片；在使用的压敏胶中加入 阻止紫外线通过的成份，则可制成防紫外线偏光片；在透射原片上再复合上 双折射光学补偿膜，则可制成 STN 用偏光片；在透射原片上再复合上光线转 向膜，则可制成宽视角偏光片或窄视角偏光片；对使用的压敏胶、PVA 膜或 TAC 膜着色，即为彩色偏光片。实际上随着新型的液晶显示器产品不断开发 出来，偏光片的类型也愈来愈多。 b) 偏光片的基本原理 当非偏极光通过 a 方向 的偏光片时， 光线被过滤成与 a 方向平行的线性偏极光。 上图：线性偏极光继续前 进， 通过第二片偏光片时， 光 线通过。
下图：通过第二片时，光 线被完全阻挡。
c) 偏光片的分类 按温度分为普通型偏光片、宽温型偏光片； 按透过率分为普通透射片、高透射片； 按底色分为灰白类偏光片、彩色偏光片； 按复合不同功能的光学膜分为全透射片、半透射半反射片、全反射片、 光学补偿片、视角控制片。
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d) 偏光片的主要性能指标 下图是一份偏光片 SPEC 中列出的主要性能指标参数。
其中重要的指标项目有： 1、 大片尺寸，包括长和宽。 2、 厚度，包括总厚度，胶层厚度，主要考虑的是总厚度。 3、 吸收轴方向。 4、 剥离力 偏光片的剥离力又分为保护膜剥离力、剥离膜剥离力、对 玻璃基板剥离力三项。 三种剥离力的测定均使用拉力实验机参照 JIS-C-2107 标准进行测定，其中保护膜剥离力和剥离膜剥离力的测定是沿 180°方向剥 离，而对玻璃基板则是沿 90°方向剥离。对 LCD 制造商而言，偏光片对玻璃 基板的剥离性能十分重要。如粘贴后短时间（4～6 小时）内剥离困难或剥 离后玻板上有残胶，则该偏光片返工性差，贴片不良会导致整块 LCD 屏报 废。但如果剥离力很小，则易造成偏光片在玻璃基板上贴合后压敏胶耐久性 和耐湿性能下降以及剥离膜表面凹陷等不良多发，从而影响偏光片的使用性 能。 5、 透过率（Transmittance） 偏光片的透过率指标可分为单体 （single） 、平行（Parallel） 、直交（Crossed）三项。通常使用积分球式分 光光度计依照 JIS-Z-8701 对其进行测定。其中，单体透过率指单片偏光片的 透过率，平行透过率（H 0）指两片吸光轴平行的偏光片叠加后的透过率， 直交透过率（H 90 ）指两片吸光轴直交的偏光片叠加后的透过率，在这三 项指标中 H 0 和 H 90 影响 LCD 屏的亮度（H 0）和对比度（H 0/H 90 ） ，
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对 LCD 制造商十分重要， 为了获得高亮度高对比度的良好显示效果， 希望 H 0 尽可能的高而 H 90 尽可能的小。 6、 偏光度（Polarizing Co-Efficiency） ，又称偏振效率。偏光度（ν） 是一个计算值， 用来表示偏光片产生偏振光的综合效率，该公式可变 换为 H 0/H 90 = （1+ν 2） / （1-ν 2） ， 可以看出， ν值越趋近 100%， 则对比度（H 0/H 90 ）越高 7、 色相（Hue）由 a、b 值来表示，通常使用积分球式分光光度计进行 测定。a、b 值为 CIE（国际照明委员会）Lab 表色系统中的色坐标值，一 组 a、b 值所对应的大致颜色可从色坐标图中查得。 8、 耐久性，偏光片的耐久性测试是将偏光片剥去剥离膜和保护膜后贴 合在玻璃基板上， 经加压脱泡后放入恒温恒湿箱中， 观察其实验前后的变化。 其中的发泡剥离指标主要是考核粘着剂的耐久性能，光学变化指标是考核 PVA 层的耐久性能。偏光片的耐久性要求应根据不同类型 LCD 产品的设计 要求（使用环境）而定。
2. LCD 的内部结构和显示原理 a) LCD 的内部结构，如下图所示：
b) LCD 的显示原理 以 TN 型为例，如右图，LCD 内部充 满 了 液晶 。 TFT-LCD 使 用的 液晶为 TN （Twist Nematic）型液晶，液晶分子呈 椭圆状。在没有电场的作用下，LCD 分子 长轴方向平行排列，而在靠近上下玻璃表 面的时候，则按照玻璃表面的配向槽的方 向排布。 因此， 液晶分子在 LCD 盒内呈螺 旋状排布，在两个表面间扭转了 90 度。
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如下图所示，当光线通过没有加电的 LCD 时，经过第一层偏光片变 成偏振光，偏振光在经过 LCD 内部时，受螺旋状排布的液晶分子影响， 偏振方向旋转 90 度，刚好与另一层的偏光片方向相同，光线顺利通过。
当 LCD 电极加电时，液晶分子的按照电场方向重新排布，不再呈螺 旋状，偏振光因此不再旋转，当到达第二片偏光片时，无法通过。
STN 型的显示原理与 TN 相类似。不同的是，TN 扭转式向列场效应 的液晶分子是将入射光旋转 90 度，而 STN 超扭转式向列场效应是将入 射光旋转 180~270 度。 必须在这里指出的是， 单纯的 TN 液晶显示器本身只有明暗两种情形 （或称黑白） ，并没有办法做到色彩的变化。而 STN 液晶显示器由于液 晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘 色为主。但如果在传统单色 STN 液晶显示器加上一彩色滤光片（color filter） ，并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素 （sub-pixel） ，分别通过彩色滤光片显示红、黄、蓝三原色，再经由三
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原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，TN 型的液晶显 示器显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由 STN 的 改良技术，亦可以在一定程度上弥补对比度不足的情况。 通过控制每一个子像素点的是否加电场以及所加电场的大小，即可 控制该像素点光通过量。再配合滤色片的作用，排列在一起的 R/G/B 三个子像素构成一个像素，三个子像素的不同光线混合成显示画面所 需的五颜六色。
3. LCD 的分类 a) 液晶显示器件在显示像素上可以分为段形和点阵形, 而点阵又可分为普 通矩陈和有源矩阵. 段形显示像素 段形显示像素是指显示像素为一长棒形，也叫笔段形，其中七段 显示是 最常见的一种。 普通点矩阵电极排布 点矩阵的构成是在液晶上下玻璃片内侧各出 X 方向，Y 方向的 ITO 电极， 在 X.Y 交叉处构成一个像素点 有源矩阵电极排布 普通点矩阵电极排布又叫无源矩阵， 制造工艺简易。在有源矩阵中，每 个像素都连结一个有源器件。矩阵和有源器件都在下玻璃上， 上玻璃只有 一个公用电极。
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b) 点阵式 LCD 分类
c) 我司常用 LCD 类型
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d) 常见 LCD 类型的结构组成
TN、HTN、STN 的结构：
FSTN、ECB-Multi-color STN 的结构：
Color STN 的结构：
4. LCD 的关键参数以及测试方法 光学参数 / Optical Specification 测试条件：在暗室进行，室温条件（25℃） ，待被测对象和测试仪器稳定后 （30mins 后） ，使用 BM-7 从距离被测 LCD 500mm 处进行测量，如下图：
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a) 透过率/transmittance 透过率的定义为：通过 LCD 之后的表面亮度/光源表面亮度*100% 我司测试所用光源一般即为对应的背光模组。 有加偏光片测试和不加偏光片测试两种方式，通常 TFT LCD 不加偏光片 透过率为 12%~14%，加偏光片测试约 5%~7% b) 对比度 / Contrast Ratio (CR) 对比度=全白状态表面亮度/全黑状态表面亮度
CR = White Luminance (ON) / Black Luminance (OFF)
一般 TFT LCD 的典型对比度值为 300~350，CSTN LCD 的对比度为 30 左右，而 FSTN 的对比度为 3~5 c) 响应时间 / Response Time LCD 的显示从黑态切换到白态以及从白态切换到黑态的时间，如下图所 示， 响应时间= Tr + Tf ：
响应时间与温度有一定关系，在正常室温下（25℃） ，一般 TFT LCD 的 响应时间为 30ms， CSTN LCD 和 FSTN LCD 为 300ms。随着温度降低， 响应时间会加长。 d) 视角 / Viewing Angle 视角的定义是基于一定大小的对比度的，一般我们选 10。 视角是指在此角度之内对比度值均大于 10 的一个角度。以垂直与 LCD 表面为 0 度，如下图所示：
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一般标注的为四个方向的视角，即 Φu，Φd，θl，θr。 如果把各个方向的视角表现在圆盘图上，则如下所示：
视角除了与 LCD 的特性有关之外，与搭配的偏光片也存在很大的关系， 偏光片能在较大的范围里影响视角的大小。 e) 视角方向 / Viewing Direction 根据定义的不同，视角的方向也不一样。我司定义的视角方向从使用者 角度出发，定义的是最佳可视方向，此方向与玻璃的最大对比度方向一 般刚好相反。例如玻璃的视角最大方向为 12：00 方向，则最佳可视方 向为 6:00 方向，也即视角方向。 f) 色度 / Color Coordiate 色度对 CSTN LCD 和 TFT LCD 而言，即分别测试红、绿、蓝以及白色画 面所得色坐标 Rx,Ry,Gx,Gy,Bx,By,Wx,Wy。 如下图所示为某款产品的色度坐标值
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g) 色饱和度 / Color Coordiate 色饱和度的表示是以世界视讯输出标准委员会（National Television Standards Committee：NTSC）所规定的三原色色域 面积为分母，该显示器三原色可显示的色域面积为分子去求百分比。如 下图所示，未标注数字的三个点围成的三角形区域为 NTSC 标准三原色 表示的范围，数字 1 标识的三个点为某 LCD 的 RGB 三点色坐标位置， 此三点围成的三角形为该 LCD 的色彩表现范围。
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机械参数 / Mechanical Specification LCD 相关的机械参数位置以及如下所示：
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以下为某款 LCD 的相关机械参数的取值（见下页，供参考）
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5. LCD 检验确认时需重点关注的项目 a) 机械尺寸 i. 测试方法：用直尺、千分尺、卡尺或显微镜测量待测 LCD 的长度、 宽度、厚度等。 ii. 判定标准：测量结果在供应商所提供的参数范围之内为合格。 b) 光学参数（透过率/对比度/视角/色度/色彩饱和度/相应时间等） i. 测试方法：依照前面所描述的光学参数的测试方法，使用 BM-7 或 专用光学仪器待测 LCD 的各种光学参数。 ii. 判定标准：测量结果在供应商所提供的参数范围之内为合格。 c) 显示效果（LCD 底色/均匀性/像素点一致性等） i. 测试方法：将 LCD 制成显示模组，放置在标准白光源上，目测 LCD 显示效果。 ii. 判定标准：根据我司的 LCM 质量检测标准判断 LCD 的显示效果是 否合格。 d) 电参数（LCD 工作电压/功耗） i. 测试方法：将 LCD 制成显示模组，放置在标准白光源上，调节显示 效果到最佳。使用万用表测量 LCD 的工作电压，工作电流。 ii. 判定标准：测量结果在供应商所提供的参数范围之内为合格。 e) 可靠性 i. 测试方法：制成 LCM 后参照如下我司测试标准：
ii.
判定标准：测试完成后 LCD 各项性能指标无异常。
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6. 偏光片的工厂自适应测试方法及判定标准： a) 尺寸: i. 测试方法：用直尺、千分尺或卡尺测量待测偏光片原片的长度、宽 度、厚度。 ii. 判定标准：测量结果在供应商所提供的参数范围之内为合格。 b) 光电性能: i. 测试方法：把偏光片贴在产品上与贴有现用同类偏光片的同一型号 产品一起测试比对其光电性能。 ii. 判定标准：测试样品 Voff 值与生产产品 Voff 值相当；测试样品对 比度大于生产产品对比度；测试样品底色与要求底色一致。 c) 可靠性: i. 测试方法：把待测偏光片贴在玻璃上与贴有同类偏光片的产品一起 测试比对其可靠性性能。 ii. 判定标准：经可靠性试验后光学及电学性能与可靠性测试结果与同 类偏光片结果相当，并在测试产品型号要求范围之内。 d) 粘贴、剥离性能： i. 测试方法：把待测偏光片贴在玻璃上，重复贴覆、剥离多次。 ii. 判定标准：可以重复贴覆、剥离三次以上，剥离三次后玻璃上没有 残胶，贴覆后结合稳固，按生产所设定参数消泡完全，通过高温高 湿试验。
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