合肥京東方顯示技術(shù)有限公司 劉同海 高章飛 孫國(guó)防 韓海濱
ADS模式TFT-LCD的顯示原理研究
合肥京東方顯示技術(shù)有限公司 劉同海 高章飛 孫國(guó)防 韓海濱
本文綜述了ADS模式TFT-LCD的結(jié)構(gòu)以及光線透過(guò)過(guò)程,對(duì)正、負(fù)極性場(chǎng)中的分子取向做了詳細(xì)闡述,并對(duì)ADS模式TFT-LCD的極性變換方式進(jìn)行了說(shuō)明,同時(shí)對(duì)大尺寸面板上廣泛采用的Column inversion的省電方面進(jìn)行了分析。
ADS;邊緣電場(chǎng);分子取向;極性變換
TFT-LCD作為顯示領(lǐng)域最為重要的一部分,其顯示技術(shù)按照顯示原理可分為TN模式、IPS模式和VA模式[1],IPS技術(shù)又逐漸衍生出高級(jí)超維場(chǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)(Advanced Super Dimension Switch,簡(jiǎn)稱ADS技術(shù))。ADS模式TFT-LCD技術(shù)占據(jù)了當(dāng)前很大的市場(chǎng)份額[2,3],在應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,對(duì)其研究多集中于生產(chǎn)問(wèn)題的改善和良率的提升[4-7],多數(shù)廠商的工藝技術(shù)均大同小異,但是對(duì)于其顯示原理的分析未在學(xué)術(shù)期刊上有所報(bào)道,故本文針對(duì)ADS模式TFT-LCD的顯示原理進(jìn)行闡述,便于行業(yè)內(nèi)更好的研討交流。
如圖1所示,為ADS模式TFT-LCD的基本結(jié)構(gòu)示意圖,同其他TFT-LCD模式類似,均是由兩塊液晶玻璃中間夾著液晶的“三明治”結(jié)構(gòu),CF側(cè)上方和TFT側(cè)下方分別為一層偏光片,用來(lái)控制光線的傳播方向。TFT側(cè)玻璃基板上方為一層common電極,與TFT保護(hù)層上的顯示電極形成電場(chǎng)用以驅(qū)動(dòng)液晶旋轉(zhuǎn)。圖1中的9,10,11,12共同組成了TFT開(kāi)關(guān),控制電場(chǎng)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)。過(guò)孔Via Hole穿過(guò)TFT保護(hù)層使TFT和顯示電極連接進(jìn)行通電。ADS模式TFT-LCD與IPS模式TFT-LCD結(jié)構(gòu)的最大不同之處在于common電極和顯示電極的位置不同,IPS類的common電極和顯示電極在同一層,只存在平行于玻璃基板的水平方向上的Ey電場(chǎng)。ADS模式產(chǎn)品的common電極和顯示電極不在同一層,除了水平方向的Ey電場(chǎng),還在顯示電極邊緣附近分布著較強(qiáng)的垂直于基板玻璃的垂直電場(chǎng)Ez。

圖1 ADS模式TFT-LCD結(jié)構(gòu)圖
同IPS模式TFT-LCD一樣,在TFT關(guān)態(tài)下ADS模式TFT-LCD黑態(tài)顯示。處于開(kāi)態(tài)時(shí),垂直電場(chǎng)Ez可使液晶分子的偏轉(zhuǎn)程度加大,在顯示電極的邊緣可實(shí)現(xiàn)有效的光透過(guò),增加像素的開(kāi)口率,還可以提升整個(gè)顯示器的透過(guò)率[1]。當(dāng)一束發(fā)散的背光從TFT側(cè)基板照射過(guò)來(lái)后,下層偏光片過(guò)濾垂直偏光軸方向的光,只允許平行偏光軸的光透過(guò),自然光變成直線偏振光。該部分的光經(jīng)過(guò)下側(cè)TFT基板抵達(dá)液晶層,ADS模式TFT-LCD的開(kāi)口率更大,導(dǎo)致抵達(dá)液晶層的光照強(qiáng)度更強(qiáng)。液晶分子通過(guò)偏轉(zhuǎn)改變線偏振光的方向,垂直電場(chǎng)Ez使光線的透過(guò)率更強(qiáng),穿過(guò)液晶層到達(dá)上側(cè)的彩膜CF基板時(shí),在彩膜的作用下對(duì)光進(jìn)行施加顏色,使透過(guò)的光呈現(xiàn)五顏六色。該部分光線抵達(dá)上偏光片時(shí),平行上偏光軸的光線被射出。
在TFT-LCD的顯示過(guò)程中最主要就是通過(guò)控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)控制光線經(jīng)過(guò)液晶層的透過(guò)率,而液晶分子的偏轉(zhuǎn)來(lái)源于取向力的作用。
液晶分子在電場(chǎng)中所受的力矩如下所示[1]。


圖2 正極性電場(chǎng)示意圖
由于液晶分子具有較強(qiáng)的共軛效應(yīng)[1],當(dāng)液晶分子處于圖2所示的電場(chǎng)中時(shí),液晶分子中的電子云密度發(fā)生改變,正負(fù)電荷分別在液晶分子的兩端聚集,電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)過(guò)程中液晶分子的取向力開(kāi)始增加,當(dāng)克服液晶分子的彈性以后開(kāi)始發(fā)生偏轉(zhuǎn),液晶分子的負(fù)電荷聚集于電場(chǎng)線起始端,正電荷聚集于電場(chǎng)線指向端。如圖3所示。

圖3 正極性電場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)示意圖
在負(fù)極性狀態(tài)下電場(chǎng)線方向從common電極指向顯示電極,如圖4所示。

圖4 負(fù)極性電場(chǎng)示意圖
液晶分子上的電荷聚集方向與正極性場(chǎng)相反,所處的電場(chǎng)方向相反,在兩次相反作用下液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向相同,負(fù)極性電場(chǎng)下液晶分子偏轉(zhuǎn)示意圖如圖5所示。在正極性與負(fù)極性場(chǎng)中,只要電場(chǎng)的大小相同,液晶分子的偏轉(zhuǎn)程度就一樣,區(qū)別在于液晶分子上的正負(fù)電荷聚集方向相反。

圖5 負(fù)極性電場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)示意圖
液晶分子在電場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),當(dāng)TFT關(guān)閉,common電極和顯示電極不再施加電壓時(shí),此時(shí)的電場(chǎng)作用就會(huì)消失。液晶分子在電場(chǎng)作用下發(fā)生取向時(shí),本身具有一個(gè)使取向變化消除的彈性力[1],在去除電壓狀態(tài)下液晶分子會(huì)恢復(fù)成開(kāi)始的未取向狀態(tài),如圖6所示。在長(zhǎng)時(shí)間保持同一極性電場(chǎng)情況下,液晶分子的彈性力會(huì)受到影響,在去除電壓后液晶分子返回不到最開(kāi)始的未取向狀態(tài),同時(shí)在液晶分子上電子云密度也會(huì)發(fā)生變化,正負(fù)電荷發(fā)生累積形成內(nèi)部電場(chǎng)引起“直流殘留”,從而導(dǎo)致顯示畫面的殘像現(xiàn)象發(fā)生[8]。

圖6 正極性電場(chǎng)下液晶分子復(fù)原圖
液晶分子在不同極性電場(chǎng)下的取向方向和程度一致,在長(zhǎng)時(shí)間保持同一極性電場(chǎng)下則無(wú)法恢復(fù)到最開(kāi)始的取向狀態(tài),故在整個(gè)顯示屏的設(shè)計(jì)中需要將液晶分子所處的極性電場(chǎng)來(lái)回切換來(lái)完成顯示畫面的顯示。在ADS模式TFT-LCD的面板的應(yīng)用中,大尺寸TV類所占比例最大,這類產(chǎn)品在畫面品質(zhì)滿足要求的情況下節(jié)能作為設(shè)計(jì)的第一要求。如圖7所示為Column inversion的變換示意圖,同一行的像素點(diǎn)極性不同,同一列的像素點(diǎn)極性相同。

圖7 Column inversion
在common電極電壓固定的情況下,顯示電極由source driver自上而下進(jìn)行充電,由于同一列極性相同,source driver的電壓數(shù)值無(wú)需大的變化,在Row inversion或Dot inversion中自上而下的像素點(diǎn)極性交替變化,source driver的電壓數(shù)值需一次比common電壓高一次比common電壓低,這種變化會(huì)導(dǎo)致耗電量的增加,如圖8所示。

圖8 單列顯示電極電壓變化圖
ADS模式TFT-LCD的開(kāi)口率較大,具有較高的透過(guò)率;正負(fù)極性場(chǎng)下取向力方向相同,偏轉(zhuǎn)方向相同;采用相對(duì)省電的Column inversion,在大尺寸顯示器上的市場(chǎng)上應(yīng)用廣闊。
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劉同海(1991—),男,安徽合肥人,碩士研究生,中級(jí)工程師,現(xiàn)就職于合肥京東方顯示技術(shù)有限公司。