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

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

0 前言

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。

1 ADS模式TFT-LCD的結(jié)構(gòu)及控制方式

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。

2 液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)取向力

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

3 ADS模式TFT-LCD的面板極性變換

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

4 結(jié)語(yǔ)

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。