ADS模式TFT-LCD的顯示原理研究

合肥京東方顯示技術有限公司 劉同海 高章飛 孫國防 韓海濱

ADS模式TFT-LCD的顯示原理研究

合肥京東方顯示技術有限公司 劉同海 高章飛 孫國防 韓海濱

本文綜述了ADS模式TFT-LCD的結構以及光線透過過程，對正、負極性場中的分子取向做了詳細闡述，并對ADS模式TFT-LCD的極性變換方式進行了說明，同時對大尺寸面板上廣泛采用的Column inversion的省電方面進行了分析。

ADS；邊緣電場；分子取向；極性變換

0 前言

TFT-LCD作為顯示領域最為重要的一部分，其顯示技術按照顯示原理可分為TN模式、IPS模式和VA模式[1]，IPS技術又逐漸衍生出高級超維場轉換技術（Advanced Super Dimension Switch，簡稱ADS技術）。ADS模式TFT-LCD技術占據了當前很大的市場份額[2,3]，在應用領域十分廣泛，對其研究多集中于生產問題的改善和良率的提升[4-7]，多數廠商的工藝技術均大同小異，但是對于其顯示原理的分析未在學術期刊上有所報道，故本文針對ADS模式TFT-LCD的顯示原理進行闡述，便于行業內更好的研討交流。

1 ADS模式TFT-LCD的結構及控制方式

如圖1所示，為ADS模式TFT-LCD的基本結構示意圖，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”結構，CF側上方和TFT側下方分別為一層偏光片，用來控制光線的傳播方向。TFT側玻璃基板上方為一層common電極，與TFT保護層上的顯示電極形成電場用以驅動液晶旋轉。圖1中的9,10,11,12共同組成了TFT開關，控制電場的開、關狀態。過孔Via Hole穿過TFT保護層使TFT和顯示電極連接進行通電。ADS模式TFT-LCD與IPS模式TFT-LCD結構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。ADS模式產品的common電極和顯示電極不在同一層，除了水平方向的Ey電場，還在顯示電極邊緣附近分布著較強的垂直于基板玻璃的垂直電場Ez。

圖1 ADS模式TFT-LCD結構圖

同IPS模式TFT-LCD一樣，在TFT關態下ADS模式TFT-LCD黑態顯示。處于開態時，垂直電場Ez可使液晶分子的偏轉程度加大，在顯示電極的邊緣可實現有效的光透過，增加像素的開口率，還可以提升整個顯示器的透過率[1]。當一束發散的背光從TFT側基板照射過來后，下層偏光片過濾垂直偏光軸方向的光，只允許平行偏光軸的光透過，自然光變成直線偏振光。該部分的光經過下側TFT基板抵達液晶層，ADS模式TFT-LCD的開口率更大，導致抵達液晶層的光照強度更強。液晶分子通過偏轉改變線偏振光的方向，垂直電場Ez使光線的透過率更強，穿過液晶層到達上側的彩膜CF基板時，在彩膜的作用下對光進行施加顏色，使透過的光呈現五顏六色。該部分光線抵達上偏光片時，平行上偏光軸的光線被射出。

在TFT-LCD的顯示過程中最主要就是通過控制液晶分子的偏轉控制光線經過液晶層的透過率，而液晶分子的偏轉來源于取向力的作用。

2 液晶分子的轉動取向力

液晶分子在電場中所受的力矩如下所示[1]。

圖2 正極性電場示意圖

由于液晶分子具有較強的共軛效應[1]，當液晶分子處于圖2所示的電場中時，液晶分子中的電子云密度發生改變，正負電荷分別在液晶分子的兩端聚集，電場強度增強過程中液晶分子的取向力開始增加，當克服液晶分子的彈性以后開始發生偏轉，液晶分子的負電荷聚集于電場線起始端，正電荷聚集于電場線指向端。如圖3所示。

圖3 正極性電場下偏轉示意圖

在負極性狀態下電場線方向從common電極指向顯示電極，如圖4所示。

圖4 負極性電場示意圖

液晶分子上的電荷聚集方向與正極性場相反，所處的電場方向相反，在兩次相反作用下液晶分子的偏轉方向相同，負極性電場下液晶分子偏轉示意圖如圖5所示。在正極性與負極性場中，只要電場的大小相同，液晶分子的偏轉程度就一樣，區別在于液晶分子上的正負電荷聚集方向相反。

圖5 負極性電場下偏轉示意圖

液晶分子在電場作用下發生偏轉，當TFT關閉，common電極和顯示電極不再施加電壓時，此時的電場作用就會消失。液晶分子在電場作用下發生取向時，本身具有一個使取向變化消除的彈性力[1]，在去除電壓狀態下液晶分子會恢復成開始的未取向狀態，如圖6所示。在長時間保持同一極性電場情況下，液晶分子的彈性力會受到影響，在去除電壓后液晶分子返回不到最開始的未取向狀態，同時在液晶分子上電子云密度也會發生變化，正負電荷發生累積形成內部電場引起“直流殘留”，從而導致顯示畫面的殘像現象發生[8]。

圖6 正極性電場下液晶分子復原圖

3 ADS模式TFT-LCD的面板極性變換

液晶分子在不同極性電場下的取向方向和程度一致，在長時間保持同一極性電場下則無法恢復到最開始的取向狀態，故在整個顯示屏的設計中需要將液晶分子所處的極性電場來回切換來完成顯示畫面的顯示。在ADS模式TFT-LCD的面板的應用中，大尺寸TV類所占比例最大，這類產品在畫面品質滿足要求的情況下節能作為設計的第一要求。如圖7所示為Column inversion的變換示意圖，同一行的像素點極性不同，同一列的像素點極性相同。

圖7 Column inversion

在common電極電壓固定的情況下，顯示電極由source driver自上而下進行充電，由于同一列極性相同，source driver的電壓數值無需大的變化，在Row inversion或Dot inversion中自上而下的像素點極性交替變化，source driver的電壓數值需一次比common電壓高一次比common電壓低，這種變化會導致耗電量的增加，如圖8所示。

圖8 單列顯示電極電壓變化圖

4 結語

ADS模式TFT-LCD的開口率較大，具有較高的透過率；正負極性場下取向力方向相同，偏轉方向相同；采用相對省電的Column inversion，在大尺寸顯示器上的市場上應用廣闊。

[1]馬群剛．TFT-LCD原理與設計[M]．電子工業出版社,2011．

[2]蘇亮．出貨量全球第2、同比增速全球第一：BOE(京東方)大尺寸面板何以逆勢上揚[J]．家用電器,2016(8)：50-50．

[3]賀然．84英寸點燃大屏幕液晶電視市場之戰[J]．電器,2013(1)：32-33．

[4]徐利燕,喻娟,劉冬,等．光照對ADS模式TFT-LCD Flicker漂移的影響[J]．液晶與顯示,2016,31(5)：454-459．

[5]喻娟,劉冬,徐利燕,等．基于單色光下ADS模式TFT-LCD閃爍漂移的對比研究[J]．液晶與顯示,2016,31(5)：449-453．

[6]栗鵬,樸正淏,金熙哲,等．ADS模式低存儲電容像素設計[J]．液晶與顯示,2017,32(1)：19-22．

[7]桑勝光,車曉盼,王嘉黎,等．高PPI ADS產品白Mura不良產生原理及改善研究[J]．液晶與顯示,2016,31(5)：435-441．

[8]戴亞翔．TFT LCD面板的驅動與設計[M]．清華大學出版社,2008．

劉同海（1991—），男，安徽合肥人，碩士研究生，中級工程師，現就職于合肥京東方顯示技術有限公司。