負(fù)性液晶邊緣場切換模式的性能分析及優(yōu)化

李裕蓉,楊 磊,陳明陽,陳 鋼,王志軍

(1.中國人民解放軍63936部隊(duì)，北京 100093;2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 引 言

液晶顯示器因?yàn)槠淞己玫膱D像質(zhì)量和低成本，在市場上已經(jīng)完全取代了陰極射線管CRT顯示器。液晶顯示器主要有3種顯示模式：扭曲向列模式(TN型)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)(IPS)模式和垂直排列(VA)模式[1]。IPS模式由于液晶分子是通過平面旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)顯示，具有大視角和優(yōu)良的觸控體驗(yàn)，因此占據(jù)了液晶顯示市場最大的份額[2-3]。邊緣場切換(FFS)模式是從IPS模式下發(fā)展出來的顯示模式，工作原理是液晶在整層的公共電極和像素電極產(chǎn)生的電場下旋轉(zhuǎn)，因此與IPS模式相比具有更快的響應(yīng)速度和穿透率。對于FFS模式，既可以運(yùn)用正性液晶也可以采用負(fù)性液晶[4-10]。當(dāng)電極電壓達(dá)到飽和時，正性液晶分子沿著電場線方向快速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)像素電壓超過飽和電壓時，隨著驅(qū)動電壓的增加，穿透率快速下降[11-12]。因此采用負(fù)性液晶可以有效增加穿透率。負(fù)性液晶的粘滯系數(shù)較正性液晶大，導(dǎo)致響應(yīng)時間慢，且殘像IS穩(wěn)定性較正性液晶更差，因此市場上液晶顯示器用的大都是正性液晶。但是隨著人們對高分辨率、高亮度、低功耗的產(chǎn)品需求越來越強(qiáng)，而高分率正性液晶FFS產(chǎn)品的開口率減小，導(dǎo)致穿透率變小。為了提高穿透率，采用負(fù)性液晶很好地解決了這個問題。

本文對負(fù)性液晶FFS模式的像素設(shè)計進(jìn)行了研究。通過模擬和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了像素設(shè)計對負(fù)性FFS模式液晶顯示的光學(xué)特性影響。結(jié)果表明，像素間距(像素單元間距)、電極寬度和間距，以及電極的角度對負(fù)性液晶的驅(qū)動電壓、穿透率和響應(yīng)時間都有顯著的影響。通過優(yōu)化設(shè)計，最終在127 mm (5 in)FHD的產(chǎn)品上穿透率提升了18%，同時得到與正性液晶相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時間。下面將從這幾方面的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行具體的介紹和分析。

2 結(jié) 構(gòu)

從材料本身性能角度，配向膜與液晶材料的優(yōu)異匹配，有助于液晶面板內(nèi)部存儲的殘余電荷的釋放，利于影像殘留的改善，提升信賴性。由于正性液晶的阻抗較低，因此采用較低阻抗的PI能夠有利于存儲電荷的釋放，維持穩(wěn)定的電壓保持率。而負(fù)性液晶材料的極性大，阻抗更大，離子濃度含量高,且其穩(wěn)定性比正性液晶材料差,驅(qū)動的電壓更高。因此負(fù)性液晶材料比正性液晶材料更容易發(fā)生殘像。為了改善殘像和獲得高穿透的特性，本文使用的液晶材料為默克公司開發(fā)的負(fù)性液晶，其阻抗更高，約為1015Ω左右。為了獲得更加穩(wěn)定的信賴性，在試用了多款配向膜PI后,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PI阻抗越高，殘像和閃爍現(xiàn)象改善得越好，與我們前面的分析一致。因?yàn)樨?fù)性液晶的材料比正性液晶的敏感性更高，為了獲得更好的燒付結(jié)果，本文選用了多款負(fù)性液晶在不同的PI材料上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表1所示的液晶材料比其他PI的匹配性更好，能獲得更低的閃爍。這兩款液晶有相同的介電參數(shù)(Δε)，與LC-B相比，LC-A的粘滯系數(shù) (γ1)更低，光學(xué)各向異性(Δn)更低 。

表1 液晶材料參數(shù)Tab.1 Parameters of liquid crystal material

我們將實(shí)際配向膜PI材料的參數(shù)和工廠實(shí)際配向角度參數(shù)搭配同一款液晶進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PI的添加與參數(shù)的變化對于穿透率和響應(yīng)時間幾乎沒有影響，而本文目的是為了研究像素設(shè)計和材料對于穿透率和響應(yīng)時間的影響，因此模擬中我們沒有加入PI。本文中的模擬結(jié)果都是沒有PI的結(jié)果。但是實(shí)際的量測值為產(chǎn)品通過設(shè)備量測出的平均穿透率，且均是加上PI的。

液晶顯示器的穿透率與很多因素有關(guān)，如液晶效率、波長匹配性、彩膜的膜厚、偏光片、像素設(shè)計、電場結(jié)構(gòu)等。我們可以通過減小彩膜膜厚，采用高透的偏光片等方法來提高穿透率。但是這些方法都存在缺陷，如有的增加了成本，有的降低了色度，有的降低了對比度。因此像素設(shè)計是提升穿透率且綜合性能最優(yōu)的途徑。本文著重從像素設(shè)計方面討論性能的優(yōu)化。本文仿真的平均穿透率是在全波段下的模擬值，即波長范圍為0.38～0.78 μm，且采用固定的彩膜參數(shù)、背光參數(shù)，偏光片參數(shù)和液晶參數(shù)。為了更加貼近設(shè)計值，在后面的實(shí)測數(shù)據(jù)中，也是挑選出與理論像素設(shè)計值最接近的產(chǎn)品進(jìn)行量測分析。因此仿真和實(shí)測的相關(guān)性很高。

圖1為仿真結(jié)構(gòu)的俯視圖。仿真時我們選取的盒厚為3.4 μm,預(yù)傾角為0.06°。

圖1 仿真結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.1 Top view of the simulation structure

3 仿真分析

3.1 像素間距

目前為止，對于像素間距的研究比較少。我們通過仿真研究發(fā)現(xiàn)不同的像素間距對穿透率的影響很大。通過設(shè)置不同的像素間距可獲得最高的穿透率，我們還進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文中采用了廣泛使用的液晶模擬軟件Expert LCD進(jìn)行仿真研究。圖2為像素間距為9，10，10.5，11 μm時的穿透率，其中液晶為LC-A，像素間距和電極的寬度距離比(W/S)為0.7～0.735，電極傾斜角為5°，蟹角為35°。

圖2 不同像素間距下穿透率的仿真值Fig.2 Simulation values of transmittance under different pitch of pixel

雖然穿透率曲線有變動，仿真結(jié)果顯示像素間距確實(shí)對穿透率有影響。很明顯像素間距為10 μm左右時，穿透率達(dá)到最大值為4.91%。

我們仿真分析了為何10 μm為穿透率最大值。當(dāng)其他條件不變，像素間距為10 μm時，穿透率曲線積分值為最大，因此，此時的穿透率最大。通過這種方法可以找到穿透率最大時的像素間距。若像素間距繼續(xù)減小，電極周圍的電場影響相鄰的電極上液晶，導(dǎo)致混色。我們用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真和分析，將在下文中詳細(xì)討論。

3.2 電極傾斜角

FFS模式的LCD中，配向角對光學(xué)特性的影響已經(jīng)有了大量的研究和分析[13]。但是負(fù)性液晶FFS模式中傾斜角對光學(xué)特性的影響分析卻很少，尤其在高分辨率、低開口率的LCD產(chǎn)品中。事實(shí)上，在液晶光電特性中，傾斜角和配向角之間存在一定的關(guān)系。但是實(shí)際生產(chǎn)中，負(fù)性液晶的配向角從0°增加到10°，光學(xué)特性幾乎不變，因此本文我們只研究電極傾斜角的影響。圖3為不同電極傾斜角的穿透率的變化，此時像素間距為10 μm，電極寬度和間距比為0.73。從圖3可以發(fā)現(xiàn)隨著傾斜角增大，穿透率也逐漸增加。這是因?yàn)閮A斜角增大時，液晶的工作電壓增加，導(dǎo)致電場強(qiáng)度增大，因此穿透率增大。Lee等人詳細(xì)分析了正性液晶時配向角對光學(xué)特性的影響[13]。

圖3 不同電極傾斜角下的穿透率Fig.3 Transmittance of slit angle

3.3 寬度間距比

FFS模式的V-T(Voltage-transmittance) 特性對鈍化層SiNx的厚度和像素電極的線寬依存性很大。在一定的電場下，像素電極寬度越小，像素電極上的電場越強(qiáng)，像素的整體穿透率越高。但是，電極寬度越小，像素電極上的電場線的面積越小，電極間距超過一定的大小后，隨著電場強(qiáng)度的減小，穿透率也快速減小。電極寬度越寬，這種下降的趨勢越不明顯[14]。因此，我們針對這種性質(zhì)，將電極寬度和電極間距的比值(Width-space ratio，WSR)作為研究參考值。

圖4為不同WSR時穿透率的變化。WSR為0.59，0.66，0.74，0.83，0.93分別對應(yīng)條件3，4，5，6，7。從圖4中不難看出WSR為0.65～0.83時穿透率較高。

(a)不同像素間距下的穿透率(a) Transmittance under different pitch of pixel

4 實(shí)驗(yàn)測量

4.1 穿透率

我們開展了一系列的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證仿真分析。圖5是不同條件下穿透率的量測值。圖5(a)為不同像素間距時穿透率的量測值。從圖中可知實(shí)際量測值比仿真值有所偏高，但是屬于能接受的修正范圍。我們重點(diǎn)關(guān)注的是變化趨勢。實(shí)驗(yàn)量測發(fā)現(xiàn)像素間距為10 μm時,穿透率最高為5.65%。這個數(shù)值比相同條件下的正性液晶提高了18%。

圖5(b)為不同傾斜角下的實(shí)測穿透率變化。數(shù)據(jù)顯示量測變化與仿真相同，即傾斜角越大穿透率越高。

(a)不同像素間距下的穿透率(a) Transmittance under different pitch of pixel

圖5(c)為不同WSR下的穿透率仿真和實(shí)測值對比。可以看出仿真條件和實(shí)測條件基本相符。因此我們的仿真結(jié)果具有可參考價值。圖5(d)為不同WSR條件下的穿透率實(shí)測值。對比圖5(d)和圖4(b)可以看出，較高穿透率下的電極WSR仿真和實(shí)測是一致的，在條件3,4,5,6時即像素寬度間距比在0.6～0.83之間，可以獲得較高的穿透率。

4.2 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間一直是人們的關(guān)注的重點(diǎn)。負(fù)性液晶之所以一直沒有被人們廣泛使用就是因?yàn)槠漤憫?yīng)速度比正性慢。針對此問題，我們請液晶廠商提供了兩種不同表現(xiàn)特性的液晶。表1給出的兩種液晶，LC-B具有良好的可靠性，LC-A具備快速響應(yīng)。前面的像素設(shè)計一直用的是LC-B，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)LC-A其實(shí)具備更好的光學(xué)特性。但是LC-B比LC-A燒付結(jié)果更好，但是實(shí)測的響應(yīng)時間較慢。

圖6為實(shí)測響應(yīng)時間隨不同條件的變化。此時的盒厚均為3.4 μm。圖6(a)是液晶型號為LC-B，像素間距為10 μm，電極傾斜角選為5°，蟹角為35°時響應(yīng)時間隨WSR的變化。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)WSR對響應(yīng)時間幾乎沒有影響，實(shí)測結(jié)果也表明WSR在0.74～0.9之間時對響應(yīng)時間幾乎沒有影響。

圖6 實(shí)測響應(yīng)時間隨WSR(a)和像素間距(b)的變化Fig.6 Measured response time vs.WSR(a) and pitch of pixel(b)

圖6(b)為液晶型號為LC-B，WSR值在0.7，電極傾斜角為5°，蟹角為35°時，響應(yīng)時間隨像素間距的變化。像素間距對響應(yīng)時間的影響也很小，仿真結(jié)果只有不到1 ms的波動；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，響應(yīng)時間只有不到1.5 ms的波動。

圖7為液晶型號LC-B在像素間距為10 μm時，不同傾斜角時響應(yīng)時間變化。由圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，LC-A比LC-B獲得更快的響應(yīng)時間，這是因?yàn)樵诒?中提到的LC-B的粘滯系數(shù)更高為93，而液晶LC-A只有83，因此LC-B的液晶分子在相同的電壓下更難旋轉(zhuǎn)。此外，從圖7中不難看出，隨著傾斜角增大，響應(yīng)時間也會增大。實(shí)驗(yàn)中我們測量了盒厚為3.2 μm時LC-A的響應(yīng)時間為26 ms,達(dá)到了正性液晶的水平。響應(yīng)時間公式為：

圖7 液晶型號LC-B在像素間距為10 μm時，不同傾斜角對響應(yīng)時間的影響。Fig.7 Response time vs.different slit angles of LC-B with pitch of pixel of 10 μm

(1)

其中：γ1為液晶的粘滯系數(shù)，K22為扭曲變形彈性系數(shù)，d為盒厚。從公式(1)中可以看出盒厚d和γ1對響應(yīng)時間影響很大，降低盒厚和γ1對降低響應(yīng)時間作用很明顯。模擬和實(shí)測的結(jié)果也驗(yàn)證了此點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文對負(fù)性液晶邊緣場切換膜式的性能及優(yōu)化進(jìn)行了研究，包括高分辨率-FFS 模式下的負(fù)性LC材料的像素設(shè)計，像素間距、電極寬度比、傾斜角、蟹角對穿透率和響應(yīng)時間的影響。通過模擬仿真，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在小尺寸高分辨的負(fù)性FFS顯示模式下，在像素間距為 10 μm 左右時獲得最大穿透率，電極寬度比的最佳取值范圍為0.65～0.82。此外，響應(yīng)時間取決于像素傾斜角和盒厚，而與像素間距和電極的寬度距離比無關(guān)。相比于正性液晶的FFS模式，參數(shù)優(yōu)化使得穿透率提高了18%，并且響應(yīng)時間為26 ms，和正性液晶相當(dāng)。當(dāng)其他條件相同時，像素區(qū)域的穿透率曲線面積最大時，穿透率也是最大，通過這種方法確定了負(fù)性液晶FFS模式的最佳像素間距，實(shí)現(xiàn)了高穿透的負(fù)性液晶FFS模式顯示，為以后的負(fù)性液晶FFS模式的像素設(shè)計提供了很好的設(shè)計指導(dǎo)和參考。