負性液晶邊緣場切換模式的性能分析及優化

李裕蓉,楊 磊,陳明陽,陳 鋼,王志軍

(1.中國人民解放軍63936部隊，北京 100093;2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

1 引 言

液晶顯示器因為其良好的圖像質量和低成本，在市場上已經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)、面內旋轉(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實現顯示，具有大視角和優良的觸控體驗，因此占據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生的電場下旋轉，因此與IPS模式相比具有更快的響應速度和穿透率。對于FFS模式，既可以運用正性液晶也可以采用負性液晶[4-10]。當電極電壓達到飽和時，正性液晶分子沿著電場線方向快速旋轉；當像素電壓超過飽和電壓時，隨著驅動電壓的增加，穿透率快速下降[11-12]。因此采用負性液晶可以有效增加穿透率。負性液晶的粘滯系數較正性液晶大，導致響應時間慢，且殘像IS穩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、低功耗的產品需求越來越強，而高分率正性液晶FFS產品的開口率減小，導致穿透率變小。為了提高穿透率，采用負性液晶很好地解決了這個問題。

本文對負性液晶FFS模式的像素設計進行了研究。通過模擬和實驗，發現了像素設計對負性FFS模式液晶顯示的光學特性影響。結果表明，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性液晶的驅動電壓、穿透率和響應時間都有顯著的影響。通過優化設計，最終在127 mm (5 in)FHD的產品上穿透率提升了18%，同時得到與正性液晶相當的響應時間。下面將從這幾方面的設計和實驗的結果進行具體的介紹和分析。

2 結 構

從材料本身性能角度，配向膜與液晶材料的優異匹配，有助于液晶面板內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，維持穩定的電壓保持率。而負性液晶材料的極性大，阻抗更大，離子濃度含量高,且其穩定性比正性液晶材料差,驅動的電壓更高。因此負性液晶材料比正性液晶材料更容易發生殘像。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的負性液晶，其阻抗更高，約為1015Ω左右。為了獲得更加穩定的信賴性，在試用了多款配向膜PI后,實驗發現PI阻抗越高，殘像和閃爍現象改善得越好，與我們前面的分析一致。因為負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果，本文選用了多款負性液晶在不同的PI材料上進行了多次試驗，發現表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(Δε)，與LC-B相比，LC-A的粘滯系數 (γ1)更低，光學各向異性(Δn)更低 。

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

我們將實際配向膜PI材料的參數和工廠實際配向角度參數搭配同一款液晶進行模擬仿真，結果發現PI的添加與參數的變化對于穿透率和響應時間幾乎沒有影響，而本文目的是為了研究像素設計和材料對于穿透率和響應時間的影響，因此模擬中我們沒有加入PI。本文中的模擬結果都是沒有PI的結果。但是實際的量測值為產品通過設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，如液晶效率、波長匹配性、彩膜的膜厚、偏光片、像素設計、電場結構等。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。因此像素設計是提升穿透率且綜合性能最優的途徑。本文著重從像素設計方面討論性能的優化。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、背光參數，偏光片參數和液晶參數。為了更加貼近設計值，在后面的實測數據中，也是挑選出與理論像素設計值最接近的產品進行量測分析。因此仿真和實測的相關性很高。

圖1為仿真結構的俯視圖。仿真時我們選取的盒厚為3.4 μm,預傾角為0.06°。

圖1 仿真結構俯視圖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現不同的像素間距對穿透率的影響很大。通過設置不同的像素間距可獲得最高的穿透率，我們還進行了相應的驗證實驗。本文中采用了廣泛使用的液晶模擬軟件Expert LCD進行仿真研究。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，仿真結果顯示像素間距確實對穿透率有影響。很明顯像素間距為10 μm左右時，穿透率達到最大值為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。若像素間距繼續減小，電極周圍的電場影響相鄰的電極上液晶，導致混色。我們用實驗驗證了仿真和分析，將在下文中詳細討論。

3.2 電極傾斜角

FFS模式的LCD中，配向角對光學特性的影響已經有了大量的研究和分析[13]。但是負性液晶FFS模式中傾斜角對光學特性的影響分析卻很少，尤其在高分辨率、低開口率的LCD產品中。事實上，在液晶光電特性中，傾斜角和配向角之間存在一定的關系。但是實際生產中，負性液晶的配向角從0°增加到10°，光學特性幾乎不變，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可以發現隨著傾斜角增大，穿透率也逐漸增加。這是因為傾斜角增大時，液晶的工作電壓增加，導致電場強度增大，因此穿透率增大。Lee等人詳細分析了正性液晶時配向角對光學特性的影響[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，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，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 實驗測量

4.1 穿透率

我們開展了一系列的實驗來驗證仿真分析。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。我們重點關注的是變化趨勢。實驗量測發現像素間距為10 μm時,穿透率最高為5.65%。這個數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測穿透率變化。數據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測值對比。可以看出仿真條件和實測條件基本相符。因此我們的仿真結果具有可參考價值。圖5(d)為不同WSR條件下的穿透率實測值。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 響應時間

響應時間一直是人們的關注的重點。負性液晶之所以一直沒有被人們廣泛使用就是因為其響應速度比正性慢。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。前面的像素設計一直用的是LC-B，仿真和實驗結果發現LC-A其實具備更好的光學特性。但是LC-B比LC-A燒付結果更好，但是實測的響應時間較慢。

圖6為實測響應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°時響應時間隨WSR的變化。仿真結果發現WSR對響應時間幾乎沒有影響，實測結果也表明WSR在0.74～0.9之間時對響應時間幾乎沒有影響。

圖6 實測響應時間隨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，響應時間隨像素間距的變化。像素間距對響應時間的影響也很小，仿真結果只有不到1 ms的波動；實驗結果表明，響應時間只有不到1.5 ms的波動。

圖7為液晶型號LC-B在像素間距為10 μm時，不同傾斜角時響應時間變化。由圖6和圖7可以發現，LC-A比LC-B獲得更快的響應時間，這是因為在表1中提到的LC-B的粘滯系數更高為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。此外，從圖7中不難看出，隨著傾斜角增大，響應時間也會增大。實驗中我們測量了盒厚為3.2 μm時LC-A的響應時間為26 ms,達到了正性液晶的水平。響應時間公式為：

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，K22為扭曲變形彈性系數，d為盒厚。從公式(1)中可以看出盒厚d和γ1對響應時間影響很大，降低盒厚和γ1對降低響應時間作用很明顯。模擬和實測的結果也驗證了此點。

5 結 論

本文對負性液晶邊緣場切換膜式的性能及優化進行了研究，包括高分辨率-FFS 模式下的負性LC材料的像素設計，像素間距、電極寬度比、傾斜角、蟹角對穿透率和響應時間的影響。通過模擬仿真，實驗發現在小尺寸高分辨的負性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。相比于正性液晶的FFS模式，參數優化使得穿透率提高了18%，并且響應時間為26 ms，和正性液晶相當。當其他條件相同時，像素區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性液晶FFS模式的最佳像素間距，實現了高穿透的負性液晶FFS模式顯示，為以后的負性液晶FFS模式的像素設計提供了很好的設計指導和參考。