四向寬窄視角可切換的液晶顯示技術

鐘德鎮， 劉顯賀， 姜麗梅

(昆山龍騰光電股份有限公司 江蘇省龍騰平板顯示技術研究院,江蘇 昆山 215301)

1 引 言

液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)因其輕薄、節能、低功耗以及低輻射等優點已經成為當前使用最為廣泛的顯示設備之一[1-4]，主要應用于手機、筆記本電腦以及平板電腦等便攜式電子產品上。邊緣場切換技術(Fringe Field Switching，FFS)是目前普遍使用的廣視角技術，其承接了平面轉換(In-Plane Switching，IPS)技術的廣視角特性，使人們在不同的觀察角度均能夠看到清晰完整的顯示畫面。

然而，在一些公共場所使用顯示設備時，人們對于個人信息的隱私保護越來越重視，因此需要顯示裝置具備寬視角(Wide Viewing Angle，WVA)與窄視角(Narrow Viewing Angle，NVA)相互切換的功能[5-10]，即在家庭聚會等休閑娛樂場合，希望在家庭成員之間進行信息分享時具有寬視角的顯示模式，而在公共場合進行密碼輸入或私人文件查閱時希望顯示設備可以切換到窄視角的顯示模式，從而達到個人信息的有效保護。

本文所介紹的四向寬窄視角可控液晶顯示技術是基于現有的FFS顯示模式，主要采用單一配向、單層液晶盒以及不同位置像素電極排列設計， 通過視角控制電極的信號切換，使不同位置的液晶分子形成一定的傾角來實現寬窄視角模式的轉換。本技術所實現的寬視角與四向窄視角可控模式可以為顧客提供更好的隱私保護，解決了顯示屏在橫屏顯示與豎屏顯示切換的使用場合時現有雙向視角防窺所不能解決的問題。用戶可在橫屏與豎屏切換之間進行寬視角與窄視角防窺模式的自由切換，此技術在防窺顯示領域具有良好的應用前景。

2 工作原理

2.1 寬窄視角顯示模式的工作原理

本文提出的四向寬窄視角切換架構的剖面圖如圖1(a)和圖1(b)所示，彩膜(Color filter，CF)基板一側設有整面的視角控制電極，陣列(Thin film transistor，TFT)基板一側設置有像素電極、公共電極以及絕緣層，上下偏光板軸向正交(圖中未示出)。圖1(c)為設計的像素電極結構平面圖，如圖所示，像素電極被分割為上下兩部分，即Sub-pixel A和Sub-pixel B，上下像素電極所形成的夾角在30°～90°之間，液晶的配向方向為-55°，上下像素電極的開口率設計為1∶1也可為1∶0.5。

如圖1(a)所示為寬視角模式的亮態，CF基板的視角控制電極與TFT基板的公共電極電位相同，如0 V。對Sub-pixel A和Sub-pixel B施加電壓時，由于上下條狀像素電極的位置及角度差異，液晶分子在其與公共電極所形成的邊緣電場E1的作用下向不同方向進行水平面內旋轉，呈現寬視角模式。圖1(b)所示為窄視角模式的亮態，對CF基板的視角控制電極施加偏置的交流信號，同時對像素電極施加電壓，液晶分子在垂直電場E2和水平電場E1的共同作用下向不同方向旋轉并形成較大的傾角，使得水平和垂直方向的液晶分子在離軸方向具有較大的相位延遲，形成大視角的暗態漏光，進而側視對比度降低，所觀察到的影像模糊化，從而實現四向防窺的窄視角模式。

(a) 寬視角模式亮態(a) ON state of WVA mode

2.2 寬窄視角顯示模式的驅動波形

以白態畫面為例，寬視角顯示模式時，視角控制電極電壓為公共電極電位0 V，像素電極(Source)的驅動波形同窄視角模式的波形，像素電極的電壓為±5.5 V。本技術架構窄視角顯示模式的驅動波形如圖2所示。現有的FFS顯示模式常使用列反轉進行驅動，為避免極性變換時偏壓電極與像素電極的正負壓差不等影響顯示畫質，本文所述的偏壓極性隨Source波形極性變換而交替變換。在FrameN時, 視角控制電極與像素電極所形成的壓差為14.5 V，在FrameN+1時，偏置電壓進行極性反轉，視角控制電極與像素電極所形成壓差的絕對值仍為14.5 V, 即在同一灰階，視角控制電極與像素電極所形成的壓差保持一致。在視角控制電極與下基板所形成的垂直電場和邊緣電場共同作用下，使液晶分子在離軸方向形成較高的傾角，從而造成大視角暗態漏光形成窄視角模式。

圖2 窄視角顯示模式的驅動波形

3 仿真分析與實驗驗證

FFS顯示模式同IPS顯示一樣均為常黑的顯示模式，液晶分子在邊緣電場的作用下沿著指定的方向轉動，從而控制光的透過量。上下基板兩側的偏光板軸向垂直正交，透過下基板側偏光板的光沿著液晶層垂直向上基板的方向傳播，最終透過上基板側的偏光板。光透過率的公式如式(1)所示：

，

(1)

其中:φ代表液晶分子的方位角，Γ代表相位延遲。

，

(2)

如公式(2)所示，其中Δn為液晶分子的雙折射率，d為液晶盒厚，λ為光波長。當φ=45°且Γ=180°時，液晶盒可以獲得最大的光透過率。當φ=0或者Γ=0時，液晶盒可獲得暗態的顯示效果。

本文的光學評估及模型建立均是在TechWize仿真軟件下進行的，所使用的液晶材料為適用于扭曲向列相顯示的含手性劑的向列相液晶中去除手性劑而獲得的液晶(液晶參數:Δn=0.112，Δε=6.8，γ1=100 mPa·s)，液晶盒厚設置為3.3 μm。通過仿真發現，液晶的配向方向為-55°時能夠兼顧較佳的寬視角和四向窄視角的顯示效果。

為了對本文提出的四向寬窄視角可切換技術的顯示效果進行確認，在34.29 cm(13.5 in)筆記本電腦產品上進行了相關實驗驗證。該產品采用1 920×1 080分辨率，像素大小為0.153 mm×10.153 mm，像素密度(PPI)為166，電極材料選用氧化銦錫，彩膜基板的預傾角為0°～2°，偏光板的平行透過率大于30%，偏光板的垂直透過率小于0.007%。

表1所示為34.29 cm(13.5 in)液晶顯示面板在寬視角和窄視角模式下的實測光學數據。相對于寬視角顯示模式，其窄視角顯示模式的白點偏藍。在亮度方面，寬視角模式的白態亮度大于300 cd/m2,窄視角模式的白態亮度大于160 cd/m2。在對比度方面，寬視角模式的中心對比度為668∶1。由于大視角側視漏光的影響，窄視角模式的中心對比度為110∶1，且窄視角模式的色域(NTSC)小于寬視角模式。

表1 34.29 cm(13.5 in)液晶顯示面板的光學表現

圖3所示為寬窄視角顯示模式分別在水平和垂直方向隨視角變化的對比度曲線。從曲線圖可以看出，當顯示面板處于寬視角顯示模式時，其在水平與垂直方向的寬視角效果相當，上下左右視角可達到60°。當顯示面板切換到窄視角顯示模式時，其在左右視角大于45°、上下視角大于60°時均具有良好的防窺效果。這是由于彩膜基板的視角控制電極與陣列基板形成的垂直電場作用，使上下像素電極在水平和垂直方向的液晶翹起造成大視角的暗態漏光，從而形成四向防窺的窄視角模式。

(a)水平方向的寬窄視角對比度曲線(a) Contrast ratio curves of WVA and NVA mode in horizontal direction

圖4為本技術提出架構的實際量測的光學視角圖，其中綠色區域的對比度≥10，藍色區域為對比度≥3的邊界區域。從視角圖可知，其寬視角模式在上下左右的可視角度均可達到60°，具有良好的寬視角顯示效果。其窄視角模式在水平方向大于45°及上下方向大于60°時具有良好的防窺效果。為了兼顧四向防窺顯示效果，本文優選液晶配向方向為-55°，窄視角模式下的可視區域面積與其配向方向保持一致。與液晶配向方向垂直的兩側，由于液晶在上下基板間的垂直電場作用下表現的高傾角排列，產生大視角的相位延遲，形成大視角側視漏光，從而對比度遠低于中心區域的對比度。

圖4 寬窄視角模式下的實測視角圖

圖5所示為34.29 cm(13.5 in)筆記本電腦產品實際的寬窄視角顯示效果圖。如圖5(a)所示，在寬視角顯示模式下，其在上下左右60°視角觀看時文字清晰、圖片顏色鮮艷，與常規寬視角模式具有同等的廣視角顯示效果。如圖5(b)所示，在窄視角顯示模式下，其在上下60°、左右45°視角觀看時內容模糊，基本不可識別，具有良好的四向防窺效果。

圖5 34.29 cm(13.5 in)顯示面板寬窄視角顯示效果圖

本文同步研究了本技術寬視角與窄視角模式在色坐標系CIE1931下的NTSC差異。圖6所示為本技術制作成品的實測色域三角形，青色和粉紅色三角形分別代表寬視角和窄視角的色飽和度。相比于寬視角模式，其窄視角模式下的白坐標藍移，NTSC由寬視角的68.5%下降到窄視角的48.2%。 通過對比發現，寬視角模式與窄視角模式的色坐標在紅畫面和綠畫面的色坐標差異大于在藍畫面的差異，當從寬視角模式切換至窄視角模式時，Rx、Gx均往左偏移，色彩純度降低，這是由于窄視角模式下的暗態漏光影響所致。

圖6 寬窄視角模式的色飽和度圖

4 結 論

本文提出了一種基于向列相液晶的四向寬窄視角可切換技術，詳細介紹了顯示裝置的結構、顯示原理及其驅動波形，并在34.29 cm(13.5 in)筆記本電腦產品上進行相關實驗驗證。實驗結果表明：實測光學數據顯示其廣視角在上下左右60°時畫面清晰可見，色彩鮮艷。而切換至窄視角模式時，其視角在上下大于60°，左右大于45°時均呈現良好的防窺效果，從而實現全方位的四向寬窄視角顯示模式。本文研究的四向寬窄視角切換技術實現簡易，操作便捷，對今后的液晶顯示防窺技術的發展具有重要意義。