淺析TN/IPS顯示模式的液晶屏在機載顯示中的應用

盧業能

（1．中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002；2．特種顯示技術國家工程實驗室，安徽 蕪湖 241002；3．安徽省現代顯示技術重點實驗室，安徽 蕪湖 241002）

0 前言

機載顯示是將飛機狀態、飛行參數及任務等信息顯示在飛行員的眼前，是1 種展現式的人機交互方式[1]。

信息顯示的可讀性與讀取效率將直接影響人機交互的效率，同時還會對整個飛行安全及任務效率產生影響。早期的機載顯示主要是指針式的機械儀表，機械指針式儀表顯示的信息單一、可讀性差，尤其是在強光照射下難以分辨，降低了顯示信息的交互效率。隨著顯示技術的發展，液晶顯示憑借其長壽命及高可靠性的優勢被廣泛應用于機載顯示領域[1]。

典型的TN 與IPS 顯示技術都廣泛應用在機載顯示領域。該文結合機載顯示的應用需求，淺析了2 種顯示技術自身的特點、實際顯示效果及對機載顯示應用的影響。

1 機載顯示應用分析

1.1 機載顯示對液晶屏的需求分析

典型的機載顯示的內容為數字儀表、飛行姿態（天地球畫面）及地圖顯示。

數字儀表對液晶顯示的要求比較低，通常顯示畫面為黑背景和單色字符，字符的顯示顏色一般為白色或者綠色，不需要很高的分辨率，也不需要很多的字符顏色。飛行姿態（天地球畫面）顯示主要用于顯示飛機相對于天空或地面的姿態，采用圓形彩色畫面，上半部分為藍色（代表天空），下半部分為黃色（代表地面）；整體顯示對圖像分辨率的要求較低，對顯示顏色有一定的要求。地圖顯示要還原真實地理信息，需要液晶屏有較高的對比度，從而獲得較大的黑白反差顯示；同時為了還原真實世界的色彩，地圖顯示需要有較高的分辨率以及一定顯示色域的能力（色彩還原能力）。

圖1 典型TN（左）、IPS（左）視場角對比度圖

1.2 TN 與IPS 模式顯示性能的對比分析

2 種顯示模式在顯示模塊（透射式）、有效顯示尺寸、分辨率以及灰度等級（灰階還原能力）的指標上可以保持一致。顯示色域范圍主要是由CF 設計決定，不同模式的液晶屏可以采用相同的CF，從而獲得相同的色域。TN 顯示模式的整體對比度視角會比IPS 模式的液晶屏差，2 種模式的典型視角對比度圖如圖1 所示，在高亮度下黑背景畫面顯示時的綜合效果差異更為明顯。液晶屏的透過率會直接影響背光功耗，TN 顯示模式的透過率一般會明顯高于IPS 顯示模式，其背光功耗會更小。

2 機載環境對對液晶顯示屏的影響分析

機載顯示主要應用在寬溫、高強度振動、抗腐蝕及電磁兼容的典型環境中。

2.1 寬溫應用分析

機載寬溫應用主要是指在較寬的溫度范圍內貯存及工作，貯存考核的是液晶屏在經受極限溫度后，其恢復顯示功的能力。高低溫工作是考核液晶屏的綜合顯示能力，高低溫下需要保持與常溫轉態下相近的顯示性能。

經過高低溫貯存后的液晶屏，其顯示功能正常，偏振片出現性能退化，出現一定程度的顯示缺陷， TN 模式在黑場時容易出現上下發藍、左右發白的現象，IPS 模式在低溫環境下色偏現象，如圖2 所示。

圖2 TN/IPS 液晶屏高低溫貯存后的顯示缺陷

液晶屏在低溫環境下工作時，液晶材料的黏滯性增大，轉動阻力增大，響應時間增加；當溫度達到-50℃時，液晶材料由液晶態轉變為結晶態，無法偏轉，顯示功能失效；溫度升高后，液晶材料由結晶態慢慢轉變為液晶態，顯示功能恢復。偏振片在低溫環境下收縮，液晶屏在顯示邊緣出現黑態漏光的現象，TN 模式出現邊緣發白的現象，IPS 模式出現邊緣局部區域發藍的現象。上述現象通過加熱升溫后可以得到有效緩解。

高溫條件下，內部的液晶材料黏滯性降低，響應時間變短；當溫度升高到100 ℃左右，液晶材料會由液晶態逐漸轉變為液態，其光閥功能丟失，顯示功能失效，單純的液晶液化問題在降低溫度后就可以恢復。

2.2 高強度振動

高強度的振動對機載液晶顯示有2 個影響：1） 振動對整體液晶顯示結構完整性的影響。2） 振動帶來的液晶屏盒厚變化，產生振動Mura。

液晶屏通常采用薄玻璃設計，整體的抗振性能較弱，需要額外的加固設計。常用方案是在其兩面粘貼較厚的功能玻璃，形成具有一定剛性的整體，對其進行緩沖設計后安裝到結構組件中，提高了液晶屏整體的抗振性能，保證了液晶屏結構的完整性。

液晶顯示器件在振動過程中由于內部盒厚的變化造成局部透過率變化，產生忽明忽暗的顯示Mura 缺陷，機載顯示的黑底背景，在應用中會出現黑場白斑的現象。通常來說，IPS 模式液晶屏的黑場白斑效果會優于TN 模式的液晶屏，分析典型的TN 模式及IPS 模式的顯示原理如圖3、圖4 所示[2]。

在TN 顯示模式中，控制液晶偏轉的電場為縱向電場設計，上下偏光片為正交設計。在不加電的情況下，液晶分子為水平分布，自然光經過下偏光片后轉變為直線偏振光，穿過TFT 玻璃后，經過液晶分子的扭曲配向，形成了偏轉90°的直線偏振光，偏轉后的偏振光與CF 側偏光片角度相同，透過后射出，并呈現白場顯示狀態。施加驅動電場后，液晶分子在電場的作用下會由水平分布轉向為垂直分布（配向膜附件的液晶分子除外），不能進行扭曲配向，使經過液晶層的光線偏振角度與CF 側偏光片的角度正交，沒有光線射出，呈現黑場顯示狀態[2]。

在IPS 顯示模式中，控制液晶偏轉的電場為橫向電場（平面電場）設計，電極被設置在TFT 玻璃上，利用像素電極與公共電極形成平面電場，驅動液晶分子。在不加電的情況下，液晶分子為水平分布，自然光經過下偏光片后轉變為直線偏振光，直線偏振光穿過TFT 玻璃后，經過未偏轉的液晶分子，就無法改變偏振光線的偏振方向，光線偏振角度與CF 側偏光片的角度正交，無光線射出，呈現黑場顯示狀態。施加驅動電場后，液晶分子在平面電場的作用下轉動，將透過TFT 玻璃的直線偏振光轉變為橢圓偏振光，最終透過CF 側偏光子，呈現白場顯示狀態[2]。

高強度的振動條件會使液晶屏的盒厚產生變化，TN 顯示模塊采用的是縱向電場設計，在盒厚變化的同時會使上下玻璃之間的電場強度產生變化，液晶分子的偏振隨即發生改變，液晶分子轉動角度不足或者轉動過度就會造成局部區域透過率增加，產生黑態漏光，加劇振動Mura 現象。IPS 模式采用的是平面電場設計，電場分布不易受到振動時盒厚變化帶來的影響，同時黑態顯示為不加電狀態，電場影響會進一步減弱，整體受到的影響相對偏小。綜合理論分析及實際應用情況，IPS 模式整體的振動白斑效果優于TN 模式。

2.3 抗腐蝕與電磁兼容性能

機載顯示應用的抗腐蝕與電磁兼容性能要求是匹配整機的應用環境。機載顯示會進行整體加固設計，液晶屏不會直接暴露在環境中，抗腐蝕是對外部材料的通用要求，主要是濕熱、霉菌以及鹽霧等[3]，在液晶屏設計選型時不需要考慮特殊的抗腐蝕要求。

機載顯示的電磁環境比較復雜，由感應、耦合和傳導引起的電磁干擾，上述電磁干擾都會影響電子系統或設備的正常工作[4]。液晶屏是高度集成化的光電子顯示產品，其自身存在一定的電磁輻射，也會受到電磁輻射的影響。整機電磁兼容主要是通過降低源端（內部控制芯片）輻射水平及限制電磁輻射傳播2 個途徑進行設計。綜合整機及其系統對電磁兼容的設計要求，對整體內部的屏蔽體進行搭建，并阻隔電磁波的傳播路徑，通常在液晶屏的設計選型不需要額外考慮電磁的兼容能力。

3 結論

綜合機載顯示的顯示需求及應用環境，基于TN/IPS 顯示模式的基本特點，重點分析了2 種顯示模式在黑背景顯示、寬溫工作、寬溫貯存、高強度振動和抗腐蝕與電磁兼容要求下性能的差異。

圖3 TN 顯示模式原理

圖4 IPS 顯示模式原理

機載顯示對視角有相對明確的要求，使TN/IPS 2 種顯示模式的液晶屏經過加固設計后都可以應用于機載顯示。TN/IPS2 種顯示模式的液晶屏在寬溫條件下都會產生一定程度的顯示缺陷，可以采用加熱設計緩解；液晶顯示的溫度變化特性屬于固有屬性，兩者基本上保持一致。抗腐蝕與電磁兼容等屬于整體設計范疇，2 種模式基本上沒有應用區別。

液晶顯示器在振動過程中內部盒厚的變化產生振動Mura，IPS 模式的液晶屏由于采用是平面電場設計，因此，其整體的抗振動性能明顯優于采用縱向電場設計的TN 模式，同時IPS 模式的整體黑態顯示效果優于TN 模式。綜上所述，IPS 模式的液晶屏更適合在機載抗振動顯示加固中應用。