边缘场开光模式(FFS)

液晶面板的宽视角技术——边缘场开光模式（FFS）摘要：随着TFT-LCD显示技术的不断发展，宽视角模式已经成为业界追求的目标，本文通过对TFT-LCD的FFS显示模式的叙述，分析了FFS模式的特点及发展前景。关键词：宽视角、边缘场开关技术引言与CRT显示器相比，视角特性差一直是传统LCD显示器的一大缺憾。为解决这一问题，全球各大厂商的研究机构在液晶材料和液晶面板结构等方面下工夫，取得突破，开发出了多种宽视角技术，其中主流的有TN+flim补偿方式、垂直控制（MVA、PVA等）模式、平面控制（IPS、FFS等）模式等，这些技术在改善视角的同时，也实现了缩短响应时间、提高色彩表现和对比度等效果。在几种模式中，垂直控制模式应用范围较大，但就性能而言，FFS技术可以说是目前最出色的宽视角技术，不但有近1800的极限视角，同时具有低能耗、高透过率、高亮度、快速响应、无色偏、高色彩还原性、无水波纹等优良性能。几种边缘场开关模式（一）传统FFSIPS中，由于电极上的液晶分子在加电压时不旋转，所以它的开口率要比TN模式的开口率小。为了提高开口率，又提出了FFS（fringe-fieldswitching）模式，其结构如图1（b）所示。上基板没有电极，下基板的像素电极和数字电极之间有一层钝化层SIO2(1500Å)。在图1（a）所示的IPS模式中，电极间距L大于盒的间距d和电极宽带w，加电压时水平电场主要存在于电极之间，电极中心处为近似的垂直电场。在FFS中电极间的距离L小于盒的间隙d和电极宽带w，加电压时整个液晶盒内的电场线是抛物线形状，换句话说在电极的上方既有电场的水平分量又有电场的垂直分量，因此电场上的分子也可以旋转，从而提高了盒的透光率。在FFS两层ITO之间，SIO2的厚度是1500Å，上基板的电极宽度是3um，取向膜的摩擦方向和电极间的夹角是12º和78º，预倾角是2º，盒间距d=4.0um。因此透光率饱和电压是随△ε绝对值的增大而减小的，所以正性液晶的透光率饱和电压要比负性液晶的低。但是负性液晶要比正性液晶的透光率好。图1IPS和FFS内置电极产生的等势线原理图图2所示的FFS-LCD结构把图1（b）所示的边缘场模式中的梳状数字电极改成了平面电极，这样自然增加了像素电极和平面电极之间的存储电容，从而增加了电压保持率。高的电压保持率是TFT-LCD的基本要求。图中12是彩色滤光器，水平排列层14和6之间的摩擦方向呈1800。尽管图中没有画出，在一个像素中有一条栅总线和一条数字总线在基板1下面相交叉，并且有一个TFT置于交叉点上（图中没有画出）。图2所示FFS-LCD中，由于数字电极3只是在像素电极5之间露出很窄的一部分，边缘场可以影响数字电极3和像素电极5上的液晶分子，所以一个像素中的绝大多数液晶分子都能发生扭曲，从而提高了开口率和透光率。在加电压时，由于同一像素的所有液晶分子都朝同一方向，所以图2所示的FFS-LCD还存在色移问题。图2传统FFS模式的原理图（二）一种改进的FFS模式[4]2002年，HyangYulKim和SeungHeeLee等在美国申请的专利不但改善了传统FFS的色移，而且也提高了响应速度，其结构如图3所示。图中3是数字电极，7是像素电极，4是把各个数字电极连在一起的公共电极线，5是栅总线。在下基板上，栅总线和数字总线被排列成矩阵形成像素单元。栅总线沿着x轴的方向，数据总线沿着y轴的方向。在图中，一条栅总线和三条数据总线5a、5b、5c分别交叉于同一行上的三个像素单元R、G、B的下面。像素R、G、B分别具有红、绿、蓝三种滤光膜。栅总线1和数据总线是用不透明材料制成的。在栅总线和数据25a、25b、25c交叉点附近有一个TFT，用来控制数据总线到液晶层数据信号的通断。图3改进的FFS模式的原理图像素7a、7b、7c是用透明材料制成的，每一个像素电极和它们各自相关的数字电极3a、3b、3c是绝缘的。像素电极7a的7a-1部分平行于数据总线5a，并且一对横的条形部分7a-2和7a-3把长梳状部分7a-1连在一起，7a-2叠置于数字电极3a之上。横条形部分7a-3与TFT相连。像素电极7c、7b上面的像素电极和7b下面的像素电极与像素电极7a有相同的结构。像素电极7b的7b-1部分平行于栅总线1，并且一对长条形电极7b-2和7b-3把横梳状部分7b-1连在一起与TFT相连。为了使每一个像素都能获得相同的亮度，横梳状部分7a-1的相邻电极间的间隙和长梳状部分7b-1的相邻电极间的间隙是相等的。一个边缘场形成于数字电极3a、3b、3c的暴露部分和像素电极7a、7b、7c的横梳状部分7a-1或长梳状部分7b-1之间。为了使液晶盒内整个区域都存在边缘场，像素电极7a、7b、7c的横梳状部分7a-1或长梳状部分7b-1的宽度以及数字电极3a、3b、3c的暴露部分的宽度要小于盒的间隙，一般要求为3～6um。在这个专利中，一个像素内的像素电极和数字电极间产生的边缘场方向和相邻像素的内边缘场产生的方向不同。考虑到R、G、B各像素单元折射率各向异性的补偿作用，传统FFS-LCD中的色移问题会得到解决。液晶盒的相延迟为0.2～0.5um，前后基板上分子取向层的预倾角是0,50～40。下基板分子取向膜的摩擦轴相对于栅总线21的夹角是±450±100，前基板取向膜的摩擦方向与后基板的取向膜之间的夹角是1800。后基板偏振片的偏振方向平行于后基板取向膜的摩擦方向，并垂直于上基板偏振片的偏振方向。在OFF状态下，通过后基板的光的偏振方向不发生变化，由于前后两个偏振片的偏振方向互相垂直，所以没有光从前基板透过，LCD屏呈黑态。在ON状态下，产生的边缘场会驱动液晶分子扭转，使从后基板进来的光的偏振状态会发生变化而透过前面板，此时，LCD屏呈明态。在扭转力公式N=1/2△εE²sin²2Φ（2）其中，△ε代表介电各向异性，E代表电场强调发，Φ代表液晶分子长轴和电场间的夹角。从公式可以看出当增加Φ时扭转力会增加，响应速度会得到提高。（三）双面边缘场开关模式（DSFFS）[5]因为顶部玻璃基板的表面没有边缘场，所以边缘场的结构不对称，限制了视角的增大。C.Y,XiangandX.W.Sun提出一种增大视角并提高响应速度的DSFFS(double-sidefringe-fieldswitching)模式。其结构如图4所示。该模式在上下基板各有两个电极，就像是上下两个边缘场拼凑起来一样，使用负性液晶，顶部和底部的条形电极互相垂直，顶部和底部的边缘场共同驱动液晶分子扭曲。由于聚酰胺反平行于摩擦使得液晶分子排列均匀，顶部和底部偏振片的偏振方向互相垂直。其中一个透光轴平行于摩擦方向，不加电压是呈黑态，加电压时呈明态。由于顶部和底部条形电极互相垂直，因此底部电极产生的电场合顶部电极产生的电场互不影响。在盒厚相同时，DSFFS只需要扭曲从底部或顶部到盒中间的液晶分子，而FFS盒中则需要扭曲从底部到顶部的所有液晶分子，所有DSFFS盒的上升时间更短。FFS盒中液晶分子方位角的变化仅仅是相同盒厚DSFFS盒的一半，这样DSFFS盒内液晶分子的弹性扭矩是FFS盒的两倍，因此DSFFS盒的下降时间比FFS盒的下降时间短。正因为DSFFS盒的液晶分子指向矢对中心平面呈对称分布，其方位角的变化是FFS盒的两倍，所以DSFFS盒有更快的响应速度和更宽的视角。图4开、关状态下DSFFS器件的结构边缘场开关技术的特点高可视角度FFS技术是通过同一平面内像素间电极产生边缘电场，使电极间以及电极正上方的取向液晶分子都能在（平行于基板）平面方向发生旋转转换，从而显著提升亮度和图像质量。FFS技术克服了常规IPS（平面方向转换）技术透光效率低的问题，在宽视角的前提下，实现高透过率。同时，FFS技术拥有另外一项技术优势，当普通的LCD表面受到冲击和手指按压时，扭曲型（TN）液晶分子的取向难以避免的发生紊乱，而FFS模式液晶层中的液晶分子的方向，却不易受由于挤压产生的液晶流动的影响，它允许较少的层状防护结构，从而减小屏表面膜到LCD的间距，避免产生水波纹现象。众所周知,液晶显示器属于背光型显示器件,其发出的光由液晶模块背后的背光灯提供;而液晶主要是靠控制液晶体的偏转角度来“开关”画面的,这必然导致液晶显示器只有一个最佳的欣赏角度———正面视角。当你从其他角度观看时,特别是从上或从下看时,由于背光穿透旁边的液晶颗粒而进入你的眼睛,所以就很容易造成颜色的失真,其上下的可视角度一般较小。由于采用FFS技术的液晶屏的液晶分子都能在(平行于基板)平面方向发生旋转转换,所以,它面向的是各个方向,其上、下、左、右四个角度基本上都不会失真。据测试数据显示,FFS技术的上、下、左、右四个方向的可视角度达到了175度以上,这样宽的可视角度完全可以满足我们的实际工作需求。应用前景与普通液晶显示技术相比,FFS技术能提供更宽的视角、更高的透射率(超过92%的TNLCD)、更快的响应时间、更高的亮度和对比度。可见,采用FFS技术的TFT-LCD产品,是笔记本电脑、平板电脑以及其他轻巧手持设备的较好选择。目前,FFS技术受到了不少PC生产商和显示器制造商的青睐,它在新型的液晶显示器和液晶电视领域得到了广泛的应用。去年,京东方采用FFS技术的TFT-LCD屏已经运用在Sharp和Acer等品牌的平板电脑上,IBM、Dell等PC制造厂商也对这一技术表现出了浓厚兴趣,表示会将此技术应用于15、20英寸及更大尺寸的液晶显示器上。在FFS技术的基础上,又研发出更为先进的AFFS技术。相比FFS技术,AFFS技术在节能、对比度、明亮度等关键性能指标又有15%的提升。早在去年,在日本横滨举行的“FPDInternational2003”展会上,京东方就发布了应用AFFS技术的21英寸液晶电视和14、15英寸笔记本电脑产品。现在,AFFS技术也越来越多地应用在了笔记本电脑、平板电脑中。结束语综合评定来说，FFS技术性能优异，优势明显，是目前性能最好的宽视角技术。参考文献[1]应根裕等.平板显示技术[M].北京:人民邮电出版社,2002.[2]孙玉宝,马红梅,张志东.摩擦角度在共面转换显示器中的影响[J].,液晶与显示,2004,19(2),103-106.[3]UnitedStatesPatent.PatentNo.:US6,678,027B2DateofPatent:Jan.13,2004.[4]UnitedStatesPatent.PatentNo.:US6,466,290B2.DateofPatent:Oct.15,2002.[5]C.Y.XiangandX.W.Sun,Appl.Phys.Lett.83,5154(2003).[6]荆海,陈明,袁建峰,邵喜斌,黄锡珉.无色移共面转换液晶显示[J].液晶与显示1999,14,(2),115-120.[7]荆海,凌志华等.聚合物网络对IPS液晶显示器参数的影响[J]吉林大学自然科学学报,2000(1):