吳婷婷，蘇子芳，鐘德鎮(zhèn)，姜麗梅

（昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT－LCD）由于其低輻射、輕薄、低功耗等特點(diǎn)已成為發(fā)展最為迅速的平板顯示技術(shù)之一［1］。扭曲向列相（TN：Twist Nematic）液晶顯示模式的發(fā)明帶來的技術(shù)革命使TFT－LCD幾乎占領(lǐng)了全部的桌上型顯示器市場。然而較窄的可視角度范圍視角窄限制了TFT－LCD在如醫(yī)療、航空設(shè)計(jì)以及電視等領(lǐng)域的應(yīng)用。

傳統(tǒng)TN型顯示模式通過使用視角補(bǔ)償膜型偏光片，在很大程度上擴(kuò)大了顯示視角，但在大視角觀察時(shí)仍存在灰階反轉(zhuǎn)及色偏現(xiàn)象［2］。目前市面上應(yīng)用最廣泛的廣視角技術(shù)如垂直取向（Vertical Alignment，VA）通過在電極上形成凸起物（Protrusion）或電極狹縫（Slit）以實(shí)現(xiàn)液晶分子不同疇的指向矢分布，在外加電壓下液晶分子由垂直站立轉(zhuǎn)到平行基板排列。VA顯示技術(shù)因其寬視角、高對比度、無需摩擦配向等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于TV等大尺寸應(yīng)用領(lǐng)域。面內(nèi)轉(zhuǎn)換開關(guān)（In－Plane Switching，IPS）［3－4］技術(shù)是指通過控制液晶分子在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)亮度控制，使得人眼在接近85°的傾斜角下觀看仍可獲得較高的圖像顯示質(zhì)量。相比TN顯示模式，上述兩種模式因在視野角特性、動(dòng)態(tài)清晰度、色彩還原效果方面的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)療、TV、個(gè)人移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。

而作為個(gè)人移動(dòng)終端設(shè)備應(yīng)用，在某些特定場合的保密性要求日趨增高，同時(shí)又要具備很好的觀賞性。使用者對于分享性及資料機(jī)密性具有不同的視角需求，單一視角模式的顯示器件已經(jīng)不能滿足使用者的需求。以手機(jī)屏為例，在公共場合與家人朋友發(fā)短信或視頻時(shí)希望窄視角的顯示達(dá)到保護(hù)私人信息的目的，而有時(shí)又希望可以切換到寬視角模式與家人朋友一起分享顯示內(nèi)容。

目前針對視角切換模式研究的幾種方法包括［5－7］：（1）改變出射光線方向?qū)崿F(xiàn)寬窄視角顯示［8］；（2）控制不同方向優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)；（3）控制不同暗態(tài)電壓以實(shí)現(xiàn)寬窄視角切換，如在液晶盒上添加一個(gè)單層補(bǔ)償膜［9］。

本文的視角切換技術(shù)是一種基于VA模式的顯示設(shè)計(jì)。與上述第3種方法不同的是本文通過在系統(tǒng)Tcon ROM中燒錄兩版code，寬窄視角顯示時(shí)分別采用不同的Tconcode編譯驅(qū)動(dòng)電壓從而實(shí)現(xiàn)寬窄視角切換。本文提供的方法結(jié)構(gòu)簡單，使用者只需選擇不同的顯示模式而無需外置視角控制開關(guān)，可以大大減輕面板重量，節(jié)省成本。

2 器件設(shè)計(jì)原理

本文提出一種基于PVA（Patterned Vertical Alignment）液晶顯示技術(shù)的視角切換模式技術(shù)，如圖1所示。PVA分別在上、下玻璃基板蝕刻出條形電極，利用上、下基板條形電極間形成的斜向邊沿電場使負(fù)性液晶分子在開態(tài)時(shí)倒向不同方向獲得寬視角特性。PVA結(jié)構(gòu)消除了MVA技術(shù)中凸起附近的黑態(tài)漏光而有效地提高了對比度。

圖1 PVA液晶顯示面板子像素示意圖Fig.1 Diagram of sub－pixel with PVA LCD

本文的技術(shù)方案是在PVA TFT－LCD顯示驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)置用于寬視角與窄視角切換的開關(guān)。搭配Tcon存儲(chǔ)單元中用于顯示灰階的代碼實(shí)現(xiàn)寬視角與窄視角模式間的切換，如圖2所示。

圖2 視角可控顯示器的系統(tǒng)功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of system function of viewing angle controllable LCD

具體操作：（1）當(dāng)開關(guān)切換到寬視角模式（WVA Mode）時(shí)，Tcon按照信號(hào)來源需求的灰階信息向面板提供灰階電壓。此時(shí)液晶分子指向矢分布如圖3（a）（c）所示，暗態(tài)液晶分子垂直玻璃基板排列；亮態(tài)液晶分子由于受上下垂直電場的作用，分子短軸平行電場線排列，液晶分子長軸則垂直于玻璃基板排列，ITO slit處的液晶分子由于無電場作用仍保持垂直站立。（2）當(dāng)開關(guān)切換到窄視角模式（NVA Mode）時(shí)，若信號(hào)來源需求輸出最高灰階數(shù)時(shí)，強(qiáng)制輸入面板的灰階電壓為寬視角模式時(shí)最大灰階電壓。例如，針對一個(gè)設(shè)計(jì)可輸出6bit（0～63共64個(gè)灰階顯示）系統(tǒng)，選擇X＝10的設(shè)計(jì)，則當(dāng)開關(guān)切換至窄視角模式，外部輸入信號(hào)要求顯示0灰階時(shí)，實(shí)際通過Tcon控制輸入面板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為寬視角模式時(shí)10灰階的信號(hào)。如圖3（b）所示，窄視角模式下的暗態(tài)液晶分子在不加電的黑態(tài)不是完全垂直排列，而是和基板有一定的傾斜角度。當(dāng)外部輸入需求顯示大于等于53灰階的信號(hào)，則強(qiáng)制全部輸出寬視角模式時(shí)63灰階的電壓。如圖3（d）所示，亮態(tài)下液晶分子平行于玻璃基板排列，且兩種模式液晶分子排布指向矢相同。此時(shí)兩種模式的伽瑪曲線如圖4所示。

圖3 寬視角模式與窄視角模式液晶指向比較示意圖Fig.3 LCdirector comparison between WVA and NVA mode

圖4 寬窄視角模式伽馬曲線對比Fig.4 Gammacurve comparison between the WVA and NVA mode

3 仿真結(jié)果及分析

PVA顯示為一種垂直配向的常黑模式，它使用的液晶分子為一軸性媒質(zhì)，PVA透過率特性和IPS顯示一樣，公式如下［2］：

φ為偏光片吸收軸與液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)面之間的夾角，當(dāng)φ＝45°時(shí)，PVA顯示的光利用效率最高，通過液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)改變液晶的Δnd從而實(shí)現(xiàn)亮暗顯示。

本文使用Techwiz3D模擬軟件，通過建立基于VA模式的像素電極模型 ，液晶使用負(fù)性液晶Merk131496，Δn＝0.109 2，Δε＝－3.7，γ1＝86m·Pa·s，cell gap設(shè)置為3.2μm。透過率分布模擬結(jié)果如圖5所示。由于暗態(tài)時(shí)使用了較高的驅(qū)動(dòng)電壓，窄視角模式在暗態(tài)時(shí)體現(xiàn)了較大的暗態(tài)漏光，從其像素正面透光圖也能看到明顯的漏光。而亮態(tài)顯示時(shí)，由于寬視角模式與窄視角模式使用了相同的驅(qū)動(dòng)電壓，所以亮態(tài)的透過率分布相同。針對該技術(shù)的視角特性仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 視角特性比較Fig.6 Comparison of view angle characteristics

圖7 寬視角模式的V－T曲線模擬結(jié)果Fig.7 Simulation result of the V－Tcurve of the wide－viewing mode

圖8 （a）寬視角模式下在上／下／左／右視角80°的視角；（b）窄視角模式下在上／下／左／右視角20°的視角.Fig.8 （a）Viewing angle of up／down／left／right viewing at 80°of wide－viewing mode；（b）The viewing angle of up／down／left／right viewing at 20°of narrow－viewing mode.

從圖6可以看出，當(dāng)顯示器件工作在窄視角模式時(shí)，其上、下、左、右4個(gè)方向的視角不足40°，而當(dāng)顯示器工作在寬視角模式時(shí)，其上、下、左、右4個(gè)方向的視角均大于80°。針對該技術(shù)的顯示器件的V－T曲線仿真結(jié)果如圖7，使用該V－T曲線作為寬視角模式標(biāo)準(zhǔn)伽馬曲線，圖8是使用Techwiz3D模擬在不同視角下觀看圖像得到的模擬圖。

4 結(jié) 論

提出了一種基于VA模式的視角切換技術(shù)，使用者通過選擇不同的Tconcode，兩套code對應(yīng)編譯不同的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)要求寬視角顯示時(shí)，Tcon輸出標(biāo)準(zhǔn)Gamma2.2曲線；當(dāng)要求窄視角顯示時(shí)，則Tcon給面板一個(gè)預(yù)先設(shè)置的偏移量。通過使用三維仿真軟件模擬分析發(fā)現(xiàn)，亮態(tài)下寬窄視角有相同的透過率分布，而在窄視角模式下斜視角方向有很大的暗態(tài)漏光，導(dǎo)致斜視方向?qū)Ρ榷冉档?，視角變小。相比傳統(tǒng)的在液晶盒上添加補(bǔ)償膜技術(shù)，本文提供的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)寬視角與窄視角模式切換，且不會(huì)帶來額外的制作及材料成本，是一種理想的可實(shí)現(xiàn)寬窄視角切換的顯示方法。

［1］ 鐘德鎮(zhèn)，李永謙，戴文君，等.液晶顯示裝置：中國，201110225983.5［P］.2011－11－23.Zhong D Z，Li Y Q，Dai W J，et al.The Liquid crystal display device：Chinese，201110225983.5［P］.2011－11－23.（in Chinese）

［2］ 馬群剛.TFT－LCD原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：216－242.Ma Q G.Principle and Design of TFT－LCD［M］.Beijing：Electronic industry Press，2011：216－242.（in Chinese）

［3］ 田民波，葉鋒.TFT液晶顯示原理與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：98－125.Tian M B，Ye F.The Principle and Technology of TFT－LCD［M］.Beijing：Science Press，2010：98－125.（in Chinese）

［4］ Lee S H，Kim H Y，LEE S，et al.Ultra－FFS TFT－LCD with super image quality，fast response time，and strong pressure－resistant characteristics［J］.Journal of the Society for Information Display，2002，10（2）：117－122.

［5］ Yeung F S，Li Y W，Kwok H S.Viewing angle switching of vertical alignment liquid crystal displays by controlling birefringence of homogenously aligned liquid crystal layer［J］.Appl.Phys.Lett.，2006，88（4）：041108.

［6］ Yeung F S，Li Y W，Kwok H S.Pi－cell liquid crystal displays at arbitrary pretilt angles［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，90（5）：051116.

［7］ Lim Y J，Kim J H，Her J H，et al.Viewing angle switching of liquid crystal display using fringe－field switching to control off－axis phase retardation［J］.J.Phys.D：Appl.Phys，2010，43：085501.

［8］ Taira Y，Nakano D，Numata H，et al.Low－power LCD using a novel optical system［J］.SID’02 Digest，2002：1313－1315.

［9］ 冷金蓽.可控視角LCD的原理研究及驗(yàn)證［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.Leng J B.The principle research and vertification of viewing angle controlled LCD［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2010.（in Chinese）