合肥京東方顯示技術(shù)有限公司 劉同海 高章飛 孫國防 韓海濱

ADS模式TFT-LCD的顯示原理研究

合肥京東方顯示技術(shù)有限公司 劉同海 高章飛 孫國防 韓海濱

本文綜述了ADS模式TFT-LCD的結(jié)構(gòu)以及光線透過過程，對正、負極性場中的分子取向做了詳細闡述，并對ADS模式TFT-LCD的極性變換方式進行了說明，同時對大尺寸面板上廣泛采用的Column inversion的省電方面進行了分析。

ADS；邊緣電場；分子取向；極性變換

0 前言

TFT-LCD作為顯示領(lǐng)域最為重要的一部分，其顯示技術(shù)按照顯示原理可分為TN模式、IPS模式和VA模式[1]，IPS技術(shù)又逐漸衍生出高級超維場轉(zhuǎn)換技術(shù)（Advanced Super Dimension Switch，簡稱ADS技術(shù)）。ADS模式TFT-LCD技術(shù)占據(jù)了當(dāng)前很大的市場份額[2,3]，在應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，對其研究多集中于生產(chǎn)問題的改善和良率的提升[4-7]，多數(shù)廠商的工藝技術(shù)均大同小異，但是對于其顯示原理的分析未在學(xué)術(shù)期刊上有所報道，故本文針對ADS模式TFT-LCD的顯示原理進行闡述，便于行業(yè)內(nèi)更好的研討交流。

1 ADS模式TFT-LCD的結(jié)構(gòu)及控制方式

如圖1所示，為ADS模式TFT-LCD的基本結(jié)構(gòu)示意圖，同其他TFT-LCD模式類似，均是由兩塊液晶玻璃中間夾著液晶的“三明治”結(jié)構(gòu)，CF側(cè)上方和TFT側(cè)下方分別為一層偏光片，用來控制光線的傳播方向。TFT側(cè)玻璃基板上方為一層common電極，與TFT保護層上的顯示電極形成電場用以驅(qū)動液晶旋轉(zhuǎn)。圖1中的9,10,11,12共同組成了TFT開關(guān)，控制電場的開、關(guān)狀態(tài)。過孔Via Hole穿過TFT保護層使TFT和顯示電極連接進行通電。ADS模式TFT-LCD與IPS模式TFT-LCD結(jié)構(gòu)的最大不同之處在于common電極和顯示電極的位置不同，IPS類的common電極和顯示電極在同一層，只存在平行于玻璃基板的水平方向上的Ey電場。ADS模式產(chǎn)品的common電極和顯示電極不在同一層，除了水平方向的Ey電場，還在顯示電極邊緣附近分布著較強的垂直于基板玻璃的垂直電場Ez。

圖1 ADS模式TFT-LCD結(jié)構(gòu)圖

同IPS模式TFT-LCD一樣，在TFT關(guān)態(tài)下ADS模式TFT-LCD黑態(tài)顯示。處于開態(tài)時，垂直電場Ez可使液晶分子的偏轉(zhuǎn)程度加大，在顯示電極的邊緣可實現(xiàn)有效的光透過，增加像素的開口率，還可以提升整個顯示器的透過率[1]。當(dāng)一束發(fā)散的背光從TFT側(cè)基板照射過來后，下層偏光片過濾垂直偏光軸方向的光，只允許平行偏光軸的光透過，自然光變成直線偏振光。該部分的光經(jīng)過下側(cè)TFT基板抵達液晶層，ADS模式TFT-LCD的開口率更大，導(dǎo)致抵達液晶層的光照強度更強。液晶分子通過偏轉(zhuǎn)改變線偏振光的方向，垂直電場Ez使光線的透過率更強，穿過液晶層到達上側(cè)的彩膜CF基板時，在彩膜的作用下對光進行施加顏色，使透過的光呈現(xiàn)五顏六色。該部分光線抵達上偏光片時，平行上偏光軸的光線被射出。

在TFT-LCD的顯示過程中最主要就是通過控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)控制光線經(jīng)過液晶層的透過率，而液晶分子的偏轉(zhuǎn)來源于取向力的作用。

2 液晶分子的轉(zhuǎn)動取向力

液晶分子在電場中所受的力矩如下所示[1]。

圖2 正極性電場示意圖

由于液晶分子具有較強的共軛效應(yīng)[1]，當(dāng)液晶分子處于圖2所示的電場中時，液晶分子中的電子云密度發(fā)生改變，正負電荷分別在液晶分子的兩端聚集，電場強度增強過程中液晶分子的取向力開始增加，當(dāng)克服液晶分子的彈性以后開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，液晶分子的負電荷聚集于電場線起始端，正電荷聚集于電場線指向端。如圖3所示。

圖3 正極性電場下偏轉(zhuǎn)示意圖

在負極性狀態(tài)下電場線方向從common電極指向顯示電極，如圖4所示。

圖4 負極性電場示意圖

液晶分子上的電荷聚集方向與正極性場相反，所處的電場方向相反，在兩次相反作用下液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向相同，負極性電場下液晶分子偏轉(zhuǎn)示意圖如圖5所示。在正極性與負極性場中，只要電場的大小相同，液晶分子的偏轉(zhuǎn)程度就一樣，區(qū)別在于液晶分子上的正負電荷聚集方向相反。

圖5 負極性電場下偏轉(zhuǎn)示意圖

液晶分子在電場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)TFT關(guān)閉，common電極和顯示電極不再施加電壓時，此時的電場作用就會消失。液晶分子在電場作用下發(fā)生取向時，本身具有一個使取向變化消除的彈性力[1]，在去除電壓狀態(tài)下液晶分子會恢復(fù)成開始的未取向狀態(tài)，如圖6所示。在長時間保持同一極性電場情況下，液晶分子的彈性力會受到影響，在去除電壓后液晶分子返回不到最開始的未取向狀態(tài)，同時在液晶分子上電子云密度也會發(fā)生變化，正負電荷發(fā)生累積形成內(nèi)部電場引起“直流殘留”，從而導(dǎo)致顯示畫面的殘像現(xiàn)象發(fā)生[8]。

圖6 正極性電場下液晶分子復(fù)原圖

3 ADS模式TFT-LCD的面板極性變換

液晶分子在不同極性電場下的取向方向和程度一致，在長時間保持同一極性電場下則無法恢復(fù)到最開始的取向狀態(tài)，故在整個顯示屏的設(shè)計中需要將液晶分子所處的極性電場來回切換來完成顯示畫面的顯示。在ADS模式TFT-LCD的面板的應(yīng)用中，大尺寸TV類所占比例最大，這類產(chǎn)品在畫面品質(zhì)滿足要求的情況下節(jié)能作為設(shè)計的第一要求。如圖7所示為Column inversion的變換示意圖，同一行的像素點極性不同，同一列的像素點極性相同。

圖7 Column inversion

在common電極電壓固定的情況下，顯示電極由source driver自上而下進行充電，由于同一列極性相同，source driver的電壓數(shù)值無需大的變化，在Row inversion或Dot inversion中自上而下的像素點極性交替變化，source driver的電壓數(shù)值需一次比common電壓高一次比common電壓低，這種變化會導(dǎo)致耗電量的增加，如圖8所示。

圖8 單列顯示電極電壓變化圖

4 結(jié)語

ADS模式TFT-LCD的開口率較大，具有較高的透過率；正負極性場下取向力方向相同，偏轉(zhuǎn)方向相同；采用相對省電的Column inversion，在大尺寸顯示器上的市場上應(yīng)用廣闊。

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[3]賀然．84英寸點燃大屏幕液晶電視市場之戰(zhàn)[J]．電器,2013(1)：32-33．

[4]徐利燕,喻娟,劉冬,等．光照對ADS模式TFT-LCD Flicker漂移的影響[J]．液晶與顯示,2016,31(5)：454-459．

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劉同海（1991—），男，安徽合肥人，碩士研究生，中級工程師，現(xiàn)就職于合肥京東方顯示技術(shù)有限公司。