1 引言 液晶显示器因为其良好的图像质量和低成本，在市场上已经完全取代了阴极射线管CRT显示器。液晶显示器主要有3种显示模式：扭曲向列模式(TN型)、面内旋转(IPS)模式和垂直排列(VA)模式[1]。IPS模式由于液晶分子是通过平面旋转实现显示，具有大视角和优良的触控体验，因此占据了液晶显示市场最大的份额[2-3]。边缘场切换(FFS)模式是从IPS模式下发展出来的显示模式，工作原理是液晶在整层的公共电极和像素电极产生的电场下旋转，因此与IPS模式相比具有更快的响应速度和穿透率。对于FFS模式，既可以运用正性液晶也可以采用负性液晶[4-10]。当电极电压达到饱和时，正性液晶分子沿着电场线方向快速旋转；当像素电压超过饱和电压时，随着驱动电压的增加，穿透率快速下降[11-12]。因此采用负性液晶可以有效增加穿透率。负性液晶的粘滞系数较正性液晶大，导致响应时间慢，且残像IS稳定性较正性液晶更差，因此市场上液晶显示器用的大都是正性液晶。但是随着人们对高分辨率、高亮度、低功耗的产品需求越来越强，而高分率正性液晶FFS产品的开口率减小，导致穿透率变小。为了提高穿透率，采用负性液晶很好地解决了这个问题。 本文对负性液晶FFS模式的像素设计进行了研究。通过模拟和实验，发现了像素设计对负性FFS模式液晶显示的光学特性影响。结果表明，像素间距(像素单元间距)、电极宽度和间距，以及电极的角度对负性液晶的驱动电压、穿透率和响应时间都有显著的影响。通过优化设计，最终在127 mm (5 in)FHD的产品上穿透率提升了18%，同时得到与正性液晶相当的响应时间。下面将从这几方面的设计和实验的结果进行具体的介绍和分析。 2 结构 从材料本身性能角度，配向膜与液晶材料的优异匹配，有助于液晶面板内部存储的残余电荷的释放，利于影像残留的改善，提升信赖性。由于正性液晶的阻抗较低，因此采用较低阻抗的PI能够有利于存储电荷的释放，维持稳定的电压保持率。而负性液晶材料的极性大，阻抗更大，离子浓度含量高, 且其稳定性比正性液晶材料差, 驱动的电压更高。因此负性液晶材料比正性液晶材料更容易发生残像。为了改善残像和获得高穿透的特性，本文使用的液晶材料为默克公司开发的负性液晶，其阻抗更高，约为1015Ω左右。为了获得更加稳定的信赖性，在试用了多款配向膜PI后, 实验发现PI阻抗越高，残像和闪烁现象改善得越好，与我们前面的分析一致。因为负性液晶的材料比正性液晶的敏感性更高，为了获得更好的烧付结果，本文选用了多款负性液晶在不同的PI材料上进行了多次试验，发现表 1所示的液晶材料比其他PI的匹配性更好，能获得更低的闪烁。这两款液晶有相同的介电参数(Δε)，与LC-B相比，LC-A的粘滞系数(γ1)更低，光学各向异性(Δn)更低。 表1 液晶材料参数 Item LC-A-6 LC-B-0 Δn 0.101 4 0.094 3 γ1 89 93 Δε －3.9 -3.9 Parameters of liquid crystal materialTable 1 我们将实际配向膜PI材料的参数和工厂实际配向角度参数搭配同一款液晶进行模拟仿真，结果发现PI的添加与参数的变化对于穿透率和响应时间几乎没有影响，而本文目的是为了研究像素设计和材料对于穿透率和响应时间的影响，因此模拟中我们没有加入PI。本文中的模拟结果都是没有PI的结果。但是实际的量测值为产品通过设备量测出的平均穿透率，且均是加上PI的。 液晶显示器的穿透率与很多因素有关，如液晶效率、波长匹配性、彩膜的膜厚、偏光片、像素设计、电场结构等。我们可以通过减小彩膜膜厚，采用高透的偏光片等方法来提高穿透率。但是这些方法都存在缺陷，如有的增加了成本，有的降低了色度，有的降低了对比度。因此像素设计是提升穿透率且综合性能最优的途径。本文着重从像素设计方面讨论性能的优化。本文仿真的平均穿透率是在全波段下的模拟值，即波长范围为0.38~0.78 μm，且采用固定的彩膜参数、背光参数，偏光片参数和液晶参数。为了更加贴近设计值，在后面的实测数据中，也是挑选出与理论像素设计值最接近的产品进行量测分析。因此仿真和实测的相关性很高。 图 1为仿真结构的俯视图。仿真时我们选取的盒厚为3.4 μm, 预倾角为0.06°。 图1 仿真结构俯视图 Top view of the simulation structureFig 1 3 仿真分析 3.1 像素间距 目前为止，对于像素间距的研究比较少。我们通过仿真研究发现不同的像素间距对穿透率的影响很大。通过设置不同的像素间距可获得最高的穿透率，我们还进行了相应的验证实验。本文中采用了广泛使用的液晶模拟软件Expert LCD进行仿真研究。图 2为像素间距为9，10，10.5，11 μm时的穿透率，其中液晶为LC-A，像素间距和电极的宽度距离比(W/S)为0.7~0.735，电极倾斜角为5°，蟹角为35°。 图2 不同像素间距下穿透率的仿真值 Simulation values of transmittance under different pitch of pixelFig 2 虽然穿透率曲线有变动，仿真结果显示像素间距确实对穿透率有影响。很明显像素间距为10 μm左右时，穿透率达到最大值为4.91%。 我们仿真分析了为何10 μm为穿透率最大值。当其他条件不变，像素间距为10 μm时，穿透率曲线积分值为最大，因此，此时的穿透率最大。通过这种方法可以找到穿透率最大时的像素间距。若像素间距继续减小，电极周围的电场影响相邻的电极上液晶，导致混色。我们用实验验证了仿真和分析，将在下文中详细讨论。 3.2 电极倾斜角 FFS模式的LCD中，配向角对光学特性的影响已经有了大量的研究和分析[13]。但是负性液晶FFS模式中倾斜角对光学特性的影响分析却很少，尤其在高分辨率、低开口率的LCD产品中。事实上，在液晶光电特性中，倾斜角和配向角之间存在一定的关系。但是实际生产中，负性液晶的配向角从0°增加到10°，光学特性几乎不变，因此本文我们只研究电极倾斜角的影响。图 3为不同电极倾斜角的穿透率的变化，此时像素间距为10 μm，电极宽度和间距比为0.73。从图 3可以发现随着倾斜角增大，穿透率也逐渐增加。这是因为倾斜角增大时，液晶的工作电压增加，导致电场强度增大，因此穿透率增大。Lee等人详细分析了正性液晶时配向角对光学特性的影响[13]。 图3 不同电极倾斜角下的穿透率 Transmittance of slit angleFig 3 3.3 宽度间距比 FFS模式的V-T(Voltage-transmittance)特性对钝化层SiNx的厚度和像素电极的线宽依存性很大。在一定的电场下，像素电极宽度越小，像素电极上的电场越强，像素的整体穿透率越高。但是，电极宽度越小，像素电极上的电场线的面积越小，电极间距超过一定的大小后，随着电场强度的减小，穿透率也快速减小。电极宽度越宽，这种下降的趋势越不明显[14]。因此，我们针对这种性质，将电极宽度和电极间距的比值(Width-space ratio，WSR)作为研究参考值。 图 4为不同WSR时穿透率的变化。WSR为0.59，0.66，0.74，0.83，0.93分别对应条件3，4，5，6，7。从图 4中不难看出WSR为0.65~0.83时穿透率较高。 图4 不同WSR时仿真穿透率的变化 Simulation of transmittance with different WSRFig 4 4 实验测量 4.1 穿透率 我们开展了一系列的实验来验证仿真分析。图 5是不同条件下穿透率的量测值。图 5(a)为不同像素间距时穿透率的量测值。从图中可知实际量测值比仿真值有所偏高，但是属于能接受的修正范围。我们重点关注的是变化趋势。实验量测发现像素间距为10 μm时, 穿透率最高为5.65%。这个数值比相同条件下的正性液晶提高了18%。 图5 实验中不同条件下的穿透率 Measured transmittance under different conditions in the experimentFig 5 图 5(b)为不同倾斜角下的实测穿透率变化。数据显示量测变化与仿真相同，即倾斜角越大穿透率越高。 图 5(c)为不同WSR下的穿透率仿真和实测值对比。可以看出仿真条件和实测条件基本相符。因此我们的仿真结果具有可参考价值。图 5(d)为不同WSR条件下的穿透率实测值。对比图 5(d)和图 4(b)可以看出，较高穿透率下的电极WSR仿真和实测是一致的，在条件3, 4, 5, 6时即像素宽度间距比在0.6~0.83之间，可以获得较高的穿透率。 4.2 响应时间 响应时间一直是人们的关注的重点。负性液晶之所以一直没有被人们广泛使用就是因为其响应速度比正性慢。针对此问题，我们请液晶厂商提供了两种不同表现特性的液晶。表 1给出的两种液晶，LC-B具有良好的可靠性，LC-A具备快速响应。前面的像素设计一直用的是LC-B，仿真和实验结果发现LC-A其实具备更好的光学特性。但是LC-B比LC-A烧付结果更好，但是实测的响应时间较慢。 图 6为实测响应时间随不同条件的变化。此时的盒厚均为3.4 μm。图 6(a)是液晶型号为LC-B，像素间距为10 μm，电极倾斜角选为5°，蟹角为35°时响应时间随WSR的变化。仿真结果发现WSR对响应时间几乎没有影响，实测结果也表明WSR在0.74~0.9之间时对响应时间几乎没有影响。 图6 实测响应时间随WSR(a)和像素间距(b)的变化 Measured response time vs. WSR(a) and pitch of pixel(b)Fig 6 图 6(b)为液晶型号为LC-B，WSR值在0.7，电极倾斜角为5°，蟹角为35°时，响应时间随像素间距的变化。像素间距对响应时间的影响也很小，仿真结果只有不到1 ms的波动；实验结果表明，响应时间只有不到1.5 ms的波动。 图 7为液晶型号LC-B在像素间距为10 μm时，不同倾斜角时响应时间变化。由图 6和图 7可以发现，LC-A比LC-B获得更快的响应时间，这是因为在表 1中提到的LC-B的粘滞系数更高为93，而液晶LC-A只有83，因此LC-B的液晶分子在相同的电压下更难旋转。此外，从图 7中不难看出，随着倾斜角增大，响应时间也会增大。实验中我们测量了盒厚为3.2 μm时LC-A的响应时间为26 ms, 达到了正性液晶的水平。响应时间公式为： 1 图7 液晶型号LC-B在像素间距为10 μm时，不同倾斜角对响应时间的影响。 Response time vs. different slit angles of LC-B with pitch of pixel of 10 μmFig 7 其中：γ1为液晶的粘滞系数，K22为扭曲变形弹性系数，d为盒厚。从公式(1)中可以看出盒厚d和γ1对响应时间影响很大，降低盒厚和γ1对降低响应时间作用很明显。模拟和实测的结果也验证了此点。 5 结论 本文对负性液晶边缘场切换膜式的性能及优化进行了研究，包括高分辨率-FFS模式下的负性LC材料的像素设计，像素间距、电极宽度比、倾斜角、蟹角对穿透率和响应时间的影响。通过模拟仿真，实验发现在小尺寸高分辨的负性FFS显示模式下，在像素间距为10 μm左右时获得最大穿透率，电极宽度比的最佳取值范围为0.65~0.82。此外，响应时间取决于像素倾斜角和盒厚，而与像素间距和电极的宽度距离比无关。相比于正性液晶的FFS模式，参数优化使得穿透率提高了18%，并且响应时间为26 ms，和正性液晶相当。当其他条件相同时，像素区域的穿透率曲线面积最大时，穿透率也是最大，通过这种方法确定了负性液晶FFS模式的最佳像素间距，实现了高穿透的负性液晶FFS模式显示，为以后的负性液晶FFS模式的像素设计提供了很好的设计指导和参考。