TFT-LCD中FFS显示模式介绍

新型FFS-TFT LCD技术

1.前言

虽最近几年出现几种可以改善LCD画质的技术，其中又以新型边界电场切换技术(简称为

FFS:Fringe Field Switching)能同时实现高穿透性与大视角等要求，因此备受相关业者高度重视。所谓的FFS技术是藉由边界电场使面内几乎均质排列的液晶分子的电极表层内部旋转，进而产生

IPS(In Plane Switching) 技术无法达成的高穿透性效应(图1)。

IPS方式的电极幅宽w与cell间隙d之电极间距很小，施加电压时电极间会发生面内电场，液晶祇能在该部位产生光变频，光穿透领域因而受到限制。相较之下FFS方式是在画电极间距l下方设置

一般电极，补助容量Cst 存在于光穿透领域，施加电压就会产生边界电场使液晶在电极上旋转，因此可获得高穿透率效果。此外传统的TFT LCD通常使用负诱电率异方性液晶(以下简称为负液晶)，其高黏度使的反应速度祇有50ms左右，加上液晶是在单一领域内单一方向的面内旋转，因此会有所谓的彩色移转现象发生。如表1所示正诱电率异方性液晶(以下简称为正液晶)的低扭转黏性，具有高反应时间与低驱动电压优点，不过正液晶的光效率不如负液晶。如果将液晶cell参数最佳化，正液晶也可获得等同于负液晶90%左右的光穿透效率。此外像素电极如果电极作成褉形结构(wedge type)并使设计参数最佳化，如此一来data电极与像素电极之间的光泄漏便会自动的被抑制，其结果是黑矩阵(black matrix)实质上可以完全不用，同时还可以增加光线穿透率，达成25ms高速反应时亦不会减损LCD的辉度，利用FFS技术的TFT-LCD的画质除了足可比美CRT之外，这种技术非常适合应用于各种尺寸的液晶显示器。

2.cell与液晶的设计

FFS技术具有以下特性:

1.高穿透率。

2.视角宽广。

3.无失真(cross talk)。

4.耗电量低。

5.反应速度快

6.耐压性高。

由于电极被设计成可产生边界电场之结构，因此最初的液晶分子系同质(homogeneous)排列于直交偏光组件内。当电极表面的垂直距离为0.4μm时，强大的水平电场会出现在像素电极(pixel)端缘(edge)附近，以及水平电场Ey 与垂直电场Ez两电极的中心到端缘之间，此时及水平电场Ey在电极中心为零。电极表面的垂直距离为3μm时，水平电场Ey与垂直电场Ez的强度变弱，垂直电场在电极中央上呈最大值，在电极端缘为最小，这种电场分布特性是因为液晶分子配向所造成的，所以它的特性与应用格外受到嘱目(图2)。

假设俯仰角(tilt)为θ、扭转角(twist)为? 、内部cell间隙(gap)为d时，正液晶的电场特性如图3所示，图中的A1是端缘位置，A2是端缘至中心之间的位置，A3是一般电极的中央位置。液晶的研磨角α(rubbing angel)与边界电场水平方向成78°，俯仰角θ为2°。由图3可知液晶分子在下方基板表面附近的上方俯仰，尤其是A2的最大俯仰角比其它部位更大，A2的最大俯仰角受到强大的垂直电场影响，正液晶时为-400 (负符号表示与初始方向相反)。

有关扭转角? ，正液晶时它A1的扭转角? 与A1液晶分子形状成 680扭转，如此小的扭转角几乎和TN-LCD相同；A2、A3位置最大俯仰角θ分别是30°与50°，这表示A1的光线穿透率比A3大，同时也意味着正液晶的FFS光学特性与低扭转角的TN-LCD相同；A2的俯仰角θ大约是40°，换句话说A3液晶分子旋转的弹性力量相对得比负液晶组件微弱，这也是正液晶的光线穿透率(或称为光透过率)比负液晶小的原因。从以上诸多的现象显示FFS与IPS或是负液晶组件(device)有截然不同的差异。如图4可知正液晶的FFS cell光效应Δnd值比负液晶IPS大，而且它是存在于TN的初始最小值(first minimum)与IPS组件之间，且正液晶的FFS光效率是研磨角α的关数(图5)。负液晶的FFS研磨角α在120 到300 之间，它的最大光线穿透率几乎未受任何影响；相较之下正液晶的FFS的α从780 变化到 600时，最大光线穿透会出现明显变化，这些都是IPS与负液晶组

件所没有的特性。不过α角为450 时由于液晶的director最大扭转角无法达到450 ，因此它的最大光线穿透率会变小。根据以上的现象可知祇要充份掌握研磨角α、FFS组件cell的参数与光线穿透

率的互动关系，就能使

正液晶获得等同于负液

晶90%左右的光穿透效

率。

3.新型FFS的像素构造

如图6所示FFS的像素电极部份为楔形状，1/2像素的电场方向和另一方的1/2像素的电场方向相异；如果是传统的IPS方式，像素电极与对向电极也使用与FFS相同的形状图案时(pattern)，光线穿透率会变得很低，所以无法比照使用。由于FFS的cell具有如此的构造，因此液晶分子在单一像素内延着顺、逆时钟方向旋转时，对视角变化色之度坐标移动而言，新型FFS在某一倾斜角的蓝变与黄变比一般的FFS小，尤其是新型FFS水平方向的液晶director旋转程度具有相辅性(图6是白场时液晶director的形状)，这种自我补偿效应使得FFS的色度坐标移动比IPS少。换句话说FFS的结构特点是该领域的电场方向与液晶director平行，因此像素与data bus line之间的领域不会发展漏光现象，data bus line所引起的噪讯传递会将液晶director转嫁到最初的研磨方向，造成如图6所示的全暗状态，该领域的漏光乃是低阶失真(cross talk)原因之一，实际上新型FFS即使在data bus line没有shield它的失真依旧很低。这些特性使得新型FFS可以舍弃传统的彩色滤光膜上的黑矩阵结构，

同时还可以补偿正液晶的光

线穿透率并增加开口率。

图7是利用FFS技术制作的18.1英吋TFT-LCD的对比特性图，由图可知该LCD的视角相当均匀对称，polar角以内所有方位的CR(对比值)值为13至最大值为100时，不论是水平、垂直方向的polar角都超过。如果将一般FFS与新型FFS的白场色彩移动作比较时，量测资料是在polar角范围内每次增加取样，结果发现新型FFS的视角会产生变动，色度坐标值却维持不变。由这些数据显示新型FFS具有高穿透率、稳定的色度坐标值、宽广视角、低失真等诸多优点。

新型FFS所使用的正液晶扭转黏度γ(<100mPa?s)比目前所有正液晶转黏度(>100mPa?s)还低。IPS 为了达成高速反应的目标通常会降低d与γ值，不过降低d值却会增大驱动电压，进而造成△ε变大。由于驱动电压与下式的d值成反比例，与成正比例，因此液晶的扭转黏度γ会增加。

上述动作原理亦适用于负液晶FFS，不过负液晶FFS的director几乎是面内旋转，减低cell间隙会使驱动电压增大，而正液晶FFS却刚好相反(图8)，这种特性主要是A2的液晶分子扭转效应所造成，对正液晶FFS而言减低驱动电压并不需要提高△ε ，且正液晶的△ε 比负液晶大，减低cell间

隙不但可以提高反应速度，本质上还具

有低驱动电压特征。

表2是利用新型FFS技术配合cell参数、材料、电极结构最佳化制作的18.1英吋TFT-LCD规格，四灯管背光模块可获得220cd/cm2 辉度；5V的驱动电压与23W低耗电性，可实现60%的演色性，反应时间为25ms。图9是将新型FFS组件分别从配向分割数、视角、画质等观点与其它型式的组件作比较，由图可之单一配向分割组件之中以FFS和IPS的画质最好，不过在所有型式当中祇有新

型FFS同时具备

大视角与高画质

等特性。

4.结语

液晶显示器是利用液晶被施加电荷时扭转完成光开关效应，因此液晶的反应速度与扭转角度直接影响显示器的画质与视角特性，而传统的IPS或FFS技术无法同时兼具多种光学特性，造成使用者许多应用上的不便。然而新型FFS技术的问世，使得上述问题能有效获得改善。有关新型FFS今后的发展除了朝向大画面与触控式面板领域发展之外，高速反应与高画质大视角的特性，非常适合应用于各种动态影像用显示领域。