摘要：共面转换液晶显示器(IPS-LCD)由于其具有可视角度大、色彩真实、画质出色等优点，在平板显示器中得到了广泛应用,然而响应速度慢限制了其在高端显示器中的应用。本文中，首先通过采用正性液晶，对IPS类型中的边缘场转换型(FFS)和边缘场共面转换型(FIS)的液晶显示器，不同摩擦角度下的电光特性和响应时间进行了模拟计算。然后从预倾角度、电极尺寸以及弹性常数出发，对FIS液晶盒结构参数进行了优化，提出了一种快速响应的液晶显示器。我们通过计算机模拟发现，在FFS液晶盒中，摩擦角度对工作电压具有较大影响，小摩擦角度可实现高透过率、低工作电压；而在FIS液晶盒中，摩擦角度对响应时间具有较大影响，大于10°时与2°时相比，响应速度可提高82.7%以上。并且，不同摩擦角度下，弹性常数对FIS液晶显示器的响应速度影响不同，摩擦角度为2°时，响应速度与弹性常数K11、K22、K33都有关，而摩擦角度为12°时，响应速度只与K22有关，这个原因导致了12°与2°时相比，响应速度提高了84.2%。
关 键 词:FIS液晶显示器；工作电压；快速响应
1 引 言
液晶显示器作为一种重要的平板显示器件，由于其拥有低功耗、重量轻、易驱动和分辨率高等特点，被广泛应用于高端显示器件中。液晶显示器经过多年的发展，已经开发出多种显示模式的液晶显示器，例如TN型[1]、IPS型[2-3]、FFS型[4-5]和VA型[6]，其中IPS型由于其具有可视角度大、色彩真实、画质出色等优点，应用最为广泛。目前，向列相液晶器件的响应时间是限制其性能发挥的弱点所在。由于液晶显示器需要依赖液晶材料的旋转来控制光的透过及反射，而液晶分子的旋转速度又依赖于液晶材料的性质以及液晶显示器件的结构。降低响应时间的方法有多种，近年来，为了提升液晶显示器的响应速度，各种各样的方法也已经被提出[7-13]。尤其是在改变电极结构上，比如双面FFS盒结构[14]、电极错位、添加凸起[15]等。
在本文中，我们从摩擦角度、电极尺寸以及弹性常数出发，通过对结构参数进行优化，提出了一种快速响应的液晶显示器。通过模拟计算我们得出FFS液晶盒的摩擦角度对工作电压有较大影响，小摩擦角度可实现高透过率、低工作电压。FIS[16]液晶盒的摩擦角度对响应时间有较大影响，角度选在10°到15°范围内，预倾角度选为2°时可实现快速响应。除此之外，我们还对比了不同电极尺寸以及不同摩擦角度下弹性常数对透过率以及响应时间的影响，摩擦角度为2°时，响应速度与弹性常数K11、K22、K33都有关，而摩擦角度为12°时，只与弹性常数K22有关，这导致了摩擦角度12°时响应速度更快，为了实现快速响应的FIS液晶显示器，大摩擦角度相对于小摩擦角度在液晶材料的选择空间上更大，更具有优势。
2 结构与原理
传统FFS-LCD和FIS-LCD结构如图1所示，两种显示模式的电极结构相同，像素电极均为梳状电极，公共电极均为面状电极，并且公共电极位于像素电极下方，两者之间用绝缘层(二氧化硅或氮化硅)隔开。不同的是FFS液晶盒是在像素电极加极性相同的电压，利用像素电极与公共电极间产生边缘场驱动液晶分子，而FIS模式是在像素电极之间施加极性相反的电压，利用像素电极之间的共面场和与公共电极间的边缘场驱动液晶分子。
图1 FFS、FIS结构原理图
Fig.1 Structures of the FFS mode and the FIS mode
液晶显示器的响应时间一般表示如下：
τd=
,
(1)
τr=
,
(2)
其中:τd表示液晶盒去掉驱动电压后液晶分子恢复到初始状态所需的时间，τr表示液晶盒施加电压后液晶分子发生形变到液晶分子稳定的时间，γ为转动粘滞系数，d为液晶盒厚，Uv表示驱动电压，Uth表示阈值电压，Ke为等效弹性常数，不同模式下，Ke等于不同的弹性常数，或者不同的弹性常数组合。
3 模拟计算与讨论分析
我们采用三维液晶模拟软件Techwiz LCD(Sanayi，Korea) 利用2×2琼斯矩阵[17]对FIS和FFS液晶盒进行了模拟计算，模拟中采用相同的液晶材料，材料参数设置如下：K11= 10.87 pN，K22= 9.5 pN，K33= 15.37 pN，介电常数差Δε = 5.3，Δn = 0.096 9，转动粘滞系数γ1= 100 mPa，液晶盒d = 4 μm，绝缘层的介电常数εr= 3.8，厚度为0.1 μm。初始状态液晶分子沿基板表面排列。我们分别对FIS和FFS液晶显示器，不同摩擦角度下的电光特性以及响应时间进行了模拟计算，并对不同的预倾角度、电极尺寸以及弹性常数下的FIS液晶盒结构参数进行优化，以实现快速响应。
3.1 模拟计算
首先模拟计算了不同摩擦角度下FIS模式和FFS模式对电光特性以及响应时间的影响，一般我们定义上升时间为施加驱动电压后，透过率由10%变化到90%所需的时间，下降时间为去掉电压后，透过率由90%下降到10%所需的时间。模拟中上下基板的预倾角度设置为2°，电极宽度为2.3 μm，电极间隔为4 μm，使用单波长的绿光作为入射光(λ=550 nm)，所用偏光片为标准偏光片G1220DU：ne = no=1.5, ke= 1.929×10-3, ko = 4.535×10-5，偏光片厚度为230 μm(T(P┷A)=0.284 4)。
3.1.1 摩擦角度对FIS液晶盒透过率及响应时间的影响
FIS液晶盒不同摩擦角度下电光特性和响应时间曲线如图2所示。我们可以看出2°到15°范围内，随着摩擦角度的增大，透过率略有降低(由0.261变为0.254)，饱和工作电压增大，并且其对应的阈值电压减小，如图2(a)所示。除此之外，随着摩擦角度的增加，上升时间减小(由35.01 ms减小到18.87 ms)，下降时间几乎不变，角度大于10°时与2°时相比，响应速度至少提高了82.7%。并且当角度大于10°时，摩擦角度对响应时间的影响变小，如图2(b)所示。综合考虑摩擦角度对透过率、工作电压以及响应时间的影响，结合表1可以看出角度选在10°～15°范围内最为合适。
(a)电光特性曲线
(a) Voltage-transmittance curves
(b)响应时间曲线
(b) Response time curve
图2 FIS不同摩擦角度下的电光特性与响应时间曲线
Fig.2 Voltage-transmittance curve and response time of FIS cell with different orientation
表1 FIS模式不同摩擦角度下的透过率、工作电压以及响应时间
Tab.1 Transmittance, operating voltage and response time of the FIS cell
3.1.2 摩擦角度对FFS液晶盒透过率及响应时间的影响
FFS液晶盒不同摩擦角度下电光特性和响应时间曲线如图3所示。我们可以看出，摩擦角度对FFS透过率及响应时间的影响与FIS是类似的。随着摩擦角度的增大，透过率稍有降低(由0.265降至0.257)，饱和工作电压增大(由6.1 V增大到7.1 V)，如图3(a)所示。并且，随摩擦角度的增大，上升时间减小，响应速度加快，如图3(b)所示。但相对于FIS模式，摩擦角度对FFS液晶盒响应时间的影响较小，对工作电压的影响较大，而FIS液晶盒却恰好相反。因此，FFS液晶盒中，小摩擦角度可实现高透过率、低工作电压，2°与5°时相比，工作电压增大了3.2%，但响应时间减小了6.5%，结合图3和表2，可以得出摩擦角度选为5°较为合适。除此之外，对比表1和表2的数据可以发现，相同摩擦角度下，FIS液晶盒的响应速度更快。
(a)电光特性曲线
(a) Voltage-transmittance curves
(b)响应时间曲线
(b) Response time curve
图3 FFS不同摩擦角度下电光特性曲线
Fig.3 Voltage-transmittance curve and response time of FFS with different orientation
表2 FFS模式不同摩擦角度下的透过率、工作电压以及响应时间
Tab.2 Transmittance, operating voltage and response time of the FFS cell
3.2 讨论分析
3.2.1 预倾角度对透过率及响应时间的影响
图4对比了电极宽2.3 μm，隔4 μm，摩擦角度为12°时，FIS模式不同预倾角度对透过率以及响应时间的影响。通过对比可以看出，不同的预倾角度对透过率及驱动电压几乎没有影响，如图4(a)所示，而对上升时间有一定的影响，0°～2°范围内随着预倾角的增大，上升时间减少，预倾角度为0°时，上升时间为20.6 ms，预倾角度增大到2°时，上升时间降为19.0 ms。而当预倾角度大于2°，随着预倾角的增大，上升时间反而增加，5°时上升时间增加到20.2 ms，如图4(b)，因此，预倾角度选为2°最为合适，但总体影响大。
(a)电光特性曲线
(a) Voltage-transmittance curves
(b)响应时间曲线
(b) Response time curve
图4 FIS不同预倾角度下电光特性曲线与响应时间曲线
Fig.4 Voltage-transmittance curve and response time under different tilt angle
3.2.2 电极尺寸对透过率及响应时间的影响
图5、图6模拟了不同电极尺寸对透过率，以及不同电极尺寸下，不同摩擦角度对响应时间的影响，图5(a)显示了电极间隔为4 μm时，不同电极宽度的电光特性曲线的模拟结果。通过对比可以发现：摩擦角度为12°时，随着电极宽度的增大，透过率降低，饱和工作电压也降低，电极宽度为2 μm时，最高透过率为0.26，工作电压为3.6 V，电极宽度为6 μm时，最高透过率为0.20，工作电压为2.9 V。除此之外，不同摩擦角度下，电极宽度对下降时间几乎没有影响，而对上升时间有较大影响，随着电极宽度的增大，上升时间增加，响应速度变慢，如图5(b)所示。
(a)电光特性曲线
(a) Voltage-transmittance curves
(b)响应时间曲线
(b) Response time curve
图5 不同电极宽度下电光特性曲线与不同摩擦角度响应时间曲线
Fig.5 Voltage-transmittance curve on the width of intevdigitated electrodes and response time with different orientation
图6(a)为电极宽度为2 μm，摩擦角度为12°时，不同的电极间隔的电光特性曲线，可以看出，随着电极间隔的增大，饱和工作电压增加，但是透过率并不是一直增加的，由此可见较小的电极宽度，合适的间隔才能得到较好的电光特性，除此之外，不同的摩擦角度下，不同的电极间隔对下降时间没有影响，而对上升时间有较大的影响，随着电极宽度的增大，上升时间增加，响应速度变慢，如图6(b)所示，所以电极宽度越窄，间隔越小，响应速度越快。
(a)电光特性曲线
(a) Voltage-transmittance curves
(b)响应时间曲线
(b) Response time
图6 不同电极宽度下电光特性曲线与不同摩擦角度响应时间四线
Fig.6 Voltage-transmittance curve on the gap of intevdigitated electrodes and response time with different orientation
3.2.3 弹性常数对响应时间的影响分析
为了表明弹性常数对响应时间的影响，我们模拟计算了相同条件、不同摩擦角度下，响应时间随弹性常数的变化，如图7所示。通过模拟可以发现，摩擦角度为2°时，上升时间不仅取决于弹性常数K22，也取决于K11和K33，也就是说此时的液晶分子在共面场和边缘场的作用下，不仅发生了扭曲形变，也发生了展曲和弯曲形变，并且随着弹性常数的增大，响应时间减小，响应速度加快。而摩擦角度为12°时，上升时间几乎不随弹性常数K11和K33变化，只随K22的增大而减小，也就是说该摩擦角度下的液晶分子只发生了扭曲形变。场致效应引起的展曲和弯曲形变导致了摩擦角度为2°时响应时间的增加，12°时与2°时相比响应速度提高了84.2%。因此，FIS液晶显示器为了实现快速响应，我们可以选择较大的摩擦角度，具有较大K22值的液晶材料，并且大摩擦角度相对于小摩擦角度在液晶材料的选择空间上更大，更具有优势。
图7 不同摩擦角度下，弹性常数对上升时间的影响
Fig.7 Dependence of the turn-on time on three elastic constants with different orientation
4 结 论
通过计算机模拟，从摩擦角度、预倾角度、电极尺寸以及弹性常数出发，对FIS液晶盒结构参数进行了优化，提出了一种快速响应的液晶显示器。摩擦角度选为10°～15°范围内时，响应速度相较于2°时可提高至少82.7%。另外，摩擦角度为2°时，响应速度与弹性常数K11、K22、K33都有关，而摩擦角度为12°时只与K22有关，这个原因导致了12°比2°时响应速度提高了84.2%。所以，FIS液晶显示器为了实现快速响应，我们可以选择较大的摩擦角度，具有较大K22值的液晶材料，并且大摩擦角度相对于小摩擦角度在液晶材料的选择空间上更大，更具有优势。这在以后FIS液晶显示器实现快速响应，在摩擦角度、电极尺寸以及液晶材料的选择上具有很强的指导意义。
