摘要：共面转换液晶显示器(IPS-LCD)由于其优异的视角特性和色彩还原能力在TFT-LCD中得到了广泛应用，然而响应速度慢的缺点始终限制着其在高端液晶显示器中的发展。本文中提出一种凸起电极结构的共面转换液晶显示器，并采用TechWiz软件模拟了该结构的电光特性。与传统IPS-LCD相比，我们提出的新结构IPS-LCD的驱动电压降低了2.3 V。在响应时间方面，尽管驱动电压降低了，但是由于凸起电极改变液晶层中的电场状况，因此上升响应速度得到了一定提高。此外，凸起结构减小了液晶层的等效盒厚，因为下降时间正比于液晶盒厚的平方，所以下降响应速度也得到了明显提高，该结构的整体响应速度相比传统结构提高了大约38%。
关 键 词：共面转换液晶显示器；驱动电压；快速响应；凸起电极
1 引 言
共面转换液晶显示器的工作原理是液晶分子在电场的作用下在平面内转动，从而达到调光的目的。在撤销电场之后，液晶分子在边界取向的作用下，依靠弹性力弛豫至初始位置[1]。因为液晶材料中的扭曲弹性常数最小，因此共面转换液晶显示器的响应时间在各种液晶显示器中最慢。为提高液晶显示器的响应速度，可以从3个方面考虑：(1)采用超低黏滞系数的液晶材料，因为响应时间与黏滞系数成线性比例[2]；(2)采用擦除电压加速液晶分子的弛豫恢复，例如有人提出的三电极结构[3-4]，但是类似这种采用双面电极的结构对工艺要求非常严格，误差对于透过率影响十分的明显，生产成本较高；(3)减小液晶盒厚度，响应时间与盒厚的平方成正比，因此减小液晶盒厚度是提高响应速度最简单有效的方法[5-6]。蓝相液晶显示器的调光机制基于克尔效应，拥有亚毫秒量级响应速度，成为人们争相研究的热点。但是其驱动电压高、暗态漏光、开口率低、磁滞现象等缺点也制约了蓝相液晶显示技术在高端显示器中的应用[7-10]。尽管有人提出了在采用凸起式IPS电极结构降低了其驱动电压，但是相较于采用向列相液晶的显示器，其驱动电压仍然很高[11]。不过这种采用凸起电极降低驱动电压的方法却值得借鉴。
在本文中，我们提出了一种梯形凸起电极结构的共面转换液晶显示器，并详细讨论了梯形凸起角度、高度以及摩擦方向对电光特性的影响。此前Park 等人曾提出了在像素电极间加凸起的快速响应FFS结构[12]，但是将这种凸起设计与传统结构对比，发现其在响应速度提高的同时，最大透过率有所降低，且驱动电压升高了2 V。而本文提出的梯形凸起电极IPS模式的模拟结果表明：凸起电极结构改变了盒内电场分布情况，使得驱动电压降低了大约2.3 V。此外，凸起结构还减小了液晶盒的等效厚度，使得响应速度得到明显提高。
2 结 构
传统IPS-LCD结构和本文提出的IPS-LCD的结构如图1(a)和(b)所示。液晶盒放置于两片相互正交的偏振片中间，为了获得良好视角，在上偏光片和上基板中间加上一层λ/2的双轴补偿膜(双轴参数Nz=(nx-nz)/(nx-ny)=0.5) [13]。为了防止凸起边缘的液晶分子取向混乱导致暗态漏光，原则上应使摩擦方向沿着电极方向，事实上，我们采用与电极方向夹角4°近平行摩擦取向，液晶分子与电极间的微小夹角可以起到类似于TN盒中预倾角的作用，帮助液晶分子向同一方向转动，降低阈值电压和提高响应速度[14]。采用的梯形凸起结构相比于垂直凸起结构的优点在于，凸起边缘相对缓和的梯形使得凸起边缘液晶分子在施加电场时可以充分转动，从而降低开态时凸起边缘液晶分子混乱排列对透过率的影响。
图1 (a)传统IPS模式结构；(b)提出的凸起IPS结构图
Fig.1 Structures of (a) the conventional IPS mode and(b)the proposed IPS mode
3 模拟计算与讨论分析
我们采用TechWiz LCD 3D软件对传统IPS结构和提出的IPS结构的电光特性进行了模拟计算。为了对比，我们在模拟计算两种结构时选用同一种液晶材料，模拟中使用的光波长λ=550 nm，模拟液晶盒厚d=4 μm。液晶材料参数为：K11 =10.87 pN，K22 = 9.5 pN，K33 = 15.37 pN，Δn = 0.969，Δε = 5.3，υ1= 122.7 mPa·s。传统IPS参数我们选取目前工业生产主流参数：电极宽度W=2 μm，电极间距g=3 μm，摩擦角78°[15]。梯形凸起IPS电极参数为：下底宽度W=1 μm，L=3 μm。我们分别对梯形凸起IPS结构采用不同参数时的显示特性进行了模拟，并对不同的电极高度H、梯形角α以及摩擦角度的模拟结果进行分析对比，以确定其最优值。
3.1 模拟计算
图2 传统IPS与凸起IPS的(a)电压-透过率曲线与(b)时间响应曲线
Fig.2 (a) Voltage dependent transmittance and (b)Transmittance vs. time for the cell driven between the operating and zero voltages of the conventional and proposed IPS-LCD
首先来看凸起电极结构与传统IPS-LCD的电光特性和响应过程的差别。本次模拟中，凸起电极结构的参数采用：H=1 μm，α=80°，摩擦角86°，模拟的电压透过率曲线和时间响应曲线如图2所示。由图2(a)所示电压透过率曲线可见：梯形凸起IPS结构与传统IPS结构透过率相当，驱动电压明显下降，大约下降了2.3 V。由图2(b)所示时间响应曲线可见：梯形凸起IPS结构的上升时间和下降时间相比于传统IPS结构都有了明显缩短。其中，透过率由0%到10%的变化过程为开态等待过程，液晶显示器实际工作时应该把该过程考虑在开态响应的过程内。因此，本文中我们把开态响应时间定义为液晶显示器透过率由0%到90%所需时间。综合考虑开态和关态响应时间，由模拟数据计算对比得到：相比于传统IPS结构，梯形凸起IPS结构的响应速度提高了大约38%。
3.2 讨论分析
3.2.1 不同凸起电极高度影响分析
图3展示了不同凸起高度时的电光特性曲线模拟结果。对比两图可以发现：梯形凸起IPS结构随着凸起电极高度的增加，透过率下降，驱动电压降低，响应速度加快。
图3 不同凸起高度IPS的(a)电压-透过率曲线与(b)时间响应曲线
Fig.3 (a) Voltage dependent transmittance and (b)Transmittance vs. time for the cell driven between the operating and zero voltages of the proposed IPS-LCD for different height of protrusion and conventional IPS-LCD
IPS-LCD透过率公式为：
φ)sin2(πdΔn/λ) ,
(1)
其中：φ为电压作用下液晶平均方位角的扭转角度(下偏振片透光方向和初始LC光轴之间的夹角为零)，d是液晶层厚度，Δn是双折射率，λ是入射光波长[16]。
电极高度的增加减小了电极上方液晶层厚度，由式(1)可知，电极上方区域液晶层厚度减小则透过率降低。驱动电压的下降是因为随着凸起高度的增加，在相同的工作电压下液晶层中水平方向电场的作用深度将会增加(如图4所示)，这有利于液晶分子更高效的进行共面转换，这也是上升时间下降的原因之一。而下降时间的减少则是由于凸起高度的增加减小了液晶盒的等效盒厚，由于下降时间正比于盒厚的平方，因此减小等效盒厚可以有效缩短下降时间。通过图3(b)所示时间响应曲线，与传统IPS结构的响应曲线相比，凸起高度为0.5 μm时响应速度提高并不明显，而凸起高度为1.5 μm响应速度明显提升，但同时最大透过率明显降低。当凸起高度为1 μm时，响应速度有了明显提升且最大透过率与传统IPS结构相当。当同时考虑最大透过率和响应速度两个参数时，凸起高度选取1 μm左右时效果较为理想。
图4 在4 V驱动电压下不同结构IPS的液晶分子与电场分布图. (a) 传统IPS-LCD；(b)带凸起电极结构的IPS-LCD
Fig.4 Distribution of LC molecules and electric field for operating voltage equaling to 4 V. (a) conventional and (b)proposed IPS mode
3.2.2 不同梯形角度的影响分析
通过模拟结果我们发现随着梯形角增大，液晶盒的透过率逐渐降低，驱动电压逐渐降低，下降时间缩短。透过率的下降是因为当梯形电极底边长度固定时，梯角越大，电极的等效厚度越大，对应液晶层的等效厚度减小，所以透过率越低。驱动电压的降低是因为在相同的电压下，凸起电极提供的水平方向电场强度分量随着梯角的增大而增强。上升时间随梯形角改变的微小变化的原因也与不同梯角形状电极产生的电场的差别有关。下降时间的缩短是因为固定梯形电极底边宽度的前提下，梯形角越大则梯形电极的上表面宽度越大，在凸起高度平面内能提供的边界锚定能的有效面积就会变大，这相当于在该等效盒厚的液晶盒内加强了边界锚定强度，并且液晶层的等效厚度减小，所以液晶分子的关态弛豫恢复速度就会变快，下降时间变短。如图5所示，通过模拟结果可以得到：当同时追求较高透过率、较低的驱动电压和快速响应时，梯角取80°左右时效果最理想。
图5 不同梯角的凸起电极IPS结构的(a)电压-透过率曲线和(b)时间响应曲线
Fig.5 (a) Voltage dependent transmittance and (b)Transmittance vs. time for the cell driven between the operating and zero voltages of the proposed IPS-LCD for different trapezoid angle of protrusion.
3.2.3 不同摩擦角度的影响分析
最后，我们对传统IPS模式和3种不同摩擦角度的凸起IPS模式的等对比度视角图进行了模拟。图6(a)为传统IPS模式的视角特性，电极的长方向方位角度为90°，摩擦方向为78°；图6(b)、(c)、(d)分别对应摩擦角度为83°、86°和89°。上文提到过凸起电极边缘处液晶分子的混乱排列会造成暗态漏光，从而影响显示器的对比度，因此为了得到更好的视角特性，在保证响应速度的前提下，摩擦方向与电极方向之间夹角应尽量小。当摩擦角度为83°时(如图6(b)所示)，凸起IPS模式的视角特性很不理想，CR>1 000∶1的视角范围不足40°。如图6中(c)、(d)所示，当摩擦角达到86°和89°时，其视角特性与传统IPS模式相当甚至更好，CR>1 000∶1的视角范围达到60°以上。同时也说明，该凸起电极结构设计不会降低IPS-LCD视角表现。为了从响应速度的角度优化摩擦角，表1给出了传统IPS和凸起IPS模式的响应时间对比，对于凸起IPS模式，摩擦角度越大，响应速度越快。尽管大的摩擦角度拥有更好的视角特性，但是响应速度对于大摩擦角度的需要是不能忽视的，因此，摩擦角度的选择应使视角与响应速度同时达到很好的结果。综合考虑图6与表1信息，对比传统IPS模式发现：采用86°左右摩擦角的凸起IPS模式拥有更好的视角特性与更快的响应速度。
图6 (a) 传统IPS结构与不同摩擦角度下凸起IPS结构的等对比度视角图(b) 83° , (c) 86o , (d) 89°.
Fig.6 Simulated iso-contrast contour plots for the (a) conventional IPS and proposed IPS mode with different orientation (b) 83°, (c) 86°, (d) 89°.
表1. 传统IPS与不同摩擦角度下凸起IPS的响应时间
Tab.1 Response time of conventional mode and proposed mode with different orientation
4 结 论
综上所述，我们提出了一种低驱动电压、快速响应的共面转换液晶显示器，并使用计算机软件模拟计算确定了其最优参数范围。相比于传统IPS模式，我们提出的梯形凸起电极结构IPS-LCD的响应速度提高了38%，同时驱动电压降低了2.3 V，与此同时其透过率和视角特性基本未受影响。由于生产设备与工艺的限制，目前这种小尺寸梯形凸起电极结构的实现可能还存在着一定的技术挑战。此外，若采用传统摩擦取向工艺，要在不破坏凸起结构的前提下保证均匀取向难度较大，可以考虑采用其他取向方法(如光取向)，具体生产工艺还有待进一步探索。总之，这种梯形凸起电极结构的设计对于提高IPS-LCD的显示性能具有重要参考价值。
