ADS模式TFT-LCD的显示原理研究

合肥京东方显示技术有限公司 刘同海 高章飞 孙国防 韩海滨

ADS模式TFT-LCD的显示原理研究

合肥京东方显示技术有限公司 刘同海 高章飞 孙国防 韩海滨

本文综述了ADS模式TFT-LCD的结构以及光线透过过程，对正、负极性场中的分子取向做了详细阐述，并对ADS模式TFT-LCD的极性变换方式进行了说明，同时对大尺寸面板上广泛采用的Column inversion的省电方面进行了分析。

ADS；边缘电场；分子取向；极性变换

0 前言

TFT-LCD作为显示领域最为重要的一部分，其显示技术按照显示原理可分为TN模式、IPS模式和VA模式[1]，IPS技术又逐渐衍生出高级超维场转换技术（Advanced Super Dimension Switch，简称ADS技术）。ADS模式TFT-LCD技术占据了当前很大的市场份额[2,3]，在应用领域十分广泛，对其研究多集中于生产问题的改善和良率的提升[4-7]，多数厂商的工艺技术均大同小异，但是对于其显示原理的分析未在学术期刊上有所报道，故本文针对ADS模式TFT-LCD的显示原理进行阐述，便于行业内更好的研讨交流。

1 ADS模式TFT-LCD的结构及控制方式

如图1所示，为ADS模式TFT-LCD的基本结构示意图，同其他TFT-LCD模式类似，均是由两块液晶玻璃中间夹着液晶的“三明治”结构，CF侧上方和TFT侧下方分别为一层偏光片，用来控制光线的传播方向。TFT侧玻璃基板上方为一层common电极，与TFT保护层上的显示电极形成电场用以驱动液晶旋转。图1中的9,10,11,12共同组成了TFT开关，控制电场的开、关状态。过孔Via Hole穿过TFT保护层使TFT和显示电极连接进行通电。ADS模式TFT-LCD与IPS模式TFT-LCD结构的最大不同之处在于common电极和显示电极的位置不同，IPS类的common电极和显示电极在同一层，只存在平行于玻璃基板的水平方向上的Ey电场。ADS模式产品的common电极和显示电极不在同一层，除了水平方向的Ey电场，还在显示电极边缘附近分布着较强的垂直于基板玻璃的垂直电场Ez。

图1 ADS模式TFT-LCD结构图

同IPS模式TFT-LCD一样，在TFT关态下ADS模式TFT-LCD黑态显示。处于开态时，垂直电场Ez可使液晶分子的偏转程度加大，在显示电极的边缘可实现有效的光透过，增加像素的开口率，还可以提升整个显示器的透过率[1]。当一束发散的背光从TFT侧基板照射过来后，下层偏光片过滤垂直偏光轴方向的光，只允许平行偏光轴的光透过，自然光变成直线偏振光。该部分的光经过下侧TFT基板抵达液晶层，ADS模式TFT-LCD的开口率更大，导致抵达液晶层的光照强度更强。液晶分子通过偏转改变线偏振光的方向，垂直电场Ez使光线的透过率更强，穿过液晶层到达上侧的彩膜CF基板时，在彩膜的作用下对光进行施加颜色，使透过的光呈现五颜六色。该部分光线抵达上偏光片时，平行上偏光轴的光线被射出。

在TFT-LCD的显示过程中最主要就是通过控制液晶分子的偏转控制光线经过液晶层的透过率，而液晶分子的偏转来源于取向力的作用。

2 液晶分子的转动取向力

液晶分子在电场中所受的力矩如下所示[1]。

图2 正极性电场示意图

由于液晶分子具有较强的共轭效应[1]，当液晶分子处于图2所示的电场中时，液晶分子中的电子云密度发生改变，正负电荷分别在液晶分子的两端聚集，电场强度增强过程中液晶分子的取向力开始增加，当克服液晶分子的弹性以后开始发生偏转，液晶分子的负电荷聚集于电场线起始端，正电荷聚集于电场线指向端。如图3所示。

图3 正极性电场下偏转示意图

在负极性状态下电场线方向从common电极指向显示电极，如图4所示。

图4 负极性电场示意图

液晶分子上的电荷聚集方向与正极性场相反，所处的电场方向相反，在两次相反作用下液晶分子的偏转方向相同，负极性电场下液晶分子偏转示意图如图5所示。在正极性与负极性场中，只要电场的大小相同，液晶分子的偏转程度就一样，区别在于液晶分子上的正负电荷聚集方向相反。

图5 负极性电场下偏转示意图

液晶分子在电场作用下发生偏转，当TFT关闭，common电极和显示电极不再施加电压时，此时的电场作用就会消失。液晶分子在电场作用下发生取向时，本身具有一个使取向变化消除的弹性力[1]，在去除电压状态下液晶分子会恢复成开始的未取向状态，如图6所示。在长时间保持同一极性电场情况下，液晶分子的弹性力会受到影响，在去除电压后液晶分子返回不到最开始的未取向状态，同时在液晶分子上电子云密度也会发生变化，正负电荷发生累积形成内部电场引起“直流残留”，从而导致显示画面的残像现象发生[8]。

图6 正极性电场下液晶分子复原图

3 ADS模式TFT-LCD的面板极性变换

液晶分子在不同极性电场下的取向方向和程度一致，在长时间保持同一极性电场下则无法恢复到最开始的取向状态，故在整个显示屏的设计中需要将液晶分子所处的极性电场来回切换来完成显示画面的显示。在ADS模式TFT-LCD的面板的应用中，大尺寸TV类所占比例最大，这类产品在画面品质满足要求的情况下节能作为设计的第一要求。如图7所示为Column inversion的变换示意图，同一行的像素点极性不同，同一列的像素点极性相同。

图7 Column inversion

在common电极电压固定的情况下，显示电极由source driver自上而下进行充电，由于同一列极性相同，source driver的电压数值无需大的变化，在Row inversion或Dot inversion中自上而下的像素点极性交替变化，source driver的电压数值需一次比common电压高一次比common电压低，这种变化会导致耗电量的增加，如图8所示。

图8 单列显示电极电压变化图

4 结语

ADS模式TFT-LCD的开口率较大，具有较高的透过率；正负极性场下取向力方向相同，偏转方向相同；采用相对省电的Column inversion，在大尺寸显示器上的市场上应用广阔。

[1]马群刚．TFT-LCD原理与设计[M]．电子工业出版社,2011．

[2]苏亮．出货量全球第2、同比增速全球第一：BOE(京东方)大尺寸面板何以逆势上扬[J]．家用电器,2016(8)：50-50．

[3]贺然．84英寸点燃大屏幕液晶电视市场之战[J]．电器,2013(1)：32-33．

[4]徐利燕,喻娟,刘冬,等．光照对ADS模式TFT-LCD Flicker漂移的影响[J]．液晶与显示,2016,31(5)：454-459．

[5]喻娟,刘冬,徐利燕,等．基于单色光下ADS模式TFT-LCD闪烁漂移的对比研究[J]．液晶与显示,2016,31(5)：449-453．

[6]栗鹏,朴正淏,金熙哲,等．ADS模式低存储电容像素设计[J]．液晶与显示,2017,32(1)：19-22．

[7]桑胜光,车晓盼,王嘉黎,等．高PPI ADS产品白Mura不良产生原理及改善研究[J]．液晶与显示,2016,31(5)：435-441．

[8]戴亚翔．TFT LCD面板的驱动与设计[M]．清华大学出版社,2008．

刘同海（1991—），男，安徽合肥人，硕士研究生，中级工程师，现就职于合肥京东方显示技术有限公司。