浅析TN/IPS显示模式的液晶屏在机载显示中的应用

卢业能

（1．中航华东光电有限公司，安徽 芜湖 241002；2．特种显示技术国家工程实验室，安徽 芜湖 241002；3．安徽省现代显示技术重点实验室，安徽 芜湖 241002）

0 前言

机载显示是将飞机状态、飞行参数及任务等信息显示在飞行员的眼前，是1 种展现式的人机交互方式[1]。

信息显示的可读性与读取效率将直接影响人机交互的效率，同时还会对整个飞行安全及任务效率产生影响。早期的机载显示主要是指针式的机械仪表，机械指针式仪表显示的信息单一、可读性差，尤其是在强光照射下难以分辨，降低了显示信息的交互效率。随着显示技术的发展，液晶显示凭借其长寿命及高可靠性的优势被广泛应用于机载显示领域[1]。

典型的TN 与IPS 显示技术都广泛应用在机载显示领域。该文结合机载显示的应用需求，浅析了2 种显示技术自身的特点、实际显示效果及对机载显示应用的影响。

1 机载显示应用分析

1.1 机载显示对液晶屏的需求分析

典型的机载显示的内容为数字仪表、飞行姿态（天地球画面）及地图显示。

数字仪表对液晶显示的要求比较低，通常显示画面为黑背景和单色字符，字符的显示颜色一般为白色或者绿色，不需要很高的分辨率，也不需要很多的字符颜色。飞行姿态（天地球画面）显示主要用于显示飞机相对于天空或地面的姿态，采用圆形彩色画面，上半部分为蓝色（代表天空），下半部分为黄色（代表地面）；整体显示对图像分辨率的要求较低，对显示颜色有一定的要求。地图显示要还原真实地理信息，需要液晶屏有较高的对比度，从而获得较大的黑白反差显示；同时为了还原真实世界的色彩，地图显示需要有较高的分辨率以及一定显示色域的能力（色彩还原能力）。

图1 典型TN（左）、IPS（左）视场角对比度图

1.2 TN 与IPS 模式显示性能的对比分析

2 种显示模式在显示模块（透射式）、有效显示尺寸、分辨率以及灰度等级（灰阶还原能力）的指标上可以保持一致。显示色域范围主要是由CF 设计决定，不同模式的液晶屏可以采用相同的CF，从而获得相同的色域。TN 显示模式的整体对比度视角会比IPS 模式的液晶屏差，2 种模式的典型视角对比度图如图1 所示，在高亮度下黑背景画面显示时的综合效果差异更为明显。液晶屏的透过率会直接影响背光功耗，TN 显示模式的透过率一般会明显高于IPS 显示模式，其背光功耗会更小。

2 机载环境对对液晶显示屏的影响分析

机载显示主要应用在宽温、高强度振动、抗腐蚀及电磁兼容的典型环境中。

2.1 宽温应用分析

机载宽温应用主要是指在较宽的温度范围内贮存及工作，贮存考核的是液晶屏在经受极限温度后，其恢复显示功的能力。高低温工作是考核液晶屏的综合显示能力，高低温下需要保持与常温转态下相近的显示性能。

经过高低温贮存后的液晶屏，其显示功能正常，偏振片出现性能退化，出现一定程度的显示缺陷， TN 模式在黑场时容易出现上下发蓝、左右发白的现象，IPS 模式在低温环境下色偏现象，如图2 所示。

图2 TN/IPS 液晶屏高低温贮存后的显示缺陷

液晶屏在低温环境下工作时，液晶材料的黏滞性增大，转动阻力增大，响应时间增加；当温度达到-50℃时，液晶材料由液晶态转变为结晶态，无法偏转，显示功能失效；温度升高后，液晶材料由结晶态慢慢转变为液晶态，显示功能恢复。偏振片在低温环境下收缩，液晶屏在显示边缘出现黑态漏光的现象，TN 模式出现边缘发白的现象，IPS 模式出现边缘局部区域发蓝的现象。上述现象通过加热升温后可以得到有效缓解。

高温条件下，内部的液晶材料黏滞性降低，响应时间变短；当温度升高到100 ℃左右，液晶材料会由液晶态逐渐转变为液态，其光阀功能丢失，显示功能失效，单纯的液晶液化问题在降低温度后就可以恢复。

2.2 高强度振动

高强度的振动对机载液晶显示有2 个影响：1） 振动对整体液晶显示结构完整性的影响。2） 振动带来的液晶屏盒厚变化，产生振动Mura。

液晶屏通常采用薄玻璃设计，整体的抗振性能较弱，需要额外的加固设计。常用方案是在其两面粘贴较厚的功能玻璃，形成具有一定刚性的整体，对其进行缓冲设计后安装到结构组件中，提高了液晶屏整体的抗振性能，保证了液晶屏结构的完整性。

液晶显示器件在振动过程中由于内部盒厚的变化造成局部透过率变化，产生忽明忽暗的显示Mura 缺陷，机载显示的黑底背景，在应用中会出现黑场白斑的现象。通常来说，IPS 模式液晶屏的黑场白斑效果会优于TN 模式的液晶屏，分析典型的TN 模式及IPS 模式的显示原理如图3、图4 所示[2]。

在TN 显示模式中，控制液晶偏转的电场为纵向电场设计，上下偏光片为正交设计。在不加电的情况下，液晶分子为水平分布，自然光经过下偏光片后转变为直线偏振光，穿过TFT 玻璃后，经过液晶分子的扭曲配向，形成了偏转90°的直线偏振光，偏转后的偏振光与CF 侧偏光片角度相同，透过后射出，并呈现白场显示状态。施加驱动电场后，液晶分子在电场的作用下会由水平分布转向为垂直分布（配向膜附件的液晶分子除外），不能进行扭曲配向，使经过液晶层的光线偏振角度与CF 侧偏光片的角度正交，没有光线射出，呈现黑场显示状态[2]。

在IPS 显示模式中，控制液晶偏转的电场为横向电场（平面电场）设计，电极被设置在TFT 玻璃上，利用像素电极与公共电极形成平面电场，驱动液晶分子。在不加电的情况下，液晶分子为水平分布，自然光经过下偏光片后转变为直线偏振光，直线偏振光穿过TFT 玻璃后，经过未偏转的液晶分子，就无法改变偏振光线的偏振方向，光线偏振角度与CF 侧偏光片的角度正交，无光线射出，呈现黑场显示状态。施加驱动电场后，液晶分子在平面电场的作用下转动，将透过TFT 玻璃的直线偏振光转变为椭圆偏振光，最终透过CF 侧偏光子，呈现白场显示状态[2]。

高强度的振动条件会使液晶屏的盒厚产生变化，TN 显示模块采用的是纵向电场设计，在盒厚变化的同时会使上下玻璃之间的电场强度产生变化，液晶分子的偏振随即发生改变，液晶分子转动角度不足或者转动过度就会造成局部区域透过率增加，产生黑态漏光，加剧振动Mura 现象。IPS 模式采用的是平面电场设计，电场分布不易受到振动时盒厚变化带来的影响，同时黑态显示为不加电状态，电场影响会进一步减弱，整体受到的影响相对偏小。综合理论分析及实际应用情况，IPS 模式整体的振动白斑效果优于TN 模式。

2.3 抗腐蚀与电磁兼容性能

机载显示应用的抗腐蚀与电磁兼容性能要求是匹配整机的应用环境。机载显示会进行整体加固设计，液晶屏不会直接暴露在环境中，抗腐蚀是对外部材料的通用要求，主要是湿热、霉菌以及盐雾等[3]，在液晶屏设计选型时不需要考虑特殊的抗腐蚀要求。

机载显示的电磁环境比较复杂，由感应、耦合和传导引起的电磁干扰，上述电磁干扰都会影响电子系统或设备的正常工作[4]。液晶屏是高度集成化的光电子显示产品，其自身存在一定的电磁辐射，也会受到电磁辐射的影响。整机电磁兼容主要是通过降低源端（内部控制芯片）辐射水平及限制电磁辐射传播2 个途径进行设计。综合整机及其系统对电磁兼容的设计要求，对整体内部的屏蔽体进行搭建，并阻隔电磁波的传播路径，通常在液晶屏的设计选型不需要额外考虑电磁的兼容能力。

3 结论

综合机载显示的显示需求及应用环境，基于TN/IPS 显示模式的基本特点，重点分析了2 种显示模式在黑背景显示、宽温工作、宽温贮存、高强度振动和抗腐蚀与电磁兼容要求下性能的差异。

图3 TN 显示模式原理

图4 IPS 显示模式原理

机载显示对视角有相对明确的要求，使TN/IPS 2 种显示模式的液晶屏经过加固设计后都可以应用于机载显示。TN/IPS2 种显示模式的液晶屏在宽温条件下都会产生一定程度的显示缺陷，可以采用加热设计缓解；液晶显示的温度变化特性属于固有属性，两者基本上保持一致。抗腐蚀与电磁兼容等属于整体设计范畴，2 种模式基本上没有应用区别。

液晶显示器在振动过程中内部盒厚的变化产生振动Mura，IPS 模式的液晶屏由于采用是平面电场设计，因此，其整体的抗振动性能明显优于采用纵向电场设计的TN 模式，同时IPS 模式的整体黑态显示效果优于TN 模式。综上所述，IPS 模式的液晶屏更适合在机载抗振动显示加固中应用。