显示与成像技术-第一部显示第三章3_液晶广角技术

1、LCDLCD宽视角化技术的进展宽视角化技术的进展 导致视角狭窄的根本原因导致视角狭窄的根本原因LCD拥有众多优点，但视角有个向异性和范围较小的弱点。离开拥有众多优点，但视角有个向异性和范围较小的弱点。离开垂直显示板法向，对比度下降。因此宽视角技术一直是液晶显示垂直显示板法向，对比度下降。因此宽视角技术一直是液晶显示的重要研究课题。的重要研究课题。液晶的视角问题是由液晶本身的工作原理决定液晶的视角问题是由液晶本身的工作原理决定的。的。入射光线与液晶长轴的夹角越小，双折射越入射光线与液晶长轴的夹角越小，双折射越小；反之越大。小；反之越大。偏离液晶屏法线方向的入射光线与液晶分子偏离液晶屏法线方向的入

2、射光线与液晶分子长轴夹角不同，造成不同视角下有效光程差长轴夹角不同，造成不同视角下有效光程差不同。不同。液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光线设计液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光线设计的。故视角越大，最小透过率增加。的。故视角越大，最小透过率增加。理论上在玻璃电极板通电时，光线透过理论上在玻璃电极板通电时，光线透过垂直于基板的液晶分子后是无法穿透第垂直于基板的液晶分子后是无法穿透第二块偏振片的，但实际上此时若在某些二块偏振片的，但实际上此时若在某些特定角度范围内会看到液晶分子的长轴，特定角度范围内会看到液晶分子的长轴，即该角度上的透光率反而增加了，这样即该角度上的透光率反而增加了，这样低灰阶的画面

3、看上去可能比高灰阶的亮低灰阶的画面看上去可能比高灰阶的亮度还高，这就是度还高，这就是TN模式液晶显示器所模式液晶显示器所固有的灰阶逆转现象。固有的灰阶逆转现象。 在在B处正视屏幕看到的是正常的处正视屏幕看到的是正常的中灰阶画面，而在中灰阶画面，而在A或者或者C处看处看到的却是高灰阶和低灰阶，这到的却是高灰阶和低灰阶，这样所看到的画面其灰阶也随观样所看到的画面其灰阶也随观看角度不同而渐变。看角度不同而渐变。 从上面的视角特性图我们可以看出，从上面的视角特性图我们可以看出，TN模式液晶的视角特性很不均匀，其模式液晶的视角特性很不均匀，其垂直方向视角远比水平视角要差，而且在屏幕下方较大的角度范围内都

4、会垂直方向视角远比水平视角要差，而且在屏幕下方较大的角度范围内都会看到灰阶逆转。看到灰阶逆转。 （一）相差膜补偿法（一）相差膜补偿法在液晶面上加贴一片一定数值的相位差膜以改善视角特在液晶面上加贴一片一定数值的相位差膜以改善视角特性的方法。性的方法。TNFilm广视角广视角技术被广泛应用技术被广泛应用于主流液晶显示于主流液晶显示器器 补偿膜并不只贴在液晶面板表面侧，补偿膜并不只贴在液晶面板表面侧，而是液晶盒的两侧。而是液晶盒的两侧。当光线从下方穿过补偿薄膜后便有当光线从下方穿过补偿薄膜后便有了负的相位延迟（因为补偿薄膜了负的相位延迟（因为补偿薄膜n0）,进入液晶盒之后由于液晶分子进入液晶盒之后由

5、于液晶分子的作用，在到液晶盒中间的时候，的作用，在到液晶盒中间的时候，负相位延迟给正延迟抵消为负相位延迟给正延迟抵消为0。当光线继续向上进行又因为受到上当光线继续向上进行又因为受到上部分液晶分子的作用而在穿出液晶部分液晶分子的作用而在穿出液晶盒的时候有了正的相位延迟，当光盒的时候有了正的相位延迟，当光线穿过上层补偿薄膜后，相位延迟线穿过上层补偿薄膜后，相位延迟刚好又被抵消为刚好又被抵消为0。这样用精确的补偿薄膜配合这样用精确的补偿薄膜配合TN模式模式液晶可以取得很好的改善视角效果。液晶可以取得很好的改善视角效果。 （一）相差膜补偿法（一）相差膜补偿法（1）由于）由于TN模式液晶显示器在加电后呈

6、暗态，未加电时呈亮模式液晶显示器在加电后呈暗态，未加电时呈亮态，因此它属于态，因此它属于NW（Normal White常亮）模式液晶。当由常亮）模式液晶。当由于各种因素造成某些像素上的于各种因素造成某些像素上的TFT（薄膜晶体管）损坏时，电（薄膜晶体管）损坏时，电压就无法加到该像素上，这样该像素上的液晶分子无法得到压就无法加到该像素上，这样该像素上的液晶分子无法得到扭转的动力，在任何情况下光线都将穿透液晶盒两端的偏振扭转的动力，在任何情况下光线都将穿透液晶盒两端的偏振片使该像素永远处于亮态，这就是我们常说的亮点。片使该像素永远处于亮态，这就是我们常说的亮点。TNFilm模式的广视角技术没有对此

7、进行任何改进，所以仍模式的广视角技术没有对此进行任何改进，所以仍然存在然存在亮点较多亮点较多的问题。的问题。 （2）应用）应用TNFilm广视角技术的液晶显示器除了在视角上比广视角技术的液晶显示器除了在视角上比普通普通TN液晶显示器有所进步之外，液晶显示器有所进步之外，TN模式液晶的其他缺点如模式液晶的其他缺点如响应时间长、开口率低、最大色彩数少等等也毫无遗漏地继响应时间长、开口率低、最大色彩数少等等也毫无遗漏地继承了下来承了下来 。相差膜补偿法的局限性相差膜补偿法的局限性（二）多畴（二）多畴TN 针对针对TN模式液晶显示器对某一特定视角的依存性特性，采模式液晶显示器对某一特定视角的依存性特性

8、，采用多组长轴方向不同的液晶分子来合成一个像素，这样用不同用多组长轴方向不同的液晶分子来合成一个像素，这样用不同朝向的液晶分子来补偿不同方向的视角，精确地设计好它们之朝向的液晶分子来补偿不同方向的视角，精确地设计好它们之间的排列，其合成的视角也可以达到比较理想的效果。间的排列，其合成的视角也可以达到比较理想的效果。 双畴模式的原理图，畴双畴模式的原理图，畴A和畴和畴B的液晶分子取向正好相反，这样可以解决好水的液晶分子取向正好相反，这样可以解决好水平或者垂直方向的视角问题平或者垂直方向的视角问题 多畴结构的特点多畴结构的特点v多畴结构需要多次摩擦和光刻，工艺十分复杂。v理论上单个像素的液晶分子包

9、含的畴越多，合成的视角特性越好，但畴数大约4以后性能提高并不多。v多畴TN-LCD在高端LCD中获得了应用，双畴结构的视角达到了60度。但在不牺牲亮度的情况下，获得较高对比度有困难。（五）（五）OCB（Optically Compensated Bend/Optical Compensated Birefringence，光学补偿弯曲排列，光学补偿弯曲排列/光学补偿光学补偿双折射）双折射）广视角技术利用其设计巧妙广视角技术利用其设计巧妙的液晶分子排列来实现自我的液晶分子排列来实现自我补偿视角，所以它又叫自补补偿视角，所以它又叫自补偿模式。偿模式。在自补偿和双轴光学膜的补在自补偿和双轴光学膜的补

10、偿下，偿下，OCB模式的液晶可以模式的液晶可以实现不错的可视角度，而且实现不错的可视角度，而且视角均匀性非常好。如图，视角均匀性非常好。如图，在不同的方位也不会出现在不同的方位也不会出现TN模式固有的灰阶逆转现象。模式固有的灰阶逆转现象。 OCB模式工作于液晶分子的双模式工作于液晶分子的双折射现象折射现象在无电场条件下，透过光也会产在无电场条件下，透过光也会产生光程差，所以要加一层双轴光生光程差，所以要加一层双轴光学补偿膜，以抵消这个光程差。学补偿膜，以抵消这个光程差。盒内液晶盒内液晶分子不扭曲分子不扭曲，只是在一，只是在一个平面内弯曲排列。个平面内弯曲排列。液晶分子排列是上下对称的，这液晶分

11、子排列是上下对称的，这样由下面液晶分子双折射性导致样由下面液晶分子双折射性导致的相位偏差正好可以利用上部分的相位偏差正好可以利用上部分的液晶分子自行抵消，相对其他的液晶分子自行抵消，相对其他配向分割模式，配向分割模式，OCB的制造工的制造工艺更简单一些。艺更简单一些。 优点：优点：OCB模式在常态下（无模式在常态下（无电场）也显示暗态，属于电场）也显示暗态，属于“常常黑黑”模式液晶，因此模式液晶，因此OCB出现出现“亮点亮点”的几率也不高。的几率也不高。OCB还原的黑色特别纯还原的黑色特别纯 。OCB最大的特点就是响应速度最大的特点就是响应速度快，即使是响应时间也不会超快，即使是响应时间也不会

12、超过过10ms，目前已经有，目前已经有1ms到到5ms的产品。的产品。 缺点：缺点：1.对三种单色光的透过率对三种单色光的透过率不一样。不一样。2. 透射由于透射由于OCB模式在无电场模式在无电场情况下分子是平行于情况下分子是平行于Panel的，的，这样为了实现液晶分子的弯曲排这样为了实现液晶分子的弯曲排列，每次开机都需要一定的预置列，每次开机都需要一定的预置时间来让液晶分子扭动到合适位时间来让液晶分子扭动到合适位置之后才能正常工作。置之后才能正常工作。（六）平面控制模式（六）平面控制模式（IPSmode)IPS（In Plane Switching）模式的广视角技术是在液晶分子长轴）模式的广

13、视角技术是在液晶分子长轴取向上做文章，应用取向上做文章，应用IPS广视角技术的液晶显示让观察者任何时候广视角技术的液晶显示让观察者任何时候都只能看到液晶分子的短轴，因此在各个角度上观看的画面都不会都只能看到液晶分子的短轴，因此在各个角度上观看的画面都不会有太大差别，这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角。有太大差别，这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角。 结构：结构：细条型的正负电极间隔细条型的正负电极间隔排列在基板上把电压加到电极排列在基板上把电压加到电极上，原来平行于电极的液晶分上，原来平行于电极的液晶分子会旋转到与电极垂直的方向，子会旋转到与电极垂直的方向，但液晶分子长轴仍然平行于基但

14、液晶分子长轴仍然平行于基板，控制该电压的大小就把液板，控制该电压的大小就把液晶分子旋转到需要的角度，配晶分子旋转到需要的角度，配合偏振片就可以调制极化光线合偏振片就可以调制极化光线的透过率，以显示不同的色阶。的透过率，以显示不同的色阶。 过程：过程：1 偏振片交叉放置偏振片交叉放置2 不加电场时液晶分子没有扰不加电场时液晶分子没有扰动，呈暗态动，呈暗态3 加电场时，液晶分子产生加电场时，液晶分子产生45转动，透射达到最大值。转动，透射达到最大值。特点：特点：（1） 由于消除了扭曲排列，由于消除了扭曲排列，有极好的视角特性。有极好的视角特性。（2） 上下电极做在一块基板上下电极做在一块基板上，开

15、口率降低。上，开口率降低。（3 ）目前采用公用电极、梳）目前采用公用电极、梳型电极等方案增加透射率。型电极等方案增加透射率。IPS同扭曲向列液晶的区别同扭曲向列液晶的区别IPS起初是由起初是由Hitachi所发展，但现在所发展，但现在NEC及及Nokia也采用这项技术。也采用这项技术。垂直取向模式垂直取向模式当电压加到液晶上时，当电压加到液晶上时，液晶分子便倒向不同的液晶分子便倒向不同的方向。这样从不同的角方向。这样从不同的角度观察屏幕都可以获得度观察屏幕都可以获得相应方向的补偿，也就相应方向的补偿，也就改善了可视角度。改善了可视角度。 MVA（Multi-domain Vertical Al

16、ignment）模式的液晶显示）模式的液晶显示器。器。其液晶分子长轴在未加电时不像其液晶分子长轴在未加电时不像TN模式那样平行于屏幕，而模式那样平行于屏幕，而是垂直于屏幕，并且每个像素都是由多个这种垂直取向的液是垂直于屏幕，并且每个像素都是由多个这种垂直取向的液晶分子畴组成。晶分子畴组成。MVA广视角技术原理分析广视角技术原理分析 它依靠叫做它依靠叫做Protrusion的屋脊状凸起物来使液晶本身产生的屋脊状凸起物来使液晶本身产生一个预倾角（一个预倾角（Pre-tilt Angle）。这个凸起物顶角的角度越）。这个凸起物顶角的角度越大，则分子长轴的倾斜度就越小。早期的大，则分子长轴的倾斜度就越

17、小。早期的VA模式液晶凸起模式液晶凸起物只在一侧，后期的物只在一侧，后期的MVA凸起物则在上下两端。凸起物则在上下两端。 如图是一种双畴如图是一种双畴VA模式液晶。模式液晶。未加电时，液晶分子长轴垂直于屏幕，只有在靠近凸起物电极的液晶分子略有倾未加电时，液晶分子长轴垂直于屏幕，只有在靠近凸起物电极的液晶分子略有倾斜，光线此时无法穿过上下两片偏光板。斜，光线此时无法穿过上下两片偏光板。当加电后，凸起物附近的液晶分子迅速带动其他液晶转动到垂直于凸起物表面状当加电后，凸起物附近的液晶分子迅速带动其他液晶转动到垂直于凸起物表面状态，即分子长轴倾斜于屏幕，透射率上升从而实现调制光线。态，即分子长轴倾斜于

18、屏幕，透射率上升从而实现调制光线。如图，在如图，在B处看到的是中灰处看到的是中灰阶，在阶，在A和和C处能同时看到处能同时看到的高灰阶和低灰阶，混色后的高灰阶和低灰阶，混色后正好是中灰阶正好是中灰阶 在这种双畴模式中相邻的在这种双畴模式中相邻的畴分子状态正好对称，长畴分子状态正好对称，长轴指向不同的方向，轴指向不同的方向，VA模模式就是利用这种不同的分式就是利用这种不同的分子长轴指向来实现光学补子长轴指向来实现光学补偿偿 .优点：如果采用双轴性光学薄膜补偿，将会得到比较理想的视角。优点：如果采用双轴性光学薄膜补偿，将会得到比较理想的视角。 坏点为坏点为“暗点暗点”，要更难发现，也就是说对画面影响

19、更小，用户也较，要更难发现，也就是说对画面影响更小，用户也较容容 易接受。易接受。 正面对比度可以做得非常好，即使要达到正面对比度可以做得非常好，即使要达到1000:1也并不难也并不难 采用采用MVA技术的明基技术的明基BenQ FP991，对比度，对比度达到达到700:1 缺点：缺点：1.MVA液晶会随视角的增加而出现颜液晶会随视角的增加而出现颜色变淡的现象色变淡的现象 。2.电场强度并不均匀，如果电场强度电场强度并不均匀，如果电场强度不够的话，会造成灰阶显示不正确。不够的话，会造成灰阶显示不正确。因此需要把驱动电压增加到因此需要把驱动电压增加到13.5V 。3.灌入液晶时如果采用传统工艺，

20、所灌入液晶时如果采用传统工艺，所需要的时间会大大增加，因此现在普需要的时间会大大增加，因此现在普遍应用一种叫遍应用一种叫ODF（One-Drop Fill，滴下式注入法）的高速灌入工艺滴下式注入法）的高速灌入工艺 ，增加了成本。增加了成本。PVA（Patterned Vertical Alignment，垂直取向构型）广视角技术，垂直取向构型）广视角技术 PVA广视角技术同样属于广视角技术同样属于VA技术的范畴，实际上它跟技术的范畴，实际上它跟MVA极其相似，可以说是极其相似，可以说是MVA的一种变形。的一种变形。PVA采用透明的采用透明的ITO层代替层代替MVA中的凸起物，制造工艺与中的凸起

21、物，制造工艺与TN模模式相容性较好。透明电极可以获得更好的开口率，最大限度减少背光源的浪费式相容性较好。透明电极可以获得更好的开口率，最大限度减少背光源的浪费 不用屋脊形的凸起物如何生成倾斜的电场呢？不用屋脊形的凸起物如何生成倾斜的电场呢？PVA很巧妙的解决了这一问题。很巧妙的解决了这一问题。如图，如图，PVA上的上的ITO不再是一个完整的薄膜，而是被光刻了一道道的缝，上下两不再是一个完整的薄膜，而是被光刻了一道道的缝，上下两层的缝并不对应，从剖面上看，上下两端的电极正好依次错开，平行的电极之层的缝并不对应，从剖面上看，上下两端的电极正好依次错开，平行的电极之间也恰好形成一个倾斜的电场来调制光

22、线间也恰好形成一个倾斜的电场来调制光线 各种广视角模式比较各种广视角模式比较 MVA产品应用广泛，它可以显示很好的产品应用广泛，它可以显示很好的“黑色黑色”，在显示画面时的暗部细节也表现良，在显示画面时的暗部细节也表现良好。最大的遗憾就是它随观看角度的增大会出现颜色变淡的现象，这也是判定好。最大的遗憾就是它随观看角度的增大会出现颜色变淡的现象，这也是判定MVA模式模式的重要特性。富士通和友达、奇美生产的高端的重要特性。富士通和友达、奇美生产的高端Panel都会有都会有MVA产品，选用产品，选用MVA模式模式Panel的厂商非常多，几大日系高端品牌均有相关产品，明基的厂商非常多，几大日系高端品牌

23、均有相关产品，明基BenQ和优派和优派（ViewSonic）的大屏也有部分采用）的大屏也有部分采用MVA技术。技术。 三星主推的三星主推的PVA模式广视角技术，由于其强大的产能和稳定的质量控制体系，被欧模式广视角技术，由于其强大的产能和稳定的质量控制体系，被欧美美IT厂商广泛采用厂商广泛采用 而而IPS阵营中，由于有阵营中，由于有LG.Philips LCD这种全球这种全球LCD产能数一数二的厂商支持，所以产能数一数二的厂商支持，所以占据的市场份额也不小。由于性能突出，不少日韩高端品牌的部分高端产品都采用这占据的市场份额也不小。由于性能突出，不少日韩高端品牌的部分高端产品都采用这种技术。它所还

24、原的黑色要比种技术。它所还原的黑色要比MVA稍差，因此需要依靠光学膜的补偿来实现更好的黑稍差，因此需要依靠光学膜的补偿来实现更好的黑色；在画面细节表现上色；在画面细节表现上IPS也要略逊于也要略逊于MVA 至于由日本松下主推的至于由日本松下主推的OCB技术，严格来说它应该更象一个响应时间的解决方案。技术，严格来说它应该更象一个响应时间的解决方案。采用采用OCB技术的产品目前在国内市场较难见到技术的产品目前在国内市场较难见到 。TNFilm模式的广视角产品由于成本低廉，可沿用以往的生产线，因此仍然会占据不模式的广视角产品由于成本低廉，可沿用以往的生产线，因此仍然会占据不小的市场份额，即便以后各种

25、新型宽视角技术成熟后，小的市场份额，即便以后各种新型宽视角技术成熟后，TN依然可能会象今天的荫罩管一依然可能会象今天的荫罩管一样稳居低端市场。样稳居低端市场。 TFT-ArrAy ProcessGate Metal Sputter DepositonGate Metal Patterning Using 1st MASKDeposition of nt a-Si/a-SVSiN x 3-Layer Using PECVD MethodPatterning of a-Si lslands Using 2nd MASKPixel ITO Sputer DepositionPixel ITO Pat

26、terning Using 3rd MASK这是这是5次光刻形成次光刻形成TFT图形，采用图形，采用底栅背沟道刻蚀的工艺。以玻璃为底栅背沟道刻蚀的工艺。以玻璃为基板。第一次光刻形成栅线原料为基板。第一次光刻形成栅线原料为Cr。第二次光刻形成。第二次光刻形成“硅岛硅岛”SiNx，a-Si，n+-a-Si层，第三次光层，第三次光刻形成刻形成ITO导电膜，第四次光刻形导电膜，第四次光刻形成源极漏极，材料为成源极漏极，材料为Cr，并进行，并进行n+切断，基本形成切断，基本形成TFT。最后第五次。最后第五次光刻形成光刻形成SiNx保护膜。保护膜。TFT-ArrAy ProcessPassivation SiNx Deposition Using PECVDData Bus Line and S/D Metal Sputtering Data Bus Line and S/D Patterning Using 4th MASKEtch-Back of n+a-Si Using S/D Layer as a MASKPassivation SiNx Atch Using RIE中国中国TFT-LCD液晶面板线分布