TN、STN和FSTN液晶显示器件的视角特性
发布时间：2011年6月21日 1时44分
(松本国际股份有限公司研发中心，深圳518102)
摘要：本文对TN、STN、FSTN等液晶显示器件的视角进行了计算分析，给出了它们在不同模式下的视图，提供了一个比较系统、完整的LCD视角分析结果。这些结果具有普遍意义，在文献中很难找到，可作为业内同行的参考。本文还对改善液晶显示视角的方法进行了讨论。
关键词：视角：液晶显示；VISUALLCD中图分类号TN 141．9 文献标识码：B
1 引言
液晶显示器件的视角特性是用对比度与视角的关系来表示的。这种关系实质上是由入射光偏振方向与分子长轴方向的夹角随视角改变引起的。液晶显示器件的视角呈现不对称性，且视角较窄。并在宽视角时，由于斜入射导致黑态漏光而引起灰度反转。液晶显示器件的视角特性一般由极坐标(0，φ)中对比度的等高线来表示。为了更好地理解液晶显示器件的视角特性，本文使用模拟软件VISUALLCD对TN(扭曲向列相)，STN(超扭曲向列相)和FSTN(薄膜补偿超扭曲向列相)液晶显示器件的视角进行了计算分析。
2TN的视角
根据入射光的偏振方向，TN液晶盒有两种工作模式。入射光偏振方向平行于基片上液晶分子的长轴方向时，为E模式；入射光偏振方向垂直于基片上液晶分子的长轴方向时，为O模式。TN器件有两个偏振片，液晶分子指向矢从一个基片到另一个基片旋转了90。。当输入偏振片的偏振面平行于相邻基片的磨擦方向时，TN器件工作在E模式；当输入偏振片的偏振面垂直于相邻基片的磨擦方向时，TN器件工作在O模式。TN器件依据未加电时所处的亮暗状态分为两类：处于亮态者，为常白态TN；若处于暗态者，为常黑态TN。当两偏振片的偏振面正交时，TN器件为常白态；当两偏振片的偏振面平行时，TN器件为常黑态。另外，根据盒厚与液晶材料双折射率的乘积(d△n)，TN又可分为**极小值点TN(d△n=0．55μm)和**极小值点TN(d△n=1．05μm)。
对应**极小值点TN常白态E模式和O模式，对比度与视角的关系如图1和图2所示。在极坐标中，θ沿径向从0变到90°，φ沿圆周从0变到360°。三个同心圆对应的极角分别为30°，60°和90°。在图1中，对应于对比度为5的等高线，水平和垂直视角均为一20°和40°。在图2中，对比度为5等高线包涵的区域要更大一些。TN常白型O模式的视角特性要好一些。**极小值点TN常黑态E模式和O模式的对比度与视角的关系，如图3和4所示。对应于对比度为5的等高线，TN常黑态E模式和O模式的视角所包涵的区域基本相同，但*大视角的方向不同。对于TN常黑态E模式，水平视角为一65。，75°，垂直视角为一35°，40°。对于TN常黑态O模式，水平视角为一35°，40°，垂直视角为一65°，75°。**极小值点TN的视角图如图5，图6，图7．图8所示。在相同的工作模式下，**极小值点TN的视角比**极小值点TN的视角小。
（图lE模式**极小值点TN常白态的对比度与视角的关系）
（图2O模式**极小值点TN常白态的对比度与视角的关系）
（图3E模式**极小值点TN常黑态的对比度与视角的关系）
（图4O模式**极小值点TN常黑态的对比度与视角的关系）
（图5E模式**极小值点TN常白态的对比度与视角的关系）
（图6O模式**极小值点TN常白态的对比度与视角的关系）
（图7E模式**极小值点TN常黑态的对比度与视角的关系）
（图8O模式**极小值点TN常黑态的对比度与视角的关系）
3 STN的视角
STN与TN器件的工作原理不同。TN器件对于偏振光有旋光作用，入射光的偏振方向经过液晶层时被旋转90°。STN器件基于双折射原理，出射的O光和E光由于相位不同，相互干涉而呈现一定的颜色，通常有黄绿模式和蓝模式。黄绿模式STN的扭曲角一般为240°，220°，180°，不同的扭曲角，屏的颜色不同。对于黄绿模式，扭曲角180°STN的颜色含绿色成分*多，扭曲角240°STN的颜色含黄色成分*多。蓝模式STN是黄绿模式STN的互补工作模式：黄绿模式在未加电时呈亮态，蓝模式在未加电时呈暗态。
就扭曲角为240°的黄绿模式STN而言，其对比度与视角的关系如图9所示，它的视角特性比常白模式TN的视角特性要好。对于240°黄绿模式STN而言，对应于对比度为5的等高线，其水平视角和垂直视角均为一40°和4O°。
扭曲角为220°和18O°的黄绿模式STN，其对比度与视角的关系如图1O和图11所示。随着扭曲角的减小，STN的视角特性变差。
扭曲角为240°的蓝模式STN的对比度与视角的关系，如图12所示。蓝模式STN有较好的视角特性，视角在四个象限分布较对称，其水平视角和垂直视角均为一4O°和45°。不过蓝模式STN的*大对比度比黄绿模式STN小。在图12中没有对比度大于10的区域。
4FSTN的视角
对比度与视角的关系图1O 黄绿模式STN220。的对比度与视角的关系FSTN是薄膜补偿的STN，可���现黑白显示。它的基本原理是在液晶盒上贴一层高分子薄膜，以补偿液晶层的位相差。FSTN对高分子薄膜的延迟量和方向有严格要求。扭曲角为240。的FSTN的对比度与视角的关系如图13所示。与黄绿模式STN相比，黄绿模式FSTN的视角特性和对比度要好的多，对比度大于5的等高线包涵的区域也宽得多。对比度大于1O的区域也比黄绿模式STN的大。
（图13 FSTN240°的对比度与视角的关系）
5液晶显示器的视角改善
宽视角LCD是未来LCD的一个重要发展方向。研发人员一直致力于此，并提出了很多改善液晶显示器视角特性的方法。
5．1相位补偿法
相位补偿法的原理是补偿LCD黑态的相位，减少LCD黑态在斜入射时的漏光。FujiPhoto公司推出的富士宽视角膜(Fuji WVFilm)对TN LCD的视角有显著的改善作用。富士宽视角膜可以被模型化为由线性倾斜圆盘状液晶聚合物组成的多层负性单轴膜。FujiWV Film可使水平视角达到一70°和70°，垂直视角达到一40°~和70°。
5．2多畴技术
多畴技术(Multi—Domain)，*常用的是两畴(TDTN)和四畴(FDTN)。两畴TN是把每个象素自然分成两个子象素，液晶分子在两个子象素中具有相反方向的倾角。这样，平均透过率对角度的依赖性就降低了，从而改善了视角的对称性。
5．3共面开关模式 共面开关模式(In PlaneSwitch，缩写为IPS)采用梳状电极和侧向电场，能够改善视角，使水平视角超过一70。和70。)，垂直视角超过一70°和70°。但是，梳状电极降低了开口率，需要高亮度背光源，因而增加了功耗。IPS模式对盒厚均匀性的要求很严格，为了不降低成品率，需要介电各向异性(△n)较大的Lc材料。不过，此类材料的清亮点较低，限制了工作温度上限。
5．4多畴垂直排列
多畴垂直排列(Multi—domain vertical align—ment，缩写为MVA)是由FujitsuLimited开发的技术。多畴由自动畴形成(ADF)技术来实现，利用补偿片，LC采取垂直排列。采用MVA技术，能够显著地改善视角特性，在对比度大于10的情况下，水平和垂直视角都可大于一80°和80°。
5．5轴对称模式
轴对称模式(AxiallySymmetric Mode，缩写为ASM)采用聚合物墙(PolymerWal1)隔离每个象素，在每个象素上，液晶呈圆柱型对称排列。采用ASM可使水平和垂直视角都大于一80°和80°。
5．6等离子寻址液晶
等离子体寻址液晶(Plasma—addressedliquidcrystal，缩写为PALC)是在ASM模式基础上，利用等离子体的开关作用来对LCD选址，其视角特性主要由ASM模式来实现。等离子体被激发后，将在相当长的一段长时间内保持激发态。这种功能可替代TFT-LCD中的TFT，且可实现大屏幕显示。夏普公司已开发成功42in大屏幕PALC显示器。
5．7Pi盒
Pi盒(Pi—cel1)的弯曲结构使得液晶指向矢在盒的上下两半部具有相同而反向的倾斜，形成自补偿结构，不必分割象素和控制多畴，即可得到宽视角。Pi盒响应速度快，有希望实现示领域中的一种主流技术。
松本国际股份有限公司利用VISUALLCD对液晶显示器的视角进行了模拟。从模拟结果发现：**极小值点的TN的视角特性优于**极小值点的TN的视角特性；O模式常白态TN的视角特性优于E模式常白态TN的视角特性；常黑态TN有较宽的视角；在黄绿模式STN器件中，扭曲角为240°的STN的视角特性优于220°和180°STN的视角特性；蓝模式STN的视角有较好的对称性，但*大对比度较低；FSTN器件的视角特性优于黄绿模式STN的视角特性。在液晶器件的视角改善方法中，目前研究较多是IPS，MVA和盒。IPS和MVA应用于透射式器件，Pi盒既应可用于透射式器件也可应用于反射式器件。