液晶顯示器多種顯示模式色彩表現(xiàn)的研究進(jìn)展

黃曉麗， 孫玉寶， 馬紅梅

(河北工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系， 天津300401)

1 引 言

液晶顯示器(LCD)作為平板顯示領(lǐng)域中的主力顯示技術(shù)，與有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)等新型顯示技術(shù)進(jìn)行不斷的競(jìng)爭(zhēng)，不斷提高其顯示性能，延長(zhǎng)其作為主要顯示技術(shù)的地位。各種顯示技術(shù)在亮度、對(duì)比度、驅(qū)動(dòng)電壓、響應(yīng)時(shí)間等顯示性能方面都已達(dá)到了比較理想的水平，相比之下色彩表現(xiàn)就成為高質(zhì)量顯示器的重要參數(shù)。色彩表現(xiàn)包括色域、Gamma偏移和色偏移等指標(biāo)，量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用在液晶顯示器中，獲得了超過(guò)120%NTSC的色域，比OLED的色域更高；Gamma偏移和色偏移在各種顯示器件中都存在。為了提高液晶顯示器的色彩表現(xiàn)，降低液晶顯示器的色偏移和Gamma偏移，人們提出了多種方案。從普通扭曲向列相(Twisted Nematic,TN)液晶顯示器到膜補(bǔ)償TN-LCD，從4疇垂直排列(Vertical Aligned，VA)型到8疇VA-LCD、共面轉(zhuǎn)換(In-Plane Switching，IPS)類(lèi)型液晶顯示器中使用“之”字形電極結(jié)構(gòu)，以及各種形狀的電極結(jié)構(gòu)，獲得了顯示性能上的巨大進(jìn)步[1]。

在高性能液晶顯示器中，多疇垂面排列和超級(jí)IPS類(lèi)型液晶顯示器是應(yīng)用最為廣泛的液晶顯示模式，較為低檔的膜補(bǔ)償TN-LCD用于中小尺寸顯示器中，一般對(duì)Gamma偏移和色偏移不做很高的要求。在本文中，對(duì)散射膜方法在TN-LCD中的應(yīng)用，對(duì)多疇結(jié)果對(duì)高性能液晶顯示器中超級(jí)IPS類(lèi)型和多疇垂面排列液晶顯示器的作用，分別進(jìn)行綜述，總結(jié)不同方法在Gamma偏移和色偏移方面的作用。

2 色彩表現(xiàn)

2.1 Gamma偏移

Gamma曲線源于陰極射線管顯示器的電光響應(yīng)曲線，即其亮度與輸入電壓的非線性關(guān)系。由于顯示器不只是在最亮和最暗之間轉(zhuǎn)換，它還有很多中間灰度級(jí)狀態(tài)，結(jié)合人眼對(duì)亮度的敏感曲線，Gamma指數(shù)用于描述各種顯示器中灰階與亮度的關(guān)系。理想情況下，在一定的灰度級(jí)下，各種視角下的歸一化透射率應(yīng)該相同。在液晶顯示器中，由于液晶材料的各向異性，電壓透過(guò)率曲線在各視角下通常不一致，因此，在不同視角下，與灰度有關(guān)的透射率曲線的分離現(xiàn)象稱(chēng)為Gamma偏移。

為了定量地評(píng)估LCD在某一傾斜視角下的伽馬偏移，2004年KIM等人提出了離軸圖像失真指數(shù)D(θ,φ)，當(dāng)D(θ,φ)<0.2時(shí)，Gamma偏移被認(rèn)為對(duì)于人眼是無(wú)法區(qū)分的。D(θ,φ)的表達(dá)式為[2]：

(1)

式中，〈〉表示各個(gè)灰度下的平均值，ΔBi,j代表第i和第j灰度級(jí)之間的透射率差，on-axis代表法線方向(即正視視角)，off-axis代表一定的傾斜視角，θ和φ代表極角和方位角。這個(gè)參數(shù)代表不同觀看角度下與正視觀看情況下的絕對(duì)差別。

為了定量評(píng)估LCD在某個(gè)方位角內(nèi)的伽馬偏移，2019年GUO等人提出了方位角圖像失真指數(shù)DA(θ)，當(dāng)DA(θ)<0.2時(shí)，人眼就不能分辨出LCD在某一視錐下存在的Gamma偏移，從而進(jìn)一步完善了對(duì)Gamma偏移的評(píng)價(jià)。DA(θ)的表達(dá)式為[3]：

(2)

式中:min代表最低的伽馬曲線，max代表最高的伽馬曲線。這個(gè)參數(shù)表示某個(gè)極角情況下，不同方位角下伽馬偏移的絕對(duì)差別，相比于單獨(dú)使用離軸圖像失真指數(shù)，采用這兩個(gè)參數(shù)共同來(lái)表示顯示器的Gamma偏移量在理論上更為合理。

2.2 色偏移

色偏移是確定LCD面板顏色均勻性的重要參數(shù)，它表示LCD的畫(huà)面顏色在傾斜視角下發(fā)生變化的現(xiàn)象。LCD與角度相關(guān)的顏色均勻性通常由分光光度計(jì)測(cè)量，當(dāng)顯示器顏色設(shè)置為全亮狀態(tài)時(shí)，它可以顯示u′和v′坐標(biāo)，u′、v′表示色度。色度坐標(biāo)u′和v′是在視覺(jué)上大多數(shù)顏色偏離區(qū)域中測(cè)量的，例如LCD面板的水平和垂直方向[4]。任何LCD都存在色偏移的現(xiàn)象。

由于人眼對(duì)不同色彩的敏感度不同，顯示行業(yè)中普遍使用均勻色彩空間CIE1976L*u*v*表征色偏移。當(dāng)進(jìn)行初步色偏移評(píng)價(jià)時(shí)，可用該體系中的色坐標(biāo)距離表示。CIE 1976L*u*v*與CIE 1931XYZ色度系統(tǒng)的換算關(guān)系及色偏計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[1]：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3 散射膜方法

1995年，ZIMMERMAN等人為了提高對(duì)比度、降低色偏移，首次提出使用準(zhǔn)直背光源，又為了獲得寬視角，進(jìn)一步提出了將3維微結(jié)構(gòu)的光散射膜與準(zhǔn)直背光源結(jié)合，將穿過(guò)液晶盒的準(zhǔn)直光束散射向各個(gè)方向。為了保持高的對(duì)比度，這種散射膜需要具有高效率和低的環(huán)境光散射，為了保持液晶顯示器的薄尺寸的優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)直背光源也必須很薄[5]。這種方法可用于所有模式的液晶顯示器，其中，對(duì)于薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Thin Film Transistor，TFT)驅(qū)動(dòng)的液晶顯示器，不僅能保持高的對(duì)比度，還能實(shí)現(xiàn)寬視角，更能降低色偏移和Gamma偏移。

2009年，HWANG等人提出了使用一種將球形顆粒分散在透明介質(zhì)中的散射膜，由于顆粒與粘合介質(zhì)之間的折射率不匹配而發(fā)生散射，將這種膜貼在液晶盒的上基板，如圖1(b)所示，來(lái)自準(zhǔn)直背光源的準(zhǔn)直光線就會(huì)被均勻地散射，能夠獲得寬視角，此外，這種結(jié)構(gòu)還能將Gamma偏移值由使用補(bǔ)償膜方法的0.416降低到0.208，如圖1(c)和1(d)所示[6]。

圖1 (a)補(bǔ)償膜方式的TN盒；(b)加散射膜的TN盒；(c)補(bǔ)償膜方式TN盒的Gamma曲線；(d)加散射膜TN盒的Gamma曲線[6]。Fig.1 (a)TN cell with compensation film；(b)TN cell with scattering film；(c)Gamma curves of the TN cell with compensation film；(d)Gamma curves of the TN cell with scattering film[6].

2012年，PARK等人提出了一種拋物線凹槽形狀的散射膜，將這種散射膜與準(zhǔn)直背光源結(jié)合，并優(yōu)化散射膜的尺寸，能降低所有液晶顯示模式的Gamma偏移和色偏移，如圖2(a)～2(f)所示[7]。

圖2 (a)S-PVA的色偏移值；(b)加散射膜的S-PVA色偏移值；(c)TN-LCD的Gamma曲線(垂直方向)；(d)加散射膜的TN-LCD的Gamma曲線；(e)S-PVA色度圖；(f)加散射膜的S-PVA色度圖[7]。Fig.2 (a)Color shift value of S-PVA；(b)Color shift value of S-PVA with the scattering film；(c)Gamma curves of TN-LCD(vertical direction)；(d)Gamma curves of TN-LCD with the scattering film；(e)Chromaticity diagram of S-PVA；(f)Chromaticity diagram of S-PVA with the scattering film[7].

4 IPS類(lèi)型液晶顯示模式

共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器可細(xì)分為平面轉(zhuǎn)換(IPS)模式和邊緣場(chǎng)開(kāi)關(guān)(FFS)模式，IPS模式是靠交錯(cuò)排列的不同極性電極產(chǎn)生水平電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液晶分子旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)FS模式是靠相鄰排列的條狀像素電極與下方一層公共電極產(chǎn)生的邊緣場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液晶分子旋轉(zhuǎn)。FFS模式的透過(guò)率比IPS模式略高。

IPS的優(yōu)勢(shì)是可視角度高、響應(yīng)速度快且均衡。缺點(diǎn)是暗態(tài)時(shí)有少許的漏光，黑色純度及畫(huà)質(zhì)相比于VA模式稍差一些。

4.1 傳統(tǒng)雙疇I(yíng)PS液晶顯示模式

IPS模式的液晶顯示器極大地提高了顯示器的可視角度，并且在一定程度上降低了顯示器的色偏移，但是顯示器的色偏移程度依然很明顯，仍需進(jìn)一步改善。早在1997年，ARATANI等人就對(duì)IPS模式液晶顯示器中產(chǎn)生色偏移的原因進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)最大透過(guò)的波長(zhǎng)與光程差有關(guān)，通過(guò)更加精細(xì)的觀察發(fā)現(xiàn)，平行于加電場(chǎng)時(shí)液晶分子排列方向會(huì)發(fā)生藍(lán)移，垂直于液晶分子方向發(fā)生黃移，如圖3(a)所示。那么有至少兩個(gè)相反的液晶分子排列方向的多疇結(jié)構(gòu)，就能通過(guò)使不同方向的色彩進(jìn)行自補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡效果，從而降低液晶顯示器的色偏移，為了減少加工過(guò)程，最好只有一個(gè)預(yù)取向方向，所以他們提出了“之”字形電極結(jié)構(gòu)來(lái)抑制色偏移，如圖3(b)所示[8]。加電時(shí)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)沿垂直于電極方向產(chǎn)生兩個(gè)方向的電場(chǎng)，液晶分子也向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)下偏光片的線偏振光在液晶層中發(fā)生不同的雙折射，從而達(dá)到互補(bǔ)的效果，使得各個(gè)方向的色彩更加均勻，從而抑制色偏移。由圖3(c)～3(f)可以看出，在50°極角下，最大透過(guò)率和10%灰度級(jí)時(shí)，“之”字形IPS模式都能有效抑制色偏移。但是，“之”字形結(jié)構(gòu)拐角處不能顯示，也會(huì)降低液晶顯示器的透過(guò)率。

圖3 (a)IPS模式中的藍(lán)移和黃移；(b)“之”字形IPS結(jié)構(gòu)；(c)最大透過(guò)率時(shí)普通IPS模式在50°極角下的色度圖；(d)10%灰度級(jí)時(shí)普通IPS模式在50°極角下的色度圖；(e)最大透過(guò)率時(shí)“之”字形IPS模式在50°極角下的色度圖；(f)10%灰度級(jí)時(shí)“之”字形IPS模式在50°極角下的色度圖[8]。Fig.3 (a)Blue shift and yellow shift in IPS mode；(b)Zigzag IPS structure；(c)Chromaticity diagram of normal IPS mode at 50° polar angle at maximum transmittance；(d)Chromaticity diagram of normal IPS mode at 50° polar angle at 10% gray level；(e)Chromaticity diagram of zigzag IPS mode at 50° polar angle at maximum transmittance；(f)Chromaticity diagram of zigzag IPS mode at 50° polar angle at 10% gray level [8].

2002年，KIM等人將“之”字形結(jié)構(gòu)用于FFS模式的液晶顯示器，如圖4(b)所示，經(jīng)過(guò)分析和模擬，發(fā)現(xiàn)也能明顯降低FFS模式液晶顯示器的色偏移，如圖4(c)和4(d)所示，工作原理與“之”字形IPS模式類(lèi)似。

圖4 (a)傳統(tǒng)FFS模式；(b)“之”字形FFS模式；(c)中間灰度級(jí)下兩種結(jié)構(gòu)的色度圖；(d)全白狀態(tài)下兩種模式的色度圖[9]。Fig.4 (a)Traditional FFS mode；(b)Zigzag FFS mode；(c)Chromaticity diagrams of the two structures in the middle gray level；(d)Chromaticity diagrams of the two structures in the white state [9].

2010年，CHEN等人提出在小尺寸的液晶顯示器中為了保持高分辨率和開(kāi)口率，最好使用單疇結(jié)構(gòu)，為了降低色偏移，提出了一種類(lèi)似“之”字形的結(jié)構(gòu)，如圖5(a)所示，這樣對(duì)角線上兩個(gè)部分的子像素就能互相補(bǔ)償[10]。不過(guò)，這樣的像素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)在數(shù)據(jù)線和像素電極之間出現(xiàn)暗區(qū)，由于該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻。他們進(jìn)一步將數(shù)據(jù)線也設(shè)計(jì)成類(lèi)似“之”字形結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示，這樣在斜視角下也能實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償，能在保持高開(kāi)口率的情況下實(shí)現(xiàn)低色偏移，如圖5(c)所示，F(xiàn)FS V.1為傳統(tǒng)條形FFS結(jié)構(gòu)，F(xiàn)FS V.2為新設(shè)計(jì)的類(lèi)似“之”字形FFS結(jié)構(gòu)。從圖5(d)～5(f)可以看出，這種新型的“之”字形FFS結(jié)構(gòu)能有效降低色偏移。

圖5 (a)類(lèi)似“之”字形的結(jié)構(gòu)；(b)新型“之”字形FFS結(jié)構(gòu)；(c)FFS V.1與FFS V.2的對(duì)比；(d)FFS V.1與FFS V.2的色度圖對(duì)比；(e)FFS V.1的色偏移值；(f)FFS V.2的色偏移值[10]。Fig.5 (a)Zigzag-like structure；(b)New zigzag FFS structure；(c)Comparison of FFS V.1 and FFS V.2；(d)Chromaticity diagram comparison of FFS V.1 and FFS V.2；(e)Color shift value of FFS V.1；(f)Color shift value of FFS V.2 [10].

4.2 正交形電極結(jié)構(gòu)

2006年，KIM等人提出“之”字形結(jié)構(gòu)由于加電時(shí)上下部分液晶分子之間的夾角比較小，如圖6(a)所示，不能實(shí)現(xiàn)完全的自補(bǔ)償，當(dāng)液晶分子相互垂直時(shí)，自補(bǔ)償效果最好，能最大限度地降低色偏移，所以他們提出了一種新的正交形FFS模式的液晶顯示器結(jié)構(gòu)，如圖6(b)所示，存在這種結(jié)構(gòu)像素中上半部分和下半部分中的液晶分子從關(guān)閉狀態(tài)到開(kāi)啟狀態(tài)始終保持90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，因此能達(dá)到比較好的自補(bǔ)償，從而能有效降低色偏移，尤其在驅(qū)動(dòng)電壓比較低時(shí)和寬視角范圍內(nèi)，其色彩表現(xiàn)相對(duì)突出[11]。

圖6 (a)“之”字形FFS模式；(b)正交形FFS模式[11]。Fig.6 (a)Zigzag FFS mode；(b)Orthogonal FFS mode[11].

2012年，WU等人結(jié)合光對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)研究比較了FFS模式液晶顯示器的“之”字形和正交形結(jié)構(gòu)對(duì)色偏移和Gamma偏移的影響。由圖7(a)和圖7(b)可以看出，在更寬的視角下，正交形結(jié)構(gòu)對(duì)于色偏移的抑制作用更好。由于“之”字形結(jié)構(gòu)的液晶分子扭曲不足以使液晶分子相互垂直，從而不能實(shí)現(xiàn)很好的自補(bǔ)償，而正交形的液晶分子始終相互垂直，所以在不同的透過(guò)率下，正交形結(jié)構(gòu)的色偏移始終比“之”字形要低，如圖7(c)～7(e)所示。圖7(f)和圖7(g)也顯示出，在不同的極角下，正交形結(jié)構(gòu)對(duì)色偏移的抑制作用也比“之”字形要更好。對(duì)于Gamma偏移來(lái)說(shuō)也有相似的效果，選擇灰度等級(jí)144來(lái)比較“之”字形FFS模式和正交形FFS模式，與Gamma 2.2曲線相比，“之”字形FFS模式的伽瑪偏移率為34.54%，而正交形FFS模式僅為17.73%，如圖7(h)和圖7(i)所示[12]。

圖7 (a)45°極角下色偏移隨方位角的變化；(b)60°極角下色偏移隨方位角的變化；(c)30%透過(guò)率時(shí)色偏移隨方位角的變化；(d)50%透過(guò)率時(shí)色偏移隨方位角的變化；(e)70%透過(guò)率時(shí)色偏移隨方位角的變化；(f)100°方位角時(shí)色偏移隨極角的變化；(g)280°方位角時(shí)色偏移隨極角的變化；(h)正交形FFS在60°極角、不同方位角時(shí)最大Gamma偏移；(i)“之”字形FFS在60°極角、不同方位角時(shí)最大Gamma偏移[12]。Fig.7 (a)Change of color shift with azimuth at 45° polar angle；(b)Change of color shift with azimuth at 60° polar angle；(c)Change of color shift with azimuth at 30% transmittance；(d)Change of color shift with azimuth at 50% transmittance；(e)Change of color shift with azimuth at 70% transmittance；(f)Change of color shift with polar angle at 100° azimuth；(g)Change of color shift with polar angle at 280° azimuth；(h)The maximum Gamma shift under different azimuth angles of the orthogonal FFS at 60° polar angle；(i)The maximum Gamma shift under different azimuth angles of the Zigzag FFS at 60° polar angle[12].

4.3 四疇電極結(jié)構(gòu)

2016年，PARK等人提出了如圖8(c)所示的四疇結(jié)構(gòu)來(lái)降低顯示器的Gamma偏移和色偏移。這種結(jié)構(gòu)的1和4區(qū)域的液晶分子始終相互垂直，2和3區(qū)域的液晶分子始終相互垂直，相鄰兩個(gè)區(qū)域的液晶分子成一定夾角且旋轉(zhuǎn)方向相反，所以入射光無(wú)論從哪個(gè)方向以傾斜角度入射，都能得到很好的自補(bǔ)償，并且顯示出對(duì)稱(chēng)的亮度分布[13]。如圖8(d)～8(f)所示，在低灰度級(jí)下，具有2D“之”字形、2D正交形和4D電極結(jié)構(gòu)的FFS模式在75°極角處的平均色偏移分別為0.038、0.012和0.010，在中灰度級(jí)下，平均色偏移分別為0.019、0.007和0.002。這些結(jié)果清楚地表明，不管灰度級(jí)如何，4D電極結(jié)構(gòu)都可以抑制整個(gè)視角范圍內(nèi)的色偏移。如圖8(g)～8(i)所示，傳統(tǒng)FFS模式的D(45°,75°)為0.287，而2D“之”字形和2D正交形FFS模式的D(45°,75°)分別為0.159和0.074，4D結(jié)構(gòu)FFS模式的D(45°,75°)為0.007，說(shuō)明盡管通過(guò)使用2D結(jié)構(gòu)發(fā)生了改進(jìn)，但是對(duì)于大的極角仍然存在Gamma偏移，4D結(jié)構(gòu)的效果比2D結(jié)構(gòu)要好很多[13]。

圖8 (a)2D“之”字形FFS結(jié)構(gòu)示意圖；(b)2D正交形FFS結(jié)構(gòu)示意圖；(c)4D FFS結(jié)構(gòu)示意圖；(d)30%灰度級(jí)時(shí)75°極角、不同方位角下的色度圖；(e)60%灰度級(jí)時(shí)75°極角、不同方位角下的色度圖；(f)100%灰度級(jí)時(shí)75°極角、不同方位角下的色度圖；(g)2D“之”字形在45°方位角下的Gamma曲線圖；(h)2D正交形在45°方位角下的Gamma曲線圖；(i)4D FFS在45°方位角下的Gamma曲線圖[13]。Fig.8 (a)Schematic diagram of 2D zigzag FFS structure；(b)Schematic diagram of 2D orthogonal FFS structure；(c)Schematic diagram of 4D FFS structure；(d)Chromaticity diagram with different azimuth angles at 75° polar angle at 30% gray level；(e)Chromaticity diagram with different azimuth angles at 75° polar angle at 60% gray level；(f)Chromaticity diagram with different azimuth angles at 75° polar angle at 100% gray level；(g)Gamma curve diagram of 2D zigzag at 45° azimuth；(h)Gamma curve diagram of 2D orthogonal at 45° azimuth；(i)Gamma curve diagram of 4D FFS at 45° azimuth[13].

4.4 S形電極結(jié)構(gòu)

2007年，Lee等人在“之”字形的基礎(chǔ)上又提出了S形結(jié)構(gòu)。S形FFS結(jié)構(gòu)示意圖如圖9(a)所示。不同位置電極間距不同，電場(chǎng)的大小和方向也不同，這導(dǎo)致了加電壓時(shí)，液晶分子在不同位置有不同的旋轉(zhuǎn)方向，圖9(a)給出了其中的4種方向，這就使得各個(gè)方向的補(bǔ)償更加均衡，會(huì)降低Gamma偏移和色偏移，如圖9(b)和9(c)所示。此外，由于相對(duì)于輸入偏振器的平均LC指向矢角接近45°，并且LC層的有效延遲接近半波延遲，因此強(qiáng)的橫向場(chǎng)可以容易地允許更多的光透射，S形結(jié)構(gòu)比“之”字形電極結(jié)構(gòu)具有更大的透光率，如圖9(d)所示[14]。

圖9 (a)S形FFS結(jié)構(gòu)示意圖；(b)不同方位角下的色偏移值；(c)不同極角下的色偏移值；(d)V-T曲線[14]。Fig.9 (a)Schematic diagram of diaper FFS structure；(b)Color shift value under different azimuth angles；(c)Color shift value under different polar angles；(d)V-T curve[14].

5 VA模式液晶顯示器

VA型液晶面板在目前的顯示器產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛，使用在高端產(chǎn)品中，目前VA型面板分為兩種：MVA、PVA。MVA型是利用突出物使液晶靜止時(shí)并非傳統(tǒng)的直立式，而是偏向某一個(gè)角度靜止；當(dāng)施加電壓時(shí)液晶分子改變成水平方向，背光通過(guò)則更為快速，這樣便可以大幅度縮短響應(yīng)時(shí)間，也因?yàn)橥怀鑫锔淖円壕Х肿优湎?，讓視野角度更為寬廣。PVA是一種圖案電極垂面排列技術(shù)，該技術(shù)直接改變驅(qū)動(dòng)電極的形狀，刪掉了突出物，從而使暗態(tài)漏光降低，可以獲得優(yōu)于MVA的亮度輸出和對(duì)比度。

VA模式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)比度較高、色溫較高、漏光程度較低、可視角度提升到178°，有改善TN版面失色的問(wèn)題。缺點(diǎn)是：雖然有與IPS一樣的178°可視角，但左右看屏幕會(huì)有偏白的情況，色彩較IPS顯示模式較差。

5.1 多疇VA顯示模式

PVA模式的工作原理如圖10所示，不加電壓時(shí)，液晶分子垂直排列，無(wú)雙折射，面板成暗態(tài)。加電壓時(shí)，圖案電極施加傾斜的垂面場(chǎng)，液晶分子沿圖案電極施加場(chǎng)的垂直方向傾斜，形成四疇結(jié)構(gòu)，這種VA模式不需要摩擦取向，依靠電場(chǎng)作用形成四疇結(jié)果。

圖10 PVA模式的工作原理。(a)不加電時(shí)；(b)加電時(shí)[15]。Fig.10 Working principle of PVA mode.(a)Not powered；(b)Powered[15].

2005年，三星公司在PVA模式的基礎(chǔ)上提出了一種S-PVA模式的液晶盒結(jié)構(gòu)，工作原理如圖11所示，與PVA不同的是，S-PVA會(huì)將每個(gè)像素分成兩個(gè)不同的子像素，施加不同的電壓，導(dǎo)致它們的傾斜方向不同，這樣S-PVA就會(huì)形成一種八疇結(jié)構(gòu)，可以更好地實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償，降低Gamma偏移和色偏移，如圖11(d)～11(f)所示，也能實(shí)現(xiàn)大視角顯示。

圖11 八疇S-PVA模式工作原理。(a)低灰度級(jí)；(b)中灰度級(jí)；(c)全白；(d)TT-type S-PVA Gamma曲線；(e)傳統(tǒng)VA色偏移值；(f)TT-type S-PVA色偏移值[15]。Fig.11 Working principle of the eight-domains S-PVA mode.(a)Low gray level；(b)Medium gray level；(c)All white；(d)Gamma curve of TT-type S-PVA；(e)Color shift value of traditional VA；(f)Color shift value of TT-type S-PVA [15].

其中，按S-PVA的制作原理，又可以分為電容耦合型S-PVA(Capacitively-Coupled type S-PVA; CC-type S-PVA)[2]和雙晶體管型S-PVA(Two-Transistor type S-PVA; TT-type S-PVA)[15]。CC-type S-PVA是使用集成電容由主像素向副像素充電。而在TT-type S-PVA中，將柵極線的數(shù)量加倍，然后在一條公共數(shù)據(jù)線上多路復(fù)用A和B子像素驅(qū)動(dòng)電平。TT-type S-PVA通過(guò)提供對(duì)每個(gè)子像素的獨(dú)立控制，可以保留峰值亮度并實(shí)現(xiàn)最佳性能[15]。但是，這兩種方法都有很復(fù)雜的制作過(guò)程，并且會(huì)降低開(kāi)口率增加功耗。

2008年，LU等人提出了一種雙閾值電壓的MVA模式的液晶顯示器，如圖12所示，這種結(jié)構(gòu)也是將每個(gè)像素分成兩個(gè)不同的子像素，在其中一個(gè)子像素中制作一薄層的電屏蔽層，這片電屏蔽層會(huì)屏蔽一部分電壓，使得這個(gè)子像素中的閾值電壓比另一個(gè)子像素高，形成了類(lèi)似于CC-type S-PVA和TT-type S-PVA的八疇結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在降低Gamma偏移和色偏移的基礎(chǔ)上，只需要一個(gè)薄膜晶體管，也沒(méi)有開(kāi)口率低的問(wèn)題。并且，可以通過(guò)調(diào)整主副像素的面積和電屏蔽層的厚度使Gamma偏移和色偏移降低到最佳值，如圖12(b)～12(d)所示，傳統(tǒng)MVA的D(60°,0°)的值為0.351 0，主副像素面積比為1∶1的雙閾值電壓MVA的D(60°,0°)的值為0.250 6，主副像素面積比為1∶4的雙閾值電壓MVA的D(60°,0°)的值為0.162 9[16]。

圖12 (a)雙閾值電壓MVA模式工作原理；(b)傳統(tǒng)MVA Gamma曲線；(c)主副像素面積比1∶1雙閾值電壓MVA Gamma曲線；(d)主副像素面積比1∶4雙閾值電壓MVA Gamma曲線[16]。Fig.12 (a)Working principle of the dual-threshold voltage MVA mode；(b)Gamma curves of traditional MVA；(c)Gamma curves of the dual-threshold voltage MVA when the area ratio of the main and sub pixel is 1∶1；(d)Gamma curves of the dual-threshold voltage MVA when the area ratio of the main and sub pixel is 1∶4[16].

2009年，CHEN等人提出了將一種特殊的單體添加到液晶混合物中，通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾妷菏沟靡壕Х肿觾A斜，在此基礎(chǔ)上用適當(dāng)劑量的紫外線照射，這種單體就在聚酰亞胺層上固化形成聚合物層，為液晶分子提供預(yù)傾角，制作流程如圖13(a)所示，通過(guò)這種方式可以降低液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間[17]。2010年，LEE等人進(jìn)一步提出了一種用紫外線將活性聚芳酯單體與垂直取向材料混合固化的表面控制PVA(Surface Controlled PVA: SC-PVA)模式，在SC-PVA模式中，取向?qū)又械幕钚跃鄯减误w在通電狀態(tài)下被紫外線照射，沿LC導(dǎo)向器聚合，活性聚芳酯的定向聚合在液晶分子沿方位角方向轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)優(yōu)先，所以響應(yīng)時(shí)間可以大幅減少。在紫外線照射期間，在像素的不同區(qū)域施加不同的電壓，活性聚芳酯聚合物沿不同的角度固化，在像素中產(chǎn)生不同的預(yù)傾角，形成兩個(gè)子像素，制作流程如圖13(b)所示，通過(guò)這樣的方法也能形成八疇S-PVA結(jié)構(gòu)，并且響應(yīng)速度快[18]。

圖13 (a)添加聚合物層的制作流程[17]；(b)八疇SC-PVA制作過(guò)程[18]。Fig.13 (a)Production process of adding polymer layer[17]；(b)Production process of eight-domains SC-PVA[18].

2012年，CHOI等人又提出了一種在其中一個(gè)子像素中添加聚合物層，另一個(gè)子像素中不添加的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙閾值電壓，由于加聚合物層會(huì)提高液晶顯示器的閾值電壓，所以加電壓時(shí)不同子像素的液晶分子的傾斜角度不同，進(jìn)而將四疇結(jié)構(gòu)分成八疇結(jié)構(gòu)，工作原理如圖14所示，這種方式制作過(guò)程比較簡(jiǎn)單[19]。

圖14 雙閾值電壓VA模式工作原理示意圖。(a)關(guān)態(tài)；(b)施加高于不添加聚合物層子像素閾值電壓，低于添加聚合物層子像素閾值電壓的電壓；(c)施加高于添加聚合物層子像素閾值電壓的電壓[19]。Fig.14 Schematic diagram of the working principle of the dual threshold voltage VA mode.(a)Off state；(b)Apply a voltage higher than the threshold voltage of the sub-pixel without polymer layers and lower than the threshold voltage of the sub-pixel with the polymer layers；(c)Apply a voltage higher than the threshold voltage of the sub-pixel with the polymer layers[19].

2018年，SHIN等人設(shè)計(jì)了一種魚(yú)骨形的結(jié)構(gòu)如圖15所示，這種結(jié)構(gòu)也是將每個(gè)像素分成兩個(gè)子像素，由于像素電極圖案的分布，在施加電壓時(shí)，兩個(gè)子像素區(qū)域的液晶分子傾斜角度不同，尤其是對(duì)于弱電場(chǎng)操作的低灰度級(jí)而言，通過(guò)這種圖案電極的設(shè)計(jì)就可以直接形成八疇結(jié)構(gòu)，從而降低Gamma偏移，如圖15(d)和15(e)所示。通過(guò)改變主副像素的面積比，來(lái)影響對(duì)Gamma偏移和色偏移的改善程度，當(dāng)主像素區(qū)域和子像素區(qū)域之間的相對(duì)面積比為2時(shí)，八疇VA模式能顯著改善Gamma偏移和色偏移，改變主副像素的面積比能進(jìn)一步改善Gamma偏移和色偏移[20]。這種方法的制作更加簡(jiǎn)單，也不會(huì)造成開(kāi)口率降低等問(wèn)題。

圖15 (a)魚(yú)骨形結(jié)構(gòu)；(b)像素電極；(c)公共電極及其尺寸；(d)PVA Gamma曲線；(e)魚(yú)骨形PVA Gamma曲線[20]。Fig.15 (a)Fishbone structure；(b)Pixel electrode；(c)Common electrode and its size；(d)Gamma curves of PVA；(e)Gamma curves of fishbone PVA[20].

5.2 特殊的VA結(jié)構(gòu)

2010年，PARK等人提出了一種電荷共享S-PVA(Charge Shared S-PVA，CS-SPVA)技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)將每個(gè)像素分為3個(gè)子像素，通過(guò)如圖16(a)所示的結(jié)構(gòu)向3個(gè)子像素分別施加如圖16(b)上半部分所示的電壓，這種技術(shù)能將Gamma偏移和色偏移降低到人眼不可分辨的水平，且損失的部分透過(guò)率可以通過(guò)任意提高透過(guò)率的方法彌補(bǔ)[21]。由圖16(c)可以看出，兩個(gè)子像素的CS-SPVA對(duì)Gamma偏移的作用與TT-type S-PVA、CC-type S-PVA相差無(wú)幾，并且3個(gè)子像素的CS-SPVA結(jié)構(gòu)比兩個(gè)子像素更好，3個(gè)子像素的D(60°)值大約在0.13～0.17之間[21]。

圖16 (a)3個(gè)子像素CS-SPVA的像素等效電路以及一個(gè)像素的顯微鏡視圖；(b)上半部分是3個(gè)子像素CS-SPVA模式每個(gè)像素上的電壓，下半部分是Gate_ n和Gate_(n+1)線的柵極信號(hào)示意圖；(c)上半部分是兩個(gè)子像素CS-SPVA和TT-type S-PVA、CC-type S-PVA的Gamma曲線，下半部分是兩個(gè)子像素和3個(gè)子像素CS-SPVA的Gamma曲線[21]。Fig.16 (a)Equivalent circuit of a pixel of three sub-pixels CS-SPVA and a microscope view of one pixel；(b)Upper part is the voltage on each pixel of the three sub-pixels CS-SPVA mode，the lower part is the gate signal schematic diagram of Gate_ n and Gate_(n+1) lines；(c)Upper part is the gamma curves of the two sub-pixels CS-SPVA and TT-type S-PVA, CC-type S-PVA，the lower part is the gamma curves of the two sub-pixels and three sub-pixels CS-SPVA[21].

2016年，KIM等人提出將每個(gè)像素分成3個(gè)子像素，形成12疇結(jié)構(gòu)，如圖17(a)和17(b)所示，在高電壓子像素像素電極和中間子像素下像素電極施加高電壓，在低電壓子像素像素電極和中間子像素上像素電極施加低電壓，這樣中間像素電極就能產(chǎn)生介于高電壓和低電壓之間的一個(gè)電壓值，形成3種Gamma曲線，總的Gamma曲線是將這3種Gamma曲線積分。這種結(jié)構(gòu)能改善八疇結(jié)構(gòu)中間灰度級(jí)Gamma偏移和色彩偏移的情況，如圖17(c)所示，進(jìn)一步降低Gamma偏移和色偏移。

圖17 (a)12疇結(jié)構(gòu)工作原理和正視圖；(b)12疇結(jié)構(gòu)平面圖；(c)60°極角下八疇和12疇的Gamma曲線[22]。Fig.17 (a)Working principle and front view of the 12-domains structure；(b)Plan view of the 12-domains structure；(c)Gamma curves of the eight-domains and 12-domains at 60° polar angle[22].

2012年，LIN等人通過(guò)降低LC分子振蕩頻率，使用快速響應(yīng)的材料，提出了一種利用振蕩LC分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間平均效應(yīng)的時(shí)間劃分方法，也可以降低Gamma偏移和色偏移，如圖18所示。與空間像素劃分方法不同，時(shí)間平均方法不需要像素設(shè)計(jì)修改，因此不會(huì)發(fā)生光損耗，時(shí)間分割方法可以用作解決當(dāng)前像素分割方法的替代技術(shù)[23]，但該方法在驅(qū)動(dòng)控制方面有難度。

圖18 不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)下Gamma曲線[23]Fig.18 Gamma curve under different driving signals[23]

2012年，TIEN等人提出了一種將TT-type S-PVA與CS-SPVA結(jié)合產(chǎn)生超多疇PSA(聚合物穩(wěn)定排列)的方式，結(jié)構(gòu)示意圖如圖19(a)所示，使用TT-type方式將每個(gè)像素分成主、副兩個(gè)子像素，再使用CS方式將副子像素分成兩個(gè)子像素，這樣就形成了由4個(gè)排列方向×3個(gè)傾斜角度的12疇結(jié)構(gòu)。優(yōu)化主副子像素和不同副子像素之間的面積比和電壓關(guān)系，能更好地降低Gamma偏移和色偏移值。由于開(kāi)口率相對(duì)傳統(tǒng)八疇結(jié)構(gòu)比較小，所以這種超多疇結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)就是透過(guò)率比較低，不過(guò)可以通過(guò)提高透過(guò)率的方法來(lái)提高。

圖19 (a)超多疇PSA結(jié)構(gòu)；(b)45°極角下的Gamma曲線、色偏移值；(c)超多疇PSA結(jié)構(gòu)；(d)商業(yè)IPS結(jié)構(gòu)[24]。Fig.19 (a)Super multi-domain PSA structure；(b)Gamma curve at 45° polar angle，color shift value;(c)super multi-domain PSA structure;(d)commercial IPS structure[24].

6 總結(jié)與分析

本文綜述了有關(guān)LCD色彩表現(xiàn)的相關(guān)進(jìn)展，主要圍繞大視角下的Gamma偏移與色偏移展開(kāi)。降低Gamma偏移和色偏移的方法大體可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是在液晶盒的外部貼加散射膜，一類(lèi)是改變液晶盒內(nèi)部的電極結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

散射膜方法適用于所有模式的液晶顯示器，制作過(guò)程與液晶盒分開(kāi)，且能實(shí)現(xiàn)很好的效果，缺點(diǎn)是由于膜的增加會(huì)降低透過(guò)率和分辨率，也會(huì)增加制作膜的成本。而從顯示模式上，IPS與VA模式應(yīng)用較為廣泛，針對(duì)這兩種液晶顯示模式的研究相對(duì)較多。對(duì)于IPS模式的液晶顯示器，主要通過(guò)加電時(shí)在液晶盒內(nèi)部形成不同的液晶分子指向矢方向來(lái)形成自補(bǔ)償，從而降低Gamma偏移和色偏移。但是復(fù)雜的多疇結(jié)構(gòu)首先會(huì)使制作工藝更加復(fù)雜，并且還需要制作不同方向的取向?qū)?，其次可能?huì)造成液晶分子排列混亂，最后也會(huì)損失透過(guò)率。對(duì)于VA模式來(lái)說(shuō)，由于VA模式對(duì)視角的依賴(lài)比較嚴(yán)重，所以最少要形成四疇結(jié)構(gòu)才能有效地降低Gamma偏移和色偏移，所以為了形成更多的疇，采取的方法主要是主副像素法，將每個(gè)像素分成兩個(gè)或多個(gè)子像素，通過(guò)各種方法，在不同的子像素上施加不同的電壓或設(shè)置不同的預(yù)傾角度，使不同子像素在加電時(shí)液晶分子的傾斜角度不同，就能形成不同的Gamma曲線，總的Gamma曲線是不同子像素Gamma曲線的積分，通過(guò)這種方式降低Gamma偏移和色偏移，透過(guò)率也會(huì)損失。

改善液晶顯示器的Gamma偏移和色偏移，是高品質(zhì)顯示器的基本要求，也是大尺寸液晶顯示器發(fā)展的難題之一，本文對(duì)各種常用液晶顯示器中的改善方法進(jìn)行了總結(jié)和分析，希望對(duì)人們較全面認(rèn)識(shí)改善方法提供幫助。未來(lái)液晶顯示器還會(huì)在保持其高性能的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索簡(jiǎn)便有效的方法來(lái)降低其Gamma偏移和色偏移，主要體現(xiàn)在簡(jiǎn)化制作工藝、節(jié)約成本，降低其他性能的損耗，或在兩者之間找到比較好的平衡。