广视角液晶显示器设计

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1、广视角液晶显示器设计王欢;徐向阳;辛武根;王伟;涂志中;尹傛俊;徐宇博;李乘揆【摘 要】为了实现液晶显示器的广视角显示,论文详细阐述了一款54.6 cm(21.5in)液晶显示器的广对比度视角液晶面板及广亮度视角背光源的设计原理和方法介 绍了边缘场开关模式液晶面板的设计方法及结构,从原理上阐释了此液晶面板具有 广对比度视角的原因;介绍了背光源亮度视角的设计方法,通过对背光源中多组光学 膜层架构的测试和数据对比，得到了具有最广亮度视角的膜层架构根据上述原理进 行实际模组样品的制作并进行实测,数据结果显示此款液晶显示器的对比度视角可 达90/90/90/90,且在水平方向的1/2亮度视角可达60,

2、相应的亮度视角均一 性为1.20.通过对比其他同类产品的实测数据，表明此款液晶显示器无论在对比度视 角还是亮度视角方面都远优于同类产品.期刊名称】液晶与显示年(卷),期】2014(029)004【总页数】5页(P559-563) 【关键词】 广视角;边缘场开关;光学膜层;背光源【作 者】 王欢;徐向阳;辛武根;王伟;涂志中;尹傛俊;徐宇博;李乘揆【作者单位】 合肥京东方光电股份有限公司,安徽合肥23003 1;合肥京东方光电股 份有限公司,安徽合肥230031;合肥京东方光电股份有限公司,安徽合肥230031;合 肥京东方显示光源有限公司,安徽合肥230031;合肥京东方光电股份有限公司,安徽

3、 合肥230031;合肥京东方光电股份有限公司,安徽合肥230031;合肥京东方光电股 份有限公司,安徽合肥230031;合肥京东方光电股份有限公司,安徽合肥230031正文语种】中文【中图分类】TN8731引 言 近年来，由于液晶显示器的体积小、功耗低、显示质量优越等诸多优点而成功取代 了传统的CRT 显示器。 但是相比于CRT 显示器， 液晶显示器仍有以下两大缺点： 响应速度慢和可视角度窄。除了笔记本、平板电脑和手机等便携设备对可视角度的 要求不高外，其他的液晶显示设备都要求具有较广的可视角度。可视角度是指用户可以从不同的方向清晰地观看屏幕上所有内容的角度，包含对比 度视角和亮度视角。对比

4、度视角的下降是指在离开液晶面板法线方向观看时，液晶 面板对比度下降而导致无法正常观看图像1；亮度视角的下降是指在离开液晶面 板法线方向观看时，亮度呈下降趋势从而对正常观看图像造成影响。对比度视角由 液晶面板所决定，目前针对对比度视角改善的主要技术有光学自补充弯曲模式、共 面转换模式、边缘场开关模式和多畴垂直排列模式等2-8；亮度视角最主要与背 光源光学膜层设计有关。本文设计了一款尺寸为54.6 cm(21.5 in)、分辨率为1 920x1 080 Pixels的液晶 显示器， 液晶面板采用具有广对比度视角的边缘场开关(Fringe Field Switching , FFS )模式技术，且对

5、背光源光学膜层的特性进行研究，选定最佳的膜层架构，使液 晶显示器具有最广的亮度视角。2设计方案FFS模式液晶面板的特点是液晶分子在平行于玻璃基板的平面方向发生旋转，这种 结构具有较广的对比度视角；背光源为侧入光式，光学膜层选用一层扩散膜和一层 反射型偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film , DBEF)的双膜层架构， 这种架构具有较广的亮度视角。2.1 液晶面板设计如图1所示是FFS模式面板的基本结构，不同于扭曲向列式(Twisted Nematic , TN)模式，FFS模式的液晶分子与玻璃基板平行，上基板没有电极，在下基板上设 有像素电极和数字电极，且

6、两者之间设有氮化硅钝化层起到隔绝保护作用。下基板 像素电极的宽度为3 pm，取向膜的摩擦方向和电极间的夹角为12。和78,预倾 角为2,盒间距d为4 pm。图 1 FFS 模式的基本结构 Fig.1 Structure of FFS modeFFS模式面板的液晶分子在不加电压时与下偏光片的透光轴平行，液晶分子不对通 过下偏光片的光进行偏振态调节,不能通过上偏光片的透过轴,因而在不加电压时 为常黑模式。当加载电压且超过阈值时，液晶分子在电场方向发生扭转，电场Ey 在像素电极边缘位置极强，在电极中间极弱，电场Ez在像素电极中间极强，在像 素电极边缘极弱,所以扭转角最大值在像素电极边缘底表面附近,其

7、倾斜角最大可 达20-30,因此相应的光透过率在像素电极边缘处最大，在像素电极中间透光 率最小。FFS模式液晶面板透光率可由如公式(1)计算得到：I=I0sin2(2sin2(ndAn/入),(1)其中：I为透过液晶面板的光强，I0为入射光强，为下偏光片透光方向与LC光 轴间的夹角，d为液晶盒厚度，An为各向异性折射率差，入为光波长。如图2所 示，由于FFS模式面板的液晶分子主要是在同一水平面内旋转，从各个方向上看 光程差变化不大，所以透光率差异很小，因此I值变化较小，对比度视角较好。图 2 FFS 模式广对比度视角原理图 Fig.2 Principle of wide contrast ra

8、tion viewing angle of FFS mode表1中所示为此款FFS模式液晶面板的主要资材，测试根据上述原理进行制作的 样品，可以得到如图3所示的测试结果，图3的最外圈是在0 （平行于液晶面板 法线方向）时的测试数据，而中心点是在90（液晶面板法线方向）时的测试数据，在 对比度大于10的前提下，数据显示其上下左右的对比度视角可达 90/90/90/90。表1 FFS液晶面板使用资材Tab.1 Material of FFS cellMaterialModelUsage/1000PanelsColorFilterInhouse1000EALiquidCrystal Merck :

9、MAT-09-12844756GPolyimideNissan : SE-641420KGRubbingClothAgehara : 89IC027ROLAPRPlateKOMURA0059SHSealantSeksui : SWB21578GGlassFiberNEG : PF-51S5 . 78GCleaningAgentSAWASH : LH-54013 . ILPolLGC : LR10000SET图3 FFS模式对比度视角实际测试数据Fig.3 Real test data of contrast ratio viewing angle of FFS mode2.2 背光源设计本文所

10、述背光源为侧入光式LED背光源。LED背光源分为直下入光式和侧入光式， 直下入光式背光源厚度较厚，通常用于液晶电视等尺寸较大的显示设备，液晶显示 器以及便携式液晶显示设备一般采用厚度较薄的侧入光式背光源。侧入光式背光源 的主要部件有背板、边框、胶框、导光板、光学膜层、灯源等，灯源采用LED灯 条，位于导光板的侧边,LED出射的光线经过导光板及光学膜层之后由原来的线 光源变成画面品味较佳的面光源，再由液晶面板进行调制使其形成画面，背板、边 框和胶框起到支撑作用9。此款液晶显示器采用单长边入光方式，即在背光源的 长边采用单根LED灯条作为其光源,LED封装为4014，导光板采用油墨印刷导光 板。光

11、学膜层是影响亮度视角的主要因素。背光源常用的光学膜层有反射膜(Reflector Film)、扩散膜(Diffuser Film)、棱镜膜(Prism Film)、微透镜阵列膜(Microlens Film)及反射型偏光增亮膜(DBEF和Brilliant Viewing Film，BVF)。反射膜位于导 光板下方，用于反射杂散的光线，对亮度视角不会产生影响；扩散膜的作用是对从 导光板中出射的光进行扩散，使得光线分布得更加均匀，画面品味更佳；棱镜膜的 作用是对散射的光起到聚光的作用，使得背光源正面出射的光更加集中，从而提升 液晶面板法线方向的亮度；微透镜阵列膜是介于扩散膜和棱镜膜之间的一种膜层

12、， 即可以对光起到扩散作用，又可以起到聚光作用；DBEF的作用是将不能通过下偏 光片的光反射回背光源，被背光二次反射的光不再是线偏振光，而是部分偏振光， 这样又有一部分光可以通过下偏光片，经过多次循环利用，使得光的透过率得到提 升10。通常情况下台式计算机对水平方向的亮度视角的要求较为严格，而对垂直方向的亮 度视角要求较为宽松11，所以本文只对水平方向的亮度视角进行了研究。为使显 示器具有最广的水平亮度视角，测试了多种光学膜层架构，所使用的膜层信息如表 2所示。图4所示是基本的膜层架构测试得到的亮度视角数据，图中所示膜层排列顺序从 左到右相对应实际膜层是从下到上的排列顺序(最下面的膜层与导光板

13、接触)。图中 测试的亮度数据为液晶显示器中心点亮度随角度的变化值，角度测试间隔为2 ， 测试范围为-90。+90。随着测试角度的增大亮度随之下降，当亮度下降为液晶 显示器法线方向亮度的一半时的角度定义为亮度视角。由于不同光学膜层架构法线 方向亮度不同，为便于数据的比较，液晶显示器的法线方向亮度被归一化为200 cd/m2。表 2 膜材参数 Tab.2 Parameters of optical filmFilmModelFilmTypeHaze/%Thickness/pmVenderCH27NHDiffuser95125SKCND155Diffuser89205LGECH403PDiffuse

14、r95220SKCCH152DNHDiffuser99125SKCUTE23Microlens86220M N 订 echUTE27GPrism7220M N 订 echBVF-2 30BVF962303MDBEF260DBEF822603M从图4可知，不同光学膜层架构的亮度视角差异较大，其中一层扩散膜CH27NH 搭配一层DBEF-260的架构亮度视角（58。）明显要大于其他的架构的视角。图4不同膜层架构的角度测试数据Fig.4 Test data of viewing angle of different film structure图5不同扩散膜的亮度视角测试数据Fig.5 Test d

15、ata of viewing angle of different diffuser film接着对不同雾度的扩散膜（相关参数如表2所示）搭配DBEF-260的亮度视角变化情 况进行研究，如图5所示，扩散膜雾度越高亮度视角越大，具有最大的亮度视角 （60）的架构是一层扩散膜CH152DNH搭配一层DBEF-260的架构。在确认了上 述光学膜层的架构之后，进行其他光学部材的设计，选用的 LED 荧光粉为 YR 粉， 搭配此款液晶面板的彩膜，色域NTSC为72% ;灯条选用68颗4014-LED，以 确保液晶显示器的亮度达到250 cd/m2 ；对导光板的网点进行调节，以避免灯条 入光侧的Hots

16、pot Mura。3 样品测试结果 对上述样品进行制作并对相关数据进行实测，且和其他同类产品进行了比较，如表3所示（表中最后两项参数是TCO标准中表述亮度和对比度随角度变化的参数，其 定义方式和测试方法参考文献11），其中亮度均一性随角度变化数值越小代表亮 度视角越宽，而亮度对比度随角度变化数值越大代表对比度视角越好。从表中可以 看出，此款产品与同类产品相比，在对比度视角和亮度视角方面有明显的优势。表 3 样品测试结果 Tab.3 Test Result of ModuleParameters 产品 A 产品B54.6cm广视角Resolution1920x10801920x10801920x

17、1080ResponseTime/ms5. 165 . 44 13 .36ModuleBrightness/(cdm-2)253293248ColorGamut :NTSC/%72 . 272 . 472 . 1ModulePowerConsumption/W15 . 8916 . 6615 . 52ContrastRatio578:11053:1972：1ContrastRatioViewingAngle/()54/54/ 27/5485/85/85/8590/90/90/901/2BrightnessViewingAngle/()424260TCO:Luminanceuniformity-

18、angulardependencel . 771 . 691 . 20TCO : Luminancecontrast-angulardependenceO . 970 . 990 . 995结论 设计了一款具有广视角的液晶显示器，不仅具有较广的对比度视角还具有较广的亮 度视角。根据论文所述的原理进行样品的实际制作并测试，测得上下左右的对比度 视角值为90/90/90/90，1/2亮度视角为60，与同类产品相比较，此款产品 在视角方面具有明显优势。参考 文献:1 牟强液晶电视的广视角技术几液晶与显示，2005 , 20(1) : 67-71.MOU Q. Wide visual angle te

19、chnology of TFT-LCDTV J. Chinese Journal ofLiquid Crystals and Displays，2005，20(1):67-71. (in Chinese)2 马新利，黄子强.FFS宽视角技术的发展几光电子技术与信息，2006 , 19(1): 8-13.Ma X L，Huang Z Q. Progress of wide-viewing angle technologies for fringe-field switching J.Optoelectronic Technology & Information. 2006， 19(1):8-13

20、. (in Chinese)3 李雪红，邹忠飞，钟德镇，等.扭曲排列增强的广视角技术J.液晶与显示， 2013，28(3):354-357.Li X H，Zhou Z F，Zhong D Z，et al. Wide viewing angle technology of twisted arrangement enhanced J.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28(3)：354-357. (in Chinese)4 伊藤洋士. OCB模式或VA模式的液晶显示器：中国,CN 1726426AP.2006-01-25.5

21、 矢野周治，河合雅之.IPS模式液晶显示装置：中国，CN 101135812AP.2008-03-05.全台贤，白承埈.FFS模式LCD及其制造方法：中国，CN 101446717AP.2009-06-03.7 李景夏，金香律，田钟烨，等.FFS模式液晶显示装置：中国，CN 1591142AP.2005-03-09.8 花冈一孝，田沼清治，仲西洋平，等.液晶显示器：中国，CN 101551554AP.2009-10-07.9 王海雄，李积彬.LCD导光板微结构成型技术及发展趋势J液晶与显示，2012， 27(4)：486-492.Wang H X，Li J B. Molding technol

22、ogies of micro-structure on light guide plate of LCD and trendsJ.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2012，27(4)：486-492. (in Chinese)10 Li Y，T Wu T X，Wu S T. Design optimization of reflective polarizers for LCD backlight recycling J. Journal of Display Technology，2009(5)： 335-340.11 TCO Certified Displays 6.0 EB/OL. 2011-11-07.http： /.