液晶显示器信号源切换 共面电场切换液晶显示器面板技术发展的回顾与展望

　　摘要：介绍IPS液晶显示技术的发展史、现况及对未来发展趋势的展望。在IPS技术克服了视角依存的显示基本需求特性，近来在动画质量与色彩再现稳定性方面亦大幅提升。现阶段开发重点则是着重于面板制造低成本、高生产良率和高对比特性，使其能与其它液晶电视技术匹敌。因此，我们成功开发了最具竞争力的新IPS模态，取名为AS-NOOC。与AS-IPS相比较，AS-NOOC具有省去一道Array基板侧的厚有机层制程的低制造成本优势，可大幅提高良率。并利用在彩色滤光片侧导入最佳化电极来同时优化面板亮、暗态的光学特性，有效提高对比度。
　　关键词：薄膜晶体管液晶显示器；共面开关；ＡＳ－ＮＯＯＣ
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
　　
　　Recent Progress and Future Possibility of
　　the IPS TFT-LCD Panel Technology
　　
　　Jiunn-Shyong Lin, Po-Sheng Shih, and Kei-Hsiung Yang
　　( Research Center, HannStar Display Corporation, Yang-Mei, Tao-Yuan, Taiwan,China)
　　
　　Abstract: The recent developments on the in-plane switching (IPS) TFT-LCD technology are reviewed in this paper. After IPS suppressing the viewing-angle dependency of essential display characteristics, recent efforts are focused on the improvements of motion-picture quality and color-reproduction stability. The most recent development has been to lower the panel-manufacture cost；higher process yield and higher contrast ratio, by which we will be able to compared with other LCD-TV technologies. Consequently, a novel low-cost and high contrast-ratio IPS LC mode, named Advanced Super Non-Organic Overcoat (AS-NOOC), has been successfully developed. Compared to the AS-IPS mode, the AS-NOOC mode has the advantages of simpler process for lower manufacture cost by the elimination of a lithographic process step to form thick organic overcoat on the array substrate, and consequently, resulting in a higher array yield. The higher contrast ratio comes from using narrow strips of black matrix serving as optimized electrodes on the color-filter substrate to optimize the optical properties in both the dark and bright states of the display.
　　Keywords: TFT-LCD；IPS；AS-NOOC
　　
　　1前言
　　
　　薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）产业在基础和应用方面急速扩展，成长速度超过了预期，随着电视平板化的趋势来临，液晶电视(LCD-TV) 无疑是液晶产业近年来最耀眼的今日之星。在全球每年约有1.7亿台电视机市场中，液晶电视将成为今后替代显像管电视(CRT-TV)的主要商品，可望继液晶监视器(LC monitor) 取代显像管监视器(CRT monitor) 后，再创显示器史上另一次“取代”的奇迹。然而，大尺寸液晶电视面板在开发技术上，需克服视角的限制，因此，广视角液晶显示器技术因应而生，以成熟的TN（twisted nematic）技术作为比较基准，大致可用三种方法来达到广视角的效果：第一，外在方法（external method），就是直接在TN面板外面贴上光学补偿膜，这是最简单的方式，但是因为TN模态（Mode）先天结构的限制，致使视角表现仍有不足；第二，内部方法（internal method），只需要修正cell内部模态，如IPS (in-plane switching) Mode；第三，混合方法（mixed method），需要同时结合上述外在与内部的方法，如MVA（multi-domain verti -cal alignment）Mode与OCB（optically compen -sated bend）Mode。其中OCB Mode反应快速，但因透过率低，不利于大尺寸面板开发，因此，目前业界LCD-TV产品所采用的广视角技术主要为IPS与MVA。其中，IPS因为不需要额外的补偿膜，水平与垂直视角即能达到超广视角的优异特性，若能再进一步提升量产良率，降低生产成本，将是非常具有市场竞争力的一种液晶模态。
　　
　　2IPS 技术的发展历史
　　
　　关于共面电场切换（IPS）模态的横向电场驱动观念，其实早已在1973年就被美国的R.A. Soref提出，研究由平行电极所产生横向电场下液晶的光电特性。在1992年，由德国的G. Baur研究团队首先在论文提出in-plane switching的名词，并陆续利用计算机仿真验证，提出IPS有助于改善LCD视角特性的论点。在1995年，日立（Hitachi）的M. Oh-e和K. Kondo开始研究将IPS实质应用到TFT-LCD面板中，在1996年中，成功地开发出第一片IPS面板的产品，自此，IPS Mode广视角技术开始受到重视。
　　IPS Mode的基本操作原理如图1所示，未施加电场时，入射光通过液晶分子仍维持线性偏振光，最后被正交的偏光板所吸收，故为暗态。当施加电场时，由趾间电极所产生的横向电场会使得液晶分子维持在水平方向做旋转，因此入射光通过液晶分子时就会产生相位延迟，由线性偏振光变成椭圆偏振光，最后经由正交的偏光板来调变部分光的出射，故为亮态。其操作机制主要是利用共面电场使液晶分子能以“in-plane”的方式来做显示器的“switching”动作，控制亮暗态，顾名思义取名为“in-plane switching”。
　　
　　
　　IPS广视角优异特性的原理可简示如图2，因IPS是利用正负电极皆在同一基板上来产生横向的水平电场，以控制液晶分子不论电场在ON或OFF状态下，始终能保持在水平方向旋转，由于液晶分子只在水平位置取向，因此，即使视角改变，相较于传统TN的垂直电场模式，光学特性随视角的变化非常的小，加上操作在NB (normal black) 条件，因此在大尺寸面板应用上不需额外加补偿膜，仍具有广视角、高对比的显示特性。
　　虽然IPS可大幅改善TN的对比与灰阶反转的视角特性，但是因为液晶分子的水平旋转方向单一，所以由面板左右侧所观察到的相位延迟也会有所不同，因而会产生色差（color shift）问题。因此，日立利用多畴（multi-domain）结构来改善此效应，在1997年提出S-IPS（super-IPS）解决色差问题，如下图3所示，传统IPS电极结构在固定倾斜角（q）下，随着不同方位角（f）的改变，其色坐标变化甚大，即色差大。相反的，S-IPS藉由弯曲的梳子状电极结构（zigzag）形成双畴模式，使液晶分子水平旋转方向双分，因此在相同倾斜角（q），随不同方位角（f）改变下，色坐标变化很小，从而解决传统IPS结构的色差问题。然而，S-IPS电极结构仍需做适当的设计，否则将会造成低开口率和可见的串音（Crosstalk）现象，两者都需加以最佳化，以避免亮度下降和串音的存在而降低影像质量。
　　
　　液晶电视若想取代传统显像管电视的市场，大尺寸和高分辨率则是一种必然的趋势。然而，将伴随着产生两个问题，面板尺寸加大则造成视角问题，分辨率提高将使电极间距离更为接近，因而更容易产生电性耦合的串音问题，进而降低影像质量。虽然S-IPS具有广视角、低色差的超优技术，然而它却有低开口率的缺点，由于背光模块的成本占了大尺寸面板的绝大部分，如能在产品规格的亮度下减少灯管数，不仅节省制造成本，更能降低电视功率的消耗。因此，在2003年，日立提出AS-IPS（advanced super IPS）的新结构来改善低开口率，可提升S-IPS约30%的穿透率。图4所示为日立所开发的IPS面板画素随时间的演进，由光学显微镜下的画素透过像可看出AS-IPS的开口率已然大幅提升。然而，驱动电极和数据线间的杂散电容耦合所造成的串音效应，将进一步降低影像质量。因此，AS-IPS电极结构需在数据线和共通电极间沉积一层很厚的有机绝缘层（organic insulating layer）来降低串音效应，如图5所示。
　　
　　
　　3IPS技术最近发展状况
　　
　　瀚宇彩晶是台湾目前唯一获日立AS-IPS技术转让授权的公司，以彩晶丰富的IPS面板制造经验深深体会，优异的技术发展除了基本特性提升外，应该要以"量产成品良率"与"制造成本"为开发前提，才能真正使产品深具市场竞争性。具有有机绝缘层的AS-IPS结构，虽然可提高开口率，大幅降低串音效应，但是需要涂布一层很厚的有机绝缘层，但也伴随着两个严重问题的产生，第一，数组（array）基板侧所使用的有机绝缘层的材料非常昂贵，其结构需要很厚的涂布来降低串音效应，这将大幅增加制造成本；第二，其结构需在原本成熟的5PEP TN数组制程中加入有机绝缘层制程，为6PEP数组制程，不仅增加生产时间，很厚的有机层涂布将产生更多的数组缺陷，而且很厚的有机层将使array段缺陷的修补造成困扰，因而提升生产良率遭遇到瓶颈。因此，从2004年起，彩晶不断地改良传统的AS-IPS结构（AS"-IPS、AS""-IPS），并于2006年自行成功开发出第一片AS-NOOC（advanced super non organic overcoat）的IPS面板，即完全不需要有机绝缘层即可达到与AS-IPS一样的高开口率与低串音特性，将大幅降低制造成本与提高量产良率，如图6和表1所示。图7所示则为AS"-IPS、AS""-IPS（彩晶改良的结构）与AS-NOOC的基本电极结构比较，主要的差异点有三项：1. AS-NOOC已移除很厚的有机层(organic layer)；2. AS-NOOC会在资料线 (data line) 上的共通电极挖洞；3. AS-NOOC 会在彩色滤光片侧引入具有共通电位的最佳化电极 (optimized electrode) 来优化面板光学特性。
　　
　　相较于MVA，"对比"常被视为IPS本质上的缺陷，主要是因为IPS模态相较于VA模态，其液晶分子容易受温度扰动而产生光散乱，进而影响暗态漏光的程度和对比的提升。要改善对比，如下图8所示，基本上有两个方向：第一，改善暗态，除了可针对材料的改进着手，如液晶需选用K22 值较大的材料来降低IPS在室温时的本质暗态漏光，藉由彩色滤光片的新色阻材料，减少光散乱效应，以及降低正交偏光片所产生的漏光，此外，亦可藉由背光灯的控制，来降低显示较暗影像场景时的背光亮度，使面板能有更暗沉的黑色，如此可使动态对比大幅提升、影像更为锐利。第二，改善亮态，可由液晶盒延迟(cell retardation)的最佳化，以及画素电极结构设计来提升开口率，进而提高画素穿透率。因此，若想要开发出真正高对比的IPS液晶面板，唯有同时从两基本面改善着手。
　　 AS-NOOC除了直接拿掉昂贵而且恼人的有机层外，主要是针对面板电极结构做改良设计，以优化面板光、电特性。在暗态时，如图9所示，相较于S-IPS，AS-NOOC在彩色滤光片侧引入具有共通电位的最佳化电极，所以可将数据线 (data line) 所产生的边际电场噪声造成对液晶分子扰动的范围降至最小。在亮态时，相较于AS-IPS，AS-NOOC主要是针对数据线区域做改良设计，对中间显示的开口区域并无影响，所以在无有机层的状态下，依旧能保持AS-IPS的高开口率。此外，最佳化电极结构的导入更可大幅提升IPS面板的光效率，如图10所示，在光学显微镜相同L255灰阶下可清楚看出AS-NOOC的画素相较于AS-IPS为明亮，其结果也在透过率与电压曲线进一步获得验证。藉由亮暗态的同步改善与电容耦合率(capacitive coupling ratio) 的参数最佳化， AS-NOOC的对比能由AS-IPS的600：1大幅提升至1,000：1，如图11所示。色彩再现的稳定性则如图12所示，由测量结果可看出AS-NOOC的正视与斜视60°角的色域（color gamma)几乎一致，所以具有优异的视角色彩再现稳定性。
　　
　　
　　此外，因为IPS为趾间电极结构，随着基板尺寸的变大，配向辊(Roller)也必须变大，配向机台的稳定性也势必更难控制，因此更容易造成大尺寸IPS面板的磨擦云纹(rubbing Mura)问题，为根本解决IPS的配向问题，光配向、离子束配向、电浆配向技术的量产可能性也陆续在研发中。
　　
　　4结论
　　
　　本文针对IPS面板技术的发展，做了简单而扼要的历史回顾与近况介绍。依次发展的顺序为IPS →S-IPS→AS-IPS→ AS"-IPS→AS""-IPS→AS-NOOC。从IPS到AS-IPS的研发，日立公司一直扮演着重要而关键的角色。瀚宇彩晶从日立技转到AS-IPS之后，有鉴于其缺点，决定从事自主创新，独立完成了AS-NOOC的研发，成功开发23寸WXGA AS-NOOC的样品，并和量产中的23寸 WXGA AS-IPS作比较。相对于AS-IPS，AS-NOOC的对比可由600：1提升至1，000：1，面板光透过率可提升约10.8%，同时有较便宜的面板造价，以及超优异的色彩再现稳定性，未来可将其应用至高画质液晶电视和医学用显示器领域，深具市场竞争力。这证明了显示技术的快速发展，昨日劣势，今已扭转，今日优势，明不复见，唯有虚心正视技术的问题所在，不断地寻求新技术的突破，才能真正让LCD继CRT之后，在人类的显示器史上写下最辉煌的一页。
　　
　　参考文献
　　[1] R.A. Soref, “Transverse field effects in nematic liquid crystals,”Appl. Phys. Lett.Vol. 22, pp. 165-166, 1973.
　　[2] R. Kiefer, B. Weber, F. Windscheid and G. Baur,“In-Plane Switching of Nematic Liquid Crystals,” JAPAN DISPLAY "92, pp. 547-550, 1992.
　　[3] M. Oh-e and K. Kondo, “Electro-optical characteristics and switching behavior of the in-plane switching mode,” Appl. Phys. Lett. Vol. 67, pp. 3895-3897, 1995.
　　[4] S. Aratani, H. Klausmann, M. Oh-e, M. Ohta, K. Ashizawa, K.Yanagawa and K. Kondo, “Complete suppression of color shift in in-plane switching mode LCDs with a multidomain structure obtained by unidirectional rubbing,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, pp. L27-L29, 1997.
　　[5] Y. Nakayoshi, N. Kurahashi, J. Tanno, E.Nishimura, K. Ogawa, and M. Suzuki, “High Transmittance Pixel Design of In-Plane Switching TFT-LCDs for TVs,”SID 03 Digest,pp. 1100-1103, 2003.
　　[6] J.-S. Lin, K.-H. Yang and S.-H. Chen, “Crosstalk Studies of In-Plane Switching Mode under Different Pixel- and Common- Electrode Configurations,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 43, no. 4A, pp. 1476-1480, 2004.
　　[7] J.-S. Lin, K.-H. Yang and S.-H. Chen, “High-Transmittance Pixel- and CommonElectrode Structures Design for InPlane Switching Mode with Low Crosstalk,”Jpn. J. Appl. Phys., vol. 43, no. 7A, pp. 4276-4280, 2004.
　　[8] J.-S. Lin, K.-H. Yang and S.-H. Chen, "A high-aperture-ratio and low-crosstalk pixel structure design for in-plane-switching-mode TFT-LCDs," Journal of the Society for Information Display, 12/4, pp. 533-537, 2004.
　　[9] J.-S. Lin, K.-H. Yang and S.-H. Chen, “Optimization on the Thickness of Organic Insulator Layer for AS-IPS Mode Thin-Film-Transistor Liquid Crystal Displays,” Jpn. J. Appl. Phys.,Vol. 44, pp. 6178-6185, 2005.
　　[10] J.-S. Lin, P.-S. Shih, K.-H. Yang and S.-H. Chen,“Design of Electrode Structure for AS"IPS Mode with High Aperture Ratio and Low Crosstalk,”SID 06 Digest, pp. 740-743, 2006.
　　[11] J.-S. Lin, P.-S. Shih, T.-S. Liao, M.-C. Chang, R.-H. Lin, P.-H. Lin, C.-T. Wu, M.-P. Huang and K.-H. Yang, “A Novel Pixel Structure to Eliminate Thick Organic Overcoat on the Array Substrate of AS-IPS Mode for TFT-LCDs,”SID07 Digest, No.29.2, pp. 1171-1174, 2007.省略。