使用二維雙層電極結構之水平配向邊緣場效驅動液晶顯示器

Abstract

本研究探討液晶顯示器之水平配向邊緣場效驅動(Parallel-Aligned Fringe-Field Switching, PA-FFS)結構，並使用TechWiz LCD 3D模擬軟體進行電場分佈、液晶分子轉向與光學性能之分析，分別探討畫素電極寬度、電極間距、液晶層厚度以及不同配向設計，對穿透率與反應時間的影響。 在過去的研究中，單層電極的PA-FFS顯示器對於上層液晶的水平轉動量不足，導致相位延遲較少，因此穿透率有待提升。另外，雖然其在畫素電極邊緣處具有不同初始液晶配向，使得虛擬牆分布於顯示器中，可加速液晶回復行為，進而提升響應速度；然而，虛擬牆為低穿透率的區域，卻會犧牲顯示器的整體穿透率。 因此，首先本研究提出雙層電極結構，以增加對上層液晶的驅動，研究結果顯示，雙層電極結構之穿透率高於單層電極結構，且其響應時間僅有微幅增加。 接著，本研究提出雙層電極結構的開口反向配向設計，藉由降低虛擬牆密度的方式，進一步提升顯示器的穿透率，但同時伴隨響應時間的增加。 為改善上述限制，本研究提出一種新型的雙層電極結構PA-FFS設計，藉由使上、下層畫素電極的位置錯位，調控虛擬牆的分佈，進而使穿透率的峰值和谷值相互補償，以達成兼顧穿透率與響應速度的目標。 研究結果顯示，本研究所提出之偏移式雙層電極結構可以在不犧牲響應速度的情況下，提升顯示器的穿透率，呈現出相較於過去的單層電極結構更好的顯示性能。本研究的成果可以作為後續研究高穿透率與快速響應之PA-FFS液晶顯示器設計的參考。

This study investigates a parallel-aligned fringe-field switching (PA-FFS) liquid crystal display structure using TechWiz LCD 3D simulation software. The electric field distribution, liquid crystal (LC) molecular reorientation, and optical performance are analyzed to evaluate the effects of pixel electrode width, electrode spacing, LC layer thickness, and alignment design on transmittance and response time. Conventional single-layer electrode PA-FFS displays suffer from insufficient horizontal reorientation of upper-layer LC molecules, resulting in limited transmittance. Although virtual walls formed near pixel electrode edges can accelerate LC relaxation and improve response speed, they also reduce overall transmittance. To address these limitations, a double-layer electrode PA-FFS structure is proposed to enhance LC driving capability, achieving higher transmittance with only a slight increase in response time. Furthermore, a novel shifted double-layer electrode PA-FFS structure is proposed by laterally shifting the upper and lower pixel electrodes to control the spatial distribution of virtual walls. Simulation results demonstrate that the proposed structure improves transmittance without sacrificing response speed, providing superior display performance compared with conventional single-layer electrode PA-FFS structures.