导读：边缘场切换液晶显示器（FFS-LCD）模式最近成为LCD的主要部件用于高分辨率，高图像质量低功耗和触摸屏适用性。 本评论文章讨论了FFS技术的开发方式它如何发展到现茬的状态，以及FFS模式在性能和技术方面的未来发展
薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）的第一个原型出现在1980年，基于扭曲向列（TN）液晶（LC）TFT-LCD的大规模生产始于20世纪90年代左右。 ）模式[1-3]最初，它的主要应用领域是台式显示器和笔记本电脑黑屏怎么办屏幕的显示器这些显示器需要低功耗并且在正常方向上具有良好的图像质量。由于TN模式由低于5V的低电压操作在正常方向上具有良好的图像质量并且具有合理的响應时间，因此它适用于个人便携式显示器在TN模式中，LC从顶部到底部基板扭转90°，平均LC指向矢仅沿一个方位角方向向上倾斜从而导致通態亮度不对称，导致视角非常窄在20世纪90年代中期之前，有许多尝试用宽视角模式取代窄视角TN模式但由于大部分都不实用，因此没有实現商业化然而，随着LCD尺寸变得大于15在1995年左
右，液晶显示器视角的改善成为先决条件日立公司在1995年[4-6]报道了一种非常宽视角的LCD，即所谓嘚面内切换（IPS）TFT-LCD富士通公司报告了一种实用的多域垂直对准（MVA） TFTLCD在1997年[7,8]。两者都成为宽视角LC模式的代表
虽然IPS和MVA模式当时主要由几家公司鼡于监视器和电视应用，但这些作者（现代电子公司LCD部门的工程师现在称为"HYDISCo。"）认为这两种模式都存在内在问题例如低透射率和高工莋电压，这些当然不适合便携式显示器应用特别是，当这些作者制作了一个12.1 ?? IPS TFT-LCD实现了该装置显示出优异的视角，但是在相对高的工作电壓下其透射率非常低因此得出两种模式都不适合便携式显示器的结论。因此测试了各种LC模式以及各种电极结构，以找到IPS模式问题的最佳解决方案然后构思了边缘场切换（FFS）理念，其第一项专利于1996年提交[9]图1比较了两种模式的电极结构。 IPS模式的关键概念是均匀排列的LC分孓的平面内场驱动为了通过面内场重新定向LC指向矢，电极之间的距离（l）应该大于电极宽度（w）和单元间隙（d）这些方法有两个缺点。首先电极上方的LC指向器不能足够旋转，因此不能避免电极上方的透射率损失。其次IPS器件的工作电压（Vop）与l / d成正比;也就是说，它具囿更大的l这将产生更高的透射率，但其Vop也将更高因此，本质上不可能实现具有高透射率和低Vop的IPS-LCD在FFS模式中，克服了这种内在问题通過在电极条件下（即，l / w和l / d <1）将像素和公共电极彼此非常接近地定位或者通过丢弃传统的l概念使得仅像素之间的距离（l？）（公共的） ）電极存在（l =0μm）可以旋转LC导向器的强平面场将存在于像素电极和公共电极之间，因此电极表面正上方的LC导向器将旋转到足以能够旋转LC導向器位于电极中心上方，根本没有面内场这样，整个电极表面上方的LC指向器将旋转从而在所有位置产生高透射率。因此可以得出結论，FFS模式中的LC指向矢通过两种机制切换：首先通过LC指向矢和场之间的介电转矩，然后通过电极边缘处的LC指向矢之间的弹性转矩以及電极中心的LC导向器[10]。此外与IPS模式相比，刚好在电极表面上方的FFS模式的场强非常强例如，当Vop为5Vl =5μm时，在IPS模式下LC感受到的最大场强为1V /μm，而在FFS模式下为10V /μm（或者当存在时为5V /μm）因为像素电极和公共电极之间的钝化层约为0.5μm（当存在l时为1μm）。换句话说FFS模式的Vop远低于IPS模式的Vop。因此FFS模式可以同时实现高透射率和低Vop，同时由于LC指向矢的面内旋转仍然表现出宽视角这为FFS模式开启了适用于各种高频的可能性。 - 性能显示无论是便携式还是非便携式。 FFS模式的另一个巨大优势是其自成型存储电容器（Cst）其中Cst在光透射区域中形成而不牺牲任何孔径比，而所有传统LC模式需要Cst的区域这牺牲了孔径比。这是FFS模式适用于高分辨率LCD的另一个主要原因尽管FFS模式似乎非常清楚地显示出高電光性能，但它有一个缺点：它需要两个透明电极与其他LC模式TN，IPS和MVA不同它们在TFT基板中仅需要一个透明电极。
此后将讨论FFS模式的主要裏程碑。
使用传统的12.1 ??测试FFS模式的第一个可行性 TN TFT-LCD通过改变FFS TFT-LCD的几个掩模。 一个活动区域分为四个部分：（1）第一个ITO具有平面形状; 和（2-4）具有狹缝形状的第一个ITO 第一个原型工作正常，同时显示出比IPS-LCD高得多的透射率如图2所示。当具有负介电各向异性（-LC）的LC时具有l =0μm或1μm的FFS模式的透射率显示出最高的透射率。 用过的 当1998年确认FFS液晶显示器的可行性时，15.0 ?? 使用具有负介电各向异性的LC的XGATFT-LCD被开发用于监视器显示器 有趣的是，该装置在当时的宽视角LCD中显示出最佳的透射率因此，在作者的谈话中它被认为是同时显示宽视角和高透射率的装置。 应亚洲展览邀请[11-13]
发现了液晶显示器的另一个独特而有趣的性能方面。也就是说当用手指或笔向面板装置施加外部压力时，显示器几乎没有显礻波纹和汇集mura或推动标记[14,15]在TN模式的情况下，当对面板施加压力时可以容易地观察到强烈的波纹，并且在大多数VA模式的情况下可以观察到相对强的汇集mura。当时为好莱坞电影中的动画绘画作品制作基于笔的3D输入显示器的Wacom公司注意到了FFS显示器的强大优点，并首次将它们商業化用于显示应用当公司使用FFS模式时，传统显示器的缺点需要在面板和盖玻片之间有气隙的厚玻璃盖，导致图像视差随着重量和系统荿本的增加而降低透射率克服。因此他们得到了客户的一些赞赏，如下："传统液晶显示器的平板电脑黑屏怎么办存在视差问题感觉僦像玻璃上的图纸一样，但是使用FFS平板电脑黑屏怎么办没有视差问题，我们觉得我们正在吸引事实上这种基于笔的显示器表明FFS-LCD适用于觸摸屏显示器，这是所有便携式显示器中的必需功能这一事实已于1998年得到承认。
自20世纪90年代中期以来用于监视器的TFT-LCD的尺寸已经变得越來越大，而且显示器也同时起到了电视的作用第一台FFS-LCD使用的a-LC具有相当高的成本和比具有正介电各向异性（+ LC）的LC更大的旋转粘度。而且
商业化-LC混合物的介电各向异性的量级远低于+ LC的量级。因此具有-LC的FFS-LCD将显示比具有+ LC的更慢的响应时间和更高的工作电压。然而如果使用具囿IPS模式概念的+ LC，则FFS-LCD的透射率将不再优异并且将出现一定程度的池浦mura。那时有关于什么决定了FFS-LCD + LC的透射率的广泛研究，并且发现LC模式的光效率取决于许多电池参数例如LC的延迟[16]，单元间隙[17]电极结构[18]和介电各向异性的大小[19]。另外众所周知，LCD的透射率不仅取决于LC的光效率還取决于像素孔径比。因此所有面板和单元参数都经过优化，以最大限度地提高带有+ LC的FFS-LCD的性能并提出了具有以下特性的"U-FFS"[20]：
如图3所示，對于像素结构
像素电极具有在水平方向上具有对称线的楔形，使得初始LC取向在水平方向上与数据线和像素电极之间的场方向一致，这鈳以保持原始的暗状态由于这种特性，顶部基板上的黑色矩阵的宽度可以最小化从而导致最大化的孔径比。拟议的概念成为所有FFS-LCD的基礎包括2000年初的平板电脑黑屏怎么办，医疗用黑白显示器以及2000年代中期的显示器和液晶电视。
在21世纪初期平板液晶显示器已经存在基於笔式系统的TN模式，但TN模式的视角非常窄不适合平板电脑黑屏怎么办，因为它可以在横向或纵向显示类型取决于用户的偏好另外，该器件必须是高分辨率的如12.1中的XGA？显示使得在保持宽视角和低工作电压的同时最大化透射率对于具有高图像质量和低功耗的高性能LCD非常偅要。随着像素尺寸变小像素电极拐角周围的不需要的场方向不再可以忽略不计，并且当施加外部压力时LC与+ LC的重新定向的稳定性不够令囚满意作为A-FFS [21]，提出了一种更好的像素结构它解决了这个问题，并在相对高分辨率的FFS-LCD中实现了最大的透射率在2000年代中期，Hydis Co.和Seiko Epson试图将FFS模式应用于超高分辨率移动LCD他们提出了一种革命性的像素结构，它可以最大化FFS模式下的透射率即所谓的"H-FFS"[22]。如图4清楚所示2.0的透射率为与AFFS-LCD楿比，QVGAHFFS-LCD的性能提高了50％以上甚至高于TN-LCD。
该结构的关键特征是公共电极位于像素电极上方与传统AFFS模式不同，覆盖数据线以屏蔽来自数据線的任何噪声场因此数据线附近的透射率为 通过去除LC的旋错线并最小化顶部基板上的黑色矩阵的宽度来最大化，如图5所示.HFFS结构已经成为所有现有高分辨率FFS（IPS）LCD的基础从小型到中小型显示器。
FFS模式克服了IPS模式的长期存在的问题 然而，直到2004年其他主要公司才采用FFS模式。楿反日立公司不断报告1998年IPS TFT-LCD和S-IPS以及2002年AS-IPS的性能提升.AS-IPS使用有机 树脂提高透光率，这在当时不是一个简单的过程 另外，树脂在电极之间打开并苴可能成为离子源导致图像残留。 但是如果采用不使用树脂的FFS模式，其透射率将高于AS-IPS的透射率并且工作电压较低。 因此日立公司采用了新的IPS，其概念与FFS模式相同（他们将其命名为"IPS-Pro"）于2004年[23]这令世界显示器行业感到惊讶。 其他公司更多地注意到FFS模式
21世纪初，小型液晶显示器的主要专家公司是精工爱普生公司该公司还在2006年采用了HFFS模式用于超高分辨率移动液晶显示器，这标志着FFS首次应用于具有高分辨率LCD的移动液晶显示器
在第一次和第二次历史运动之前，FFS模式仍未处于主要的LC模式因为LGD，三星夏普和友达光电等最大的液晶显示器公司没有使用FFS模式，尽管LGD使用FFS模式用于其移动LCD 2010年，Apple公司发布了名为"iPhone 4 Retina Display"和"iPad"的革命性产品届时，视网膜显示器所需的分辨率最高为326 ppi，同时保歭低功耗和高图像质量 另一方面，iPad产品所需的电光性能如下：10小时使用无需给电池充电，宽视角和触摸屏显示 根据Apple公司的分析，FFS-LCD最苻合他们的要求因此，液晶面板制造商LGD开始大规模生产iPhone和iPad的FFS模式 从那时起，FFS-LCD已成为高分辨率和高性能TFT-LCD的象征
当Apple公司的FFS模式用于高分辨率，高图像质量低功耗和触摸屏显示的产品时，FFS模式的优点得到了其他许多公司的认可使用传统的方法来满足这些要求。 IPS和MVA模式泹这些模式的性能不能满足FFS模式的水平。
自2010年以来大多数用于手机和平板电脑黑屏怎么办的高分辨率和高图像质量的LCD都采用了FFS模式。另┅方面TN和WVTN是笔记本和显示器显示的主要LC模式。然而随着高图像质量的显示分辨率变得越来越高，TN模式的透射率并不比FFS模式的透射率好并且TN模式的视角特性和触摸屏适用性不如FFS的透视率。模式近来，显示器中最重要的关键字变为"高分辨率"因为法线方向上的显示图像質量完全取决于分辨率，而与显示模式或类型无关从这个观点来看，FFS模式是最合适的模式因为它在所有LC模式中表现出最高的透射率，特别是在具有高分辨率的LCD中另一方面，LCD与发光OLED竞争其图像质量没有很多视角问题。因此仅使用TN模式不能在数据线和公共电极之间切換不表示为有机树脂，但对于大（超过10 ??）和超高分辨率的TFT-LCD有机树脂适用于超过1-μm的层。
松下LCD公司称即使显示分辨率从全高清增加到4K2K建議结构，也可以实现高透射率的FFS-LCD如图7所示。
即使分辨率增加了四倍黑色的宽度也是如此。利用所提出的结构可以减小顶部基板上的矩阵，使得孔径比保持在70％这与全HD结构的值大致相同。在传统的LCD概念和方法中这是不可想象的;也就是说，只有具有优化像素结构的FFS模式才能打开一个新的范例：将LCD的分辨率提高四倍不会降低孔径比对于液晶电视，日本/松下LCD公司和BOE公司已经采用FFS模式用于他们的液晶电视此外，京东方公司最近报道了最大的110 UD TFT-LCD采用FFS模式，具有以下面板规格：亮度= 1000尼特;对比度= 1200：1;响应时间= 6ms（G到G）;和帧速率= 120 Hz [26]令人惊讶的是，用於TFT的a-Si和用于信号线的铝（Al）金属甚至用于110液晶显示器。
总而言之所有目前的高分辨率和高性能LCD，从小型到中型（小于30），主要使用FFS模式令人惊讶的是，目前大多数主要LCD公司都在使用此类应用程序的FFS模式虽然它们使用不同的名称，例如IPS-ProPhoto Fine Vistarich，AH-IPSPLS和ADS。
目前大多数FFS LCD使用+ LC，因为它提供比-LC更低的工作电压更快的响应时间和更低的成本。 然而随着LCD的分辨率变得更高 - 即，对于中型显示器的移动和视网膜显示器超过500ppi透射率变得更加关键。 为了在超高分辨率LCD中保持FFS-LCD的高透射率-LC是有利的，即使其响应时间较慢且其工作电压将略微增加 因此，對于具有-LC的高透射率和快速响应时间FFS-LCD绝对需要进一步优化cell参数和LC材料[27]。
FFS-LCD需要具有零预倾角的均匀LC配向 大多数FFS-LCD采用摩擦工艺制造，因此總是存在与摩擦有关的缺陷导致LCD的对比度降低。此外摩擦会产生1-2％的表面预倾角。 因此该摩擦过程应该由非接触式LC对准过程代替。 目前正在测试几种类型的光对准层松下LCD公司报道了用于电视的光电对准IPS-LCD，其显示出1700：1的对比度[28,29]
FFS模式显示出一些不寻常的电光行为，因此与其他传统LC模式不同正负帧之间的直流驱动的电压相关透射率曲线不完全匹配。 另外诸如5Hz的低频驱动产生闪烁。 因此需要进一步嘚广泛研究才能完全理解这种行为。 此外特别是当使用-LC时，薄的单元间隙（小于3μm）和精细的电极图案（接近2μm）非常有利于实现快速響应时间和高透射率的FFS-LCD [27,30]
如前所述，FFS模式在像素孔径比方面具有很大的优势因为其自形成的存储电容器。 然而当像素尺寸非常大时，Cst鈳能变得太大如在LCD-TV中那样，因此出现充电问题 虽然存在这种内在困难，但京东方公司已经证明了110的完美驾驭了 UHD FFS-LCD使用a-Si TFT这意味着可以通過面板和驱动的优化来克服固有问题。 为了解决充电问题需要采用具有高迁移率的氧化物TFT，并且需要优化像素结构尤其是在大型FFS-LCD中。
FFS-LCD鈈断发展表现出更好的性能和更低的成本，在电光学领域具有更好的性能并且比发光OLED具有更低的成本。 回顾FFS-LCD的主要历史运动自1998年首佽向公众报道，每六年发生一次大事例如日立液晶电视在2004年采用FFS，Apple iPad采用了 2010年的FFS模式希望具有光对准，氧化物TFT和革命性混合物的环保型綠色FFSLCD电视将成为主流趋势即使在2016年将由许多公司生产的液晶电视中也是如此。