3.2 共面开关（In-Plain Switching，IPS）模式

前一节介绍的TN模式结构简单，制作容易，但是视角窄，而且对比度随观察的角度变化很大，所以早期的TFT-LCD技术不适合要求宽视角的电视等产品。直到20世纪90年代中后期出现几种宽视角模式后，TFT-LCD才有可能扩展到电视等产品领域。本节介绍最早出现的宽视角模式IPS。

3.2.1 IPS模式结构与显示原理

图3.2.1是TN模式与IPS模式的比较图。TN模式的上下基板上都有电极，液晶分子在上下基板电极间的垂直电场作用下发生偏转。而IPS模式只在下基板（TFT-array基板）上形成电极，未加电压时液晶的指向矢与下偏振片的偏振轴平行，但是与电极形成一定的角度。IPS模式的上下偏振片的偏振轴相互垂直，因此未加电压时液晶面板呈暗态。当电极上施加的电压大于阈值电压时，液晶分子在与基板平行的平面上向电场方向旋转，与上下偏振片的偏振轴成一定角度。由于液晶的双折射效应，通过液晶层的寻常光与非寻常光之间产生位相差，所以液晶面板呈亮态。

3.2.2 阈值特性与液晶指向矢分布

下面应用液晶的连续弹性体理论求解施加电压后达到新的平衡状态时IPS模式的液晶指向矢分布，也就是指向矢的旋转角φ（z）的分布。图3.2.2是水平配向的液晶指向矢在水平方向的横向电场作用下旋转的状态。

假定未加电场时液晶的指向矢与电极间的夹角为45°。当施加的电场沿y轴方向时，液晶（Δε＞0）的指向矢向y轴方向旋转，旋转后的指向矢表示为n=［cosφ（z），sinφ（z），0］。液晶的弹性形变能量密度与电场能量密度表示如下。

其中φ是液晶指向矢与x轴的夹角，K2是扭曲弹性系数，Δε=ε‖-ε⊥。

上式代入欧拉-拉格朗日方程得到

假定表面的配向能力无限大，则边界条件为φ（0）=φ（d）=0。在此边界条件下，式（3.2.4）的解为

式中，m=0表示未加电场，m=1表示发生弗里德里克斯转变。假设发生弗里德里克斯转变时的阈值电场为Eth，电极间距为w，则阈值电压Vth为

从式（3.2.6）可知，IPS模式中电极间距对阈值电压有很大的影响。

液晶指向矢分布可通过数值计算方法求解，其结果如图3.2.3所示，图中的电压数值是对阈值电压归一化的值。从图中可知，只有液晶盒中间区域的液晶指向矢与电场方向平行，此区域长度约为液晶盒厚的一半。

3.2.3 光透过率特性

透过率特性可通过式（2.6.67）求解。当施加的电压远大于阈值电压，同时忽略基板表面上液晶分子的扭曲形变时

未施加电压时，φ=0，αin=0，，，所以透过率T=0。

施加电压时，假定液晶指向矢的偏转角为α，则φ=0，αin=-α，，透过率 T为

上式中，当液晶指向矢的偏转角，且液晶层中的相位延迟Γ=π时，透过率达到最大，为50%（其余50%被入射偏振片吸收）。

从以上分析可知，IPS模式的透过率主要和电场作用下液晶分子的旋转角与液晶分子的介电常数差有关，不同于旋光效应引起的TN模式的透过率特性。图3.2.4是IPS模式的透过率随电压变化的数值计算结果。图中的横坐标施加电压是对阈值电压归一化的值。

3.2.4 视角特性

IPS模式从暗态变化到亮态的过程是液晶指向矢在与基板平行的平面上旋转的过程，因此从液晶面板的上、下、左、右各角度观察时，IPS模式的光程差比TN模式的小很多。图3.2.5中比较了TN模式与IPS模式的视角特性。从图中可知，TN模式从上视角变化到下视角时，亮度逐渐变暗，而IPS模式的上视角和下视角的角度相同时，由于液晶的双折射效果相同，亮度也相等，但是比正面的亮度稍暗些。这说明IPS模式的视角特性优于TN模式的视角特性，同时不同视角下的亮度均匀性也优于TN模式。

图3.2.6是IPS模式的等对比度曲线图，与图3.1.9的TN模式相比，视角特性有明显的提高。

3.2.5 响应时间特性

忽略液晶在电场作用下发生形变时液晶的流体运动引起的回流（Backflow）效应，IPS模式的液晶指向矢形变类似于第2章2.3节介绍的扭曲形变。LCD的亮度响应时间近似等于液晶指向矢的响应时间，如式（3.2.8）与式（3.2.9）。

如果将前一节所述的TN型液晶用于IPS-LCD时，在盒厚d=5μm，电极间距W=20μm的条件下，根据式（3.2.6）求出阈值电压Vth≈3V。当电极间施加的电压为4V时，根据式（3.2.8）与式（3.2.9）求出tr≈64ms，tf≈50ms。