3.3 边缘场开关（Fringe-Field Switching，FFS）模式

尽管IPS模式显著地提高了液晶显示器的视角，但是这种模式的透过率低，增加显示器的耗电量（液晶面板的亮度为恒定时）。本节介绍的FFS模式是在IPS模式的基础上，进一步改善了面板的透过率特性。因此，FFS模式不但视角宽，而且具有较高的透过率特性。

3.3.1 FFS模式结构与工作原理

表3.3.1对IPS模式与FFS模式做了比较。IPS模式的电极间距l大于电极宽度w和盒厚d，但是FFS模式的电极间距l小于电极宽度w和盒厚d，甚至像素电极与共通电极的间距l等于零（FFS2模式）。在电场分布方面，IPS模式以平行基板的电场为主，而FFS模式中既有垂直基板方向的电场，又有平行基板方向的电场。在电极材料方面，IPS模式的共通电极是金属材料，像素电极是ITO，但是FFS模式的共通电极和像素电极都采用了ITO。

FFS模式中上下偏振片的偏振轴相互垂直，上下基板的摩擦方向均与下偏振片的偏振轴方向平行，但是与电极成一定角度（如图3.3.1所示），因此，未加电压时液晶面板呈暗态。当液晶盒上施加的电压大于阈值电压时，若液晶分子为正性液晶，则电极周围以及电极上部的液晶分子的指向矢向电场方向旋转；若液晶分子为负性液晶，则电极周围以及电极上部的液晶分子的指向矢向垂直电场的方向旋转。液晶在电压作用下旋转后，其指向矢与上下偏振片的偏振轴形成一定角度。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。

表3.3.1 IPS模式与FFS模式比较

3.3.2 FFS模式的电场分布

液晶盒内的电场分布对液晶显示器的透过率特性有较大的影响。下面以FFS2结构为例，说明FFS模式的电场分布。图3.3.2是施加电压时IPS模式与FFS2模式的电场及液晶指向矢分布比较图。在IPS模式中，电极之间的电场方向与基板平行，而电极上部的电场方向与基板垂直，所以只有电极之间的液晶分子发生扭曲形变。在FFS2模式中，像素电极与共通电极间的距离为零，液晶盒内的电力线呈抛物线形状，在包括电极上部的整个液晶盒内，电场既有横向分量又有纵向分量。

图3.3.3是FFS2结构的液晶盒内电场分布模拟图。模拟条件为电极宽度3μm，电极间距5μm，液晶盒厚4μm。从模拟图中可知，在距离像素电极表面0.4μm的区域，横向电场（Ey）在像素电极边缘附近取最大值，在像素电极中心以及像素电极间的中心区域几乎为零，而纵向电场（Ez）在电极边缘几乎为零，在电极上部与电极之间不为零。在距离电极表面3μm的区域，Ey与Ez的电场强度大幅减弱，但是电场分布没有太大的变化，Ez在电极中心以及电极间的中心区域取极大值。

3.3.3 光透过率特性

IPS模式中电场主要分布在电极之间，所以透光的区域也局限在电极之间，透过率低于TN模式。从前一节模拟结果可知，FFS模式的电极上部也存在电场，所以电极采用透明的ITO材料时，FFS模式的透过率将大幅提高。

图3.3.4是表3.3.1中三种结构的透过率特性模拟计算结果。每种结构分为使用正性液晶与负性液晶的两种情况。模拟计算中采用的物理参数如表3.3.2所示。

表3.3.2 模拟计算中采用的物理参数

比较图3.3.4（a）～（f）可知，IPS模式中光只通过像素电极与共通电极之间的区域，但是FFS模式中光不但通过电极之间，而且也通过电极上部的区域。IPS模式中使用正性液晶时与负性液晶时在电极边缘处指向矢分布有所不同，但是透过率几乎差不多。FFS1模式中负性液晶时的透过率波动小于正性液晶时，所以负性液晶时的透过率大于正性液晶时的透过率。这是由于正性液晶分子在电极边缘附近沿电场方向倾斜，电极上部液晶分子的扭曲角小于电极间液晶分子的扭曲角，所以透过率波动较大。然而对于负性液晶，预倾角只有1°，液晶分子受垂直方向的电场Ez的作用几乎为零。但是在电场Ey的作用下，电极上部与电极间的液晶指向矢都发生较大的扭曲形变，所以透过率波动相对较小。FFS2模式中负性液晶时的透过率波动也小于正性液晶时，所以液晶为负性时比正性时的透过率大。

图3.3.5是FFS模式、IPS模式和TN模式液晶显示器的透过率比较图。从图中可知，TN模式液晶显示器的透过率最高，大约为7.3%，IPS模式显示器的透过率为4.5%，而FFS模式的透过率接近TN模式的透过率。