2.2.4 IPS/FFS液晶显示模式
IPS液晶显示模式是指在TFT基板上的平行电极间施加电压，液晶分子在平面内旋转产生双折射效应，从而控制光透过的液晶显示模式。IPS液晶显示模式最早是由美国人R.Soref在1974年提出的，1992年德国人G.Baur研究了它的视角特性，可以解决TN液晶显示模式的窄视角问题。1995年，日立公司开发出了世界上首款IPS液晶显示模式的TFT-LCD产品，之后通过优化平行电极结构陆续出现了Super-IPS、Advanced Super-IPS、IPS-Provectus等结构，大大提高了透光率和对比度。FFS液晶显示模式是在TFT基板上形成双层电极，在电极之间产生具有强横向电场成分的边缘电场，使靠近TFT基板的液晶分子在平面内旋转来产生双折射效应，控制光的透过。1998年S.H.Lee提出的FFS液晶显示模式，相比于IPS液晶显示模式，具有更高的透光率，2004年改进为AFFS结构，2004年提出的IPS-Provecturs结构与AFFS结构相同，只是在像素中的细节位置进行了优化。今天，IPS和FFS液晶显示模式在实际产品中已经趋向一致，具有优异的高透光率特性、宽视角特性、高动态清晰度、高色彩还原效果，在触摸时显示器的显示特性基本不变，因此成为各个尺寸显示器的高端产品。
1.IPS液晶显示器的工作原理
IPS液晶显示器的工作原理如图2-26所示。当不加电压时，光源发出的自然光经过下偏光片后变成平行于下偏光片透光轴的线偏振光，线偏振光的偏振方向垂直于液晶分子的长轴，保持偏振方向到达上偏光片，偏振方向垂直于上偏光片的透光轴，光线被上偏光片吸收，表现为暗态。在加电压后，液晶分子受电场作用在基板平面内旋转，线偏振光进入液晶层后，偏振方向不再垂直于液晶分子的长轴，从而出现双折射效应，线偏振光变成椭圆偏振光，部分透过上偏光片，表现为亮态。
图2-26 IPS液晶显示器的工作原理
2.IPS液晶显示器的电光特性
在IPS液晶显示器中，由于电极都在TFT基板上，并且电极有一定的宽度，所以电极之间产生的电场是不均匀的，由此造成液晶分子的旋转角度和倾斜角度也都不同，所以透光率随电极的周期性变化而变化，如图2-27所示。电极所在位置的透光率要比电极之间低很多，这是因为电极宽度约为液晶层厚度，电极之间的电场引起液晶分子旋转，而电极正上方的液晶由于没有横向电场的作用而旋转很小。
图2-27 IPS液晶显示器中指向矢分布和透光率变化
为了降低理论研究的难度，通常将液晶层中的横向电场强度认为相同，没有电极宽度的影响。我们可以从液晶的动力学方程来得到IPS液晶显示器的光学响应时间。动力学方程为
式中，ε0是真空中的介电常数；Δε是液晶的相对介电各向异性；K22是扭曲弹性常数。液晶分子的初始排列方向与电极长方向之间存在一个夹角，为摩擦角度Φ，通过推导计算，指向矢的下降时间与摩擦角度无关，为
式中，d是液晶层厚度。指向矢的上升时间为
式中，
。当电压略高于阈值电压时，
，同时摩擦角度为零时，则上升时间变为
液晶分子的旋转导致液晶分子长轴，即液晶层的光轴，发生变化，光轴与偏光片吸收轴之间的方位角ψ发生变化，对应的透光率为
将液晶指向矢的下降和上升过程的变化带入，可以得到液晶层的光轴与偏光片吸收轴之间的方位角ψ。当光轴变化量很小时，光学下降时间和上升时间分别为
IPS液晶显示器的阈值电压为
式中，l为相邻电极间的距离。阈值电压与摩擦角度相关，摩擦角度增大，阈值电压下降，上升速度增快，但摩擦角度太大，工作电压会太高。为了平衡响应时间和驱动电压，典型的摩擦角度设置为12°，为了获得更快的响应速度，可以将摩擦角度设置为20°～30°。
3.FFS液晶显示器的工作原理
在FFS液晶显示模式中，TFT基板上设置有上层条状像素电极和下层面状公共电极，因此电极之间产生的强电场集中在像素电极边缘，由于像素电极的宽度和间隙都小于液晶层厚度，所以电极之间和电极正上方的液晶分子都能在平行于玻璃基板的平面上旋转，它在本质上属于IPS液晶显示模式。FFS液晶显示模式在继承了IPS液晶显示模式的宽视角的同时，获得了更高的透光率。FFS液晶显示模式中液晶分子的排列和偏光片的设置与IPS液晶显示模式相同，所以不加电压时为暗态。在施加驱动电压后，FFS液晶显示器中指向矢分布和透光率变化如图2-28所示，在像素电极正上方也有很高的透光率，整体透光率比如图2-27所示的结果要高很多。如果在FFS液晶显示模式中使用介电各向异性为负的液晶材料，光利用率可以达到TN液晶显示模式的95%以上。FFS液晶显示模式的响应速度与IPS液晶显示模式相近，阈值电压和驱动电压稍低。
IPS和FFS液晶显示模式的暗态为不加电压的平行排列状态，具有非常好的暗态视角，同时亮态也为液晶分子在基板平面内旋转，亮态视角也很好，所以不加补偿膜补偿的IPS和FFS液晶显示模式也具有很好的视角特性。图2-29所示为单畴IPS液晶显示模式、单畴FFS液晶显示模式和有补偿膜补偿的FFS液晶显示模式的对比度视角图。它们的视角具有很好的对称性，在偏光片的透光轴方向有非常宽的视角，在正交偏光片光轴的角平分线方向也具有较好的视角。单畴IPS和FFS液晶显示模式的对比度视角图有不对称的位置，这是由于液晶分子的倾角和单方向旋转造成的。在双畴电极结构的液晶显示器中，同时使用补偿膜补偿对角线方向的视角，从而得到全视角上对比度超过100:1的结果。经过精细设计的双畴电极结构也经历折弯式像素结构到长条状像素结构的变化，如图2-30所示，不仅提高了透光率和对比度，还能够实现很低的颜色偏移和伽马偏移，对于实现高品质显示特性有重要的作用。
图2-28 FFS液晶显示器中指向矢分布和透光率变化
图2-29 单畴IPS液晶显示模式、单畴FFS液晶显示模式和有补偿膜补偿的FFS液晶显示模式的对比度视角图
图2-29 单畴IPS液晶显示模式、单畴FFS液晶显示模式和有补偿膜补偿的FFS液晶显示模式的对比度视角图（续）
图2-30 传统双畴IPS和IPS-Pro结构中的电极结构
在实现图像显示的几种液晶显示模式中，TN液晶显示模式适用于较为低档的中小尺寸显示器；STN液晶显示模式只适用于无源矩阵驱动的简单图形显示器；IPS和FFS液晶显示模式由于良好的抗压特性，适用于高档触摸功能的显示器，又由于其优秀的视角特性，不仅可以应用于大尺寸电视机，还可以应用于高档的医用显示器；多畴VA液晶显示模式则由于具有更快的响应速度和正视的高对比度，适用于电视机产品。
人眼对图像的暂留时间为16.6ms，而一般液晶显示技术的响应时间为5ms以上，这就使得显示器在显示过程中出现“图像残留”的问题。显示器的响应速度越慢，转换的帧频就越低，图像残留就越严重，这对于以显示静态画面为主的显示器，没有太大的问题，但是对于以显示视频或高动态画面为主的显示器，则需要显示器的响应速度更快。这个响应时间短于1ms，则可以忽略响应时间带来的负面影响。这也是液晶显示技术进入21世纪以来一直在追求和研究的关键问题。