負性液晶在FFS模式下的殘像研究

童 芬，郭小軍

（上海交通大學 電子與通信工程學院，上海 200240）

1 引 言

殘像形成于TFT－LCD顯示器內部，源于液晶分子容易在靜態充電的條件下被極化，個別液晶分子有其獨特的光學特性。在長時間顯示一個固定畫面時，會引起液晶內寄生電荷的不斷積聚以致極化，最后影響了液晶的光學特性，從而在改變畫面時阻礙了液晶返回到原來那種受電場控制的狀態。這種極化的效果可能還會影響液晶在盒內沿Z軸方向上的上部或下部的液晶分子的取向，或者使得液晶分子朝著某一方向的邊緣遷移，這種分子極化是因為像素或亞像素在長時間顯示靜態畫面而產生的，所以在改變圖像時也會留下以前那個圖像的淺淺的可見的畫面。

殘像產生的主要原因歸結為缺一不可的兩個并存因素：一是驅動上存在直流偏置電壓；二是顯示屏內存在制造過程中產生的離子不純物。由于受到像素結構、工藝技術等的限制，在加電壓時，在像素區會出現交流不對稱的地方，偏離對稱中心的那部分電壓就是DC偏置。由于屏內存在離子型不純物，這個DC偏置就會吸引由于制造過程中產生的屏內的離子不純物，導致交流驅動不對稱的地方形成殘留DC偏置。這樣，顯示畫面的部分區域中離子極性殘留下來。取消顯示畫面后，由于殘留DC偏置的作用，在顯示下一個不同畫面的時候，液晶分子受到離子的影響不能正確保持設計所要求的排列狀態，看起來就像有前面顯示畫面的殘留。只有經過很長時間，等到電極上的殘留極性散開后，才能顯示真實的下一個畫面。殘像會使新畫面上出現重影，從而使對比度降低，圖像模糊［1－2］。實際上，離子型不純物的來源有很多，分兩大方面：一個是各種材料本身特性引入，另一個是工藝過程中的各種設備參數和控制條件的引入。材料方面包括液晶（LC），取向膜（PI），彩色濾光膜（CF）基板和陣列（ARRAY）基板：液晶材料中的離子濃度，本身的殘留DC，電壓保持率，介電常數以及取向膜本身的殘留DC等；工藝過程中的影響包括，液晶的注入工藝，取向層液體時濃度的大小，摩擦的工藝條件及清洗工藝中各參數的控制等。

FFS顯示模式由于其特殊的平面電場結構，高Δε液晶材料，低像素開口率，殘像問題相對于其他顯示模式更為突出，要想得到高品質的畫面顯示，殘像問題亟待我們解決，研究如何改善FFS廣視角技術的殘像問題有很重要的現實意義。

在研究殘像方面，LG Display提出了FFS驅動模式下，使用不含交聯劑的配向膜材料－聚酰胺酸（PA），配向層上聚集的不純離子可以快速消散，殘影可以快速消失［3］。LG Display還研究了液晶材料的阻抗在長殘像時對DC殘留電壓釋放的影響［4］。Sharp通過分析直流殘留和界面離子活動的關系，建立了3個評價參數：一是飽和直流殘留電壓；二是飽和時間；三是直流殘留消散時間；并提出飽和直流殘留電壓對于評價直流殘留最為重要，對于通過液晶材料和配向膜材料的設計改善LCD殘像（選擇殘影性能好的材料）至關重要［5］.

在這里我們主要關注于通過實驗討論FFS驅動模式下的負性液晶材料的特性及其與配向膜材料搭配的特性對于LCD面板的短殘像的影響，并對于此應用給出一個改善產品短殘像現象的方向。

2 實 驗

2.1 實驗方法

液晶顯示屏的殘像程度的評價一般采用棋盤格畫面進行測試。測試殘像時，我們先將面板在棋盤格畫面測試一段時間，然后在50%灰階畫面判定顯示畫面均一性。殘影現象按照畫面切換后出現的殘像狀態不同，分為線殘像和面殘像兩種［6］。這里，我們主要討論面殘像，狀況如圖1（a）所示。

測試中，殘影測試的畫面如圖1（b）所示，使用7×5黑白棋盤格。測試2h后，在50%灰階畫面觀察殘影變化狀況，在測試時，會使用減光過濾片（ND filter）輔助進行判定。

圖1 殘影測試畫面Fig.1 Image sticking test pattern

2.2 實驗樣品條件

殘影測試在25℃環境溫度下進行，實驗使用的測試面板側視圖如圖2所示，該面板使用FFS驅動模式。該邊緣場的驅動結構同時具有水平電場和垂直電場，預傾角為2°，液晶盒厚采用3.5μm，液晶材料特性如下表1所示，配向膜材料的特性參數如表2所示。測試面板外觀尺寸為5.5in（1in＝2.54cm），解析度為960×540（QHD），白畫面亮度為300cd／m2，黑畫面亮度為0.22cd／m2。實驗測試材料搭配如下：樣品 A－1使用負性液晶，搭配PI 1，樣品 A－2使用負性液晶，搭配PI 2，樣品B－2使用正性液晶，搭配PI 2。

圖2 邊緣場面板的截面圖Fig.2 Side view of FFS cell

表1 液晶的特性參數Tab.1 Parameters of LC

表2 PI材料的體阻抗Tab.2 Volume resistivity of PI material

3 結果與討論

3.1 殘像的測試結果

首先，對樣品進行殘像測試，用7×5黑白棋盤格點燈，分別在1min、10min和2h時將畫面切換至50%，用ND Filter判定殘像程度，各樣品的殘像測試結果如表3。從結果可以看出，樣品B－2使用正性液晶，搭配PI 2殘像表現最好2 h目視不可見，樣品A－1使用負性液晶，搭配PI 1的殘像表現最差2hND3%不可遮，樣品A－2使用負性液晶，搭配PI 2殘像2hND8%可遮。針對負性液晶而言，樣品A－2殘像表現優于樣品A－1，即負性液晶搭配PI 2殘像優于搭配PI 1。

表3 殘影測試結果Tab.3 Test result of Image Sticking

3.2 負性液晶離子密度及VHR量測

根據殘像測試結果，比較兩款液晶材料穩定性，首先確認液晶分子材料離子解離狀況及VHR的變化狀況。將上述兩款液晶材料的樣品經過60℃UV光照后，量測離子密度及VHR變化狀況分別如圖3，4所示。

圖3 液晶的離子濃度Fig.3 Ion density of LC

圖4 液晶的VHRFig.4 VHR of LC

從圖3可以看出UV光照前負性液晶離子密度是正性液晶的39倍，經過UV后負性液晶的離子密度是560Pc／cm，遠遠高于正性液晶的離子密度。由此可見，負性液晶材料本身離子濃度高于正性液晶材料，經過UV光照后，負性液晶材料的離子析出速度及離子濃度遠高于正性液晶材料。

由圖4量測的液晶VHR知，UV前負性液晶與正性液晶的VHR基本無差異，經過UV光照后，正性液晶變化量不大，為UV前0.2%，負性液晶變化量為2.7%，負性液晶VHR變化量大于正性液晶材料。

如前文中提到，面板材料中的離子含量越高越容易產生殘像，從量測的液晶材料的離子濃度及VHR變化量可以看出，負性液晶材料的穩定性比正性液晶材料穩定性差，負性液晶材料比正性液晶材料更容易發生殘像。

3.3 DC殘留電壓測試

配向膜是影響殘像的一個關鍵因素，配向膜在DC偏置下會有選擇性的吸附液晶中的不純物離子，形成殘留DC偏置，如圖5所示。配向膜對這些離子的吸附能力在一定程度上影響殘像殘留時間的長短。

圖5 配向膜吸附離子型不純物Fig.5 PI adsorption of ions

為了選擇與負性液晶材料匹配較好，對殘像改善有明顯幫助的PI材料，量測了樣品的DC殘留電壓。其中DC殘留電壓的量測裝置如圖6所示，外加5V直流電壓，量測加壓2h，以及2h后撤銷外加電壓時的DC殘留，量測結果如圖7所示。

圖6 DC殘留的量測系統Fig.6 RDC measure system

圖7 樣品的RDC特性Fig.7 RDC properties of samples

從DC殘留的量測結果可以看出，對于相同液晶驅動模式，長時間點燈2h后，使用負性液晶搭配PI1的樣品A－1的DC殘留電壓最大，為0.5V，其DC殘留電壓聚集快，釋放也快，樣品A－2和B－2點燈2h后，DC殘留電壓均小于0.2 V，相對于A－1樣品，其DC殘留電壓較難聚集，且聚集少，釋放也相對較快。由Q＝CV可知，V就是DC偏置電壓，聚集的電荷量Q大，就相當于在電極上方配向膜聚集的離子型不純物多，要在DC偏置解除后消失所需要的時間越長，殘像越嚴重。

從上述量測結果可知，保持低的DC殘留電壓對改善殘影是非常重要的，且負性液晶使用高阻抗PI2配向膜材料不易聚集DC殘留電壓，對改善殘影有幫助。

3.4 Vcom電壓隨時間變化

不同灰階的液晶電容Clc不同，顯示屏內不同位置的掃描信號延遲差異引起（Vgh－Vgl）不同，所以在不同灰階和面內不同位置都會出現Feed through電壓差，液晶面板驅動電壓波形會由于Feed through電壓或晶體管特性變動而含有Offset DC成分，長時間進行這種方式的驅動后，直流成分將會在配向膜液晶的界面引起誘電分極，從而導致殘像的發生。

量測各樣品在中間灰階電壓下Vcom電壓隨時間變化狀況，結果如圖8所示。

圖8 Vcom電壓隨時間變化Fig.8 Vcomshift with lighting time

點燈測試30min，樣品的Vcom電壓與開始點燈測試時比較，都隨時間發生不同程度的飄移，正性液晶材料樣品B－2變化量最小，在50mV以內，負性液晶材料變化量大，但使用PI2配向膜材料的樣品Vcom飄移程度較使用PI1配向膜材料的樣品飄移程度輕微。

由此可見，使用PI2配向膜材料對減少使用負性液晶的FFS驅動模式的面板的Vcom電壓飄移是有幫助的，即對改善殘像有幫助。

4 結 論

從殘像發生的機理，可以知道，殘像產生的主要原因歸結為缺一不可的兩個并存因素：一是驅動上存在直流偏置電壓；二是顯示屏內存在中的離子不純物。要改善殘像現象，一是要抑制DC偏置電壓；二是要抑制離子不純物的產生。

從實驗中量測的負性液晶離子密度及VHR結果可知，負性液晶材料本身含有的離子密度是正性液晶材料的39倍，且其穩定性比正性液晶材料的穩定性差，UV后易發生離子析出，UV后負性液晶的離子密度是560Pc／cm，遠遠高于正性液晶的離子密度，且UV后，負性液晶材料VHR變化量為2.7%，大于正性液晶材料的0.2%，負性液晶材料比正性液晶材料更容易發生殘像。

從殘像測試結果、DC殘留電壓的量測結果以及中間灰階電壓下Vcom電壓隨時間變化狀況可知，對于使用負性液晶材料，FFS驅動模式的Vcom電壓變化量，從而改善殘像現象。

同時需要說明是，改善殘像，針對不同的驅動架構，不同的液晶材料以及產品不同的應用等，對PI材料特性的要求是不同的，要根據實際架構進行評估，從而得到最佳化的顯示質量。

［1］ 馬群剛.TFT－LCD原理與設計［M］.北京：電子工業出版社，2011：244－255.Ma Q G.Principle and Design of TFT－LCD［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011：244－255.（in Chinese）

［2］ 李永忠，紀偉豐，周炎宏.STN－LCD殘影顯示的原理分析及實驗研究［J］.液晶與顯示，2011，26（6）：733－740。Li Y Z，Ji W F，Zhou Y H.Image retention principle analysis and experimental study of STN－LCD ［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2011，26（6）：733－740.（in Chinese）

［3］ Seen S M，Kim S M，Lee S H.Image sticking resistant liquid crystal display driven by fringe electric field for mobile applicaitions［J］.Japanese Journal of Applied Physics，2010，49：050208（1－3）.

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［6］ Choi N C，Ahn H K，Shin S T.Developing the new evaluation method of the image sticking［C］.The 15th International Display Workshops，IDW’08：43－45.