基于使用負性液晶的邊沿場切換模式的局部殘影分析

許雅琴，蘇子芳，鐘德鎮，關 星，劉英明

（昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301）

1 引 言

邊沿場切換技術（FFS）承接了面內場切換技術（IPS）的廣視角特性［1－2］，且其穿透率高到廣泛應用［3］。但搭配正性液晶的FFS顯示模式，由于電極邊沿及電極上方的液晶分子具有較大的傾角而在相對應位置出現透過率暗區。并且由于盒厚支撐粒子引起的面內摩擦配向異常帶來的暗態漏光引發了對比度的降低［4］。特別是高像素密度（PPI）顯示技術的發展需求，使得像素尺寸越來越小。光透過率的降低與低能耗需求形成了鮮明的矛盾。高穿透率的需求，使得像素設計上不能設計大面積的黑矩陣（BM）遮擋摩擦配向引起的漏光；同時液晶層的光效率提升需求也迫在眉睫。使用負性液晶的FFS模式由于液晶與電場線垂直排列的特性，使得面內液晶分子傾角較小，透過率得到提高，而得到廣泛的研究［5］。但是由于負性液晶材料自身的特性，用于顯示時還存在響應時間慢、液晶易受污染以及嚴重的影像殘留等問題。其中響應時間可以通過設計驅動及結構設計來改善；液晶污染可通過優化液晶與配向膜、框膠等材料的搭配性來降低。但是影像殘留（IS）問題一直沒有得到很好的解決。本文通過實驗的方法研究使用負性液晶的FFS的影像殘留的改善。

2 殘影實驗條件與結果

圖1 樣品電極架構圖Fig.1 Electrode structure of samples

圖1為使用負性液晶的5.0in（1in＝2.54 cm）實際樣品的架構圖，圖中公共（Common）電極位于上玻璃基板的有機絕緣層上方，減小垂直電場對液晶分子的影響，使響應時間得到提升［5］。測試樣品中使用的負性液晶的物理參數如表1所示。

表1 負性液晶的性能參數Tab.1 Parameters of negative liquid crystal

圖2為實際IS測試時使用的測試畫面，為10×10的黑白棋盤格。測試方法是在室溫下將該畫面在面板上持續顯示一段時間后切換至中間亮度顯示，立刻判定或間隔一段時間后進行判定。判定使用3%、5%、6%、8%及10%等不同透光度的遮光片（ND Fliter）。

圖2 IS測試畫面Fig.2 Pattern of IS test

圖3 IS測試結果Fig.3 Test results of IS test

負性液晶常溫下影像殘留測試結果如圖3所示。圖中（a）、（b）、（c）及（d）分別為經歷不同長短時間影像殘留測試后立即切換至檢測畫面后確認的顯示狀況。圖片上端即紅色線圈區域為模組驅動芯片（IC）粘合端，簡稱Pad端。

由圖3可知，負性液晶樣品r1、r3的IS均表現為隨測試時間的增加變嚴重，這是由于隨著時間的增加，雜質離子的吸附越來越多引發的。另外Pad端附近的IS較遠離Pad端嚴重，使用ND filter判定，2h測試3%不可遮。手指接觸樣品兩端，能明顯分辨存在溫度差異。

3 原因分析

3.1 面板不同位置的溫度分布及隨時間變化

本文使用紅外測溫儀對面板內溫度分布進行實際測量的結果如圖4所示。圖4中（a）為樣品在IS測試點燈0.5h后的整體溫度分布圖示，左側為Pad端。圖中顏色越明亮的部分溫度越高，最高溫度為49.9℃接近白色，最低溫度36.8℃近黑色。由圖片可以看出Pad端為亮紅色，樣品其他區域顏色為黑灰藍色。選定圖（a）中樣品中央line 01分析樣品殘影測試前后的溫度變化，見圖4（b）。

圖4 面板內的溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution of panel

圖4（b）中橫坐標為對應line 01的位置，縱坐標為溫度。從紅色曲線可知殘影測試前樣品中間line 01上溫度分布較為平穩地在28℃附近波動；IS測試半小時后的溫度分布，靠近Pad端的溫度升高到49℃，遠離Pad端的為32℃，如圖4（b）中藍色曲線所示。這說明點燈測試會使液晶面板的溫度升高，并且在面內呈現不均勻的分布。Pad端附近因存在背光LED及驅動IC兩個熱源，所以靠近Pad端的顯示區域液晶面板的溫度高比遠離Pad端溫度高接近17℃。

3.2 面板不同位置Flicker隨時間的變化

圖5 面板不同位置Flicker變化Fig.5 Variation of flicker at different area of LCD panel

表2 樣品高溫區域與正常區域的最佳化參考電壓Tab.2 OPT Vcomof panel between high－temperature area and normal region

在圖4的樣品中央對應line 01的線上，選取20個點，測量殘影測試前后的面板閃爍水平（Flicker）的變化，如圖5所示。其中藍色曲線為樣品IS測試前的Flicker數值，波動平穩，維持在－20.8dB；紅色曲線為IS測試半小時后的Flicker分布，其中對應Pad端Flicker升高至－19.5dB。測量位置遠離Pad端時，Flicker水平逐漸降低，變化趨勢與圖4的面板溫度分布曲線對應。IS測試0.5h后面板Pad端與非Pad端最佳化參考電壓（OPTVcom即設定公共電極電壓的參考電壓）值如表2所示，Pad端（高溫端）Vcom為－0.78V，正常區域Vcom數值為－0.84V。溫度升高區域的Flicker上升說明該區域的最佳化參考電壓發生變化。

3.3 局部殘影的理論解釋與改善對策

溫度的變化對液晶的各向異性有著重要的影響。隨著溫度的升高，負性液晶的ε∥變化緩慢，而ε⊥卻明顯下降，Δε絕對值減小。本文實驗所選液晶材料在26℃時的介電常數ε∥與ε⊥分別是3.77、7.3；LED光源附近溫度高度50℃，此時液晶材料的介電常數ε∥與ε⊥分別變為3.79、6.1，ε⊥下降14%，如圖6。

圖6 NLC－1的介電常數隨溫度的變化Fig.6 Variation of dielectric constant with temperature of NLC－1

薄膜晶體管液晶顯示器件的回踢電壓（Kick back／Feed through voltage）可由式（1）描述，其中Clc為與液晶參數有關的液晶電容。電容與介常數的關系式（2）所示。所以當介電常數下降時，Clc變小，回踢電壓會相對應地增大。從而像素需要的公共電壓（Vcom）略有降低，這與表2中量測結果相反。這說明高溫引起的OPT Vcom偏移并不是液晶電容變化引起的；由于不同溫度下的Gamma曲線不一樣［6－7］，繼而同一液晶盒內 Gamma曲線不匹配，是負性液晶的IPS技術的局部殘影現象的原因之一，另外負性液晶本身的特性，雜質離子較正性液晶高，溫度升高，框膠及配向膜析出離子增加，且雜質離子［8－9］極性基團活性變強，離子聚集引發的直流殘留也是引起殘影的部分因素。即使用負性液晶的IPS技術的局部殘影現象，主要由面板局部過熱引起的。

4 殘影改善實驗與結果

要根本解決局部殘影的問題，一方面需要更加優良的背光設計，降低面內得溫度差異；另一方面需要液晶材料的介電常數隨溫度的變化梯度要盡可能變小，并且高溫環境下液晶材料要不容易解離產生離子，這些方向都需要長期的研究改進。

本文中使用溫度為40℃時的透過率與電壓依賴曲線作為常溫時gamma調整的基準。預先給面板一個與高溫直流殘留電壓反向的直流偏置電壓。使用該方法的殘影測試結果如圖7。

圖7 調整Gamma曲線后IS測試結果Fig.7 Results of IS test after adjustment of Gamma curve

由Gamma調整后樣品R1、R3的殘影測試結果（圖7）可以看出，雖然隨著時間的增加，Pad端附近的殘影也存在加重的趨勢，但是對比Gamma調整前的IS測試結果（圖3），Pad端IS表現出明顯改善，2h殘影測試后使用ND filter判定，結果為8%可遮，說明預先給面板一個與高溫直流殘留電壓反向的直流偏置電壓有利于改善負性液晶殘影。

5 結 論

本文研究了FFS負性液晶實際樣品影像殘留的測試結果，通過實測結果與理論推理分析影響FFS負性液晶殘影的原因誤區及正確因素，即溫度引起的負性液晶電容的變化不是FFS負性液晶殘影的根本原因，而是溫度的升高導致同一液晶盒內Gamma曲線不匹配及雜質離子聚集引起直流殘留。根據分析結果，預先給面板一個與高溫直流殘留電壓反向的直流偏置電壓以改善IS，實測結果證明此方法對改善FFS負性液晶殘影是有效的。

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