基于使用负性液晶的边沿场切换模式的局部残影分析

许雅琴，苏子芳，钟德镇，关 星，刘英明

（昆山龙腾光电有限公司，江苏 昆山 215301）

1 引 言

边沿场切换技术（FFS）承接了面内场切换技术（IPS）的广视角特性［1－2］，且其穿透率高到广泛应用［3］。但搭配正性液晶的FFS显示模式，由于电极边沿及电极上方的液晶分子具有较大的倾角而在相对应位置出现透过率暗区。并且由于盒厚支撑粒子引起的面内摩擦配向异常带来的暗态漏光引发了对比度的降低［4］。特别是高像素密度（PPI）显示技术的发展需求，使得像素尺寸越来越小。光透过率的降低与低能耗需求形成了鲜明的矛盾。高穿透率的需求，使得像素设计上不能设计大面积的黑矩阵（BM）遮挡摩擦配向引起的漏光；同时液晶层的光效率提升需求也迫在眉睫。使用负性液晶的FFS模式由于液晶与电场线垂直排列的特性，使得面内液晶分子倾角较小，透过率得到提高，而得到广泛的研究［5］。但是由于负性液晶材料自身的特性，用于显示时还存在响应时间慢、液晶易受污染以及严重的影像残留等问题。其中响应时间可以通过设计驱动及结构设计来改善；液晶污染可通过优化液晶与配向膜、框胶等材料的搭配性来降低。但是影像残留（IS）问题一直没有得到很好的解决。本文通过实验的方法研究使用负性液晶的FFS的影像残留的改善。

2 残影实验条件与结果

图1 样品电极架构图Fig.1 Electrode structure of samples

图1为使用负性液晶的5.0in（1in＝2.54 cm）实际样品的架构图，图中公共（Common）电极位于上玻璃基板的有机绝缘层上方，减小垂直电场对液晶分子的影响，使响应时间得到提升［5］。测试样品中使用的负性液晶的物理参数如表1所示。

表1 负性液晶的性能参数Tab.1 Parameters of negative liquid crystal

图2为实际IS测试时使用的测试画面，为10×10的黑白棋盘格。测试方法是在室温下将该画面在面板上持续显示一段时间后切换至中间亮度显示，立刻判定或间隔一段时间后进行判定。判定使用3%、5%、6%、8%及10%等不同透光度的遮光片（ND Fliter）。

图2 IS测试画面Fig.2 Pattern of IS test

图3 IS测试结果Fig.3 Test results of IS test

负性液晶常温下影像残留测试结果如图3所示。图中（a）、（b）、（c）及（d）分别为经历不同长短时间影像残留测试后立即切换至检测画面后确认的显示状况。图片上端即红色线圈区域为模组驱动芯片（IC）粘合端，简称Pad端。

由图3可知，负性液晶样品r1、r3的IS均表现为随测试时间的增加变严重，这是由于随着时间的增加，杂质离子的吸附越来越多引发的。另外Pad端附近的IS较远离Pad端严重，使用ND filter判定，2h测试3%不可遮。手指接触样品两端，能明显分辨存在温度差异。

3 原因分析

3.1 面板不同位置的温度分布及随时间变化

本文使用红外测温仪对面板内温度分布进行实际测量的结果如图4所示。图4中（a）为样品在IS测试点灯0.5h后的整体温度分布图示，左侧为Pad端。图中颜色越明亮的部分温度越高，最高温度为49.9℃接近白色，最低温度36.8℃近黑色。由图片可以看出Pad端为亮红色，样品其他区域颜色为黑灰蓝色。选定图（a）中样品中央line 01分析样品残影测试前后的温度变化，见图4（b）。

图4 面板内的温度分布图Fig.4 Temperature distribution of panel

图4（b）中横坐标为对应line 01的位置，纵坐标为温度。从红色曲线可知残影测试前样品中间line 01上温度分布较为平稳地在28℃附近波动；IS测试半小时后的温度分布，靠近Pad端的温度升高到49℃，远离Pad端的为32℃，如图4（b）中蓝色曲线所示。这说明点灯测试会使液晶面板的温度升高，并且在面内呈现不均匀的分布。Pad端附近因存在背光LED及驱动IC两个热源，所以靠近Pad端的显示区域液晶面板的温度高比远离Pad端温度高接近17℃。

3.2 面板不同位置Flicker随时间的变化

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

表2 样品高温区域与正常区域的最佳化参考电压Tab.2 OPT Vcomof panel between high－temperature area and normal region

在图4的样品中央对应line 01的线上，选取20个点，测量残影测试前后的面板闪烁水平（Flicker）的变化，如图5所示。其中蓝色曲线为样品IS测试前的Flicker数值，波动平稳，维持在－20.8dB；红色曲线为IS测试半小时后的Flicker分布，其中对应Pad端Flicker升高至－19.5dB。测量位置远离Pad端时，Flicker水平逐渐降低，变化趋势与图4的面板温度分布曲线对应。IS测试0.5h后面板Pad端与非Pad端最佳化参考电压（OPTVcom即设定公共电极电压的参考电压）值如表2所示，Pad端（高温端）Vcom为－0.78V，正常区域Vcom数值为－0.84V。温度升高区域的Flicker上升说明该区域的最佳化参考电压发生变化。

3.3 局部残影的理论解释与改善对策

温度的变化对液晶的各向异性有着重要的影响。随着温度的升高，负性液晶的ε∥变化缓慢，而ε⊥却明显下降，Δε绝对值减小。本文实验所选液晶材料在26℃时的介电常数ε∥与ε⊥分别是3.77、7.3；LED光源附近温度高度50℃，此时液晶材料的介电常数ε∥与ε⊥分别变为3.79、6.1，ε⊥下降14%，如图6。

图6 NLC－1的介电常数随温度的变化Fig.6 Variation of dielectric constant with temperature of NLC－1

薄膜晶体管液晶显示器件的回踢电压（Kick back／Feed through voltage）可由式（1）描述，其中Clc为与液晶参数有关的液晶电容。电容与介常数的关系式（2）所示。所以当介电常数下降时，Clc变小，回踢电压会相对应地增大。从而像素需要的公共电压（Vcom）略有降低，这与表2中量测结果相反。这说明高温引起的OPT Vcom偏移并不是液晶电容变化引起的；由于不同温度下的Gamma曲线不一样［6－7］，继而同一液晶盒内 Gamma曲线不匹配，是负性液晶的IPS技术的局部残影现象的原因之一，另外负性液晶本身的特性，杂质离子较正性液晶高，温度升高，框胶及配向膜析出离子增加，且杂质离子［8－9］极性基团活性变强，离子聚集引发的直流残留也是引起残影的部分因素。即使用负性液晶的IPS技术的局部残影现象，主要由面板局部过热引起的。

4 残影改善实验与结果

要根本解决局部残影的问题，一方面需要更加优良的背光设计，降低面内得温度差异；另一方面需要液晶材料的介电常数随温度的变化梯度要尽可能变小，并且高温环境下液晶材料要不容易解离产生离子，这些方向都需要长期的研究改进。

本文中使用温度为40℃时的透过率与电压依赖曲线作为常温时gamma调整的基准。预先给面板一个与高温直流残留电压反向的直流偏置电压。使用该方法的残影测试结果如图7。

图7 调整Gamma曲线后IS测试结果Fig.7 Results of IS test after adjustment of Gamma curve

由Gamma调整后样品R1、R3的残影测试结果（图7）可以看出，虽然随着时间的增加，Pad端附近的残影也存在加重的趋势，但是对比Gamma调整前的IS测试结果（图3），Pad端IS表现出明显改善，2h残影测试后使用ND filter判定，结果为8%可遮，说明预先给面板一个与高温直流残留电压反向的直流偏置电压有利于改善负性液晶残影。

5 结 论

本文研究了FFS负性液晶实际样品影像残留的测试结果，通过实测结果与理论推理分析影响FFS负性液晶残影的原因误区及正确因素，即温度引起的负性液晶电容的变化不是FFS负性液晶残影的根本原因，而是温度的升高导致同一液晶盒内Gamma曲线不匹配及杂质离子聚集引起直流残留。根据分析结果，预先给面板一个与高温直流残留电压反向的直流偏置电压以改善IS，实测结果证明此方法对改善FFS负性液晶残影是有效的。

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