液晶组分以及V-T曲线漂移与线残像关系研究

李锐，丰景义，温刚，乔云霞，徐凯，崔青

液晶组分以及V-T曲线漂移与线残像关系研究

李锐*，丰景义，温刚，乔云霞，徐凯，崔青

(石家庄诚志永华显示材料有限公司，河北石家庄050091)

线残像是液晶显示不良的一种表现，对在Cell中短时间内判断液晶线残像的强弱进行了研究。本文使用了4种介电各向异性相同的液晶，对这4款混晶所制成的TFT-LCD屏进行了线残像水平测定，系统分析了混晶的组分与线残像的关系，并使用了一种通过加直流电压测试V-T曲线的漂移来判断液晶残像强弱的方法，对4款混晶做了V-T曲线漂移实验。组分分析表明，介电各向异性相同的情况下，液晶中－CF2O－类单体和－COO－类单体的使用会导致线残像的发生。V-T漂移实验结果表明，Vth变化率小于5%时，液晶显示线残像轻微，Vth变化率大于10%时，线残像严重。这种方法可以在Cell中进行，并且使测试时间明显缩短，这对提高液晶的研发效率具有指导意义。

TFT-LCD;线残像;直流电压;V-T漂移

1 引言

液晶显示(LCD)作为液晶——这一特殊材料的一项最重要的应用，从液晶特性发现不久就一直得到人们的广泛关注［1-2］。近年来，液晶显示器以其宽的工作温度范围、低功耗、低工作电压、低空间占有率以及轻薄美观等优势，不断普及，成为市场的主流，液晶显示已经与我们的生活和工作息息相关。随着人们对显示要求不断提高，对于画面品质也提出了越来越高的要求，而画面品质待改善的问题之一就是影像残留(Image Sticking)，简称残像［3-5］。

当液晶显示器长时间显示同一个画面，在把画面切换到下一个画面时，原先的画面会残留在下一画面中，这种现象就称为残像。残像问题由于形成机理比较复杂［6-9］，涉及液晶与器件等多个方面，作为全世界各大厂商正在解决的问题，一直也没有比较好的解决方案，而在从事液晶制造行业的厂商中，也需要能够在液晶盒中判断液晶残像的简便方法［10-15］。本文对4款介电各向异性相同但组分不同的液晶所制成的TFT-LCD产品的线残像进行了残像水平测定，探讨了残像水平与液晶组分的关系，并探究了一种通过加直流电压测试V-T曲线的漂移来判断液晶残像强弱的方法。

2 实验

2．1液晶选取

在大部分文献中，认为介电各向异性(Δε)较大、极性较强的混合液晶，线残像水平较差。我们认为混晶Δε的数值决定于组成混晶各个单体的极性大小，相同Δε值的混晶可能由完全不同的单体组成。我们选择了4款我司自主生产的Δε相同的液晶作为实验材料，将混晶Δε的因素排除，进一步研究单体组分的极性对液晶线残像的影响。4款液晶组分及单体编号见表1～表4。

表1 LC-1液晶组成Tab．1Composition of LC-1

续表

表2 LC-2液晶组成Tab．2Composition of LC-2

表3 LC-3液晶组成Tab．3Composition of LC-3

表4 LC-4液晶组成Tab．4Composition of LC-4

续表

2．2参数测试

对4款实验用液晶进行常规参数测试，测试结果见表5。

参数测试仪器和方法:

Clearing Point:DSC定量测试法;

Viscosity:LVDV-I+VISCOMETER;

Rotational Viscosity:不添加手性剂，平行盒，25℃;INSTEC:ALCT-IR1测试。

!n:ZWA-J型阿贝计(量程1．3～1．7);

!"、"#:不添加手性剂，平行盒，(25±2)℃; INSTEC:ALCT-IR1;

V90，0，25、V10，0，25:添加手性剂，7．0 μm左旋TN液晶盒，(25±2)℃，DMS-501综合测试仪;

K11、K33:不添加手性剂，平行盒，25℃;INSTEC:ALCT-IR1测试。

HTP、P:楔形盒;读数显微镜，25℃±2℃。

表5 LC-1～LC-4常规参数Tab．5Paramaters of LC-1～LC-4

续表

2．3残像水平测试

使用4×4的黑白格对4款液晶的线残像进行测试(图1，5 V交流电驱动，频率为128 Hz，每24 h观察一次，共驱动120 h。观察时切换到中间灰度(图2)，观察线残像水平(图3)。

图14 ×4黑白格Fig．14×4 check board

图2 中间灰度Fig．250%gray level

图3 线残像示意图Fig．3Line image sticking

2．4V-T曲线漂移测试

将4款液晶分别灌入7．0 μm左旋TN液晶盒中，使用封口胶封口，在液晶盒两玻璃基板表面贴45°偏光片，使上下两偏光片的偏光轴呈90°，将液晶盒放入DMS-501综合测试仪的暗箱中，正负电极加电，控温在25℃。首先使用交流电压测试初始V-T，条件为0～5 V、Step=0．1 V，测试完毕后，持续加5 V直流电压30 min，静置1 min，测试V-T。重复加30 min直流电压和测试V-T的过程，共持续3 h。

3 结果与讨论

3．1线残像水平测试结果与分析

线残像水平测试结果见图4。

图4线残像水平测试结果Fig．4Result of line image sticking test

图4 中LC-1驱动72 h仍未观察到残像，直到96 h才有轻微残像产生;LC-4驱动24 h没有残像发生，48 h观察有轻微残像;LC-1和LC-2在驱动24 h就可观察到轻微残像，随着驱动时间的延长，残像水平变差。4款液晶的残像严重程度为LC-3＞LC-2＞LC-4＞LC-1。

在残像水平较差的液晶LC-3和LC-2中，共同点是同时使用了CCZPC和PUQUF两种单体，而LC-4中未使用PUQUF，LC-1中两种单体都未使用，百分数见表6。

表6 四款液晶中CCZPC和PUQUF质量百分数Tab．6Percentage of CCZPC and PUQUF in 4 LC mixtures

根据残像水平测试结果，我们认为，PUQUF单体对残像产生起主要作用，CCZPC单体起辅助作用，由于PDQUF单体具有强极性，因此导电性较好，在电流作用下稳定性较差，随着驱动时间的延长，少量PDQUF单体会发生分解，形成离子型不纯物。在器件中，受到像素结构、工艺技术等的限制，在像素区会出现交流驱动不对称的地方，偏离对称中心的那部分电压就是DC偏置。DC偏置会吸引液晶中的离子型不纯物，在这个地方形成残留DC偏置，也就是形成一个反向电场，因此，显示画面部分区域中形成离子极性残留，在切换到下一个不同的显示画面时，由于反向电场的作用，使得液晶分子不能正确保持设计要求的排列状态，形成线残像，当经过一段时间后，等到离子极性残留散开后，才能正常显示下一画面。LC-3中PUQUF类单体占到29%，因此残像水平最差。CCZPC类单体由于含有酯基，容易受到离子影响发生分解，当PUQUF与CCZPC类单体同时存在时，PUQUF类单体由于极性大容易分解产生离子型不纯物，产生的离子型不纯物与CCZPC类单体中的酯基发生反应进一步产生离子，使其更易受到DC偏置电压的影响。因此，LC-2中，虽然PUQUF类单体比LC-4中少6%，但是由于存在8%的CCZPC类单体，使得LC-2的残像比LC-4要严重得多。而混晶LC-1，Δε同为9．8，单体组成中中性单体较少，单体极性比较平均，残像水平最好。

3．2V-T漂移结果对比

图5～图8是4款液晶的V-T漂移实验结果。

图5 LC-1 V-T漂移测试结果Fig．5V-T Drift of LC-1

图6 LC-2 V-T漂移测试结果Fig．6V-T Drift of LC-2

图7 LC-3 V-T漂移测试结果Fig．7V-T Drift of LC-3

图8 LC-4 V-T漂移测试结果Fig．8V-T Drift of LC-4

TN液晶是常白模式，加电时液晶发生Frederiks转变，透过率降低，当透过率变化10%时对应的电压为V10，即阈值电压Vth。在图5中，液晶LC-1的初始Vth为1．64 V，当使用5 V直流电驱动30 min后，光电曲线右移0．06 V，Vth数值由1．64减小为1．58，驱动60 min后，光电曲线继续右移0．02 V，继续驱动，光电曲线保持不变;图6中，液晶LC-2初始Vth为1．76 V，最终减小为1.56 V后保持不变;图7中，液晶LC-3初始Vth为1．71 V，最终减小到1．37 V保持不变;图8中，液晶LC-4初始Vth为2．02 V，最终减小到1.81 V保持不变。我们引入参数Y来表示Vth的变化率:

四款液晶的初始Vth与终止Vth以及变化率Y见表7。可见Y3＞Y2＞Y4＞Y1(图9)，与残像水平测试结果一致(图10，因此，Vth变化率越大，残像水平越差。当变化率Y小于5%时，液晶显示残像轻微，当变化率大于10%时，残像严重。

表7 LC-1～LC-4的Vth变化率Tab．7Rate of change of LC-1～LC-4

图9 Vth变化率Fig．9Change rate of Vth

图10 残像等级测试结果Fig．10Image-sticking level

3．3V-T漂移机理

通过构建离子模型可清晰地显示V-T漂移的机理。在初始阶段没有外加电场，如图11(a)，液晶分子由于配向作用呈1～2°预倾角排列，液晶显示为常白模式，当加电测试阈值电压Vth时，液晶分子由接近于水平状态开始偏转，此时Δε的初始垂直分量较小，随着液晶旋转Δε垂直分量逐渐增大，由于Vth=π(K/ε0Δε)1/2，Vth与Δε呈负相关，所以这时测试的Vth数值是较大的。当给液晶加5 V恒定直流电，如图11(b)，液晶中的带电离子受到外加电场的作用分别向两基板移动、聚集，上基板聚集负离子，下基板聚集正离子，在液晶内部形成一个反向的内电场Vin。同时，液晶分子受到电场作用产生诱导偶极矩，上端为负极、下端为正极。随着加电时间的增长，上下基板聚集的带电离子越来越多，形成的内电场Vin也就增大。撤电时，如图11(c)，由于液晶的电压保持作用，使得离子形成的反向电场Vin继续保持，在Vin的作用下，液晶分子的诱导偶极矩发生反转，即上端由负极变为正极，下端由正极变为负极，使液晶分子无法回到发生Frederiks转变之前的状态，等效于液晶分子形成一个更大的初始预倾角，液晶在这种状态下测试Vth，由于初始预倾角增大，液晶Δε的初始垂直分量变大，因此测试的Vth变小，V-T曲线左移。在比较液晶的品质时，液晶带电离子越多，加电时形成的内电场Vin就越大，导致V-T曲线变化率越大，残像水平就越严重。

图11 V-T漂移离子模型Fig．11V-T Drift ion model

4 结论

通过对4款介电各向异性数值相同的液晶进行残像水平测试，发现当液晶组分中同时含有CCZPC和PUQUF两类单体时，线残像最严重;若不含CCZPC类单体而PUQUF类单体含量较多时，也会导致线残像，但残像等级不及同时含有CCZPC类和PUQUF类两类单体的液晶。为了探索一种能够在Cell中快速判断液晶线残像水平的简便方法，本文对4款液晶进行了加直流电的V-T曲线漂移实验，并使用了Vth的变化率来表征残像强弱，实验结果表明:Vth变化率小于5%时，液晶线残像轻微，Vth变化率大于10%时，液晶线残像严重。Vth变化率越大，线残像越严重。这种方法可以在Cell中进行，并且使测试时间明显降低，这对提高液晶的研发效率具有指导意义。

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LC mixture composition and V-T drift related to line image sticking

LI Rui*，FENG Jing-yi，WEN Gang，QIAO Yun-xia，XU Kai，CUI Qing
(Shijiazhuang Chengzhiyonghua Display Materials Co．，Ltd，Shijiazhuang 050091，China)

Image sticking is a display defect of TFT-LCD．The problem is to judge the level of line image sticking in cell in a short time．Generally，image sticking is related to dielectric anisotropy of liquid crystal．In this paper，4 LC mixtures which have the same dielectric anisotropy are used for image sticking research．The line image sticking level of TFT-LCD using the 4 kinds of LC mixtures are evaluated．The relationship between LC mixture composition and line image sticking is analyzed．The use of－CF2O－and－COO－type of single can lead to line image sticking．In this paper，a method of measuring the strength of image sticking by testing the drift of V-T curve in DC voltage is explored．The principle of this method is analyzed．The experimental shows that when the rate of changeis less than 5%，line image sticking is slight，when larger than 10%，line image sticking is serious．This method can be carried out in Cell，and the test time was significantly reduced，which has the significance for improving the efficiency of the liquid crystal developing．

TFT-LCD;line image sticking;DC voltage;V-T drift

TN104．3;TN27

A

10．3788/YJYXS20153004．0581

李锐(1986－)，男，河北石家庄人，硕士，工程师，主要从事显示材料方面研究。E-mail:ruirui861221@126．com

1007-2780(2015)04-0581-09

2014-10-22;

2015-01-07．

*通信联系人，E-mail:ruirui861221@126．com