负性液晶边缘场切换模式的亮线不良分析

李裕蓉, 杨 磊, 陈明阳

(1. 人民解放军63936部队，北京 100093; 2. 江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江，212013 )

1 引 言

共面偏转(In plane switching,IPS)显示器因其广视角和触控特性成为了市场主流。边缘场切换(Fringe Field Switching,FFS)模式作为IPS一种，具有广视角和高透过率的特性[1]。然而伴随着高分辨率需求而缩小像素，FFS模式的穿透率成了主要问题。增加透过率的方法有很多种，比如使用APF(Advanced polarizing film)增亮膜，增加开口率，使用具有DBEF(Dual brightness enhancement film)的背光，或者使用负性液晶代替正性液晶等。使用APF或DBEF会增加经济成本，最经济有效的方法就是使用负性液晶，负性液晶不仅能够提高透过率，而且能够提高对比度，改善色偏[2-3]。事实上，现在越来越多的公司正在开发负性液晶FFS模式的面板，并取得了一定的亮度提升[4-7]。但是由于响应速度比正性液晶慢，出现残像[8-10]等问题，负性液晶尚未普遍应用于FFS模式。随着材料的研究与创新，默克公司开发了快速响应的负性液晶，使其获得和正性液晶相当的响应时间且透过率也有很大的提升。但是负性液晶本身材料易被污染，且极性分子极易与框胶和聚酰亚胺(PI)材料作用产生杂质离子，造成画面显示不良。

本文在38.1 cm(15 in)全高清(Full high definition，分辨率1 920×1 080，FHD) FFS 模式产品中引入负性液晶材料，低灰阶或零灰阶时发现显示区周边出现亮线现象。对此我们从材料、工艺、设计上对亮线不良产品进行了一系列的仿真模拟与实验验证，发现了产生亮线不良现象的直接原因和间接原因。直接原因在于虚拟像素(Dummy pixel，定义为不在显示区内的像素)的设计对蟹角(Crab)区域的直接影响，造成了蟹角区域的电场很高，在采用正正压(公共电极电压4.8 V，像素电极电压为0 V和9.6 V)的驱动下，液晶在电极产生的高电场作用下提前转动，在暗态时出现了亮线。间接原因是所用的负性液晶材料极易与周边框胶材料作用产生杂质分子。在异常电场作用下，杂质离子聚集造成亮线。研究发现取消虚拟像素或者采用平衡的电压驱动方式如正负压(公共电极电压0 V，像素电极电压为-4.8 V和4.8 V)可以有效消除亮线。此外使用更加稳定的液晶材料，也能降低亮线不良的出现概率。

2 亮线不良产生原因

在38.1 cm(15 in)FHD和12.7 cm(5 in)FHD的产品上导入2种不同特性的负性液晶，分别记为液晶A和液晶B。在液晶材料导入信赖性实验初期，38.1 cm(15 in)面板的显示区域(AA区)边缘出现一条亮线，称为亮线不良(Line Mura)，见图1，在暗态时尤为明显。为了找出亮线不良现象的原因，我们从工艺、材料、仿真和实验上进行了研究和分析。

图1 液晶A在38.1 cm(15 in)FHD产品零灰阶时显微镜下的亮线现象Fig.1 Line Mura of liquid crystal A under the microscope at the zero gray scale of 38.1 cm(15 in) FHD product

我们对亮线现象的出现频率进行了整理，发现液晶B在任何产品上都无此不良，只有液晶A在38.1 cm(15 in)FHD的产品上出现不良，而在12.7 cm(5 in)FHD的产品上却没有此类不良存在。推测不同的液晶材料是亮线发生的原因之一。在保持配向膜和框胶的材料型号相同的情况下，我们调查了其他材料和工艺的差异性。工艺制程上的微小差异主要体现在框胶固化和曝光量上，但是当我们调整工艺参数验证时，发现亮线不良几乎没有发生变化。通过对比材料特性，我们发现液晶A的极性比液晶B的极性大，主要体现在液晶A的粘滞系数更小且介电常数更大。因此液晶材料特性是造成亮线的原因之一。

但是液晶A在12.7 cm(5 in)FHD的产品上却没有发生此类不良，说明液晶材料特性不是唯一原因。通过对比相同材料不同产品的设计差异，发现38.1 cm(15 in)产品和12.7 cm(5 in)产品在像素设计、驱动设计上有明显差异，主要体现在：(1)38.1 cm(15 in)产品周边有虚拟像素的设计，而12.7 cm(5 in)没有。(2)38.1 cm(15 in)产品的电压驱动为正正压设计，而12.7 cm(5 in)采用的是正负压设计。针对这两点差异造成的影响，我们进行了一系列的分析、仿真和解析实验。

3 仿真分析

3.1 电性仿真

针对38.1 cm(15 in)产品的驱动设计和虚拟像素的设计，对于同一不良面板产品，我们将虚拟像素区域和正常显示区域(AA)的像素电压进行了电学仿真。图2为像素电极电压随时间的变化曲线：绿色为正常显示区域(AA区)，红色为虚拟像素区域。从图中可以看出AA区的像素电极的电压为方波信号。最低电压为0 V，最高电压为9.6 V。而虚拟像素其像素电极的电压，为弧状信号，其最高电压只有1.6 V，这是由于虚拟像素区的像素电极与公共电极相连导致。

图2 像素电极电压随时间的变化曲线，绿色为正常显示区域(AA区),红色为虚拟像素区域。Fig.2 Voltage of pixel electrode varied with time: green is the normal display area (AA area), red is dummy pixel area.

由此可以得到两个推论：(1)虚拟像素区域和非虚拟像素区域(即正常AA区)的像素电极之间存在8 V(9.6 V-1.6 V=8 V)压差。(2)由于公共电压固定为4.8 V，而虚拟像素的像素电压在0～1.6 V之间，由于液晶驱动电压为像素电压和公共电压的差值，那么虚拟像素区域液晶驱动电压为3.2～4.8 V(公共电压4.8 V)。由此可推出暗态0灰阶(即当AA区像素电压和公共电压相同时，AA区的液晶驱动电压为0)时，虚拟像素区的液晶会一直受到3.2 ～4.8 V的电压作用，因此虚拟像素应为常亮状态。但是由于虚拟像素区被黑色矩阵(BM)遮挡，所以肉眼无法看到，为了验证我们的推论，对此结构进行了光学仿真。

3.2 光学仿真

用Expert LCD 软件对亮线不良产品进行光学仿真。按照前面电性仿真结果，光学仿真时将虚拟像素区的像素电压设置为1.6 V，公共电压设置为4.8 V，AA区的液晶驱动电压分别设置为0.2 V和2.2 V。图3低灰阶和中灰阶时的光学仿真。图3(a)为蟹角区域的俯视图，α、β分别代表蟹角区和非蟹角的电极与水平线的夹角，其中 蟹角区域的电极夹角α比非蟹角区域电极夹角β的小。图3(b)为AA区液晶驱动电压0.2 V时的光学表现。从图中可以得出两点结论：

(a)光学仿真结构图(a)Optical simulation structure

(b)液晶驱动电压0.2 V时的光学表现(b)Optical performance with the liquid crystal drive voltage of 0.2 V

(c) 液晶驱动电压为0.2 V时，横截面(图3(b)中所标)位置的透过率：红色曲线为有虚拟像素；蓝色曲线为无虚拟像素。(c) When the liquid crystal driving voltage is 0.2 V, the transmittance of cross section(as marked in Fig. 3(b))：red curve is with dummy pixel; blue curve is without dummy pixel.

(d) 液晶驱动电压为2.2 V时，横截面(图3(b)中所标)位置的透过率：红色曲线为有虚拟像素；蓝色曲线为无虚拟像素。(d) When the liquid crystal driving voltage is 2.2 V, the transmittance of cross section(as marked in Fig. 3(b)): red curve is with dummy pixel; blue curve is without dummy pixel.图3 低灰阶和中灰阶时的光学仿真Fig.3 Optical simulation of low gray scale and middle gray scale

(1)液晶电压为0.2 V时，蟹角区域比其他区域的透光更明显。这是由于蟹角区域的电极角度α较小，其水平电场分量比其他区域的大，多余的电场分量导致该区域的液晶分子产生旋转透光。

(2)液晶电压为0.2 V时，AA区是暗态模式，而虚拟像素为常亮透光模式。这是因为虚拟像素区液晶在驱动电压为3.2～4.8 V的持续作用下，发生不可逆转动，从而保持常亮状态。光学仿真现象与前文推论相同。

图3(c)为低灰阶时(液晶驱动电压为0.2 V时)横截面位置的透过率。其中，横截面为图3(b)中所标距离虚拟像素最近蟹角区横截面位置，也是亮线不良出现的位置。蓝色曲线和红色曲线分别为无虚拟像素和有虚拟像素时透过率随水平方向X的变化图。从图3(c)中可以看出虚拟像素相邻蟹角位置液晶穿透率比无虚拟像素 的AA区蟹角位置的透过率高约为1.25倍(峰值)。为了便于图标对比和观察，仿真时将AA区液晶驱动电压设置为0.2 V。若将AA区液晶驱动电压设置为0 V时，虚拟像素相邻蟹角位置液晶穿透率将比无虚拟像素 的AA区蟹角位置的透过率高更多，远大于1.25倍。

图3(d)为中灰阶(液晶驱动电压为2.2 V)时横截面位置的透过率。水平轴为X的位置，纵坐标为穿透率。其中, 横截面为图3(b)中所标距离虚拟像素最近蟹角区横截面位置，也是亮线不良出现的位置。蓝色曲线和红色曲线分别为无虚拟像素和有虚拟像素时横截面位置透过率随水平方向X的变化图。从图3(d)可以看出当液晶的驱动电压由低灰阶0.2 V增大到中灰阶2.2 V时，虚拟像素区域相邻处蟹角位置液晶透过率与正常AA区(无虚拟像素设计)蟹角位置的透过率差异逐渐减小。这意味着随着电压的增加，这种透过率的差异减小。说明随着液晶驱动电压的增加，虚拟像素区的电极产生的电压，对相邻蟹角区域液晶的影响逐渐减小。

图4为液晶驱动电压0.2 V时，同一截面CC(非蟹角区)和BB(蟹角区)位置的电场强度Ex随X轴的变化。正常区蓝色曲线和虚拟像素区红色曲线分别为无虚拟像素和有虚拟像素时的透过率。我们用水平电场Ex作为参考，是因为负性液晶时，主要对液晶作用的是Ex。图4(a)为液晶驱动电压0.2 V时，CC(非蟹角区)位置的电场强度Ex随X轴的变化，可以看出当液晶驱动电压为0.2 V时，虚拟像素区CC处的Ex和无虚拟像素区的CC处的Ex曲线几乎完全重合，说明非蟹角区的电场几乎不受虚拟像素的影响。

(a)CC(非蟹角区)位置的电场强度Ex随X轴的变化(a) Eelectric field intensity Ex varied with the X-axis at CC (Non-crab area) position

(b) BB(crab区)位置的电场强度Ex随X轴的变化(b) Eelectric field intensity Ex varies with the X-axis at BB (Crab area) position图4 液晶驱动电压0.2 V时，同一截面CC(非蟹角区)和BB(蟹角区)位置电场强度Ex 随X轴的变化: 红色曲线为有虚拟像素；蓝色曲线为无虚拟像素。Fig.4 When the liquid crystal driving voltage is 0.2 V, the electric field intensity Ex varied with the X-axis at the positions of CC (Non-crab region) and BB (Crab region) of the same section: red curve is with dummy pixel; blue curve is without dummy pixel.

图4(b)为液晶驱动电压0.2 V时，BB(蟹角区)位置的电场强度Ex随X轴的变化。从图中可看出在低灰阶(驱动电压0.2 V)时，虚拟像素的附近蟹角区域的Ex波动很大，且数值比无虚拟像素的蟹角区域要大很多，在X为4 μm的位置，虚拟像素的 BB位置处的Ex是无虚拟像素下的BB截面处Ex的7倍。虚拟像素的BB截面处Ex最大达到0.017，均值在0.005 1左右。平均Ex电场强度比无虚拟像素的BB截面处Ex增大1.34倍。

由此可以得出虚拟像素持续驱动电压作用下，蟹角区域的电极夹角α比其他区域的电极夹角β小，其水平电场分量比其他区域的大，多余的电场分量导致相邻蟹角区域的液晶分子产生旋转，产生了漏光，即本文的亮线现象。

4 实验验证

实验分析了虚拟像素对蟹角区域液晶的影响。通过在正常没有亮线的AA区中心制造一个虚拟像素设计，从而直接观察虚拟像素是否会导致亮线不良。具体方法为：将AA区的其中一排子像素的栅极电极与公共电极相连，则此排像素的电压就与虚拟像素的电压一样。将此面板调成零灰阶时，可以观察到正常AA区再造的虚拟像素的位置为常亮，见图5。且该再造虚拟像素附近蟹角区域由原来的不漏光发生了明显漏光发亮，出现亮线不良。通过此实验，我们再现了亮线不良，证实了虚拟像素是造成亮线不良的最直接的原因。

图5 零灰阶时亮线不良再现图Fig.5 Reappearance of line Mura at zero gray scale

总结上述的分析验证，我们提出以下几个改善方案：

(1)取消虚拟像素的设计，消除类似不平衡的电场对液晶的影响，仿真和实验说明虚拟像素的持续电压是蟹角区域的电场异常最直接的原因。因此取消该设计是最直接有效消除亮线不良的方法。

(2)改善蟹角的设计，保证整个AA区的液晶在均匀电场下作用。Ling等人曾研究了蟹角对面板光学的影响并建议为了增加透过率而取消蟹角设计[7]。但是他们只是针对小尺寸12.7 cm(5 in)和高分辨率的产品，这样会限制负性液晶在中尺寸产品上的使用。且蟹角角度一定程度上可以改善Trace Mura(手指滑动面板表面时出现的一条沿着手指动作的灰色轨迹，正性液晶4 s左右会消失)。这也是很多产品保留蟹角的原因。因此在中大尺寸我们建议改善蟹角的设计，调整蟹角区电极角度来改善亮线不良。

(3)调整电压驱动方式。出现亮线不良产品的驱动设计用的是正正压，即公共电压为4.8 V。如果将公共电压改为0 V，虚拟像素的驱动电压理论上则为0 V。虚拟像素区域不存在持续的高电压，这样蟹角附近的液晶就不会受到影响。之后我们将液晶A在此电压驱动设计的产品中使用时并没有发生亮线不良。

(4)改善材料特性。液晶B在出现亮线不良的面板上导入时没有发现此类的不良现象。对比液晶A和液晶B,发现液晶B的光学特性较差，透过率提升幅度小且低响应速度不如液晶A快，但是液晶B残像优于液晶A。对比发现液晶B的极性较低，稳定性比A好，不易产生杂质离子。因此改善液晶材料特性也是解决亮线不良的有效方法。

5 结 论

本文针对负性液晶导入过程中出现的亮线不良，进行了仿真分析和实验解析。发现由于虚拟像素的持续驱动电压产生异常电场对附近蟹角区域的液晶作用，造成了漏光，出现了亮线不良。本文分析了亮线不良产生原因并给出了改善方案。负性液晶在中大尺寸产品上导入使用时，像素设计要注意以下几点：首先设计产品时取消周边不平衡电场，尽量采用平衡的驱动(公共电极为0 V)设计；其次，如果必须采用正正压的驱动(公共电压大于0)，则需取消虚拟像素的设计或者调整蟹角的区域设计；最后，极性低稳定的液晶材料有利于改善残像以及降低亮线不良问题的发生率。本文为以后负性液晶FFS模式的显示屏设计提供了很好的指导。