莨菪烷基添加劑對FFS模式中殘像的影響

胡葉廷， 周雷勇， 李曉娜， 遠藤浩史， 森崇德

(1. 捷恩智液晶材料有限公司，江蘇 蘇州 215011；2. JNC石油化學株式會社，日本 千葉 市原 290-8551)

1 引 言

液晶顯示器由于其輕薄、低功耗、高品質以及高信賴性的特點使其在顯示領域中得到廣泛應用[1]。但隨著時代的發展，人們除了對液晶顯示器高性能的需求外，對其信賴性的要求也越來越嚴苛。殘像作為影響液晶顯示器信賴性的一個重要因素，它的產生會嚴重損害液晶顯示器的畫面品質。

殘像主要表現為液晶顯示器長時間顯示同一個畫面，把畫面切換到下一個畫面時，先前的畫面會殘留在下一個畫面中。而根據殘像狀態的不同，殘像可分為面殘像與線殘像。殘像的發生受很多因素影響，包括液晶、配向膜、框膠、生產工藝等。殘像產生機理主要包含兩個并存因素，一個是液晶面板中的離子型不純物，另一個是直流偏置電壓[2]。

目前，在液晶顯示領域中，邊緣場切換廣角技術(FFS)模式作為一種廣泛使用的顯示模式，其根據用途的不同會分別使用正性或負性液晶。正性液晶具有響應速度快，信賴性好的特點，因此被車載等顯示領域所青睞。而負性液晶由于其出色的透過率與對比度，更多地被應用于高品質FFS模式液晶顯示器[3]。但由于負性液晶單體分子結構本身的原因，導致其含有的離子型不純物偏多，同時在紫外光照射和高溫環境下比正性液晶更易發生分解和破壞，會進一步導致其離子型不純物增多，所以負性液晶的殘像問題更容易發生且更嚴重[4]。此外，由于FFS模式具有不對稱的橫向電場，容易形成橫向直流偏置電壓(DC偏置)，進而致使FFS模式出現殘像的情況尤為嚴重[2,5]。

關于殘像的研究中，BOE公司在低ΔVHR條件下，降低配向膜材料的電阻率使存儲電荷釋放加快，殘像得到改善[6]，同時還提出了降低型號線數量、降低信號線與公共電極線的交疊面積、增大信號線與公共電極的距離、外圍電路補償等殘像改善方案[7]。IVO公司研究了配向膜對液晶分子的錨定力與殘像的關聯[8]。本公司通過電子自旋共振譜儀(ESR)與紫外-可見光譜儀(UV-Vis)研究了從配向膜中產生的游離聚酰亞胺陰離子對殘像的影響[9]，并有研究提出通過添加納米顆粒材料可以吸附液晶中的雜質離子[10]。

本文通過在負性液晶中添加新型莨菪烷基添加劑，旨在減小液晶盒中殘留DC偏置電壓的累積且加速電荷的釋放，以達到改善殘像的目的，為負性FFS模式中殘像改善提供一種新的方向。

2 實 驗

2.1 實驗樣品

本實驗選用的封膠材料為日本三鍵紫外線硬化膠，型號3052B。莨菪烷基添加劑，盒厚3.2 μm的液晶盒以及實驗用量產負性液晶均為捷恩智液晶材料公司生產。液晶的相關物性參數如表1所示。

表1 液晶參數Tab.1 Properties of LC mixture

2.2 實驗設備

本實驗對閃爍漂移、殘留DC與面殘像測試采用色彩分析儀(日本KONIKA MINOLTA，型號CA-310)測定；線殘像由自動控制器(美國National Instruments，型號PXle-1071)進行實驗。

2.3 閃爍漂移測試

將測試用液晶盒施加L255灰階電壓30 min，然后切換至L127灰階電壓進行閃爍測試，循環測試4次。

2.4 DC殘留電壓測試

在常溫下對測試用液晶施加L127灰階交流電壓120 s，然后在施加L127交流電壓同時施加3 V直流電壓1 h后，撤去直流電壓，測試其亮度變化，測試時間為30 min。

2.5 面殘像測試

將測試用液晶盒施加L255灰階電壓30 min，然后切換至L127灰階電壓進行亮度測試，偏置電壓范圍設置為±0.2 V，測定間隔為0.02 V，循環測試4次。

2.6 線殘像測試

在室溫條件下，利用4×4棋盤格對面板的線殘像特性進行評估。圖1為面板老化畫面，其中黑色方格為L0灰階電壓下顯示畫面，白色方格為L255灰階電壓下顯示畫面，維持該棋盤格畫面96 h后，將面板驅動電壓切換至L127灰階電壓，在頻率30 Hz下對面板的線殘像情況進行評價，其呈現的具體畫面如圖2所示。

圖1 4×4棋盤格Fig.1 4×4 check board

圖2 線殘像示意圖Fig.2 Schematic diagram of line image sticking

3 結果與討論

3.1 閃爍漂移結果

FFS模式液晶顯示器在驅動時，由于電極設計等因素造成實際正負幀的像素電壓不完全對稱，從而導致正負幀的透過率存在差異，出現閃爍現象。

圖3 閃爍漂移曲線Fig.3 Flicker drift curves

圖3為樣品A和B的閃爍隨老化時間的增加而變化的結果。由圖3可知，未添加莨菪烷基添加劑的樣品A隨著老化時間增加，閃爍先逐漸增大，之后增大幅度逐漸趨緩。這是由于液晶盒內部存在的DC偏置使得液晶中的離子型不純物產生積聚，進而形成殘留DC偏置，從而導致原先在Vcom(交流驅動電壓的中心值)電壓下對稱的正負幀透過率出現差異。而加入質量分數為1×10-4添加劑的樣品B，隨老化時間的增加，其閃爍增大的幅度明顯小于樣品A。這表明添加劑的使用可以有效減小液晶盒內由驅動產生的殘留DC偏置。

3.2 DC殘留電壓釋放結果

配向膜在DC偏置作用下選擇性地吸附液晶中的離子型不純物，形成殘留DC偏置。通過在交流電驅動同時施加直流電可增大偏置作用，加速形成殘留DC偏置。在解除直流電后，積聚在配向膜上的離子型不純物形成的殘留DC偏置會逐漸消失。

圖4 殘留DC釋放特性Fig.4 Properties of residual DC release

圖4是樣品A和B中殘留DC偏置導致的亮度變化曲線。由圖4可知，樣品A在交流驅動同時施加直流電1 h后，釋放階段最大亮度為750 cd/m2，且釋放200 s后亮度恢復至初始亮度；而樣品B釋放階段最大亮度為550 cd/m2，與樣品A相比DC偏置累積減少30%，并在釋放10 s后亮度恢復至初始亮度，相比樣品A，其釋放時間約縮短了95%。這是因為未使用添加劑的樣品A，配向膜電阻遠大于液晶的電阻，導致液晶盒內的電荷聚集在液晶與配向膜的界面，難以釋放，并由電量公式Q=CV可知，聚集的電荷增多會導致殘留電壓增大，進而使得亮度變大；而樣品B在使用了添加劑后，添加劑附著在配向膜表面，使得配向膜表面的電阻值下降，因此液晶與配向膜之間的電阻差減小，所以電荷可以較容易地釋放至配向膜，積聚情況得到明顯改善[11-12]。

3.3 面殘像測試結果

在FFS模式中，交流電(AC)殘像是因為液晶分子經過長時間的驅動，無法恢復到原先正確的排列位置，其表現為對應的灰階亮度會發生變化；而DC殘像是由液晶盒中殘留DC偏置造成，并可通過調整Vcom電壓進行改善[5,12]。

圖5 Vcom-亮度隨老化時間的變化Fig.5 Brightness dependency of Vcomafter aging

圖6 Vcom-亮度隨老化時間的變化Fig.6 Brightness dependency of Vcom after aging

圖5和圖6分別是樣品A和B在老化0，30，60，90 min后亮度與Vcom的測試曲線圖。由圖5可知，隨著老化時間的增加，樣品A的Vcom-亮度向右上方發生了明顯的漂移，這表明樣品A中存在AC與DC殘像。其中老化30 min后的Vcom-亮度向上漂移8 cd/m2，Vcom向右漂移了0.7 V。由圖6可知，樣品B添加添加劑后，Vcom-亮度向上方漂移2 cd/m2，Vcom電壓向右漂移了0.02 V。相較于樣品A，樣品B的Vcom-亮度向上以及Vcom電壓向右漂移的幅度明顯減小，這表明添加劑使用后，AC與DC殘像同時得到了改善。

3.4 線殘像測試結果

圖7和圖8是樣品A和B分別老化0 h與96 h后在L127灰階，30 Hz條件下觀察所得的線殘像結果。

圖7 樣品A在0 h(a),96 h(b)老化時間下線殘像結果。Fig.7 Line image sticking of sample A at t=0 h(a), t=96 h (b).

圖8 樣品B在0 h(a),96 h(b)老化時間下線殘像結果。Fig.8 Line image sticking of sample B at t=0 h(a), and t=96 h(b).

從圖7(a)和7(b)可看出，經過96 h驅動后樣品A在像素邊緣處出現了明顯的線殘像。這是由于棋盤格老化過程中L0與L255的驅動電壓不同，使得黑白像素內形成了大小不等的殘留DC偏置，切換至L127灰階，面內存在大小不等的殘留DC偏置使像素之間存在電壓差，進而導致液晶盒內的離子型不純物向邊界聚集而形成了殘留DC偏置，透過率因此發生變化，表現為線殘像。由圖8(a)和8(b)可知，樣品B未出現線殘像。由前述可知，添加新添加劑后，可有效減少液晶盒由于驅動導致產生的DC殘留電壓積聚并加快釋放速率，因此黑白格像素之間電壓差減小，線殘像得到改善。

4 結 論

本文通過在負性液晶中添加一種新型莨菪烷基添加劑的方法，研究了其對FFS模式中殘像的影響。實驗結果表明，莨菪烷基添加劑使用后，閃爍漂移得到改善；液晶盒中DC殘留累積量減少30%且釋放速率提升95%；Vcom漂移量由0.7 V改善至0.02 V，同時Vcom-亮度變化量從8 cd/m2改善至2 cd/m2；線殘像由L3改善至L1。

本研究在不改變電極設計的前提下通過使用添加劑，在一定程度上改善了殘像現象，對提升面板的顯示品質具有一定的指導意義。