正负液晶在FFS中的比较和研究

张少楠 ，郭小军＊，崔宏青

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200030；2.昆山市龙腾光电有限公司，江苏 昆山 215301）

1 引 言

FFS技术用于显示有出色的广视角和触控［1］体验，由于其液晶分子随电场水平转动，较VA，TN不易受指压的影响［2］，因此广泛应用于Tablet和 Mobile phone。但由于FFS本身的电极架构以及搭配使用的正性液晶的电学特性，使得电极中心的穿透率较低，且与其他位置差异较大，从而拉低了整体的穿透率［3］，无法达到TN的水准。随着个人应用品质的提升，对显示器的各种规格和特性要求也相对提高。穿透率成为首要需解决的问题，为了改善这一状况，大多选择使用负性液晶代替原来的正性液晶。相对其他的提升穿透率的方法，如使用光配向［4－5］、优化电极设计等，这一改变在成本和应用上更为低廉和简化。此外，负性液晶在色偏以及受垂直电场影响方面表现更为出色。当然，由于负性液晶的应用研究在很长时间内处于停滞的状态，其发展相对较慢，还存在很多未解决的难题，如响应时间和稳定性的问题。其中稳定性导致的残影问题可以通过配向膜的改进来减轻［6］。本文通过光学模拟和试验样品测试比较了这2种液晶在光学和稳定性方面的优缺点。

2 正负液晶在FFS中的光学特性

2.1 电压和穿透率

为了比较正负液晶的光学特性，我们使用Techwiz进行模拟。模拟架构采用一款12.7cm（5 in）FFS的产品架构（电极宽度为3.7μm，间距为3.9μm，Cell gap为3.3μm），正性为 Merck的一款液晶（基本参数：K11＝11.5PN，K22＝5.75PN，K33＝13.8PN，Δε＝9，Δn＝0.102），负性为JNC的液晶（基本参数：K11＝18.2PN，K22＝9PN，K33＝17PN，Δε＝－5，Δn＝0.102）如图1，（a）图为正性液晶穿透率对应电极位置的分布，（b）图为负性液晶的穿透率对应电极位置的分布。从穿透率的曲线可以明显看出负性液晶较正性有较大的改善。（a）显示电极中心位置A的穿透率最低，（b）图显示电极中心位置A的穿透率比（a）图有明显提升，和穿透率的峰值差异减小。这是因为相对其他的电极位置，A位置使得液晶分子水平旋转的边缘电场Ey最弱［7－8］，液晶分子水平旋转主要依靠A、B 之间的弹性力矩作用，A位置液晶分子的水平旋转角度主要由B位置周围的液晶分子的水平旋转角度决定。B位置的液晶倾角θ决定了A位置液晶的水平旋转角度，由于大的液晶倾角会引起周边液晶垂直方向的旋转，因此倾角越小，对水平旋转角度的影响越小。由图1可以看出负性液晶B位置的倾角θ远小于正性液晶，因此对水平旋转角度的影响也远小于正性液晶，穿透率就得到了改善。式（1）是FFS的穿透率公式，其中：Δneff称之为有效折射率，由图1可知，加电压时由于负性液晶的θ很小，在不同的电极位置Δneff变化很小，体现到穿透率曲线上就更为平缓（如图1b）。

图1 亮态下FFS对应电极位置的穿透率分布Fig.1 Transmittance distribution on corresponding electrode under white state

图2是通过techwiz模拟的结果，使用正性液晶的穿透率为5.13%，使用负性液晶的穿透率为4.16%，可以得出负性液晶的穿透率比正性高23%左右，但同时负性所要求饱和电压更高（－LC 6V，＋LC 4.4V），如式（2），这主要由于负性液晶较小的Δε和较大的K22引起的，在电极架构和液晶盒参数一致的前提下，Δε越小，K22越大，操作电压越高。

其中：Vth为阀值电压，L为电极间距，d为盒厚，根号中为液晶的几项基本参数。

图2 ＋LC和－LC的V－T（穿透率对应电压）曲线Fig.2 V－Tcurve of positive ＆ negative LC

2.2 响应时间和“Optical bounce”［9］

表1是2种液晶响应时间的模拟结果，正性液晶比负性液晶的响应时间快20ms左右，这2种液晶黏度是影响响应时间的主要因素，负性液晶的黏度是正性的2.5倍左右，导致撤掉电压时负性液晶回复所需时间更长，Tf是正性的2倍。Tr也较正性大6ms左右，但相对影响较小。

表1 正负性液晶对应的响应时间和液晶旋转黏度Tab.1 Response time ＆rotary viscosity of positive and negative LC

图3 －LC的响应时间Tf段曲线Fig.3 Turn off part on time v.s.transmittance curve of－LC

图4 ＋LC的响应时间Tf段曲线Fig.4 Turn off part on time v.s.transmittance curve of＋LC

图3和4中框出的区域出现穿透率的突变，在穿透率达到最大值时撤掉电压，穿透率有一个1～2ms的上升的过程，随后下降，此现象称之为“Optical bounce”。是在Tf段产生的现象，Tf的计算公式：

其中：Tf和K值成反比，由图1（a）可以看到正性液晶C位置的液晶倾角θ最大，撤掉电压后液晶分子需要克服弯曲形变（K33）垂直回复，正性液晶的K33最大，因此垂直方向的回复最快，同时Tf的大部分时间是克服扭曲形变（K22）水平回复。根据2.1的结论：θ越小穿透率越高，由于C位置θ最先快速的减小，在这段时间穿透率会短暂的增加，当进入到大部分液晶分子水平回复的时间时，穿透率逐渐降低。因此“Optical bounce”主要是发生于图1中C位置，并且持续的时间就是克服K33垂直回复的时间。由图3可知随着操作电压的降低，穿透率的增加幅度会逐渐减小，此现象就会减轻或消失。降低操作电压（Vop），可以减轻“Over twist”的程度。图4显示正性液晶Vop为3.2V虽然程度减轻，仍然存在此现象，负性液晶Vop为5.2V时，此现象得以消除。主要原因是负性液晶的θ较低，穿透率“突变”的持续时间很短，小幅度的减低电压就可以消除“Optical bounce”。而正性液晶的θ较大，“Optical bounce”的持续时间较长，需要大幅度的减小电压来消除此现象。

2.3 色偏

图5分别是正性液晶和负性液晶不同灰阶的色偏示意图，T1～T100表示从暗态到亮态的100个灰阶。从色温来看，正性液晶从相对蓝（5 830.1K）到绿（5 287.9K）然后又返回到偏蓝（5 618.5K），在中间灰阶（T50）发生反转，负性液晶从相对蓝（7 328K）直接到偏绿（6 159.7K）。只有正性液晶发生了色偏反转的现象［10］。这和正性液晶在电场下不同电极位置较大的的θ有关。

图5 不同灰阶时对应u’v’值Fig.5 u’v’value in corresponding gray level

如图6，正性液晶的旋转角度随灰阶升高，θ在A位置随灰阶的升高几乎没有变化，在B和C位置逐渐升高，并且在T50时，C位置的升高幅度进一步增加。对应到图7，A位置的色温逐渐降低，没有反转现象。B和C位置的色温在T50的时候发生反转，并表现到整体上。

图6 不同电极位置的平均旋转角度（a）以及θ（b）Fig.6 Average twist angle（a）＆tilt angle（b）at different electrode position

图7 ＋LC－LC在不同位置的灰阶对应色温曲线Fig.7 Grey level－color temperature curve in different electrode position

图1中已经显示正性液晶A位置受Ez影响最小，倾角θ最小。综上所述，降低倾角θ可以有效的改善色偏反转。我们知道液晶分子延长轴方向配向，当减小液晶分子的Δε（ε∥－ε┴）时，各项异性的特征减小，液晶分子的倾角相对Ez的电场影响也相对减小。当平均倾角减小到3°时，色偏反转的现象会消除。另一方面，从图1可以看到使用正性液晶时，位置A的倾角明显小于位置B C，因此色偏反转出现在位置B C，位置A没有此现象的发生，负性液晶由于平均倾角远远小于正性，整体没有色偏现象的发生（由图5可以看出）。因此，为了改善正性液晶的色偏反转现象，只有使得平均倾角小于3°，一般来说可以通过增大ε┴来减小Δε实现，但副作用是操作电压变高（由式（3）可知）。

3 实验和结果讨论

3.1 Trace Mura

我们把这两款液晶使用于5寸的实际产品上验证，做出5寸分辨率540×960的样品。根据模拟结果正负液晶的饱和电压分别为4.4V和6 V，为了得到最好的穿透率，我们使用此饱和电压，但出现“Trace Mura”，即在亮态时用手指划面板表面，出现一条沿手指动作的灰色轨迹，并需4s左右消失。当把操作电压分别降到3.3V和5.2V时此现象减轻和消失。这种现象的原理类似前文提到的“Optical bounce”产生原理，白画面时面板处于开状态，使用饱和电压或相对较大的电压则使得接近电极边缘位置的Ez效应增强，用手指划面板时Ez发生变化较大，而拿开手指后，液晶分子克服弯曲形变回复，需要一定的回复时间。而降低操作电压同时可以降低Ez效应，使得拿开手指后，液晶分子克服弯曲形变的回复时间减小。由“Optical bounce”的分析数据（图3图4）可知，负性液晶的Trace Mura要轻于正性液晶，因为正性液晶分子在turn on的状态时倾角较大，受到Ez（垂直电场）影响大。表2是实际测得的正负液晶的响应时间和穿透率，和前文的模拟结果保持一致性。

表2 实验所测正负液晶的响应时间和穿透率Tab.2 Measured response time ＆transmittance of positive ＆negative LC

3.2 两种液晶的稳定性

画质重点看面板的残影状况。检测条件为7×5棋盘格画面持续点灯，判定时切换至L127（中间灰阶）使用ND filter遮（目视不可见时则不使用）。结果如表3，正性液晶的残影程度要远远好于负性液晶，持续点24h后在L127判定，结果ND filter 10%可遮，而负性液晶超过4h持续点灯后已经 ND filter 3%不可遮。

表3 正负液晶的残影判定结果Tab.3 Image sticking of positive ＆negative LC

鉴于残影结果的巨大差异，针对正负性液晶做了电压保持率的比较。测试条件是给测试盒5V的交流电（频率60Hz），在100℃的温度中烘烤30h，每隔5h确认电压保持率，结果如图8中的蓝色和黑色线，正性液晶的电压保持率的减小为0.5%，而负性液晶减小达15%。因此负性液晶更容易产生DC残留从而加重残影的程度。针对这一结果PI做了分子结构的加强，使得对LC分子的锚定能增强；加入具有高稳定性的疏水结构的单体使得PI更不容易吸收不纯物质；使用低介电常数的二元胺，改善VHR。使用这一改善的PI搭配负性液晶进行测试，条件相同，结果如图8中的红色线，VHR随Stress条件的变化只有0.1%。就负性液晶的稳定性来说，目前可以依靠搭配的PI得以解决。

图8 正负液晶电压保持率随时间的变化Fig.8 Voltage holding ratio variation by time

4 结 论

综上所述，由于正负液晶本身的参数上的差异以及FFS本身电极结构的特点，即电极不同位置的垂直电场强弱的差异造成负性液晶在光学穿透率、色偏、optical bounce／trace mura方面要优于正性液晶，负性液晶的穿透率较正性有23%的提升，且几乎没有发生Trace Mura的问题，而正性液晶的Trace Mura需要4s左右才会消失。在操作电压／功耗上目前正性液晶更具优势，响应时间较负性高出70%左右。至于负性液晶稳定性的问题，根据试验结果，可以通过调整搭配材料的性能来进行弥补。因此正负液晶在FFS的架构下表现不尽相同，目前各自有其优缺点，如果能够改善负性液晶的电压和响应时间的问题，就能够在更广的领域替代目前的正性液晶。

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