莨菪烷基添加剂对FFS模式中残像的影响

胡叶廷， 周雷勇， 李晓娜， 远藤浩史， 森崇德

(1. 捷恩智液晶材料有限公司，江苏 苏州 215011；2. JNC石油化学株式会社，日本 千叶 市原 290-8551)

1 引 言

液晶显示器由于其轻薄、低功耗、高品质以及高信赖性的特点使其在显示领域中得到广泛应用[1]。但随着时代的发展，人们除了对液晶显示器高性能的需求外，对其信赖性的要求也越来越严苛。残像作为影响液晶显示器信赖性的一个重要因素，它的产生会严重损害液晶显示器的画面品质。

残像主要表现为液晶显示器长时间显示同一个画面，把画面切换到下一个画面时，先前的画面会残留在下一个画面中。而根据残像状态的不同，残像可分为面残像与线残像。残像的发生受很多因素影响，包括液晶、配向膜、框胶、生产工艺等。残像产生机理主要包含两个并存因素，一个是液晶面板中的离子型不纯物，另一个是直流偏置电压[2]。

目前，在液晶显示领域中，边缘场切换广角技术(FFS)模式作为一种广泛使用的显示模式，其根据用途的不同会分别使用正性或负性液晶。正性液晶具有响应速度快，信赖性好的特点，因此被车载等显示领域所青睐。而负性液晶由于其出色的透过率与对比度，更多地被应用于高品质FFS模式液晶显示器[3]。但由于负性液晶单体分子结构本身的原因，导致其含有的离子型不纯物偏多，同时在紫外光照射和高温环境下比正性液晶更易发生分解和破坏，会进一步导致其离子型不纯物增多，所以负性液晶的残像问题更容易发生且更严重[4]。此外，由于FFS模式具有不对称的横向电场，容易形成横向直流偏置电压(DC偏置)，进而致使FFS模式出现残像的情况尤为严重[2,5]。

关于残像的研究中，BOE公司在低ΔVHR条件下，降低配向膜材料的电阻率使存储电荷释放加快，残像得到改善[6]，同时还提出了降低型号线数量、降低信号线与公共电极线的交叠面积、增大信号线与公共电极的距离、外围电路补偿等残像改善方案[7]。IVO公司研究了配向膜对液晶分子的锚定力与残像的关联[8]。本公司通过电子自旋共振谱仪(ESR)与紫外-可见光谱仪(UV-Vis)研究了从配向膜中产生的游离聚酰亚胺阴离子对残像的影响[9]，并有研究提出通过添加纳米颗粒材料可以吸附液晶中的杂质离子[10]。

本文通过在负性液晶中添加新型莨菪烷基添加剂，旨在减小液晶盒中残留DC偏置电压的累积且加速电荷的释放，以达到改善残像的目的，为负性FFS模式中残像改善提供一种新的方向。

2 实 验

2.1 实验样品

本实验选用的封胶材料为日本三键紫外线硬化胶，型号3052B。莨菪烷基添加剂，盒厚3.2 μm的液晶盒以及实验用量产负性液晶均为捷恩智液晶材料公司生产。液晶的相关物性参数如表1所示。

表1 液晶参数Tab.1 Properties of LC mixture

2.2 实验设备

本实验对闪烁漂移、残留DC与面残像测试采用色彩分析仪(日本KONIKA MINOLTA，型号CA-310)测定；线残像由自动控制器(美国National Instruments，型号PXle-1071)进行实验。

2.3 闪烁漂移测试

将测试用液晶盒施加L255灰阶电压30 min，然后切换至L127灰阶电压进行闪烁测试，循环测试4次。

2.4 DC残留电压测试

在常温下对测试用液晶施加L127灰阶交流电压120 s，然后在施加L127交流电压同时施加3 V直流电压1 h后，撤去直流电压，测试其亮度变化，测试时间为30 min。

2.5 面残像测试

将测试用液晶盒施加L255灰阶电压30 min，然后切换至L127灰阶电压进行亮度测试，偏置电压范围设置为±0.2 V，测定间隔为0.02 V，循环测试4次。

2.6 线残像测试

在室温条件下，利用4×4棋盘格对面板的线残像特性进行评估。图1为面板老化画面，其中黑色方格为L0灰阶电压下显示画面，白色方格为L255灰阶电压下显示画面，维持该棋盘格画面96 h后，将面板驱动电压切换至L127灰阶电压，在频率30 Hz下对面板的线残像情况进行评价，其呈现的具体画面如图2所示。

图1 4×4棋盘格Fig.1 4×4 check board

图2 线残像示意图Fig.2 Schematic diagram of line image sticking

3 结果与讨论

3.1 闪烁漂移结果

FFS模式液晶显示器在驱动时，由于电极设计等因素造成实际正负帧的像素电压不完全对称，从而导致正负帧的透过率存在差异，出现闪烁现象。

图3 闪烁漂移曲线Fig.3 Flicker drift curves

图3为样品A和B的闪烁随老化时间的增加而变化的结果。由图3可知，未添加莨菪烷基添加剂的样品A随着老化时间增加，闪烁先逐渐增大，之后增大幅度逐渐趋缓。这是由于液晶盒内部存在的DC偏置使得液晶中的离子型不纯物产生积聚，进而形成残留DC偏置，从而导致原先在Vcom(交流驱动电压的中心值)电压下对称的正负帧透过率出现差异。而加入质量分数为1×10-4添加剂的样品B，随老化时间的增加，其闪烁增大的幅度明显小于样品A。这表明添加剂的使用可以有效减小液晶盒内由驱动产生的残留DC偏置。

3.2 DC残留电压释放结果

配向膜在DC偏置作用下选择性地吸附液晶中的离子型不纯物，形成残留DC偏置。通过在交流电驱动同时施加直流电可增大偏置作用，加速形成残留DC偏置。在解除直流电后，积聚在配向膜上的离子型不纯物形成的残留DC偏置会逐渐消失。

图4 残留DC释放特性Fig.4 Properties of residual DC release

图4是样品A和B中残留DC偏置导致的亮度变化曲线。由图4可知，样品A在交流驱动同时施加直流电1 h后，释放阶段最大亮度为750 cd/m2，且释放200 s后亮度恢复至初始亮度；而样品B释放阶段最大亮度为550 cd/m2，与样品A相比DC偏置累积减少30%，并在释放10 s后亮度恢复至初始亮度，相比样品A，其释放时间约缩短了95%。这是因为未使用添加剂的样品A，配向膜电阻远大于液晶的电阻，导致液晶盒内的电荷聚集在液晶与配向膜的界面，难以释放，并由电量公式Q=CV可知，聚集的电荷增多会导致残留电压增大，进而使得亮度变大；而样品B在使用了添加剂后，添加剂附着在配向膜表面，使得配向膜表面的电阻值下降，因此液晶与配向膜之间的电阻差减小，所以电荷可以较容易地释放至配向膜，积聚情况得到明显改善[11-12]。

3.3 面残像测试结果

在FFS模式中，交流电(AC)残像是因为液晶分子经过长时间的驱动，无法恢复到原先正确的排列位置，其表现为对应的灰阶亮度会发生变化；而DC残像是由液晶盒中残留DC偏置造成，并可通过调整Vcom电压进行改善[5,12]。

图5 Vcom-亮度随老化时间的变化Fig.5 Brightness dependency of Vcomafter aging

图6 Vcom-亮度随老化时间的变化Fig.6 Brightness dependency of Vcom after aging

图5和图6分别是样品A和B在老化0，30，60，90 min后亮度与Vcom的测试曲线图。由图5可知，随着老化时间的增加，样品A的Vcom-亮度向右上方发生了明显的漂移，这表明样品A中存在AC与DC残像。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。由图6可知，样品B添加添加剂后，Vcom-亮度向上方漂移2 cd/m2，Vcom电压向右漂移了0.02 V。相较于样品A，样品B的Vcom-亮度向上以及Vcom电压向右漂移的幅度明显减小，这表明添加剂使用后，AC与DC残像同时得到了改善。

3.4 线残像测试结果

图7和图8是样品A和B分别老化0 h与96 h后在L127灰阶，30 Hz条件下观察所得的线残像结果。

图7 样品A在0 h(a),96 h(b)老化时间下线残像结果。Fig.7 Line image sticking of sample A at t=0 h(a), t=96 h (b).

图8 样品B在0 h(a),96 h(b)老化时间下线残像结果。Fig.8 Line image sticking of sample B at t=0 h(a), and t=96 h(b).

从图7(a)和7(b)可看出，经过96 h驱动后样品A在像素边缘处出现了明显的线残像。这是由于棋盘格老化过程中L0与L255的驱动电压不同，使得黑白像素内形成了大小不等的残留DC偏置，切换至L127灰阶，面内存在大小不等的残留DC偏置使像素之间存在电压差，进而导致液晶盒内的离子型不纯物向边界聚集而形成了残留DC偏置，透过率因此发生变化，表现为线残像。由图8(a)和8(b)可知，样品B未出现线残像。由前述可知，添加新添加剂后，可有效减少液晶盒由于驱动导致产生的DC残留电压积聚并加快释放速率，因此黑白格像素之间电压差减小，线残像得到改善。

4 结 论

本文通过在负性液晶中添加一种新型莨菪烷基添加剂的方法，研究了其对FFS模式中残像的影响。实验结果表明，莨菪烷基添加剂使用后，闪烁漂移得到改善；液晶盒中DC残留累积量减少30%且释放速率提升95%；Vcom漂移量由0.7 V改善至0.02 V，同时Vcom-亮度变化量从8 cd/m2改善至2 cd/m2；线残像由L3改善至L1。

本研究在不改变电极设计的前提下通过使用添加剂，在一定程度上改善了残像现象，对提升面板的显示品质具有一定的指导意义。