童 芬，郭小軍

（上海交通大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院，上海 200240）

1 引 言

殘像形成于TFT－LCD顯示器內(nèi)部，源于液晶分子容易在靜態(tài)充電的條件下被極化，個(gè)別液晶分子有其獨(dú)特的光學(xué)特性。在長時(shí)間顯示一個(gè)固定畫面時(shí)，會引起液晶內(nèi)寄生電荷的不斷積聚以致極化，最后影響了液晶的光學(xué)特性，從而在改變畫面時(shí)阻礙了液晶返回到原來那種受電場控制的狀態(tài)。這種極化的效果可能還會影響液晶在盒內(nèi)沿Z軸方向上的上部或下部的液晶分子的取向，或者使得液晶分子朝著某一方向的邊緣遷移，這種分子極化是因?yàn)橄袼鼗騺喯袼卦陂L時(shí)間顯示靜態(tài)畫面而產(chǎn)生的，所以在改變圖像時(shí)也會留下以前那個(gè)圖像的淺淺的可見的畫面。

殘像產(chǎn)生的主要原因歸結(jié)為缺一不可的兩個(gè)并存因素：一是驅(qū)動上存在直流偏置電壓；二是顯示屏內(nèi)存在制造過程中產(chǎn)生的離子不純物。由于受到像素結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)等的限制，在加電壓時(shí)，在像素區(qū)會出現(xiàn)交流不對稱的地方，偏離對稱中心的那部分電壓就是DC偏置。由于屏內(nèi)存在離子型不純物，這個(gè)DC偏置就會吸引由于制造過程中產(chǎn)生的屏內(nèi)的離子不純物，導(dǎo)致交流驅(qū)動不對稱的地方形成殘留DC偏置。這樣，顯示畫面的部分區(qū)域中離子極性殘留下來。取消顯示畫面后，由于殘留DC偏置的作用，在顯示下一個(gè)不同畫面的時(shí)候，液晶分子受到離子的影響不能正確保持設(shè)計(jì)所要求的排列狀態(tài)，看起來就像有前面顯示畫面的殘留。只有經(jīng)過很長時(shí)間，等到電極上的殘留極性散開后，才能顯示真實(shí)的下一個(gè)畫面。殘像會使新畫面上出現(xiàn)重影，從而使對比度降低，圖像模糊［1－2］。實(shí)際上，離子型不純物的來源有很多，分兩大方面：一個(gè)是各種材料本身特性引入，另一個(gè)是工藝過程中的各種設(shè)備參數(shù)和控制條件的引入。材料方面包括液晶（LC），取向膜（PI），彩色濾光膜（CF）基板和陣列（ARRAY）基板：液晶材料中的離子濃度，本身的殘留DC，電壓保持率，介電常數(shù)以及取向膜本身的殘留DC等；工藝過程中的影響包括，液晶的注入工藝，取向?qū)右后w時(shí)濃度的大小，摩擦的工藝條件及清洗工藝中各參數(shù)的控制等。

FFS顯示模式由于其特殊的平面電場結(jié)構(gòu)，高Δε液晶材料，低像素開口率，殘像問題相對于其他顯示模式更為突出，要想得到高品質(zhì)的畫面顯示，殘像問題亟待我們解決，研究如何改善FFS廣視角技術(shù)的殘像問題有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在研究殘像方面，LG Display提出了FFS驅(qū)動模式下，使用不含交聯(lián)劑的配向膜材料－聚酰胺酸（PA），配向?qū)由暇奂牟患冸x子可以快速消散，殘影可以快速消失［3］。LG Display還研究了液晶材料的阻抗在長殘像時(shí)對DC殘留電壓釋放的影響［4］。Sharp通過分析直流殘留和界面離子活動的關(guān)系，建立了3個(gè)評價(jià)參數(shù)：一是飽和直流殘留電壓；二是飽和時(shí)間；三是直流殘留消散時(shí)間；并提出飽和直流殘留電壓對于評價(jià)直流殘留最為重要，對于通過液晶材料和配向膜材料的設(shè)計(jì)改善LCD殘像（選擇殘影性能好的材料）至關(guān)重要［5］.

在這里我們主要關(guān)注于通過實(shí)驗(yàn)討論FFS驅(qū)動模式下的負(fù)性液晶材料的特性及其與配向膜材料搭配的特性對于LCD面板的短殘像的影響，并對于此應(yīng)用給出一個(gè)改善產(chǎn)品短殘像現(xiàn)象的方向。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

液晶顯示屏的殘像程度的評價(jià)一般采用棋盤格畫面進(jìn)行測試。測試殘像時(shí)，我們先將面板在棋盤格畫面測試一段時(shí)間，然后在50%灰階畫面判定顯示畫面均一性。殘影現(xiàn)象按照畫面切換后出現(xiàn)的殘像狀態(tài)不同，分為線殘像和面殘像兩種［6］。這里，我們主要討論面殘像，狀況如圖1（a）所示。

測試中，殘影測試的畫面如圖1（b）所示，使用7×5黑白棋盤格。測試2h后，在50%灰階畫面觀察殘影變化狀況，在測試時(shí)，會使用減光過濾片（ND filter）輔助進(jìn)行判定。

圖1 殘影測試畫面Fig.1 Image sticking test pattern

2.2 實(shí)驗(yàn)樣品條件

殘影測試在25℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)使用的測試面板側(cè)視圖如圖2所示，該面板使用FFS驅(qū)動模式。該邊緣場的驅(qū)動結(jié)構(gòu)同時(shí)具有水平電場和垂直電場，預(yù)傾角為2°，液晶盒厚采用3.5μm，液晶材料特性如下表1所示，配向膜材料的特性參數(shù)如表2所示。測試面板外觀尺寸為5.5in（1in＝2.54cm），解析度為960×540（QHD），白畫面亮度為300cd／m2，黑畫面亮度為0.22cd／m2。實(shí)驗(yàn)測試材料搭配如下：樣品 A－1使用負(fù)性液晶，搭配PI 1，樣品 A－2使用負(fù)性液晶，搭配PI 2，樣品B－2使用正性液晶，搭配PI 2。

圖2 邊緣場面板的截面圖Fig.2 Side view of FFS cell

表1 液晶的特性參數(shù)Tab.1 Parameters of LC

表2 PI材料的體阻抗Tab.2 Volume resistivity of PI material

3 結(jié)果與討論

3.1 殘像的測試結(jié)果

首先，對樣品進(jìn)行殘像測試，用7×5黑白棋盤格點(diǎn)燈，分別在1min、10min和2h時(shí)將畫面切換至50%，用ND Filter判定殘像程度，各樣品的殘像測試結(jié)果如表3。從結(jié)果可以看出，樣品B－2使用正性液晶，搭配PI 2殘像表現(xiàn)最好2 h目視不可見，樣品A－1使用負(fù)性液晶，搭配PI 1的殘像表現(xiàn)最差2hND3%不可遮，樣品A－2使用負(fù)性液晶，搭配PI 2殘像2hND8%可遮。針對負(fù)性液晶而言，樣品A－2殘像表現(xiàn)優(yōu)于樣品A－1，即負(fù)性液晶搭配PI 2殘像優(yōu)于搭配PI 1。

表3 殘影測試結(jié)果Tab.3 Test result of Image Sticking

3.2 負(fù)性液晶離子密度及VHR量測

根據(jù)殘像測試結(jié)果，比較兩款液晶材料穩(wěn)定性，首先確認(rèn)液晶分子材料離子解離狀況及VHR的變化狀況。將上述兩款液晶材料的樣品經(jīng)過60℃UV光照后，量測離子密度及VHR變化狀況分別如圖3，4所示。

圖3 液晶的離子濃度Fig.3 Ion density of LC

圖4 液晶的VHRFig.4 VHR of LC

從圖3可以看出UV光照前負(fù)性液晶離子密度是正性液晶的39倍，經(jīng)過UV后負(fù)性液晶的離子密度是560Pc／cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正性液晶的離子密度。由此可見，負(fù)性液晶材料本身離子濃度高于正性液晶材料，經(jīng)過UV光照后，負(fù)性液晶材料的離子析出速度及離子濃度遠(yuǎn)高于正性液晶材料。

由圖4量測的液晶VHR知，UV前負(fù)性液晶與正性液晶的VHR基本無差異，經(jīng)過UV光照后，正性液晶變化量不大，為UV前0.2%，負(fù)性液晶變化量為2.7%，負(fù)性液晶VHR變化量大于正性液晶材料。

如前文中提到，面板材料中的離子含量越高越容易產(chǎn)生殘像，從量測的液晶材料的離子濃度及VHR變化量可以看出，負(fù)性液晶材料的穩(wěn)定性比正性液晶材料穩(wěn)定性差，負(fù)性液晶材料比正性液晶材料更容易發(fā)生殘像。

3.3 DC殘留電壓測試

配向膜是影響殘像的一個(gè)關(guān)鍵因素，配向膜在DC偏置下會有選擇性的吸附液晶中的不純物離子，形成殘留DC偏置，如圖5所示。配向膜對這些離子的吸附能力在一定程度上影響殘像殘留時(shí)間的長短。

圖5 配向膜吸附離子型不純物Fig.5 PI adsorption of ions

為了選擇與負(fù)性液晶材料匹配較好，對殘像改善有明顯幫助的PI材料，量測了樣品的DC殘留電壓。其中DC殘留電壓的量測裝置如圖6所示，外加5V直流電壓，量測加壓2h，以及2h后撤銷外加電壓時(shí)的DC殘留，量測結(jié)果如圖7所示。

圖6 DC殘留的量測系統(tǒng)Fig.6 RDC measure system

圖7 樣品的RDC特性Fig.7 RDC properties of samples

從DC殘留的量測結(jié)果可以看出，對于相同液晶驅(qū)動模式，長時(shí)間點(diǎn)燈2h后，使用負(fù)性液晶搭配PI1的樣品A－1的DC殘留電壓最大，為0.5V，其DC殘留電壓聚集快，釋放也快，樣品A－2和B－2點(diǎn)燈2h后，DC殘留電壓均小于0.2 V，相對于A－1樣品，其DC殘留電壓較難聚集，且聚集少，釋放也相對較快。由Q＝CV可知，V就是DC偏置電壓，聚集的電荷量Q大，就相當(dāng)于在電極上方配向膜聚集的離子型不純物多，要在DC偏置解除后消失所需要的時(shí)間越長，殘像越嚴(yán)重。

從上述量測結(jié)果可知，保持低的DC殘留電壓對改善殘影是非常重要的，且負(fù)性液晶使用高阻抗PI2配向膜材料不易聚集DC殘留電壓，對改善殘影有幫助。

3.4 Vcom電壓隨時(shí)間變化

不同灰階的液晶電容Clc不同，顯示屏內(nèi)不同位置的掃描信號延遲差異引起（Vgh－Vgl）不同，所以在不同灰階和面內(nèi)不同位置都會出現(xiàn)Feed through電壓差，液晶面板驅(qū)動電壓波形會由于Feed through電壓或晶體管特性變動而含有Offset DC成分，長時(shí)間進(jìn)行這種方式的驅(qū)動后，直流成分將會在配向膜液晶的界面引起誘電分極，從而導(dǎo)致殘像的發(fā)生。

量測各樣品在中間灰階電壓下Vcom電壓隨時(shí)間變化狀況，結(jié)果如圖8所示。

圖8 Vcom電壓隨時(shí)間變化Fig.8 Vcomshift with lighting time

點(diǎn)燈測試30min，樣品的Vcom電壓與開始點(diǎn)燈測試時(shí)比較，都隨時(shí)間發(fā)生不同程度的飄移，正性液晶材料樣品B－2變化量最小，在50mV以內(nèi)，負(fù)性液晶材料變化量大，但使用PI2配向膜材料的樣品Vcom飄移程度較使用PI1配向膜材料的樣品飄移程度輕微。

由此可見，使用PI2配向膜材料對減少使用負(fù)性液晶的FFS驅(qū)動模式的面板的Vcom電壓飄移是有幫助的，即對改善殘像有幫助。

4 結(jié) 論

從殘像發(fā)生的機(jī)理，可以知道，殘像產(chǎn)生的主要原因歸結(jié)為缺一不可的兩個(gè)并存因素：一是驅(qū)動上存在直流偏置電壓；二是顯示屏內(nèi)存在中的離子不純物。要改善殘像現(xiàn)象，一是要抑制DC偏置電壓；二是要抑制離子不純物的產(chǎn)生。

從實(shí)驗(yàn)中量測的負(fù)性液晶離子密度及VHR結(jié)果可知，負(fù)性液晶材料本身含有的離子密度是正性液晶材料的39倍，且其穩(wěn)定性比正性液晶材料的穩(wěn)定性差，UV后易發(fā)生離子析出，UV后負(fù)性液晶的離子密度是560Pc／cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正性液晶的離子密度，且UV后，負(fù)性液晶材料VHR變化量為2.7%，大于正性液晶材料的0.2%，負(fù)性液晶材料比正性液晶材料更容易發(fā)生殘像。

從殘像測試結(jié)果、DC殘留電壓的量測結(jié)果以及中間灰階電壓下Vcom電壓隨時(shí)間變化狀況可知，對于使用負(fù)性液晶材料，F(xiàn)FS驅(qū)動模式的Vcom電壓變化量，從而改善殘像現(xiàn)象。

同時(shí)需要說明是，改善殘像，針對不同的驅(qū)動架構(gòu)，不同的液晶材料以及產(chǎn)品不同的應(yīng)用等，對PI材料特性的要求是不同的，要根據(jù)實(shí)際架構(gòu)進(jìn)行評估，從而得到最佳化的顯示質(zhì)量。

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