液晶組分以及V-T曲線漂移與線殘像關系研究

李銳，豐景義，溫剛，喬云霞，徐凱，崔青

液晶組分以及V-T曲線漂移與線殘像關系研究

李銳*，豐景義，溫剛，喬云霞，徐凱，崔青

(石家莊誠志永華顯示材料有限公司，河北石家莊050091)

線殘像是液晶顯示不良的一種表現，對在Cell中短時間內判斷液晶線殘像的強弱進行了研究。本文使用了4種介電各向異性相同的液晶，對這4款混晶所制成的TFT-LCD屏進行了線殘像水平測定，系統分析了混晶的組分與線殘像的關系，并使用了一種通過加直流電壓測試V-T曲線的漂移來判斷液晶殘像強弱的方法，對4款混晶做了V-T曲線漂移實驗。組分分析表明，介電各向異性相同的情況下，液晶中－CF2O－類單體和－COO－類單體的使用會導致線殘像的發生。V-T漂移實驗結果表明，Vth變化率小于5%時，液晶顯示線殘像輕微，Vth變化率大于10%時，線殘像嚴重。這種方法可以在Cell中進行，并且使測試時間明顯縮短，這對提高液晶的研發效率具有指導意義。

TFT-LCD;線殘像;直流電壓;V-T漂移

1 引言

液晶顯示(LCD)作為液晶——這一特殊材料的一項最重要的應用，從液晶特性發現不久就一直得到人們的廣泛關注［1-2］。近年來，液晶顯示器以其寬的工作溫度范圍、低功耗、低工作電壓、低空間占有率以及輕薄美觀等優勢，不斷普及，成為市場的主流，液晶顯示已經與我們的生活和工作息息相關。隨著人們對顯示要求不斷提高，對于畫面品質也提出了越來越高的要求，而畫面品質待改善的問題之一就是影像殘留(Image Sticking)，簡稱殘像［3-5］。

當液晶顯示器長時間顯示同一個畫面，在把畫面切換到下一個畫面時，原先的畫面會殘留在下一畫面中，這種現象就稱為殘像。殘像問題由于形成機理比較復雜［6-9］，涉及液晶與器件等多個方面，作為全世界各大廠商正在解決的問題，一直也沒有比較好的解決方案，而在從事液晶制造行業的廠商中，也需要能夠在液晶盒中判斷液晶殘像的簡便方法［10-15］。本文對4款介電各向異性相同但組分不同的液晶所制成的TFT-LCD產品的線殘像進行了殘像水平測定，探討了殘像水平與液晶組分的關系，并探究了一種通過加直流電壓測試V-T曲線的漂移來判斷液晶殘像強弱的方法。

2 實驗

2．1液晶選取

在大部分文獻中，認為介電各向異性(Δε)較大、極性較強的混合液晶，線殘像水平較差。我們認為混晶Δε的數值決定于組成混晶各個單體的極性大小，相同Δε值的混晶可能由完全不同的單體組成。我們選擇了4款我司自主生產的Δε相同的液晶作為實驗材料，將混晶Δε的因素排除，進一步研究單體組分的極性對液晶線殘像的影響。4款液晶組分及單體編號見表1～表4。

表1 LC-1液晶組成Tab．1Composition of LC-1

續表

表2 LC-2液晶組成Tab．2Composition of LC-2

表3 LC-3液晶組成Tab．3Composition of LC-3

表4 LC-4液晶組成Tab．4Composition of LC-4

續表

2．2參數測試

對4款實驗用液晶進行常規參數測試，測試結果見表5。

參數測試儀器和方法:

Clearing Point:DSC定量測試法;

Viscosity:LVDV-I+VISCOMETER;

Rotational Viscosity:不添加手性劑，平行盒，25℃;INSTEC:ALCT-IR1測試。

!n:ZWA-J型阿貝計(量程1．3～1．7);

!"、"#:不添加手性劑，平行盒，(25±2)℃; INSTEC:ALCT-IR1;

V90，0，25、V10，0，25:添加手性劑，7．0 μm左旋TN液晶盒，(25±2)℃，DMS-501綜合測試儀;

K11、K33:不添加手性劑，平行盒，25℃;INSTEC:ALCT-IR1測試。

HTP、P:楔形盒;讀數顯微鏡，25℃±2℃。

表5 LC-1～LC-4常規參數Tab．5Paramaters of LC-1～LC-4

續表

2．3殘像水平測試

使用4×4的黑白格對4款液晶的線殘像進行測試(圖1，5 V交流電驅動，頻率為128 Hz，每24 h觀察一次，共驅動120 h。觀察時切換到中間灰度(圖2)，觀察線殘像水平(圖3)。

圖14 ×4黑白格Fig．14×4 check board

圖2 中間灰度Fig．250%gray level

圖3 線殘像示意圖Fig．3Line image sticking

2．4V-T曲線漂移測試

將4款液晶分別灌入7．0 μm左旋TN液晶盒中，使用封口膠封口，在液晶盒兩玻璃基板表面貼45°偏光片，使上下兩偏光片的偏光軸呈90°，將液晶盒放入DMS-501綜合測試儀的暗箱中，正負電極加電，控溫在25℃。首先使用交流電壓測試初始V-T，條件為0～5 V、Step=0．1 V，測試完畢后，持續加5 V直流電壓30 min，靜置1 min，測試V-T。重復加30 min直流電壓和測試V-T的過程，共持續3 h。

3 結果與討論

3．1線殘像水平測試結果與分析

線殘像水平測試結果見圖4。

圖4線殘像水平測試結果Fig．4Result of line image sticking test

圖4 中LC-1驅動72 h仍未觀察到殘像，直到96 h才有輕微殘像產生;LC-4驅動24 h沒有殘像發生，48 h觀察有輕微殘像;LC-1和LC-2在驅動24 h就可觀察到輕微殘像，隨著驅動時間的延長，殘像水平變差。4款液晶的殘像嚴重程度為LC-3＞LC-2＞LC-4＞LC-1。

在殘像水平較差的液晶LC-3和LC-2中，共同點是同時使用了CCZPC和PUQUF兩種單體，而LC-4中未使用PUQUF，LC-1中兩種單體都未使用，百分數見表6。

表6 四款液晶中CCZPC和PUQUF質量百分數Tab．6Percentage of CCZPC and PUQUF in 4 LC mixtures

根據殘像水平測試結果，我們認為，PUQUF單體對殘像產生起主要作用，CCZPC單體起輔助作用，由于PDQUF單體具有強極性，因此導電性較好，在電流作用下穩定性較差，隨著驅動時間的延長，少量PDQUF單體會發生分解，形成離子型不純物。在器件中，受到像素結構、工藝技術等的限制，在像素區會出現交流驅動不對稱的地方，偏離對稱中心的那部分電壓就是DC偏置。DC偏置會吸引液晶中的離子型不純物，在這個地方形成殘留DC偏置，也就是形成一個反向電場，因此，顯示畫面部分區域中形成離子極性殘留，在切換到下一個不同的顯示畫面時，由于反向電場的作用，使得液晶分子不能正確保持設計要求的排列狀態，形成線殘像，當經過一段時間后，等到離子極性殘留散開后，才能正常顯示下一畫面。LC-3中PUQUF類單體占到29%，因此殘像水平最差。CCZPC類單體由于含有酯基，容易受到離子影響發生分解，當PUQUF與CCZPC類單體同時存在時，PUQUF類單體由于極性大容易分解產生離子型不純物，產生的離子型不純物與CCZPC類單體中的酯基發生反應進一步產生離子，使其更易受到DC偏置電壓的影響。因此，LC-2中，雖然PUQUF類單體比LC-4中少6%，但是由于存在8%的CCZPC類單體，使得LC-2的殘像比LC-4要嚴重得多。而混晶LC-1，Δε同為9．8，單體組成中中性單體較少，單體極性比較平均，殘像水平最好。

3．2V-T漂移結果對比

圖5～圖8是4款液晶的V-T漂移實驗結果。

圖5 LC-1 V-T漂移測試結果Fig．5V-T Drift of LC-1

圖6 LC-2 V-T漂移測試結果Fig．6V-T Drift of LC-2

圖7 LC-3 V-T漂移測試結果Fig．7V-T Drift of LC-3

圖8 LC-4 V-T漂移測試結果Fig．8V-T Drift of LC-4

TN液晶是常白模式，加電時液晶發生Frederiks轉變，透過率降低，當透過率變化10%時對應的電壓為V10，即閾值電壓Vth。在圖5中，液晶LC-1的初始Vth為1．64 V，當使用5 V直流電驅動30 min后，光電曲線右移0．06 V，Vth數值由1．64減小為1．58，驅動60 min后，光電曲線繼續右移0．02 V，繼續驅動，光電曲線保持不變;圖6中，液晶LC-2初始Vth為1．76 V，最終減小為1.56 V后保持不變;圖7中，液晶LC-3初始Vth為1．71 V，最終減小到1．37 V保持不變;圖8中，液晶LC-4初始Vth為2．02 V，最終減小到1.81 V保持不變。我們引入參數Y來表示Vth的變化率:

四款液晶的初始Vth與終止Vth以及變化率Y見表7。可見Y3＞Y2＞Y4＞Y1(圖9)，與殘像水平測試結果一致(圖10，因此，Vth變化率越大，殘像水平越差。當變化率Y小于5%時，液晶顯示殘像輕微，當變化率大于10%時，殘像嚴重。

表7 LC-1～LC-4的Vth變化率Tab．7Rate of change of LC-1～LC-4

圖9 Vth變化率Fig．9Change rate of Vth

圖10 殘像等級測試結果Fig．10Image-sticking level

3．3V-T漂移機理

通過構建離子模型可清晰地顯示V-T漂移的機理。在初始階段沒有外加電場，如圖11(a)，液晶分子由于配向作用呈1～2°預傾角排列，液晶顯示為常白模式，當加電測試閾值電壓Vth時，液晶分子由接近于水平狀態開始偏轉，此時Δε的初始垂直分量較小，隨著液晶旋轉Δε垂直分量逐漸增大，由于Vth=π(K/ε0Δε)1/2，Vth與Δε呈負相關，所以這時測試的Vth數值是較大的。當給液晶加5 V恒定直流電，如圖11(b)，液晶中的帶電離子受到外加電場的作用分別向兩基板移動、聚集，上基板聚集負離子，下基板聚集正離子，在液晶內部形成一個反向的內電場Vin。同時，液晶分子受到電場作用產生誘導偶極矩，上端為負極、下端為正極。隨著加電時間的增長，上下基板聚集的帶電離子越來越多，形成的內電場Vin也就增大。撤電時，如圖11(c)，由于液晶的電壓保持作用，使得離子形成的反向電場Vin繼續保持，在Vin的作用下，液晶分子的誘導偶極矩發生反轉，即上端由負極變為正極，下端由正極變為負極，使液晶分子無法回到發生Frederiks轉變之前的狀態，等效于液晶分子形成一個更大的初始預傾角，液晶在這種狀態下測試Vth，由于初始預傾角增大，液晶Δε的初始垂直分量變大，因此測試的Vth變小，V-T曲線左移。在比較液晶的品質時，液晶帶電離子越多，加電時形成的內電場Vin就越大，導致V-T曲線變化率越大，殘像水平就越嚴重。

圖11 V-T漂移離子模型Fig．11V-T Drift ion model

4 結論

通過對4款介電各向異性數值相同的液晶進行殘像水平測試，發現當液晶組分中同時含有CCZPC和PUQUF兩類單體時，線殘像最嚴重;若不含CCZPC類單體而PUQUF類單體含量較多時，也會導致線殘像，但殘像等級不及同時含有CCZPC類和PUQUF類兩類單體的液晶。為了探索一種能夠在Cell中快速判斷液晶線殘像水平的簡便方法，本文對4款液晶進行了加直流電的V-T曲線漂移實驗，并使用了Vth的變化率來表征殘像強弱，實驗結果表明:Vth變化率小于5%時，液晶線殘像輕微，Vth變化率大于10%時，液晶線殘像嚴重。Vth變化率越大，線殘像越嚴重。這種方法可以在Cell中進行，并且使測試時間明顯降低，這對提高液晶的研發效率具有指導意義。

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LC mixture composition and V-T drift related to line image sticking

LI Rui*，FENG Jing-yi，WEN Gang，QIAO Yun-xia，XU Kai，CUI Qing
(Shijiazhuang Chengzhiyonghua Display Materials Co．，Ltd，Shijiazhuang 050091，China)

Image sticking is a display defect of TFT-LCD．The problem is to judge the level of line image sticking in cell in a short time．Generally，image sticking is related to dielectric anisotropy of liquid crystal．In this paper，4 LC mixtures which have the same dielectric anisotropy are used for image sticking research．The line image sticking level of TFT-LCD using the 4 kinds of LC mixtures are evaluated．The relationship between LC mixture composition and line image sticking is analyzed．The use of－CF2O－and－COO－type of single can lead to line image sticking．In this paper，a method of measuring the strength of image sticking by testing the drift of V-T curve in DC voltage is explored．The principle of this method is analyzed．The experimental shows that when the rate of changeis less than 5%，line image sticking is slight，when larger than 10%，line image sticking is serious．This method can be carried out in Cell，and the test time was significantly reduced，which has the significance for improving the efficiency of the liquid crystal developing．

TFT-LCD;line image sticking;DC voltage;V-T drift

TN104．3;TN27

A

10．3788/YJYXS20153004．0581

李銳(1986－)，男，河北石家莊人，碩士，工程師，主要從事顯示材料方面研究。E-mail:ruirui861221@126．com

1007-2780(2015)04-0581-09

2014-10-22;

2015-01-07．

*通信聯系人，E-mail:ruirui861221@126．com