正負(fù)液晶在FFS中的比較和研究

張少楠 ，郭小軍＊，崔宏青

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030；2.昆山市龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301）

1 引 言

FFS技術(shù)用于顯示有出色的廣視角和觸控［1］體驗(yàn)，由于其液晶分子隨電場(chǎng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，較VA，TN不易受指壓的影響［2］，因此廣泛應(yīng)用于Tablet和 Mobile phone。但由于FFS本身的電極架構(gòu)以及搭配使用的正性液晶的電學(xué)特性，使得電極中心的穿透率較低，且與其他位置差異較大，從而拉低了整體的穿透率［3］，無法達(dá)到TN的水準(zhǔn)。隨著個(gè)人應(yīng)用品質(zhì)的提升，對(duì)顯示器的各種規(guī)格和特性要求也相對(duì)提高。穿透率成為首要需解決的問題，為了改善這一狀況，大多選擇使用負(fù)性液晶代替原來的正性液晶。相對(duì)其他的提升穿透率的方法，如使用光配向［4－5］、優(yōu)化電極設(shè)計(jì)等，這一改變?cè)诔杀竞蛻?yīng)用上更為低廉和簡化。此外，負(fù)性液晶在色偏以及受垂直電場(chǎng)影響方面表現(xiàn)更為出色。當(dāng)然，由于負(fù)性液晶的應(yīng)用研究在很長時(shí)間內(nèi)處于停滯的狀態(tài)，其發(fā)展相對(duì)較慢，還存在很多未解決的難題，如響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性的問題。其中穩(wěn)定性導(dǎo)致的殘影問題可以通過配向膜的改進(jìn)來減輕［6］。本文通過光學(xué)模擬和試驗(yàn)樣品測(cè)試比較了這2種液晶在光學(xué)和穩(wěn)定性方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 正負(fù)液晶在FFS中的光學(xué)特性

2.1 電壓和穿透率

為了比較正負(fù)液晶的光學(xué)特性，我們使用Techwiz進(jìn)行模擬。模擬架構(gòu)采用一款12.7cm（5 in）FFS的產(chǎn)品架構(gòu)（電極寬度為3.7μm，間距為3.9μm，Cell gap為3.3μm），正性為 Merck的一款液晶（基本參數(shù)：K11＝11.5PN，K22＝5.75PN，K33＝13.8PN，Δε＝9，Δn＝0.102），負(fù)性為JNC的液晶（基本參數(shù)：K11＝18.2PN，K22＝9PN，K33＝17PN，Δε＝－5，Δn＝0.102）如圖1，（a）圖為正性液晶穿透率對(duì)應(yīng)電極位置的分布，（b）圖為負(fù)性液晶的穿透率對(duì)應(yīng)電極位置的分布。從穿透率的曲線可以明顯看出負(fù)性液晶較正性有較大的改善。（a）顯示電極中心位置A的穿透率最低，（b）圖顯示電極中心位置A的穿透率比（a）圖有明顯提升，和穿透率的峰值差異減小。這是因?yàn)橄鄬?duì)其他的電極位置，A位置使得液晶分子水平旋轉(zhuǎn)的邊緣電場(chǎng)Ey最弱［7－8］，液晶分子水平旋轉(zhuǎn)主要依靠A、B 之間的彈性力矩作用，A位置液晶分子的水平旋轉(zhuǎn)角度主要由B位置周圍的液晶分子的水平旋轉(zhuǎn)角度決定。B位置的液晶傾角θ決定了A位置液晶的水平旋轉(zhuǎn)角度，由于大的液晶傾角會(huì)引起周邊液晶垂直方向的旋轉(zhuǎn)，因此傾角越小，對(duì)水平旋轉(zhuǎn)角度的影響越小。由圖1可以看出負(fù)性液晶B位置的傾角θ遠(yuǎn)小于正性液晶，因此對(duì)水平旋轉(zhuǎn)角度的影響也遠(yuǎn)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稱之為有效折射率，由圖1可知，加電壓時(shí)由于負(fù)性液晶的θ很小，在不同的電極位置Δneff變化很小，體現(xiàn)到穿透率曲線上就更為平緩（如圖1b）。

圖1 亮態(tài)下FFS對(duì)應(yīng)電極位置的穿透率分布Fig.1 Transmittance distribution on corresponding electrode under white state

圖2是通過techwiz模擬的結(jié)果，使用正性液晶的穿透率為5.13%，使用負(fù)性液晶的穿透率為4.16%，可以得出負(fù)性液晶的穿透率比正性高23%左右，但同時(shí)負(fù)性所要求飽和電壓更高（－LC 6V，＋LC 4.4V），如式（2），這主要由于負(fù)性液晶較小的Δε和較大的K22引起的，在電極架構(gòu)和液晶盒參數(shù)一致的前提下，Δε越小，K22越大，操作電壓越高。

其中：Vth為閥值電壓，L為電極間距，d為盒厚，根號(hào)中為液晶的幾項(xiàng)基本參數(shù)。

圖2 ＋LC和－LC的V－T（穿透率對(duì)應(yīng)電壓）曲線Fig.2 V－Tcurve of positive ＆ negative LC

2.2 響應(yīng)時(shí)間和“Optical bounce”［9］

表1是2種液晶響應(yīng)時(shí)間的模擬結(jié)果，正性液晶比負(fù)性液晶的響應(yīng)時(shí)間快20ms左右，這2種液晶黏度是影響響應(yīng)時(shí)間的主要因素，負(fù)性液晶的黏度是正性的2.5倍左右，導(dǎo)致撤掉電壓時(shí)負(fù)性液晶回復(fù)所需時(shí)間更長，Tf是正性的2倍。Tr也較正性大6ms左右，但相對(duì)影響較小。

表1 正負(fù)性液晶對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間和液晶旋轉(zhuǎn)黏度Tab.1 Response time ＆rotary viscosity of positive and negative LC

圖3 －LC的響應(yīng)時(shí)間Tf段曲線Fig.3 Turn off part on time v.s.transmittance curve of－LC

圖4 ＋LC的響應(yīng)時(shí)間Tf段曲線Fig.4 Turn off part on time v.s.transmittance curve of＋LC

圖3和4中框出的區(qū)域出現(xiàn)穿透率的突變，在穿透率達(dá)到最大值時(shí)撤掉電壓，穿透率有一個(gè)1～2ms的上升的過程，隨后下降，此現(xiàn)象稱之為“Optical bounce”。是在Tf段產(chǎn)生的現(xiàn)象，Tf的計(jì)算公式：

其中：Tf和K值成反比，由圖1（a）可以看到正性液晶C位置的液晶傾角θ最大，撤掉電壓后液晶分子需要克服彎曲形變（K33）垂直回復(fù)，正性液晶的K33最大，因此垂直方向的回復(fù)最快，同時(shí)Tf的大部分時(shí)間是克服扭曲形變（K22）水平回復(fù)。根據(jù)2.1的結(jié)論：θ越小穿透率越高，由于C位置θ最先快速的減小，在這段時(shí)間穿透率會(huì)短暫的增加，當(dāng)進(jìn)入到大部分液晶分子水平回復(fù)的時(shí)間時(shí)，穿透率逐漸降低。因此“Optical bounce”主要是發(fā)生于圖1中C位置，并且持續(xù)的時(shí)間就是克服K33垂直回復(fù)的時(shí)間。由圖3可知隨著操作電壓的降低，穿透率的增加幅度會(huì)逐漸減小，此現(xiàn)象就會(huì)減輕或消失。降低操作電壓（Vop），可以減輕“Over twist”的程度。圖4顯示正性液晶Vop為3.2V雖然程度減輕，仍然存在此現(xiàn)象，負(fù)性液晶Vop為5.2V時(shí)，此現(xiàn)象得以消除。主要原因是負(fù)性液晶的θ較低，穿透率“突變”的持續(xù)時(shí)間很短，小幅度的減低電壓就可以消除“Optical bounce”。而正性液晶的θ較大，“Optical bounce”的持續(xù)時(shí)間較長，需要大幅度的減小電壓來消除此現(xiàn)象。

2.3 色偏

圖5分別是正性液晶和負(fù)性液晶不同灰階的色偏示意圖，T1～T100表示從暗態(tài)到亮態(tài)的100個(gè)灰階。從色溫來看，正性液晶從相對(duì)藍(lán)（5 830.1K）到綠（5 287.9K）然后又返回到偏藍(lán)（5 618.5K），在中間灰階（T50）發(fā)生反轉(zhuǎn)，負(fù)性液晶從相對(duì)藍(lán)（7 328K）直接到偏綠（6 159.7K）。只有正性液晶發(fā)生了色偏反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象［10］。這和正性液晶在電場(chǎng)下不同電極位置較大的的θ有關(guān)。

圖5 不同灰階時(shí)對(duì)應(yīng)u’v’值Fig.5 u’v’value in corresponding gray level

如圖6，正性液晶的旋轉(zhuǎn)角度隨灰階升高，θ在A位置隨灰階的升高幾乎沒有變化，在B和C位置逐漸升高，并且在T50時(shí)，C位置的升高幅度進(jìn)一步增加。對(duì)應(yīng)到圖7，A位置的色溫逐漸降低，沒有反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。B和C位置的色溫在T50的時(shí)候發(fā)生反轉(zhuǎn)，并表現(xiàn)到整體上。

圖6 不同電極位置的平均旋轉(zhuǎn)角度（a）以及θ（b）Fig.6 Average twist angle（a）＆tilt angle（b）at different electrode position

圖7 ＋LC－LC在不同位置的灰階對(duì)應(yīng)色溫曲線Fig.7 Grey level－color temperature curve in different electrode position

圖1中已經(jīng)顯示正性液晶A位置受Ez影響最小，傾角θ最小。綜上所述，降低傾角θ可以有效的改善色偏反轉(zhuǎn)。我們知道液晶分子延長軸方向配向，當(dāng)減小液晶分子的Δε（ε∥－ε┴）時(shí)，各項(xiàng)異性的特征減小，液晶分子的傾角相對(duì)Ez的電場(chǎng)影響也相對(duì)減小。當(dāng)平均傾角減小到3°時(shí)，色偏反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象會(huì)消除。另一方面，從圖1可以看到使用正性液晶時(shí)，位置A的傾角明顯小于位置B C，因此色偏反轉(zhuǎn)出現(xiàn)在位置B C，位置A沒有此現(xiàn)象的發(fā)生，負(fù)性液晶由于平均傾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正性，整體沒有色偏現(xiàn)象的發(fā)生（由圖5可以看出）。因此，為了改善正性液晶的色偏反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，只有使得平均傾角小于3°，一般來說可以通過增大ε┴來減小Δε實(shí)現(xiàn)，但副作用是操作電壓變高（由式（3）可知）。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果討論

3.1 Trace Mura

我們把這兩款液晶使用于5寸的實(shí)際產(chǎn)品上驗(yàn)證，做出5寸分辨率540×960的樣品。根據(jù)模擬結(jié)果正負(fù)液晶的飽和電壓分別為4.4V和6 V，為了得到最好的穿透率，我們使用此飽和電壓，但出現(xiàn)“Trace Mura”，即在亮態(tài)時(shí)用手指劃面板表面，出現(xiàn)一條沿手指動(dòng)作的灰色軌跡，并需4s左右消失。當(dāng)把操作電壓分別降到3.3V和5.2V時(shí)此現(xiàn)象減輕和消失。這種現(xiàn)象的原理類似前文提到的“Optical bounce”產(chǎn)生原理，白畫面時(shí)面板處于開狀態(tài)，使用飽和電壓或相對(duì)較大的電壓則使得接近電極邊緣位置的Ez效應(yīng)增強(qiáng)，用手指劃面板時(shí)Ez發(fā)生變化較大，而拿開手指后，液晶分子克服彎曲形變回復(fù)，需要一定的回復(fù)時(shí)間。而降低操作電壓同時(shí)可以降低Ez效應(yīng)，使得拿開手指后，液晶分子克服彎曲形變的回復(fù)時(shí)間減小。由“Optical bounce”的分析數(shù)據(jù)（圖3圖4）可知，負(fù)性液晶的Trace Mura要輕于正性液晶，因?yàn)檎砸壕Х肿釉趖urn on的狀態(tài)時(shí)傾角較大，受到Ez（垂直電場(chǎng)）影響大。表2是實(shí)際測(cè)得的正負(fù)液晶的響應(yīng)時(shí)間和穿透率，和前文的模擬結(jié)果保持一致性。

表2 實(shí)驗(yàn)所測(cè)正負(fù)液晶的響應(yīng)時(shí)間和穿透率Tab.2 Measured response time ＆transmittance of positive ＆negative LC

3.2 兩種液晶的穩(wěn)定性

畫質(zhì)重點(diǎn)看面板的殘影狀況。檢測(cè)條件為7×5棋盤格畫面持續(xù)點(diǎn)燈，判定時(shí)切換至L127（中間灰階）使用ND filter遮（目視不可見時(shí)則不使用）。結(jié)果如表3，正性液晶的殘影程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于負(fù)性液晶，持續(xù)點(diǎn)24h后在L127判定，結(jié)果ND filter 10%可遮，而負(fù)性液晶超過4h持續(xù)點(diǎn)燈后已經(jīng) ND filter 3%不可遮。

表3 正負(fù)液晶的殘影判定結(jié)果Tab.3 Image sticking of positive ＆negative LC

鑒于殘影結(jié)果的巨大差異，針對(duì)正負(fù)性液晶做了電壓保持率的比較。測(cè)試條件是給測(cè)試盒5V的交流電（頻率60Hz），在100℃的溫度中烘烤30h，每隔5h確認(rèn)電壓保持率，結(jié)果如圖8中的藍(lán)色和黑色線，正性液晶的電壓保持率的減小為0.5%，而負(fù)性液晶減小達(dá)15%。因此負(fù)性液晶更容易產(chǎn)生DC殘留從而加重殘影的程度。針對(duì)這一結(jié)果PI做了分子結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，使得對(duì)LC分子的錨定能增強(qiáng)；加入具有高穩(wěn)定性的疏水結(jié)構(gòu)的單體使得PI更不容易吸收不純物質(zhì)；使用低介電常數(shù)的二元胺，改善VHR。使用這一改善的PI搭配負(fù)性液晶進(jìn)行測(cè)試，條件相同，結(jié)果如圖8中的紅色線，VHR隨Stress條件的變化只有0.1%。就負(fù)性液晶的穩(wěn)定性來說，目前可以依靠搭配的PI得以解決。

圖8 正負(fù)液晶電壓保持率隨時(shí)間的變化Fig.8 Voltage holding ratio variation by time

4 結(jié) 論

綜上所述，由于正負(fù)液晶本身的參數(shù)上的差異以及FFS本身電極結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即電極不同位置的垂直電場(chǎng)強(qiáng)弱的差異造成負(fù)性液晶在光學(xué)穿透率、色偏、optical bounce／trace mura方面要優(yōu)于正性液晶，負(fù)性液晶的穿透率較正性有23%的提升，且?guī)缀鯖]有發(fā)生Trace Mura的問題，而正性液晶的Trace Mura需要4s左右才會(huì)消失。在操作電壓／功耗上目前正性液晶更具優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)時(shí)間較負(fù)性高出70%左右。至于負(fù)性液晶穩(wěn)定性的問題，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以通過調(diào)整搭配材料的性能來進(jìn)行彌補(bǔ)。因此正負(fù)液晶在FFS的架構(gòu)下表現(xiàn)不盡相同，目前各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，如果能夠改善負(fù)性液晶的電壓和響應(yīng)時(shí)間的問題，就能夠在更廣的領(lǐng)域替代目前的正性液晶。

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