負(fù)性液晶邊緣場切換模式的亮線不良分析

李裕蓉, 楊 磊, 陳明陽

(1. 人民解放軍63936部隊(duì)，北京 100093; 2. 江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013 )

1 引 言

共面偏轉(zhuǎn)(In plane switching,IPS)顯示器因其廣視角和觸控特性成為了市場主流。邊緣場切換(Fringe Field Switching,FFS)模式作為IPS一種，具有廣視角和高透過率的特性[1]。然而伴隨著高分辨率需求而縮小像素，F(xiàn)FS模式的穿透率成了主要問題。增加透過率的方法有很多種，比如使用APF(Advanced polarizing film)增亮膜，增加開口率，使用具有DBEF(Dual brightness enhancement film)的背光，或者使用負(fù)性液晶代替正性液晶等。使用APF或DBEF會增加經(jīng)濟(jì)成本，最經(jīng)濟(jì)有效的方法就是使用負(fù)性液晶，負(fù)性液晶不僅能夠提高透過率，而且能夠提高對比度，改善色偏[2-3]。事實(shí)上，現(xiàn)在越來越多的公司正在開發(fā)負(fù)性液晶FFS模式的面板，并取得了一定的亮度提升[4-7]。但是由于響應(yīng)速度比正性液晶慢，出現(xiàn)殘像[8-10]等問題，負(fù)性液晶尚未普遍應(yīng)用于FFS模式。隨著材料的研究與創(chuàng)新，默克公司開發(fā)了快速響應(yīng)的負(fù)性液晶，使其獲得和正性液晶相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間且透過率也有很大的提升。但是負(fù)性液晶本身材料易被污染，且極性分子極易與框膠和聚酰亞胺(PI)材料作用產(chǎn)生雜質(zhì)離子，造成畫面顯示不良。

本文在38.1 cm(15 in)全高清(Full high definition，分辨率1 920×1 080，F(xiàn)HD) FFS 模式產(chǎn)品中引入負(fù)性液晶材料，低灰階或零灰階時(shí)發(fā)現(xiàn)顯示區(qū)周邊出現(xiàn)亮線現(xiàn)象。對此我們從材料、工藝、設(shè)計(jì)上對亮線不良產(chǎn)品進(jìn)行了一系列的仿真模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生亮線不良現(xiàn)象的直接原因和間接原因。直接原因在于虛擬像素(Dummy pixel，定義為不在顯示區(qū)內(nèi)的像素)的設(shè)計(jì)對蟹角(Crab)區(qū)域的直接影響，造成了蟹角區(qū)域的電場很高，在采用正正壓(公共電極電壓4.8 V，像素電極電壓為0 V和9.6 V)的驅(qū)動下，液晶在電極產(chǎn)生的高電場作用下提前轉(zhuǎn)動，在暗態(tài)時(shí)出現(xiàn)了亮線。間接原因是所用的負(fù)性液晶材料極易與周邊框膠材料作用產(chǎn)生雜質(zhì)分子。在異常電場作用下，雜質(zhì)離子聚集造成亮線。研究發(fā)現(xiàn)取消虛擬像素或者采用平衡的電壓驅(qū)動方式如正負(fù)壓(公共電極電壓0 V，像素電極電壓為-4.8 V和4.8 V)可以有效消除亮線。此外使用更加穩(wěn)定的液晶材料，也能降低亮線不良的出現(xiàn)概率。

2 亮線不良產(chǎn)生原因

在38.1 cm(15 in)FHD和12.7 cm(5 in)FHD的產(chǎn)品上導(dǎo)入2種不同特性的負(fù)性液晶，分別記為液晶A和液晶B。在液晶材料導(dǎo)入信賴性實(shí)驗(yàn)初期，38.1 cm(15 in)面板的顯示區(qū)域(AA區(qū))邊緣出現(xiàn)一條亮線，稱為亮線不良(Line Mura)，見圖1，在暗態(tài)時(shí)尤為明顯。為了找出亮線不良現(xiàn)象的原因，我們從工藝、材料、仿真和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了研究和分析。

圖1 液晶A在38.1 cm(15 in)FHD產(chǎn)品零灰階時(shí)顯微鏡下的亮線現(xiàn)象Fig.1 Line Mura of liquid crystal A under the microscope at the zero gray scale of 38.1 cm(15 in) FHD product

我們對亮線現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率進(jìn)行了整理，發(fā)現(xiàn)液晶B在任何產(chǎn)品上都無此不良，只有液晶A在38.1 cm(15 in)FHD的產(chǎn)品上出現(xiàn)不良，而在12.7 cm(5 in)FHD的產(chǎn)品上卻沒有此類不良存在。推測不同的液晶材料是亮線發(fā)生的原因之一。在保持配向膜和框膠的材料型號相同的情況下，我們調(diào)查了其他材料和工藝的差異性。工藝制程上的微小差異主要體現(xiàn)在框膠固化和曝光量上，但是當(dāng)我們調(diào)整工藝參數(shù)驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)亮線不良幾乎沒有發(fā)生變化。通過對比材料特性，我們發(fā)現(xiàn)液晶A的極性比液晶B的極性大，主要體現(xiàn)在液晶A的粘滯系數(shù)更小且介電常數(shù)更大。因此液晶材料特性是造成亮線的原因之一。

但是液晶A在12.7 cm(5 in)FHD的產(chǎn)品上卻沒有發(fā)生此類不良，說明液晶材料特性不是唯一原因。通過對比相同材料不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)差異，發(fā)現(xiàn)38.1 cm(15 in)產(chǎn)品和12.7 cm(5 in)產(chǎn)品在像素設(shè)計(jì)、驅(qū)動設(shè)計(jì)上有明顯差異，主要體現(xiàn)在：(1)38.1 cm(15 in)產(chǎn)品周邊有虛擬像素的設(shè)計(jì)，而12.7 cm(5 in)沒有。(2)38.1 cm(15 in)產(chǎn)品的電壓驅(qū)動為正正壓設(shè)計(jì)，而12.7 cm(5 in)采用的是正負(fù)壓設(shè)計(jì)。針對這兩點(diǎn)差異造成的影響，我們進(jìn)行了一系列的分析、仿真和解析實(shí)驗(yàn)。

3 仿真分析

3.1 電性仿真

針對38.1 cm(15 in)產(chǎn)品的驅(qū)動設(shè)計(jì)和虛擬像素的設(shè)計(jì)，對于同一不良面板產(chǎn)品，我們將虛擬像素區(qū)域和正常顯示區(qū)域(AA)的像素電壓進(jìn)行了電學(xué)仿真。圖2為像素電極電壓隨時(shí)間的變化曲線：綠色為正常顯示區(qū)域(AA區(qū))，紅色為虛擬像素區(qū)域。從圖中可以看出AA區(qū)的像素電極的電壓為方波信號。最低電壓為0 V，最高電壓為9.6 V。而虛擬像素其像素電極的電壓，為弧狀信號，其最高電壓只有1.6 V，這是由于虛擬像素區(qū)的像素電極與公共電極相連導(dǎo)致。

圖2 像素電極電壓隨時(shí)間的變化曲線，綠色為正常顯示區(qū)域(AA區(qū)),紅色為虛擬像素區(qū)域。Fig.2 Voltage of pixel electrode varied with time: green is the normal display area (AA area), red is dummy pixel area.

由此可以得到兩個(gè)推論：(1)虛擬像素區(qū)域和非虛擬像素區(qū)域(即正常AA區(qū))的像素電極之間存在8 V(9.6 V-1.6 V=8 V)壓差。(2)由于公共電壓固定為4.8 V，而虛擬像素的像素電壓在0～1.6 V之間，由于液晶驅(qū)動電壓為像素電壓和公共電壓的差值，那么虛擬像素區(qū)域液晶驅(qū)動電壓為3.2～4.8 V(公共電壓4.8 V)。由此可推出暗態(tài)0灰階(即當(dāng)AA區(qū)像素電壓和公共電壓相同時(shí)，AA區(qū)的液晶驅(qū)動電壓為0)時(shí)，虛擬像素區(qū)的液晶會一直受到3.2 ～4.8 V的電壓作用，因此虛擬像素應(yīng)為常亮狀態(tài)。但是由于虛擬像素區(qū)被黑色矩陣(BM)遮擋，所以肉眼無法看到，為了驗(yàn)證我們的推論，對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)仿真。

3.2 光學(xué)仿真

用Expert LCD 軟件對亮線不良產(chǎn)品進(jìn)行光學(xué)仿真。按照前面電性仿真結(jié)果，光學(xué)仿真時(shí)將虛擬像素區(qū)的像素電壓設(shè)置為1.6 V，公共電壓設(shè)置為4.8 V，AA區(qū)的液晶驅(qū)動電壓分別設(shè)置為0.2 V和2.2 V。圖3低灰階和中灰階時(shí)的光學(xué)仿真。圖3(a)為蟹角區(qū)域的俯視圖，α、β分別代表蟹角區(qū)和非蟹角的電極與水平線的夾角，其中 蟹角區(qū)域的電極夾角α比非蟹角區(qū)域電極夾角β的小。圖3(b)為AA區(qū)液晶驅(qū)動電壓0.2 V時(shí)的光學(xué)表現(xiàn)。從圖中可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：

(a)光學(xué)仿真結(jié)構(gòu)圖(a)Optical simulation structure

(b)液晶驅(qū)動電壓0.2 V時(shí)的光學(xué)表現(xiàn)(b)Optical performance with the liquid crystal drive voltage of 0.2 V

(c) 液晶驅(qū)動電壓為0.2 V時(shí)，橫截面(圖3(b)中所標(biāo))位置的透過率：紅色曲線為有虛擬像素；藍(lán)色曲線為無虛擬像素。(c) When the liquid crystal driving voltage is 0.2 V, the transmittance of cross section(as marked in Fig. 3(b))：red curve is with dummy pixel; blue curve is without dummy pixel.

(d) 液晶驅(qū)動電壓為2.2 V時(shí)，橫截面(圖3(b)中所標(biāo))位置的透過率：紅色曲線為有虛擬像素；藍(lán)色曲線為無虛擬像素。(d) When the liquid crystal driving voltage is 2.2 V, the transmittance of cross section(as marked in Fig. 3(b)): red curve is with dummy pixel; blue curve is without dummy pixel.圖3 低灰階和中灰階時(shí)的光學(xué)仿真Fig.3 Optical simulation of low gray scale and middle gray scale

(1)液晶電壓為0.2 V時(shí)，蟹角區(qū)域比其他區(qū)域的透光更明顯。這是由于蟹角區(qū)域的電極角度α較小，其水平電場分量比其他區(qū)域的大，多余的電場分量導(dǎo)致該區(qū)域的液晶分子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)透光。

(2)液晶電壓為0.2 V時(shí)，AA區(qū)是暗態(tài)模式，而虛擬像素為常亮透光模式。這是因?yàn)樘摂M像素區(qū)液晶在驅(qū)動電壓為3.2～4.8 V的持續(xù)作用下，發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)動，從而保持常亮狀態(tài)。光學(xué)仿真現(xiàn)象與前文推論相同。

圖3(c)為低灰階時(shí)(液晶驅(qū)動電壓為0.2 V時(shí))橫截面位置的透過率。其中，橫截面為圖3(b)中所標(biāo)距離虛擬像素最近蟹角區(qū)橫截面位置，也是亮線不良出現(xiàn)的位置。藍(lán)色曲線和紅色曲線分別為無虛擬像素和有虛擬像素時(shí)透過率隨水平方向X的變化圖。從圖3(c)中可以看出虛擬像素相鄰蟹角位置液晶穿透率比無虛擬像素 的AA區(qū)蟹角位置的透過率高約為1.25倍(峰值)。為了便于圖標(biāo)對比和觀察，仿真時(shí)將AA區(qū)液晶驅(qū)動電壓設(shè)置為0.2 V。若將AA區(qū)液晶驅(qū)動電壓設(shè)置為0 V時(shí)，虛擬像素相鄰蟹角位置液晶穿透率將比無虛擬像素 的AA區(qū)蟹角位置的透過率高更多，遠(yuǎn)大于1.25倍。

圖3(d)為中灰階(液晶驅(qū)動電壓為2.2 V)時(shí)橫截面位置的透過率。水平軸為X的位置，縱坐標(biāo)為穿透率。其中, 橫截面為圖3(b)中所標(biāo)距離虛擬像素最近蟹角區(qū)橫截面位置，也是亮線不良出現(xiàn)的位置。藍(lán)色曲線和紅色曲線分別為無虛擬像素和有虛擬像素時(shí)橫截面位置透過率隨水平方向X的變化圖。從圖3(d)可以看出當(dāng)液晶的驅(qū)動電壓由低灰階0.2 V增大到中灰階2.2 V時(shí)，虛擬像素區(qū)域相鄰處蟹角位置液晶透過率與正常AA區(qū)(無虛擬像素設(shè)計(jì))蟹角位置的透過率差異逐漸減小。這意味著隨著電壓的增加，這種透過率的差異減小。說明隨著液晶驅(qū)動電壓的增加，虛擬像素區(qū)的電極產(chǎn)生的電壓，對相鄰蟹角區(qū)域液晶的影響逐漸減小。

圖4為液晶驅(qū)動電壓0.2 V時(shí)，同一截面CC(非蟹角區(qū))和BB(蟹角區(qū))位置的電場強(qiáng)度Ex隨X軸的變化。正常區(qū)藍(lán)色曲線和虛擬像素區(qū)紅色曲線分別為無虛擬像素和有虛擬像素時(shí)的透過率。我們用水平電場Ex作為參考，是因?yàn)樨?fù)性液晶時(shí)，主要對液晶作用的是Ex。圖4(a)為液晶驅(qū)動電壓0.2 V時(shí)，CC(非蟹角區(qū))位置的電場強(qiáng)度Ex隨X軸的變化，可以看出當(dāng)液晶驅(qū)動電壓為0.2 V時(shí)，虛擬像素區(qū)CC處的Ex和無虛擬像素區(qū)的CC處的Ex曲線幾乎完全重合，說明非蟹角區(qū)的電場幾乎不受虛擬像素的影響。

(a)CC(非蟹角區(qū))位置的電場強(qiáng)度Ex隨X軸的變化(a) Eelectric field intensity Ex varied with the X-axis at CC (Non-crab area) position

(b) BB(crab區(qū))位置的電場強(qiáng)度Ex隨X軸的變化(b) Eelectric field intensity Ex varies with the X-axis at BB (Crab area) position圖4 液晶驅(qū)動電壓0.2 V時(shí)，同一截面CC(非蟹角區(qū))和BB(蟹角區(qū))位置電場強(qiáng)度Ex 隨X軸的變化: 紅色曲線為有虛擬像素；藍(lán)色曲線為無虛擬像素。Fig.4 When the liquid crystal driving voltage is 0.2 V, the electric field intensity Ex varied with the X-axis at the positions of CC (Non-crab region) and BB (Crab region) of the same section: red curve is with dummy pixel; blue curve is without dummy pixel.

圖4(b)為液晶驅(qū)動電壓0.2 V時(shí)，BB(蟹角區(qū))位置的電場強(qiáng)度Ex隨X軸的變化。從圖中可看出在低灰階(驅(qū)動電壓0.2 V)時(shí)，虛擬像素的附近蟹角區(qū)域的Ex波動很大，且數(shù)值比無虛擬像素的蟹角區(qū)域要大很多，在X為4 μm的位置，虛擬像素的 BB位置處的Ex是無虛擬像素下的BB截面處Ex的7倍。虛擬像素的BB截面處Ex最大達(dá)到0.017，均值在0.005 1左右。平均Ex電場強(qiáng)度比無虛擬像素的BB截面處Ex增大1.34倍。

由此可以得出虛擬像素持續(xù)驅(qū)動電壓作用下，蟹角區(qū)域的電極夾角α比其他區(qū)域的電極夾角β小，其水平電場分量比其他區(qū)域的大，多余的電場分量導(dǎo)致相鄰蟹角區(qū)域的液晶分子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了漏光，即本文的亮線現(xiàn)象。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)分析了虛擬像素對蟹角區(qū)域液晶的影響。通過在正常沒有亮線的AA區(qū)中心制造一個(gè)虛擬像素設(shè)計(jì)，從而直接觀察虛擬像素是否會導(dǎo)致亮線不良。具體方法為：將AA區(qū)的其中一排子像素的柵極電極與公共電極相連，則此排像素的電壓就與虛擬像素的電壓一樣。將此面板調(diào)成零灰階時(shí)，可以觀察到正常AA區(qū)再造的虛擬像素的位置為常亮，見圖5。且該再造虛擬像素附近蟹角區(qū)域由原來的不漏光發(fā)生了明顯漏光發(fā)亮，出現(xiàn)亮線不良。通過此實(shí)驗(yàn)，我們再現(xiàn)了亮線不良，證實(shí)了虛擬像素是造成亮線不良的最直接的原因。

圖5 零灰階時(shí)亮線不良再現(xiàn)圖Fig.5 Reappearance of line Mura at zero gray scale

總結(jié)上述的分析驗(yàn)證，我們提出以下幾個(gè)改善方案：

(1)取消虛擬像素的設(shè)計(jì)，消除類似不平衡的電場對液晶的影響，仿真和實(shí)驗(yàn)說明虛擬像素的持續(xù)電壓是蟹角區(qū)域的電場異常最直接的原因。因此取消該設(shè)計(jì)是最直接有效消除亮線不良的方法。

(2)改善蟹角的設(shè)計(jì)，保證整個(gè)AA區(qū)的液晶在均勻電場下作用。Ling等人曾研究了蟹角對面板光學(xué)的影響并建議為了增加透過率而取消蟹角設(shè)計(jì)[7]。但是他們只是針對小尺寸12.7 cm(5 in)和高分辨率的產(chǎn)品，這樣會限制負(fù)性液晶在中尺寸產(chǎn)品上的使用。且蟹角角度一定程度上可以改善Trace Mura(手指滑動面板表面時(shí)出現(xiàn)的一條沿著手指動作的灰色軌跡，正性液晶4 s左右會消失)。這也是很多產(chǎn)品保留蟹角的原因。因此在中大尺寸我們建議改善蟹角的設(shè)計(jì)，調(diào)整蟹角區(qū)電極角度來改善亮線不良。

(3)調(diào)整電壓驅(qū)動方式。出現(xiàn)亮線不良產(chǎn)品的驅(qū)動設(shè)計(jì)用的是正正壓，即公共電壓為4.8 V。如果將公共電壓改為0 V，虛擬像素的驅(qū)動電壓理論上則為0 V。虛擬像素區(qū)域不存在持續(xù)的高電壓，這樣蟹角附近的液晶就不會受到影響。之后我們將液晶A在此電壓驅(qū)動設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中使用時(shí)并沒有發(fā)生亮線不良。

(4)改善材料特性。液晶B在出現(xiàn)亮線不良的面板上導(dǎo)入時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)此類的不良現(xiàn)象。對比液晶A和液晶B,發(fā)現(xiàn)液晶B的光學(xué)特性較差，透過率提升幅度小且低響應(yīng)速度不如液晶A快，但是液晶B殘像優(yōu)于液晶A。對比發(fā)現(xiàn)液晶B的極性較低，穩(wěn)定性比A好，不易產(chǎn)生雜質(zhì)離子。因此改善液晶材料特性也是解決亮線不良的有效方法。

5 結(jié) 論

本文針對負(fù)性液晶導(dǎo)入過程中出現(xiàn)的亮線不良，進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)解析。發(fā)現(xiàn)由于虛擬像素的持續(xù)驅(qū)動電壓產(chǎn)生異常電場對附近蟹角區(qū)域的液晶作用，造成了漏光，出現(xiàn)了亮線不良。本文分析了亮線不良產(chǎn)生原因并給出了改善方案。負(fù)性液晶在中大尺寸產(chǎn)品上導(dǎo)入使用時(shí)，像素設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：首先設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)取消周邊不平衡電場，盡量采用平衡的驅(qū)動(公共電極為0 V)設(shè)計(jì)；其次，如果必須采用正正壓的驅(qū)動(公共電壓大于0)，則需取消虛擬像素的設(shè)計(jì)或者調(diào)整蟹角的區(qū)域設(shè)計(jì)；最后，極性低穩(wěn)定的液晶材料有利于改善殘像以及降低亮線不良問題的發(fā)生率。本文為以后負(fù)性液晶FFS模式的顯示屏設(shè)計(jì)提供了很好的指導(dǎo)。