TFT-LCD高溫殘像的改善

張 帥，高 琛，王志成，李青永，劉俊國，孫盛林

(北京京東方專用顯示科技有限公司 技術中心，北京 100176)

1 引 言

液晶顯示屏是現在電子產品的重要組件，已經廣泛應用于各個領域。隨著技術的發展，人們對顯示屏的顯示效果要求越來越高，而且對電子產品的液晶顯示屏越來越要求長時間顯示。而長時間顯示圖像，液晶顯示屏會出現影像殘留的現象，即為殘像不良[1]。殘像在液晶屏領域一直是一項持續關注和改善的重要不良。殘像，即在屏幕上長時間顯示一個靜止的影像。液晶受到電壓驅動時間較長導致液晶分子極化，致使外端的電壓信號無法正常控制液晶分子翻轉，從而在更換畫面時留下先前靜止影像的內容。

殘像主要分為面殘像和線殘像。線殘像主要是在黑白格相交界面存在，由于屏內信號線與公共電極交疊存在耦合電容，致使交疊處公共電極發生畸變，產生不對稱電壓，導致線殘像的產生[2-3]。而面殘像是黑白畫面整面存在，由于像素中驅動電壓和公共電壓之間的正負電壓不對稱，導致殘存直流電壓，形成面殘像。產品中的不良大部分為面殘像，電路調試也主要針對面殘像改善，因此本文主要討論面殘像。

目前面殘像發生的機理主流的解釋包括兩種：一是液晶本身不純，包含一定數量的離子型雜質；二是驅動電路波形存在失真或包含一定直流偏置電壓成分。國內外各大制造廠商都對殘像不良做了不同程度的改善，一方面通過與液晶廠商溝通，更換純度更好的液晶；另一方面通過工藝上控制修改各膜層的厚度來減小漏電流[4]，減小偏置電壓。更換液晶和工藝控制，都是從制作前端來控制和改善殘像不良；而在制作出產品后，主要是通過電路調試的方式改善殘像的狀態，此為目前調試殘像的主流方法。

在進行電路調試的過程中，從工程實踐的角度，國內外各大面板廠商主要是通過外端降低Vop電壓和非對稱調試灰階的Gamma電壓來改善殘像。外端降低Vop電壓會導致透過率降低，影響產品性能指標，因此應用較少。而大部分廠商在進行非對稱調試灰階的Gamma電壓時，存在很大的盲目性。針對于此，本文提出一種量化的快速進行非對稱調試灰階Gamma電壓的方法，來改善殘像效果。

2 殘像的成因和基本原理

引起殘像的原因有很多種，目前大致可分為3類：一為各種材料特性參數的影響，包括液晶[5]、配向膜材料[6]，封膠及間隙物，玻璃陣列基板，彩色濾光膜等[7-9]；二為工藝中的參數和控制影響，包括產線潔凈度的影響，玻璃基板的清洗，各種工藝參數的管控及每道工序之間間隔時間的影響等[10-11]；三為液晶驅動電壓的影響[12]。

本文主要針對驅動電壓來改善殘像的效果，且主要為面殘像。面殘像的存在，主要原因為LCD玻璃基板內部與驅動電壓存在直流電壓成分。柵極驅動電壓從正電壓變化到負電壓時，會產生一個饋通電壓(Feed Through Voltage)，這個電壓主要是由于液晶面板上寄生電容和儲存電容造成，從而影響顯示電極的電壓[13]。當液晶分子受到源極驅動輸出的正向電壓，在柵極驅動信號下降時，像素的電壓會有一個微小的下降過程，使像素電壓有部分損耗；當受到源極輸出的負向電壓，在柵極信號下降時，像素電壓有一個反向的下降過程。由于上述的原因：在一次充放電結束后，像素在公共電極電壓Vcom的正、負方向上，就存在電壓的不對稱性。在LCD充放電時，液晶盒內不可避免地產生直流電流，當這個殘留的直流電流足夠大時，就會造成液晶分子不受信號電壓驅動控制[14]，產生影像殘留。

液晶驅動的原理如圖1所示。當柵極驅動端電壓打開液晶屏中薄膜晶體管開關時，源極驅動端給液晶屏的電容充電。到柵極驅動端關閉時，源極驅動端停止給液晶屏充電，儲存于液晶內部的電容保持一段時間的電壓來驅動液晶翻轉，從而顯示畫面。在第二個柵極驅動時序到來時，源極驅動端給液晶反向充電，讓液晶偏轉到相反的方向，目的是為了防止液晶極化。其中圖中標識為：柵極驅動的開關電壓Vg，源極驅動的充電電壓Vd，修正后實際的公共電極電壓Vcom，偏移電壓Voffset，像素的預先設定的公共電壓Vp，柵極驅動變化產生的饋通電壓Vkb。

圖1 TFT-LCD的驅動電壓波形Fig.1 Waveform of TFT-LCD drive voltage

根據液晶屏電容理論計算柵極端的饋通電壓[15]為：

(1)

其中Cgs為MOS管的柵極與漏極端的寄生電容；Clc為液晶電容；Cst為儲存電容；VGH為柵極的開電壓；VGL柵極的關電壓。

Vcom電壓的修正量要根據實際計算的饋通電壓大小來調整，結果表明電壓修正量等于饋通電壓[15]：

.

(2)

從電路上進行調整來改善殘像的狀態是目前最有效的方法：一為降低液晶的工作電壓(Operation Voltage,Vop)，二為非對稱調整液晶的正負電壓。其中降低液晶的Vop電壓是降低整體灰階的亮度來掩蓋目視看到的效果。而非對稱調整液晶的正負電壓是從電路上改變液晶的受壓驅動來改善液晶屏的影像殘留。由于正負極性的像素電壓差異，形成了不同的液晶透過率，引起畫面亮度明暗交替，從而引起閃爍。而引起正負極性像素電壓差異的根本原因是饋通電壓，因此用畫面的閃爍可以表征正負電壓的差異。針對此情況，本文提出一種根據預先測試液晶屏的閃爍(Flicker)值來判斷液晶屏的非對稱電壓調整空間，從而改善液晶屏的殘像效果。

3 實驗方法

3.1 測試產品和實驗設備

本文采用的測試產品為面內開關型(In-Plane Switching，IPS)顯示模式的264.2 mm(10.4 in)液晶屏，分辨率為1 024RGB×768。

光學測試設備為柯尼卡美能達公司的色彩分析儀CA-310，它可以測量液晶的亮度、色坐標和閃爍值等光學參數，液晶屏的光學參數可以通過測試探頭實時反饋到色彩分析儀的表盤。同時可以通過USB接口連接電腦，上位機控制色彩分析儀。

環境測試設備為廣州五所的高溫箱，型號為：ESL-10KA。在實驗箱中測試液晶屏的閃爍值和測試高溫殘像。

3.2 測試方法

在常溫和高溫狀態下，測試液晶屏的閃爍值。常溫為25 ℃條件下和高溫為70 ℃條件下，分別通過CA-310光學測試設備測試264.2 mm(10.4 in)產品的閃爍值[16]。測試時首先通過上位機軟件IML7994通過CA-310設備測試出液晶屏的最小閃爍值，記錄下此時的Vcom電壓值[17]。在軟件上顯示的Vcom電壓值為數字值，以此值為中心值，分別向上增加0.10 V電壓和向下減少0.09 V電壓，每個數字值代表0.01 V電壓，最后擬合出Vcom電壓值與閃爍值之間的關系。

選擇4塊不同的液晶屏進行常溫(25 ℃)和高溫(70 ℃)測試。點屏1 h后，分別測試液晶屏的閃爍值與Vcom電壓之間的關系。液晶屏的編號分別為M1、M2、M3、M4。圖2所示為液晶屏常溫和高溫測試的曲線關系。橫坐標為Vcom電壓值對應的寄存器值，縱坐標為閃爍值。

圖2 M1(a)、M2(b)、M3(c)、M4(d)4塊屏的常溫和高溫閃爍值對比。Fig.2 Comparison of flicker values between normal temperature and high temperature of M1(a),M2(b),M3(c),and M4(d)four LCDs.

測量結果顯示，高溫實驗后，液晶屏的閃爍值普遍偏高，其中閃爍的本質為正負極性的像素電壓絕對值不完全對稱，導致每一幀畫面的亮度有周期性的高低變化，視覺上表現為閃爍。高溫使液晶的電離子析出，改變了液晶電容的大小，如公式(2)所示，饋通電壓發生變化，致使Vcom電壓偏移，施加到液晶的正負極性電壓不對稱，使閃爍值增大。由于Vcom電壓產生偏移，使液晶分子受壓不平衡，產生殘像滯留現象。

調試中選擇它們的交匯點作為新的Vcom電壓設定值，并且根據它們相差的值作為調整時的電壓波動值進行非對稱電壓調整。如M1所示，常溫閃爍最低時的Vcom值為436，高溫閃爍最低時的Vcom值為439，因此設定新的Vcom為439，且最高灰階對應的電壓值按照常溫和高溫Vcom的差值3向下進行調整。按照此種方法，測試液晶屏，觀察殘像效果。

4 實驗結果評測及分析

根據上述的方法進行測試，首先做了量產代碼狀態下的高溫殘像試驗，然后根據提供的調整方法進行Vcom調整及Gamma電壓正負調試，最后放到高溫箱中，點棋盤格，做殘像驗證實驗。由于殘像的標準主觀性很強，因此根據目視效果判定等級。

目視評測實驗條件：在高溫70 ℃高溫箱中保存1 h，畫面顯示棋盤格圖案，離屏30 cm目視觀察32灰階畫面下殘像狀態，根據嚴重程度分為5級，等級越高殘像越重。

殘像等級如下所示：

等級3：目視滿屏都是棋盤格，黑白格很明顯，且10 min不消失；

等級2：目視滿屏都是棋盤格，黑白格比較明顯，且10 min不消失；

等級1：目視滿屏有棋盤格，黑白格不是很明顯，相對較淺，且10 min不消失；

等級0.5：目視有部分棋盤格，且棋盤格的占屏面積小于1/4，且10 min不消失；

等級0：目視不可見黑白棋盤格，或者有部分棋盤格但可在2.5 min內消失。

殘像等級的標準如表1所示。

表1 殘像等級標準參考表Tab.1 Reference table of residual image grade standard

選擇其中一塊液晶屏點棋盤格，用不同的代碼放入液晶屏中進行高溫(70 ℃)試驗對比，實驗后觀察32灰階的殘像狀態。圖3和圖4為殘像測試的結果。

圖3 無調整代碼的高溫殘像測試圖Fig.3 High temperature residual image test chart without adjustment code

圖4 有調整代碼的高溫殘像測試圖Fig.4 High temperature residual image test chart with adjustment code

圖3為無調整代碼的高溫殘像狀態圖，在32灰階畫面下顯示，圖3中的虛線區域1和4顯示黑，虛線區域2和3顯示白。整個面板都可以看到黑白相間的殘像，且較淺，殘像判定為L1等級。

圖4為非對稱調整完代碼的高溫測試圖，在32灰階畫面下顯示，圖中的虛線區域1和4顯示黑，虛線區域2和3顯示白。殘像狀態很淺，且只有部分區域可以看到黑白不同的殘像，等級判定為L0.5。

在高溫實驗箱中做4組殘像實驗驗證，改善前與改善后的結果對比如表2所示。

表2 改善前后的高溫殘像等級對比Tab.2 Comparison of high temperature residual image levels before and after improvement

原始試驗結果是殘像等級為L1，調整完正負Gamma電壓，進行高溫試驗后，殘像等級能達到L0.5狀態。

5 結 論

采用非對稱調試正負Gamma電壓的方法，可以改善液晶屏的高溫殘像狀態，而如何進行非對稱調整，是本文提出的關鍵技術點。通過預先測試液晶屏的閃爍值，來確定Vcom的電壓值，然后根據Vcom電壓值在常溫和高溫環境下的變化，確定需要調整的正負Gamma電壓值。調整完后保存Gamma電壓值，進行高溫試驗測試，測試結果顯示液晶屏的殘像等級從L1等級下降到L0.5等級。此技術方法對如何調整Gamma電壓來改善殘像有明顯的效果。