降低數(shù)據(jù)線負(fù)載的像素設(shè)計(jì)

蘇秋杰，高玉杰，繆應(yīng)蒙，王永垚，朱 寧，趙重陽，廖燕平，邵喜斌

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176 )

1 引 言

液晶顯示(LCD)技術(shù)具有輕薄化、低功耗、無輻射、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為目前主流的顯示技術(shù)，在各類顯示產(chǎn)品中均有應(yīng)用[1]，在這些電子顯示設(shè)備中，屏幕顯示系統(tǒng)消耗了大部分能量[2]。中小尺寸液晶顯示設(shè)備因其具有移動作業(yè)需要，對面板功耗要求一直比較嚴(yán)苛；大尺寸面板方面，隨著市場對高端顯示產(chǎn)品需求的攀升，各大面板廠商陸續(xù)推出1 651 mm(65 in)及以上的大尺寸液晶面板，在制程和工藝條件不變的情況下，面板數(shù)據(jù)線負(fù)載會隨著面板尺寸變大而增長；高分辨率及高刷新頻率產(chǎn)品，如TV 8K、UHD 120 Hz，已經(jīng)在各大展會亮相，是未來顯示技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 然而，大尺寸、高分辨率會引起面板信號線負(fù)載增大，信號延遲嚴(yán)重以及功耗上升，不僅影響畫面品質(zhì)而且會帶來諸如數(shù)據(jù)線IC溫度過高等不容忽視的問題。

面板廠商和科研機(jī)構(gòu)針對降低顯示設(shè)備功耗提出了很多改善方法，現(xiàn)有的低功耗設(shè)計(jì)包括PCBA最佳設(shè)計(jì)、應(yīng)用于高分辨率產(chǎn)品的低功耗FPGA設(shè)計(jì)、高效率的驅(qū)動IC、面板驅(qū)動方式、背光、新接口設(shè)計(jì)以及面板與后端系統(tǒng)的優(yōu)化搭配等[3-7]。

液晶面板內(nèi)的驅(qū)動信號線主要包括控制顯示區(qū)TFT開啟的柵極線以及提供畫面數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線，其中數(shù)據(jù)線負(fù)載是影響面板功耗的主要因素之一[5]。本文提出了一種降低面板功耗的設(shè)計(jì)， 從減小面板數(shù)據(jù)線負(fù)載入手，進(jìn)而降低面板功耗。本文設(shè)計(jì)了一種倒置U型的像素區(qū)TFT(Thin film Transistor,薄膜晶體管)，搭載23.6 HD ADS 產(chǎn)品驗(yàn)證了這種倒置U型TFT設(shè)計(jì)，基于a-Si工藝，采用4mask掩模板，與常規(guī)的U型TFT設(shè)計(jì)面板進(jìn)行對比，測試結(jié)果表明，此種設(shè)計(jì)使數(shù)據(jù)線負(fù)載電容下降24%，功耗下降10%，源IC溫度下降7.1%。不需要變更工藝制程，也無需增加掩模板數(shù)量，且不增加成本，為大尺寸、高分辨產(chǎn)品功耗降低提供了良好技術(shù)積累。

2 倒置U型TFT設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)像素TFT設(shè)計(jì)-U型

薄膜晶體管(Thin film transistor, TFT)是TFT-LCD面板的重要組成部分。較為常見的TFT平面布局如圖1(a)所示，一個(gè)TFT包含3個(gè)端子，柵極 (Gate),源極(Source)和漏極(Drain)；有源層(Active)為半導(dǎo)體材料；漏極與數(shù)據(jù)線相連；TFT漏極形狀一般為U字型，這種U型設(shè)計(jì)能夠在有限的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大TFT寬長比，本文稱之為U型TFT，TFT的截面圖如圖1 (b) 所示，最底層金屬為柵極，之后沉積柵絕緣層(SiNX或 SiO2)，然后做出有源層，源漏之間的電子在有源層中發(fā)生遷移，之后做出源極和漏極金屬層，此圖示僅代表TFT制作工藝流程。TFT具有開關(guān)特性，通過在3個(gè)端施加電壓控制源極與漏極之間的電流，從而將TFT打開與關(guān)閉[8]。

圖1 (a)U型TFT平面圖；(b)TFT截面圖。Fig.1 (a) Top view of U-type TFT; (b) Section view of U-type TFT.

2.2 負(fù)載與功耗

把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能的裝置叫做負(fù)載， 液晶面板的負(fù)載主要指驅(qū)動信號線負(fù)載以及數(shù)據(jù)信號線負(fù)載。數(shù)據(jù)信號線上負(fù)載包括電容C和電阻R兩部分。電阻R主要為數(shù)據(jù)線金屬走線的電阻，本文不做具體闡述；數(shù)據(jù)線負(fù)載電容C主要源于數(shù)據(jù)線與柵極、公共電極、像素電極間的電容，會隨數(shù)據(jù)線傳輸電平信號的切換進(jìn)行充放電，這個(gè)過程會有電流產(chǎn)生，電流流經(jīng)數(shù)據(jù)線電阻，消耗電能，功耗與數(shù)據(jù)線負(fù)載電容C呈正比，即負(fù)載電容越大，功耗越高；負(fù)載電容越小，功耗越低。

電容C主要包括金屬電極間產(chǎn)生的交疊電容Coverlay以及金屬電極間存在的邊緣電場電容Cfringe，如圖2所示。

圖2 電容C截面Fig.2 Section view ofC

平行板交疊電容Coverlay計(jì)算公式見公式(1)，(側(cè)向電容值主要依靠3D電容模擬軟件獲得)

(1)

其中：ε為介質(zhì)介電常數(shù)，S為兩個(gè)金屬電極的交疊面積，π為圓周率，k為靜電常數(shù)，d為兩個(gè)金屬電極之間介質(zhì)的厚度。傳統(tǒng)的U型TFT設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)線與柵線的交疊電容是數(shù)據(jù)線電容的重要組成部分，柵極與數(shù)據(jù)線的交疊面積S如圖3中所示，由公式(1)可知，電容C與交疊面積S大小成正比。

圖3 U型TFT數(shù)據(jù)線與柵線的交疊面積Fig.3 Overlay area between data line and gate line of U-type TFT

2.3 新型TFT設(shè)計(jì)-倒置U型

本文設(shè)計(jì)了一種倒置U型的像素TFT，平面圖如圖4(a)所示，將TFT中面積較大的 U型金屬作為源極，而面積較小的“舌頭”金屬作為漏極，與數(shù)據(jù)線相連，此種設(shè)計(jì)減小了數(shù)據(jù)線和柵極之間的交疊面積，交疊面積示意圖如圖4(b)所示，通過降低數(shù)據(jù)線負(fù)載電容來降低面板功耗。

圖4 (a) 倒置U型TFT平面圖；(b) 倒置U型柵極與漏極的交疊面積。Fig.4 (a)Top view of inverted U-type TFT; (b) Overlay area between data line and gate line of U-type TFT.

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品介紹

為驗(yàn)證倒置U型TFT設(shè)計(jì)對面板性能的實(shí)際影響，我們采用a-Si、4mask工藝流程，將倒置U型TFT設(shè)計(jì)搭載在598 mm(23.6 in)雙柵ADS產(chǎn)品上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為節(jié)約驗(yàn)證面板占用空間，實(shí)現(xiàn)資源集約化利用，在不影響驗(yàn)證效果的前提下，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的每個(gè)面板尺寸相當(dāng)于598 mm(23.6 in)的一半(下文稱之為23.6HD Half)，分辨率為1 366×384，幀頻為60 Hz，像素大小為381.75 μm×381.75 μm,像素區(qū)域TFT 寬長比W/L=42 μm/3.5 μm，采用雙柵設(shè)計(jì)，每一行像素的充電時(shí)間為10.4 μs。將常規(guī)的TFT設(shè)計(jì)與倒置U型的TFT設(shè)計(jì)分別應(yīng)用在在兩塊面板中，除像素區(qū)TFT布局方式不同之外，兩塊面板的其他設(shè)計(jì)完全相同。通過對兩種面板的負(fù)載、功耗、IC溫度、flicker等性能參數(shù)的測試，對比分析出倒置U型TFT設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。分別取采用常規(guī)TFT設(shè)計(jì)的面板與采用倒置U型TFT設(shè)計(jì)的面板，在相同的測試條件下進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測試，包括光學(xué)參數(shù)測試，數(shù)據(jù)線負(fù)載測試，源 IC溫度及功耗測試，flicker及殘像測試,以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均在常溫測試條件下得到。

圖5為搭載倒置U型面板的實(shí)物圖，圖中點(diǎn)屏畫面為綠畫面。

圖5 倒置U型面板點(diǎn)屏圖片F(xiàn)ig.5 Picture of inverted U-type TFT panel

圖6為采用常規(guī)U型TFT設(shè)計(jì)(a)與倒置U型TFT設(shè)計(jì)(b)的像素光學(xué)顯微鏡照片。

圖6 U型TFT(a)與倒置U型TFT(b)的光學(xué)顯微鏡圖片F(xiàn)ig.6 Optical microscope picture of U-type TFT(a) and inverted U-type TFT(b)

3.2 光學(xué)參數(shù)測試

選取常規(guī)U型TFT設(shè)計(jì)以及倒置U型TFT設(shè)計(jì)的面板各3片，搭載相同的背光源，采用FPMS 65(光度色度分布測量系統(tǒng))設(shè)備，對樣品的色度、亮度、對比度，可視角度等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1(表中所列為每種樣品3片的平均值)。

由表1結(jié)果對比可以看出，采用倒置U型TFT設(shè)計(jì)的面板光學(xué)參數(shù)與采用常規(guī)TFT設(shè)計(jì)的面板光學(xué)參數(shù)基本一致。

3.3 數(shù)據(jù)線負(fù)載測試

前文提到倒置U型TFT設(shè)計(jì)主要通過減小數(shù)據(jù)線與柵線之間的交疊面積來減小交疊電容。我們分別利用華大九天軟件模擬了兩種面板一整條數(shù)據(jù)線的電阻值，利用Techwiz3D軟件模擬了兩種面板一整條數(shù)據(jù)線的電容值，對比結(jié)果如表2 數(shù)據(jù)線負(fù)載模擬值所示。

表1 樣品的光學(xué)參數(shù)對比Tab.1 Optical data contrast of the samples

表2 數(shù)據(jù)線負(fù)載模擬值Tab.2 Data load simulation result

從軟件模擬的負(fù)載結(jié)果來看，兩種面板的負(fù)載電阻值一致，倒置U型TFT面板的負(fù)載電容值相較于常規(guī)TFT面板下降了27%。

一整條數(shù)據(jù)線上的負(fù)載均勻分布在每個(gè)像素中，若將整條數(shù)據(jù)線上的電阻和電容分別分為N個(gè)單元，即每個(gè)單元的電阻為Rn=R/N，Cn=C/N, 則該條信號線上的信號延遲時(shí)間為τ=N(N+1)RnCn/2[9], 信號延遲時(shí)間與RC乘積成正比，數(shù)據(jù)線上的負(fù)載RC會造成數(shù)據(jù)信號傳輸延遲，數(shù)據(jù)線在PCB遠(yuǎn)端與近端均存在信號延遲，而兩端的延遲時(shí)間差值則是由負(fù)載RC造成的。采用Tektronix示波器測試了兩種面板的數(shù)據(jù)線在PCB近端與遠(yuǎn)端的信號延遲時(shí)間，延遲時(shí)間取數(shù)據(jù)信號脈沖下降沿由90%下降到10%所需要的時(shí)間， 以此下降時(shí)間來反推負(fù)載情況。分別得到常規(guī)TFT面板與倒置U型TFT面板的PCB近端與遠(yuǎn)端延遲差值T1與T2，T1與T2的比值即為兩種面板數(shù)據(jù)線負(fù)載的比值。表3為實(shí)測數(shù)據(jù)線信號延遲時(shí)間。

表3 實(shí)測數(shù)據(jù)線信號延遲Tab.3 Data delay measurement result

由表3可知常規(guī)TFT面板負(fù)載造成的信號延遲時(shí)間為0.084 μs，而倒置U型TFT面板造成的信號延遲時(shí)間為0.064 μs，倒置U型負(fù)載造成的信號延遲時(shí)間下降了24%，可以認(rèn)為倒置型TFT面板數(shù)據(jù)線負(fù)載實(shí)際值下降了24%， 與負(fù)載模擬結(jié)果下降27%非常接近。因此，我們可以得出，應(yīng)用于23.6 HD Half產(chǎn)品上的寬長比為42/3.5的TFT，采用倒置U型方式設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)線的負(fù)載RC下降了20%以上，兩種面板的數(shù)據(jù)線電阻基本相等，因此負(fù)載的下降主要原因是負(fù)載電容減小。

3.4 源IC溫度以及功耗測試

23.6HD Half面板采用2顆1 026 channel的源 IC驅(qū)動， 在重載畫面灰階255下，兩種面板分別取2片樣品，待源 IC溫度穩(wěn)定后，使用FLTR T420熱成像儀測量源 IC溫度，同時(shí)測量重載畫面(灰階255)下整個(gè)面板的功耗(不含背光)。結(jié)果見表4 源 IC溫度和功耗測量，由表可知，倒置U型TFT面板源 IC溫度均值較常規(guī)TFT設(shè)計(jì)下降7.1%，功耗下降10%。

表4 源IC溫度和功耗測量Tab.4 Source IC temperature & power measurement

3.5 閃爍漂移測試

一般地， 液晶顯示器在正常工作時(shí)， 為防止液晶老化， 數(shù)據(jù)線提供的像素電壓極性以公共電極Vcom電壓為中心周期性變化， 當(dāng)正負(fù)極性電壓絕對值不等時(shí)， 在特定畫面下會出現(xiàn)閃爍，稱之為flicker現(xiàn)象[10]。倒置U型TFT通過將TFT源漏極互換使TFT漏極與柵極交疊電容降低，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)線負(fù)載電容降低，但是TFT柵極與源極的電容Cgs會增加，當(dāng)柵極電壓由高電平跳變到低電平時(shí)，電容的耦合作用會使像素電極電壓也發(fā)生向下的跳變, 跳變幅度為ΔVp，見公式(2),其中Cgs為柵源電容，VGH為柵極高電平，VGL為柵極低電平，Cst為公共電極與像素電極間的存儲電容，Clc為一個(gè)像素對應(yīng)的液晶電容。

(2)

由公式(2)可以看出，較大的Cgs值會導(dǎo)致柵極電壓向下跳變時(shí)，像素電極電壓向下跳變幅度ΔVp也更大，即倒置U型TFT設(shè)計(jì)相較U型TFT設(shè)計(jì)有更大的像素電壓跳變值。考慮到Cgs的這種耦合效應(yīng)， 為使面板的閃爍值最小，倒置U型TFT面板Vcom電壓相對于常規(guī)TFT設(shè)計(jì)面板應(yīng)該繼續(xù)下調(diào)，以保證正負(fù)極性相對于Vcom的電壓差相等。在閃爍畫面下，用色彩分析儀(CA310)觀察閃爍值，將Vcom電壓調(diào)節(jié)至閃爍值最小。取U型TFT面板與倒置U型TFT面板各3片， 分別調(diào)節(jié)閃爍值至最優(yōu)，對應(yīng)的Vcom電壓如圖7所示。

圖7 閃爍值最小時(shí)對應(yīng)的Vcom電壓Fig.7 Voltage ofVcomwhen flicker is lowest

本文中的23.6HD Half面板采用常規(guī)TFT設(shè)計(jì)時(shí),3片樣品Vcom電壓分別調(diào)節(jié)至7.41，7.41，7.4 V時(shí)閃爍最??；采用倒置U型TFT設(shè)計(jì)時(shí)，3片樣品Vcom電壓分別調(diào)節(jié)至6.38，6.44，6.53 V時(shí)閃爍最小，平均值較常規(guī)TFT設(shè)計(jì)的面板下調(diào)0.957 V。

在面板使用過程中，閃爍值會隨著時(shí)間漂移。本文分別測試了兩種面板在60 min內(nèi)的閃爍漂移情況。測試方法為： 0 min時(shí) , 調(diào)節(jié)Vcom電壓，使閃爍至最小，之后每隔1 min，記下閃爍漂移數(shù)據(jù)。各取3片樣品，得到如圖8所示的閃爍漂移曲線。

圖8 U型和倒置U型面板的閃爍漂移曲線Fig.8 Flicker shift curve of U-type and inverted U-type panel

60 min后，兩種面板均存在一定程度漂移，且漂移程度基本一致，漂移后的閃爍值仍滿足面板設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種AA區(qū)倒置U型TFT設(shè)計(jì)，通過將原有的U型TFT源極和漏極金屬形狀互換，實(shí)現(xiàn)了漏極與柵極交疊面積減小，相當(dāng)于數(shù)據(jù)線與柵線間的交疊電容減小，降低了數(shù)據(jù)線的負(fù)載。搭載23.6HD ADS Half產(chǎn)品對這種設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，并與U型TFT設(shè)計(jì)進(jìn)行了對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，倒置U型設(shè)計(jì)負(fù)載降低了24%，源IC溫度降低7.1%，功耗降低10%；通過Vcom調(diào)節(jié)，倒置U型的閃爍滿足Spec要求，并且60 min內(nèi)的閃爍漂移量與U型TFT面板水平相當(dāng)；倒置U型TFT面板的光學(xué)參數(shù)測試結(jié)果與U型TFT面板基本一致，在不變更工藝條件，不增加成本的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)線信號延遲時(shí)間減小，源IC溫度降低，面板功耗降低。該研究為大尺寸，低功耗，高分辨產(chǎn)品提供了設(shè)計(jì)參考及改善方向。