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(shù)中心，北京 100176)

1 引 言

液晶顯示屏是現(xiàn)在電子產(chǎn)品的重要組件，已經(jīng)廣泛應用于各個領域。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對顯示屏的顯示效果要求越來越高，而且對電子產(chǎn)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(xiàn)影像殘留的現(xiàn)象，即為殘像不良[1]。殘像在液晶屏領域一直是一項持續(xù)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(qū)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?？刂埔壕Х肿臃D(zhuǎn)，從而在更換畫面時留下先前靜止影像的內(nèi)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(nèi)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(fā)生畸變，產(chǎn)生不對稱電壓，導致線殘像的產(chǎn)生[2-3]。而面殘像是黑白畫面整面存在，由于像素中驅(qū)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(chǎn)品中的不良大部分為面殘像，電路調(diào)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(fā)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(shù)量的離子型雜質(zhì)；二是驅(qū)動電路波形存在失真或包含一定直流偏置電壓成分。國內(nèi)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(chǎn)品后，主要是通過電路調(diào)試的方式改善殘像的狀態(tài)，此為目前調(diào)試殘像的主流方法。

在進行電路調(diào)試的過程中，從工程實踐的角度，國內(nèi)外各大面板廠商主要是通過外端降低Vop電壓和非對稱調(diào)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(chǎn)品性能指標，因此應用較少。而大部分廠商在進行非對稱調(diào)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(diào)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(shù)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(shù)和控制影響，包括產(chǎn)線潔凈度的影響，玻璃基板的清洗，各種工藝參數(shù)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(qū)動電壓的影響[12]。

本文主要針對驅(qū)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(nèi)部與驅(qū)動電壓存在直流電壓成分。柵極驅(qū)動電壓從正電壓變化到負電壓時，會產(chǎn)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(qū)動輸出的正向電壓，在柵極驅(qū)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(jié)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(nèi)不可避免地產(chǎn)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(qū)動控制[14]，產(chǎn)生影像殘留。

液晶驅(qū)動的原理如圖1所示。當柵極驅(qū)動端電壓打開液晶屏中薄膜晶體管開關時，源極驅(qū)動端給液晶屏的電容充電。到柵極驅(qū)動端關閉時，源極驅(qū)動端停止給液晶屏充電，儲存于液晶內(nèi)部的電容保持一段時間的電壓來驅(qū)動液晶翻轉(zhuǎn)，從而顯示畫面。在第二個柵極驅(qū)動時序到來時，源極驅(qū)動端給液晶反向充電，讓液晶偏轉(zhuǎn)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(qū)動的開關電壓Vg，源極驅(qū)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(qū)動變化產(chǎn)生的饋通電壓Vkb。

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

根據(jù)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(jù)實際計算的饋通電壓大小來調(diào)整，結(jié)果表明電壓修正量等于饋通電壓[15]：

.

(2)

從電路上進行調(diào)整來改善殘像的狀態(tài)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(diào)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(diào)整液晶的正負電壓是從電路上改變液晶的受壓驅(qū)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(jù)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(diào)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(chǎn)品和實驗設備

本文采用的測試產(chǎn)品為面內(nèi)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(shù)，液晶屏的光學參數(shù)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(huán)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(tài)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(chǎn)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(shù)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(shù)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(jié)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(zhì)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(xiàn)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(fā)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(chǎn)生偏移，使液晶分子受壓不平衡，產(chǎn)生殘像滯留現(xiàn)象。

調(diào)試中選擇它們的交匯點作為新的Vcom電壓設定值，并且根據(jù)它們相差的值作為調(diào)整時的電壓波動值進行非對稱電壓調(diào)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(diào)整。按照此種方法，測試液晶屏，觀察殘像效果。

4 實驗結(jié)果評測及分析

根據(jù)上述的方法進行測試，首先做了量產(chǎn)代碼狀態(tài)下的高溫殘像試驗，然后根據(jù)提供的調(diào)整方法進行Vcom調(diào)整及Gamma電壓正負調(diào)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(jù)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(tài)，根據(jù)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(nèi)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(tài)。圖3和圖4為殘像測試的結(jié)果。

圖3 無調(diào)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(diào)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(diào)整代碼的高溫殘像狀態(tài)圖，在32灰階畫面下顯示，圖3中的虛線區(qū)域1和4顯示黑，虛線區(qū)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(diào)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(qū)域1和4顯示黑，虛線區(qū)域2和3顯示白。殘像狀態(tài)很淺，且只有部分區(qū)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(jié)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(jié)果是殘像等級為L1，調(diào)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(tài)。

5 結(jié) 論

采用非對稱調(diào)試正負Gamma電壓的方法，可以改善液晶屏的高溫殘像狀態(tài)，而如何進行非對稱調(diào)整，是本文提出的關鍵技術(shù)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(jù)Vcom電壓值在常溫和高溫環(huán)境下的變化，確定需要調(diào)整的正負Gamma電壓值。調(diào)整完后保存Gamma電壓值，進行高溫試驗測試，測試結(jié)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(shù)方法對如何調(diào)整Gamma電壓來改善殘像有明顯的效果。