TFT-LCD中電容對(duì)公共電壓的影響

邱鑫茂， 王巧妮， 劉娜妮， 劉 耀， 王寶強(qiáng)， 謝 鑫， 涂婷婷

(福州京東方光電科技有限公司,福建 福州350300)

1 引 言

薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示(TFT-AMLCD)技術(shù)具有龐大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)差異化需求，大尺寸、高PPI、窄邊框、高刷新率是目前高端顯示屏的特征[1-3]。高端顯示屏需求者對(duì)殘像、殘影的容忍度幾乎為零。

目前多數(shù)殘像評(píng)價(jià)是采用“黑白棋盤格點(diǎn)燈后在灰階畫面觀察判定等級(jí)”進(jìn)行的。殘像的形成與棋盤格畫面所需的驅(qū)動(dòng)電壓直接相關(guān)，棋盤格畫面產(chǎn)生的殘像一定是棋盤格形狀。

顯示屏進(jìn)入市場(chǎng)前，開發(fā)階段調(diào)試是重要環(huán)節(jié)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)[4-6]：常見的極性反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、像素預(yù)充電和面板內(nèi)公共電壓(Common Voltage，VCom)補(bǔ)償調(diào)整無(wú)法完全消除殘像。公共電壓作為像素電壓的基準(zhǔn)電壓，分布于整個(gè)面板，像素的亮暗取決于像素電壓和公共電壓的壓差。公共電壓通常采用直流驅(qū)動(dòng)的方式，公共電壓的穩(wěn)定是確保顯示畫質(zhì)的重要因素[7]。

棋盤格線殘像產(chǎn)生原因主要為：黑白格邊界處像素充電時(shí)間不足和公共電壓負(fù)向波動(dòng)，導(dǎo)致像素電壓相對(duì)于公共電壓正負(fù)幀不對(duì)稱，使液晶產(chǎn)生極化，切換到灰階畫面表現(xiàn)為殘像。

目前畫面數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)IC輸出的數(shù)據(jù)電壓(Data Voltage，VData)對(duì)公共電壓的影響本身未得到深入研究。數(shù)據(jù)電壓和公共電壓各自相連的金屬導(dǎo)線與薄膜導(dǎo)電材料氧化銦錫(In2O3∶SnO2，ITO)形成電容(CDC)。本文分析了數(shù)據(jù)電壓通過(guò)CDC耦合公共電壓產(chǎn)生畸變(Distortion)的過(guò)程、產(chǎn)生線殘像原因和提供畸變?nèi)趸椒?，為線殘像的改善提供了分析方法和理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)電壓與公共電壓間電容

2.1 電容CDC分析模型

本文分析面板在開發(fā)階段的評(píng)價(jià)過(guò)程中出現(xiàn)線殘像問(wèn)題，希望從CDC的角度進(jìn)行分析研究。在產(chǎn)品實(shí)物制作前的CDC電容值是模擬得到的，且為固定值；采用平板電容簡(jiǎn)單模型計(jì)算(C=εrε0S/r)，其電容的面積(數(shù)據(jù)電壓與公共電壓金屬導(dǎo)線交疊面積)、電容間介質(zhì)介電常數(shù)和距離為固定值。通過(guò)分析研究，面板工作狀態(tài)的CDC有效電容其實(shí)受到TFT開關(guān)、柵極電壓、公共電壓及數(shù)據(jù)電壓影響。

為更好地理解電容CDC組成，現(xiàn)對(duì)其陣列(Array)形貌描述如圖1所示。該圖為聚焦離子束(FIB)設(shè)備掃描得到表面和截面。從表面圖可以看到公共電壓電極ITO薄膜為條狀分布。從截面圖可以看到數(shù)據(jù)電壓導(dǎo)線(Data-Line)和像素電極ITO薄膜(Pixel-ITO)位于公共電極ITO 薄膜(Com-ITO)下方。Data-Line與Com-ITO形成電容(C0)，介質(zhì)為SiNx絕緣層(PVX)和有機(jī)膜(ORG)。Pixel-ITO與條狀Com-ITO形成驅(qū)動(dòng)液晶偏轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)電容(Cst)，介質(zhì)為PVX。TFT起Data-Line與Pixel-ITO之間連接開關(guān)的作用，對(duì)于此樣品，TFT上方無(wú)COM-ITO。若TFT上方存在Com-ITO，Com-ITO與TFT的漏極(Drain)及有源層(Active)將形成電容(CTFT)，介質(zhì)為PVX+ORG。Com-ITO與底層?xùn)艠O(Gate)對(duì)TFT形成“上下雙柵極結(jié)構(gòu)”，TFT工作狀態(tài)同時(shí)受到雙柵影響，同時(shí)CTFT也隨雙柵電壓變化而變化。對(duì)于非有機(jī)膜設(shè)計(jì)方案，C0和CTFT的介質(zhì)僅為SiNx絕緣層。

圖1 陣列設(shè)計(jì)及電容CDC構(gòu)成Fig.1 Diagram of array design and CDC composed

如圖2所示，為便于分析電容CDC，將其簡(jiǎn)化為等效電路模型。C0和Cst為定值。TFT溝道有源層載流子隨柵極電壓變化，TFT層與Com-ITO形成電容 (CTFT)的有效面積變化，電容值隨之改變。本樣品因?yàn)門FT上方無(wú)Com-ITO，所以CTFT始終為0。等效電路中，C0和Cst通過(guò)RTFT并聯(lián)。當(dāng)TFT的柵極電壓和數(shù)據(jù)電壓變化時(shí)，TFT電流通過(guò)能力發(fā)生變化，等同于RTFT阻值變化。TFT完全關(guān)閉時(shí)，RTFT趨近于無(wú)窮大，CDC為最小值等于C0；當(dāng)TFT完全打開時(shí)，RTFT趨近于0，CDC為最大值，等于C0+Cst。也就是說(shuō)，電容將隨著TFT電流通過(guò)能力而變化。

圖2 CDC等效電路Fig.2 Equivalent circuit of CDC

2.2 電容CDC測(cè)量

在CDC電容等效模型中將TFT當(dāng)作等效電阻。在不同柵極電壓下TFT電導(dǎo)通能力由圖3IDS-VGD曲線表示。圖中VGD(柵極和數(shù)據(jù)電壓壓差)為-5 V時(shí)，IDS為3.5×10-11A，TFT接近完全關(guān)閉，RTFT為高阻態(tài)。VGD從-5 V增加到20 V，TFT逐漸接近完全開啟狀態(tài)。通過(guò)觀察實(shí)際顯示效果VGD為15～20 V時(shí)，即可滿足像素正常充放電，可認(rèn)為RTFT接近低阻態(tài)。

圖3 TFT IDS-VGD特性曲線Fig.3 Characteristic of TFT’s IDS-VGD curve

圖4為CDC隨VDC(數(shù)據(jù)電壓與公共電壓壓差) 變化測(cè)試結(jié)果。圖中TFT切除時(shí)測(cè)試得到的電容值為最小值(55 fF)，即C0。當(dāng)柵極電壓為-5 V時(shí)，隨著VDC增大，對(duì)應(yīng)TFT工作狀態(tài)在圖3曲線中左移(即VGD減小，TFT傾向于關(guān)閉)，CDC從210 fF減小至55 fF。同樣地，當(dāng)柵極電壓為20 V，在VDC小于-10 V時(shí)，CDC可達(dá)到最大值(530 fF) ，即C0+Cst。隨著VDC增大，對(duì)應(yīng)TFT工作狀態(tài)在圖3曲線中左移，CDC減小至370 fF。

根據(jù)TFT-LCD像素掃描方式，在顯示任一時(shí)刻絕大多數(shù)TFT處于關(guān)閉狀態(tài)，因此后文CDC采用柵極電壓為-5 V對(duì)應(yīng)曲線進(jìn)行描述。

圖4 單像素CDC隨數(shù)據(jù)電壓/公共電壓壓差變化Fig.4 CDC changes with the voltage difference between data and common voltage

3 電容CDC對(duì)公共電壓畸變的影響

3.1 畸變的測(cè)量方法

棋盤格(7×5)為液晶顯示行業(yè)通用的殘像評(píng)價(jià)畫面。為分析解決顯示棋盤格帶來(lái)的殘像不良，將在棋盤格畫面測(cè)量公共電壓的畸變。面板驅(qū)動(dòng)電壓采用“列正負(fù)幀反轉(zhuǎn)”模式(其相鄰兩列數(shù)據(jù)電壓極性相反)，圖5所示為棋盤格畫面及數(shù)據(jù)電壓示意圖，在此畫面下測(cè)量公共電壓受數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換的影響程度。通常在面板遠(yuǎn)端設(shè)置公共電壓反饋金屬線，并通過(guò)FFC排線連接至PCB，作為屏內(nèi)公共電壓的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。將監(jiān)測(cè)反饋的信號(hào)與公共電壓設(shè)定值進(jìn)行比較后實(shí)時(shí)反向補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)定公共電壓的目的。

通常面板內(nèi)公共電壓補(bǔ)償點(diǎn)和反饋點(diǎn)的分布數(shù)量有限，分布于面板周邊區(qū)域；同時(shí)傳輸補(bǔ)償電壓的金屬線線寬窄(特別是窄邊寬產(chǎn)品)、電阻較大。因此面板內(nèi)公共電壓的各個(gè)區(qū)域的畸變，無(wú)法通過(guò)補(bǔ)償達(dá)到完全均一。

圖5 (a) 棋盤格畫面及數(shù)據(jù)電壓的金屬線；(b) 數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換及對(duì)應(yīng)公共電壓畸變。Fig.5 (a) Chessboard pattern and the metal line of data voltage；(b) Data voltage conversion and corresponding common voltage distortion.

如圖6所示，利用示波器抓取公共電壓變化的波形。在7×5棋盤格下，沿著數(shù)據(jù)電壓示意線(圖5)，“黑格→白格”時(shí)刻公共電壓畸變量為-0.32 V，“白格→黑格”時(shí)刻公共電壓畸變量為-0.24 V，恢復(fù)時(shí)間約為0.5 μs，部分產(chǎn)品的恢復(fù)時(shí)間達(dá)到10～30 μs。可以看出畸變量均為負(fù)值，奇偶列相反極性的數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換對(duì)公共電壓的影響無(wú)法抵消。

圖6 棋盤格轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)公共電壓畸變。(a)黑格轉(zhuǎn)白格；(b)白格轉(zhuǎn)黑格。Fig.6 Distortion ofcommon voltage for the conversion of checkerboard pattern; (a) Black to white; (b) White to black.

3.2 公共電壓畸變量與線殘像

如圖7所示，以黑格轉(zhuǎn)白格為例進(jìn)行描述，正幀時(shí)受到公共電壓向下畸變的影響，TFT的柵極電壓關(guān)閉前正幀的像素電壓和公共電壓壓差增大，存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)的正電荷(Q=CU)也增大[8]；負(fù)幀時(shí)，像素與公共電壓壓差絕對(duì)值減小，存儲(chǔ)的負(fù)電荷減小。同理，白格轉(zhuǎn)黑格時(shí)受公共電壓畸變量影響，黑格的正負(fù)幀的存儲(chǔ)電荷傾向于正電荷。因此在正負(fù)幀周期內(nèi)存在明顯的正向偏壓，并對(duì)液晶產(chǎn)生極化。線殘像程度與公共電壓畸變量及恢復(fù)時(shí)間呈正相關(guān)，數(shù)值越大、恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，殘像的線寬度越寬。對(duì)于UHD/60 Hz顯示屏來(lái)說(shuō)，1 H時(shí)間為7.6 μs，當(dāng)恢復(fù)時(shí)間為30 μs時(shí)，殘像線寬約為4行。因?yàn)榫€殘像具有局部區(qū)域性，難以通過(guò)電路調(diào)制完全改善。

圖7 正負(fù)幀像素儲(chǔ)存電荷示意圖Fig.7 Diagram of stored charge of positive and negative frame pixels

3.3 公共電壓畸變?yōu)樨?fù)值的原因

為了抵消持續(xù)正幀或者負(fù)幀造成的液晶極化，現(xiàn)有設(shè)計(jì)均采用正負(fù)幀交替驅(qū)動(dòng)液晶。同時(shí)受到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)IC限制，奇偶列數(shù)據(jù)電壓同一時(shí)間正負(fù)極性相反。然而在前面的測(cè)試分析中，正常點(diǎn)屏在棋盤格畫面測(cè)試得到公共電壓畸變量始終為負(fù)值，正負(fù)幀及奇偶列無(wú)法抵消。接下來(lái)將分別測(cè)試奇列或者偶列的正幀和負(fù)幀分別驅(qū)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換對(duì)公共電壓的耦合。

棋盤格畫面中同一行不同列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)同時(shí)有黑格和白格信號(hào)。在同一時(shí)間的數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)既有黑格轉(zhuǎn)白格，也有白格轉(zhuǎn)黑格。為了同一時(shí)間測(cè)試得到的公共電壓畸變量為較大值以減小測(cè)試誤差，如圖8所示進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)設(shè)置。一幀時(shí)間內(nèi)偶數(shù)列為黑白黑數(shù)據(jù)信號(hào)，奇數(shù)列數(shù)據(jù)電壓為黑點(diǎn)電壓，同時(shí)使同一行的數(shù)據(jù)電壓相同，形成的圖案表現(xiàn)為黑灰黑條狀(樣品面板采用“Z-反轉(zhuǎn)”像素分布結(jié)構(gòu)，中間區(qū)域在該數(shù)據(jù)電壓設(shè)置時(shí)微觀表現(xiàn)為1 dot，宏觀上為灰色)。同理，如圖9所示，進(jìn)行“黑白黑條”數(shù)據(jù)電壓及其畫面設(shè)置。

圖8 (a)黑灰黑條畫面;(b)黑灰黑條畫面的數(shù)據(jù)電壓。Fig.8 (a) Black-gray-black block pattern;(b) Data voltage for black-gray-black block pattern.

圖9 (a)黑白黑條畫面；(b)黑白黑條及其數(shù)據(jù)電壓。Fig.9 (a) Black-white-black block pattern；(b) Data voltage for black-white-black block pattern.

下面進(jìn)行上述畫面數(shù)據(jù)電壓耦合公共電壓產(chǎn)生畸變的測(cè)量及分析。表1給出黑灰黑條畫面的公共電壓畸變值、數(shù)據(jù)電壓、公共電壓及其壓差(VDC)，數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間 (TData)越短，跳變?cè)娇?。?duì)照?qǐng)D4，表1給出不同VDC下的CDC變化趨勢(shì)?；兞棵枋鋈缦拢赫龓瑫r(shí)，將黑→灰變化時(shí)公共電壓畸變量命名為a，幅值為+2.04 V；“灰→黑”畸變量命名為b，幅值為-1.96 V。類似地，負(fù)幀時(shí)“黑→灰”畸變量命名為c，幅值為-2.66 V；“灰→黑”畸變量命名d，幅值為+2.36 V。

分別與數(shù)據(jù)電壓和公共電壓相接的導(dǎo)體形成的電容CDC符合一般電容的“阻直流通交流”的特性(圖10)，利用式(1)[9]進(jìn)行畸變量數(shù)值差異的闡述。I越大，數(shù)據(jù)電壓端電流“流過(guò)”電容到達(dá)公共電壓端的數(shù)量越多，公共電壓畸變量越大。因?yàn)樵诋嬅孀兓瘯r(shí)，正幀電容CDC小于負(fù)幀，且正幀數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間大于負(fù)幀，所以負(fù)幀的畸變量大于正幀。對(duì)于正幀，雖然轉(zhuǎn)換時(shí)間“黑→灰”略大于“灰→黑” (116 ns >104 ns)，但在“黑→灰”轉(zhuǎn)換過(guò)程中，CDC趨勢(shì)大于“灰→黑” (180 fF >110 fF)，總體上畸變量a大于b。對(duì)于負(fù)幀，在“黑→灰”過(guò)程中，CDC與“灰→黑”過(guò)程相當(dāng)，因?yàn)椤盎摇凇彪妷禾兯俣?50 ns)明顯快于“黑→灰”(83 ns)，使畸變量c明顯大于d。

I=CDC×dVDC/dt.

(1)

圖10 數(shù)據(jù)電壓與公共電壓電容耦合示意圖Fig.10 Schematic diagram of capacitive coupling between data and common voltage

表1 黑灰黑條對(duì)應(yīng)公共電壓畸變量及阻抗計(jì)算參數(shù)Tab.1 Distortion of common voltage for black-grey-black block pattern and parameters of impedance calculation

續(xù) 表

對(duì)于黑白黑條來(lái)說(shuō)，公共電壓的畸變由奇數(shù)列和偶數(shù)列相反極性跳變共同影響。在黑白黑條畫面，黑→白、白→黑切換時(shí)公共電壓畸變量測(cè)試值分別為-0.59 V、+0.36 V，與通過(guò)黑灰黑條計(jì)算值-0.62 V、+0.38 V相近。這也證實(shí)了黑白黑條畫面公共電壓畸變量可由黑灰條正負(fù)幀對(duì)應(yīng)畸變量組合而成。對(duì)于棋盤格畫面來(lái)說(shuō)，公共電壓向下的耦合程度大于向上的耦合程度，所以綜合來(lái)看公共電壓畸變量為負(fù)值。

表2 黑白黑條-公共電壓畸變量

3.4 公共電壓畸變減弱

通過(guò)以上分析可以得出，減弱公共電壓畸變量可以從減小CDC和減小數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換速度兩個(gè)方面進(jìn)行。通過(guò)減小數(shù)據(jù)電壓金屬線與公共電壓金屬線交疊面積的方式可以減小C0[10]。通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)電壓驅(qū)動(dòng)IC不同轉(zhuǎn)換快慢的方式來(lái)減弱CDC帶來(lái)的影響或者通過(guò)減小存儲(chǔ)電容的方式來(lái)減弱公共電壓畸變量未見報(bào)道。通過(guò)縮小正負(fù)幀數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換快慢的差異，甚至將負(fù)幀數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換速度略慢快于正幀，用于抵消CDC負(fù)幀大于正幀對(duì)公共電壓畸變量的影響，該改善方案需結(jié)合數(shù)據(jù)電壓驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)完成。現(xiàn)有IC只能調(diào)整電壓轉(zhuǎn)換的整體快慢，無(wú)法單獨(dú)調(diào)試正幀或者負(fù)幀的電壓轉(zhuǎn)換速度。也就是說(shuō)正幀、負(fù)幀的電壓轉(zhuǎn)換速度差異在現(xiàn)有IC設(shè)計(jì)條件下仍然存在差異。如表3所示，轉(zhuǎn)換速度可調(diào)4檔(00<01<10<11)在電容相當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)換速度越慢(48 ns→55 ns)，公共電壓畸變量越小(2.67 V→2.61 V)。

表3 電壓轉(zhuǎn)換速度與公共電壓畸變量Tab.3 Slew rate level and distortion

4 結(jié) 論

對(duì)于TFT-LCD殘像畫面，數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換通過(guò)電容CDC對(duì)公共電壓產(chǎn)生影響。奇偶列相反極性數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換對(duì)公共電壓影響程度不一致，無(wú)法相互抵消，產(chǎn)生負(fù)向畸變量，使得液晶極化，從而產(chǎn)生線殘像。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出TFT-LCD 數(shù)據(jù)電壓和公共電壓之間的實(shí)際工作電容CDC模型。數(shù)據(jù)電壓金屬導(dǎo)線通過(guò)TFT與像素ITO相連，將TFT狀態(tài)作為電容變化關(guān)鍵影響因素。當(dāng)TFT斷開時(shí)呈現(xiàn)高阻態(tài)，電容交疊面積最小，對(duì)應(yīng)容值為55 fF；當(dāng)TFT完全打開時(shí)呈現(xiàn)低阻態(tài)，電容交疊面積最大，對(duì)應(yīng)容值為530 fF；當(dāng)TFT處于中間態(tài)時(shí)，測(cè)試得到的電容值為中間值。

本文結(jié)合電容阻抗式，解釋“數(shù)據(jù)電壓列正負(fù)幀反轉(zhuǎn)”模式下棋盤格畫面公共電壓畸變量產(chǎn)生來(lái)源為不同圖案數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換快慢及電容差異。電容值越大，轉(zhuǎn)換速度越快，畸變量越大。奇偶列相反極性數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的畸變量無(wú)法相互抵消，畸變量始終存在且為負(fù)值。

本文通過(guò)測(cè)量不同數(shù)據(jù)電壓轉(zhuǎn)換速度對(duì)應(yīng)的公共電壓畸變量，得出通過(guò)匹配合適的電路設(shè)計(jì)使正負(fù)幀畸變量絕對(duì)值趨于一致的可能性?？傮w上，本文對(duì)公共電壓畸變量導(dǎo)致的線殘像的分析改善和面板設(shè)計(jì)提供了新的幫助。