張 帥，高 琛，王志成，李青永，劉俊國(guó)，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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)顯示屏的顯示效果要求越來(lái)越高，而且對(duì)電子產(chǎn)品的液晶顯示屏越來(lái)越要求長(zhǎng)時(shí)間顯示。而長(zhǎng)時(shí)間顯示圖像，液晶顯示屏?xí)霈F(xiàn)影像殘留的現(xiàn)象，即為殘像不良[1]。殘像在液晶屏領(lǐng)域一直是一項(xiàng)持續(xù)關(guān)注和改善的重要不良。殘像，即在屏幕上長(zhǎng)時(shí)間顯示一個(gè)靜止的影像。液晶受到電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致液晶分子極化，致使外端的電壓信號(hào)無(wú)法正常控制液晶分子翻轉(zhuǎn)，從而在更換畫面時(shí)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(hào)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(duì)稱電壓，導(dǎo)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(dòng)電壓和公共電壓之間的正負(fù)電壓不對(duì)稱，導(dǎo)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(duì)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(jī)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(dòng)電路波形存在失真或包含一定直流偏置電壓成分。國(guó)內(nèi)外各大制造廠商都對(duì)殘像不良做了不同程度的改善，一方面通過(guò)與液晶廠商溝通，更換純度更好的液晶；另一方面通過(guò)工藝上控制修改各膜層的厚度來(lái)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(lái)控制和改善殘像不良；而在制作出產(chǎn)品后，主要是通過(guò)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(jìn)行電路調(diào)試的過(guò)程中，從工程實(shí)踐的角度，國(guó)內(nèi)外各大面板廠商主要是通過(guò)外端降低Vop電壓和非對(duì)稱調(diào)試灰階的Gamma電壓來(lái)改善殘像。外端降低Vop電壓會(huì)導(dǎo)致透過(guò)率降低，影響產(chǎn)品性能指標(biāo)，因此應(yīng)用較少。而大部分廠商在進(jìn)行非對(duì)稱調(diào)試灰階的Gamma電壓時(shí)，存在很大的盲目性。針對(duì)于此，本文提出一種量化的快速進(jìn)行非對(duì)稱調(diào)試灰階Gamma電壓的方法，來(lái)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(shí)間的影響等[10-11]；三為液晶驅(qū)動(dòng)電壓的影響[12]。

本文主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)改善殘像的效果，且主要為面殘像。面殘像的存在，主要原因?yàn)長(zhǎng)CD玻璃基板內(nèi)部與驅(qū)動(dòng)電壓存在直流電壓成分。柵極驅(qū)動(dòng)電壓從正電壓變化到負(fù)電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)饋通電壓(Feed Through Voltage)，這個(gè)電壓主要是由于液晶面板上寄生電容和儲(chǔ)存電容造成，從而影響顯示電極的電壓[13]。當(dāng)液晶分子受到源極驅(qū)動(dòng)輸出的正向電壓，在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降時(shí)，像素的電壓會(huì)有一個(gè)微小的下降過(guò)程，使像素電壓有部分損耗；當(dāng)受到源極輸出的負(fù)向電壓，在柵極信號(hào)下降時(shí)，像素電壓有一個(gè)反向的下降過(guò)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(fù)方向上，就存在電壓的不對(duì)稱性。在LCD充放電時(shí)，液晶盒內(nèi)不可避免地產(chǎn)生直流電流，當(dāng)這個(gè)殘留的直流電流足夠大時(shí)，就會(huì)造成液晶分子不受信號(hào)電壓驅(qū)動(dòng)控制[14]，產(chǎn)生影像殘留。

液晶驅(qū)動(dòng)的原理如圖1所示。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)端電壓打開液晶屏中薄膜晶體管開關(guān)時(shí)，源極驅(qū)動(dòng)端給液晶屏的電容充電。到柵極驅(qū)動(dòng)端關(guān)閉時(shí)，源極驅(qū)動(dòng)端停止給液晶屏充電，儲(chǔ)存于液晶內(nèi)部的電容保持一段時(shí)間的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶翻轉(zhuǎn)，從而顯示畫面。在第二個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序到來(lái)時(shí)，源極驅(qū)動(dòng)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(biāo)識(shí)為：柵極驅(qū)動(dòng)的開關(guān)電壓Vg，源極驅(qū)動(dòng)的充電電壓Vd，修正后實(shí)際的公共電極電壓Vcom，偏移電壓Voffset，像素的預(yù)先設(shè)定的公共電壓Vp，柵極驅(qū)動(dòng)變化產(chǎn)生的饋通電壓Vkb。

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

根據(jù)液晶屏電容理論計(jì)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(chǔ)存電容；VGH為柵極的開電壓；VGL柵極的關(guān)電壓。

Vcom電壓的修正量要根據(jù)實(shí)際計(jì)算的饋通電壓大小來(lái)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(jìn)行調(diào)整來(lái)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(duì)稱調(diào)整液晶的正負(fù)電壓。其中降低液晶的Vop電壓是降低整體灰階的亮度來(lái)掩蓋目視看到的效果。而非對(duì)稱調(diào)整液晶的正負(fù)電壓是從電路上改變液晶的受壓驅(qū)動(dòng)來(lái)改善液晶屏的影像殘留。由于正負(fù)極性的像素電壓差異，形成了不同的液晶透過(guò)率，引起畫面亮度明暗交替，從而引起閃爍。而引起正負(fù)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(fù)電壓的差異。針對(duì)此情況，本文提出一種根據(jù)預(yù)先測(cè)試液晶屏的閃爍(Flicker)值來(lái)判斷液晶屏的非對(duì)稱電壓調(diào)整空間，從而改善液晶屏的殘像效果。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 測(cè)試產(chǎn)品和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文采用的測(cè)試產(chǎn)品為面內(nèi)開關(guān)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(xué)測(cè)試設(shè)備為柯尼卡美能達(dá)公司的色彩分析儀CA-310，它可以測(cè)量液晶的亮度、色坐標(biāo)和閃爍值等光學(xué)參數(shù)，液晶屏的光學(xué)參數(shù)可以通過(guò)測(cè)試探頭實(shí)時(shí)反饋到色彩分析儀的表盤。同時(shí)可以通過(guò)USB接口連接電腦，上位機(jī)控制色彩分析儀。

環(huán)境測(cè)試設(shè)備為廣州五所的高溫箱，型號(hào)為：ESL-10KA。在實(shí)驗(yàn)箱中測(cè)試液晶屏的閃爍值和測(cè)試高溫殘像。

3.2 測(cè)試方法

在常溫和高溫狀態(tài)下，測(cè)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(guò)CA-310光學(xué)測(cè)試設(shè)備測(cè)試264.2 mm(10.4 in)產(chǎn)品的閃爍值[16]。測(cè)試時(shí)首先通過(guò)上位機(jī)軟件IML7994通過(guò)CA-310設(shè)備測(cè)試出液晶屏的最小閃爍值，記錄下此時(shí)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(gè)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(guān)系。

選擇4塊不同的液晶屏進(jìn)行常溫(25 ℃)和高溫(70 ℃)測(cè)試。點(diǎn)屏1 h后，分別測(cè)試液晶屏的閃爍值與Vcom電壓之間的關(guān)系。液晶屏的編號(hào)分別為M1、M2、M3、M4。圖2所示為液晶屏常溫和高溫測(cè)試的曲線關(guān)系。橫坐標(biāo)為Vcom電壓值對(duì)應(yīng)的寄存器值，縱坐標(biāo)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(duì)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(cè)量結(jié)果顯示，高溫實(shí)驗(yàn)后，液晶屏的閃爍值普遍偏高，其中閃爍的本質(zhì)為正負(fù)極性的像素電壓絕對(duì)值不完全對(duì)稱，導(dǎo)致每一幀畫面的亮度有周期性的高低變化，視覺(jué)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(fù)極性電壓不對(duì)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(diǎn)作為新的Vcom電壓設(shè)定值，并且根據(jù)它們相差的值作為調(diào)整時(shí)的電壓波動(dòng)值進(jìn)行非對(duì)稱電壓調(diào)整。如M1所示，常溫閃爍最低時(shí)的Vcom值為436，高溫閃爍最低時(shí)的Vcom值為439，因此設(shè)定新的Vcom為439，且最高灰階對(duì)應(yīng)的電壓值按照常溫和高溫Vcom的差值3向下進(jìn)行調(diào)整。按照此種方法，測(cè)試液晶屏，觀察殘像效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)測(cè)及分析

根據(jù)上述的方法進(jìn)行測(cè)試，首先做了量產(chǎn)代碼狀態(tài)下的高溫殘像試驗(yàn)，然后根據(jù)提供的調(diào)整方法進(jìn)行Vcom調(diào)整及Gamma電壓正負(fù)調(diào)試，最后放到高溫箱中，點(diǎn)棋盤格，做殘像驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于殘像的標(biāo)準(zhǔn)主觀性很強(qiáng)，因此根據(jù)目視效果判定等級(jí)。

目視評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(yán)重程度分為5級(jí)，等級(jí)越高殘像越重。

殘像等級(jí)如下所示：

等級(jí)3：目視滿屏都是棋盤格，黑白格很明顯，且10 min不消失；

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

等級(jí)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(jí)0：目視不可見(jiàn)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(jí)的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 殘像等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考表Tab.1 Reference table of residual image grade standard

選擇其中一塊液晶屏點(diǎn)棋盤格，用不同的代碼放入液晶屏中進(jìn)行高溫(70 ℃)試驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)后觀察32灰階的殘像狀態(tài)。圖3和圖4為殘像測(cè)試的結(jié)果。

圖3 無(wú)調(diào)整代碼的高溫殘像測(cè)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(cè)試圖Fig.4 High temperature residual image test chart with adjustment code

圖3為無(wú)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(gè)面板都可以看到黑白相間的殘像，且較淺，殘像判定為L(zhǎng)1等級(jí)。

圖4為非對(duì)稱調(diào)整完代碼的高溫測(cè)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(jí)判定為L(zhǎng)0.5。

在高溫實(shí)驗(yàn)箱中做4組殘像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改善前與改善后的結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 改善前后的高溫殘像等級(jí)對(duì)比Tab.2 Comparison of high temperature residual image levels before and after improvement

原始試驗(yàn)結(jié)果是殘像等級(jí)為L(zhǎng)1，調(diào)整完正負(fù)Gamma電壓，進(jìn)行高溫試驗(yàn)后，殘像等級(jí)能達(dá)到L0.5狀態(tài)。

5 結(jié) 論

采用非對(duì)稱調(diào)試正負(fù)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(jìn)行非對(duì)稱調(diào)整，是本文提出的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。通過(guò)預(yù)先測(cè)試液晶屏的閃爍值，來(lái)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(fù)Gamma電壓值。調(diào)整完后保存Gamma電壓值，進(jìn)行高溫試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示液晶屏的殘像等級(jí)從L1等級(jí)下降到L0.5等級(jí)。此技術(shù)方法對(duì)如何調(diào)整Gamma電壓來(lái)改善殘像有明顯的效果。