TFT-LCD的驱动原理及利用驱动改善画质_图文

上海交通大学 硕士学位论文 TFT-LCD的驱动原理及利用驱动改善画质 姓名:顾筠筠 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:李荣玉;张徐 20081101

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摘要

TFT-LCD 的驱动原理及利用驱动改善画质

摘 要
知识经济时代的到来代表着人类逐步进入信息化社会。数字技术、 多媒体技术的迅速发展以及家庭与个人电子信息系统逐步的推广,人们 对信息显示的需求越来越迫切、广泛,其要求也越来越高。其中,平板 显示(FPD)技术自 20 世纪 90 年代开始迅速发展并逐步走向成熟。由于 平板显示其具有清晰度高、图像色彩好、省电、轻薄、便于携带等优点, 已被广泛应用于上述信息显示产品中,具有广阔的市场前景。在 FPD 市 场中,薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)凭着其低压、低功耗、显示 信息量大、易于彩色化、寿命长、无辐射等优异特性占据整个平板显示 技术的主导地位,据预计,TFT-LCD 产品将是未来平板显示的主流产品 和全球重要的支柱性产业之一。 中国 FPD 产业经过 20 多年的发展已经形 成坚实的基础,具备了一定的产业规模。 随着产业的发展,最终大家在产能和工艺方面都可以做得很好,因 此最后决胜因素在于技术研发,其中显示画质将是关键。TFT-LCD 是人 们凭视觉来评价的产品, 因为人眼对明暗度、 分辨率极其敏锐。 TFT-LCD 产业目前以及今后的重点其实是要具有能设计和制造出色彩及影像品质 更好的技术,这对日后以电视为主要应用市场的 TFT-LCD 产业显得格外 重要。换句话说,提高显示画质将成为液晶显示发展过程中重要的研究 课题之一。因为由于液晶材料本身的限制,面板的显示画质无法做到完 美,所以人们在改善面板结构和液晶材料的同时,也通过其他的手段,



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摘要

如通过外部光学材料、驱动系统等方面的改善以到达提高显示画质的目 的。本课题的目标是在对 TFT-LCD 驱动原理深入研究的基础上,对在工 程中出现的由液晶自身缺点导致的响应速度慢、影像残留等问题进行对 策和改善,以达到提高产品画质的目的。 TFT-LCD 一定要有配套的驱动系统才可以显示。本课题将研究 TFT-LCD 的驱动原理,深入研究 TFT-LCD 的工作电源、阶调电压、信 号传输、时钟控制等构成驱动系统的各个模块。由于液晶自身的缺点, 在画质方面存在很多不尽如人意的缺点,如响应速度慢、影像残留等问 题。通过深入研究 TFT-LCD 的驱动原理,并通过利用驱动改善实际工程 中出现的上述问题。 提高响应速度,需要从下面四个方面进行努力:①减小液晶材料的 粘滞系数;②减小液晶单元盒厚度;③增大液晶材料的介电系数;④增 大液晶单元盒驱动电压。由于液晶材料的自身特性限制,响应时间的整 体提升通过增大液晶单元盒驱动电压的方法来实现相对容易。基于该原 理,采用 Over Driving 技术来提高响应速度。通过实验的方法,验证采用 Over Driving 技术的效果。 影像残留产生的原因是液晶中混有杂质离子,来源于:①液晶材料、 ②配向膜材料、③封框胶及垫料、④电极。在制造的过程中,不可避免 的会产生上述离子。通过调整阶调电压来减弱影像残留的严重程度。也 通过实验的方法验证采用该方法的效果。

关键词:TFT-LCD 的驱动原理,响应速度,过驱动技术,影像残留,阶调 电压调整



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ABSTRACT

DISSERTATION TEMPLATE FOR MASTER DEGREE OF ENGINEERING IN SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY

ABSTRACT
Knowledge economic time’s coming means that the people are walking into the information society. Due to The development of digital technology and multi-media technology and the popularization of information system for family use and personal use, people’ demands of information system are more and more urgent, and the requests of characteristic are stricter. FPD technology has rapidly developed since the nineties of the twentieth century, and it becomes more and more mature. Because FPD has a lot of merits such as high articulation, excellent color, low power consumption, portable type and so on, it is widely used in above area. It has a very vast prospect. Among the FPD market, Thin Film Transistor Liquid Crystal Display (TFT-LCD) occupies the important position of the whole FPD market because of its low voltage, low power consumption, big information capacity, easy to colorize, long life time, non-radiation and so on. It is estimated that the TFT-LCD will become the mainstream product and one of the mainstay of the economy product of the global economic. FPD industry in China has developed since twenty years ago, and has been provided with industry scale. With the development of FPD industry, all of the makers can do very well in output and process on the same level, so the last winner factor is the research and design of the product, display quality will be the key factor. TFT-LCD is valued by the people’s eyes because people can distinguish light and shade, resolution ratio, contrast. The key point of TFT-LCD industry recently and from now on is the technology to design and manufacture high colorful and high display quality, it is also very important for TV-use TFT-LCD industry before long. In other words, improving display quality will



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ABSTRACT

become the one of the important research in the course of TFT-LCD’s development. Because of the limit of liquid crystal material itself, the display quality of TFT-LCD panel can not be perfect. People are making efforts to improve the structure of panel and the liquid crystal material, at the same time people are also using other means such as improving optical material and driver system to achieve the target of improving display quality. This paper’s target is to research the driving principle of TFT-LCD, and to improve the TFT-LCD’s slow response time and image sticking caused by liquid crystal material itself in order to improve display quality. TFT-LCD can not display without driving system. This paper presents the research of TFT-LCD’s driving principle, and deeply research of TFT-LCD’s each part such as power circuit, gamma circuit, data processing, timing control circuit. TFT-LCD has some dissatisfactory such as long response time, image sticking and so on. By the deeply research of TFT-LCD’s driving principle we can improve the above dissatisfactory by driving circuit’s improvement. If we want to improve response time, we will do our efforts in four aspects. ①Decrease the viscosity coefficient of the liquid crystal;②Reduce the thickness of the liquid crystal cell;③Increase the drive voltage applied to the liquid crystal cell;④Increase the dielectric coefficient of liquid crystal. Because of the characteristic of liquid crystal itself, we could not decrease the viscosity coefficient of liquid crystal, reduce the thickness of cell and increase the dielectric coefficient of liquid crystal material without limit. Under the circumstance improving response time of liquid crystal by increasing drive voltage become simpler relatively. Base on this principle the Over Driving Technology had been invented, and it efficiently improves the response time of TFT-LCD. By the mean of experiment, I will test and verify the effect of the Over Driving Technology. Image sticking happens because of the impurity irons in liquid crystal. The impurity irons come from ①liquid crystal material, ②PI material, ③ seal and spacer, ④electrodes. In the process of manufactory, it can not avoid



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ABSTRACT

the happen of above irons. Image sticking can be improved on some degree by adjusting the gamma voltage. I will also test and verify the effect of this method.

Keywords: driving principle, response time, Over Driving Technology, image sticking, gamma adjust



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上海交通大学 学位论文原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体, 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名:

日期:2008 年 11 月 17 日

上海交通大学 学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借 阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□,在 本学位论文属于 不保密□。 √ (请在以上方框内打“√” )

年解密后适用本授权书。

学位论文作者签名:

指导教师签名:

日期:2008 年 11 月 17 日

日期:2008 年 11 月 17 日

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第一章 TFT-LCD 的显示原理

第一章 TFT-LCD 的显示原理

1.1 液晶显示器的优异特性
平板显示(FPD)技术自 20 世纪 90 年代开始迅速发展,并逐步走向成熟。由于 其具有清晰度高、图像色彩好、环保、节能、轻薄、便于携带等优点,已被广泛应用 于家用电器、电脑和通信产品,具有广阔的市场前景。 综合比较各类显示器件,液晶显示器确实具有很多优异特性。 (1)低压、微功耗。极低的工作电压,只要 3V~5V 就能工作,工作电流仅毫安 级,这是其他任何显示器件无法比拟的。只有低压、微功耗的显示器件才可能作为新 时代人们选择的理想对象。在工作电压和功耗上液晶显示正好和大规模集成电路 (LSI)的发展相适应。从而使液晶与大规模集成电路结成了友好合作、共同发展的 紧密关系。 (2)平板型结构。液晶显示器件的基本结构是由两片玻璃基板制成的薄型盒。这 种结构最利于用作显示窗口,而且它可以在有限的面积上容纳最大量的显示内容,显 示内容的利用率高。此外,这种结构可以做成各种尺寸范围的产品。可以做得很小, 如手机、照相机上所用的显示屏。也可以做的很大,如大屏幕液晶电视及大型液晶广 告牌等。 (3)显示信息量大。与 CRT 相比,液晶显示器件没有荫罩限制,因此像素点可以 做得更小、更精细;与等离子显示相比,液晶显示器件不需要像等离子那样,像素点 间要留有一定的隔离区。因此,液晶显示在同样大小的显示窗面积内,可以容纳更多 的像素,显示更多的信息。这对于高清晰度电视,笔记本电脑都是必需的一个要求。 (4)易于彩色化。液晶本身一般是没有颜色的,但它实现彩色化确很容易。一般 使用较多的是滤色法。由于滤色技术的成熟,使液晶的彩色化更精确、更容易。 (5)长寿命。液晶材料是有机高分子合成材料,具有极高的纯度,而且其他材料 也都是高纯物质,在极净化的条件下制造而成。液晶的驱动电压又很低,驱动电流更 是微乎其微,因此,这种器件几乎没有劣化,寿命很长。 (6)无辐射、无污染。液晶显示器件在使用时不会产生像 CRT 使用中产生的 X 射线及电磁波辐射[1]。



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

1.2 液晶材料的光学特性
液晶之所以作为显示材料使用, 是因为液晶分子可以使入射光的偏振光状态和偏 振光方向发生改变。 光是一种电磁波。人眼可见的光的波长范围大致在 380 纳米至 780 纳米之间。 通常光是沿直线方式传播的,光波的振动方向垂直于光的传播方向。对自然光(如太 阳光)来说在垂直光传播方向的各平面内,光波的振动方向随机均匀分布的。某个方 向上振荡的光可分成二个垂直方向上的分量。 自然界的光既然由各个振荡方向的光所 组成,那么可以将二个垂直方向上的分量叠加,从而得到最简单的方式来表示振荡。 在理想介质中,平面波的基本特性是横波性和偏振性。平面光波的电场矢量和磁 场矢量都垂直于波矢方向(波阵间法线方向),因此平面光波是横电磁波。平面光波 的光矢量在与光传播方向垂直的平面内可以有各种不同的振动方式, 从而导致不同的 光波特性,这种光振动方向相对于光传播方向不对称的性质称为光波的偏振特性。由 于液晶分子的结构为非均向性,其折射系数也分成垂直( n⊥ )与平行( n// )两个向 量,所以光线在液晶中行进的速度和感受到的折射率与光线行进方向和偏振方向有 关,即互相正交的两线偏振光在液晶中行进时,分别有不同的速度,感受到的折射率 也不尽相同,这种现象称为双折射。两折射率之差 ?n = n// ? n⊥ 称为光学各向异性或 双折射。因为液晶具有双折射,所以两垂直分量在液晶中传播时相位会渐渐偏离开, 这就产生了相位延迟,可用 δ r 表示,且:

δ

r

=

( ? )d λ n n
// ⊥ 0



相位延迟 δ r 随着波长λ的减小而增加,和样品厚度 d 成正比。因此液晶样品厚度是 很重要的参数。如果选择厚度 d 使得 δ r =- π /2,就会得到四分之一波片。如果选 择液晶样品厚度 d 使得 δ r =- π ,就会得到二分之一波片,出射光的两分量相位差 成 180 度,它们的合成仍为线偏振光,但偏振方向将垂直于入射光的偏振方向。



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

螺旋状液晶具有很强的旋光性。对着光的传播方向看,有些介质能使振动面按顺 时针方向转动,这种介质称为右旋介质;有些介质能使振动面按逆时针方向转动,这 种介质称为左旋介质。试验证明,对旋光晶体来说,振动面旋转的角度Δθ与晶体的 厚度 d 成正比,即Δθ=αd。对旋光液体来说,振动面的旋转角度Δθ与溶液的浓 度 C、厚度 d 成正比,即Δθ=αCd。式中α是比例系数,称为旋光率,也称旋光本 领。对于某一介质来说,它与光波波长、溶液的温度等有关。当线偏振光经过胆甾相 液晶时,它的振动方向逐渐地扭转了一个角度,即偏振光的振动平面,在胆甾相液晶 地螺旋结构内逐渐被旋转,所以在光线穿过胆甾相液晶后,光线的振动平面已与入射 光振动平面不同,这种性质叫做胆甾相液晶的旋光性[2]。

1.3 液晶光阀的定义

1.3.1 偏光板的结构和作用

普通线性偏光板把入射光分解成两个相互正交的线性偏振光, 其中一个方向的偏 振光透过偏光板,另一个方向的偏振光被偏光板吸收或散射。偏光板是利用二色性、 双折射、反射、散射等光学现象做成的,现在所用的大部分偏光板是利用了在可见光 区的吸收二色性。液晶显示用偏光板是由 PVA 滤光片吸附二色性碘化合物或直接染 料、经过拉伸使二色性物质定向排列而成,偏光板两侧层压上纤维素薄层使偏光板具 有耐久性及机械强度。实际使用的偏光板还加上了防眩光层、加硬层及反射层等,制 成用途广泛的各种尺寸及轴角度的产品。图 1-1 是 CF 侧和 TFT 侧使用偏光板的结构 图。

图 1-1 CF 侧和 TFT 侧偏光板的结构图 Fig.1-1 Structure of CF color-filter and TFT color-filter



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

TFT 侧和 CF 侧的偏光板一般由 Protective film、 TAC film、 polarizer、 WV-EA TAC film、adhesive、release film 构成。 偏光板视角规格的发展可见图 1-2:

图 1-2 使用不同 WV 膜补偿的 TN 型 LCD 的等对比轮廓线 Fig.1-2 Iso-contrast contours of TN panels compensated with several WV films

从偏光板的发展历史来看,刚开始时并没有使用到 WV(Wide View)膜,从对比 度轮廓线来看,可见的对比度大于 10 的可见范围很小,并且上下视角不对称。使用 第一代的 WV-A 膜后,对比度大于 10 的可见范围有显著改善,且视角比较对称。第二 代 WV-SA 膜使对比度大于 10 的可见范围更加扩大了。第三代 WV-EA 膜的效果更好。 目前最新研发出的 WV-EA 和新表面膜的技术使得产品对比度大于 10 的范围扩大到
[3] 90/90/90/90,全视野角 。偏光板的作用是让在某个方向上振荡的光通过,而把在

其垂直方向上振荡的光挡住。

图 1-3 偏光板的作用 Fig.1-3 Function of color-filter

图 1-3 中两偏光板的偏正方向为相互垂直状态。液晶具有双折射系数的特性,且 在不同的电场下会有不同的排列方式,因此当光通过液晶时,会受其影响而改变或保



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

持其振荡的方向。如图,当液晶不改变光的振荡方向时,光无法通过第二个偏光片而 被关闭;当液晶将光的振荡方向改变时,光可再分为两个分量,虽有一个分量无法通 过第二个偏光片,但仍有一个分量可以通过第二个偏光片,而成为打开的状态。因此 可通过施加电场来改变液晶的排列方式,来实现光阀的作用。
1.3.2 液晶光阀的形成

如图 1-4,入射光在 XY 二个方向上的电场振幅各为 Ax 和 Ay,经过第一偏振片之 后,只有 Ax 继续行进,Ay 被挡住。接着,为了配合液晶分子的排列情况,将座标系 统旋转φ角,在液晶分子长轴上的分量,因液晶的折射系数较大而行进速度较慢,而 在短轴上的分量,则因折射系数小而行进速度较快,因而产生相位差δ=2π(Δn)/ λ,其中Δn 为液晶分子长短轴折射系数的差,d 为液晶厚度,λ为入射光的波长。然 后,在配合第二偏光片的方向将座标系统旋转-φ角。最后再经过第二偏光片只有 Y 方向继续行进,而 X 方向则被挡住。由矩阵运算我们可以得到, Ax ' = 0 ,

Ay ' = Ax[sin( 2φ )] ? [sin(δ / 2)] 光的能量与振幅平方成正比,假设 Ax=Ay,我们可以得
到此液晶光阀的穿透度:T= ( Ax ' + Ay ' ) /( Ax 2 + Ay 2 ) = (1 / 2) sin 2 (2φ ) ? sin 2 (δ / 2) 。
Y Ay X Ax
2 2

[

][

]

图 1-4 液晶光阀的例子 Fig.1-4 Example of liquid crystal light valve [入射光][第一偏光片][旋转φ][相位延迟][旋转-φ][第二偏光片]=[射出光]

? ?cos φ ? sin φ ? ?00? ? Ax ' ? ? Ax ? ?1 0? ?cos φ sin φ ? ?e ? i (δ / 2) 0 ?? ?? ? = ? ' ? ? Ay ? ?00? ?? sin φ cos φ ? ? e i (δ / 2 ) ? ?sin φ cos φ ? ?01 ? ? ? ?? ?? ? ?0 ? Ay ? ?
从上述的公式我们可以看到:



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

1,通过控制液晶分子长轴与偏光片的夹角 φ,可以控制液晶光阀的穿透度。 2,当夹角 φ=0 时,得到最暗的状态;而当夹角 φ=45°时,得到最亮的状态。 3,穿透度 T 与相位差 δ 有关。 4,液晶的双折射系数Δn 和液晶的厚度 d 需要适当的设计,从而得到最佳的穿透度。 5,不同的入射光颜色波长λ不同,射入相同的光阀,会得到不同的穿透度。 液晶一般是置于两个正交偏光片之间的状态下工作的。 偏光片有一个固定的偏光 轴,它的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向一致的光通过。而振动方向与偏光轴 垂直的光将被其吸收。 以TN为例, 当自然光通过液晶盒的入射偏光片 (称起偏器) 后, 只剩下振动方向与起偏器偏光轴相同的光,即成为线性偏振光。偏振光经过液晶盒后 再经过偏光片(称检偏器)射出。这样光是否通过检偏器多少,取决于线性偏振光经 过液晶盒后的偏振状态。从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示的。

图 1-5 液晶光阀的结构 Fig.1-5 Structure of liquid crystal light valve

如图1-5,TN 型液晶盒内液液晶分子形成一种扭曲结构。在一定条件下入射光的 偏振将顺着液晶分子的扭曲方向旋转。液晶分子长轴扭曲90°导致90°的旋光。当对 两块玻璃片上的电极施加一定大小的电压后, 液晶分子就转变为垂直于上下玻璃片排 列,扭曲结构消失,旋光作用消失,这种电光效应就称为扭曲电场效应。显示器一般 分为常白模式(Normal White)和常黑模式(Normal Black)。所谓常白模式也就是 在不加电场的情况下,光线可以直接通过液晶盒,常黑模式反之。对于常白模式的液 晶显示器,上下偏振片是正交放置的。即偏光轴相互垂直,入射的自然光经起偏器后 变成平面偏振光。在液晶盒未加电场时,偏振光将顺着分子的扭曲结构扭曲90°,振 动方向变成和检偏器的偏光轴一致,因此可以顺利通过检偏器,这时显示器呈透明状 态,处于非显示状态,同时驱动电路将驱动信号电压加到需要显示的有关电极上时,



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

该部分液晶分子扭曲结构消失,丧失了旋光能力。从起偏器出的偏振光未经改变就直 达检偏器。由于其偏振方向与检偏器轴方向垂直。偏振光将无法透过检偏器,这样该 通信号电压的部分电极呈显示状态。 有许多方法来改变液晶光阀的穿透度,如偏光板的角度,液晶分子的厚度等。而 其中最方便而能有效控制的一种方式,是利用施加电场来改变液晶分子的排列方式, 而使得光在液晶层中的相位延迟不同来改变穿透度,进而达到光阀的功能。
1.3.3 电场控制液晶分子的排列

如图 1-6,当液晶分子处于电场时,在分子上的电子云会受正电极吸引而向正电 K K K K K 极移动,因而产生电偶极 P 。在电场 E 中的电偶极,会产生转动的力矩:τ = P × E ,

K K K K K 而电偶极 P 与 E 成正比: P = ε 0 (ε r ? 1)E = ε o χE
其中 χ = ε r ? 1 为电化率(Susceptibility) , ε r 为介电系数, ε 0 为真空中的电 容率(Permeability) 。可将液晶分子的电偶极分成与液晶分子长轴平行的分量 以及与液晶分 子短轴平行的分量

K P

//

=

ε χ E
0 //

K

K P



,各为

K P



=

ε χ E
0 ⊥

K
K

K P

//





= ε 0 χ E sin(θ ) ,


//

= ε 0 χ E cos(θ )
//

+ + + — — —

K P K P


//

τ K τ

K

+ + + θ
//

电场 E — — —



图 1-6 液晶分子在电场中的电偶极与力矩 Fig.1-6 Electric dipole and torque of liquid crystal molecular in electric field

这两个点偶极分量,会产生方向相反的力矩 τ // 和 τ

K
2

K

K P K K τ =P

τ

K





K × E = ⊥

//

//

K P K K ×E = P



K × E × cos(θ ) = ε 0 χ ⊥ K × E × sin(θ ) = ε 0 χ
//



E
2

sin(θ ) cos(θ )

//

E

cos(θ ) sin(θ )

这两个力矩方向相反,会相互抗衡,产生净力矩τ

K
net





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第一章 TFT-LCD 的显示原理

τ

K
net

=τ

K
//

? τ ⊥ = ε 0 (ε // ? ε ⊥ ) E cos(θ ) sin(θ ) = (1 / 2) ε 0 (ε // ? ε ⊥ ) E sin( 2θ )
2 2

当力矩不平衡时,如果其净力矩可以克服液晶本身的弹性,即可以使液晶分子朝 力矩大的方向转动。一般的液晶材料,液晶分子长轴的介电系数 ε // 会比短轴的介电 系数 ε ⊥ 大(称为正型液晶) ,所以电偶极 P // 也会比 P⊥ 大,因此由公式可知力矩τ

K

K

K

//

也会比τ ⊥ 大,使得液晶分子的长轴向电场方向扭转。也有少数的液晶材料,其长轴 ,其液晶分子在电场中的 的介电系数 ε // 会比短轴的介电系数 ε ⊥ 小(称为负型液晶) 扭转方向与正型液晶相反。因此,对液晶施加不同的电场,会改变其净力矩与液晶本 身弹性的平衡关系,因而使液晶分子的排列不同,会导致光穿透率的改变。 一般而言,对液晶光阀施加电场 E 的两个电极,其之间的距离 d 是固定的,因 此施加的电压 V=E/d 会与 E 成正比,经由控制施加在液晶层上的电压 V,即可改变液 晶光阀的穿透度率,这就是液晶光阀与电压相互作用而形成的显示器原理[4]。 将施加在液晶光阀上的电压 V 置于横轴,将液晶光阀的穿透度 T%置于纵轴,可 得到电压 V—穿透度 T%的关系曲线。 图 1-7 表示的是 TN 型液晶光阀的典型 V-T%曲线, TN 型液晶光阀未施加电压 (V=0) 时穿透度最大, 这种形式称为 Normally White (NW) 。

K

图 1-7 常白模式 TN 型 LCD 的 T-V 曲线 Fig.1-7 TN LCD(NW)T-V curve

TFT-LCD 的灰阶是由电压的控制来设定,所要显示的灰阶越多,电压的控制就要 越精确。而液晶模式的穿透度对应电压的斜率变化越大,液晶的控制也要越精确。



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

1.4 TFT AM-LCD 的结构

1.4.1 TFT 的结构与特性

为了实现彩色 TFT-LCD 显示,利用彩色滤色膜,产生红(R) ,绿(G) ,蓝(B) 三原色,再合成为彩色显示。为此需要采用白光的背光源,而每个图像像素需要包含 红(R) ,绿(G) ,蓝(B)3 个子像素点,分别与上层玻璃基板的彩色滤色膜相对应, 于是一个分辨率为 n×m,即具有 n 行,m 列显示像素的 TFT-LCD 屏实际上包含 n×3m 个像素。 例如, 对于 768×1024 的 XGA 显示, TFT-LCD 屏上包含的像素数为 768×1024 ×RGB=768×3072。每个像素的灰阶可以独立改变,也就是每个像素由对应的 TFT 所 控制。在不同颜色的彩色滤光膜交界处,会形成不透光层来遮蔽颜色混合的区域。可 以大幅减少 LCD 像素间混色所产生的干扰,呈现更稳定而清晰的影像品质。同时,可 以来遮蔽因液晶排列不同造成的像素漏光,以增加对比,遮蔽 TFT 以降低其漏电流, 以及其他不可照光或透光的区域[5]。 一,TFT 的结构 薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)通常是指半导体薄膜材料制成的绝 缘栅场效应晶体管。这种器件是具有栅电极(用 G 表示) ,源电极(用 S 表示)和漏 电极(用 D 表示)的三端器件。其中与半导体直接形成欧姆接触的两个电极分别称为 源极和漏极,被限制在源极和漏极之间的导电区称为沟道,通常源极和漏极间的距离 即沟道的长度用 L 表示,一般在微米的量级,其宽度用 W 表示;与绝缘层接触并隔着 绝缘层与源电极和漏电极间的沟道正对的称为栅极。 正常工作时, 在源漏极间加偏压, 称为源漏电压 Uds, 相应电流称为源漏电流 Ids, 又称为沟道电流,其大小由沟道中的反向载流子的密度和载流子的漂移速度决定。作 为一种场效应晶体管,TFT 的工作原理与 MOSFET 的工作原理非常类似,也是靠栅电 极控制的金属-绝缘层-半导体结构,形成导电沟道,其沟道的产生与消失以及沟道 中反型层载流子的多少都是由栅极决定的,并在源漏电压的调制下形成源漏电流[6]。 二,TFT 的电流特性 如图 1-8,在正常的工作条件下,TFT 源漏电压使源和漏两个 PN 结反向偏置, Uds>0。若在栅极上加的偏压 Ugs<Ut,没有形成导电沟道,则源漏之间只有很小的反 向 PN 结泄漏电流,TFT 处于截止状态。当 Ugs》Ut 时,形成由电子构成导电沟道, 沟道把源区和漏区连通起来,在源漏偏压的作用下,由电子自源极向漏极的流动,形



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

成自漏向源的电流,常用 Ids 表示。因此,可以利用 TFT 作为开关,由于反型层电荷 强烈依赖于栅压,便可以利用栅压控制沟道电流的大小。
Ugs Uds

图 1-8 TFT 的结构 Fig.1-8 Structure of TFT

形成沟道后,当 Uds 偏小时,沟道电位变化小,整个沟道厚度的变化不大,源漏 电流 Ids 随源漏偏压的变化而线性变化,此区域称为线性区。随着 Uds 的增大,源漏 电流 Ids 随源漏偏压的变化逐渐偏离线性,Uds 越大,Ids-Uds 曲线与线性关系的偏 离越大。当 Uds=Ugs-Ut 时,这时沟道在漏极附近被夹断,夹断区可能载流子数目 很少,成为一个由耗尽层构成的高阻区。但由于在夹断点与漏极之间沿平行于沟道方 向的电场很强,能够把从沟道中流过来的载流子拉向漏极。沟道被夹断后,若 Uds 继续增加,所增加的电压主要降在夹断点到漏端之间的高阻区,这时源漏电压 Ids 基本不随源漏电压增加,因此称为饱和区,这时的源漏电流称为饱和电流。实际上, 由于 Uds>Ugs-Ut 以后,由于夹断点会稍微向源区方向移动,有效沟道长度随 Uds 的增加而略有减小,源漏电流 Ids 随 Uds 的增加而略有增加[7]。

图 1-9 TFT 的转移特性曲线 Fig.1-9 TFT characteristics curve of transfer



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

通常采用器件的直流特性曲线来描述 TFT 的特性参数。如图 1-9 所示,如固定源 漏电压 Uds,可测量出源漏电流 Ids 随栅压 Ugs 变化的关系曲线,对于不同的 Uds, 可得到一组这样的曲线,该组曲线称为 TFT 的转移特性曲线,它反映了栅对源漏沟道 电流的调控能力。

图 1-10 TFT 的等效电路图 Fig.1-10 TFT equivalent circuit

图 1-10 是 TFT 的等效电路图。TFT 有 Gate、Source、Drain 三个电极,液晶层 上下分别是 Display 电极和 Common 电极。等效电路中的电容分布为:液晶电容 Clc, 存储电容 Cs,寄生电容 Cgd、Cds 等。当 Vg 为高电平时,TFT 打开。Source 电极上 的信号电压通过 Drain 电极加到液晶上,同时也为存储电容 Cs 充电;当 Vg 为低电平 时,TFT 关闭。此时存储电容为液晶电容充电,保持之前写入的信号电压。由于 Cgd 和 Cds 等寄生电容的存在,会对 TFT 的特性转移曲线有所影响[8]。
1.4.2 TFT AM-LCD 的剖面结构和等效电路

TFT 有源矩阵液晶显示屏是在两块玻璃之间封入普通的扭曲向列(TN)型液晶材 料构成的。如图 1-11 所示,两块玻璃分别是下基板制备有 TFT 阵列的玻璃基板和上 基板制备有彩色滤色膜和遮光层(黑矩阵)的玻璃基板。在下玻璃基板上制备有作为 像素开关的 TFT 器件、 显示用的透明像素电极、 存储电容、 控制 TFT 栅极的栅线 (行、 扫描线) 、控制 TFT 源端的信号线(列)等。在上玻璃基板上制备了 RGB 三色彩色滤 色膜和遮光用的黑矩阵,并在其上制备透明的公共电极。在两玻璃基板的内侧制备取



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

向层,使液晶分子定向排列,以达到显示要求。两片玻璃基板之间灌注液晶材料,并 通过封框胶粘接, 起到密封的作用。 显示屏上下两片玻璃间的间隙决定了液晶的厚度, 一般为几微米。为了保证间隙的均匀性,需要在基板上均匀散布一些衬垫(Spacer) 。 另外,为了将上基板的公共电极引到下基板以便和外围的集成电路相连,还需要在上 下两片玻璃之间采用银胶制备连接点 (contact) 。 两玻璃基板的外侧分别贴有偏光板。 配合上液晶材料的旋光性,便可实现显示[9]。 非晶硅 TFT 的栅线和信号线需要与外部的驱动集成电路和 PCBa 电路板相连,为 此上下两块玻璃基板贴合在一起时不能完全重合,所以 TFT 阵列基板略大,并在 TFT 玻璃基板的边缘制备有压接端子,以便和集成电路及 PCBa 板相连。

Glass substrate Sealant TFT Anisotropic conductor film TAB Connection Control IC Printed circuit board Driver LSI Polarizer film

Black matrix Color filter Protective film Common electrode Alignment film Liquid crystal Capacitor Display electrode Polarizer

Edge light Light diffuser Spacer Waveguide Prism Reflector sheet plate

图 1-11 彩色 TFT AM LCD 屏的剖面结构示意图 Fig.1-11 Color TFT AM LCD profile structure

图 1-12 所示为 TFT 阵列驱动的 AM LCD 的等效电路。当与 TFT 栅极相连的行 线 Gi 加高电平脉冲时,连接在 Gi 上的 TFT 全部被选通,图像信号经缓冲器同步加 在与 TFT 源极相连的引线(S1~Sn)上,经选通的 TFT 信号电荷加在液晶像素上。

Gi 每帧被选通一次,S1~Sn 每行都要被选通。通常液晶像素可以等效为一电容。其
一端与 TFT 的漏极相连,另一端与制备有彩色滤色膜的上基板上的公共电极相连。 当 TFT 栅极被扫描选通时,栅极上加一正高压脉冲 Ug,TFT 导通,若此时源极有信 号 Uld 输入,则导通的 TFT 提供开态电流 Ion,对液晶像素充电。液晶像素即加上了



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

信号电压 Uld,该电压的大小对应于所显示的内容。同时为了增加信号的存储时间, 还对液晶像素上并联上一个存储电容。正高压脉冲 Ug 过后 Gi 上为 0 或低电平,包 括液晶像素电容和存储电容在内的等效电容 Cld 上的电荷将保持一帧的时间, 直至下 一帧再次被选通后新的 Uld 到来,Cld 上的电荷才改变。由此,逐行选通 TFT,使

Gi 依次加正的高电平脉冲,这样逐行重复便可以显示出一帧图像。由于扫描信号互
不交叠,在任一时刻,有且只有一行的 TFT 被扫描选通而开启,其他行的 TFT 都处 于关态,所显示的图像信号只会影响该行的现实内容,不会影响其他行,而从消除了 串扰。

TFT Source 线 Gate 线 液晶电容 储存电容

图 1-12 彩色 TFT AM LCD 屏的等效电路图 Fig.1-12 Color TFT AM LCD equivalent circuit

TFT 有源矩阵液晶显示要求每个像素上的开关器件薄膜晶体管在开态要有足够
大开态电流,确保在行扫描时间内完成对液晶像素电容和存储电容的充电;而在关态 时,要求 TFT 的关态漏电流应足够小,使存储在液晶像素电容上的图像信号能够维 持一帧的时间而失真很小[10]。

1.5 本章小结
本章介绍了 TFT-LCD 的显示原理。TFT-LCD 之所以能显示,是因为其使用了特



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第一章 TFT-LCD 的显示原理

殊的显示材料——液晶,液晶材料有着特殊的光学特性液晶,液晶分子可以使入射光 的偏振光状态和偏振光方向发生改变。由于液晶分子的结构为非均向性,其折射系数 也分成垂直与平行两个向量, 所以光线在液晶中行进的速度和折射率与光线行进方向 和偏振方向有关,即互相正交的两线偏振光在液晶中行进时,分别有不同的速度,折 射率也不相同,这种现象称为双折射。螺旋状液晶还具有很强的旋光性。再结合偏光 板的使用,就可以达到显示用的光学结构。 单有液晶是达不到显示目的的,还必须通过形成液晶光阀来控制光的透过量,以 达到显示目的。有许多方法可以改变液晶光阀的穿透度,如偏光板的角度,液晶分子 的厚度等。而其中最方便而能有效控制的一种方式,是利用施加电场来改变液晶分子 的排列方式,而使得光在液晶层中的相位延迟不同来改变穿透度,进而达到光阀的功 能。 本章还详细介绍了 TFT 的结构和特性。 薄膜晶体管 (Thin Film Transister, TFT) 通常是指半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管。这种器件是具有栅电极(用 G 表示) ,源电极(用 S 表示)和漏电极(用 D 表示)的三端器件。除此之外还介绍了

TFT AM-LCD 的剖面结构和等效电路图。以上内容为 TFT-LCD 显示的基础条件。



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

第二章 TFT-LCD 的驱动原理

2.1 液晶显示器的驱动方式

2.1.1 交流驱动方式

液晶显示器采用的是交流驱动方式。原因有两个: 原因一:配向膜的直流阻绝效应 为了控制液晶在未施加电压时的排列状态, 在夹置液晶的基板表面上涂覆一层聚 乙烯胺 (Polyimide, PI) 的有机材料薄膜, 紫外线照射固化后并以绒毛滚刷 (Rubbing) 在材料上形成沟槽,强迫表面上的液晶分子固定在所需的排列方向上,这层薄膜即为 配向膜,电极上的电压是透过配向膜才施加在液晶上的。
电极 液晶 配向膜 图 2-1 液晶与配向膜的结构及其等效电路 Fig.2-1 Structure and equivalent circuit of liquid crystal and PI

如图 2-1 所示,这样的结构的等效电路可看作是三个电容的串联。然而,配向膜 与液晶并非是理想绝缘体,本身仍会有一个高电阻值,因此在完整的等效电路也将串 联电阻考虑进来。 基本电阻公式为:R=ρd/A (2-1) 其中ρ为电阻率,d 为电流方向的距离,A 为与电流垂直的截面积。与电容一起 考虑等效电路: 一般而言, 配向膜的厚度约为液晶的 1/100, 相对介电系数则差不多, 电阻率则高于液晶约十万倍,因此:

C

OL

≈ 100 C LC , R OL ≈ 1000 R LC

电容阻抗 Z = 1 / jwC ,在施加直流电压V DC 的情况下,角频率 w=0,故电容的



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

阻抗很大而可以被忽略,所以液晶上所跨的电压V LC 几乎为施加电压V DC 的二千分 子一:V LC ≈

[R / (R
LC

OL

+ R LC + R OL ) V DC ≈ 1 / 2000V DC

]

也就是说以直流方式驱动液晶,绝大部分的电压差会产生在配向膜上,无法改变液晶 分子的排列,因而也不能控制光阀。相反的在施加交流电压V AC 的情况下,若频率 很高,电容的阻抗反而会小于电阻,而可以忽略电阻的效应,此时,液晶上所跨的电 压V LC 几乎等于施加电压V AC :

V

LC

≈ (1 / jw C LC )/ (1 / jw C OL + 1 / jw C LC + 1 / jw C OL ) V AC ≈ V AC

[

]

所以液晶不能直流驱动,而必须交流驱动。 原因二:可移动离子与直流残留 在液晶的制程中,由于无法将液晶完全纯化,不可避免地会在其中残留一些可移 动的离子。在施加电压时,会受电极上与其极性相反的电荷吸引而向电极移动。施加 的极性相反,离子运动的方向也跟着相反,若是施加电压的平均值为零,可移动离子 向两个电极的移动会相互抵消,所以净距离也为零;当施加电压的平均值不为零时, 离子会趋向其中一个电极运动,一直移动到液晶与配向膜的界面,附着在此界面上; 发生了这个情况之后,这些附着在界面上的带电离子,会与另一电极上相反极性的电 荷形成内部电场,这个内部电场会与外加电压形成的电场加成,而一起影响液晶的排 列与穿透度,使得穿透度-电压关系曲线改变;即使完全不施加电压时,液晶的排列 也会因内部电场变得与原始排列状态不同。这样的情况即被称为“直流残留” 。
白底黑框画面 全灰画面中出现前面的画面

持续一段时间

图 2-2 直流残留效应 Fig.2-2 DC residue domino offect

直流残留最明显的效应发生在如图 2-2 所示,以 TN 型液晶显示器为例,若以直



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

流电压驱动,白底部分不需要加电压,而黑色图案部分则需施加电压,经过一段时间 后,施加电压的黑色部分,离子已被吸附在界面上,而未施加电压的白色部分,离子 并未向界面移动;此时施加相同的电压,原本期望会显示出灰阶相同的全灰色画面, 但黑色部分由于直流残留的内部电场而改变了施加电压的效果, 在灰色画面中可以看 出之前的画面图案,也可说是前一画面留下了残影。为了避免直流残留发生,必须使 施加电压的平均值为零,第一步便是使驱动电压要有正极性和负极性的,也就是极性 反转。不仅如此,除了要有极性反转之外,还要使正负极性的平均值相互抵消。 每个像素液晶本身必须以极性反转的方式来驱动, 常见的像素阵列极性反转的方 式 有 帧 反 转 ( frame inversion ) , 行 反 转 ( column inversion ) 、 列 反 转 ( row inversion) 、点反转(dot inversion)等四种。如图 2-3 所示,在一帧写入结束下 一帧写入开始之前, 如果在整帧上的像素所储存的电压极性都相同的, 即称为帧反转; 如果是同一行的像素所储存的电压极性都是相同的, 且左右相邻的行上的像素所储存 的电压极性相反, 即成为行反转; 如果是同一列的像素所储存的电压极性都是相同的, 且上下相邻的列上的像素所储存的电压极性相反,即成为列反转;如果是每个像素所 储存的电压极性都与其上下左右相邻的像素所储存的电压极性相反,即成为点反转;

图 2-3 常见的像素阵列极性反转的方式 Fig.2-3 Common modes of pixel array polarity inversion



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

目前在TFT-LCD业界,常用的是点反转(Dot Inversion)技术较多。原因是Dot Inversion 的显示品质相对于其它的面板极性变换方式, 要好很多。所谓Flicker 的现象, 就 是看液晶显示器的画面时, 会感觉到画面会有闪烁的感觉。它并不是故意让显示 画面一亮一灭来做出闪烁的视觉效果, 而是因为显示的画面灰阶在每次更新画面 时 , 会有些微的变动 , 让人眼感受到画面在闪烁。这种情况最容易发生在使用 Frame Inversion 的极性变换方式 , 因为 Frame Inversion 整个画面都是同一极性 , 当这次画面是正极性时 , 下次整个画面就都变成了是负极性。假若使用 common 电 压固定的方式来驱动, 而 common 电压又有了一点误差(可见图2-4), 这时候正负 极性的同一灰阶电压便会有差别, 当然灰阶的感觉也就不一样。在不停切换画面 的情况下 , 由于正负极性画面交替出现,你就会感觉到 Flicker 的存在。而其它面 板的极性变换方式 , 虽然也会有此闪烁现象, 但它不像 Frame Inversion 是同时 整个画面一齐变换极性 , 只有一行或是一列, 甚至于是一个点变化极性而已. 以 人眼的感觉来说, 就会比较不明显,因此目前大家都普遍使用 Dot Inversion[11]。
Frame N Frame N+1

有 误 差 的 Common 电 极的电压

正极性的 压差变小 正极性

正 确 的 Common 电 极的电压

负极性

负极性的 压差变大

图 2-4 Flicker 的成因 Fig.2-4 Cause of flicker 2.1.2 γ 校正

一般而言,我们会直觉的以等级距的亮度来区分,如图所示,但是由于人眼在



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

比较黑暗的环境下,对亮度变化的敏感程度会比在光亮的环境要高出很多,这个是生 物的本能,经过现代的有关视觉方面的实验,我们知道了人眼的感觉与亮度之间的关 系公式,如公式所示,大脑感觉可近似于亮度的(1/γ)次方成正比,以数学式表示 大脑的感觉(X)与亮度(Y)之间的关系: Y = A X
γ

(2-2)

所以习惯上把这个关系称作为『γ曲线』 ,其中 A 只是一个用以代表成正比的常 数,但公示只是个近似公式,大脑的γ值其实并非定值,约为 2.2 至 2.5 左右。以简 单的数学转换可以写成: X =

(Y / A)

1/ γ

(2-3)

其中(1/γ)则约为 0.4 至 0.45 左右。公示代表的意思是:要让大脑的感觉(X) 线性的增加,需使亮度(Y)以其(1/γ)次方乘幂作变化。以γ=2.2 为例,要是大 脑感觉的强度加倍,需使亮度变成原来的 2 的 2.2 次幂也就是 4.595 倍;如果使亮度 加倍,大脑只会感觉到强度变成原来的 2 的(1/γ)次幂也就是 1.37 倍。视讯资料 所要传达的其实是大脑的感觉,而不是亮度。所以,需要依据亮度与大脑感觉的γ曲 线做校正,使得视讯资料与大脑的感觉成正比,在此情况下,视讯资料与亮度的关系 也会是一条γ曲线[12],如图 2-5 所示。
亮度

大脑感觉/视讯资料 图 2-5 大脑感觉与亮度的关系曲线 Fig.2-5 Relation Curve of cerebra sense and luminance

在 TFT-LCD 中γ曲线校正的意义便是配合液晶的特性调整 DAC 参考电压的设定, 使视讯资料能符合大脑感觉的需要。图中的转换过程可以简单的表示成:视讯资料→ DAC →像素电压→液晶→穿透度→背光源→亮度→人眼→大脑感觉, 其中方框内表示 转换信号的媒介。在整个转换过程中,信号的表现形式可能是数码也可能是电压,会 经由媒介转换而改变。设定了 TFT-LCD 面板所需要的γ曲线之后,亮度与大脑感觉的 对应关系便固定下来了。而在背光源亮度一定的情况下,穿透度会与亮度成正比,而



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

像素电压与穿透度的关系会随着液晶的不同而改变, 因此像素电压与视讯资料的对应 关系,便需要随着所使用的液晶而调整。数字视讯资料与像素电压的关系是由 DAC 的参考电压设定的。为了保留驱动系统的弹性,配合使用各种液晶的 TFT-LCD 面板, 会使用电阻分压型 DAC 设计。这种做法在使用不同液晶模式时,不需要改变 Source Driver IC,只要设定外部参考电压源的分压电阻即可。
2.1.3 液晶显示器的信号传输方式

信号是在非常高的频率下传输数据的,大约有百兆的频率。在这么高的频率下传 输数据会产生很高的电磁辐射而干扰其他电子元件的正常运作,换句话说,其电磁干 扰(Electromagnetic Interference EMI)会很严重,为了减少 EMI,需要把电压降 低。但是减小了电压之后,很容易受到外部杂讯的干扰,因此要利用一对信号线上的 差分信号(Differential signaling)来传输,并以比较器来接收信号。利用差分信 号来传输数据时,一方面不容易受外部杂讯干扰,外部对这一对信号线的干扰是相同 的,因此其信号相减时会把这个相同的干扰相减消去。另一方面,也不会产生杂讯干 扰外部,因为这一对信号线上的电流大小相同,方向却是相反的,因而二个电流产生 的磁场恰好可以相互抵消。

Single end

Differential

图 2-6 低压差动信号传输波形 Fig.2-6 Transmission waveform of low voltage differential signal

TFT-LCD 的数据传输界面,如图 2-6 所示,会利用低压差动信号(Low Voltage Differential Signaling)的优点,来做长距离高频率的传输。随着 TFT-LCD 技术的



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

发展,更高解析度的 TFT-LCD 数据传输界面,会使用更低电压的差动信号,便发展成 Reduce Swing Differential Signaling(RSDS) ,mini-LVDS 等其他界面定义。因为 动态功耗 ,LVDS、RSDS 等信号它们的幅值只有 1.2V,而 TTL 信号有

3.3V,所以采用 LVDS、RSDS 等信号来传输数据可以有效的降低 TFT-LCD 的动态功耗。 以 6bit RSDS 为例,其差动电压振幅定义在+/-200mV,传输频率依显示器分辨率 而定,如 XGA 为 57MHz,每个脉冲周期传输二个位元的资料,使用 9 对差动信号线来 传输视讯数据,加上一对脉冲信号,共使用 10 对传输线将差动信号传输给各颗数据 驱动 IC,每对差动信号线终端电阻为 100Ω。起始脉冲的频率很低,而且只要输入至 第一颗数据驱动 IC,不需要作长距离的传输,对 EMI 的影响较小
[13]



2.2 液晶显示器的驱动系统及组成

2.2.1 液晶显示器的驱动系统

以 SVA-NEC 的 SVA150XG04TB 产品为例,外形如图 2-7 所示。
H侧信号 处理基板

Source Driver V侧接 续基板

Gate Driver

图 2-7 SVA150XG04TB 的外观 Fig.2-7 Appearance of SVA150XG04TB



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

图 2-8 TFT-LCD 驱动系统模块框图 Fig.2-8 TFT-LCD Driving system block diagram

TFT-LCD 驱动系统模块框图如图 2-8 所示。 TFT-LCD 驱动电路主要包括: ①信号控制电路:将外部供给的数据信号, 控制信号以及时钟信号分别转换成适合于 源极驱动 IC 的数据信号、控制信号、时钟信号和适合于栅极驱动 IC 的控制信号、 时钟信号。 ②电源电路:直流变换(DC/DC)电路将所需要的直流电压供给源极驱动 IC、栅极驱动 IC 及其他 IC 。 ③阶调电压产生电路:由此电路设定产生的多个阶调电压各自供给源极驱动 IC。 ④Vcom 调整电路:将公共电压供给与像素电极相对的公用电极 。 ⑤驱动液晶屏数据线的源极驱动电路(Source Driver IC) :由数据驱动提供的输出 电压先通过数据线提供给 TFT 源极, 再通过 TFT 的源极加到漏极侧的像素电极来显 示图像。此时,像素电极的电位与公共电极的电位差为施加到液晶上的电压,从而 控制图像的亮暗程度。 ⑥驱动液晶屏栅线的扫描驱动电路(Gate Driver IC) :产生扫描信号,使每一扫描行 依次接通[14]。 它由显示矩阵和外围专用的扫描和数据驱动电路构成。 显示矩阵和驱动电路封装 在一起形成一个模块, 称为液晶显示模块 (LCM) 。 控制 TFT 栅极的称为扫描线 (电极) , 扫描线与该行上所有 TFT 的栅极相连;控制 TFT 源端的称为信号线(电极) ,信号线



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

与该列上所有的 TFT 的源极相连。TFT 的漏端与液晶像素单元的一端相连,液晶像素 单元的另一端接在一起形成公共电极。液晶像素单元可等效为一个电容。通常在 TFT 的漏端接一个存储电容,以起到图像显示信号的辅助存储作用,提高像素单元的存储 能力。 如图 2-9 所示,在扫描电极上加一系列互不交叠的扫描信号,即逐行在 TFT 的栅 上加正偏压,使该行的 TFT 同时导通,TFT 由高阻态转变为低阻态;与此同时把对应 行上所要显示的图像信号送到各个信号电极上,于是图像信号便通过该行上开启的 TFT 对应行的液晶像素充电,实现液晶显示,图像信号被传送到与导通 TFT 相连的各 相应像素电容和存储电容上后信号电压被存储在像素电容和存储电容上。 当扫描信号 结束后,TFT 随即关断,被存储的信号电压将被保持并持续驱动像素液晶,直到下帧 扫描信号的再次到来。而其他未被选中的行的 TFT 始终处于关断状态,图像信号对其 中像素上的电压没有影响。这样逐行重复便可显示出一帧图像。由于扫描信号互不交 叠,在任一时刻,有且只有一行的 TFT 被扫描而开启,其他行的 TFT 都处于关态,所 显示的图像信号只会影响该行的显示内容,不会影响其他行。由上述的结构和显示过 程可见,扫描信号只加在 TFT 的栅上,通过控制 TFT 的导通,起到寻址显示像素单元 的作用; 而驱动液晶显示的图像信号电压是通过导通的 TFT 对像素电容和存储电容充 电后,存储在这两个电容上的,在像素电极和公共电极之间形成的电位差的大小决定 驱动液晶显示的电压的大小。于是,采用 TFT 作有源矩阵驱动,可以实现寻址的开关 电压和显示的驱动电压之间的分离,消除串绕,从而可达到开关器件的开关特性和液 晶像素的电光特性的最佳组合,获得高质量显示[8]。

图 2-9 行扫描的实现 Fig.2-9 Realization of line scan



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2.2.2 电源电路

电源电路的角色是通过 DC/DC 转换电路,将输入电压 Vin 生成 TFT 工作需要的 VGON,VGOFF,Source IC 和 Gate IC 以及其他 IC 的工作电源 VDD 等。 SVA150XG04TB 面板的电源电路如图 2-10 所示。

图 2-10 电源电路 Fig.2-10 Power Circuit

SVA150XG04TB 的电源电路是由分立元件组成的。当然也可以使用集成的 Power IC,这样可以使电路集成度更高,外围电路更简单。不管是分立元件还是集成 IC, 电源电路的原则是生成的各个电压必须是稳定的,Ripple 电压一定要控制在规定范 围内。
2.2.3 信号控制电路

信号控制电路的作用是将外部供给的数据信号, 控制信号以及时钟信号分别转 换成适合于源极驱动 IC 的数据信号、控制信号、时钟信号和适合于栅极驱动 IC 的控 制信号、时钟信号。图 2-11 是信号控制芯片(T-CON)的功能模块图。信号控制芯片 的功能主要可以分成两部分。一,信号处理部分:根据设计方案,将接收到的 LVDS 信号转换成 TTL 信号、RSDS 信号或是其他信号;二,控制信号及时钟信号部分:生 成适用于源极驱动 IC 和栅极驱动 IC 的控制信号、时钟信号。如 STH、POL、TP、STV、 CPV 等。这些控制信号、时钟信号用于管理源极驱动 IC 和栅极驱动 IC 的动作,使之



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有序的输出数据,而不会产生画面错乱[15]。

图 2-11 信号控制芯片的功能模块 Fig.2-11 Block diagram of T-CON 2.2.4 扫描驱动电路

扫描电路的角色是决定扫描开/关的状态,基本上属于数位型的电路,其结构如 图 2-12。它由移位寄存器、电位转移器、输出缓冲器组成。

图 2-12 扫描驱动电路 Fig.2-12 Scan driver



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一,移位寄存器(Shift register) 最常见的移位寄存器是 D 型正反器(D-type flip-flop),其动作是在经过一个 脉冲周期便将输入级的逻辑状态传送到输出级, 如图 2-13 所示的 TFT-LCD 操作方式, 是周而复始的逐条开启/关闭扫描线,所以只要在帧输入开始时,将垂直方向扫描的 同步信号(V sync)送入第一级移位寄存器,再利用垂直方向脉冲(V clock) ,控制 每个移位寄存器输出状态的时间,即可逐条输出是否要开启对应扫描线的逻辑状态。 扫描驱动电路在显示面板中位置的摆放方式,第一条扫描线也许在最上方,也可能是 在最下方,所以考虑到驱动 IC 的通用性,一般会将移位寄存器设计成上下二个方向 都可以扫描。在此功能块中,由于只是决定开或关的逻辑状态,不需要提高电压,以 一般 3V 或 5V 的电压运算即可。
V Clock V Sync
Level Shifter1 Level Shifter2 Level Shifter3 Level Shifter4

图 2-13 移位寄存器输入输出波形 Fig.2-13 Input and output waveform of shifter register

二,电位转移器(Level shifter)
Vgon =20V 3V 0V Level Shifter

20V

Vgoff =-5V

-5V

图 2-14 电位转移器输入输出波形 Fig.2-14 Input and output waveform of level shifter



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电位转移器可即时的将 3V/0V 的低电压逻辑准位,转移到开关像素 TFT 所需 20V 以上的高开电压与-5V 以下的低关电压。 三,输出缓冲器(Output Buffer) 之前讨论过扫描线的负载,如果以电位转移器的输出直接驱动扫描线,驱动能力 可能不够,因此需要再加上缓冲放大器,增加驱动能力,由于要放大的是数位信号, 利用偶数级的数位反向器即可,如图 2-15 所示。
Vgon

Level Shifter

连接端子

Vgoff 图 2-15 输出缓冲器 Fig.2-15 Output buffer

整个扫描驱动电路子系统是由扫描驱动 IC 与其电源和控制信号所组成。为了增 加扫描驱动 IC 的通用性,希望尽量可以适用于各种尺寸与分辨率的显示器【16】 。
2.2.5 源极驱动电路

源极驱动电路比扫描驱动电路复杂得多。其架构如图 2-16 所示。

图 2-16 源极驱动电路 Fig.2-16 Data driver



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将功能块展开来说明源极驱动电路的动作方式:经由移位暂存器(S/R)的控制, 以水平方向脉冲信号(H clock)与水平方向扫描同步信号(H sync)来控制其动作 的时间,逐一开启以闩锁方式实现的第一组数据暂存器(Latch 1) ,将第 n-1 条扫描 线上的像素所要显示的数位化图像信号(Video data)依序储存在其中,在将一整条 扫描信号线上的像素所要显示的数据,逐一的全部储存的第一组数据暂存器之后,配 合下一个水平方向扫描同步信号(H sync) ,将这些数据同时一起转存到第二组数据 暂存器 (Latch) , 同时, 将这些数位信号, 利用 D/A 转换器 (Digital/Analog Converter, DAC)转换成对应的像素电压。再利用模拟缓冲放大器(Analog Buffer) ,放大驱动 能力,去推动面板像素阵列的数据线负载,将电压写到像素电极上。 这个像素电压写入动作的时间,就是充电时间,在写入电压同时,移位暂存器已 经在下一个 H sync 的启动下,进行第 n 条扫描线像素图像信号的储存了,由于第 n 条的数据更新是储存在 Latch 1,而第 n-1 条的电压写入是对应到 Latch 2,因此可 以同时进行。周而复始的进行这样的动作,即可完成 TFT-LCD 的显示操作。 一,移位暂存器(Shift register) 实际的操作频率, 会与数据信号界面的通道数目和所要传送的资料有关, 以 6bit 的 LVDS 传送 1024×768 的 XGA 为例计算,有 5 组(10 条)信号线,在 60Hz 的帧频 下,每条扫描线的开启时间约为 1/60/768 秒=21.7 微秒,相当于 46.1KHz,而在扫 描线开启时间内要以 5 组线传送 1024×RGB×6bit=18432bit,每组线要在 21.7 微 妙内传送 18432bit/5=3686.4bit ,可估算数据驱动移位暂存器的操作频率约为 3686.4bit/21.7us=170MHz。与扫描驱动电路相似,数据驱动 IC 不一定用于哪一种分 辨率的产品,控制其操作频率的 H clock 与 H sync 会由时序控制电路提供;另外, 数据驱动电路在显示面板中位置的摆放方式, 第一条数据线也可能是在最右方或最左 方,所以,一般会将移位暂存器设计成双向的,以增加驱动 IC 的通用性。 二,数据暂存器(data register) 这里储存数位数据,只要使用二个反向器(Inverter)输出与输入互接形成的闩 锁(Latch)来记忆即可。以 6bit 的 1024×768 XGA 面板为例,共需要 6bit×1024 ×RGB×2 组=36864 个 Latch。 三,电位移转器(Lever Shifter) 也要使用如之前所述的电位移转器,将数据暂存器中所用的 5V 低电压提升,见 图 2-17。



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

图 2-17 电位移转器 Fig.2-17 Level shifter

四,数据/模拟转换器(DAC) 虽然在此依照一般的习惯称呼这个功能区块为 DAC ,但也许以“电压选择器” (Voltage selector)称之更为合适,其架构如图 2-18 所示,是一个以 N 型电晶体 与 P 型电晶体的 6bit 电压选择器,例如,当数位信号数据为 100110 时,Vout 便会 连接到 V38;当数位信号数据为 010011 时,Vout 便会连接到 V19。如此,便可以将 数据信号转换成用于驱动画素的电压。

图 2-18 数据/模拟转换器 Fig.2-18 DAC

驱动液晶时需要极性反转,所以必须提供正负两个极性的电压,如果极性反转的 方式是帧反转或者是列反转,由于同时间的驱动电压是同极性的,可利用改变 V0~ V63 电压来改变电压极性,产生 Vout+和 Vout-。但如果是行反转或者是点反转,由 于同时间的驱动电压具有不同的极性,因此需要两组电压选择器各由 V0+~V63+和 V0-~V63-产生 Vout+和 Vout-, 再用另一个一对二的多工器来选择适当极性的电压作



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

输出。 阶调电压 V0+~V63+和 V0-~V63-由 IC 内部的分压电路形成。输入 V0~V9,其 中 V0~V4 一组,V5~V9 一组,V0 与 V1 之间由 16 个电阻分压形成 16 个电压,以此 类推,总共形成 128 个阶调电压[9],如图 2-19 所示。

图 2-19 电阻分压产生 128 组参考电压 Fig.2-19 128 Reference voltages produced by resister

五,数据缓冲放大器(Analog buffer) 在此需要用到数据缓冲放大器,利用低负载输入端承受信号源,而以放大的输出 能力驱动像素阵列的大负载,但与数据缓冲放大器最大的不同,是这里所需要放大驱 动能力的不是数据信号而是模拟信号, 因而需要模拟缓冲放大器一般会使用运算放大 器来实现
【17】



2.3 本章小结
本章详细介绍了 TFT-LCD 的驱动原理。TFT-LCD 驱动电路主要包括:将外部供 给的数据信号, 控制信号以及时钟信号分别转换成适合于源极驱动 IC 的数据信号、 控制信号、时钟信号和适合于栅极驱动 IC 的控制信号、时钟信号的控制信号电路; 直流变换(DC/DC)电路将所需要的直流电压供给源极驱动 IC 和栅极驱动 IC 的电源电 路;由此电路设定产生的 10 个阶调电压各自供给源极驱动 IC 的阶调电压产生电路; 将公共电压供给与像素电极相对的公用电极 Vcom 调整电路 。 由数据驱动提供的输出 电压先通过数据线提供给 TFT 源极, 再通过 TFT 的漏极加到在漏极侧的像素电极来显 示图的源极驱动电路;产生扫描信号,使每一扫描行依次接通的扫描驱动电路。



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第二章 TFT-LCD 的驱动原理

在此基础之上,又进一步研究了扫描驱动电路和源极驱动电路。扫描驱动电路由 移位寄存器、电位转移器、输出缓冲器组成。源极驱动电路由移位暂存器、数据暂存 器、电位移转器、数据/模拟转换器、数据缓冲放大器组成。 由上述所有功能电路一起组成了 TFT-LCD 的驱动系统,只有充分了解 TFT-LCD 的驱动系统,才能有效的运用其改善显示的效果。



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第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

3.1 TFT-LCD 的响应时间

3.1.1 TN-LCD 的显示条件

以扭曲向列型(TN) TFT-LCD 为例。图 3-1 是 TN 液晶分子在电压 ON 和 OFF 时的 状态。

图 3-1 TN 液晶分子在电压 ON(右图)/OFF(左图)时的状态 Fig.3-1 The states of liquid crystal molecular when voltage ON(right) and OFF(left)

当液晶两端没有有电压加上时,上下的液晶分子程 90°扭曲状态。垂直入射的 线偏振光的偏振面随着液晶扭曲方向旋转 90°,光线可通过液晶盒。当液晶两端施 加一定大小的电压时,形成垂直基板方向的电场,液晶分子随电场方向排列,扭曲结 构消失,旋光作用消失,此时光不能通过液晶盒。光通过量取决于施加电压的大小。
3.1.2 响应时间的公式

对于 TN 模式的 TFT-LCD,下面的公式是计算液晶响应时间的公式: 施加电压时为: τ r = γ 1d
2

??ε ( V ? ?
2

2

2 ? V th )? ? ?

(3-1) (3-2)

去除电压时为: τ d = γ 1 d

2 ? ?ε ? ? ? V th ? ?



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第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

τ 指的是施加电压时,液晶到达稳定状态的时间; τ 指的是撤掉电压时,液晶到
r

达稳定状态的时间。这里

γ 是液晶材料的黏滞系数;d 是液晶盒厚度 ;V 是液晶盒
1

d

驱动电压;Δε是液晶材料的介电系数[18]。
3.1.3 开关(ON/OFF)响应时间及 GTG 响应时间

因为每一个像素 DOT 不同灰阶之间的转换过程,是长短不一、非常复杂的,很难 用一个客观的精确的尺度来进行表示。所以业界以“Ton+Toff”作为面板整体响应时 间的缩影,来反映液晶面板响应速度,通常又可称之为开关(ON/OFF)响应时间。 通常,液晶显示器以不加驱动电压时的状态可分为两类,常白(NW)模式和常黑 (NB)模式。以 TN 为例,亮→暗(施加电压,液晶盒亮度从 90%变化到 10%时液晶所 需的变化时间,也称开启时间 Turn-on time,简称“Ton”)和暗→亮(不施加电压, 液晶盒亮度从 10%变化到 90%时液晶所需的回复时间,也称关闭时间 Turn-off time, 简称“Toff”)。所谓的响应时间就以两者的和“Ton+ Toff”为标准(见图 3-2) 。

图 3-2 TN 型显示器的响应时间 Fig.3-2 The response time of TN display

事实上,当液晶材料和它所处的环境如预倾角、盒厚、温度等既定时,液晶分子 的转换速度及扭转角由施加电压的大小来决定。从全黑到全白,液晶分子对应的是最 大的扭转角度,此时需要加上较大的电压,液晶分子扭转速度较快;然而处于中间阶 调的较小幅度的灰阶变化,则需要施加较小的电压进行精细的角度控制,液晶分子扭 转速度要慢一些。一般而言,液晶显示器黑白间的响应时间最快,而中间灰阶之间的 响应时间, 要比黑白间响应时间慢得多。 所以说, 用传统的 ON/OFF 响应时间表示 LCD 的响应时间,无法精确地表示 LCD 整体响应时间。在日常应用中,无论看电视、玩游 戏还是其他,人们看到的都是色彩斑斓的彩色画面,或深浅不同的层次变化,这些都 是灰阶间的转换。一般消费者用到全黑或全白画面的比例微乎其微,因此尽可能缩短 中间灰阶间的转换时间才会更有意义,也就是说用 Gray To Gray(GTG)响应时间来 作为 LCD 整体响应时间的尺度比较合理。



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第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

3.2 提高响应速度的方法

3.2.1 液晶显示器模糊现象(blurring)的产生

当图像产生的速度超过 25 帧/秒时,人眼将会感觉到是连续的画面。在现代家用 娱乐设备中,譬如电子游戏或高清晰 DVD,快速运动画面的速度一般超过 60 帧/秒。 也就是说,帧的间隔时间是 1/60=16.67 秒。如果液晶的响应时间大于帧的间隔时间, 人们观看快速运动的画面时就会感觉到画面有模糊,可用图 3-3 来模拟
[19]



模糊

图 3-3 TFT-LCD 模糊现象产生的原理 Fig.3-3 The cause of motion bluring 3.2.2 提高液晶响应速度的过驱动技术原理

从响应时间的公式中可以发现提高液晶响应速度可以从四个方面考虑: ①减小液 晶材料的黏滞系数;②减小液晶盒厚;③增大液晶盒驱动电压;④增大液晶材料的介 电系数。其中液晶材料的黏滞系数和介电系数都是与液晶材料本身的特性相关的,所 以在设计新的产品时要选择一种满足快速响应要求的液晶材料。另外,我们也可以尽 量的减小液晶盒的厚度以提高响应速度。但是由于液晶材料本身的特性,我们无法无 限度的减小液晶材料的黏滞系数、增加介电系数和减小液晶盒厚度。在这种情况下,



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第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

通过增加驱动电压来提高响应速度变得相对容易。基于这个原理,过驱动技术被发明 了,有效的提高了响应速度。 过驱动技术由硬件实现并且对于动态图像进行实时处理。 过驱动回路需要一个帧 储存器用来储存前一帧的数据。这个帧储存器一般包含有很多个 DRAMs ( Dynamic Random Access Memory)。实现框图如图 3-4 所示。

图 3-4 OD 回路的框图 Fig.3-4 Block diagram of OD circuit

图 3-4 是一个使用 OD 的传统驱动系统。包含有一种信号处理方法:预先计算和 测量所有灰阶亮度对应的最佳 OD 电压值, 该最佳 OD 电压值与前一帧所呈现的灰阶值 以及现有帧所要呈现的灰阶值相关,具有一一对应关系,由此建立一 OD 表,处理后 形成 LUT(Look Up Table)。时钟控制(TCON)从影像数据源接收到一帧影像数据, 从帧缓存器中接收到前一帧影像数据后,比较这两帧的影像数据,对应于它们数据的 变化,对照 LUT 在现有的基础上对数据进行比特加减运算,然后通过驱动输出,实现 了±ΔV。施加在液晶盒上的过驱动电压如图 3-5 所示。

图 3-5 过驱动的原理 Fig.3-5 Illustration of Over Driving

如上图所示,曲线③表示正常情况液晶分子加电压后的反应过程,相应的电压情 况由下面的直线④表示。曲线①则表示液晶追求的理想响应。我们可以看到,为了让



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第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

液晶分子达到更快的反应速度,在初始阶段施加比一般状态高的激励电压,响应如曲 线②,待到液晶分子方向趋于目标方向时,激励电压恢复目标灰阶水平。通过这种方 法,液晶分子的响应时间减小了。使用过驱动技术前后响应时间的对比如图3-6所示。

图 3-6 使用过驱动技术前后响应时间的对比 Fig.3-6The compare of response time of using OD and using no OD

3.3 利用过驱动技术对 SVA260WX01SA 面板的画质改善

3.3.1 SVA260WX01SA 简介

SVA260WX01SA 是 SVA-NEC 开发的第一款 26 型 TV 用面板。为了达到 TV 用面板的 宽视角要求,在面板设计时采用了面内开关(IPS:In-Plane Switching)模式。IPS 模式顾名思义主要是在基板面内发生形变以进行显示的。 利用 TFT 基板上形成的一对 电极产生横向电场,通过液晶分子排列的倾斜变化以进行工作。

图 3-7 响应时间测试的设定 Fig.3-7 Set of the test of response time
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第三章 TFT-LCD 的过驱动技术

设计阶段的第一次试做时发现,液晶的响应速度太慢,在显示动态画面时出现了 模糊(blurring)现象。使用光学设备测试响应时间,设定内容见图 3-7。测试的结 果如表 3-1 所示(注:横向 0~255 代表响应前的灰阶,纵向 0~255 代表响应后的灰 阶) 。
表 3-1
0 0.0 24.2 23.0 21.9 21.6 21.0 20.6 18.4 6.7 32 8.7 0.0 22.4 22.0 22.8 21.9 20.8 18.0 6.6

过驱动前的响应时间测试数据(ms)
64 10.4 18.4 0.0 20.8 22.1 22.2 20.3 18.2 7.7 96 9.1 16.0 19.8 0.0 20.9 20.6 19.5 17.0 8.9 128 9.8 14.8 19.9 18.8 0.0 18.8 18.2 15.5 10.0 160 9.4 15.1 17.1 18.8 18.4 0.0 17.5 15.9 9.0 192 8.1 14.7 16.7 18.6 18.7 18.5 0.0 14.9 9.4 224 6.3 14.6 16.5 18.0 18.9 19.0 17.2 0.0 9.5 255 4.2 13.8 15.7 17.0 18.8 18.2 17.8 14.9 0.0

0 32 64 96 128 160 192 224 255

根据表 3-1 得到的图 3-8 的柱状图上可以看出,SVA260WX01SA 整个面板的响应 时间是很长的,所以在运动画面下必然会出现模糊现象。
Response Time 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 Gray 0
0 32 64 96 128 160 192 224 255

Response Time(ms)

5.0 128 255 0.0 Gray

0 32 64 96 128 160 192 224 255

图 3-8 过驱动前的响应时间 Fig.3-8 Response time of TFT-LCD without OD

为了避免这个问题的出现,决定首次采用带有过驱动功能的 T-CON IC。选择了 瑞萨(Renesas)的 T-CON R8J66730FP。因为瑞萨的 T-CON 在大尺寸 TV 用面板上运 用的很多。除过驱动技术以外还具有其他的优秀功能。它的内部功能块见图 3-9。



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图 3-9 系统块状图 Fig.3-9 System block diagram

其中 cFFD 的功能是将过驱动处理的影像数据压缩成 1/3,并存储在一个帧存储 器(内部 SDRAM) 。cFFD(Compression Feed Forward Driving)的功能概况为:1, 从 LUT 的加法原始象(FFD 操作) ;2,FFD 操作作用在红色的奇数数据/偶数数据,绿 色的奇数数据/偶数数据, 蓝色的奇数数据/偶数数据; 3, 生成过驱动电压并控制 FFD。 FFD 模式选择见表 3-2,对第 60Pin ioGPIOPAD 的高低电平设置可以选择 FFD ON 或 OFF。这里我们选择 FFD ON。
表 3-2 FFD 选择模式

ioGPIOPAD 0 1

MODE FFD OFF FFD ON

NCM 参数选择见表 3-3,对第 53Pin 的 iCMMD1PAD 和第 54Pin 的 iCMMD1PAD 的高 低电平设置可以选择 Mode OFF/Select matrix0/Select matrix1/Select matrix 2。
表 3-3 NCM 参数设定选择

iCMMD2PAD 0 0 1 1

iCMMD1PAD 0 1 0 1

MODE OFF Select matrix0 Select matrix1 Select matrix2



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在这个项目中我们如图 3-10 将 Pin 60 设定为高电平,即选择 FFD ON。 Pin53 和 Pin54 分别设置为高电平,即 Select matrix2,实现整个 Panel 的过驱动技术。

图 3-10 OD 设定回路 Fig.3-10 OD setup circuit

内置 OD 表 3-4 说明:假设前一帧某个子像素的灰阶为 176,当前帧该子像素的灰 阶为 184,那么过驱动电压为灰阶 192 所对应的电压。
表 3-4 OD 表



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该表只是一个示意表格, 因为涉及到 SVA 的设计专利, 所以无法将实际数据写出。 现引用的 OD 表只是表明 OD 表的大致内容。OD 电压值会随着液晶、Cell 设计、驱动 电路、目标响应时间等的不同而不同。
3.3.2 SVA260WX01SA 使用过驱动技术后的实测结果

使用过驱动技术的 SVA260WX01SA 的响应速度测试如下:

图 3-11 26 型面板使用 OD 前后的光学响应 Fig.3-11 Optical response of 26” panel before and after OD

从图 3-11 可以看出,使用 OD 之前的液晶响应的速度比较慢,波形上升是相对 缓慢的;使用 OD 之前液晶响应的速度提高了,波形接近于矩形波。 使用过驱动后的液晶显示模块的响应时间测试数据如下表所示:
0 0.0 5.1 5.6 5.6 5.9 5.6 5.7 6.1 6.7

0 32 64 96 128 160 192 224 255

表 3-5 过驱动后的响应时间测试数据 32 64 96 128 160 192 8.7 10.4 9.1 9.8 9.4 8.1 0.0 9.0 9.2 9.2 9.8 8.5 7.3 0.0 9.2 9.5 9.5 9.1 7.2 10.8 0.0 8.8 9.7 8.5 6.8 8.4 10.0 0.0 8.8 8.7 6.7 8.3 9.4 11.3 0.0 7.7 6.5 7.9 9.4 9.0 9.1 0.0 6.3 7.7 8.8 9.4 8.9 10.1 6.6 7.7 8.9 10.0 9.0 9.4
Response Time 30.0 Response Time(ms)

224 6.3 7.2 7.2 7.2 6.9 6.2 7.2 0.0 9.5

255 4.2 4.2 3.9 3.8 3.8 3.4 3.1 3.6 0.0

25.0 20.0 15.0 10.0 Gray0 5.0 255 0 32 64 96 128 160 192 224 255 128

0.0 Gray

0 32 64 96 128 160 192 224 255

图 3-12 过驱动后的响应时间 Fig.3-12 Response time of TFT-LCD with OD
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根据表 3-5 得到了如图 3-12 所示的柱状图。可以看出,使用过驱动技术后,液 晶的响应速度明显提高了。 将表 3-1 的测试结果与表 3-5 的测试结果相减,见表 3-6。
表 3-6
0 32 64 96 128 160 192 224 255 0 0.0 19.1 17.4 16.3 15.7 15.4 14.9 12.3 0.0 32 0.0 0.0 15.1 14.8 16.0 15.2 14.3 11.7 0.0 64 0.0 9.4 0.0 10.0 13.7 13.9 12.4 10.5 0.0

过驱动前后的响应时间差
96 0.0 6.8 10.6 0.0 10.9 11.2 10.1 8.2 0.0 128 0.0 5.6 10.4 10.0 0.0 7.5 9.2 6.1 0.0 160 0.0 5.3 7.6 9.1 9.6 0.0 8.4 7.0 0.0 192 0.0 6.2 7.6 10.1 10.0 10.8 0.0 4.8 0.0 224 0.0 7.4 9.3 10.8 12.0 12.8 10.0 0.0 0.0 255 0.0 9.6 11.8 13.2 15.0 14.8 14.7 11.3 0.0

虽然 0/32/64/96/128/160/192/224/~255 和 32/64/96/128/160/192/224/255~ 0 的响应时间没变,但是 Gray to Gray 响应时间明显缩短了。使用过驱动技术使液 晶显示模块的整体响应速度提高了,使用运动画面显示出现的模糊现象基本消失,达 到了改善的目的。

3.4 本章小结
本章介绍了 TFT-LCD 的过驱动技术。过驱动技术是改善 TFT-LCD 响应速度常用 的技术之一。首先介绍了 TFT-LCD 响应时间的定义,其中有传统的开关(ON/OFF)响 应时间和 GTG 响应时间。液晶显示器的模糊现象是液晶响应速度慢的反映,严重影像 了液晶显示器的画质。提高液晶的响应速度有多种方式,其中利用电压来改善是最容 易的方法,在此基础上提出了过驱动(OD)技术。过驱动技术由硬件实现并且对于动 态图像进行实时处理。 实际在 SVA-NEC 开发的 26 型 TV 用液晶显示屏上运用了过驱动技术,实验的数 据表明使用过驱动技术确实可以有效的改善画质。 通过过驱动技术和在过驱动技术基础上实现的相关显示技术,TFT-LCD 动态画 面显示时的模糊现象不再阻碍它的市场。随着高清 HDTV 的发展,人们将在这个领 域更深入的研究。 不久的将来, 更有效、 更简单、 更低成本的技术将会出现。 TFT-LCD 的品质在大家的共同努力下将变得更加杰出。



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第四章

影像残留的原理和改善

第四章 影像残留的原理和改善

4.1 TFT-LCD 的影像残留(Image Sticking)现象

4.1.1 什么是影像残留现象

当 TFT-LCD 长时间地显示相同的一个显示画面,在结束外加电场后,上一个显示 画面仍然有部分残留,此现象称为影像残留。影像残留效应的生成,多以残存直流电 场(Residual DC Electric Field)来进行讨论,同时也可以由 LC 材料中离子效应 来解释。如果驱动信号中含有直流成分,将容易引出残存直流电场而造成影像残留效 应。如果是驱动信号的波形为理想的交流成分,但是 TFT-LCD 的上下配向膜层(AL) , 对液晶中离子的吸附程度为不对称,也同样容易形成内部上下不对称电场,造成影像 残留现象。 图 4-1 是影像残留现象说明,当液晶屏点棋格画面 4 小时后,在重新点灯(灰阶 128)时能看到之前留下来的影子,并且长时间也很难消除,这就是所谓的影像残留。

图 4-1 影像残留的现象 Fig.4-1The phenomenon of image sticking 4.1.2 影像残留产生的原理

液晶盒中离子的来源



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一,液晶材料 在制作初期的液晶材料中,即有部分少量的离子存在于其中,虽然液晶材料制造 过程中,尽其所能的维持液晶的纯度,但是在使用与填充过程中,仍无法避免会产生 更多的离子,如果液晶材料被紫外线照射也会分解出离子。 二,配向膜材料 现有用于液晶盒的配向膜材料,多以溶剂材料作为保存与制造的媒介,因此在液 晶盒的制程中,基板洗净与配向膜的成膜(Coating)及固化(Curing)制程中也会 产生少量离子,若配向膜本身不是很纯净,仍会让离子影响到液晶盒样本。 三,封框胶(Seal)及垫料(Spacer) 封框胶及控制液晶样本厚度的垫料,也是产生离子的来源之一;为了有完整固化 封框胶的制程,液晶盒存在于长时间的高温状态,离子会有足够的时间从封框胶材料 及垫料中分解出来 四,电极 配向膜在一般考量下是一层完全的绝缘体,若液晶样本操作在较高电压时,离子 将会有机会穿越配向膜层注入液晶盒中。 常见的水平排列式 TFT-LCD 如图 4-2 所示:氧化铟锡(Indium-Tin-Oxide,ITO) 透明电极薄膜附着于玻璃基板上,配向膜在附着于透明电极上,让向列型液晶得以规 则的排列,由液晶为中心的 TFT-LCD,其上下皆由相同的光学机构。

图 4-2 常见的水平排列式 LCD Fig.4-2 Common horizontal mode LCD

包含偏光片,玻璃基板,透明电极与配向膜;入射光经由偏光片,经由透明电极 与配向膜,由向列型液晶形成相位差后,造成光的极化方向改变,由另一吸收角度的 偏光片穿透而出;经由外部施加不同的电压,将会造成液晶分子排列的角度不同,而 改变 TFT-LCD 的穿透率。



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影像残留的原理和改善

施加在液晶上为理想的方波信号,也就是无任何直流偏压(DC offset) ,且正负 半周对称的信号。从驱动信号到液晶最后有效接收的电压,几乎皆有可能让液晶存在 于直流的成分中,当直流产生后,也就是离子电荷开始影响液晶的时候。离子效应对 液晶的影响,最直接可以看到的可能是 TFT-LCD 穿透率或对比度的改变,或者是闪烁 与影像残留等现象[20]。
4.1.3 影像残留产生的 EDL Mode 原理

如图 4-3 所示,最典型的解释可以由下列过程开始说明 EDL(Electric Double Layers Mode——EDL Mode)的原理:

图 4-3 EDL 的原理 Fig.4-3 The principle of EDL

Step(1)当外部直流电压(Vapp)加到 TFT-LCD,TFT-LCD 中有效电场(Veff, 贯穿液晶盒方向即为电位线)足够让液晶分子随电场方向指向,同时正离子开始往负 电极方向漂移,负离子往正电极方向漂移。 Step(2)当时间的增加,配向层(AL1&AL2)界面开始累积足够的相对离子数目, 造成 TFT-LCD 内部有效电压下降,液晶分子指矢方向开始转向,造成穿透率改变。 Step(3)电场施加的时间持续增加,离子于是陆续停留在 AL1&AL2 边界形成电 双层,直到 TFT-LCD 内部有效电场为零。



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Step(4)当直流电场方向交替,原来附着于 AL 上的正负离子未随电场变更而移 动,液晶分子感受到的有效电场,来自于外加电场与内部 EDL 电场叠加后的贡献,使 得液晶分子受到最大的有效电场而转向。 Step(5)离子陆续随电场方向的交换而变更位置,正电极的 AL1 开始累积负离 子,负电极的 AL2 也相对累积正离子,因此内部有效电场再度下降,TFT-LCD 穿透率 再次因为液晶分子指矢方向改变而改变。 Step(6)交替后的电场持续进行,离子于是陆续停留在 AL1&AL2 边界形成新的 电双层 ,TFT-LCD 内部有效电压再度降为零。 由 EDL 模型,我们可以预估得到 TFT-LCD 的穿透率,将随驱动信号频率的改变而 改变。相同的驱动频率下,造成 EDL 的时间也会因离子浓度不同而不同。通过穿透率 变化的量测,可了解到 EDL 的形成会反应在液晶分子的内部有效电压,这也代表了外 加电压的改变, 会因为离子浓度的变化而改变[21]。 液晶盒中的传导机制如图 4-4 所示。

图 4-4 液晶盒中的传导机制 Fig.4-4 Conduction mechanism of liquid crystal cell

(1)Drift:在外加电场情况,离子将个别的移动而产生传导的电流 J(drift) 。 (2)Diffusion:若 LC 盒中离子的分布不是均匀的,将会使得离子由浓度高的位置 扩散到离子浓度低的位置,于是就生成扩散电流 J(diffusion) 。 (3)Generation and Recombination:离子在液晶盒中的因外在的能量或离子运动 的碰撞产生的离子解离或离子结合现象。 (4)Trapping:外加电压在液晶盒中,使得离子被吸附在 LC 和 AL 界面上的现象。 (5)Selective Adsorption:配向膜 AL 对于离子的吸附作用,有正负之分的选择性。 (6)Charge Injection:假使外加的电场过大,将会使得电极上的离子穿越配向膜 AL 层,注入到 LC 中而增加离子的浓度。 (7)LC Dipole Relation:液晶分子的极化松弛时间,这会影响离子的分布[22]。



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4.2 影像残留(Image Sticking)的改善

4.2.1 影像残留改善的方案

从驱动的角度来分析影像残留改善的原理。如果是常白(NW)的面板,点灯图 案是黑白棋格画面,对应的 LC 电压波形如图 4-5 所示。

图 4-5 LC 电压波形 Fig.4-5 LC voltage waveform

当画面为黑白棋格画面时, 显示为黑色的部分对应的 LC 上的电压较 Vcom 值最大, 显示为白色的部分对应的 LC 上的电压较 Vcom 值最小。 黑色部分产生的移动离子数量 多并会聚集,对实际电场产生ΔV0 的电压。当恢复到全灰阶画面(128Gray)时,移 动离子缓慢的改变分布,之前黑和白的对应部分上的移动离子分别产生ΔV1 和ΔV2 的电压。其中ΔV0=ΔV1+ΔV2,当ΔV1 不等于ΔV2 时,影像残留就发生了。 基于上述的分析,我们想到了一种可以在一定程度上改善影像残留的方法。也就 是找到合适的 Gamma 值以助于改善影像残留,具体原理如图 4-6 所示:在对比度允许 的前提下,将黑态电压降低,将白态电压增加。此时黑白棋格画面下对实际电场产生 的电压为ΔV0+ΔV0’,全灰阶画面(128 灰阶)下产生的电压为ΔV1+ΔV2。此时 ΔV1 近似等于ΔV2,影像残留现象就可以得到改善。



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第四章

影像残留的原理和改善

图 4-6 合适 Gamma 电压下的 LC 电压波形 Fig.4-6 LC voltage waveform under suitable gamma voltage

从影像残留形成的原理并结合驱动的分析,可以知道如果要改善影像残留,可以 从以下几个方面来进行: (1)减少 ΔV1,减少 Cell 中杂质离子的影响 A)使液晶材料和配向膜的纯度变得更高。 B)在 Cell 工程中,减少离子污染。 (2)尽可能使 ΔV1 与 ΔV2 接近(离子中和更快一些) A)选择低阻抗的液晶材料或者增加导电材料。 B)选择适当的 PI 加速离子中和。 C)寻找合适的阶调电压去补偿 DC 残留。 在上述的改善方案中, (2)中的 C)——寻找合适的阶调电压去补偿 DC 残留是最容 易实现的一种方法。 因为阶调电压的更改直接在信号处理基板的阶调电压设置部分修 改即可。
4.2.2 SVA190SX01TB 影像残留的解析及改善

2006 年底,从客户的反馈不良中有影像残留的不良,不良对象为 SVA190SX01TB。 这款面板为 19 型(4:3) ,多用于 Monitor。 不良内容描述如下: (1) 测试温度:35℃,测试湿度:75%



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第四章

影像残留的原理和改善

(2) 测试图形:棋格画面(黑白) (3) 测试方法: 点灯测试画面 168 小时 (至少 72 小时) , 然后再点灯 (灰阶 128) (4) 判断标准:不可见 拿到客户端退回的不良品后,我们对其中的 3 枚面板开始了解析,并以翰宇彩晶 (HSD)和奇美(CMO)的 Panel 作为参考。 解析过程如下: Step1: 调查面内闪烁与 Vcom 的关系,将整个画面分成九等分(见图 4-7) ,每一 等分先调整闪烁至最小然后量测 Vcom。
A1 A4 A7 A2 A5 A8 A3 A6 A9

图 4-7 九分格 Fig.4-7 Nine cuttings of a pattern

测量结果如表 4-1 所示:
表 4-1
Model Cell ID 16C089031010 测定次数 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 1
4.826 4.824 4.825 4.826 4.853 4.840 4.877 4.844 4.861 4.807 4.807 4.807 5.624 5.637 5.631 4.195 4.183 4.189

各区域在最小闪烁时的 Vcom 值
2
4.927 4.895 4.911 5.008 4.983 4.996 5.018 4.971 4.994 4.887 4.905 4.896 5.633 5.633 5.633 4.254 4.236 4.245

3
4.951 4.948 4.950 4.924 5.014 4.969 4.917 4.961 4.939 4.879 4.910 4.895 5.649 5.652 5.651 4.173 4.159 4.166

4
4.826 4.825 4.826 4.828 4.837 4.833 4.867 4.877 4.872 4.809 4.812 4.810 5.632 5.641 5.637 4.177 4.188 4.182

Vcom值( V) 5 6
4.925 4.922 4.924 4.960 4.988 4.974 4.993 5.010 5.002 4.895 4.908 4.902 5.652 5.669 5.661 4.219 4.212 4.215 4.965 4.976 4.970 4.854 4.903 4.878 4.913 4.999 4.956 4.949 4.935 4.942 5.676 5.691 5.684 4.131 4.159 4.145

7
4.826 4.825 4.826 4.831 4.830 4.830 4.848 4.875 4.861 4.808 4.808 4.808 5.618 5.643 5.631 4.135 4.126 4.130

8
4.938 4.935 4.937 4.939 4.937 4.938 4.982 4.980 4.981 4.900 4.894 4.897 5.656 5.664 5.660 4.212 4.214 4.213

9
4.969 5.024 4.997 4.915 4.924 4.919 4.989 4.991 4.990 4.950 4.939 4.944 5.699 5.721 5.710 4.136 4.122 4.129

16C089021807 SVA 16C099030911

16C089040506

HSD

19MGW1

CMO

M190A1

从测量的表中未发现异常点,SVA 的面板的 Vcom 值在 4.9±0.1V 内。 Step2:调整全画面闪烁至最小时,调查 Vcom 和 V1~V14 状况 测量结果如表 4-2 所示:
表 4-2 各区域在最小闪烁时的 Vcom 值阶调电压 V1-V14 & Vcom 测定结果



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影像残留的原理和改善

Model

Cell ID 16C089031010 16C089021807 16C099030911 16C089040506 190MGW1 M190A1 Cell ID 16C089031010 16C089021807 16C099030911 16C089040506 190MGW1 M190A1

Vcom
4.904 4.966 5.024 4.889 5.635 4.228

V1
12.050 12.037 12.088 12.001 13.041 9.856

Vcom & V1~V14( V) V2 V3 V4 V5
11.682 11.668 11.717 11.641 12.376 8.531 9.281 9.275 9.315 9.256 10.259 7.809 8.732 8.720 8.764 8.699 9.708 7.318 8.259 8.266 8.301 8.247 9.272 6.975

V6
7.452 7.450 7.468 7.422 8.265 6.788

V7
6.043 6.042 6.048 6.022 7.048 5.577

SVA HSD CMO Model SVA HSD CMO

Vcom
4.904 4.966 5.024 4.889 5.635 4.228

V8
6.051 6.046 6.052 6.016 6.785 5.098

V9
4.634 4.618 4.628 4.606 5.436 3.581

V10
3.804 3.793 3.795 3.784 4.189 3.299

V11
3.343 3.331 3.333 3.322 3.652 2.867

V12
2.786 2.768 2.782 2.767 3.047 2.230

V13
0.368 0.370 0.357 0.360 0.809 1.519

V14
0.000 0.001 0.001 0.000 0.203 0.143

所测出的 Vcom 及 V1~V14 的值均在规格值以内。 Step3:查找 Vcom & Flicker 与 Image sticking 的关系 测定方式如下: 1.调整全画面闪烁至最小时纪录闪烁区域程度并测定 Vcom 值(初始值), 点棋格画面。 2.2H 后,记录残像状况,记录闪烁区域程度,然后调整闪烁至最小测定 Vcom 值,后 调回 Vcom 至初始值。 3.点棋格画面 4H 后,同步骤 2。 4.点棋格画面 24H 后,同步骤 3。 5.点棋格画面 48H 后,同步骤 4。(1p 继续验证至 72H,另 1p 开始恢复。) 6.点棋格画面 72H 后,同步骤 5。 Flicker 最小时的 Vcom 值测定结果如表 4-3 所示:
表 4-3 Flicker 最小时的 Vcom 值

Cell ID 0H 2H 4H 24H 48H 72H
表 4-4

Flicker 最小时 Vcom 值 16C089040506 16C089021807 5.000 5.041 5.000 5.040 5.000 5.033 4.939 4.979 4.906 4.945 4.906 /

Flicker 与 Image sticking 状态如表 4-4 与 b 表 4-5 所示:
Flicker 与 Image sticking 状态记录表 1



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Flicker

16C089040506 image sticking

Recover

0H

X

O

X

OK
Vcom=4.999

中间区域较好,左右较差

2H

X

O

X

OK
Vcom=5.000

中间区域较好,左右较差

4H

X

O

X

OK
Vcom=4.999 30min正视野轻微 下视野较明显。 2H 正视野轻微 下视野较明显。 继续验证 继续验证 看72H后残像及恢复状况

中间区域较好,左右较差

24H

X

O

X

X
Vcom=4.939

中间区域较好,左右较差

48H

X

O

X

X
Vcom=4.906

中间区域较好,左右较差

72H

X

O

X

X

2H 正视野轻微可见 下视比较明显 21H正视野轻微可见

表 4-5

Flicker 与 Image sticking 状态记录表 2
Flicker 16C089021807 image sticking Recover

0H

X

O

X

OK
Vcom=5.041

中间区域较好,左右较差

2H

X

O

X

OK

中间区域较好,左右较差 Vcom=5.040

4H

X

O

X

OK
Vcom=5.033 30min正视野轻微 下视野较明显。 2H 正视野轻微 下视野较明显。 继续验证 2H 正视野轻微 下视野较明显。 3H正视OK,下视较明显 19H正视OK,下视轻微可见

中间区域较好,左右较差

24H

X

O

X

X
Vcom=4.979

中间区域较好,左右较差

48H

X

O

X

X
Vcom=4.945

中间区域较好,左右较差

72H



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第四章

影像残留的原理和改善

初步结论: 1.闪烁和长期残像有一定关系,闪烁轻微的区域残像相对较好,闪烁严重的区域残像 相对较差。 2.随时间推移,闪烁最小时 Vcom 值会有降低,但幅度很小,在误差范围基本无变化。 Step4:修正 Gamma 值,验证 Image sticking 状况。 测定方式: 1.参考量产 Gamma 水准,建立 4 个修正水准 Sample。 2.调整闪烁至最小,记录闪烁区域程度,测定新水准的 Vcom (初始值)& 阶调电压。 3.点棋格画面 2H 后,记录残像区域程度,记录闪烁区域程度, 4.点棋格画面 4H 后,同步骤 3。 5.点棋格画面 8H 后,同步骤 4。 6.点棋格画面 24H 后,同步骤 5。 7.点棋格画面 72H 后,同步骤 6。 测定结果如表 4-6 所示:
表 4-6 Gamma 修正后 4 个水准阶调电压 V1-V14 & Vcom 测定结果

Level L1 L2 L3 L4 Level L1 L2 L3 L4

Cell ID 16C089031010 16C099030911 16C089011805 16C089031710 Cell ID 16C089031010 16C099030911 16C089011805 16C089031710

Vcom
4.992 5.022 4.847 4.826

V1
11.752 11.690 11.652 11.503

Vcom & V1~V14( V) V2 V3 V4 V5
11.573 11.523 11.481 11.391 9.213 9.218 9.177 9.105 8.717 8.779 8.737 8.702 8.382 8.494 8.454 8.550

V6
7.646 7.704 7.793 8.165

V7
6.236 6.340 6.439 6.829

Vcom
4.992 5.022 4.847 4.826

V8
6.050 6.051 6.036 6.010

V9
4.638 4.630 4.626 4.604

V10
3.810 3.799 3.792 3.776

V11
3.349 3.339 3.336 3.317

V12
2.794 2.789 2.778 2.764

V13
0.381 0.370 0.380 0.380

V14
0.199 0.198 0.198 0.195

表 4-7

比较 Gamma 修正前后 2 个水准阶调电压 V1-V14 & Vcom 测定结果

Cell ID

Vcom

V1
12.050 11.752 12.088 11.690

V2
11.682 11.573 11.717 11.523

V3
9.281 9.213 9.315 9.218

V4
8.732 8.717 8.764 8.779

V5
8.259 8.382 8.301 8.494

V6
7.452 7.646 7.468 7.704

V7
6.043 6.236 6.048 6.340

16C089031010-1 4.904 16C089031010-2 4.992 16C099030911-1 5.024 16C099030911-2 5.022 Cell ID Vcom 16C089031010-1 4.904 16C089031010-2 4.992 16C099030911-1 5.024 16C099030911-2 5.022

V8
6.051 6.050 6.052 6.051

V9
4.634 4.638 4.628 4.630

V10
3.804 3.810 3.795 3.799

V11
3.343 3.349 3.333 3.339

V12
2.786 2.794 2.782 2.789

V13
0.368 0.381 0.357 0.370

V14
0.000 0.199 0.001 0.198



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第四章

影像残留的原理和改善

表 4-7 是将修正后的 2 个水准阶调电压和修正前的阶调电压进行比较,并用下面表 4-8 的方式显示,可以看到:V1 值降低了,V14 提高了;V7 提高了,V8 稍降低了。
表 4-8
13.00 12.00 11.00 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 Vcom V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 V14

比较阶调电压
16C089031010-1

16C089031010-2

16C099030911-1

16C099030911-2

表 4-9
16C089031010-L1 Flicker 2H

四个水准的 Flicker & image sticking 状况纪录
4H 8H 24H 72H Recover 30min : 1H : 2H : 4H :

OK image sticking 下视轻微可见 16C099030911-L2 Flicker 2H 4H 正视轻微可见 8H 正视有轮廓不明显 24H 正视有轮廓不明显 72H Recover 30min: 1H : 2H : 4H :

OK image sticking 正视很轻可见 16C089011805-L3 Flicker 2H 4H 正视轻微(比L1重) 8H 正视有轮廓较明显 24H 正视有轮廓较明显 72H Recover 30min: ximi+ 1H : ximi+ 2H : ximi+ 4H : ximi+

OK image sticking

OK

OK 正视轻微可见 下边缘出现明显ximi 72H Recover 30min : 1H : 2H : 4H :

16C089031710-L4 Flicker

2H

4H

8H

24H

OK image sticking 正视轻微可见 正视有轮廓不明显 正视有轮廓较明显 下边缘出现轻微ximi



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第四章

影像残留的原理和改善

从表 4-9 四个水准的 Flicker 和 image sticking 的状况记录来看可以得出下面的结 论: 1.Level1 72H 验证残像状况好于其他水准,Level 1>Level 2>Level 3>Level 4 2.Level3 24H 验证残像状况好于其他水准,Level 1>Level 3>Level 2>Level 4 3.Level 1&Level 2 中间区域残像较差,Level 3 &Level 4 残像全画面基本无差异。 总体来说,L1 和 L3 好于 L2 和 L4,但是 L3 有其他问题存在。 最后我们把 L1、L3 两枚样品和客户返回的不良品一起进行了影像残留实验。使 用相同的实验条件,点灯 120 小时,恢复 24 小时。比较结果如表 4-10 所示:
表 4-10 L1、L3 和客户返回样品的比较

结论:L1 和 L3 的 IS 比客户返回的样品在点灯小于 24 小时要好,如果点灯时 间超过 24 小时,IS 几乎是一样的水平。因为 L3 有出现其他问题,所以最后我们选 择 L1 作为对策方案。 影像残留一直以来都是客户抱怨中常见的问题, 因为容易发生且不能完全改善, 所以一些 Monitor 客户对影像残留的不抱完全没有的希望,只是要求不能超过他们 各自指定的规格。我们的改善方案虽然没有完全的消除影像残留,但在一定程度上 减轻了。客户对我们的这一改善方案最终还是认可了。当然,我们也会持之以恒的 深入研究影像残留并设计出更好改善影像残留的方法。



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第四章

影像残留的原理和改善

4.3 本章小结
本章介绍了影像残留(Image sticking)产生的原因以及改善的方案。在液晶的 制程中,由于无法将液晶完全纯化,不可避免地会在其中残留一些可移动地离子。在 施加电压时,会受电极上与其极性相反的电荷吸引而向电极移动。从驱动信号到液晶 最后有效接收的电压,几乎皆有可能让液晶存在于直流的成分中,当直流产生后,也 就是离子电荷开始影响液晶的时候。离子效应对液晶的影响,最直接可以看到的可能 是 TFT-LCD 穿透率或对比度的改变,或者是影像残留等现象。 从 IS 形成的原理看, 我们可以知道如果要减少 IS, 可以从以下几个方面来进行: (1)减少 ΔV1,减少 Cell 中杂质离子的影响。 (2)尽可能使 ΔV1 与 ΔV2 接近(离 子中和更快一些) 。其中寻找合适的阶调电压去补偿 DC 残留是最容易实现的一种方 法。因为阶调电压的更改直接在信号处理基板的阶调电压设置部分修改即可。 通过解 析和改善 SVA190SX01TB 的影像残留现象,验证了通过调整阶调电压可以在一定程度 上改善影像残留。



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第五章

全文总结

第五章

全文总结

5.1 主要结论
本文主要研究了 TFT-LCD 的驱动原理, 深入研究 TFT-LCD 的工作电源, 阶调电压, 信号传输,时钟控制等构成驱动系统的各个模块。由于液晶自身的缺点,在画质方面 存在很多不尽如人意的缺点, 如响应速度慢, 长期残像等问题。 通过深入研究 TFT-LCD 的驱动原理,并通过利用驱动改善工程中出现的上述问题。 提高响应速度,需要从下面四个方面进行努力:①减小液晶材料的粘滞系数;② 减小液晶单元盒厚度;③增大液晶材料的介电系数;④增大液晶单元盒驱动电压。由 于液晶材料的自身特性限制, 响应时间的整体提升通过增大液晶单元盒驱动电压的方 法来实现相对容易。基于该原理,采用 Over Driving 技术来提高响应速度。通过实 验的方法,验证了采用 Over Driving 技术可以有效的提高液晶的响应速度,消除液 晶显示器模糊现象。 影像残留产生的原因是液晶中混有杂质离子, 来源于①液晶材料; ②配向膜材料; ③封框胶及垫料;④电极。在制造的过程中,不可避免的会产生上述离子。通过利用 驱动调节阶调电压来减弱长期残像的严重程度。本文通过对 SVA190SX01TB 的解析和 对策过程验证了采用此方法可以在一定程度上减轻影像残留。

5.2 研究展望
提高响应速度以及影像残留一直以来都是各个面板厂商在努力改善的问题点。 到 目前为止,也已经有了一些改善的措施。利用过驱动技术提高液晶响应速度是相对简 单的方法, 其效果也是很明显的。 基于过驱动技术, 又开发了倍帧技术 (Double Frame

Rate, 简称 DFR) 、 倍帧+插黑技术 (DFR+ Black Insertion) 、 倍帧+运动补偿技术 (DFR+ Motion Compensation)、倍帧+扫描背光源(DFR+ Scanning Backlight)等,在接下
来的工作中将有机会深入了解和应用上述技术。 影像残留是因为驱动信号中含有直流 成分,引出残存直流电场而造成影像残留效应。如果是驱动信号的波形为理想的交流 成分,但是 TFT-LCD 的上下配向层(AL),对液晶中离子的吸附程度为不对称,也



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第五章

全文总结

同样容易形成内部上下不对称电场,造成影像残留现象。避免在液晶材料、Cell 段工 艺混入杂质离子一个努力的方面,通过外围驱动的改善也是一个重要的方向,但是这 无法根治只能减轻。所以如何将液晶的纯度,生产的过程中尽量少的混入杂质离子将 成为永久的研究课题。



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参考文献

参 考 文 献

[1] 刘永智,杨开愚. 液晶显示技术.北京:电子科技大学出版社,2000(12). [2] 梁柱. 光学原理教程.北京:北京航空航天大学出版社,2005. [3] Tadashi, Shoji Yasuda, Tokuju Oikawa, Yoji Ito. Review of Viewing Angle Compensation of TN-mode LCDs Using WV Film. SID.2008. [4] 戴亚翔. TFT-LCD 面板的驱动与设计. 台北:五南图书出版股份有限公司. 2006(4). [5] 谷至华. 薄膜晶体管(TFT)阵列制造技术.上海:复旦大学出版社,2007. [6] 高锦鸿,董友梅. 液晶与平板显示技术. 2007(6). [7] 张兴,黄如,刘晓彦. 微电子学概论.北京:北京大学出版社,2005. [8] NEC LCD Technologies Ltd. LCD の製品概要?原理. 2004 [9] 应根裕. 平板显示技术.北京:人民邮电出版社,2002. [10] 范志新. 液晶器件工艺基础.北京:北京邮电出版社,2000. [11] 杨虹,凌志华,王刚,唐志勇等.高画质、低功耗的 TFT LCD 直接驱动方法.液晶与显示,1999.
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上海交通大学工程硕士学位论文

致谢





本文在写作过程中,得到李荣玉导师、张徐高级工程师的悉心 指导,并得到许多同事的支持,在此一并表示感谢!



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上海交通大学工程硕士学位论文

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

[1] 顾筠筠,李荣玉,邱永亮. TFT-LCD 的过驱动技术及其发展.《现代显示》.2008(7):33-36



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