基于TFT-LCD下的Flicker 研究與優(yōu)化

李東華

(廈門天馬微電子有限公司， 福建 廈門 361000)

1 引 言

近幾年，隨著技術(shù)的發(fā)展，薄膜晶體管(TFT)的技術(shù)不斷發(fā)展優(yōu)化，薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)迅速成為市場主流顯示屏。而TFT-LCD顯示屏仍存在很多的問題，比如畫面閃爍會導(dǎo)致眼睛不適[1]。

面板在顯示時會進行正負幀電極性的切換，當(dāng)正幀與負幀的亮度不一致時，正負幀切換會導(dǎo)致產(chǎn)品畫質(zhì)出現(xiàn)亮暗的交替變換和畫面閃爍。尤其在低頻下，由于產(chǎn)品刷新頻率降低，閃爍問題將更加嚴重，提升產(chǎn)品的顯示品質(zhì)至關(guān)重要。前期研究人員[2-3]已經(jīng)對跳變電壓(Kickback Voltage)和漏流等電性角度的閃爍(Flicker) 性能進行了分析研究。林鴻濤等人[4]除了關(guān)注基本漏流等因素分析Flicker 外，同時也關(guān)注了Flicker 的漂移現(xiàn)象。徐麗燕等人[5]從光照引發(fā)液晶離子增多的方向進行Flicker 漂移的因素釋義。閆亮等人[6]從面板驅(qū)動架構(gòu)角度論證各種驅(qū)動方式對閃爍的影響。依據(jù)前期的研究[7]發(fā)現(xiàn)，若出現(xiàn)兩像素大小不一致的現(xiàn)象，同時在設(shè)計上公共電壓(VCOM)匹配差異大，就會導(dǎo)致畫面閃爍的顯示差異。李鑫等人[8]從TFT器件工藝角度出發(fā)，通過調(diào)整工藝參數(shù)影響器件特性能力，從而對薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD) Flicker 能力進行相關(guān)性的研究。章涵敏的研究[9]則從電壓自動調(diào)節(jié)角度，進行顯示屏閃爍自動修正的研發(fā)。

本文主要從液晶材料的角度出發(fā)，研究LCD產(chǎn)品的Flicker 性能。通過對液晶的不同參數(shù)進行光學(xué)仿真測試，研究分析Flicker 下液晶與電場相互作用下的光學(xué)模式，從而最終收斂出性能相關(guān)因子。這對產(chǎn)品的性能提升具有一定的指導(dǎo)意義，同時也為LCD Flicker性能的研究提供新的思路，為提升產(chǎn)品在顯示乃至低頻刷新頻率下的畫面品質(zhì)打下良好基礎(chǔ)。

2 仿真設(shè)計分析

面板采用的像素電極寬度長度之比(ITOW/L) 的設(shè)計方案是基于穿透率、對比度等設(shè)計角度確定的，由于現(xiàn)階段市場對在低頻下的畫面閃爍品質(zhì)有一定的要求，這就對ITO的W/L提出了新的要求，同時也同步考量液晶的影響。本研究基于Techwiz 軟體下對不同W/L進行穿透率仿真確認，通過

Flicker(%)=(Vmax-VMin)/
[(Vmax+VMin/2)]×100%，

(1)

公式(1)考量閃爍品質(zhì)，從而通過仿真，考量不同ITO的設(shè)計方案以及液晶的不同響應(yīng)時間對畫面閃爍能力的影響程度。式中Flicker(%)為閃爍能力評估值，Vmax為最大穿透率，VMin為最小穿透率。

2.1 不同W/L ITO設(shè)計評估仿真

通過不同ITOW/L設(shè)計，結(jié)合液晶的撓曲電效應(yīng)，對Flicker性能進行仿真評估，仿真結(jié)果如圖1所示。隨著ITOW/L的變化，F(xiàn)licker 呈現(xiàn)先減后增的光學(xué)性能，通過不同的W/L下的穿透率仿真波形可知，隨著正負幀電壓的變化，LC在不斷翻轉(zhuǎn)，從而造成穿透率的波動變化，進而產(chǎn)生畫面閃爍，而隨著W/L越來越接近1，液晶撓取電效應(yīng)所造成的閃爍程度風(fēng)險也達到最低。

圖1 (a) Flicker(%)與ITO W/L的關(guān)系圖；(b) 穿透率與電壓(T-V)圖。Fig.1 (a) Relationship between Flicker(%) and ITO W/L；(b) Transmittance and voltage graph (T-V).

2.2 不同的液晶響應(yīng)時間仿真

通過分析液晶旋轉(zhuǎn)黏度的梯度變化，仿真確認Flicker情況如圖2所示，圖2(a)是在不同液晶黏度下VCOM偏壓為-0.1 V時的穿透率隨著時間變化的仿真結(jié)果。從圖中分析可知，VCOM偏壓為-0.1 V時，高黏度系數(shù)的液晶旋轉(zhuǎn)時間加長，這會導(dǎo)致一幀時間內(nèi)穿透率變化幅度的降低。因此從畫質(zhì)表現(xiàn)上來看，F(xiàn)licker 性能更佳。從圖2(b)可知，黏度系數(shù)越大，仿真Flicker性能越佳。

圖2 (a)同參數(shù)黏度下的穿透率隨著時間的變化；(b) 不同黏度系數(shù)下的Flicker。Fig.2 (a)Variation of penetration rate with parameter viscosity over time; (b) Flicker under different viscosity coefficients.

3 實際產(chǎn)品確認與討論分析

3.1 不同液晶參數(shù)黏度下的Flicker 性能

3.1.1 Flicker 亮度測試

圖3(a)是對面板的Flicker 畫面的亮度測試圖譜，主要顯示了不同VCOM下的亮度隨時間變化的結(jié)果。結(jié)合VCOM分別為-0.29 V和-0.25 V時的兩條圖譜曲線，可以看到，上平坦區(qū)在VCOM=-0.29 V時的亮度明顯高于VCOM=-0.25 V時的結(jié)果。由此可以推斷，亮度上平坦區(qū)為正幀發(fā)光，下平坦區(qū)為負幀發(fā)光。佘曉飛[10]等人的研究表明，目前LCD屏內(nèi)占主導(dǎo)離子的是負離子，正負幀發(fā)光區(qū)域分別為像素電極空隙(ITO Space) 和像素電極(ITO Slit)。因此可以得出結(jié)論，即如圖3(b)、(c)所示，在正幀時，盒內(nèi)離子主要分布在像素電極區(qū)域，且像素電極區(qū)域相對像素電極空隙區(qū)域小，對正幀亮度變化影響較小，導(dǎo)致正幀亮度維持能力較好；而在負幀時，盒內(nèi)離子主要分布于像素電極空隙區(qū)域，同時像素電極空隙區(qū)域相對較大，對負幀亮度變化影響大，導(dǎo)致負幀亮度維持能力較差。

圖3 (a)不同VCOM下的Flicker畫面亮度隨時間波動；(b)正幀； (c)負幀。Fig.3 (a) Brightness of Flicker pattern under different VCOM fluctuates over time; (b) Positive frame; (c) Negative frame.

3.1.2 產(chǎn)品測試理論分析

結(jié)合液晶響應(yīng)時間的變化，從亮度波動的角度分析，低響應(yīng)時間的液晶會導(dǎo)致面板在相同VCOM偏壓下亮度變化幅度減小。體現(xiàn)在Flicker 深度性能上，面板在搭配低響應(yīng)時間液晶的情況下，其亮度變化幅值更小，F(xiàn)licker 跨階更大，如圖4所示。

圖4 Flicker畫面亮度波動圖譜Fig.4 Flicker pattern brightness fluctuation

圖5 液晶響應(yīng)時間與跨階性能Fig.5 Liquid crystal response time and cross-order performance

3.2 產(chǎn)品Flicker 性能測試

圖5所示為對不同響應(yīng)時間的液晶的Flicker跨度(Spec<-30 dB)與響應(yīng)時間的測試數(shù)據(jù)。從測試數(shù)據(jù)上看，隨著測試樣品響應(yīng)時間的增大，產(chǎn)品的Flicker 跨接明顯增大，與仿真結(jié)論一致。這主要是因為產(chǎn)品所搭乘的液晶響應(yīng)時間越長，在相同的VCOM偏置下，產(chǎn)品的亮度變化幅度越小，F(xiàn)licker跨階越大。

4 結(jié) 論

通過對TFT-LCD面板進行不同VCOM下的產(chǎn)品亮度能力測試，確認了在像素電極的不同區(qū)域，因為發(fā)光區(qū)域的不同以及離子運動聚集效應(yīng)的存在，導(dǎo)致了負幀亮度下的平坦區(qū)亮度維持能力較差和正幀亮度下的平坦區(qū)亮度維持能力較優(yōu)的現(xiàn)象。同時依據(jù)對不同響應(yīng)時間下的產(chǎn)品Flicker 能力測試結(jié)果，通過對比液晶響應(yīng)時間的差異優(yōu)化，實現(xiàn)Flicker能力跨階從8階增大至10階的優(yōu)化。最后結(jié)合仿真驗證，收斂出相關(guān)Flicker 性能的液晶響應(yīng)時間因子，建立起面板閃爍的液晶發(fā)光行為理論，這將有助于產(chǎn)品顯示能力的提升，并為后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)方向提供借鑒。