降低數據線負載的像素設計

蘇秋杰，高玉杰，繆應蒙，王永垚，朱 寧，趙重陽，廖燕平，邵喜斌

(北京京東方顯示技術有限公司，北京100176 )

1 引 言

液晶顯示(LCD)技術具有輕薄化、低功耗、無輻射、低成本等諸多優點，已成為目前主流的顯示技術，在各類顯示產品中均有應用[1]，在這些電子顯示設備中，屏幕顯示系統消耗了大部分能量[2]。中小尺寸液晶顯示設備因其具有移動作業需要，對面板功耗要求一直比較嚴苛；大尺寸面板方面，隨著市場對高端顯示產品需求的攀升，各大面板廠商陸續推出1 651 mm(65 in)及以上的大尺寸液晶面板，在制程和工藝條件不變的情況下，面板數據線負載會隨著面板尺寸變大而增長；高分辨率及高刷新頻率產品，如TV 8K、UHD 120 Hz，已經在各大展會亮相，是未來顯示技術發展的必然趨勢。 然而，大尺寸、高分辨率會引起面板信號線負載增大，信號延遲嚴重以及功耗上升，不僅影響畫面品質而且會帶來諸如數據線IC溫度過高等不容忽視的問題。

面板廠商和科研機構針對降低顯示設備功耗提出了很多改善方法，現有的低功耗設計包括PCBA最佳設計、應用于高分辨率產品的低功耗FPGA設計、高效率的驅動IC、面板驅動方式、背光、新接口設計以及面板與后端系統的優化搭配等[3-7]。

液晶面板內的驅動信號線主要包括控制顯示區TFT開啟的柵極線以及提供畫面數據的數據線，其中數據線負載是影響面板功耗的主要因素之一[5]。本文提出了一種降低面板功耗的設計， 從減小面板數據線負載入手，進而降低面板功耗。本文設計了一種倒置U型的像素區TFT(Thin film Transistor,薄膜晶體管)，搭載23.6 HD ADS 產品驗證了這種倒置U型TFT設計，基于a-Si工藝，采用4mask掩模板，與常規的U型TFT設計面板進行對比，測試結果表明，此種設計使數據線負載電容下降24%，功耗下降10%，源IC溫度下降7.1%。不需要變更工藝制程，也無需增加掩模板數量，且不增加成本，為大尺寸、高分辨產品功耗降低提供了良好技術積累。

2 倒置U型TFT設計

2.1 傳統像素TFT設計-U型

薄膜晶體管(Thin film transistor, TFT)是TFT-LCD面板的重要組成部分。較為常見的TFT平面布局如圖1(a)所示，一個TFT包含3個端子，柵極 (Gate),源極(Source)和漏極(Drain)；有源層(Active)為半導體材料；漏極與數據線相連；TFT漏極形狀一般為U字型，這種U型設計能夠在有限的面積內實現更大TFT寬長比，本文稱之為U型TFT，TFT的截面圖如圖1 (b) 所示，最底層金屬為柵極，之后沉積柵絕緣層(SiNX或 SiO2)，然后做出有源層，源漏之間的電子在有源層中發生遷移，之后做出源極和漏極金屬層，此圖示僅代表TFT制作工藝流程。TFT具有開關特性，通過在3個端施加電壓控制源極與漏極之間的電流，從而將TFT打開與關閉[8]。

圖1 (a)U型TFT平面圖；(b)TFT截面圖。Fig.1 (a) Top view of U-type TFT; (b) Section view of U-type TFT.

2.2 負載與功耗

把電能轉換成其他形式能的裝置叫做負載， 液晶面板的負載主要指驅動信號線負載以及數據信號線負載。數據信號線上負載包括電容C和電阻R兩部分。電阻R主要為數據線金屬走線的電阻，本文不做具體闡述；數據線負載電容C主要源于數據線與柵極、公共電極、像素電極間的電容，會隨數據線傳輸電平信號的切換進行充放電，這個過程會有電流產生，電流流經數據線電阻，消耗電能，功耗與數據線負載電容C呈正比，即負載電容越大，功耗越高；負載電容越小，功耗越低。

電容C主要包括金屬電極間產生的交疊電容Coverlay以及金屬電極間存在的邊緣電場電容Cfringe，如圖2所示。

圖2 電容C截面Fig.2 Section view ofC

平行板交疊電容Coverlay計算公式見公式(1)，(側向電容值主要依靠3D電容模擬軟件獲得)

(1)

其中：ε為介質介電常數，S為兩個金屬電極的交疊面積，π為圓周率，k為靜電常數，d為兩個金屬電極之間介質的厚度。傳統的U型TFT設計，數據線與柵線的交疊電容是數據線電容的重要組成部分，柵極與數據線的交疊面積S如圖3中所示，由公式(1)可知，電容C與交疊面積S大小成正比。

圖3 U型TFT數據線與柵線的交疊面積Fig.3 Overlay area between data line and gate line of U-type TFT

2.3 新型TFT設計-倒置U型

本文設計了一種倒置U型的像素TFT，平面圖如圖4(a)所示，將TFT中面積較大的 U型金屬作為源極，而面積較小的“舌頭”金屬作為漏極，與數據線相連，此種設計減小了數據線和柵極之間的交疊面積，交疊面積示意圖如圖4(b)所示，通過降低數據線負載電容來降低面板功耗。

圖4 (a) 倒置U型TFT平面圖；(b) 倒置U型柵極與漏極的交疊面積。Fig.4 (a)Top view of inverted U-type TFT; (b) Overlay area between data line and gate line of U-type TFT.

3 結果與討論

3.1 實驗樣品介紹

為驗證倒置U型TFT設計對面板性能的實際影響，我們采用a-Si、4mask工藝流程，將倒置U型TFT設計搭載在598 mm(23.6 in)雙柵ADS產品上進行了實驗驗證，為節約驗證面板占用空間，實現資源集約化利用，在不影響驗證效果的前提下，實驗設計的每個面板尺寸相當于598 mm(23.6 in)的一半(下文稱之為23.6HD Half)，分辨率為1 366×384，幀頻為60 Hz，像素大小為381.75 μm×381.75 μm,像素區域TFT 寬長比W/L=42 μm/3.5 μm，采用雙柵設計，每一行像素的充電時間為10.4 μs。將常規的TFT設計與倒置U型的TFT設計分別應用在在兩塊面板中，除像素區TFT布局方式不同之外，兩塊面板的其他設計完全相同。通過對兩種面板的負載、功耗、IC溫度、flicker等性能參數的測試，對比分析出倒置U型TFT設計的優劣。分別取采用常規TFT設計的面板與采用倒置U型TFT設計的面板，在相同的測試條件下進行各項參數的實驗測試，包括光學參數測試，數據線負載測試，源 IC溫度及功耗測試，flicker及殘像測試,以下實驗數據均在常溫測試條件下得到。

圖5為搭載倒置U型面板的實物圖，圖中點屏畫面為綠畫面。

圖5 倒置U型面板點屏圖片Fig.5 Picture of inverted U-type TFT panel

圖6為采用常規U型TFT設計(a)與倒置U型TFT設計(b)的像素光學顯微鏡照片。

圖6 U型TFT(a)與倒置U型TFT(b)的光學顯微鏡圖片Fig.6 Optical microscope picture of U-type TFT(a) and inverted U-type TFT(b)

3.2 光學參數測試

選取常規U型TFT設計以及倒置U型TFT設計的面板各3片，搭載相同的背光源，采用FPMS 65(光度色度分布測量系統)設備，對樣品的色度、亮度、對比度，可視角度等光學參數進行測量，測量結果見表1(表中所列為每種樣品3片的平均值)。

由表1結果對比可以看出，采用倒置U型TFT設計的面板光學參數與采用常規TFT設計的面板光學參數基本一致。

3.3 數據線負載測試

前文提到倒置U型TFT設計主要通過減小數據線與柵線之間的交疊面積來減小交疊電容。我們分別利用華大九天軟件模擬了兩種面板一整條數據線的電阻值，利用Techwiz3D軟件模擬了兩種面板一整條數據線的電容值，對比結果如表2 數據線負載模擬值所示。

表1 樣品的光學參數對比Tab.1 Optical data contrast of the samples

表2 數據線負載模擬值Tab.2 Data load simulation result

從軟件模擬的負載結果來看，兩種面板的負載電阻值一致，倒置U型TFT面板的負載電容值相較于常規TFT面板下降了27%。

一整條數據線上的負載均勻分布在每個像素中，若將整條數據線上的電阻和電容分別分為N個單元，即每個單元的電阻為Rn=R/N，Cn=C/N, 則該條信號線上的信號延遲時間為τ=N(N+1)RnCn/2[9], 信號延遲時間與RC乘積成正比，數據線上的負載RC會造成數據信號傳輸延遲，數據線在PCB遠端與近端均存在信號延遲，而兩端的延遲時間差值則是由負載RC造成的。采用Tektronix示波器測試了兩種面板的數據線在PCB近端與遠端的信號延遲時間，延遲時間取數據信號脈沖下降沿由90%下降到10%所需要的時間， 以此下降時間來反推負載情況。分別得到常規TFT面板與倒置U型TFT面板的PCB近端與遠端延遲差值T1與T2，T1與T2的比值即為兩種面板數據線負載的比值。表3為實測數據線信號延遲時間。

表3 實測數據線信號延遲Tab.3 Data delay measurement result

由表3可知常規TFT面板負載造成的信號延遲時間為0.084 μs，而倒置U型TFT面板造成的信號延遲時間為0.064 μs，倒置U型負載造成的信號延遲時間下降了24%，可以認為倒置型TFT面板數據線負載實際值下降了24%， 與負載模擬結果下降27%非常接近。因此，我們可以得出，應用于23.6 HD Half產品上的寬長比為42/3.5的TFT，采用倒置U型方式設計，使數據線的負載RC下降了20%以上，兩種面板的數據線電阻基本相等，因此負載的下降主要原因是負載電容減小。

3.4 源IC溫度以及功耗測試

23.6HD Half面板采用2顆1 026 channel的源 IC驅動， 在重載畫面灰階255下，兩種面板分別取2片樣品，待源 IC溫度穩定后，使用FLTR T420熱成像儀測量源 IC溫度，同時測量重載畫面(灰階255)下整個面板的功耗(不含背光)。結果見表4 源 IC溫度和功耗測量，由表可知，倒置U型TFT面板源 IC溫度均值較常規TFT設計下降7.1%，功耗下降10%。

表4 源IC溫度和功耗測量Tab.4 Source IC temperature & power measurement

3.5 閃爍漂移測試

一般地， 液晶顯示器在正常工作時， 為防止液晶老化， 數據線提供的像素電壓極性以公共電極Vcom電壓為中心周期性變化， 當正負極性電壓絕對值不等時， 在特定畫面下會出現閃爍，稱之為flicker現象[10]。倒置U型TFT通過將TFT源漏極互換使TFT漏極與柵極交疊電容降低，實現了數據線負載電容降低，但是TFT柵極與源極的電容Cgs會增加，當柵極電壓由高電平跳變到低電平時，電容的耦合作用會使像素電極電壓也發生向下的跳變, 跳變幅度為ΔVp，見公式(2),其中Cgs為柵源電容，VGH為柵極高電平，VGL為柵極低電平，Cst為公共電極與像素電極間的存儲電容，Clc為一個像素對應的液晶電容。

(2)

由公式(2)可以看出，較大的Cgs值會導致柵極電壓向下跳變時，像素電極電壓向下跳變幅度ΔVp也更大，即倒置U型TFT設計相較U型TFT設計有更大的像素電壓跳變值。考慮到Cgs的這種耦合效應， 為使面板的閃爍值最小，倒置U型TFT面板Vcom電壓相對于常規TFT設計面板應該繼續下調，以保證正負極性相對于Vcom的電壓差相等。在閃爍畫面下，用色彩分析儀(CA310)觀察閃爍值，將Vcom電壓調節至閃爍值最小。取U型TFT面板與倒置U型TFT面板各3片， 分別調節閃爍值至最優，對應的Vcom電壓如圖7所示。

圖7 閃爍值最小時對應的Vcom電壓Fig.7 Voltage ofVcomwhen flicker is lowest

本文中的23.6HD Half面板采用常規TFT設計時,3片樣品Vcom電壓分別調節至7.41，7.41，7.4 V時閃爍最小；采用倒置U型TFT設計時，3片樣品Vcom電壓分別調節至6.38，6.44，6.53 V時閃爍最小，平均值較常規TFT設計的面板下調0.957 V。

在面板使用過程中，閃爍值會隨著時間漂移。本文分別測試了兩種面板在60 min內的閃爍漂移情況。測試方法為： 0 min時 , 調節Vcom電壓，使閃爍至最小，之后每隔1 min，記下閃爍漂移數據。各取3片樣品，得到如圖8所示的閃爍漂移曲線。

圖8 U型和倒置U型面板的閃爍漂移曲線Fig.8 Flicker shift curve of U-type and inverted U-type panel

60 min后，兩種面板均存在一定程度漂移，且漂移程度基本一致，漂移后的閃爍值仍滿足面板設計要求。

4 結 論

本文介紹了一種AA區倒置U型TFT設計，通過將原有的U型TFT源極和漏極金屬形狀互換，實現了漏極與柵極交疊面積減小，相當于數據線與柵線間的交疊電容減小，降低了數據線的負載。搭載23.6HD ADS Half產品對這種設計進行了驗證，并與U型TFT設計進行了對比，實驗結果表明，倒置U型設計負載降低了24%，源IC溫度降低7.1%，功耗降低10%；通過Vcom調節，倒置U型的閃爍滿足Spec要求，并且60 min內的閃爍漂移量與U型TFT面板水平相當；倒置U型TFT面板的光學參數測試結果與U型TFT面板基本一致，在不變更工藝條件，不增加成本的前提下，實現了數據線信號延遲時間減小，源IC溫度降低，面板功耗降低。該研究為大尺寸，低功耗，高分辨產品提供了設計參考及改善方向。