一種可預測TFT-LCD垂直串擾水平的定量分析方法

周 焱，袁劍峰，吳海龍，但 藝，毛大龍，付劍波，朱海鵬

(京東方科技集團股份有限公司 重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400700)

1 引 言

在TFT-LCD的發展歷程中，長期存在一些顯示不良問題，比如殘像、串擾等[1-3]。人們將串擾(crosstalk)定義為整個屏幕中某一區域的顯示會受到另一區域的影響，而造成畫面失真的一種顯示異常現象。由于TFT-LCD的像素在水平方向和垂直方向上呈陣列形式排列，故串擾現象分為水平串擾(Horizontal crosstalk)和垂直串擾(Vertical crosstalk)兩種。水平串擾與時間響應因素相關，機理是數據線與共電極之間的耦合電容Cdc使得共電極電壓發生偏離造成的。垂直串擾與數據線和像素之間的相互作用相關，機理有兩種：一是數據線與像素電極之間的耦合電容Cpd使得像素電極電壓發生偏離，二是TFT關閉時漏電使得像素電壓發生偏離[4-5]。

隨著TFT-LCD產品朝著高分辨率、高開口率方向發展，像素尺寸和線寬線間距被設計得越來越小，單根信號線上的像素和TFT數量越來越多。信號線之間的電磁干擾和像素之間的電容耦合作用加劇[6]。同時，a-Si技術發展到現在，a-Si特性已到達瓶頸，TFT漏電流已經難以進一步降低。這些原因都會導致串擾問題在高分辨率TFT-LCD產品上變得較為突出[7-8]。業內通常采用VESA 2.0測試標準來表征串擾水平，目前還并沒有一種可預測串擾水平的定量分析方法。

本文針對垂直串擾發生機理，提出了一種可預測垂直串擾水平的定量分析方法。首先，通過分析垂直串擾機理，得到了垂直串擾現象與源電壓差之間的定性對應關系。然后，通過分析V-T曲線，得到了亮度變化與源電壓差之間的關系即亮度差公式，進而可直接得到不同畫面下的垂直串擾水平。最后，將計算得到的結果與VESA 2.0測試結果進行比較，串擾變化趨勢吻合度很高，證明了亮度差公式和此分析方法的可靠性。實驗結果證明，此方法可用于定量地研究TFT-LCD產品的垂直串擾問題，為改善這類不良提供了新工具。

2 垂直串擾機理與像素電壓變化

2.1 垂直串擾的發生機理

圖1為TFT-LCD像素結構示意圖。在像素充電完成TFT關閉后，源極數據線與像素電極本應處于完全斷開狀態，但當源極數據線給其他行像素充電時，數據線電壓發生變化，數據線與此像素電極之間的耦合電容Cpd會拉動像素電極電壓發生偏離，導致亮度發生改變，產生垂直串擾現象。另外，如果TFT關閉后漏電流過大(即Ioff大)，數據線電極電壓發生變化后與像素電極形成壓差，像素電極電壓會通過TFT漏電而發生偏離，同樣會導致亮度改變，產生垂直串擾現象。故垂直串擾的發生機理有兩種：一是Cpd電容耦合機理，二是TFT漏電機理。

圖1 TFT-LCD像素結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of TFT-LCD pixel structure

2.2 電容耦合機理下的像素電壓變化

在不同的顯示模式和反轉方式下，Cpd電容耦合機理產生的垂直串擾現象是不一樣的。下面分別對TN/ADS兩種顯示模式、幀反轉/行反轉/列反轉3種反轉方式情況下的垂直串擾現象進行說明和分析。

2.2.1 幀反轉方式

在幀反轉的情況下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖2所示。假設要顯示的圖像為灰階背景+黑窗口如圖2(a1)所示，假設正極性幀中像素A1所在行TFT開啟后，像素A1充電至L127灰階上，隨后本行TFT關閉。直到黑窗口區域水平范圍內第一根掃描線開啟時，垂直方向的源數據線將輸出更高的電壓，由于電容耦合效應，這些數據線上的電壓變化會導致像素A1和A2的電壓被拉高。此時，像素A1已開啟并充電，像素A2尚未開啟，仍保持上一負極性幀中的電位，它們的像素電極波形如圖2(a3)所示。對于像素A1而言，其像素電極與公共電極之間的電壓差變大，實際顯示的灰階更暗；對于像素A2而言，其像素電極與公共電極之間的電壓差變小，實際顯示的灰階更亮，故呈現出上黑下白的垂直串擾現象如圖2(a2)所示。如果要顯示的圖像為灰階背景+白窗口如圖2(b1)所示，則會呈現出上白下黑的垂直串擾現象如圖2(b2)所示。

圖2 基于電容耦合機理的TN型幀反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.2 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type frame inversion based on capacitive coupling mechanism

對于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖3所示。波形分析與TN型類似，黑、白窗口對應產生的垂直串擾現象與TN型相同。

圖3 基于電容耦合機理的ADS型幀反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.3 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type frame inversion based on capacitive coupling mechanism

2.2.2 行反轉方式

在行反轉的情況下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖4所示。假設要顯示的圖像如圖4(a1)所示，此時數據線上的像素A1和A2電壓波形如圖4(a3)所示。同幀反轉一樣，數據線上的電壓變化會將像素A1和A2的電壓一時拉高一時拉低，因此實際顯示的灰階需考慮正負極性幀的綜合效果，垂直串擾現象整體比較輕微。如果要顯示的圖像為灰階背景+白窗口如圖4(b1)所示，則會呈現出上白下白的垂直串擾現象如圖4(b2)所示。

圖4 基于電容耦合機理的TN型行反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.4 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type line inversion based on capacitive coupling mechanism

對于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖5所示。與TN型類似，黑窗口呈現出上黑下黑的垂直串擾現象如圖5(a2)所示，白窗口串擾比較輕微。

圖5 基于電容耦合機理的ADS型行反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.5 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type line inversion based on capacitive coupling mechanism

2.2.3 列反轉方式

在列反轉的情況下，由于相鄰數據線的極性相反，需要考慮像素電極與自身數據線之間的耦合電容以及像素電極與相鄰數據線之間的耦合電容。如果這兩個耦合電容值相等，由于極性相反可以產生相互抵消的效果。如果這兩個耦合電容值不相等，它們之間的差別仍可能導致垂直串擾現象，只是在耦合效應抵消之后會比幀反轉和行反轉小得多。

對于TN型TFT-LCD而言，當像素電極受自身數據線的耦合電容影響大于相鄰數據線時，垂直串擾現象和電壓波形與幀反轉情況相同，但程度相對較輕；當像素電極受相鄰數據線的耦合電容影響大于自身數據線時，垂直串擾現象和電壓波形與幀反轉情況相反。黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖6所示。

圖6 基于電容耦合機理的TN型列反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.6 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type column inversion based on capacitive coupling mechanism

圖7 基于電容耦合機理的ADS型列反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.7 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type column inversion based on capacitive coupling mechanism

對于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖7所示，與TN型類似。

2.3 TFT漏電機理下的像素電壓變化

由于a-Si TFT始終存在一定的漏電流(Ioff)，在像素電壓保持階段，像素電極會漏電到自身的數據線上造成像素電壓的變化，產生垂直串擾不良。在不同的顯示模式和反轉方式下，TFT漏電機理產生的垂直串擾現象同樣是有差別的。由于像素電極的漏電只能往自身數據線進行，與相鄰數據線無關，故列反轉與幀反轉方式下的垂直串擾情況完全相同。下面分別對TN/ADS兩種顯示模式、幀反轉/行反轉兩種反轉方式情況下的垂直串擾現象進行說明和分析。

2.3.1 幀反轉方式

在幀反轉的情況下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖8所示。

圖8 基于TFT漏電機理的TN型幀反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.8 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type frame inversion based on TFT leakage mechanism

假設要顯示的圖像為灰階背景+黑窗口如圖8(a1)所示，比較像素A1和A2。位于上方的像素A1，在第一條掃描線開啟之后，假設約于1/6的幀時間寫入像素電壓，之后約5/6的幀時間內，其對應的數據線電壓與像素電壓極性相同；然后進入下一幀，寫入電壓的極性反轉，此時約有1/6的幀時間，像素電壓與數據線上的電壓極性相反。位于下方的像素A2，在第一條掃描線開啟之后，約于5/6的幀時間寫入像素電壓，之后約1/6的幀時間內，其對應的數據線電壓與像素電壓極性相同；然后進入下一幀，寫入電壓的極性反轉，約有5/6的幀時間，像素電壓與數據線上的電壓極性相反。也就是說，像素A1約有1/6的時間向極性相反的電壓漏電，像素A2約有5/6的時間向極性相反的電壓漏電。因此，像素A2因為漏電而導致的電壓變化值會比像素A1嚴重。由于TFT漏電的時間比例，會隨著掃描順序由上往下變動，會在灰階背景中呈現出漸變效果。受到黑窗口影響，像素A1會向同極性的數據線漏電導致電壓升高而發黑，像素A2會向極性相反的數據線漏電導致電壓升高而發白，同時在A1和A2區也會產生漸變的垂直串擾現象。

如果是要顯示的圖像為灰階背景+白窗口如圖8(b1)所示，像素A1會向同極性的數據線漏電導致電壓下降而發白，像素A2會向極性相反的數據線漏電導致電壓升高而發白，同時在A1和A2區也會產生漸變的垂直串擾現象。

圖9 基于TFT漏電機理的ADS型幀反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.9 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type frame inversion based on TFT leakage mechanism

對于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖9所示。受到黑窗口影響，像素A1會向同極性的數據線漏電導致電壓下降而發黑，像素A2會向極性相反的數據線漏電導致電壓升高而發黑，同時在A1和A2區也會產生漸變的垂直串擾現象。受到白窗口影響，像素A1會向同極性的數據線漏電導致電壓上升而發白，像素A2會向極性相反的數據線漏電導致電壓升高而發黑，同時在A1和A2區也會產生漸變的垂直串擾現象。

2.3.2 行反轉方式

在行反轉的情況下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖10所示。假設要顯示的圖像為灰階背景+黑窗口如圖10(a1)所示，像素A1和像素A2的電壓因為數據線上的正負極性電壓變化時而上升時而下降，整體來看沒有明顯升高或降低，故垂直串擾現象輕微不可見。如果要顯示的圖像為灰階背景+白窗口如圖10(b1)所示，像素A1的正極性電壓因為數據線上的電壓變化整體有所下降，像素A2的負極性電壓因為數據線上的電壓變化整體有所上升，故呈現出上白下白的垂直串擾現象。

圖10 基于TFT漏電機理的TN型行反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.10 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type line inversion based on TFT leakage mechanism

圖11 基于TFT漏電機理的ADS型行反轉垂直串擾現象和波形分析Fig.11 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type line inversion based on TFT leakage mechanism

對于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口畫面的垂直串擾現象和像素電壓波形分析如圖11所示。原理與TN型類似，黑窗口下呈現出上黑下黑的垂直串擾現象，白窗口下垂直串擾輕微不可見。

3 垂直串擾分析方法

3.1 VESA2.0標準測試方法

為了檢驗產品的光學特性是否滿足設計要求需對產品的光學特性進行評估，美國視頻電子標準協會(VESA)針對平板顯示界面接口和電氣特性方面制定相關標準，其中平板顯示測量方法已被廣泛應用于顯示領域，目前推出的新版本為VESA 2.0標準，其中就包括Crosstalk評價方法。Crosstalk測試方法與面板示意圖如圖12所示。

圖12 VESA 2.0方法測試串擾示意圖Fig.12 Schematic diagram of Crosstalk tested by VESA 2.0

當顯示如圖12(a)的純灰階背景畫面時，用亮度測量儀(如PR730等)測量在背景灰階分別為L0，L4，……，L255(間隔4灰階)畫面下P1和P2點的亮度值L1j，L2j(j=0，4，……，255)。將畫面切換至如圖12(b)的背景灰階+黑窗口的窗口畫面，用亮度測量儀(如PR730等)分別測量在背景灰階分別為L0，L4，……，L255(間隔4灰階)+黑窗口畫面下P1和P2點的亮度值L1n，L2n(n=0，4，……，255)。則測量出的垂直和水平串擾值分別為：

(1)

(2)

其中，n=j=0,4，……，255。

VESA 2.0方法評價串擾水平的原理實際上就是測量窗口畫面下各個背景灰階的亮度變化率，取各個灰階下的最大值代表串擾水平。窗口畫面可采用黑窗口、白窗口或其他顏色窗口。

VESA方法只是一個測量方法，將主觀的串擾現象轉換為客觀的數值，有利于衡量和比較產品的串擾水平。在沒有測量亮度的情況下，目前還沒有方法能夠得到產品的串擾水平。因此，本文提出了一種在不測量亮度情況下的垂直串擾水平分析方法。

3.2 電壓-透過率曲線分析

由于垂直串擾機理與像素電壓變化有關，串擾現象是亮度變化的直觀反映，故考慮分析電壓-透過率(V-T)曲線，從中得到亮度變化與電壓差的關系[9-11]。

TN常白模式和ADS常黑模式的V-T曲線分別如圖13(a)和圖13(b)所示。V-T曲線上的點橫軸為源極數據線電壓，縱軸為對應的歸一化亮度(最大亮度為100%)。由于V-T曲線是通過給數據線外加直流電壓來測量的，不存在電容耦合和漏電等問題，可認為曲線上的數據線電壓與對應灰階的像素電壓沒有差別。

圖13 TN和ADS模式電壓-透過率曲線Fig.13 V-Tcurves of TN and ADS modes

下面從V-T曲線的角度來描述串擾現象。如圖13(b)所示，假設ADS模式下純灰階L127畫面在V-T曲線上對應的點為P1，純灰階L127畫面+黑窗口的窗口畫面在V-T曲線上對應的點為P1’。P1和P1’兩點越接近則表示串擾程度越輕，兩點距離越遠則表示串擾程度越重。P1和P1’兩點的橫坐標的差值代表了背景畫面和窗口畫面下像素電壓的變化，縱坐標的差值代表了背景畫面和窗口畫面下亮度的變化。

3.3 垂直串擾分析方法

通常串擾產生的亮度變化幅度較小即P1和P1’兩點比較接近，P1和P1’連線的斜率可近似為P1點在V-T曲線上的斜率，故亮度變化與電壓變化的關系式可表達為：

|ΔL|=kα|ΔV|，

(3)

其中:|ΔL|為背景畫面與窗口畫面的亮度差值，k為背景灰階畫面在V-T曲線對應點的斜率，α為耦合電壓拉動系數或漏電電壓降系數，|ΔV|為耦合電壓幅值差或漏電SD壓差。

α是未知數，與|ΔV|相關，若|ΔV|變化不大，可認為α是一常數。|ΔV|的大小可通過Cpd耦合或者TFT漏電機理的壓差直接求得。k為常數，可通過V-T曲線求得。因此，在不測量亮度的情況下即可求得亮度的變化|ΔL|，從而判斷垂直串擾水平。|ΔL|/L即是VESA方法評價的串擾值。

4 實驗結果與討論

為了驗證此垂直串擾分析方法和公式(3)的準確性，分別對不同窗口下的垂直串擾和不同背景下的垂直串擾進行定性和定量地分析。本實驗采用蘇州弗士達公司光學測量系統測量串擾值用作對比；采用示波器測量各個灰階下的正負極性源極信號電壓；采用V-T測試平臺測試V-T曲線；選擇兩款串擾嚴重的樣品：15.6FHD TN和14.0FHD HADS，驅動均為列反轉(目前列反轉是主流方式)，HADS模式衍生于ADS模式。

4.1 不同窗口下的垂直串擾

圖14是用光學測量系統測量垂直串擾值的示意圖，Panel豎直放置，PCB朝下，行掃描方向從DPO側到DP側，垂直串擾測量點位為A1和A2。

圖14 光學系統測量垂直串擾示意圖Fig.14 Schematic diagram for measuring vertical crosstalk in Optical System

表1為15.6FHD TN和14.0FHD HADS兩款產品在L127背景下的垂直串擾測量結果。TN產品的垂直串擾在黑窗口下最嚴重，白窗口下最輕，紅/綠/藍窗口程度居中，值約為黑窗口的2/3；HADS產品的垂直串擾在白窗口下最嚴重，黑窗口下最輕，紅/綠/藍窗口程度居中，值約為白窗口的1/3。無論是TN還是HADS模式，均是A2串擾比A1嚴重。

表1 TN和HADS產品的亮度和垂直串擾值Tab.1 Results of luminance and vertical crosstalk for TN and HADS products

下面用本文提出的分析方法來解釋上述垂直串擾現象。由于背景灰階不變均為L127，可認為不同窗口下的k值為一常數。通過分析垂直串擾機理，可以對黑白窗口的ΔV進行計算。例如，15.6FHD TN產品，在黑窗口下，正幀情況A1的電壓差ΔV=6.32-7.80=-1.48 V，而A2的電壓差ΔV=2.12-7.80=-5.68 V；負幀情況A1的電壓差ΔV=2.12-0.12=2.00 V，而A2的電壓差ΔV=6.32-0.12=6.20 V，其他情況以此類推，結果如表2所示。

表2 不同窗口下的電壓差計算結果(單位：V)Tab.2 Calculation results of ΔVunder different window patterns (Unit: Volt)

黑白窗口對A1和A2的像素電壓變化幅值為α|ΔV|，|ΔV|變動不大時可將α看做常數，可通過ΔV值定性地判斷垂直串擾的水平。在表2中，TN產品黑窗口的|ΔV|值明顯大于白窗口，故可推斷TN產品黑窗口產生的亮度變化|ΔL|大于白窗口，由此可知黑窗口的垂直串擾重于白窗口。而HADS產品白窗口的|ΔV|值明顯大于黑窗口，故可推斷HADS產品白窗口的垂直串擾重于黑窗口。紅窗口、綠窗口和藍窗口對亮度的影響相當于1/3的白窗口+2/3的黑窗口的影響，故TN產品的紅/綠/藍窗口的串擾程度介于黑窗口和白窗口之間，且值約為黑窗口的2/3。而HADS產品的紅/綠/藍窗口的串擾程度介于黑窗口和白窗口之間，且值約為白窗口的2/3。同時，無論是TN還是HADS產品，A2的|ΔV|遠大于A1，故總是A2串擾比A1嚴重。

用ΔV來定性分析不同窗口的垂直串擾水平結果與光學測試結果保持一致，說明了此方法具有一定的合理性。同時我們得到了不同窗口下的垂直串擾嚴重程度，此規律具有普遍性：TN模式下黑窗口>紅/綠/藍窗口>白窗口，ADS模式下白窗口>紅/綠/藍窗口>黑窗口，且行掃描末端區域(即A2區)最嚴重。

4.2 不同背景下的垂直串擾

表3為15.6FHD TN和14.0FHD HADS產品在L63，L92，L127，L160，L1925種背景灰階下的黑白窗口電壓差ΔV。各個灰階正負幀電壓可通過示波器測量，電壓差計算方法同上。

表3 不同背景灰階下的電壓差計算結果Tab.3 Calculation results of ΔVunder different background patterns (V)

下面來推斷15.6FHD TN產品黑窗口在不同背景下的垂直串擾水平。表4為15.6FHD TN產品黑窗口負幀的k值及k|ΔV|結果。由于正幀和負幀情況類似，以負幀電壓數據進行計算即可。|ΔV|數據為表3內的計算數據。對應灰階下的k值可通過對應的負幀電壓在V-T曲線上求得，由于V-T曲線將最大亮度歸一化為100%，得到的k值單位為V-1。因此，k|ΔV|為無量綱的量。對于A1或A2來說，在不同灰階下的|ΔV|差異較小，可將α看做常數，故|ΔL|與k|ΔV|成正比，k|ΔV|的變化即可反映|ΔL|的變化。

同時，使用光學測量系統測量15.6FHD TN產品在不同背景下的垂直串擾結果如表5所示。

表4 TN產品黑窗口負幀的k|ΔV|計算結果Tab.4 Calculation results ofk|ΔV| under negative frame in black window for TN products

表5 TN產品的亮度和垂直串擾值Tab.5 Results of luminance and vertical crosstalk for TN product

將不同背景灰階下的實測|ΔL|值與計算出的k|ΔV|值進行線性擬合，如圖15所示。A1和A2的實測|ΔL|值與k|ΔV|值隨背景灰階的變化趨勢均十分吻合，兩者線性相關系數均達0.98以上，證明了公式(3)以及分析方法的準確性。

采用相同的過程來推斷14.0FHD HADS產品白窗口在不同背景下的垂直串擾水平。以正幀電壓數據進行計算，表6為14.0FHD HADS產品白窗口正幀的k值及k|ΔV|結果。表7為14.0FHD HADS產品在不同背景下的垂直串擾實測結果。

圖15 TN模式不同背景灰階下的k|ΔV|與|ΔL|Fig.15 k|ΔV| and |ΔL| in different background patterns for TN mode

表6 HADS產品白窗口正幀的k|ΔV|計算結果(單位：無量綱)Tab.6 Calculation results ofk|ΔV| under positive frame in white window for HADS products (Unit: dimensionless)

表7 HADS產品的亮度和垂直串擾值Tab.7 Results of luminance and vertical crosstalk for HADS product

得到的實測|ΔL|值與計算出的k|ΔV|值如圖16所示。在HADS產品中，A1和A2的實測|ΔL|值與k|ΔV|值隨背景灰階的變化趨勢同樣十分吻合，兩者線性相關系數均超過0.93，再次證明了公式(3)和分析方法的準確性。

同時，我們也得到了TN和HADS模式下不同背景灰階的垂直串擾水平：TN模式黑窗口的垂直串擾嚴重程度與HADS模式白窗口的垂直串擾嚴重程度規律相同，均為L63>L92>L127>L160>L192。

圖16 HADS模式不同背景灰階下的k|ΔV|與|ΔL|Fig.16 k|ΔV| and |ΔL| in different background patterns for HADS mode

5 結 論

本文首先詳細分析了垂直串擾的發生機理以及電壓透過率曲線，并推導出了亮度變化|ΔL|的計算公式，進而提出了一種預測垂直串擾水平的定量分析方法。然后分別研究了不同窗口(黑/白/紅/綠/藍)和不同背景灰階(L63/L92/L127/L160/L92)下的垂直串擾情況，得到了如下結果：TN模式下L63+黑窗口為垂直串擾最重圖像，ADS模式下L63+白窗口為垂直串擾最重圖像。同時，以TN和ADS兩類產品為研究對象，與VESA光學測量的垂直串擾結果進行比較，實測|ΔL|值與計算的k|ΔV|值在TN和ADS模式下的線性相關系數分別達0.98和0.93以上，證明了公式和分析方法的準確性，可以滿足LCD產品垂直串擾的定量分析需求。