基于TFT-LCD下的Flicker 研究與優化

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，隨著技術的發展，薄膜晶體管(TFT)的技術不斷發展優化，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，當正幀與負幀的亮度不一致時，正負幀切換會導致產品畫質出現亮暗的交替變換和畫面閃爍。尤其在低頻下，由于產品刷新頻率降低，閃爍問題將更加嚴重，提升產品的顯示品質至關重要。前期研究人員[2-3]已經對跳變電壓(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]除了關注基本漏流等因素分析Flicker 外，同時也關注了Flicker 的漂移現象。徐麗燕等人[5]從光照引發液晶離子增多的方向進行Flicker 漂移的因素釋義。閆亮等人[6]從面板驅動架構角度論證各種驅動方式對閃爍的影響。依據前期的研究[7]發現，若出現兩像素大小不一致的現象，同時在設計上公共電壓(VCOM)匹配差異大，就會導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，通過調整工藝參數影響器件特性能力，從而對薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD) Flicker 能力進行相關性的研究。章涵敏的研究[9]則從電壓自動調節角度，進行顯示屏閃爍自動修正的研發。

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

2 仿真設計分析

面板采用的像素電極寬度長度之比(ITOW/L) 的設計方案是基于穿透率、對比度等設計角度確定的，由于現階段市場對在低頻下的畫面閃爍品質有一定的要求，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，從而通過仿真，考量不同ITO的設計方案以及液晶的不同響應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設計評估仿真

通過不同ITOW/L設計，結合液晶的撓曲電效應，對Flicker性能進行仿真評估，仿真結果如圖1所示。隨著ITOW/L的變化，Flicker 呈現先減后增的光學性能，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，從而造成穿透率的波動變化，進而產生畫面閃爍，而隨著W/L越來越接近1，液晶撓取電效應所造成的閃爍程度風險也達到最低。

圖1 (a) Flicker(%)與ITO W/L的關系圖；(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 不同的液晶響應時間仿真

通過分析液晶旋轉黏度的梯度變化，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果。從圖中分析可知，VCOM偏壓為-0.1 V時，高黏度系數的液晶旋轉時間加長，這會導致一幀時間內穿透率變化幅度的降低。因此從畫質表現上來看，Flicker 性能更佳。從圖2(b)可知，黏度系數越大，仿真Flicker性能越佳。

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

3 實際產品確認與討論分析

3.1 不同液晶參數黏度下的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果。結合VCOM分別為-0.29 V和-0.25 V時的兩條圖譜曲線，可以看到，上平坦區在VCOM=-0.29 V時的亮度明顯高于VCOM=-0.25 V時的結果。由此可以推斷，亮度上平坦區為正幀發光，下平坦區為負幀發光。佘曉飛[10]等人的研究表明，目前LCD屏內占主導離子的是負離子，正負幀發光區域分別為像素電極空隙(ITO Space) 和像素電極(ITO Slit)。因此可以得出結論，即如圖3(b)、(c)所示，在正幀時，盒內離子主要分布在像素電極區域，且像素電極區域相對像素電極空隙區域小，對正幀亮度變化影響較小，導致正幀亮度維持能力較好；而在負幀時，盒內離子主要分布于像素電極空隙區域，同時像素電極空隙區域相對較大，對負幀亮度變化影響大，導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 產品測試理論分析

結合液晶響應時間的變化，從亮度波動的角度分析，低響應時間的液晶會導致面板在相同VCOM偏壓下亮度變化幅度減小。體現在Flicker 深度性能上，面板在搭配低響應時間液晶的情況下，其亮度變化幅值更小，Flicker 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 液晶響應時間與跨階性能Fig.5 Liquid crystal response time and cross-order performance

3.2 產品Flicker 性能測試

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

4 結 論

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