液晶電視殘影消除技術(shù)研究

　　趙新科，孫彥竹，姜曉飛（深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司，深圳?518108）

　　摘?要：在液晶的制程中，由于無(wú)法將液晶完全純化，不可避免地會(huì)在其中殘留一些可移動(dòng)雜質(zhì)離子，再加上液晶分子的特性，在不平衡數(shù)據(jù)信號(hào)下出現(xiàn)殘影問(wèn)題是無(wú)法避免的。據(jù)此，本文通過(guò)增加強(qiáng)制極性翻轉(zhuǎn)信號(hào)，可以極大地改善數(shù)據(jù)信號(hào)不平衡帶來(lái)的殘影問(wèn)題，預(yù)防永久性殘影發(fā)生。

　　關(guān)鍵詞：液晶；殘像；反轉(zhuǎn)；LCD電視；TFT LCD

　　0 引言

　　TFT LCD（薄膜晶體管液晶顯示器)需要電壓控制來(lái)產(chǎn)生灰階。如圖1所示，在兩層玻璃間，夾著液晶，就會(huì)形成平行板電容器。將液晶層分成n個(gè)薄層，可假設(shè)在每個(gè)薄層中的液晶分子與平行電極之間的角度是相同的，每個(gè)薄層的液晶電容互相串聯(lián)，形成平行電極的電容，我們稱(chēng)之為C _LC （Capacitor of liquid crystal，液晶電容）。計(jì)算公式為：

　　這個(gè)電容一般會(huì)很小。且在實(shí)際情況下， C _LC 電容無(wú)法將電壓保持到下一次更新畫(huà)面數(shù)據(jù)的時(shí)候。也就是，當(dāng)TFT給 C _LC 充電之后， C _LC 存儲(chǔ)的電荷量太少，電容漏電導(dǎo)致C _LC 兩端電壓迅速減小，在下一次數(shù)據(jù)刷新前，電壓變化很大，導(dǎo)致顯示的灰階會(huì)發(fā)生變化。因此，一般地，在面板設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)并聯(lián)一個(gè)存儲(chǔ)電容CS（Storage capacitor），如圖2。等效為增大平行板電容容值，減小其兩端電壓變化量，這樣就可以減小顯示灰階的漂移。

　　如圖1所示，液晶分子會(huì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生扭曲—向列效應(yīng)。通過(guò)控制TFT的開(kāi)關(guān)，并調(diào)整源極電壓，使平行板電極充放電，從而控制液晶偏轉(zhuǎn)程度，而液晶偏轉(zhuǎn)程度反映到顯示上，就是玻璃的透光率，圖3是相對(duì)透射率與電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，不同電壓對(duì)液晶的相對(duì)透射率的影響不同。在不同電壓下，液晶分子的排列會(huì)改變，一方面會(huì)反應(yīng)在液晶電容值的變化上，另一方面也會(huì)反應(yīng)在透射率的變化上。

　　1 殘影產(chǎn)生原理

　　在液晶的制程中，由于無(wú)法將液晶完全純化，不可避免地會(huì)在其中殘留一些可移動(dòng)雜質(zhì)離子。圖4為液晶分子在電場(chǎng)中的分布情況，在未施加電壓時(shí)，液晶分子按照取向膜的方向排列著，雜質(zhì)離子自由移動(dòng)，動(dòng)態(tài)上是電平衡的。當(dāng)在電極板兩端加上電場(chǎng)后，液晶分子會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)作用而產(chǎn)生電子云，使液晶分子在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下偏轉(zhuǎn)一定角度。從式（2）（3）可知，液晶分子偏轉(zhuǎn)角度由外加電場(chǎng)的大小決定，而不由電場(chǎng)的方向決定——因?yàn)殡妶?chǎng)反向時(shí)，力矩 τ _// 和 τ _⊥ 的大小和方向都沒(méi)有改變，這也是可以加“極性翻轉(zhuǎn)”的最重要的前提條件。

　　液晶在電場(chǎng)作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩公式為：

　　在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，每一層液晶分子都會(huì)產(chǎn)生電偶極子。液晶分子在電場(chǎng)作用下分解出自由離子，再加上液晶材料會(huì)摻雜進(jìn)去少量雜質(zhì)離子，這些離子在電場(chǎng)作用下向取向?qū)颖砻婢奂?，?dāng)離子聚集到足夠電壓的時(shí)候，會(huì)使液晶產(chǎn)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)液晶分子的作用減弱。

　　如果施加電壓平均值不為零時(shí)，離子會(huì)趨向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，一直移動(dòng)到液晶與取向膜的界面，而被獲取在此界面上。這些被獲取在界面上的帶電離子與會(huì)另一電極上相反極性的帶電離子形成內(nèi)建電場(chǎng)，這個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)與外加電場(chǎng)作用，一起影響液晶的排列與透射率，使透射率—電壓關(guān)系發(fā)生改變。

　　此時(shí)若切換畫(huà)面，其已經(jīng)聚集的離子不能立刻離開(kāi)，使輸入的驅(qū)動(dòng)電壓不能精確作用在液晶上，最終致使透射率與其他地方不同（或是透過(guò)光太多，或是透過(guò)光太少），這就是我們稱(chēng)的殘像。

　　以上從分子層面分析了為什么會(huì)產(chǎn)生殘影，下面將從信號(hào)傳輸方面分析殘影的產(chǎn)生。通常來(lái)說(shuō)，黑白棋盤(pán)格圖像下，黑白交界處最容易出現(xiàn)殘影。如圖5，對(duì)黑白交界處信號(hào)分析，可以知道，SoC接收的奇數(shù)幀信號(hào)只包含奇數(shù)行的有效數(shù)據(jù)，而偶數(shù)幀信號(hào)只包含偶數(shù)行的有效數(shù)據(jù)，所以SoC在給屏信號(hào)前，必須要對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行處理，為了圖像能平滑過(guò)渡，一般會(huì)采取差值處理的方式。差值處理就是將相鄰的兩行數(shù)據(jù)加和除以2，得到的值再取負(fù)。因?yàn)樯厦嫣岬剑瑯O性翻轉(zhuǎn)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶不會(huì)影響其排列與透射率，所以值取負(fù)不會(huì)影響顏色顯示。所以屏得到的奇數(shù)幀的信號(hào)中，偶數(shù)行數(shù)據(jù)已經(jīng)被差值處理，偶數(shù)幀信號(hào)中，奇數(shù)行數(shù)據(jù)已經(jīng)被差值處理，如圖5，斜體字為SoC差值處理數(shù)據(jù)。

　　圖6是交界處像素偏置電壓的變化，黑白交界處的A行和B行，每一幀的正負(fù)偏置電壓均不對(duì)稱(chēng)，因此在黑白棋盤(pán)格下老化一段時(shí)間后，因?yàn)锳行一直在-L127和+L255之間、B行在+L0和-L127之間不平衡變化，A行被正極極化、B行被負(fù)極極化。這是因?yàn)椋壕Х肿右驗(yàn)槭┘又绷麟妷撼煞謱?dǎo)致液晶內(nèi)移動(dòng)電荷定向聚集，這些電荷使配向膜產(chǎn)生誘電分極。當(dāng)長(zhǎng)期被極化時(shí)，配向膜分極越來(lái)越嚴(yán)重，殘留電荷越來(lái)越多，倆配向膜間的內(nèi)建電場(chǎng)增大。所以，長(zhǎng)時(shí)間處在這樣的畫(huà)面下，直流成分將在配向膜/液晶的界面引起誘電分極，最終導(dǎo)致殘影。更嚴(yán)重的，液晶在長(zhǎng)時(shí)間的DC偏置下，致使液晶過(guò)渡極化（燒付），失去正確旋轉(zhuǎn)能力，同時(shí)較難釋放電荷，形成影響液晶偏轉(zhuǎn)的電場(chǎng)。

　　2 強(qiáng)制翻轉(zhuǎn)原理

　　以直流方式驅(qū)動(dòng)液晶，絕大部分的電壓差會(huì)產(chǎn)生在取向膜上，無(wú)法改變液晶分子的排列，因而不能控制光閥；而使用交流方式驅(qū)動(dòng)液晶，當(dāng)施加電壓的平均值不為零，也就是電壓正負(fù)極不對(duì)稱(chēng)，因?yàn)橹绷鳉埩粜?yīng)，導(dǎo)致液晶易出現(xiàn)殘影。

　　為解決殘影問(wèn)題，可以在驅(qū)動(dòng)液晶時(shí)，增加強(qiáng)制極性翻轉(zhuǎn)控制功能，即是每過(guò)一定幀數(shù)之后，就強(qiáng)制讓下一幀的所有數(shù)據(jù)極性翻轉(zhuǎn)。

　　如圖7，無(wú)強(qiáng)制極性翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，像素上的電壓變化為：在掃描時(shí)間內(nèi)，像素電壓從0充電到Data電壓的98%以上，掃描線(xiàn)關(guān)閉后，像素電壓會(huì)因?yàn)閽呙桕P(guān)閉發(fā)生跳變，然后會(huì)保持該電平直到下一次掃描，下一幀會(huì)負(fù)向充電，此信號(hào)變化稱(chēng)為行（列）翻轉(zhuǎn)。

　　當(dāng)增加強(qiáng)制極性翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，像素上的電壓變化為：如箭頭所指，在一幀結(jié)束時(shí)，下一幀繼續(xù)同向充電，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制翻轉(zhuǎn)，在這里，第4幀是在第3幀電壓的基礎(chǔ)上繼續(xù)充電。這就可以解決圖中電壓不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，如圖8，因?yàn)閺?qiáng)制翻轉(zhuǎn)，就會(huì)使A行數(shù)據(jù)從-L127和+L255的變化轉(zhuǎn)為在+L127和-L255間的變化，同理，B行從+L0和-L127的變化轉(zhuǎn)為在-L0和+L127間的變化。這樣，液晶雖然在若干幀內(nèi)不平衡，但是從長(zhǎng)時(shí)間上看卻是平衡的，此措施可以很好地解決液晶殘影問(wèn)題，避免出現(xiàn)永久性殘影問(wèn)題。

　　3 結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)液晶特性分析，找出殘影產(chǎn)生的本質(zhì)問(wèn)題——數(shù)據(jù)信號(hào)不平衡導(dǎo)致離子過(guò)渡聚集，然后從解決“離子過(guò)渡聚集”問(wèn)題出發(fā)，找到動(dòng)態(tài)平衡的方法——強(qiáng)制極性翻轉(zhuǎn)法。殘影是LCD不可避免的問(wèn)題，但通過(guò)強(qiáng)制翻轉(zhuǎn)信號(hào)的方法，可以很好地改善液晶殘影問(wèn)題。但若想要更好減輕液晶殘影，最好盡可能提高液晶純度，降低雜質(zhì)離子含量。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第74頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。