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，由于無法將液晶完全純化，不可避免地會在其中殘留一些可移動雜質(zhì)離子，再加上液晶分子的特性，在不平衡數(shù)據(jù)信號下出現(xiàn)殘影問題是無法避免的。據(jù)此，本文通過增加強制極性翻轉(zhuǎn)信號，可以極大地改善數(shù)據(jù)信號不平衡帶來的殘影問題，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)需要電壓控制來產(chǎn)生灰階。如圖1所示，在兩層玻璃間，夾著液晶，就會形成平行板電容器。將液晶層分成n個薄層，可假設(shè)在每個薄層中的液晶分子與平行電極之間的角度是相同的，每個薄層的液晶電容互相串聯(lián)，形成平行電極的電容，我們稱之為C _LC （Capacitor of liquid crystal，液晶電容）。計算公式為：

　　這個電容一般會很小。且在實際情況下， C _LC 電容無法將電壓保持到下一次更新畫面數(shù)據(jù)的時候。也就是，當(dāng)TFT給 C _LC 充電之后， C _LC 存儲的電荷量太少，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)致顯示的灰階會發(fā)生變化。因此，一般地，在面板設(shè)計時會并聯(lián)一個存儲電容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，液晶分子會在電場作用下發(fā)生扭曲—向列效應(yīng)。通過控制TFT的開關(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是相對透射率與電壓的關(guān)系曲線，不同電壓對液晶的相對透射率的影響不同。在不同電壓下，液晶分子的排列會改變，一方面會反應(yīng)在液晶電容值的變化上，另一方面也會反應(yīng)在透射率的變化上。

　　1 殘影產(chǎn)生原理

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

　　液晶在電場作用下的轉(zhuǎn)動力矩公式為：

　　在電場驅(qū)動下，每一層液晶分子都會產(chǎn)生電偶極子。液晶分子在電場作用下分解出自由離子，再加上液晶材料會摻雜進(jìn)去少量雜質(zhì)離子，這些離子在電場作用下向取向?qū)颖砻婢奂?，?dāng)離子聚集到足夠電壓的時候，會使液晶產(chǎn)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致驅(qū)動電壓對液晶分子的作用減弱。

　　如果施加電壓平均值不為零時，離子會趨向一個方向運動，一直移動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另一電極上相反極性的帶電離子形成內(nèi)建電場，這個內(nèi)建電場會與外加電場作用，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。

　　此時若切換畫面，其已經(jīng)聚集的離子不能立刻離開，使輸入的驅(qū)動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（或是透過光太多，或是透過光太少），這就是我們稱的殘像。

　　以上從分子層面分析了為什么會產(chǎn)生殘影，下面將從信號傳輸方面分析殘影的產(chǎn)生。通常來說，黑白棋盤格圖像下，黑白交界處最容易出現(xiàn)殘影。如圖5，對黑白交界處信號分析，可以知道，SoC接收的奇數(shù)幀信號只包含奇數(shù)行的有效數(shù)據(jù)，而偶數(shù)幀信號只包含偶數(shù)行的有效數(shù)據(jù)，所以SoC在給屏信號前，必須要對收到的信號進(jìn)行處理，為了圖像能平滑過渡，一般會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)。因為上面提到，極性翻轉(zhuǎn)的方式來驅(qū)動液晶不會影響其排列與透射率，所以值取負(fù)不會影響顏色顯示。所以屏得到的奇數(shù)幀的信號中，偶數(shù)行數(shù)據(jù)已經(jīng)被差值處理，偶數(shù)幀信號中，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)偏置電壓均不對稱，因此在黑白棋盤格下老化一段時間后，因為A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。這是因為，液晶分子因為施加直流電壓成分導(dǎo)致液晶內(nèi)移動電荷定向聚集，這些電荷使配向膜產(chǎn)生誘電分極。當(dāng)長期被極化時，配向膜分極越來越嚴(yán)重，殘留電荷越來越多，倆配向膜間的內(nèi)建電場增大。所以，長時間處在這樣的畫面下，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，液晶在長時間的DC偏置下，致使液晶過渡極化（燒付），失去正確旋轉(zhuǎn)能力，同時較難釋放電荷，形成影響液晶偏轉(zhuǎn)的電場。

　　2 強制翻轉(zhuǎn)原理

　　以直流方式驅(qū)動液晶，絕大部分的電壓差會產(chǎn)生在取向膜上，無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)極不對稱，因為直流殘留效應(yīng)，導(dǎo)致液晶易出現(xiàn)殘影。

　　為解決殘影問題，可以在驅(qū)動液晶時，增加強制極性翻轉(zhuǎn)控制功能，即是每過一定幀數(shù)之后，就強制讓下一幀的所有數(shù)據(jù)極性翻轉(zhuǎn)。

　　如圖7，無強制極性翻轉(zhuǎn)信號時，像素上的電壓變化為：在掃描時間內(nèi)，像素電壓從0充電到Data電壓的98%以上，掃描線關(guān)閉后，像素電壓會因為掃描關(guān)閉發(fā)生跳變，然后會保持該電平直到下一次掃描，下一幀會負(fù)向充電，此信號變化稱為行（列）翻轉(zhuǎn)。

　　當(dāng)增加強制極性翻轉(zhuǎn)信號時，像素上的電壓變化為：如箭頭所指，在一幀結(jié)束時，下一幀繼續(xù)同向充電，對其進(jìn)行強制翻轉(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稱的問題，如圖8，因為強制翻轉(zhuǎn)，就會使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，但是從長時間上看卻是平衡的，此措施可以很好地解決液晶殘影問題，避免出現(xiàn)永久性殘影問題。

　　3 結(jié)論

　　本文通過對液晶特性分析，找出殘影產(chǎn)生的本質(zhì)問題——數(shù)據(jù)信號不平衡導(dǎo)致離子過渡聚集，然后從解決“離子過渡聚集”問題出發(fā)，找到動態(tài)平衡的方法——強制極性翻轉(zhuǎn)法。殘影是LCD不可避免的問題，但通過強制翻轉(zhuǎn)信號的方法，可以很好地改善液晶殘影問題。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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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第74頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。