基于TFT-LCD下的Flicker 研究与优化

李东华

(厦门天马微电子有限公司， 福建 厦门 361000)

1 引 言

近几年，随着技术的发展，薄膜晶体管(TFT)的技术不断发展优化，薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)迅速成为市场主流显示屏。而TFT-LCD显示屏仍存在很多的问题，比如画面闪烁会导致眼睛不适[1]。

面板在显示时会进行正负帧电极性的切换，当正帧与负帧的亮度不一致时，正负帧切换会导致产品画质出现亮暗的交替变换和画面闪烁。尤其在低频下，由于产品刷新频率降低，闪烁问题将更加严重，提升产品的显示品质至关重要。前期研究人员[2-3]已经对跳变电压(Kickback Voltage)和漏流等电性角度的闪烁(Flicker) 性能进行了分析研究。林鸿涛等人[4]除了关注基本漏流等因素分析Flicker 外，同时也关注了Flicker 的漂移现象。徐丽燕等人[5]从光照引发液晶离子增多的方向进行Flicker 漂移的因素释义。闫亮等人[6]从面板驱动架构角度论证各种驱动方式对闪烁的影响。依据前期的研究[7]发现，若出现两像素大小不一致的现象，同时在设计上公共电压(VCOM)匹配差异大，就会导致画面闪烁的显示差异。李鑫等人[8]从TFT器件工艺角度出发，通过调整工艺参数影响器件特性能力，从而对薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD) Flicker 能力进行相关性的研究。章涵敏的研究[9]则从电压自动调节角度，进行显示屏闪烁自动修正的研发。

本文主要从液晶材料的角度出发，研究LCD产品的Flicker 性能。通过对液晶的不同参数进行光学仿真测试，研究分析Flicker 下液晶与电场相互作用下的光学模式，从而最终收敛出性能相关因子。这对产品的性能提升具有一定的指导意义，同时也为LCD Flicker性能的研究提供新的思路，为提升产品在显示乃至低频刷新频率下的画面品质打下良好基础。

2 仿真设计分析

面板采用的像素电极宽度长度之比(ITOW/L) 的设计方案是基于穿透率、对比度等设计角度确定的，由于现阶段市场对在低频下的画面闪烁品质有一定的要求，这就对ITO的W/L提出了新的要求，同时也同步考量液晶的影响。本研究基于Techwiz 软体下对不同W/L进行穿透率仿真确认，通过

Flicker(%)=(Vmax-VMin)/
[(Vmax+VMin/2)]×100%，

(1)

公式(1)考量闪烁品质，从而通过仿真，考量不同ITO的设计方案以及液晶的不同响应时间对画面闪烁能力的影响程度。式中Flicker(%)为闪烁能力评估值，Vmax为最大穿透率，VMin为最小穿透率。

2.1 不同W/L ITO设计评估仿真

通过不同ITOW/L设计，结合液晶的挠曲电效应，对Flicker性能进行仿真评估，仿真结果如图1所示。随着ITOW/L的变化，Flicker 呈现先减后增的光学性能，通过不同的W/L下的穿透率仿真波形可知，随着正负帧电压的变化，LC在不断翻转，从而造成穿透率的波动变化，进而产生画面闪烁，而随着W/L越来越接近1，液晶挠取电效应所造成的闪烁程度风险也达到最低。

图1 (a) Flicker(%)与ITO W/L的关系图；(b) 穿透率与电压(T-V)图。Fig.1 (a) Relationship between Flicker(%) and ITO W/L；(b) Transmittance and voltage graph (T-V).

2.2 不同的液晶响应时间仿真

通过分析液晶旋转黏度的梯度变化，仿真确认Flicker情况如图2所示，图2(a)是在不同液晶黏度下VCOM偏压为-0.1 V时的穿透率随着时间变化的仿真结果。从图中分析可知，VCOM偏压为-0.1 V时，高黏度系数的液晶旋转时间加长，这会导致一帧时间内穿透率变化幅度的降低。因此从画质表现上来看，Flicker 性能更佳。从图2(b)可知，黏度系数越大，仿真Flicker性能越佳。

图2 (a)同参数黏度下的穿透率随着时间的变化；(b) 不同黏度系数下的Flicker。Fig.2 (a)Variation of penetration rate with parameter viscosity over time; (b) Flicker under different viscosity coefficients.

3 实际产品确认与讨论分析

3.1 不同液晶参数黏度下的Flicker 性能

3.1.1 Flicker 亮度测试

图3(a)是对面板的Flicker 画面的亮度测试图谱，主要显示了不同VCOM下的亮度随时间变化的结果。结合VCOM分别为-0.29 V和-0.25 V时的两条图谱曲线，可以看到，上平坦区在VCOM=-0.29 V时的亮度明显高于VCOM=-0.25 V时的结果。由此可以推断，亮度上平坦区为正帧发光，下平坦区为负帧发光。佘晓飞[10]等人的研究表明，目前LCD屏内占主导离子的是负离子，正负帧发光区域分别为像素电极空隙(ITO Space) 和像素电极(ITO Slit)。因此可以得出结论，即如图3(b)、(c)所示，在正帧时，盒内离子主要分布在像素电极区域，且像素电极区域相对像素电极空隙区域小，对正帧亮度变化影响较小，导致正帧亮度维持能力较好；而在负帧时，盒内离子主要分布于像素电极空隙区域，同时像素电极空隙区域相对较大，对负帧亮度变化影响大，导致负帧亮度维持能力较差。

图3 (a)不同VCOM下的Flicker画面亮度随时间波动；(b)正帧； (c)负帧。Fig.3 (a) Brightness of Flicker pattern under different VCOM fluctuates over time; (b) Positive frame; (c) Negative frame.

3.1.2 产品测试理论分析

结合液晶响应时间的变化，从亮度波动的角度分析，低响应时间的液晶会导致面板在相同VCOM偏压下亮度变化幅度减小。体现在Flicker 深度性能上，面板在搭配低响应时间液晶的情况下，其亮度变化幅值更小，Flicker 跨阶更大，如图4所示。

图4 Flicker画面亮度波动图谱Fig.4 Flicker pattern brightness fluctuation

图5 液晶响应时间与跨阶性能Fig.5 Liquid crystal response time and cross-order performance

3.2 产品Flicker 性能测试

图5所示为对不同响应时间的液晶的Flicker跨度(Spec<-30 dB)与响应时间的测试数据。从测试数据上看，随着测试样品响应时间的增大，产品的Flicker 跨接明显增大，与仿真结论一致。这主要是因为产品所搭乘的液晶响应时间越长，在相同的VCOM偏置下，产品的亮度变化幅度越小，Flicker跨阶越大。

4 结 论

通过对TFT-LCD面板进行不同VCOM下的产品亮度能力测试，确认了在像素电极的不同区域，因为发光区域的不同以及离子运动聚集效应的存在，导致了负帧亮度下的平坦区亮度维持能力较差和正帧亮度下的平坦区亮度维持能力较优的现象。同时依据对不同响应时间下的产品Flicker 能力测试结果，通过对比液晶响应时间的差异优化，实现Flicker能力跨阶从8阶增大至10阶的优化。最后结合仿真验证，收敛出相关Flicker 性能的液晶响应时间因子，建立起面板闪烁的液晶发光行为理论，这将有助于产品显示能力的提升，并为后续产品的开发方向提供借鉴。