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，在不平衡數據信號下出現殘影問(wèn)題是無(wú)法避免的。據此，本文通過(guò)增加強制極性翻轉信號，可以極大地改善數據信號不平衡帶來(lái)的殘影問(wèn)題，預防永久性殘影發(fā)生。

　　關(guān)鍵詞：液晶；殘像；反轉；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(zhù)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)面數據的時(shí)候。也就是，當TFT給 C _LC 充電之后， C _LC 存儲的電荷量太少，電容漏電導致C _LC 兩端電壓迅速減小，在下一次數據刷新前，電壓變化很大，導致顯示的灰階會(huì )發(fā)生變化。因此，一般地，在面板設計時(shí)會(huì )并聯(lián)一個(gè)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(huì )在電場(chǎng)作用下發(fā)生扭曲—向列效應。通過(guò)控制TFT的開(kāi)關(guān)，并調整源極電壓，使平行板電極充放電，從而控制液晶偏轉程度，而液晶偏轉程度反映到顯示上，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(xiàn)，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(huì )改變，一方面會(huì )反應在液晶電容值的變化上，另一方面也會(huì )反應在透射率的變化上。

　　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(zhù)，雜質(zhì)離子自由移動(dòng)，動(dòng)態(tài)上是電平衡的。當在電極板兩端加上電場(chǎng)后，液晶分子會(huì )因為電場(chǎng)作用而產(chǎn)生電子云，使液晶分子在電場(chǎng)的驅動(dòng)下偏轉一定角度。從式（2）（3）可知，液晶分子偏轉角度由外加電場(chǎng)的大小決定，而不由電場(chǎng)的方向決定——因為電場(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”的最重要的前提條件。

　　液晶在電場(chǎng)作用下的轉動(dòng)力矩公式為：

　　在電場(chǎng)驅動(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)作用下向取向層表面聚集，當離子聚集到足夠電壓的時(shí)候，會(huì )使液晶產(chǎn)生極化現象，導致驅動(dòng)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(shí)，離子會(huì )趨向一個(gè)方向運動(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建電場(chǎng)，這個(gè)內建電場(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接收的奇數幀信號只包含奇數行的有效數據，而偶數幀信號只包含偶數行的有效數據，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(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據加和除以2，得到的值再取負。因為上面提到，極性翻轉的方式來(lái)驅動(dòng)液晶不會(huì )影響其排列與透射率，所以值取負不會(huì )影響顏色顯示。所以屏得到的奇數幀的信號中，偶數行數據已經(jīng)被差值處理，偶數幀信號中，奇數行數據已經(jīng)被差值處理，如圖5，斜體字為SoC差值處理數據。

　　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，每一幀的正負偏置電壓均不對稱(chēng)，因此在黑白棋盤(pán)格下老化一段時(shí)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行被負極極化。這是因為，液晶分子因為施加直流電壓成分導致液晶內移動(dòng)電荷定向聚集，這些電荷使配向膜產(chǎn)生誘電分極。當長(cháng)期被極化時(shí)，配向膜分極越來(lái)越嚴重，殘留電荷越來(lái)越多，倆配向膜間的內建電場(chǎng)增大。所以，長(cháng)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，最終導致殘影。更嚴重的，液晶在長(cháng)時(shí)間的DC偏置下，致使液晶過(guò)渡極化（燒付），失去正確旋轉能力，同時(shí)較難釋放電荷，形成影響液晶偏轉的電場(chǎng)。

　　2 強制翻轉原理

　　以直流方式驅動(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；而使用交流方式驅動(dòng)液晶，當施加電壓的平均值不為零，也就是電壓正負極不對稱(chēng)，因為直流殘留效應，導致液晶易出現殘影。

　　為解決殘影問(wèn)題，可以在驅動(dòng)液晶時(shí)，增加強制極性翻轉控制功能，即是每過(guò)一定幀數之后，就強制讓下一幀的所有數據極性翻轉。

　　如圖7，無(wú)強制極性翻轉信號時(shí)，像素上的電壓變化為：在掃描時(shí)間內，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 )因為掃描關(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 )負向充電，此信號變化稱(chēng)為行（列）翻轉。

　　當增加強制極性翻轉信號時(shí)，像素上的電壓變化為：如箭頭所指，在一幀結束時(shí)，下一幀繼續同向充電，對其進(jìn)行強制翻轉，在這里，第4幀是在第3幀電壓的基礎上繼續充電。這就可以解決圖中電壓不對稱(chēng)的問(wèn)題，如圖8，因為強制翻轉，就會(huì )使A行數據從-L127和+L255的變化轉為在+L127和-L255間的變化，同理，B行從+L0和-L127的變化轉為在-L0和+L127間的變化。這樣，液晶雖然在若干幀內不平衡，但是從長(cháng)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，避免出現永久性殘影問(wèn)題。

　　3 結論

　　本文通過(guò)對液晶特性分析，找出殘影產(chǎn)生的本質(zhì)問(wèn)題——數據信號不平衡導致離子過(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——強制極性翻轉法。殘影是LCD不可避免的問(wèn)題，但通過(guò)強制翻轉信號的方法，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。