液晶電視殘影消除技術研究
趙新科，孫彥竹，姜曉飛（深圳創維-RGB電子有限公司，深圳?518108）
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201909/405222.htm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題是無法避免的。據此，本文通過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的殘影問題，預防永久性殘影發生。
0 引言
TFT LCD（薄膜晶體管液晶顯示器)需要電壓控制來產生灰階。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，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據的時候。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，導致顯示的灰階會發生變化。因此，一般地，在面板設計時會并聯一個存儲電容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生扭曲—向列效應。通過控制TFT的開關，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，一方面會反應在液晶電容值的變化上，另一方面也會反應在透射率的變化上。
1 殘影產生原理
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，雜質離子自由移動，動態上是電平衡的。當在電極板兩端加上電場后，液晶分子會因為電場作用而產生電子云，使液晶分子在電場的驅動下偏轉一定角度。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”的最重要的前提條件。
液晶在電場作用下的轉動力矩公式為：
在電場驅動下，每一層液晶分子都會產生電偶極子。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去少量雜質離子，這些離子在電場作用下向取向層表面聚集，當離子聚集到足夠電壓的時候，會使液晶產生極化現象，導致驅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建電場，這個內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—電壓關系發生改變。
此時若切換畫面，其已經聚集的離子不能立刻離開，使輸入的驅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生殘影，下面將從信號傳輸方面分析殘影的產生。通常來說，黑白棋盤格圖像下，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，極性翻轉的方式來驅動液晶不會影響其排列與透射率，所以值取負不會影響顏色顯示。所以屏得到的奇數幀的信號中，偶數行數據已經被差值處理，偶數幀信號中，奇數行數據已經被差值處理，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，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電荷定向聚集，這些電荷使配向膜產生誘電分極。當長期被極化時，配向膜分極越來越嚴重，殘留電荷越來越多，倆配向膜間的內建電場增大。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，最終導致殘影。更嚴重的，液晶在長時間的DC偏置下，致使液晶過渡極化（燒付），失去正確旋轉能力，同時較難釋放電荷，形成影響液晶偏轉的電場。
2 強制翻轉原理
以直流方式驅動液晶，絕大部分的電壓差會產生在取向膜上，無法改變液晶分子的排列，因而不能控制光閥；而使用交流方式驅動液晶，當施加電壓的平均值不為零，也就是電壓正負極不對稱，因為直流殘留效應，導致液晶易出現殘影。
為解決殘影問題，可以在驅動液晶時，增加強制極性翻轉控制功能，即是每過一定幀數之后，就強制讓下一幀的所有數據極性翻轉。
如圖7，無強制極性翻轉信號時，像素上的電壓變化為：在掃描時間內，像素電壓從0充電到Data電壓的98%以上，掃描線關閉后，像素電壓會因為掃描關閉發生跳變，然后會保持該電平直到下一次掃描，下一幀會負向充電，此信號變化稱為行（列）翻轉。
當增加強制極性翻轉信號時，像素上的電壓變化為：如箭頭所指，在一幀結束時，下一幀繼續同向充電，對其進行強制翻轉，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的問題，如圖8，因為強制翻轉，就會使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，避免出現永久性殘影問題。
3 結論
本文通過對液晶特性分析，找出殘影產生的本質問題——數據信號不平衡導致離子過渡聚集，然后從解決“離子過渡聚集”問題出發，找到動態平衡的方法——強制極性翻轉法。殘影是LCD不可避免的問題，但通過強制翻轉信號的方法，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，降低雜質離子含量。
參考文獻
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本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第74頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。
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