液晶电视残影消除技术研究
赵新科，孙彦竹，姜晓飞（深圳创维-RGB电子有限公司，深圳?518108）
摘?要：在液晶的制程中，由于无法将液晶完全纯化，不可避免地会在其中残留一些可移动杂质离子，再加上液晶分子的特性，在不平衡数据信号下出现残影问题是无法避免的。据此，本文通过增加强制极性翻转信号，可以极大地改善数据信号不平衡带来的残影问题，预防永久性残影发生。
关键词：液晶；残像；反转；LCD电视；TFT LCD
0 引言
TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器)需要电压控制来产生灰阶。如图1所示，在两层玻璃间，夹着液晶，就会形成平行板电容器。将液晶层分成n个薄层，可假设在每个薄层中的液晶分子与平行电极之间的角度是相同的，每个薄层的液晶电容互相串联，形成平行电极的电容，我们称之为C LC （Capacitor of liquid crystal，液晶电容）。计算公式为：
这个电容一般会很小。且在实际情况下， C LC 电容无法将电压保持到下一次更新画面数据的时候。也就是，当TFT给 C LC 充电之后， C LC 存储的电荷量太少，电容漏电导致C LC 两端电压迅速减小，在下一次数据刷新前，电压变化很大，导致显示的灰阶会发生变化。因此，一般地，在面板设计时会并联一个存储电容CS（Storage capacitor），如图2。等效为增大平行板电容容值，减小其两端电压变化量，这样就可以减小显示灰阶的漂移。
如图1所示，液晶分子会在电场作用下发生扭曲—向列效应。通过控制TFT的开关，并调整源极电压，使平行板电极充放电，从而控制液晶偏转程度，而液晶偏转程度反映到显示上，就是玻璃的透光率，图3是相对透射率与电压的关系曲线，不同电压对液晶的相对透射率的影响不同。在不同电压下，液晶分子的排列会改变，一方面会反应在液晶电容值的变化上，另一方面也会反应在透射率的变化上。
1 残影产生原理
在液晶的制程中，由于无法将液晶完全纯化，不可避免地会在其中残留一些可移动杂质离子。图4为液晶分子在电场中的分布情况，在未施加电压时，液晶分子按照取向膜的方向排列着，杂质离子自由移动，动态上是电平衡的。当在电极板两端加上电场后，液晶分子会因为电场作用而产生电子云，使液晶分子在电场的驱动下偏转一定角度。从式（2）（3）可知，液晶分子偏转角度由外加电场的大小决定，而不由电场的方向决定——因为电场反向时，力矩 τ // 和 τ ⊥ 的大小和方向都没有改变，这也是可以加“极性翻转”的最重要的前提条件。
液晶在电场作用下的转动力矩公式为：
在电场驱动下，每一层液晶分子都会产生电偶极子。液晶分子在电场作用下分解出自由离子，再加上液晶材料会掺杂进去少量杂质离子，这些离子在电场作用下向取向层表面聚集，当离子聚集到足够电压的时候，会使液晶产生极化现象，导致驱动电压对液晶分子的作用减弱。
如果施加电压平均值不为零时，离子会趋向一个方向运动，一直移动到液晶与取向膜的界面，而被获取在此界面上。这些被获取在界面上的带电离子与会另一电极上相反极性的带电离子形成内建电场，这个内建电场会与外加电场作用，一起影响液晶的排列与透射率，使透射率—电压关系发生改变。
此时若切换画面，其已经聚集的离子不能立刻离开，使输入的驱动电压不能精确作用在液晶上，最终致使透射率与其他地方不同（或是透过光太多，或是透过光太少），这就是我们称的残像。
以上从分子层面分析了为什么会产生残影，下面将从信号传输方面分析残影的产生。通常来说，黑白棋盘格图像下，黑白交界处最容易出现残影。如图5，对黑白交界处信号分析，可以知道，SoC接收的奇数帧信号只包含奇数行的有效数据，而偶数帧信号只包含偶数行的有效数据，所以SoC在给屏信号前，必须要对收到的信号进行处理，为了图像能平滑过渡，一般会采取差值处理的方式。差值处理就是将相邻的两行数据加和除以2，得到的值再取负。因为上面提到，极性翻转的方式来驱动液晶不会影响其排列与透射率，所以值取负不会影响颜色显示。所以屏得到的奇数帧的信号中，偶数行数据已经被差值处理，偶数帧信号中，奇数行数据已经被差值处理，如图5，斜体字为SoC差值处理数据。
图6是交界处像素偏置电压的变化，黑白交界处的A行和B行，每一帧的正负偏置电压均不对称，因此在黑白棋盘格下老化一段时间后，因为A行一直在-L127和+L255之间、B行在+L0和-L127之间不平衡变化，A行被正极极化、B行被负极极化。这是因为，液晶分子因为施加直流电压成分导致液晶内移动电荷定向聚集，这些电荷使配向膜产生诱电分极。当长期被极化时，配向膜分极越来越严重，残留电荷越来越多，俩配向膜间的内建电场增大。所以，长时间处在这样的画面下，直流成分将在配向膜/液晶的界面引起诱电分极，最终导致残影。更严重的，液晶在长时间的DC偏置下，致使液晶过渡极化（烧付），失去正确旋转能力，同时较难释放电荷，形成影响液晶偏转的电场。
2 强制翻转原理
以直流方式驱动液晶，绝大部分的电压差会产生在取向膜上，无法改变液晶分子的排列，因而不能控制光阀；而使用交流方式驱动液晶，当施加电压的平均值不为零，也就是电压正负极不对称，因为直流残留效应，导致液晶易出现残影。
为解决残影问题，可以在驱动液晶时，增加强制极性翻转控制功能，即是每过一定帧数之后，就强制让下一帧的所有数据极性翻转。
如图7，无强制极性翻转信号时，像素上的电压变化为：在扫描时间内，像素电压从0充电到Data电压的98%以上，扫描线关闭后，像素电压会因为扫描关闭发生跳变，然后会保持该电平直到下一次扫描，下一帧会负向充电，此信号变化称为行（列）翻转。
当增加强制极性翻转信号时，像素上的电压变化为：如箭头所指，在一帧结束时，下一帧继续同向充电，对其进行强制翻转，在这里，第4帧是在第3帧电压的基础上继续充电。这就可以解决图中电压不对称的问题，如图8，因为强制翻转，就会使A行数据从-L127和+L255的变化转为在+L127和-L255间的变化，同理，B行从+L0和-L127的变化转为在-L0和+L127间的变化。这样，液晶虽然在若干帧内不平衡，但是从长时间上看却是平衡的，此措施可以很好地解决液晶残影问题，避免出现永久性残影问题。
3 结论
本文通过对液晶特性分析，找出残影产生的本质问题——数据信号不平衡导致离子过渡聚集，然后从解决“离子过渡聚集”问题出发，找到动态平衡的方法——强制极性翻转法。残影是LCD不可避免的问题，但通过强制翻转信号的方法，可以很好地改善液晶残影问题。但若想要更好减轻液晶残影，最好尽可能提高液晶纯度，降低杂质离子含量。
参考文献
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[5]王丹,梁晓,唐洪.TFT LCD液晶材料对显示残像的影响[J].液晶与显示,2008,23(4):412-414.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第74页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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