一种可预测TFT-LCD垂直串扰水平的定量分析方法

周 焱，袁剑峰，吴海龙，但 艺，毛大龙，付剑波，朱海鹏

(京东方科技集团股份有限公司 重庆京东方光电科技有限公司，重庆 400700)

1 引 言

在TFT-LCD的发展历程中，长期存在一些显示不良问题，比如残像、串扰等[1-3]。人们将串扰(crosstalk)定义为整个屏幕中某一区域的显示会受到另一区域的影响，而造成画面失真的一种显示异常现象。由于TFT-LCD的像素在水平方向和垂直方向上呈阵列形式排列，故串扰现象分为水平串扰(Horizontal crosstalk)和垂直串扰(Vertical crosstalk)两种。水平串扰与时间响应因素相关，机理是数据线与共电极之间的耦合电容Cdc使得共电极电压发生偏离造成的。垂直串扰与数据线和像素之间的相互作用相关，机理有两种：一是数据线与像素电极之间的耦合电容Cpd使得像素电极电压发生偏离，二是TFT关闭时漏电使得像素电压发生偏离[4-5]。

随着TFT-LCD产品朝着高分辨率、高开口率方向发展，像素尺寸和线宽线间距被设计得越来越小，单根信号线上的像素和TFT数量越来越多。信号线之间的电磁干扰和像素之间的电容耦合作用加剧[6]。同时，a-Si技术发展到现在，a-Si特性已到达瓶颈，TFT漏电流已经难以进一步降低。这些原因都会导致串扰问题在高分辨率TFT-LCD产品上变得较为突出[7-8]。业内通常采用VESA 2.0测试标准来表征串扰水平，目前还并没有一种可预测串扰水平的定量分析方法。

本文针对垂直串扰发生机理，提出了一种可预测垂直串扰水平的定量分析方法。首先，通过分析垂直串扰机理，得到了垂直串扰现象与源电压差之间的定性对应关系。然后，通过分析V-T曲线，得到了亮度变化与源电压差之间的关系即亮度差公式，进而可直接得到不同画面下的垂直串扰水平。最后，将计算得到的结果与VESA 2.0测试结果进行比较，串扰变化趋势吻合度很高，证明了亮度差公式和此分析方法的可靠性。实验结果证明，此方法可用于定量地研究TFT-LCD产品的垂直串扰问题，为改善这类不良提供了新工具。

2 垂直串扰机理与像素电压变化

2.1 垂直串扰的发生机理

图1为TFT-LCD像素结构示意图。在像素充电完成TFT关闭后，源极数据线与像素电极本应处于完全断开状态，但当源极数据线给其他行像素充电时，数据线电压发生变化，数据线与此像素电极之间的耦合电容Cpd会拉动像素电极电压发生偏离，导致亮度发生改变，产生垂直串扰现象。另外，如果TFT关闭后漏电流过大(即Ioff大)，数据线电极电压发生变化后与像素电极形成压差，像素电极电压会通过TFT漏电而发生偏离，同样会导致亮度改变，产生垂直串扰现象。故垂直串扰的发生机理有两种：一是Cpd电容耦合机理，二是TFT漏电机理。

图1 TFT-LCD像素结构示意图Fig.1 Schematic diagram of TFT-LCD pixel structure

2.2 电容耦合机理下的像素电压变化

在不同的显示模式和反转方式下，Cpd电容耦合机理产生的垂直串扰现象是不一样的。下面分别对TN/ADS两种显示模式、帧反转/行反转/列反转3种反转方式情况下的垂直串扰现象进行说明和分析。

2.2.1 帧反转方式

在帧反转的情况下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图2所示。假设要显示的图像为灰阶背景+黑窗口如图2(a1)所示，假设正极性帧中像素A1所在行TFT开启后，像素A1充电至L127灰阶上，随后本行TFT关闭。直到黑窗口区域水平范围内第一根扫描线开启时，垂直方向的源数据线将输出更高的电压，由于电容耦合效应，这些数据线上的电压变化会导致像素A1和A2的电压被拉高。此时，像素A1已开启并充电，像素A2尚未开启，仍保持上一负极性帧中的电位，它们的像素电极波形如图2(a3)所示。对于像素A1而言，其像素电极与公共电极之间的电压差变大，实际显示的灰阶更暗；对于像素A2而言，其像素电极与公共电极之间的电压差变小，实际显示的灰阶更亮，故呈现出上黑下白的垂直串扰现象如图2(a2)所示。如果要显示的图像为灰阶背景+白窗口如图2(b1)所示，则会呈现出上白下黑的垂直串扰现象如图2(b2)所示。

图2 基于电容耦合机理的TN型帧反转垂直串扰现象和波形分析Fig.2 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type frame inversion based on capacitive coupling mechanism

对于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图3所示。波形分析与TN型类似，黑、白窗口对应产生的垂直串扰现象与TN型相同。

图3 基于电容耦合机理的ADS型帧反转垂直串扰现象和波形分析Fig.3 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type frame inversion based on capacitive coupling mechanism

2.2.2 行反转方式

在行反转的情况下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图4所示。假设要显示的图像如图4(a1)所示，此时数据线上的像素A1和A2电压波形如图4(a3)所示。同帧反转一样，数据线上的电压变化会将像素A1和A2的电压一时拉高一时拉低，因此实际显示的灰阶需考虑正负极性帧的综合效果，垂直串扰现象整体比较轻微。如果要显示的图像为灰阶背景+白窗口如图4(b1)所示，则会呈现出上白下白的垂直串扰现象如图4(b2)所示。

图4 基于电容耦合机理的TN型行反转垂直串扰现象和波形分析Fig.4 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type line inversion based on capacitive coupling mechanism

对于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图5所示。与TN型类似，黑窗口呈现出上黑下黑的垂直串扰现象如图5(a2)所示，白窗口串扰比较轻微。

图5 基于电容耦合机理的ADS型行反转垂直串扰现象和波形分析Fig.5 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type line inversion based on capacitive coupling mechanism

2.2.3 列反转方式

在列反转的情况下，由于相邻数据线的极性相反，需要考虑像素电极与自身数据线之间的耦合电容以及像素电极与相邻数据线之间的耦合电容。如果这两个耦合电容值相等，由于极性相反可以产生相互抵消的效果。如果这两个耦合电容值不相等，它们之间的差别仍可能导致垂直串扰现象，只是在耦合效应抵消之后会比帧反转和行反转小得多。

对于TN型TFT-LCD而言，当像素电极受自身数据线的耦合电容影响大于相邻数据线时，垂直串扰现象和电压波形与帧反转情况相同，但程度相对较轻；当像素电极受相邻数据线的耦合电容影响大于自身数据线时，垂直串扰现象和电压波形与帧反转情况相反。黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图6所示。

图6 基于电容耦合机理的TN型列反转垂直串扰现象和波形分析Fig.6 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type column inversion based on capacitive coupling mechanism

图7 基于电容耦合机理的ADS型列反转垂直串扰现象和波形分析Fig.7 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type column inversion based on capacitive coupling mechanism

对于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图7所示，与TN型类似。

2.3 TFT漏电机理下的像素电压变化

由于a-Si TFT始终存在一定的漏电流(Ioff)，在像素电压保持阶段，像素电极会漏电到自身的数据线上造成像素电压的变化，产生垂直串扰不良。在不同的显示模式和反转方式下，TFT漏电机理产生的垂直串扰现象同样是有差别的。由于像素电极的漏电只能往自身数据线进行，与相邻数据线无关，故列反转与帧反转方式下的垂直串扰情况完全相同。下面分别对TN/ADS两种显示模式、帧反转/行反转两种反转方式情况下的垂直串扰现象进行说明和分析。

2.3.1 帧反转方式

在帧反转的情况下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图8所示。

图8 基于TFT漏电机理的TN型帧反转垂直串扰现象和波形分析Fig.8 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type frame inversion based on TFT leakage mechanism

假设要显示的图像为灰阶背景+黑窗口如图8(a1)所示，比较像素A1和A2。位于上方的像素A1，在第一条扫描线开启之后，假设约于1/6的帧时间写入像素电压，之后约5/6的帧时间内，其对应的数据线电压与像素电压极性相同；然后进入下一帧，写入电压的极性反转，此时约有1/6的帧时间，像素电压与数据线上的电压极性相反。位于下方的像素A2，在第一条扫描线开启之后，约于5/6的帧时间写入像素电压，之后约1/6的帧时间内，其对应的数据线电压与像素电压极性相同；然后进入下一帧，写入电压的极性反转，约有5/6的帧时间，像素电压与数据线上的电压极性相反。也就是说，像素A1约有1/6的时间向极性相反的电压漏电，像素A2约有5/6的时间向极性相反的电压漏电。因此，像素A2因为漏电而导致的电压变化值会比像素A1严重。由于TFT漏电的时间比例，会随着扫描顺序由上往下变动，会在灰阶背景中呈现出渐变效果。受到黑窗口影响，像素A1会向同极性的数据线漏电导致电压升高而发黑，像素A2会向极性相反的数据线漏电导致电压升高而发白，同时在A1和A2区也会产生渐变的垂直串扰现象。

如果是要显示的图像为灰阶背景+白窗口如图8(b1)所示，像素A1会向同极性的数据线漏电导致电压下降而发白，像素A2会向极性相反的数据线漏电导致电压升高而发白，同时在A1和A2区也会产生渐变的垂直串扰现象。

图9 基于TFT漏电机理的ADS型帧反转垂直串扰现象和波形分析Fig.9 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type frame inversion based on TFT leakage mechanism

对于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图9所示。受到黑窗口影响，像素A1会向同极性的数据线漏电导致电压下降而发黑，像素A2会向极性相反的数据线漏电导致电压升高而发黑，同时在A1和A2区也会产生渐变的垂直串扰现象。受到白窗口影响，像素A1会向同极性的数据线漏电导致电压上升而发白，像素A2会向极性相反的数据线漏电导致电压升高而发黑，同时在A1和A2区也会产生渐变的垂直串扰现象。

2.3.2 行反转方式

在行反转的情况下，TN型TFT-LCD的黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图10所示。假设要显示的图像为灰阶背景+黑窗口如图10(a1)所示，像素A1和像素A2的电压因为数据线上的正负极性电压变化时而上升时而下降，整体来看没有明显升高或降低，故垂直串扰现象轻微不可见。如果要显示的图像为灰阶背景+白窗口如图10(b1)所示，像素A1的正极性电压因为数据线上的电压变化整体有所下降，像素A2的负极性电压因为数据线上的电压变化整体有所上升，故呈现出上白下白的垂直串扰现象。

图10 基于TFT漏电机理的TN型行反转垂直串扰现象和波形分析Fig.10 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of TN type line inversion based on TFT leakage mechanism

图11 基于TFT漏电机理的ADS型行反转垂直串扰现象和波形分析Fig.11 Vertical crosstalk phenomenon and waveform analysis of ADS type line inversion based on TFT leakage mechanism

对于ADS型TFT-LCD而言，黑窗口和白窗口画面的垂直串扰现象和像素电压波形分析如图11所示。原理与TN型类似，黑窗口下呈现出上黑下黑的垂直串扰现象，白窗口下垂直串扰轻微不可见。

3 垂直串扰分析方法

3.1 VESA2.0标准测试方法

为了检验产品的光学特性是否满足设计要求需对产品的光学特性进行评估，美国视频电子标准协会(VESA)针对平板显示界面接口和电气特性方面制定相关标准，其中平板显示测量方法已被广泛应用于显示领域，目前推出的新版本为VESA 2.0标准，其中就包括Crosstalk评价方法。Crosstalk测试方法与面板示意图如图12所示。

图12 VESA 2.0方法测试串扰示意图Fig.12 Schematic diagram of Crosstalk tested by VESA 2.0

当显示如图12(a)的纯灰阶背景画面时，用亮度测量仪(如PR730等)测量在背景灰阶分别为L0，L4，……，L255(间隔4灰阶)画面下P1和P2点的亮度值L1j，L2j(j=0，4，……，255)。将画面切换至如图12(b)的背景灰阶+黑窗口的窗口画面，用亮度测量仪(如PR730等)分别测量在背景灰阶分别为L0，L4，……，L255(间隔4灰阶)+黑窗口画面下P1和P2点的亮度值L1n，L2n(n=0，4，……，255)。则测量出的垂直和水平串扰值分别为：

(1)

(2)

其中，n=j=0,4，……，255。

VESA 2.0方法评价串扰水平的原理实际上就是测量窗口画面下各个背景灰阶的亮度变化率，取各个灰阶下的最大值代表串扰水平。窗口画面可采用黑窗口、白窗口或其他颜色窗口。

VESA方法只是一个测量方法，将主观的串扰现象转换为客观的数值，有利于衡量和比较产品的串扰水平。在没有测量亮度的情况下，目前还没有方法能够得到产品的串扰水平。因此，本文提出了一种在不测量亮度情况下的垂直串扰水平分析方法。

3.2 电压-透过率曲线分析

由于垂直串扰机理与像素电压变化有关，串扰现象是亮度变化的直观反映，故考虑分析电压-透过率(V-T)曲线，从中得到亮度变化与电压差的关系[9-11]。

TN常白模式和ADS常黑模式的V-T曲线分别如图13(a)和图13(b)所示。V-T曲线上的点横轴为源极数据线电压，纵轴为对应的归一化亮度(最大亮度为100%)。由于V-T曲线是通过给数据线外加直流电压来测量的，不存在电容耦合和漏电等问题，可认为曲线上的数据线电压与对应灰阶的像素电压没有差别。

图13 TN和ADS模式电压-透过率曲线Fig.13 V-Tcurves of TN and ADS modes

下面从V-T曲线的角度来描述串扰现象。如图13(b)所示，假设ADS模式下纯灰阶L127画面在V-T曲线上对应的点为P1，纯灰阶L127画面+黑窗口的窗口画面在V-T曲线上对应的点为P1’。P1和P1’两点越接近则表示串扰程度越轻，两点距离越远则表示串扰程度越重。P1和P1’两点的横坐标的差值代表了背景画面和窗口画面下像素电压的变化，纵坐标的差值代表了背景画面和窗口画面下亮度的变化。

3.3 垂直串扰分析方法

通常串扰产生的亮度变化幅度较小即P1和P1’两点比较接近，P1和P1’连线的斜率可近似为P1点在V-T曲线上的斜率，故亮度变化与电压变化的关系式可表达为：

|ΔL|=kα|ΔV|，

(3)

其中:|ΔL|为背景画面与窗口画面的亮度差值，k为背景灰阶画面在V-T曲线对应点的斜率，α为耦合电压拉动系数或漏电电压降系数，|ΔV|为耦合电压幅值差或漏电SD压差。

α是未知数，与|ΔV|相关，若|ΔV|变化不大，可认为α是一常数。|ΔV|的大小可通过Cpd耦合或者TFT漏电机理的压差直接求得。k为常数，可通过V-T曲线求得。因此，在不测量亮度的情况下即可求得亮度的变化|ΔL|，从而判断垂直串扰水平。|ΔL|/L即是VESA方法评价的串扰值。

4 实验结果与讨论

为了验证此垂直串扰分析方法和公式(3)的准确性，分别对不同窗口下的垂直串扰和不同背景下的垂直串扰进行定性和定量地分析。本实验采用苏州弗士达公司光学测量系统测量串扰值用作对比；采用示波器测量各个灰阶下的正负极性源极信号电压；采用V-T测试平台测试V-T曲线；选择两款串扰严重的样品：15.6FHD TN和14.0FHD HADS，驱动均为列反转(目前列反转是主流方式)，HADS模式衍生于ADS模式。

4.1 不同窗口下的垂直串扰

图14是用光学测量系统测量垂直串扰值的示意图，Panel竖直放置，PCB朝下，行扫描方向从DPO侧到DP侧，垂直串扰测量点位为A1和A2。

图14 光学系统测量垂直串扰示意图Fig.14 Schematic diagram for measuring vertical crosstalk in Optical System

表1为15.6FHD TN和14.0FHD HADS两款产品在L127背景下的垂直串扰测量结果。TN产品的垂直串扰在黑窗口下最严重，白窗口下最轻，红/绿/蓝窗口程度居中，值约为黑窗口的2/3；HADS产品的垂直串扰在白窗口下最严重，黑窗口下最轻，红/绿/蓝窗口程度居中，值约为白窗口的1/3。无论是TN还是HADS模式，均是A2串扰比A1严重。

表1 TN和HADS产品的亮度和垂直串扰值Tab.1 Results of luminance and vertical crosstalk for TN and HADS products

下面用本文提出的分析方法来解释上述垂直串扰现象。由于背景灰阶不变均为L127，可认为不同窗口下的k值为一常数。通过分析垂直串扰机理，可以对黑白窗口的ΔV进行计算。例如，15.6FHD TN产品，在黑窗口下，正帧情况A1的电压差ΔV=6.32-7.80=-1.48 V，而A2的电压差ΔV=2.12-7.80=-5.68 V；负帧情况A1的电压差ΔV=2.12-0.12=2.00 V，而A2的电压差ΔV=6.32-0.12=6.20 V，其他情况以此类推，结果如表2所示。

表2 不同窗口下的电压差计算结果(单位：V)Tab.2 Calculation results of ΔVunder different window patterns (Unit: Volt)

黑白窗口对A1和A2的像素电压变化幅值为α|ΔV|，|ΔV|变动不大时可将α看做常数，可通过ΔV值定性地判断垂直串扰的水平。在表2中，TN产品黑窗口的|ΔV|值明显大于白窗口，故可推断TN产品黑窗口产生的亮度变化|ΔL|大于白窗口，由此可知黑窗口的垂直串扰重于白窗口。而HADS产品白窗口的|ΔV|值明显大于黑窗口，故可推断HADS产品白窗口的垂直串扰重于黑窗口。红窗口、绿窗口和蓝窗口对亮度的影响相当于1/3的白窗口+2/3的黑窗口的影响，故TN产品的红/绿/蓝窗口的串扰程度介于黑窗口和白窗口之间，且值约为黑窗口的2/3。而HADS产品的红/绿/蓝窗口的串扰程度介于黑窗口和白窗口之间，且值约为白窗口的2/3。同时，无论是TN还是HADS产品，A2的|ΔV|远大于A1，故总是A2串扰比A1严重。

用ΔV来定性分析不同窗口的垂直串扰水平结果与光学测试结果保持一致，说明了此方法具有一定的合理性。同时我们得到了不同窗口下的垂直串扰严重程度，此规律具有普遍性：TN模式下黑窗口>红/绿/蓝窗口>白窗口，ADS模式下白窗口>红/绿/蓝窗口>黑窗口，且行扫描末端区域(即A2区)最严重。

4.2 不同背景下的垂直串扰

表3为15.6FHD TN和14.0FHD HADS产品在L63，L92，L127，L160，L1925种背景灰阶下的黑白窗口电压差ΔV。各个灰阶正负帧电压可通过示波器测量，电压差计算方法同上。

表3 不同背景灰阶下的电压差计算结果Tab.3 Calculation results of ΔVunder different background patterns (V)

下面来推断15.6FHD TN产品黑窗口在不同背景下的垂直串扰水平。表4为15.6FHD TN产品黑窗口负帧的k值及k|ΔV|结果。由于正帧和负帧情况类似，以负帧电压数据进行计算即可。|ΔV|数据为表3内的计算数据。对应灰阶下的k值可通过对应的负帧电压在V-T曲线上求得，由于V-T曲线将最大亮度归一化为100%，得到的k值单位为V-1。因此，k|ΔV|为无量纲的量。对于A1或A2来说，在不同灰阶下的|ΔV|差异较小，可将α看做常数，故|ΔL|与k|ΔV|成正比，k|ΔV|的变化即可反映|ΔL|的变化。

同时，使用光学测量系统测量15.6FHD TN产品在不同背景下的垂直串扰结果如表5所示。

表4 TN产品黑窗口负帧的k|ΔV|计算结果Tab.4 Calculation results ofk|ΔV| under negative frame in black window for TN products

表5 TN产品的亮度和垂直串扰值Tab.5 Results of luminance and vertical crosstalk for TN product

将不同背景灰阶下的实测|ΔL|值与计算出的k|ΔV|值进行线性拟合，如图15所示。A1和A2的实测|ΔL|值与k|ΔV|值随背景灰阶的变化趋势均十分吻合，两者线性相关系数均达0.98以上，证明了公式(3)以及分析方法的准确性。

采用相同的过程来推断14.0FHD HADS产品白窗口在不同背景下的垂直串扰水平。以正帧电压数据进行计算，表6为14.0FHD HADS产品白窗口正帧的k值及k|ΔV|结果。表7为14.0FHD HADS产品在不同背景下的垂直串扰实测结果。

图15 TN模式不同背景灰阶下的k|ΔV|与|ΔL|Fig.15 k|ΔV| and |ΔL| in different background patterns for TN mode

表6 HADS产品白窗口正帧的k|ΔV|计算结果(单位：无量纲)Tab.6 Calculation results ofk|ΔV| under positive frame in white window for HADS products (Unit: dimensionless)

表7 HADS产品的亮度和垂直串扰值Tab.7 Results of luminance and vertical crosstalk for HADS product

得到的实测|ΔL|值与计算出的k|ΔV|值如图16所示。在HADS产品中，A1和A2的实测|ΔL|值与k|ΔV|值随背景灰阶的变化趋势同样十分吻合，两者线性相关系数均超过0.93，再次证明了公式(3)和分析方法的准确性。

同时，我们也得到了TN和HADS模式下不同背景灰阶的垂直串扰水平：TN模式黑窗口的垂直串扰严重程度与HADS模式白窗口的垂直串扰严重程度规律相同，均为L63>L92>L127>L160>L192。

图16 HADS模式不同背景灰阶下的k|ΔV|与|ΔL|Fig.16 k|ΔV| and |ΔL| in different background patterns for HADS mode

5 结 论

本文首先详细分析了垂直串扰的发生机理以及电压透过率曲线，并推导出了亮度变化|ΔL|的计算公式，进而提出了一种预测垂直串扰水平的定量分析方法。然后分别研究了不同窗口(黑/白/红/绿/蓝)和不同背景灰阶(L63/L92/L127/L160/L92)下的垂直串扰情况，得到了如下结果：TN模式下L63+黑窗口为垂直串扰最重图像，ADS模式下L63+白窗口为垂直串扰最重图像。同时，以TN和ADS两类产品为研究对象，与VESA光学测量的垂直串扰结果进行比较，实测|ΔL|值与计算的k|ΔV|值在TN和ADS模式下的线性相关系数分别达0.98和0.93以上，证明了公式和分析方法的准确性，可以满足LCD产品垂直串扰的定量分析需求。