车载无源驱动液晶显示器件的交叉效应机理分析及其改善对策

杨烨 沈奕 林伟浩

摘要：主要针对无源驱动的 TN、STN液晶显示器的交叉效应问题做进一步的研究，分析当前业内改善交叉效应的常用方法及其不足，通过分析基于像素点阵所等效的阻容低通滤波网络对驱动波形的影响，得出交叉效应在平均电压法下依然无法消除的原因，确定线路电阻与液晶电容所构成的低通滤波网络使得驱动波形发生指数衰减，从而导致驱动波形出现了变形，因而使其有效电压出现差异，这种差异导致了交叉效应的出现。为了解决这种原因导致的交叉效应，提出了多种实用改善对策，主要包括降低像素电容，降低 ITO薄膜的方阻，通过薄膜电极图形的线路设计优化降低引线电阻以及提高线路的电阻均匀性。验证结果表明，通过优化 ITO薄膜的方阻以及采用薄膜电极图形线路设计优化来降低引线的电阻是合适有效的方法，这些方法可以有针对性地改善由于驱动波形发生指数衰减导致的交叉效应现象，提高了产品显示效果，最终达成满足车载应用的高阶需求。

关键词：液晶显示器件;无源驱动;交叉效应;阻容网络模型

中图分类号：U279文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0048-06

The Research of Cross-talk Mechanism of Automotive Passive Liquid-crystal Display and Improvement Countermeasures

Yang Ye1，Shen Yi2※，Lin Weihao2

（1. Guangdong Shantou Goworld Electronics Co.， Ltd.， Shantou， Guangdong 515065， China;

2. Shantou Goworld Display Technology Co.， Ltd.， Shantou， Guangdong 515065， China）

Abstract： Researching the cross-talk effection of passive driven TN or STN Liquid crystal display （LCD） was mainly focused on analyzingthe current general solution and its insufficient reasons. Through analyzing the influence on driving waveform by the equivalent pixelresistance-capacity lowpass network， although some methods have been used to resolve the problem currently， such as the average voltagemethod， but the cross-talk effection still cannot be eliminated as the driving waveform distortion in a exponential way. In order to solve thecross-talk effection which is still appears when the current methods have been used， several methods were proposed， including by reducing thecapacity of pixels and the resistance of ITO films， equalizing and reducing the resistance of conductive lines by pattern optimization designingways. And by the experimentally results， these methods can effectively settle the cross-talk effection and improve the display performance ofpassive driven LCD， finally achieved to meet the high level requirements of automotive applications.

Key words： LCD; passive driving; cross-talk effection; resistance-capacitance network model

0 引言

隨着电子信息技术的进步与发展， 人机交互所需的信息显示终端需求越来越多，液晶显示器件凭借体积小、功耗低、无电磁辐射以及可直接采用数字接口等诸多优点[1]，在家电、工控仪表及车载显示等行业的应用愈加广泛，成为当前最主流的显示技术，市场应用前景广阔。

液晶显示器从驱动方式上主要有采用动态驱动的无源矩阵显示器、有源矩阵显示器及双稳态/多稳态显示器等[2]。其中，以向列扭曲（ TN ）、超扭曲向列型（STN）液晶显示器（下文简称液晶显示器或 LCD）为代表的无源驱动液晶显示器件，利用液晶对光线的双折射原理，在采用无源矩阵的驱动方式下，具备省电、结构简单、生产工艺成熟稳定及支持灵活设计等特点[3]，不仅可设计为黑白或灰度显示，还可以通过添加彩色滤光片，使 STN LCD可以显示红、绿、蓝三原色，从而通过不同配比，可以显示出不同色彩效果。在液晶显示器件的应用方面， 无源驱动 STN LCD除了具备价格更经济、功耗更低、可靠性更高等特点，同时在显示性能指标上具有高对比度、宽视角、透光率高、工作温度范围宽及支持温度补偿等优点，因此被广泛应用于对显示质量要求高的汽车仪表及汽车音响产品上[4]。

采用无源矩阵驱动方式的液晶显示器件，都会在一定程度上存在交叉效应问题，交叉效应表现为由相邻象素在电路上相互干涉而产生的一种伪显示现象，如图1所示。这种伪显示现象一般伴随性地出现在正常显示图像的邻近，同一行或同一列，其不仅干扰了正常图像的显示，而且还导致了显示器对比度与视角特性的下降，使正常显示的图像与背景之间的过渡不清晰，特别是从显示器的侧视角观察更加突出。因此，为了提高无源驱动液晶显示器件的产品竞争力，当前多数厂家普遍采用平均电压法及最佳偏压法等改善方法[5]，主要是从驱动原理上解决，但在实际应用上，特别是在一些高要求或高驱动路数的产品中，即使采用这些方法，交叉效应仍然存在，使得这些产品无法满足用户的高阶需求。

对此，本文将在分析产生交叉效应的机理及现行普遍对策方法的基础上，结合生产实际经验，从产品设计的维度上，提出可以进一步解决交叉效应的对策方法，其意义旨在提高无源驱动液晶显示器件的产品性能，使得其能够满足人们对车载显示质量的严格要求。

1 车载无源驱动液晶显示器件工作原理

车载无源驱动液晶显示器件主要利用液晶的双折射达成显示目的，如图2所示，在内侧镀有透明电极（分别为上、下电极）的两块平行玻璃基板之间夹置有厚度约数微米的正性液晶材料，构成液晶盒。其中，电极表面还涂布有聚酰亚胺（ PI ）平行配向材料，使得液晶分子与平面的夹角为1°～2°，并对其做一定的定向处理，形成定向结构。当其扭曲角φ=90°时，则得到 TN 模式，当扭曲角φ>90°时（一般为240°），则得到超扭曲的 STN模式。液晶盒的两个外侧面还分别贴附有上、下偏振片。对于 STN模式而言，通过改变上下偏光片的吸收轴角度，可以分别形成黄绿模、蓝模等仅区别于背景与显示颜色的显示模式。上述显示器件可以设置为透射模式或反射模式，一般对应透射模式的显示器会在后侧配置背光，而对应反射模式的则会在下偏振片后侧贴附一层反射片。

在对上下电极施加电压形成导通态的情况下，由于正性介电各向异性和电场的相互作用，液晶分子变成垂直取向，扭曲结构解体，线偏振光的偏振方向在盒中传播时不再旋转，保持原来偏振方向到达输出侧。如果两偏振片的光轴形成正交设置，则输出侧光的偏振方向垂直于前偏振片的光轴，无光输出，呈黑态;相反，若两偏振片的光轴形成平行设置，则输出侧有光输出，呈明态。

点阵式液晶显示器件为了显示出一定的图形，需要在上下玻璃基板上分别设计多个 X 方向、Y 方向的条形电极，在显示器上形成多个具有上述结构的电极交叠区域，行电极与列电极相互垂直交叉区域形成一个发光像素单元。当进行无源矩阵驱动时，逐行扫描，按列选通。由于液晶显示器的响应是与电压均平方根的平均值保持一致的，故驱动电极可以进行时分复用。通过像素的行电极和列电极间的电压变换，就可以对显示屏上的单元像素进行显示，所有的像素在整个帧周期内不同时发光，逐行扫描，使得每个像素在一帧内发光一次[6]。

无源矩阵的驱动方式可以使得输入线路最少化，解决引线太多带来的设计和工艺困难，以点阵型 STN LCD 的电极设计为例子进行说明，通过上下输入线路的交叉，在仅需要 N+M条输入线的情况下，便可驱动 N×M个像素，在这种情况下，一个基板上的电极为扫描电极、另一个基板上的电极为信号电极，某个像素则必须在该行的扫描电极与该列的信号电极形成足够大的电压差的情况下，才会被开启点亮。这种驱动扫描方式也因此极大增加了液晶显示器的显示信息容量。

2 交叉效应的产生机理

在无源驱动液晶屏的显示过程中，由于 STN LCD是由一片具有 COM引线和另外一片具有 SEGMENT 引线的两片导电玻璃组成的，结构上形成了电容元件的特性，当容值过高时，LCD充电速度变慢，驱动电压的波形会产生失真，从而导致 COMMON引线和 SEGMENT引线波形叠加之后，半选点的电压相对较高，因而导致部分非显示半选点横竖方向对比度偏高，造成了显示的暗线或暗影的问题，特别是当 LCD 玻璃面积即显示面积越大时，电容值则越大，交叉效应越严重。另一方面当引线电阻过高时，驱动波形的响应时间增加，也会造成加到LCD屏液晶之间的电压波形产生失真，引起半选点和选择点的电压差缩小，所以导致显示交叉效应的出现。

以驱动 STN LCD 矩阵显示器件为例，假设所驱动的像素矩阵为一个3×2的矩阵 （ N=3，M=2），每个像素的液晶都可看成一个数值很大的电阻，整个像素矩阵可以等效为一个电阻网络，如图3所示。若在扫描电极 X3上加电压V0，而将 Y2接地，这样R32两端的电压为 V0，但 X3同时还可以经过 R31导通 Y1，再经 R21导通 X2，经 R22导通 Y2（即地），即这3个电阻串联起来，在其两端也加电压 V0，若假定每个像素的电阻都相等，在像素32加电压 V0的同时，像素31上有 V0/2电压，而其他像素上有 V0/4电压。这里像素32是选择点，像素31是半选择点，而其他像素为非选择点。这种在某一像素上加电压，而其他像素上也有电压的现象则称为交叉效应。对于行列数量较多的矩阵，则上述半选点、非选择点还会出现多个电压级别，使得显示存在更加严重的不均匀现象。

按照上述分析，当被扫描的像素加上信号电压后，未被选址的像素点通过其他像素点也与信号端连接被加上部分信号电压[7]。在半选择点、非选择点上也存在有电压的情况下，由于在这些电压下的透光率不可能与电压为0时的透光率一致，因此这些半选择点、非选择点也都可能出现一定的透光率变化，从而引起伪显示现象。假设为常白型显示器，在存在交叉效应的情況下，当对液晶显示器施加电压 V0使其超过液晶的阈值电压 Vth 时，选择点像素32首先变黑，再增加电压 V0可以使得半选择点像素31的电压也会超过 Vth 而变黑，再进一步增加电压 V0，则非选择点也将变黑，从而导致了显示屏内相邻象素相互干涉而产生的一种可视的交叉效应现象，由此极大降低了显示画面质量。

3 改善交叉效应的现行对策及其不足

为了改善无源驱动液晶显示器件的交叉效应问题，通常在器件设计中导入调整驱动电压方法、改善电光特性曲线方法、平均电压法及最佳偏压法等对策[8]。其中，采用平均电压法设置选择像素和非选择像素的有效电压值，即在选址像素的行和列电极上加一个全电压的同时，在半选像素点对应的电极上也加一个偏置电压，以此达到选点与非选点电压差距较大，对比度更明显，同时选通像素或非选通像素之间显示状态均一的目的，从而抑制液晶显示器的交叉效应。而通过最佳偏压法，以获得最大显示对比度的驱动方式也是目前液晶驱动的主流设计方法。

上述对策的导入对交叉效应问题具有较明显的改善作用，但却只能在一定程度上解决这个问题，在实际效果上仍会存在交叉效应现象。因此，本文通过深入研究和实验论证，分析出依然导致交叉效应的深層原因，主要是因为在实际产品中，线路和像素都为一定数值的电阻，而不是理想的无电阻线路与无穷大电阻的电容，不同线路或像素之间的电阻不一致，会破坏电压平均条件;另一方面由于驱动波形一般为一定频率的方波，而方波通过上述的电阻、电容线路，会发生波形的畸变与延迟，从而加剧了上述电阻不一致的影响程度，从而进一步破坏了电压平均条件。由此分析得出无源驱动液晶器件像素点阵的阻容网络延迟是导致交叉效应的主要原因。如图4所示，显示器件像素内部的液晶层由上、下配向层所夹持，而上、下配向层则分别涂布在上、下电极上，因此，上、下电极由上配向层、液晶层、下配向层隔开，形成了平板电容结构，可以将像素等效为由电容 CLC 和电阻 RLC 并联而成的电路。

在无源驱动液晶显示器件设计中，像素的上电极与下电极需要通过一定的驱动引线连接到驱动芯片上，在芯片设置在液晶显示器外部时，该驱动引线包括由像素上、下电极连接到外接端口的 ITO （氧化铟锡）引线，其中外接端口形成在上玻璃与下玻璃错开形成的台阶处（图5（a）），而芯片也可以通过CoG （Chip on Glass）技术直接设置在台阶上，使得上、下电极可以通过 ITO 引线直接连接到驱动芯片的引脚上（图5（b））。由于上述两种情况涉及到像素、扫描线、数据线的位置因素，使得多个 ITO 引线的长度都不可能保持一致。而 ITO 引线以及上、下电极都为溅射在上、下基板玻璃上的氧化铟锡膜层，具有透明导电性，但是其电阻一般较大，方阻一般为10～200Ω/□，因此，长度的不一致以及较大的电阻率，会导致连接到不同扫描线、数据线上的 ITO 引线的电阻出现较大的差别。同时由于 ITO 引线之间都靠拢得较近，相互之间也存在着寄生电容[9]。另外，由于同一行的像素采用一根扫描电极贯穿、同一列的像素采用一根数据电极贯穿，因此，同一行相邻像素的上电极之间以及同一列相邻像素的下电极（假设下电极为列电极）之间都存在着网络电阻 Rn。

根据上述分析，对于像素点阵的电路，可将其每一行都等效为一个阻容低通滤波器电路，由于每一个像素之前的像素对该像素都具有低通滤波作用，使得在同一个扫描线上，所施加的驱动波形按照各个像素的顺序逐步出现延迟，延迟的作用使远端驱动信号出现逐步增大的指数衰减，每一列的像素也可以看成同样的低通滤波电路，因此也会出现同样的延迟现象。为了进一步分析这种延迟现象导致的交叉效应，如图6所示，建立2×2点阵的等效阻容低通滤波电路网络模型进行说明。

假定当显示时像素1为开启点，其他像素为非开启点，按照平均电压法，并且考虑了经过低通滤波电路之后的信号衰减，在其显示过程中，像素的各个电极上的电压波形如图7所示，可以很明显地看出，非开启像素3与像素2、4的波形存在明显的差别，按照积分公式可以确定其平均电压值会存在差异，等同于非开启点的有效电压出现了不一致，结合电光特性曲线，可推断出会重新出现交叉效应导致的显示不均。

假定像素 A 的同列其他像素都为开启，另外一个像素 B 的同列其他像素则沿着该列交错开启或关闭，考虑了低通滤波的作用之后，其波形便会分别衰减为图8 （a） ～ （b）的波形。因此，通过积分公式可得出这两个波形导致的平均电压出现差别的结论，而且可以明确在多路驱动下，更加容易出现这种电压差别，这种电压差别将会导致明显的交叉效应。

依据上述分析论证可明确，在平均电压法下，每一帧的波形都包含1个选择时间片和 N-1个非选时间片，其中 N-1个时间片内，其驱动电压会在 V0/b 和-V0/b 间跳跃，并形成了总数为 n 的电压上升沿和下降沿，其中 n 是由同列其他像素的显示状态决定的。在液晶电容与线路构成的低通滤波网路导致衰减的情况下，电压的上升、下降沿会出现畸变，这种畸变导致了整帧波形的均方根有效电压出现变化。而这种变化是由数量 n 所决定的，而 n 决定于同列其他像素的显示状态。因此，该像素的显示也就受到了同列其他像素的显示状态的影响，从而导致了交叉效应的出现。

遏制上述的交叉效应只能通过减少低通滤波网路的衰减入手，通常这种衰减可以通过特征时间τ来表示，τ越大，则上升、下降沿的畸变越大，而对于阻容网络回路来说有：

式中：R 为整个回路的电阻，包含网路电阻 Rn 及引线电阻; CLC 为像素电容。

降低整个回路的电阻或像素电容，都可以减少低通滤波网路的衰减，从而达到遏制上述交叉效应的目的。

4 进一步改善对策

经过第3章分析，在无源驱动液晶显示器件的像素电容及引线电阻所构成的低通滤波网络的衰减作用下，平均电压法所采用的波形会发生失真畸变，最终导致了交叉效应现象依旧存在。因此，为进一步遏制交叉效应，还可以通过降低像素电容，降低 ITO 薄膜的方阻，通过图形的优化设计降低引线电阻以及提高布线电阻一致性等方面进行评估改善。

4.1 降低像素电容

降低像素电容主要是从提高液晶层的厚度和降低液晶层的相对介电常数这两方面开展验证。为了验证降低像素电容是否可以减少交叉效应的影响，试验将 STN LCD的液晶层厚度由5μm调整为6μm 、液晶介电常数由6.4降低为5.9，对应的像素电容由11.3 pF/mm2降低到8.7 pF/mm2，同样采用平均电压法进行驱动，改善后的样品，交叉效应现象有明显的减弱。但这种方法需要改变液晶层厚度或者液晶材料的介电常数，而液晶层厚度的改变会对显示器光学设计的合理性造成影响，另一方面，介电常数太低的液晶由于通用性不强，成本较贵，而且会对液晶的其他性能，如介电各向异性、折射率、响应速度、电光特性曲线造成影响，因此，这种降低像素电容的方法，在实际应用中存在一定局限性。

4.2 通过降低 ITO薄膜方阻降低引线电阻

通过降低 ITO 薄膜的方阻，可使像素间电阻 Rn 以及引线电阻降低，从而降低了阻容线路的时间常数τ。为了验证该方法对改善交叉效应的作用，在一款存在交叉效应的样品上开展改善验证，将该样品的 ITO 薄膜方阻由100Ω/□降低为10Ω/□，如图9所示，改善前的样品交叉效应非常明显，在显示画面多个“1”字形成直列中，“1”字的间隙的亮度明显高于相邻区域不存在“1”字的区域，降低 ITO 薄膜方阻的样品，交叉效应问题则得到显著改善。

依据上述分析和实验结果，可明确 ITO 薄膜的方阻值越小，则交叉效应越不明显。但是，ITO 薄膜方阻越小，对应的制备成本则越高，而且由于方阻降低后导致的薄膜厚度增大，使得在制作完图形之后，薄膜边缘的凹凸较大，容易对液晶层的配向造成影响。所以非常有必要推算制定出 ITO 薄膜方阻的最大允许值Rmax，并且以此最大允许值来指导实际产品设计。通过验证并结合实际生产经验，可以明确Rmax与平均电压法下的驱动行数 N、频率f以及像素的电容等都是负相关的，即驱动行数 N、f、C 越高，则要求更低的Rmax，因此可以总结出如下经验公式：

式中：K 为一经验系数，不同生产厂家数据有区别，结合厂家生产经验数据，通常取值在1.0～10.0之间（单位为 mF ·Hz ·Ω/□），若 K=5，则对于像素电容 CLC=10 pF、 N=128的液晶显示器，采用频率64 Hz进行驱动，其需要的 ITO 薄膜方阻约为61Ω/□。

4.3 通过图形走线优化，降低引线电阻并提高电阻均匀性

液晶显示器件在做引线设计时，若绕行距离太长，则引线电阻值相对较大。通过重新优化设计，在合理位置对其进行加宽处理，可以有效降低线路电阻。另外采用叉分设计或跳线设计，如图10所示，把引线中线路偏长的部分分为多路，每一路分别连接到不同的像素，因而使得每一段线路的电阻变小，最终降低对应线路的负载。如图11所示，采用跳线设计，通过设置在周边的上、下 ITO 导电薄膜间的导电点，将线路跳到另外一层 ITO 导电薄膜上，从而使得引线更短，电阻更小。通常叉分设计需要结合跳线设计，才能避免叉分后的线路冲撞。

经实测，针对存在交叉效应的产品重新进行图形走线优化设计，重新制样并按原方式进行驱动显示，如图12所示，交叉效应的问题基本已得到遏制。

5 结束语

本文针对应用于车载领域的无源驱动 TN/STN液晶显示器件，在其结构、驱动、工作原理的基础上，对其存在的交叉效应问题做了深层次分析，指出在平均电压法下，每一帧的波形都包含1个选择时间片和 N-1个非选时间片，其中 N-1个时间片内，其驱动电压会在 V0/b 和-V0/b 间跳跃，并形成了总数为 n 的电压上升沿和下降沿，其中 n 是由同列其他像素的显示状态决定的。在液晶电容与引线线路构成的低通滤波网路导致衰减的情况下，电压的上升、下降沿会出现畸变，这种畸变导致了整帧波形的均方根有效电压出现变化，这种变化是由数量 n 所决定的，而 n 决定于同列其他像素的显示状态。因此，该像素的显示也就受到了同列其他像素的显示状态的影响，最终导致产生了交叉效应现象。为了进一步解决由该原因导致的交叉效应，本文提出了几种对策，主要包括降低像素电容，降低 ITO 薄膜的方阻，通过图形的优化设计降低引线的电阻，减少低通滤波网络的衰减作用以及提高线路的电阻均匀性等。通过系列对比验证可知，合理选择 ITO 薄膜的方阻值以及通过优化像素电极的引线设计为两种更加合理有效的方法，优化像素电极的引线设计可以通过合理调节不同引线的宽度来实现，并可结合叉分设计与跳线设计等方法，降低引线阻抗，以进一步遏制交叉效应，更好地提高无源驱动液晶显示器件 TN/STN LCD 在车载领域应用的显示效果，使得此类液晶显示器件可以进一步满足一些高端用户需求。

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第一作者简介：杨烨（1973-），女，湖北武汉人，硕士研究生，工程师，研究领域为液晶显示与触控技术开发。

※通讯作者简介：沈奕（1974-），男，廣东潮州人，博士研究生，教授级高级工程师，研究领域为平板显示及触控技术开发。

（编辑：刁少华）