用于液晶调控器件的过压驱动技术进展

史文雄， 卢绮涵， 梁如标， 覃炜贤， 姚丽双，2*

（1.汕头大学 理学院， 广东 汕头 515063；2.汕头超声显示器技术有限公司 广东省车载显示触控技术企业重点实验室，广东 汕头 515041）

1 引言

目前，显示器的主流显示技术大体上可分类为液晶显示技术（Liquid Crystal Display，LCD）和有机发光二极管显示技术（Organic Light Emitting Diode Display，OLED），这两类显示技术的主要区别在于其驱动的方式不同。OLED显示技术在屏幕上所显现的多样颜色是由单个LED像素直接控制，不需要借助液晶和透光薄膜，而是接通电流后，载流子注入到有机层产生电致发光［1］，因此相对于一般的LCD具有更广的色域，屏幕会更薄（通常情况下约为LCD屏厚度的1/3）并且具备柔性屏幕特性［2］。此外，因为每个LED像素都是单独的开关控制，故可以呈现出纯净的黑色效果。但是由于OLED的调光方式是开关调节，所以对薄膜晶体管器件的迁移率、开关比大小有较高的要求，且在成本上花费较高。相比之下，LCD显示技术在器件制备方面的要求较低，性价比更高。LCD显示器件由透光膜、液晶层、背光板和LED屏构成，其显示原理是基于液晶材料的电控双折射特性，通过控制电压大小来调节透过LED屏的光的亮度［2］。故现如今，LCD仍旧占据显示面板销售市场的主流地位［3］。与OLED相比，LCD目前通过量子点的助力，色彩饱和度已经可以与OLED相媲美，但是响应速度仍远不能与OLED相比。为此，在显示领域开发了过压驱动技术来提升LCD的响应性能。过压驱动 （Overdriving， OD）是一种在液晶显示器件中较为常见的用于优化图像显示的技术。过压驱动技术的发展与液晶显示器的广泛使用密不可分，在现如今的生活生产中，有许多显示器件，如电视机、平板、手机、电脑、电子手表、医疗仪器等采用液晶显示技术。这些设备的响应性能主要依赖于显示技术及与之相配的驱动技术，其中普遍采用的即是过压驱动方法。

2 过压驱动技术原理

液晶是介于固态与液态之间的一种相态，既具有液体的流动性，也具有类似于晶体的各向异性。基于这种特殊性质，液晶可以用来调控入射光的强度和相位。显示器的液晶分子一般为棒状，当外加电场时，会产生感应偶极矩，获得使液晶分子转动的力偶作用，形成取向极化。为了在原理上更为深入地探究液晶分子微观排布状态，Frank等人于1958年提出了著名的曲率弹性理论［4］，给出了液晶分子的自由能密度表达式。随后，Ericksen等学者基于该理论，发展出埃里克森-莱斯利方程［5］，用于描述液晶分子类流体的动力学行为。这些研究揭示了液晶分子的运动响应与外加场强度之间存在一定的相关性，即可以在外加电场的作用下人为调控液晶分子的运动排布状态。

过压驱动技术正是基于液晶这种特殊的电光性质而发展出的，其基本原理是：在对液晶分子施加电压使其发生偏转的过程中，当液晶分子需要克服阻力矩和弹性力矩进行分子取向调整时，通过施加一个比目标电压更高的驱动电压的方式，让液晶分子获得更大的电场转矩克服阻力矩和弹性力矩，使其可以更快地达到目标电压下对应的稳定状态。亦或是在液晶分子弛豫回转的过程中，施加一个更低的驱动电压，使液晶分子在回落时抵消电场转矩后的有效弹性转矩增大，从而提升响应速度［6］。对应液晶屏的显示领域应用，就是在两种不同灰度级所对应的电压值切换时，在切换过程中施加一个更高于或更低于目标电压的驱动电压，从而使两灰度间的切换响应变化过程变得更加迅速，如图1（a）所示。采用普通驱动进行灰度级切换则是直接施加目标电压，如图1（b）所示。图1中绿色虚线代表驱动电压变化曲线，红色实线代表亮度变化曲线。

图1 两种驱动方式示意图。（a）过压驱动；（b）普通驱动。Fig.1 Schematic diagram of two driving modes. （a） Over drive； （b） Common drive.

在采用过压驱动技术后，可显著加快LCD中的图像显示切换速度，提升视觉观感效果。由于LCD是通过施加不同大小的电信号调控光强以实现灰阶的变换，故可实现在施加电信号的过程中输入一个高于目标电压的电压提升响应速度，过压驱动技术也基于此能在LCD中得到广泛的应用。

3 过压驱动技术应用于显示领域

3.1 基于液晶显示器件的过压驱动技术

在LCD发展应用之初，存在视角、色域较窄，对比度较低等问题［7］，其呈现出的图像效果差强人意，不能很好地应用于显示领域。在历经多年的发展和技术更新迭代后，衍生出了各种类型的液晶显示器件，例如扭曲向列型（Twisted Nematic，TN）、多域垂直取向型（Multi Domain Vertical Aligned，MVA）、平面内切换型（In Plane Switching，IPS）等。这些液晶显示器件在满足不同应用需求的同时，也能有效地改善上述问题。

LCD的结构如图2所示。LCD的多样性主要是基于液晶层的不同而产生不同的类别。对于光强上升的曲线，响应时间通常定义为总光强变化量从10%到90%时所需要的时间；而对于光强下降的曲线，响应时间则是光强变化量从90%到10%时所需的时间［8］。响应时间是衡量液晶显示的重要参数，响应时间越短则显示效果越好。而对于这些基于不同液晶光学模式制成的液晶显示屏，均可以采用过压驱动技术提升响应性能。

图2 LCD结构图Fig.2 Structure of LCD

TN-LCD是以扭曲向列相模式作为基础元器件的显示器件。扭曲向列相液晶器件的特点是其上下衬底的摩擦方向相互垂直，液晶分子在液晶器件内呈现一种扭曲的结构。施加电压时，液晶器件呈现暗态；不加电时，液晶器件则呈现亮态。这种电光效应即扭曲电场效应。

2001年，Hajime Nakamura和Kazuo Sekiya基于TN-LCD的扭曲电场效应，从理论和实验方面研究了采用过压驱动技术对扭曲向列相液晶器件光学响应性能的影响［9］。对于液晶器件，采用具有更低旋转粘度的液晶材料或者更薄液晶器件厚度等方式提升响应性能的效率并不高，且实现起来较为繁琐费时。因此，选择过压驱动技术是成本相对低廉的提升响应性能的方式。该技术在图像第一帧时将电压偏置到大于目标电压的大小，然后在下一帧再将电压偏置到目标电压。在采用过压驱动的方式后，TN的响应时间可以缩短6倍［9］。实验结果表明，采用过压驱动技术后，TN灰度切换的响应时间明显缩短。

MVA-LCD通常采用负介电各向异性液晶材料。在不加电时，这些液晶分子垂直于衬底方向排列；施加电压时，这些液晶分子会趋向平行于衬底方向排列。在MVA面板中还存在有特制的凸起结构以获得更宽的显示视角［10］。Jin-Jei Wu等人基于MVA面板的优异性能，采用过压驱动技术提高其灰度切换的响应时间［11］。为了更快速地达到稳定状态，采用的是改良的过压驱动技术。改良的过驱动技术是在施加过驱动电压后再接上一段缓冲电压，缓冲电压大小介于过驱动电压和目标电压之间。相较于普通的过压驱动方法，即直接施加过驱动电压驱动MVA面板，改良后的过压驱动方式能够使响应曲线变得更为平滑，显示视觉效果更好，且能缩短响应时间约20 ms。

IPS-LCD不同于一般液晶显示器件，其是通过衬底的梳妆数字电极和公共电极产生的横向电场来调控液晶分子的排布方向［12］。IPS-LCD具有较大视场，在倾斜视角下仍能保持一定的亮度，不会影响观看，可以呈现出沉浸式的视觉效果。但对于具有较大像素电容的IPS液晶显示，如IPS-Pro［13］，目前还存在亟待解决的问题：其受限于扫描充电机理而逐行给像素充电的特点，当LCD像素变大时，电子迁移率会下降，产生图像粘滞的现象，即位于同一列或是同一行的像素从暗态像素依次充电到下一亮态像素时，直接切换电压的传统驱动方式会因像素充电时间不足，下一亮态像素无法快速驱动到对应的亮度，导致图像边缘处出现模糊不清的现象。Ryutaro Oke等人针对上述的IPS图像粘滞现象，采用线性过压驱动技术（Line-OD）进行优化［14］。这种技术的实现手段是在切换像素的充电过程中施加一个略高于目标电压的电压，使当前像素可以在有限的时间内快速驱动到对应的亮度。实验结果表明，采用线性过压驱动技术后能够消除图像粘滞的现象，使最终呈现的图像没有模糊的边界，呈现出清晰的图像。如图3（a）所示，红色框线中表现的是原本不充分驱动的像素所产生的图像粘滞现象，而在采用了Line-OD技术后，如图3（b）所示，在视觉上基本观测不到模糊的影像。

图3 未采用（a）和采用（b）线性过压驱动技术后的影像Fig.3 Images without （a） and with （b） linear overvoltage drive technology

综上所述，过压驱动技术在显示性能优化上具有显著的效果，能够有效缩短响应时间，提高图像成像质量。

3.2 基于数字化优化的过压驱动技术

LCD屏基于过压驱动技术输出显示图像时，需要结合使用帧储存与输出技术，将显示信号压缩编码转化为过压驱动信号再解码输出显示图像。通过保存前一帧的图像数据，对比评估其与当前帧的差异，并补偿图像运动形成的模糊影像后再利用过压驱动技术输出当前帧的图像实现显示效果。在这一过程中，需尽量减小前一帧图像数据所占用的存储空间，同时要对动态图像伪影进行有效补偿以确保采用过压驱动输出图像的清晰度和准确性［15］。

2009年，Jun Wang等人提出了一种改进的运动自适应编码器（Improved Motion Adaptive Codec，IMAC），用以提高LCD的过压驱动性能［16］。IMAC结合了可有效减少在帧存储器中存储图像数据的混合图像编解码器（Advanced Hybrid Image Codec，AHIC），以及可以压缩过压驱动信号产生的误差的高级运动自适应选择器（Advanced Motion Adaptive Selector，AMAS）。仿真结果表明，采用IMAC后输出的图像与传统运动自适应编码器相比，具有更好的视觉效果和更高的信噪比。信噪比是作为评估图像质量的指标，信噪比越高，生成图像的质量也越高。基于该方法的过压驱动技术可以进一步缩短液晶响应时间，减少液晶显示屏的运动模糊现象。

2011年，Harsub Kim等人为了有效利用过压驱动技术，考虑降低其产生的冗余图像数据所占的内存空间，提出了一种基于离散小波变换自适应模式选择（DWT-based Adaptive Mode Selection，DAMS）的压缩存储前一帧图像数据的方法［17］。对不同的参考图像进行模拟，在采用了DAMS算法后，结果显示其信噪比大于采用标准块截断编码、矢量量化块截断编码和混合图像编码方法。这表明该算法在显示性能方面具有更好的效果，能够输出更高质量的显示图像。实验验证了DAMS算法在图像压缩和保真方面的优越性，能够提升过压驱动技术输出显示图像的效率。

随着LCD分辨率的提升，显示用像素数量增多，相应的压缩储存于帧储存器中的图像数据占用空间也会变大。当LCD采用过压驱动技术时，需要有效缩小帧储存空间占用量和提升数据传输效率，同时也要考虑优化压缩图像的质量以确保过压驱动信号高质量输出显示图像，因而对于算法的改进优化是不可忽视的。

3.3 基于材料优化的过压驱动技术

为提升液晶显示的响应性能，通常是综合地采用与过压驱动技术相结合的方法对响应曲线做整体上的优化。

除了过压驱动技术外，常用的优化液晶器件性能的手段是通过掺杂材料来实现［18-19］。由于掺杂材料对液晶器件性能的提升效果明显，因此结合过压驱动技术和掺杂方法来综合提升响应曲线成为一个研究方向。2019年，Yayu Dai等人尝试向液晶器件中掺杂γ-Fe2O3纳米粒子获得了更低的阈值电压、更高的双折射、更快的响应时间，并具有良好的温度稳定性［20］。为了进一步提升掺杂液晶器件的性能，他们在掺杂的基础上采用过压驱动技术使响应时间进一步缩短，液晶元器件的性能得到了进一步提高，响应时间缩短了近71.5%。相比纯液晶材料，掺杂的液晶器件的响应速度提高了3倍。这种方法产生了显著的优化效果，为后续的过压驱动技术应用提供了思路，即可以通过在液晶器件中进行适量的掺杂来有效提升响应速度，同时由于可用于掺杂的材料选择范围较广，因而可以摸索出各式各样的掺杂方式以满足不同的生产需求。

4 过压驱动技术应用于非显示领域

4.1 过压驱动技术应用于空间光调制器

基于过压驱动技术的液晶器件还可以应用在显示领域以外的其他领域，如相位调制、偏振成像等。

在液晶空间光调制器件（Liquid Crystal Spatial Light Modulator， LC-SLM）中，对于相位的波动反应是极其敏感的，这要求基于液晶器件调制的相位曲线应具有良好稳定的切换效果，即能够在切换后快速稳定到目标相位。可以利用过压驱动技术对相位响应曲线进行优化。应用过压驱动技术进行相位调制的方法与显示中的调制方法类似，即在切换相位时，根据曲线的上升或下降情况，分别施加大于或小于目标相位的驱动电压以实现液晶器件快速调制到相应目标相位的效果。

2013年，Gregor Thalhammer等人通过结合过压驱动技术的方法，使衍射光场的相位转换时间处在约1 ms，相位变化的响应时间提升了约10倍，这是一种非常可观的性能提升方法［21］。基于SLM的高更新率，输出过压驱动信号可通过多帧高刷新率的方式来输出过压驱动信号，与以往通过瞬态帧的方式输出电压信号，即单帧给定过驱动电压的方法相比［22］，前者能够更为准确地施加过压驱动信号，使相位响应曲线得到恰好的过驱动，这样能使相位变化在最短的时间驱动到目标相位。因而在实际实验情况下，采用多帧输出的方法，会使SLM的响应时间与预期相比更短。除了改进过压驱动技术在SLM中的应用形式，他们还改变了相位切换的相位差变化量。为了实现这一结果，他们扩展了SLM的可用相位范围，使其大于2π。当初始相位到目标相位中间相位差过大时，通过将初始相位扩展2π的方式使其更接近目标相位，减少响应时间。这种方式可以有效降低冗余相位，从实验结果的点阵响应曲线中可以观察到，在结合过压驱动和扩展相位的方法后，相较于仅采用过压驱动方式，达到目标相位的曲线整体上更加平滑。此外，还可以考虑让光多次通过液晶器件或选择双折射更大的液晶材料等方式进行相位的延拓［6-23］，但这两种方法分别对光路和材料有较高的要求，在具体应用中较为困难。

4.2 过压驱动技术应用于液晶透镜

基于过压驱动技术的液晶器件具有快速调制的优点，应用在光学成像系统中可以提升整个光路的性能。Hui Li等人构建了一种无需机械运动、采用液晶材料的可变焦透镜［24］。在整个成像过程中，通过施加不同的电压改变液晶透镜的焦距，借助电荷耦合器件（CCD）获得不同视角的二维图像。为提高LC透镜的响应时间，他们采用过压驱动技术，即在起始阶段对电极施加一个较大的脉冲以加快响应速度，然后再将大脉冲电压调节为所需的工作电压来稳定LC透镜的聚焦效果。此外，为避免破坏LC透镜，该大脉冲电压选择为20 Vrms。这种电控液晶透镜具有快速调焦、所需驱动电压较小的优势。相比传统透镜调焦方式（需调节光路或更换透镜），基于过压驱动技术的液晶透镜在调焦方面显然更具有优势和应用潜力。

5 过压驱动技术引入的技术问题

5.1 伪影

液晶显示器在应用过压驱动技术时，由于不恰当的过压驱动方式，如过驱动电压过高或过低、过驱动时间过长或过短等问题，会使器件的光响应曲线出现波动，在达到稳定状态之前，曲线出现凹陷或是凸起的现象。该现象反映于液晶显示屏上，则对应于单个像素产生明暗变化的灰度切换过程中，像素显现出瞬时的过亮或过暗的效果。

当液晶显示屏播放动态图像时，会有多个像素同步地产生灰度变化。若动态图像与其背景图像有较大灰度差时，则能在视觉上观测到较为明显的伪影效果，即图像的移动轨迹中出现较亮或较暗的拖影［25］。

Yunsang Han等人针对过压驱动技术中帧储存技术和动态图像质量进行了优化研究，提出使用一种新型高性能的动态电容补偿体系（Dynamic Capacitance Compensation，DCC）解决全高清120 Hz液晶显示屏上出现的伪影问题［26］。DCC的基本理念是采用3帧替代先前的2帧输入图像，再通过过压驱动的方式输出图像。DCC采用的这3帧包含当前帧和前两帧。为减少前两帧中更早一帧所产生的时间冗余，他们采用运动估计/运动补偿，并同时采用进行校正补偿误差的方法。该方法能够显著减少数据量约90%，生成的图像质量也能够达到实现过压驱动的要求。应用OD技术输出动态图像，若没有足够的图像帧，在显示屏上会出现如图4所示的视觉缺陷效果。图4（a）中图案“A”的移动产生了一个较亮的伪影，图4（b）中长方形图案的移动则产生了一个较暗的伪影。上述两种视觉上的缺陷效果分别被称为上升反弹伪影和超调伪影。

图4 两种类型的伪影。（a）上升反弹伪影；（b）超调伪影。Fig.4 Two types of artifacts. （a） Rising bounce artifact； （b）Overshoot artifact.

根据实验结果分析，本质上研究人员是通过DCC方法减少冗余时间，从而使施加过驱动电压的持续时间变得更加准确以减小响应曲线的缺陷程度。这是由于过驱动电压的施加时间对响应曲线具有一定影响。当过驱动时间过长时，响应曲线会出现凸起，回落到目标灰度时则需要更多的时间；当驱动时间过短时，响应曲线会变缓，这是因为曲线的斜率变化与其电压成正比关系。如果过驱动电压未达到目标灰度就被撤销，则达到目标灰度所需的时间也会增加。这些观察结果有助于深入理解过压驱动技术在动态图像显示中可能出现的问题，并为改进该技术提供了指导方向。

Kazuya Goda等人于2019年研究了过压驱动技术应用于聚合物稳定的蓝相液晶器件的透过率响应曲线［27］。研究结果表明，采用不同驱动时间的过驱动电压会导致相应的透过率曲线变化，出现上文中提到的问题，即过驱动时间过长或过短会使透过率曲线不能快速稳定在目标透过率下，进而影响LCD显示效果。另外，采用不同大小的过驱动电压时，对应所需要施加的最佳过驱动电压的时间也是不同的。所述的“最佳”指的是刚好驱动到目标相位，没有出现驱动时间过长或过短的问题。虽然通过找到过压驱动最佳施加时间的方式可以有效改善这两种伪影的影响，但是仍没有办法彻底消除这种影响。这种效应其实是过压驱动技术中液晶分子在电场下运动所产生的必然结果。Kazuya Goda等人的研究为了解和优化液晶器件中过压驱动技术的应用提供了有价值的见解。

以上研究显示，过压驱动技术在液晶显示屏中的应用对提升图像质量和改善响应时间有着重要影响。通过针对前一帧图像数据的处理和优化过程，研究人员提出了各种解决方案以改善动态图像中出现的伪影问题。尽管已经取得了一定的进展并提出了一些解决方案，但仍然存在问题，如响应曲线的凸起和缓慢变化等。这些研究为理解过压驱动技术在LCD中的应用提供了重要见解，要想完全消除这些影响还需要更深入地研究和改进该技术。

5.2 背流效应

有一种被广泛接受的说法是，这种驱动方式产生的上升反弹和超调现象是由背流效应引起的。背流效应指的是液晶分子在电场作用下，局部分子转动速度迅速改变，超过邻近的液晶分子速度，导致转动速度更快的分子与毗邻的分子发生碰撞，致使其顶部和底部液晶分子发生“流动”的现象［28］。该现象的本质是液晶分子在受到电场作用后重新定向时发生的旋转和重新排列，会产生局部呈“S形”的体速度梯度，导致液晶出现流动效应。如图5所示，其中红色实线箭头指代中间层液晶分子的转动方向，红色虚线箭头指代液晶分子的流动方向，黑色实线指代液晶分子因差速旋转相互作用形成的受击方向。此外，该效应还可以通过分子动力学模拟迭代仿真计算得到。

图5 产生背流效应的机理图Fig.5 Mechanism of backflow effect

为了研究清楚背流效应对液晶器件响应的影响，Shu-Hsia Chen等人以手性垂直排列液晶盒作为研究对象，探讨了液晶的流动与光学反弹现象之间的关系，并就电场引起的光学反弹与普遍了解的光学反弹现象的不同进行了讨论［29］。模拟结果显示，在不考虑液晶流动效应的影响仅考虑液晶分子转动的条件下，所得到的透过率曲线没有出现光学反弹现象且响应时间更短。这表明场诱导的背流效应是引起光学反弹现象的原因。此外，他们还观察到液晶分子的扭转角分布变化对液晶盒瞬时透过率产生了显著影响。背流效应在液晶器件内部的出现会影响邻近边界液晶分子的倾斜角分布，使得液晶盒出现异常扭曲的状态，而这种状态在渐渐消失的过程中，不仅会使器件响应时间更慢，还会产生上升光学反弹现象。

为了减弱背流效应的影响，Wenjuan Li等人通过向VA-LCD中掺入少量的双功能团线性聚合物单体RM257的方式来改善这一缺陷［30］。在掺入RM257聚合物后，液晶盒中会形成垂直排列的纤维，这些纤维能够起到一定的锚定作用，阻止液晶分子在水平方向上的流动效应。实验发现，适量掺入一定浓度的RM257可有效消除透过率-时间曲线中的光学反弹现象。特别是当掺入3%（质量分数）的RM257聚合物时，在3～7.5 V的电压下，光学反弹现象几乎完全消失。此外，这种处理方法还显著提升了响应速度，相较于未掺入聚合物的样品，其上升时间和弛豫时间均至少减少了1/2。然而美中不足之处在于掺入后的光透过率略微下降，尽管仍具有较高的对比度，但降低的亮度可能会对视觉效果产生影响，尤其在显示应用中。

6 总结与展望

过压驱动技术历经40年来的发展，已然是相当成熟的技术。由于该技术原理简单易懂，不需要过于复杂的电路来实现，因而被广泛地应用于液晶器件之中。但需要考量的是，过压驱动技术应用在不同类型的液晶器件中，具体的实施方法也会受器件性能所影响。譬如，单帧的过压驱动技术受限于器件驱动方式的单一性，驱动时间统一采用一帧进行驱动，即固定时间驱动，而无法精确地控制过压驱动电压的施加时间。另外，不可忽略的是，采用过压驱动技术会产生背流效应对成像显示会有一定的影响，如何减弱该效应的影响是后续发展中应当注意的问题。目前比较有效的方法是通过掺杂的方式来缓解该效应带来的影响。此外还需注意的是，采用的掺杂材料是否会在过压驱动中形成偶极矩，反过来对最终的显示效果产生不良影响。总而言之，在未来的过压驱动技术应用和发展中，应更多地考虑与过压驱动技术连携技术的同步发展，同时考虑如何有效减弱由过压驱动技术带来的背流效应的影响，这是改善过压驱动技术的关键。