1、 如何改善 STN LCD 中的 crosstalk 現象 影響液晶顯示器(STN-LCD)功耗的因素 STN-LCD 彩屏模組技術及設計 www.tft- 如何改善 STN LCD 中的 crosstalk 現象 2006-6-2 -在 FPD 在和許多 STN LCD 技術中FPD 在和許多其他它以其成熟的工藝和低制做成本在大部分顯示器應用領域中佔有優勢例如遊戲機攜帶型電話隨著資和許多其他需要小尺寸顯示器的產品。PDA 它以其成熟的工藝和低制做成本在大部分顯示器應用領域中佔有優勢例如遊戲機攜帶型電話隨著資訊產業的在顯示器的規格中對彩色顯示器的要求更苛刻。儘管如此彩色 STN 顯示器已經開發
2、並被顯示器市場所接受。比較有效矩陣顯示器STN LCD 要面對的困難就是 crosstalk 的問題。Crosstalk 現象大體上講是由相鄰象素相互干涉而產生的一種可見的缺點。它就象一個半透明的尾巴是從屬圖案只會在某些畫面中出現。但不幸的是我們的顯示質量會因此而下降(這種現象如 Fig.1 所示)。Crosstalk 現象是如何產生的?產生 crosstalk 現象的原因有兩種屏的特性和 IC 的性能。Fig.2 所示的是 LCD 屏的電模型。每個電容表示一個顯示象素每條線上的電阻描述該條線所代表的 ITO 的阻值。啟動象素電容兩邊會產生一個電壓。這個均方根電壓通過電容決定象素的亮顯。因此在
3、同一列的象素由一個信號線驅動電壓通過一個象素時會受到同一列的其他象素的影響。當通過同一行的不同象素的電壓不同時crosstalk 現象就會產生。如何測量 crosstalk 現象?因為 crosstalk 現象是一種從屬圖案所以需要特定的測試模式來測量它的存在。Fig.3a 和Fig.3b 描述了兩種圖案可以有效的檢測 crosstalk 現象。這些長條會產生更多的 crosstalk。實心的線條檢測驅動問題比較有效虛線的長條對於檢測屏的相關問題比較有效。對於灰階或CSTN LCD 因為它們更易受到 crosstalk 現象的影響 所以需要橫向的灰色線條。單色和灰階顯示的不同Fig.4a 和
4、Fig.4b 分別描述了單色和灰階顯示器的電壓和透射比(VT) 的曲線。假設兩相鄰象素的均方根電壓相差 v(如 Fig.4a 所示)透射比相差 t2 t2 小於 t1。因此在單色STN 中具有比較陡峭變化的 VT 曲線的屏會減少 crosstalk 現象。但是從 Fig.4b 中可以看出在灰階或 CSTN 顯示中 t2 大於 t1這就是說 灰階或 CSTN 顯示幕需要較為平緩的 VT曲線。從 Fig.4b 還可以看出 crosstalk 現象在兩灰階處比在黑白區域嚴重。驅動電壓的要求由之前的部分可知灰階顯示器的理想 VT 曲線是線性的(如 Fig.5a 所示)。假設灰度級別均勻的分佈在選擇和非
5、選擇區域兩灰度級之間的均方根電壓如 Fig.5b 所示。例如一個 4k 彩色 STN 顯示器每個三原色象素需要顯示 4 或 16 灰階。如果顯示 80 行並且其 VLCD 為 10V那麼兩灰度級之間的均方根電壓為 10mV。為了保證兩相鄰灰度級或顏色之間能被識別crosstalk 的影響必須小於這個電壓。隨著顯示器尺寸和灰階數的增加這個電壓也越來越小。對成品率的影響對於一個 80 行16 灰階VLCD 為 10V。Fig.6 圖示了一個類比的均方根電壓波形它是 500個驅動 IC 隨意在 VL2 到 VL5 之間轉換偏移。從 Fig.4b 中可以看到在波形的初始階段超過28%的都不能接近需求的
6、 10mV 電壓。為了改善這種趨勢LCD 驅動的輸出電壓必須被改善。屏的影響如 Fig.7 所示可知 LCD 的 ITO 電阻和 LC 電容對均方根電壓有影響。RC 的升降時間與均方根之間的關係如下圖所示。一個 1/10bias 的屏VLCD 為 10V它的蜂蜂值由 Fig.7 可知是 2V。為了符合低於 10mV 漂移(0.5% of 2V)的要求所以 RC 的升降時間要小於 1us。改善 crosstalk 現象的解決方案要減少 crosstalk就必需使 RC 的輸入值盡可能的小。減小電容或 ITO 電阻對 crosstalk 現象都會起到改善作用。尤其是 COG 產品電路中的 ITO
7、電阻和佈局以及由 ITO 引起的雜訊干擾最易產生 crosstalk 現象。最佳的 VT 特性曲線對 crosstalk 現象也有改善作用。除了以上提到的方法也可以用 N 行反轉的驅動方法來改善 (如 SSD1851)。N 行反轉的方法可以用軟體設計使任何個指定的 N 行反轉從而改善由屏引起的 crosstalk 現象。它的原理是用減少掃描行的數量來影響象素。例如一個 64 行模組其中一列上的一個選擇態象素會受到其他 63 個非選擇態象素的影響。如果採用 13 行反轉影響的象素就會減少到 12。面對市場將來所要做的改進最近幾年在手機市場上彩色顯示器的採用明顯增多。大約有 70%的彩色顯示器採用
8、的是color STN而且這個數字還在持續增長。主要的手機製造商如 MotorolaSonyErisson 和Nokia 都已經連續引進彩屏手機作為下一代。手機顯示器市場正在逐步從單色和灰階顯示轉變為彩色顯示。為了適應市場需求 STN LCD 的 crosstalk 現象必需解決。從 IC 設計到屏的製造許多參數都會影響到最終結果所以各方面的作用都很重要。影響液晶顯示器(STN-LCD)功耗的因素 2006-5-18 -引言隨著液晶顯示器的廣泛應用，液晶生產廠家逐漸增多，市場競爭已從價格上的競爭逐漸轉移到產品性能和品質上的競爭。改善顯示性能已成為液晶顯示器製作者最重要的工作。然而STN-LCD
9、 功耗電流偏大這一難題，令許多企業十分棘手。本文從制程、材料和環境等方面分析影響 STN-LCD 功耗電流的因素，為解決這一難題提供些參考。2 制程的影響2.1 PI 固化對功耗電流的影響在表 1 所列的 PI 固化條件下，固化時間均為 30 分鐘時，功耗電流與溫度的關係如圖 1 所示。2.2 PI 配製的影響PI 配製所需材料從-30 度的冰箱取出後解凍，把配製容器潔淨處理過的配製條件設為 PI1；配製容器不作特別處理的配製條件設為 PI2。在表 2 所列的 PI 配製條件下，對於 PI1 和 PI2兩種情況，功耗電流與解凍時間的關係如圖/ 所示。實驗發現，最佳解凍時間是 6 小時。2.3
10、摩擦的影響摩擦條件PI 塗布：用刻板印刷機；預烤：加熱板溫度 901109080 攝氏度PI 固化：在 260 烘爐溫度下，固化) 小時；絨布：Rayon(YA-20R)；絨毛長度（A ）：2mm；2.4 注入過程的影響液晶配製容器的潔淨情況會影響功耗電流。配製容器不作特別處理時，功耗電流為 1:2；配製容器經潔淨處理 100 級淨室中進行配製，配完後用 N2 保護，功耗電流為 0.9。2.5 紫外光的影響液晶是一種有機化合物，在強紫外線照射下會發生裂解，短時間照射會使其電阻率下降，長時間照射會使其出現顏色變黃。將樣品分別放在鋁皿中和 1.1mm 厚的導電玻璃液晶盒中，用 1000w 紫外燈，
11、在距離 20cm下照射。試驗條件如表 4 所列，功耗電流與紫外光照射時間的關係如圖 4 所示。2.6 溫度的影響液晶對溫度的敏感遠遠小於對紫外光的敏感。試驗時，將液晶密封於玻璃瓶中 100 攝氏度恒溫箱中放置 240 小時。在表 5 所列試驗條件下，功耗電流與加熱時間的實驗結果如圖 5 所示。2.7 環境的影響這裏所說環境是指氧氣、水汽、有機溶劑蒸汽及存放容器等。液晶在室溫下對氧氣不太敏感，但用 N2 保護更好。潮濕空氣中含有酸性物質，如一氧化硫和二氧化氮等，長時間與液晶接觸會導致電阻下降，功耗電流偏大。3 材料的影響3.1 PI 材料的影響在相同的制程條件下 PI 材料中含雜質!尤其含鈉離子
12、量越多，其功耗就越容易偏大 !造成制程不穩定。同一 PI 材料，不同電壓（Vo/Vao）的液晶搭配也會造成電流波動。通常高預傾角搭配中低電壓液晶，低預傾角則反之。3.2 液晶材料的影響由於低 Vth 液晶的 很高，液晶分子的雙極性較強，容易吸收其他物質。PI 表面若有其他物質，液晶分子容易產生電子脫離或者吸附，造成液晶阻抗降低，功耗電流偏大。通常最好選取 大，阻抗低，電流大，電壓低的液晶材料。4 結論從以上實驗可知，影響 STN-LCD 功耗電流的主要因素有 PI 固化溫度、PI 配製中材料從低溫箱取出後的解凍時間、配製容器的潔淨程度、紫外光照射時間、環境、PI 的材質、PI 與液晶的搭配、液
13、晶特性參數和加熱溫度等。建議從以下幾個方面減小功耗電流：1）PI 固化溫度大於 250 攝氏度，使 PI 固化率大於 90%；2）PI 解凍時間大於 4 小時，並且對配製容器做潔淨處理；3）避免紫外光直接照射液晶，用 UV 照射封口時採用檔板，或者採用加熱封口固化方式；4） 液晶不要暴露在潮濕空氣中，以免導致電阻下降；5）對同一 PI 材料，注意選用不同電壓（Vo/Vao）的液晶搭配。儘量選用 大，阻抗低，電流大，電壓低的液晶材料。STN-LCD 彩屏模組技術及設計 2006-3-31 -越來越多的手機、PDA、數碼相機和視屏遊戲機採用 STN-LCD 全彩色顯示器，因此，STN-LCD 彩屏
14、模組(LCMLCD Module)的需求量激增，國產的 LCD 液晶顯示器的質量已可與國外的媲美，許多手機設計、生產廠商開始要求使用國內 LCD 廠家生產的 LCD 彩屏模組。 2001 年全世界生產手機 3.8 億部，2003 年將增長到 4.3 億部，2005 年將增長到 5.2 億部。2004 年 LCM 彩屏手機會占整個手機產量的 35- 40%，因此 STN-LCD 彩屏模組（LCM）的年需求量會增長到幾億塊。LCM 內部結構STN-LCD 彩屏模組的內部結構如圖 1 所示，它的上部是一塊由偏光片、玻璃、液晶組成的LCD 屏，其下是白光 LED 和背光板，還包括 LCD 的驅動 IC
15、，和給 LCD 驅動 IC 提供一個穩定電源的低壓差穩壓器（LDO） ，二到八顆白光 LED，LED 驅動的升壓穩壓 IC。LCM 電路結構STN -LCD 彩屏模組的電路結構如圖 2 所示，外來電源 Vcc 經 LDO 降壓穩壓，向 LCD 驅動IC 如三星的 S6B33BOA 提供工作電壓，驅動彩色 STN- LCD 的液晶顯示圖形和文字；外來電源 Vcc 經電荷泵升壓穩壓，向白光 LED 如 99-21UWC 提供恒定的恒壓、恒流電源，LED的白光經背光板反射，使 LCD 液晶的 65K 色彩充分表現出來， LED 的亮度直接影響 LCD色彩的靚麗程度。LCM 主要光電器件 l Colo
16、r STN-LCD l LCD Driver ： S6B33BOA l LCD Driver LDO ：AAT3221-2.8V AAT3221-3.0V l White LED ： 99-21UWC/TR8 99-215UWC/TR8 l LED Driver ： AAT3110 AAT3113 AAT3123 AAT3134 NCP5007 NCP5008/9 l Backlight BoardLCDLCD 液晶顯示器是英文 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 屬於平面顯示器的一種，依驅動方式來分類可分為靜態驅動（Static） 、單純矩陣驅動（Simple Ma
17、trix）以及主動矩陣驅動（Active Matrix ）三種。其中，被動矩陣型又可分為扭轉式向列型（Twisted Nematic；TN） 、超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動矩陣驅動液晶顯示器；而主動矩陣型大致可區分為薄膜式電晶體型（Thin Film Transistor；TFT ）及二端子二極體型（Metal/Insulator/Metal；MIM ）二種方式。TN 、STN 及 TFT 型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理之不同，在視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低層次之差別，使其在產品的應用範圍分類亦有明顯區隔。以目前液晶顯示技術所應
18、用的範圍以及層次而言，主動式矩陣驅動技術是以薄膜式電晶體型（TFT）為主流，多應用於筆記本電腦及動畫、影像處理產品。而單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列（TN） 、以及超扭轉向列（STN ）為主，STN 液晶顯示器經由彩色濾光片（color filter ） ，可以分別顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，可以顯示出全彩模式的真彩色。目前彩色 STN-LCD 的應用多以手機、PDA、數碼相機和視屏遊戲機消費性產品以及文書處理器為主。LCD 驅動 ICLCD 驅動 IC 多選用日立、三星公司產品，如三星公司的 S6B33BOA 是一顆具有很好性能/價格比的 65K 色彩飽和度的 STN-L
19、CD 驅動 IC。由於手機、PDA、數碼相機和視屏遊戲機消費性產品都是以電池為電源的，隨著使用時間的增長，電源電壓波動較大，LCD 驅動 IC需要一個穩定的工作電壓，因此設計電路時往往經由一個低壓差穩壓器(LDO)提供一個穩定的 2.8V 或 3.0V 電壓，如 AAT3221。白光 LED按背光源的設計要求，需要前降電壓（VF） 、前降電流（IF）小，亮度高（500-1800mcd ）的白光 LED。以手機 LCM 為例，目前都使用 3 -4 顆白光 LED，隨著 LED 的亮度增加和手機廠商要求降低成本和功耗，予計到 2004 年中 LCM 都會選用 2 顆高亮度白光LED（1200 20
20、00mcd） 。PDA 和 Smartphone 由於 LCD 屏較大會按需要使用 4-8 顆白光LED。EL 99-21/215UCW/TR8 是具有很好性能 /價格比、自帶反射鏡的白光 SMDLED，其亮度分為T、S、 R 三個等級， T 為 720-1000 mcd，S 為 500-720 mcd，都是在手機 LCD 背光適用之列。其品質等同於 NACW215 / NSCW335。LED 驅動白光 LED 的驅動需要供給恒定的電壓或恒定的電流，而手機電源一開始工作電壓就往下降，因而需要升壓器件升壓、穩壓。為了減少升壓器件的工作頻率對手機射頻（RF）的影響，一般選用以電容器為電能傳遞中間體
21、的電容式電荷泵；以電感器為電能傳遞中間體的升壓器能輸出較高電壓。電容式電荷泵的效率按其升壓方法分有倍頻和分數倍頻二種，前者效率約 90%，後者效率約93-95%；電感式升壓器效率約 83-85%；電容式電荷泵按其輸出分有恆壓輸出、恒流輸出；按其對 LED 驅動的方法分有並聯恒壓驅動、單個恒流驅動、串聯恒流驅動；電感式升壓器都是恒流輸出，輸出電壓較高，對 LED 串聯驅動。倍頻升壓的電容式電荷泵如 AAT3110，5V 恒壓輸出，最大電流 120mA，並聯驅動 LED，如圖 3 所示。分數倍頻升壓的電容式電荷泵如 AAT3113，有 4-6 路恒流輸出，每路能輸出 20mA 電流，單個恒流驅動
22、LED，具有 32 級調光功能，如圖 4 所示。AAT3134 將輸出 DAC 模組分成二塊，其輸出可分別驅動雙屏顯示的大小 LCM 模組。NCP5009 是帶光敏感測器的背光 LED 驅動升壓器，適用於自動調光的高檔手機 LCM，對LED 串聯驅動，如圖 5 所示。 NCP5007 是可恒流驅動 5 顆串聯的 LED、PWM 調光的背光LED 驅動升壓器，如圖 6 所示。新型的電荷泵、升壓器輸出端內部都內置 MOSFET，可動態地調整負載內阻，省卻為平衡由於 LED 內阻不一需要外加的勻流電阻；開關工作頻高的電容式電荷泵其所需的濾波電容器容量也小，對 RF 的干擾也小。電容器最好選擇陶瓷電容器，因為陶瓷電容器無極性和具有較低的等效串聯電阻(ESR)，典型值小於 100m。陶瓷電容器的等效串聯電阻值 (ESR)、電介質材料優劣、電容值的大小對輸出紋波有重大影響。X7R 電容器電介質是最好的，成本略高； X5R 電容器電介質居中上，可以選用；Y5V 電介質較差，不推薦選用。
