楊燁 沈奕 林偉浩

摘要：主要針對無源驅動的 TN、STN液晶顯示器的交叉效應問題做進一步的研究，分析當前業(yè)內改善交叉效應的常用方法及其不足，通過分析基于像素點陣所等效的阻容低通濾波網(wǎng)絡對驅動波形的影響，得出交叉效應在平均電壓法下依然無法消除的原因，確定線路電阻與液晶電容所構成的低通濾波網(wǎng)絡使得驅動波形發(fā)生指數(shù)衰減，從而導致驅動波形出現(xiàn)了變形，因而使其有效電壓出現(xiàn)差異，這種差異導致了交叉效應的出現(xiàn)。為了解決這種原因導致的交叉效應，提出了多種實用改善對策，主要包括降低像素電容，降低 ITO薄膜的方阻，通過薄膜電極圖形的線路設計優(yōu)化降低引線電阻以及提高線路的電阻均勻性。驗證結果表明，通過優(yōu)化 ITO薄膜的方阻以及采用薄膜電極圖形線路設計優(yōu)化來降低引線的電阻是合適有效的方法，這些方法可以有針對性地改善由于驅動波形發(fā)生指數(shù)衰減導致的交叉效應現(xiàn)象，提高了產品顯示效果，最終達成滿足車載應用的高階需求。

關鍵詞：液晶顯示器件;無源驅動;交叉效應;阻容網(wǎng)絡模型

中圖分類號：U279文獻標志碼：A文章編號：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

隨著電子信息技術的進步與發(fā)展， 人機交互所需的信息顯示終端需求越來越多，液晶顯示器件憑借體積小、功耗低、無電磁輻射以及可直接采用數(shù)字接口等諸多優(yōu)點[1]，在家電、工控儀表及車載顯示等行業(yè)的應用愈加廣泛，成為當前最主流的顯示技術，市場應用前景廣闊。

液晶顯示器從驅動方式上主要有采用動態(tài)驅動的無源矩陣顯示器、有源矩陣顯示器及雙穩(wěn)態(tài)/多穩(wěn)態(tài)顯示器等[2]。其中，以向列扭曲（ TN ）、超扭曲向列型（STN）液晶顯示器（下文簡稱液晶顯示器或 LCD）為代表的無源驅動液晶顯示器件，利用液晶對光線的雙折射原理，在采用無源矩陣的驅動方式下，具備省電、結構簡單、生產工藝成熟穩(wěn)定及支持靈活設計等特點[3]，不僅可設計為黑白或灰度顯示，還可以通過添加彩色濾光片，使 STN LCD可以顯示紅、綠、藍三原色，從而通過不同配比，可以顯示出不同色彩效果。在液晶顯示器件的應用方面， 無源驅動 STN LCD除了具備價格更經(jīng)濟、功耗更低、可靠性更高等特點，同時在顯示性能指標上具有高對比度、寬視角、透光率高、工作溫度范圍寬及支持溫度補償?shù)葍?yōu)點，因此被廣泛應用于對顯示質量要求高的汽車儀表及汽車音響產品上[4]。

采用無源矩陣驅動方式的液晶顯示器件，都會在一定程度上存在交叉效應問題，交叉效應表現(xiàn)為由相鄰象素在電路上相互干涉而產生的一種偽顯示現(xiàn)象，如圖1所示。這種偽顯示現(xiàn)象一般伴隨性地出現(xiàn)在正常顯示圖像的鄰近，同一行或同一列，其不僅干擾了正常圖像的顯示，而且還導致了顯示器對比度與視角特性的下降，使正常顯示的圖像與背景之間的過渡不清晰，特別是從顯示器的側視角觀察更加突出。因此，為了提高無源驅動液晶顯示器件的產品競爭力，當前多數(shù)廠家普遍采用平均電壓法及最佳偏壓法等改善方法[5]，主要是從驅動原理上解決，但在實際應用上，特別是在一些高要求或高驅動路數(shù)的產品中，即使采用這些方法，交叉效應仍然存在，使得這些產品無法滿足用戶的高階需求。

對此，本文將在分析產生交叉效應的機理及現(xiàn)行普遍對策方法的基礎上，結合生產實際經(jīng)驗，從產品設計的維度上，提出可以進一步解決交叉效應的對策方法，其意義旨在提高無源驅動液晶顯示器件的產品性能，使得其能夠滿足人們對車載顯示質量的嚴格要求。

1 車載無源驅動液晶顯示器件工作原理

車載無源驅動液晶顯示器件主要利用液晶的雙折射達成顯示目的，如圖2所示，在內側鍍有透明電極（分別為上、下電極）的兩塊平行玻璃基板之間夾置有厚度約數(shù)微米的正性液晶材料，構成液晶盒。其中，電極表面還涂布有聚酰亞胺（ PI ）平行配向材料，使得液晶分子與平面的夾角為1°～2°，并對其做一定的定向處理，形成定向結構。當其扭曲角φ=90°時，則得到 TN 模式，當扭曲角φ>90°時（一般為240°），則得到超扭曲的 STN模式。液晶盒的兩個外側面還分別貼附有上、下偏振片。對于 STN模式而言，通過改變上下偏光片的吸收軸角度，可以分別形成黃綠模、藍模等僅區(qū)別于背景與顯示顏色的顯示模式。上述顯示器件可以設置為透射模式或反射模式，一般對應透射模式的顯示器會在后側配置背光，而對應反射模式的則會在下偏振片后側貼附一層反射片。

在對上下電極施加電壓形成導通態(tài)的情況下，由于正性介電各向異性和電場的相互作用，液晶分子變成垂直取向，扭曲結構解體，線偏振光的偏振方向在盒中傳播時不再旋轉，保持原來偏振方向到達輸出側。如果兩偏振片的光軸形成正交設置，則輸出側光的偏振方向垂直于前偏振片的光軸，無光輸出，呈黑態(tài);相反，若兩偏振片的光軸形成平行設置，則輸出側有光輸出，呈明態(tài)。

點陣式液晶顯示器件為了顯示出一定的圖形，需要在上下玻璃基板上分別設計多個 X 方向、Y 方向的條形電極，在顯示器上形成多個具有上述結構的電極交疊區(qū)域，行電極與列電極相互垂直交叉區(qū)域形成一個發(fā)光像素單元。當進行無源矩陣驅動時，逐行掃描，按列選通。由于液晶顯示器的響應是與電壓均平方根的平均值保持一致的，故驅動電極可以進行時分復用。通過像素的行電極和列電極間的電壓變換，就可以對顯示屏上的單元像素進行顯示，所有的像素在整個幀周期內不同時發(fā)光，逐行掃描，使得每個像素在一幀內發(fā)光一次[6]。

無源矩陣的驅動方式可以使得輸入線路最少化，解決引線太多帶來的設計和工藝困難，以點陣型 STN LCD 的電極設計為例子進行說明，通過上下輸入線路的交叉，在僅需要 N+M條輸入線的情況下，便可驅動 N×M個像素，在這種情況下，一個基板上的電極為掃描電極、另一個基板上的電極為信號電極，某個像素則必須在該行的掃描電極與該列的信號電極形成足夠大的電壓差的情況下，才會被開啟點亮。這種驅動掃描方式也因此極大增加了液晶顯示器的顯示信息容量。

2 交叉效應的產生機理

在無源驅動液晶屏的顯示過程中，由于 STN LCD是由一片具有 COM引線和另外一片具有 SEGMENT 引線的兩片導電玻璃組成的，結構上形成了電容元件的特性，當容值過高時，LCD充電速度變慢，驅動電壓的波形會產生失真，從而導致 COMMON引線和 SEGMENT引線波形疊加之后，半選點的電壓相對較高，因而導致部分非顯示半選點橫豎方向對比度偏高，造成了顯示的暗線或暗影的問題，特別是當 LCD 玻璃面積即顯示面積越大時，電容值則越大，交叉效應越嚴重。另一方面當引線電阻過高時，驅動波形的響應時間增加，也會造成加到LCD屏液晶之間的電壓波形產生失真，引起半選點和選擇點的電壓差縮小，所以導致顯示交叉效應的出現(xiàn)。

以驅動 STN LCD 矩陣顯示器件為例，假設所驅動的像素矩陣為一個3×2的矩陣 （ N=3，M=2），每個像素的液晶都可看成一個數(shù)值很大的電阻，整個像素矩陣可以等效為一個電阻網(wǎng)絡，如圖3所示。若在掃描電極 X3上加電壓V0，而將 Y2接地，這樣R32兩端的電壓為 V0，但 X3同時還可以經(jīng)過 R31導通 Y1，再經(jīng) R21導通 X2，經(jīng) R22導通 Y2（即地），即這3個電阻串聯(lián)起來，在其兩端也加電壓 V0，若假定每個像素的電阻都相等，在像素32加電壓 V0的同時，像素31上有 V0/2電壓，而其他像素上有 V0/4電壓。這里像素32是選擇點，像素31是半選擇點，而其他像素為非選擇點。這種在某一像素上加電壓，而其他像素上也有電壓的現(xiàn)象則稱為交叉效應。對于行列數(shù)量較多的矩陣，則上述半選點、非選擇點還會出現(xiàn)多個電壓級別，使得顯示存在更加嚴重的不均勻現(xiàn)象。

按照上述分析，當被掃描的像素加上信號電壓后，未被選址的像素點通過其他像素點也與信號端連接被加上部分信號電壓[7]。在半選擇點、非選擇點上也存在有電壓的情況下，由于在這些電壓下的透光率不可能與電壓為0時的透光率一致，因此這些半選擇點、非選擇點也都可能出現(xiàn)一定的透光率變化，從而引起偽顯示現(xiàn)象。假設為常白型顯示器，在存在交叉效應的情況下，當對液晶顯示器施加電壓 V0使其超過液晶的閾值電壓 Vth 時，選擇點像素32首先變黑，再增加電壓 V0可以使得半選擇點像素31的電壓也會超過 Vth 而變黑，再進一步增加電壓 V0，則非選擇點也將變黑，從而導致了顯示屏內相鄰象素相互干涉而產生的一種可視的交叉效應現(xiàn)象，由此極大降低了顯示畫面質量。

3 改善交叉效應的現(xiàn)行對策及其不足

為了改善無源驅動液晶顯示器件的交叉效應問題，通常在器件設計中導入調整驅動電壓方法、改善電光特性曲線方法、平均電壓法及最佳偏壓法等對策[8]。其中，采用平均電壓法設置選擇像素和非選擇像素的有效電壓值，即在選址像素的行和列電極上加一個全電壓的同時，在半選像素點對應的電極上也加一個偏置電壓，以此達到選點與非選點電壓差距較大，對比度更明顯，同時選通像素或非選通像素之間顯示狀態(tài)均一的目的，從而抑制液晶顯示器的交叉效應。而通過最佳偏壓法，以獲得最大顯示對比度的驅動方式也是目前液晶驅動的主流設計方法。

上述對策的導入對交叉效應問題具有較明顯的改善作用，但卻只能在一定程度上解決這個問題，在實際效果上仍會存在交叉效應現(xiàn)象。因此，本文通過深入研究和實驗論證，分析出依然導致交叉效應的深層原因，主要是因為在實際產品中，線路和像素都為一定數(shù)值的電阻，而不是理想的無電阻線路與無窮大電阻的電容，不同線路或像素之間的電阻不一致，會破壞電壓平均條件;另一方面由于驅動波形一般為一定頻率的方波，而方波通過上述的電阻、電容線路，會發(fā)生波形的畸變與延遲，從而加劇了上述電阻不一致的影響程度，從而進一步破壞了電壓平均條件。由此分析得出無源驅動液晶器件像素點陣的阻容網(wǎng)絡延遲是導致交叉效應的主要原因。如圖4所示，顯示器件像素內部的液晶層由上、下配向層所夾持，而上、下配向層則分別涂布在上、下電極上，因此，上、下電極由上配向層、液晶層、下配向層隔開，形成了平板電容結構，可以將像素等效為由電容 CLC 和電阻 RLC 并聯(lián)而成的電路。

在無源驅動液晶顯示器件設計中，像素的上電極與下電極需要通過一定的驅動引線連接到驅動芯片上，在芯片設置在液晶顯示器外部時，該驅動引線包括由像素上、下電極連接到外接端口的 ITO （氧化銦錫）引線，其中外接端口形成在上玻璃與下玻璃錯開形成的臺階處（圖5（a）），而芯片也可以通過CoG （Chip on Glass）技術直接設置在臺階上，使得上、下電極可以通過 ITO 引線直接連接到驅動芯片的引腳上（圖5（b））。由于上述兩種情況涉及到像素、掃描線、數(shù)據(jù)線的位置因素，使得多個 ITO 引線的長度都不可能保持一致。而 ITO 引線以及上、下電極都為濺射在上、下基板玻璃上的氧化銦錫膜層，具有透明導電性，但是其電阻一般較大，方阻一般為10～200Ω/□，因此，長度的不一致以及較大的電阻率，會導致連接到不同掃描線、數(shù)據(jù)線上的 ITO 引線的電阻出現(xiàn)較大的差別。同時由于 ITO 引線之間都靠攏得較近，相互之間也存在著寄生電容[9]。另外，由于同一行的像素采用一根掃描電極貫穿、同一列的像素采用一根數(shù)據(jù)電極貫穿，因此，同一行相鄰像素的上電極之間以及同一列相鄰像素的下電極（假設下電極為列電極）之間都存在著網(wǎng)絡電阻 Rn。

根據(jù)上述分析，對于像素點陣的電路，可將其每一行都等效為一個阻容低通濾波器電路，由于每一個像素之前的像素對該像素都具有低通濾波作用，使得在同一個掃描線上，所施加的驅動波形按照各個像素的順序逐步出現(xiàn)延遲，延遲的作用使遠端驅動信號出現(xiàn)逐步增大的指數(shù)衰減，每一列的像素也可以看成同樣的低通濾波電路，因此也會出現(xiàn)同樣的延遲現(xiàn)象。為了進一步分析這種延遲現(xiàn)象導致的交叉效應，如圖6所示，建立2×2點陣的等效阻容低通濾波電路網(wǎng)絡模型進行說明。

假定當顯示時像素1為開啟點，其他像素為非開啟點，按照平均電壓法，并且考慮了經(jīng)過低通濾波電路之后的信號衰減，在其顯示過程中，像素的各個電極上的電壓波形如圖7所示，可以很明顯地看出，非開啟像素3與像素2、4的波形存在明顯的差別，按照積分公式可以確定其平均電壓值會存在差異，等同于非開啟點的有效電壓出現(xiàn)了不一致，結合電光特性曲線，可推斷出會重新出現(xiàn)交叉效應導致的顯示不均。

假定像素 A 的同列其他像素都為開啟，另外一個像素 B 的同列其他像素則沿著該列交錯開啟或關閉，考慮了低通濾波的作用之后，其波形便會分別衰減為圖8 （a） ～ （b）的波形。因此，通過積分公式可得出這兩個波形導致的平均電壓出現(xiàn)差別的結論，而且可以明確在多路驅動下，更加容易出現(xiàn)這種電壓差別，這種電壓差別將會導致明顯的交叉效應。

依據(jù)上述分析論證可明確，在平均電壓法下，每一幀的波形都包含1個選擇時間片和 N-1個非選時間片，其中 N-1個時間片內，其驅動電壓會在 V0/b 和-V0/b 間跳躍，并形成了總數(shù)為 n 的電壓上升沿和下降沿，其中 n 是由同列其他像素的顯示狀態(tài)決定的。在液晶電容與線路構成的低通濾波網(wǎng)路導致衰減的情況下，電壓的上升、下降沿會出現(xiàn)畸變，這種畸變導致了整幀波形的均方根有效電壓出現(xiàn)變化。而這種變化是由數(shù)量 n 所決定的，而 n 決定于同列其他像素的顯示狀態(tài)。因此，該像素的顯示也就受到了同列其他像素的顯示狀態(tài)的影響，從而導致了交叉效應的出現(xiàn)。

遏制上述的交叉效應只能通過減少低通濾波網(wǎng)路的衰減入手，通常這種衰減可以通過特征時間τ來表示，τ越大，則上升、下降沿的畸變越大，而對于阻容網(wǎng)絡回路來說有：

式中：R 為整個回路的電阻，包含網(wǎng)路電阻 Rn 及引線電阻; CLC 為像素電容。

降低整個回路的電阻或像素電容，都可以減少低通濾波網(wǎng)路的衰減，從而達到遏制上述交叉效應的目的。

4 進一步改善對策

經(jīng)過第3章分析，在無源驅動液晶顯示器件的像素電容及引線電阻所構成的低通濾波網(wǎng)絡的衰減作用下，平均電壓法所采用的波形會發(fā)生失真畸變，最終導致了交叉效應現(xiàn)象依舊存在。因此，為進一步遏制交叉效應，還可以通過降低像素電容，降低 ITO 薄膜的方阻，通過圖形的優(yōu)化設計降低引線電阻以及提高布線電阻一致性等方面進行評估改善。

4.1 降低像素電容

降低像素電容主要是從提高液晶層的厚度和降低液晶層的相對介電常數(shù)這兩方面開展驗證。為了驗證降低像素電容是否可以減少交叉效應的影響，試驗將 STN LCD的液晶層厚度由5μm調整為6μm 、液晶介電常數(shù)由6.4降低為5.9，對應的像素電容由11.3 pF/mm2降低到8.7 pF/mm2，同樣采用平均電壓法進行驅動，改善后的樣品，交叉效應現(xiàn)象有明顯的減弱。但這種方法需要改變液晶層厚度或者液晶材料的介電常數(shù)，而液晶層厚度的改變會對顯示器光學設計的合理性造成影響，另一方面，介電常數(shù)太低的液晶由于通用性不強，成本較貴，而且會對液晶的其他性能，如介電各向異性、折射率、響應速度、電光特性曲線造成影響，因此，這種降低像素電容的方法，在實際應用中存在一定局限性。

4.2 通過降低 ITO薄膜方阻降低引線電阻

通過降低 ITO 薄膜的方阻，可使像素間電阻 Rn 以及引線電阻降低，從而降低了阻容線路的時間常數(shù)τ。為了驗證該方法對改善交叉效應的作用，在一款存在交叉效應的樣品上開展改善驗證，將該樣品的 ITO 薄膜方阻由100Ω/□降低為10Ω/□，如圖9所示，改善前的樣品交叉效應非常明顯，在顯示畫面多個“1”字形成直列中，“1”字的間隙的亮度明顯高于相鄰區(qū)域不存在“1”字的區(qū)域，降低 ITO 薄膜方阻的樣品，交叉效應問題則得到顯著改善。

依據(jù)上述分析和實驗結果，可明確 ITO 薄膜的方阻值越小，則交叉效應越不明顯。但是，ITO 薄膜方阻越小，對應的制備成本則越高，而且由于方阻降低后導致的薄膜厚度增大，使得在制作完圖形之后，薄膜邊緣的凹凸較大，容易對液晶層的配向造成影響。所以非常有必要推算制定出 ITO 薄膜方阻的最大允許值Rmax，并且以此最大允許值來指導實際產品設計。通過驗證并結合實際生產經(jīng)驗，可以明確Rmax與平均電壓法下的驅動行數(shù) N、頻率f以及像素的電容等都是負相關的，即驅動行數(shù) N、f、C 越高，則要求更低的Rmax，因此可以總結出如下經(jīng)驗公式：

式中：K 為一經(jīng)驗系數(shù)，不同生產廠家數(shù)據(jù)有區(qū)別，結合廠家生產經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通常取值在1.0～10.0之間（單位為 mF ·Hz ·Ω/□），若 K=5，則對于像素電容 CLC=10 pF、 N=128的液晶顯示器，采用頻率64 Hz進行驅動，其需要的 ITO 薄膜方阻約為61Ω/□。

4.3 通過圖形走線優(yōu)化，降低引線電阻并提高電阻均勻性

液晶顯示器件在做引線設計時，若繞行距離太長，則引線電阻值相對較大。通過重新優(yōu)化設計，在合理位置對其進行加寬處理，可以有效降低線路電阻。另外采用叉分設計或跳線設計，如圖10所示，把引線中線路偏長的部分分為多路，每一路分別連接到不同的像素，因而使得每一段線路的電阻變小，最終降低對應線路的負載。如圖11所示，采用跳線設計，通過設置在周邊的上、下 ITO 導電薄膜間的導電點，將線路跳到另外一層 ITO 導電薄膜上，從而使得引線更短，電阻更小。通常叉分設計需要結合跳線設計，才能避免叉分后的線路沖撞。

經(jīng)實測，針對存在交叉效應的產品重新進行圖形走線優(yōu)化設計，重新制樣并按原方式進行驅動顯示，如圖12所示，交叉效應的問題基本已得到遏制。

5 結束語

本文針對應用于車載領域的無源驅動 TN/STN液晶顯示器件，在其結構、驅動、工作原理的基礎上，對其存在的交叉效應問題做了深層次分析，指出在平均電壓法下，每一幀的波形都包含1個選擇時間片和 N-1個非選時間片，其中 N-1個時間片內，其驅動電壓會在 V0/b 和-V0/b 間跳躍，并形成了總數(shù)為 n 的電壓上升沿和下降沿，其中 n 是由同列其他像素的顯示狀態(tài)決定的。在液晶電容與引線線路構成的低通濾波網(wǎng)路導致衰減的情況下，電壓的上升、下降沿會出現(xiàn)畸變，這種畸變導致了整幀波形的均方根有效電壓出現(xiàn)變化，這種變化是由數(shù)量 n 所決定的，而 n 決定于同列其他像素的顯示狀態(tài)。因此，該像素的顯示也就受到了同列其他像素的顯示狀態(tài)的影響，最終導致產生了交叉效應現(xiàn)象。為了進一步解決由該原因導致的交叉效應，本文提出了幾種對策，主要包括降低像素電容，降低 ITO 薄膜的方阻，通過圖形的優(yōu)化設計降低引線的電阻，減少低通濾波網(wǎng)絡的衰減作用以及提高線路的電阻均勻性等。通過系列對比驗證可知，合理選擇 ITO 薄膜的方阻值以及通過優(yōu)化像素電極的引線設計為兩種更加合理有效的方法，優(yōu)化像素電極的引線設計可以通過合理調節(jié)不同引線的寬度來實現(xiàn)，并可結合叉分設計與跳線設計等方法，降低引線阻抗，以進一步遏制交叉效應，更好地提高無源驅動液晶顯示器件 TN/STN LCD 在車載領域應用的顯示效果，使得此類液晶顯示器件可以進一步滿足一些高端用戶需求。

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第一作者簡介：楊燁（1973-），女，湖北武漢人，碩士研究生，工程師，研究領域為液晶顯示與觸控技術開發(fā)。

※通訊作者簡介：沈奕（1974-），男，廣東潮州人，博士研究生，教授級高級工程師，研究領域為平板顯示及觸控技術開發(fā)。

（編輯：刁少華）