LCD 플리커의 기본
깜박임이란 무엇입니까?
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TFT-LCD는 전압 변화를 이용해 액정 상자 내 전기장의 세기를 제어하고, 액정 분자의 배열 방향을 변경하며, 빛의 투과 여부를 제어합니다. LCD에 화면을 표시할 때 영상이 자주 나타나는데, 이러한 현상을 "플리커(Flicker)"라고 합니다.
인간의 눈이 Flicker를 관찰할 수 있는 이유
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인간의 눈이 장면을 관찰할 때 빛 신호를 뇌에 전달하는 데는 짧은 시간이 걸립니다. 조명 효과가 끝나면 시각적 이미지가 즉시 사라지지 않습니다. 이 잔류 시력을 "시각적 일시적 유지"라고 하며 "잔광 효과"라고도 하는 "후-이미지"라고 합니다. 잔광 효과로 인해 인간의 눈이 동영상을 느껴야 하며, 사진 업데이트 빈도는 최소 16~24Hz를 유지합니다. 하지만 실제로는 30Hz 영상 업데이트 주파수에서도 여전히 영상 밝기의 차이를 느낄 수 있고, 직관적인 느낌은 영상이 깜박이는 것을 보는 것입니다. 따라서 더 나은 화질을 얻으려면 영상 업데이트 빈도가 높을수록 좋습니다.
LCD 모니터를 표시할 때 사람들이 Flicker 현상을 관찰하는 이유는 무엇입니까? 이는 전면 디스플레이 화면과 후면 디스플레이 화면의 밝기(계조)가 일정하지 않기 때문이고, 밝기는 LCD 박스의 빛 투과율이 다르기 때문이며, 빛 투과율은 액정 분자의 휘어지는 정도에 따라 결정됩니다.
Flicker 발생 메커니즘
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LCD는 전압 크기에 따라 액정의 스탠딩 각도를 조절해 밝기를 조절하며, 액정은 AC 모드로 구동된다. 아래 그림과 같이 Vcom 값을 잘 조정하지 않으면 ΔVp의 존재는 액정층에 DC 전압을 인가하는 것과 같기 때문에 Vp+ ≠ Vp-로 인해 포지티브 프레임과 네거티브 프레임의 밝기 차이가 발생하고 깜박임 등의 현상이 발생하여 액정 수명이 단축됩니다. 따라서 급격한 전압 ΔVp를 상쇄할 필요가 있습니다. 갑작스런 전압 ΔVp의 일부를 상쇄하기 위해 공통전압 Vcom을 변수로 변환(조정 가능)함으로써 Flicker 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
TFT 스위치의 품질을 결정하는 중요한 요소는 TFT 게이트 금속과 소스 금속 사이의 기생 용량 Cgs입니다. 일반적으로 TFT가 픽셀 전극에 연결된 쪽이 소스로 설정됩니다. TFT의 스위치는 과도상태에 가깝기 때문에 게이트 전압(Vgs)이 순간적으로 높은 레벨(VGH)에서 낮은 레벨(VGL)로 떨어지면 Vgs의 변화량 ΔVgs가 TFT 기생 커패시터(Cgs)에 의해 픽셀 전극에 결합되어 픽셀 전압(Vp)이 점프하게 되는데, 그 점프는 ΔVp이다. ΔVp가 존재함으로써 픽셀 전압은 (Vp-ΔVp)가 된다.
Flicker의 평가 방법
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기존 사진에서 포지티브 및 네거티브 프레임 변환을 수행하면 인접 픽셀이 서로 보상하여 기존 사진의 깜박임 현상을 관찰할 수 없게 됩니다. 깜박임 화면 상태에서 포지티브 프레임과 네거티브 프레임이 변경되면 포지티브 프레임 픽셀과 네거티브 프레임 픽셀의 밝기 편차로 인해 플리커 깜박임만 관찰할 수 있습니다. 다음은 업계에서 흔히 사용되는 두 가지 Flicker 평가 방법입니다.
VESA(Video Electronics Standards Association) 표준에는 일반적으로 JEITA 테스트 방법과 FMA 테스트 방법의 두 가지 유형의 플리커 테스트 방법이 있습니다.
JEITA 테스트 방법은 디스플레이의 새로 고침 빈도를 작동 중일 때의 빈도로 조정하는 것으로, 스펙트럼 측정기와 광전 변환 장치를 사용하여 프레임 내에서 시간에 따른 밝기 변화 곡선을 테스트합니다. 고속 푸리에 변환을 통해 주파수 F(w)에 따른 밝기 변화 곡선으로 변환됩니다. 다음으로 테스트 중인 샘플과 동일한 주파수에서 F(Ω)를 취하고, DC에서 F60Hz와 F0Hz를 취한 다음 F(Ω)/F0Hz의 로그를 취하면 결과가 플리커 값이 되며 공식은 다음과 같이 표현됩니다.
FMA(Flicker Modulation Amplitude, FMA) 테스트 방법의 테스트 조건은 JEITA 방법과 동일하다. 밝기는 광전 변환기를 통해 진폭 변조된 전기 신호로 변환되며 Vmax의 최대값과 Vmin의 최소값을 읽습니다. (VmaX-Vmin)은 AC 성분이고 (Vmx+Vmin)/2는 DC 성분이라고 정성적으로 믿어집니다. 그러면 MaX 깜박임의 표현은 다음과 같습니다.
Vcom이 Flicker에 미치는 영향
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화이트 모드 제품의 최적 플리커는 계조가 높아짐에 따라 점차 감소하는 반면, 블랙 모드 제품의 최적 플리커는 점차 감소하지만 해당 Vcom은 점차 증가합니다.
일반 화이트 모드 곱인 ΔVp는 그레이 스케일이 증가함에 따라(Vcom 네거티브 시프트) 점차 증가하여 양 및 음의 밝기 차이가 증가하지만, 영상의 평균 밝기도 그레이 스케일이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이며(주요 요인) 최적의 깜박임이 감소합니다. 반면, 일반 블랙 모드 제품의 계조인 ΔVp는 점차 감소(Vcom positive Shift)하여 양극과 음극의 밝기 차이가 점차 감소하고, 영상의 평균 밝기도 증가 추세를 나타내므로 최적의 깜박임이 점차 감소합니다.
VGH가 Flicker에 미치는 영향
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실험에서는 VGH 전압을 DC 전원 공급 장치에 외부적으로 연결했으며 VGL과 Vcom은 변경되지 않은 상태로 유지되었습니다. 일반 화이트 모드 제품과 일반 블랙 모드 제품에서 서로 다른 VGH 전압 하에서의 플리커 값을 각각 테스트하였습니다. 그 결과를 아래 그림에 나타내었는데, 이는 VGH가 플리커에 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 분석 이유는 다음과 같습니다.
첫 번째 단계에서는 VGH가 낮을 때 한편으로는 VGH가 증가함에 따라 ΔVp가 증가합니다. 반면, VGH가 낮으면 픽셀이 완전히 채워지지 않고 포지티브 프레임과 네거티브 프레임의 밝기 차이가 커집니다(주인자). VGH가 증가하면 픽셀이 점차 채워지고 포지티브 프레임과 네거티브 프레임의 밝기 차이가 감소합니다. 이 단계에서는 VGH가 증가함에 따라 깜박임이 감소합니다.
두 번째 단계에서는 VGH가 어느 정도 증가하고 픽셀이 완전히 채워집니다. 이때, VG가 증가함에 따라 ΔVp도 증가하며, 이로 인해 포지티브 프레임과 네거티브 프레임의 밝기 차이가 커지는, 즉 플리커가 증가하게 됩니다.
VGH 전압은 제품의 두 가지 모드와 최적의 깜박임 및 해당 Vcom 관계가 다릅니다. 아래 그림의 실험 결과를 보면 VGH가 증가하고 최적 플리커는 거의 변하지 않으나 해당 Vcom은 점차 감소하는 것을 알 수 있습니다. 따라서 VGH 전압이 변할 때 깜박임을 조정하여 최상의 깜박임을 얻을 수 있습니다.
VGL이 Flicker에 미치는 영향
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실험에서는 VGL 전압을 DC 전원 공급 장치에 외부적으로 연결했으며 VGH와 Vcom은 변경되지 않은 상태로 유지되었습니다. 일반 화이트 모드 제품과 일반 블랙 모드 제품에서 서로 다른 VGL 전압 하에서 플리커 값을 각각 테스트하였습니다. 그 결과를 아래 그림에 나타내었는데, 이는 VGL이 깜박임에 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 분석 이유는 다음과 같습니다.
첫 번째 단계에서는 VGL이 -2V에서 가장 낮은 지점(약 -8V)으로 점차 감소할 때 ΔVp가 점차 증가하더라도 TFT의 Ioff가 점차 감소하고(주인자) 픽셀 전압의 유지 특성이 향상되어 포지티브 프레임과 네거티브 프레임의 밝기 차이가 점차 감소합니다. 즉, 플리커가 점차 감소합니다.
두 번째 단계에서는 VGL이 계속 감소하고 ΔVp와 TFT의 Ioff가 점차 증가합니다. 이 둘의 조합으로 인해 포지티브 프레임과 네거티브 프레임 사이의 밝기 차이가 점차 증가합니다. 즉, 깜박임이 점차 증가합니다.
플리커 드리프트란?
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LCD에 DC 바이어스 전기장이 있으면 바이어스 전기장이 이온을 끌어당겨 전극 근처에 내장된 전기장이-생성됩니다. 이 내장된 전기장은 DC 바이어스 전기장 보상이 완료될 때까지 계속 강화됩니다. 내장된-전기장과 DC 바이어스 전기장의 상호 작용 효과로 인해 플리커가 드리프트됩니다.
깜박임에 대한 픽셀 극성 반전의 효과
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프레임 반전 극성 변환 방식의 현상은 명백합니다.
Flicker 반전 극성 변환 방식의 현상은 명확하지 않습니다.
Column inversion polarity 변환 방식의 Flicker 현상이 뚜렷하지 않음
도트 반전 극성 변환 방식 Flicker 현상이 거의 없음
일반적으로 Vcom 전압을 조정하고 극성 반전 방식을 선택하여 Flicker 현상을 최적화합니다.
