TFT液晶顯示技術(shù)

1、第一章：液晶的歷史一、簡(jiǎn)述1、液晶顯示器按驅(qū)動(dòng)方式可以分為有源驅(qū)動(dòng)和無源驅(qū)動(dòng)，有源驅(qū)動(dòng)在X電極和Y電極交叉點(diǎn)處由主動(dòng)原件（TFT）相耦合，并對(duì)像素進(jìn)行控制。2、有源矩陣方式液晶顯示器的實(shí)現(xiàn)：a-Si非晶硅，LTPS低溫多晶硅，p-Si多晶硅。A、a-Si TFT LCD有直視性，也有投影型。在已實(shí)現(xiàn)的TFT LCD中，液晶模式主要是TN。(TN是TFT LCD的一種？) TN融低電壓、低功耗驅(qū)動(dòng)、高對(duì)比度和適合彩色化的性能于一體。缺點(diǎn)是視角小，光學(xué)補(bǔ)償法已經(jīng)發(fā)展到使用圓盤狀液晶膜方式。在取向上加以改進(jìn)的方式除了用于TN，也設(shè)法用于其他方面。在顯示不同灰階的時(shí)候，液晶分子的長軸跟玻璃基板的角度是

2、不一樣的，用戶從不同角度觀看屏幕時(shí)，有時(shí)看到的是液晶分子的長軸，有時(shí)則是短軸。在不同角度所看到的亮度就會(huì)不一樣，這就是TN模式液晶顯示器可視角度狹窄的根本原因。CMOS：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體光學(xué)補(bǔ)償法經(jīng)上述可知，視角較小是因?yàn)閚0所造成的相位延遲引起，只要找n0的材料來作補(bǔ)償就可以了。因此一般的光學(xué)補(bǔ)償膜都是屬于n0的材料，這樣一來光學(xué)補(bǔ)償膜的相位延遲，就可以跟線狀液晶的相位延遲互相抵消，就可以增加液晶面板的可視角度。 當(dāng)光是從下方入射，然後從上方射出時(shí)，首先會(huì)經(jīng)過底下的一片光學(xué)補(bǔ)償膜，由於其n0光線便會(huì)有了負(fù)的相位延遲，接下來光線繼續(xù)前進(jìn)進(jìn)入到TN型液晶，此時(shí)便會(huì)開始有正的相位延遲，大約到液

3、晶的一半的地方，此時(shí)正負(fù)的相位延遲便會(huì)互相抵消。當(dāng)光線繼續(xù)向上傳播時(shí)，又會(huì)因?yàn)門N型液晶的關(guān)系，產(chǎn)生了正的相位延遲，直到進(jìn)入位於上方的光學(xué)補(bǔ)償膜，又會(huì)開始有負(fù)的相位延遲。在光線離開位在上面的光學(xué)補(bǔ)償膜時(shí)，正負(fù)相位延遲又可以互相抵消，因此只要光學(xué)補(bǔ)償膜設(shè)計(jì)的好，便可以完全抵消TN型液晶所造成的相位延遲，達(dá)到廣視角的效果。B、p-Si 多晶硅的形成有低溫工藝和高溫工藝。多晶硅中的電子遷移率高，因此驅(qū)動(dòng)電路也可在顯示部分的周邊以CMOS形式同時(shí)形成。C、TFT LCD的特點(diǎn)1、沒有像簡(jiǎn)單矩陣那樣的掃描電極數(shù)的限制，可以實(shí)現(xiàn)多像素化2、可以抑制Crosstalk串?dāng)_，對(duì)比度高3、液晶激勵(lì)時(shí)間可以很長（

4、持續(xù)性），亮度高，響應(yīng)時(shí)間也很快4、可以同時(shí)在顯示區(qū)域周邊形成驅(qū)動(dòng)電路，由于I/O引腳數(shù)驟減，有利于實(shí)現(xiàn)高可靠性和低成本5、在透明玻璃上利用濺鍍、化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法成膜，可以實(shí)現(xiàn)大型化和彩色化3、實(shí)用顯示器性能的對(duì)比主動(dòng)發(fā)光帶背光源特長能顯示鮮艷美麗的圖像除背光源外不需要發(fā)光所需的能量，各像素的驅(qū)動(dòng)能量很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的功率控制能力要求較低圖像暗的部分不用發(fā)光，可有效地利用能量背光源可以采用發(fā)光效率較高的LED等，可以實(shí)現(xiàn)很低的功耗因視角不同幾乎不產(chǎn)生亮度和色彩的變化問題為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)像素發(fā)光，必須注入能量，需要降低電極線的電阻，同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)IC對(duì)功率的控制能力顯示時(shí)需要液晶分子發(fā)生旋

5、轉(zhuǎn)，響應(yīng)較慢一般響應(yīng)速度很快，僅在掃描線掃描的瞬間發(fā)光，隨著掃描線條數(shù)的增加，平均亮度會(huì)下降液晶具有光學(xué)各向異性的性質(zhì)，視角不同時(shí)，亮度、灰階、顯示色和對(duì)比度等會(huì)發(fā)生明顯的變化周圍光越亮，畫面看起來越暗不帶背光源的非主動(dòng)發(fā)光型顯示器（反射型）：A：在明亮的室外，顯示的圖像也不會(huì)沖淡B、不應(yīng)用背光源可以做到超低功耗C、由于反射板可置于液晶盒的后方可以正反兩次利用透過液晶層的光，故液晶層的厚度可以減半，綜合效果可使響應(yīng)速度提高到4倍a、為了實(shí)現(xiàn)亮度高的畫面，對(duì)視角有一定的限制性要求（典型情況為70-80）b、在很暗的場(chǎng)所，不能顯示可觀視的畫面（可以通過設(shè)置前光源解決）二、發(fā)展有機(jī)EL優(yōu)于液晶之處在

6、于自發(fā)光，不需要背光源，厚度可到2mm以下（柔性屏），具有從側(cè)面看也能看清楚圖像的超寬視角，響應(yīng)速度更快。要改善的問題是發(fā)光效率和壽命。VGA：640*480XGA：1024*768SXGA：1280*1024UXGA：1600*1200Full HD：1920*1080QSXGA：2560*2048隨著圖像分辨率的提高（像素?cái)?shù)增加，像素尺寸變?。瑸榱私鉀Q顯示屏充電不足的情況，布線材料由Cr、Mo相應(yīng)地變?yōu)锳l合金系列。低電阻率布線材料的開發(fā)也更加重要。（已開發(fā)Cu、Ag純Al等電阻率更低的布線材料）三、開發(fā)的課題1、擴(kuò)大視角與通常的TN模式相比，IPS和PVA（花樣垂直配向）模式具有優(yōu)良的

7、廣視角特性。進(jìn)化后的Super IPS通過采用人字形像素，解決了原有色彩移動(dòng)的不對(duì)稱現(xiàn)象，高電壓驅(qū)動(dòng)和小液晶盒間隙改善了液晶的響應(yīng)速度。而PVA相比于IPS在亮度和對(duì)比度上占優(yōu)，也引入了人字形像素結(jié)構(gòu)，減小黑色矩陣的寬度，實(shí)現(xiàn)了高開口率和更快的響應(yīng)速度。2、提高響應(yīng)速度對(duì)于動(dòng)畫顯示來說，最重要的影響要素是液晶的響應(yīng)速度。如果響應(yīng)速度較慢，在表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。而且由于LCD是電壓維持型顯示器，因此圖像邊緣會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的模糊現(xiàn)象。為了解決這一問題，目前廣泛采用的是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)或者過驅(qū)動(dòng)方式。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)：循環(huán)地給每行電極施加選擇脈沖，同時(shí)給所有列電極施加選擇或者非選擇的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)某

8、行所有顯示像素的驅(qū)動(dòng)，這種行掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)周期很短，使得液晶顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖像效果。液晶顯示器在灰階間動(dòng)作時(shí)，與ON-OFF相比，采用更低的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)力弱。因此，灰階間的響應(yīng)速度與ON-OFF響應(yīng)時(shí)相比，要慢3-5倍。采用過驅(qū)動(dòng)方式，即施加比普通驅(qū)動(dòng)電壓更高的電壓，致使液晶分子受更大的驅(qū)動(dòng)力，可使液晶的響應(yīng)速度提高。3、高質(zhì)量動(dòng)畫顯示技術(shù)LCD屬于電壓維持型，知道下一幀信號(hào)傳來之前，會(huì)一直維持圖像，從而當(dāng)圖像瞬間發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生模糊現(xiàn)象。為了排除這種現(xiàn)象開發(fā)了類似與CRT的脈沖驅(qū)動(dòng)方式。A、 插入黑畫面：可以有效排除運(yùn)動(dòng)圖像的模糊現(xiàn)象，但是隨著黑畫面的增加，畫面的亮度會(huì)下降

9、。要求液晶的響應(yīng)速度必須比幀時(shí)間的1/2快。B、 背光源閃爍技術(shù)：即使液晶響應(yīng)速度不快，也尅改善動(dòng)畫的顯示效果，但是亮度最大會(huì)降低一半，因此必須提高背光源的亮度。C、 在60Hz幀頻中插入黑色幀，進(jìn)行120Hz驅(qū)動(dòng)。由于屏的充電量變大，必須采用新的低電阻布線材料及采用新的幀倒置技術(shù)。4、色表現(xiàn)技術(shù)表現(xiàn)自然色受多種因素的影響，包括色溫、白平衡、校正等。04年左右時(shí)，采用CCFL和CF基板，色再現(xiàn)性每提高5%，亮度就損失7%。為此，必須抑制光源的黃光強(qiáng)度，由CF完全遮斷黃光波長的光。由此因此的亮度下降通過CF與背光源的分光光譜匹配最佳化來補(bǔ)償。采用LED光源的情況下，RGB的波長寬度小，色純度高，

10、色再現(xiàn)性甚至能超過100%NTSC。為了對(duì)因調(diào)灰引起的變化進(jìn)行校正，引入了ACC（accurate color capture，精細(xì)色調(diào)整）校正電路，實(shí)現(xiàn)更精巧的色表現(xiàn)。ACC 校正電路是將8 bit灰階的數(shù)據(jù)由ACC邏輯電路擴(kuò)大為10 bit，利用增加的2bit進(jìn)行幀率控制并對(duì)8 bit灰階進(jìn)行校正。由像素組合和色調(diào)整進(jìn)行色控制，也可以提高圖像質(zhì)量。與通常的RGB像素組合相比，亞像素搭配技術(shù)中的像素組合，采用6個(gè)亞像素構(gòu)成一個(gè)像素的方法在表現(xiàn)實(shí)際的圖像時(shí)，與相靠近的像素共享亞像素，實(shí)現(xiàn)更豐富的色表現(xiàn)力。在RGB 3色的亞像素結(jié)構(gòu)中，追加白色亞像素可以大幅度增加畫面的亮度。各式各樣的4色亞像素

11、結(jié)構(gòu)都可以采用，但是適用于亞像素就搭配技術(shù)的6個(gè)亞像素組合中，使下端的藍(lán)變成白的布置具有最突出的效果。理由之一是開口率上升而使追加的亮度增加；理由之二是可使適用于亞像素搭配技術(shù)的驅(qū)動(dòng)IC數(shù)目減少。、5、背光源的改進(jìn)LED背光源的價(jià)格是CCFL的3倍以上，發(fā)光效率也低，只有耗電量的5%變換為光，其余的85%（95？估計(jì)是書寫錯(cuò)誤）全部變?yōu)闊?。第二章、液晶顯示入門一、液晶分子基本單元物質(zhì)中，原子和分子之間都存在著凝聚力。溫度越高，原子、分子的運(yùn)動(dòng)越激烈。物質(zhì)存在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種狀態(tài)。物質(zhì)取何種狀態(tài)決定于凝聚力的大小與原子、分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的關(guān)系。大部分固體，如金屬、礦物等，都呈晶體狀態(tài)。也有玻璃、

12、非晶硅（a-Si）等布呈晶態(tài)。而將液晶理解為處于液體與晶體中間的狀態(tài)更為確切。液晶具有“流動(dòng)性”，液晶分子不能發(fā)生大的移動(dòng)，而只能發(fā)生少許移動(dòng)，或在分子位置不動(dòng)的情況下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。液晶也屬于有機(jī)物質(zhì)。按液晶的排列方式，可以分為膽甾相型、向列型和層列型三大類：膽甾相：棒狀或板狀在任一層均沿著某一方向平行排列，而下一層排列方向的角度略發(fā)生一些變化，逐層以螺旋方式堆疊。從整體上看，分子排列方向發(fā)生螺旋狀扭曲。向列型：取最簡(jiǎn)單的排列規(guī)則。棒狀分子縱向平行排列。每個(gè)液晶分子的上下位置各不相同，在同一平面上也無明顯的規(guī)則性。、向列液晶的黏度較小，易流動(dòng)。從缺點(diǎn)上講：易流動(dòng)不利于用于顯示介質(zhì)。從優(yōu)點(diǎn)上講：易轉(zhuǎn)

13、動(dòng)，響應(yīng)速度快。層列型：向列型進(jìn)一步按層狀規(guī)則堆疊而成。液晶顯示器的工作原理簡(jiǎn)述：當(dāng)光入射時(shí)，液晶分子調(diào)制光使得光透過或者遮斷，以進(jìn)行文字和圖像的顯示。1、 具有優(yōu)良的規(guī)則排列特性2、 在外加電壓下，其排列方向能極快地發(fā)生變化3、 這些動(dòng)作可以在室溫下進(jìn)行需滿足的特性隨著范德瓦耳斯力變大，液晶分子排列的規(guī)則性提高。當(dāng)范德瓦爾斯力弱時(shí)，棒狀分子可以在縱向挪動(dòng)，因此成為向列相，液晶分子的形狀變長時(shí)，分子間的范德瓦爾斯力變強(qiáng)，因此成為層列相。二、如何實(shí)現(xiàn)畫面顯示要利用液晶顯示器顯示文字和圖形，只要在有字的地方遮蔽光，無字的地方讓光透過即可。當(dāng)遮蔽光時(shí)，只要在光的通路上設(shè)置某種障礙物，使光不能透過就可

14、以了。但是在一個(gè)畫面上顯示文字和圖形，而且能隨時(shí)間改變，必須將畫面精細(xì)分割，能全面布置且隨時(shí)放入、取出的極小障礙物。用微細(xì)加工的透明電極將液晶夾與其間，施加電壓時(shí)，僅使液晶發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到與放入、取出障礙物同等的效果。濺射鍍膜法：在由氧化銦、氧化錫粉末壓制燒結(jié)而成的ITO靶材上施加電壓，形成Ar氣體放電的等離子體，在電壓作用下高速碰撞靶材，發(fā)生濺射作用，使靶材原子碰出、氣化，沉積在基板上。真空蒸鍍法：真空中使用氧化銦和氧化錫同時(shí)蒸發(fā)，在溫度相對(duì)較低的基板上，同時(shí)凝聚、固溶，形成ITO膜現(xiàn)在顯示器用電極一般采用銦錫氧化物（ITO），是一種固溶體，并以薄膜的形式沉積在玻璃基板上，做成透明電極而使

15、用。三、液晶盒的構(gòu)成組成：照明光源（LED、OLED等） 光反射板（導(dǎo)光板、漫射板、增亮膜等） 起偏片 檢偏片 液晶盒（玻璃基板、透明電極、取向膜、液晶層、隔離子等） 光反射板：將點(diǎn)狀光源發(fā)出的光，均布于整個(gè)畫面液晶盒由兩塊玻璃基板封裝而成，間隙在5m左右，其中封入液晶。玻璃基板上預(yù)先形成透明電極，對(duì)液晶施加電壓時(shí)，可使液晶分子的方向發(fā)生變化，進(jìn)而利用液晶分子的取向不同，使偏振光透過或遮斷，達(dá)到顯示畫面的目的。1、 玻璃基板的處理液晶顯示器的玻璃基板需要表面覆層處理，TFT有源矩陣液晶顯示器幾乎都采用無堿玻璃。堿金屬氧化物會(huì)降低玻璃的熔點(diǎn)。含100% SiO2 的純“石英玻璃”具有高熔點(diǎn)、高透

16、射率、高穩(wěn)定性等高品質(zhì)，價(jià)格也極高。目前在透射型投影儀 HTPS（高溫多晶硅）液晶顯示器中有所應(yīng)用。2、 透明電極的圖形化在洗凈的玻璃基板上，利用真空蒸鍍法和濺射鍍膜法，全面沉積ITO透明導(dǎo)電膜。沉積溫度必須低于玻璃的軟化點(diǎn)。光刻膠：受光照便會(huì)分解（或固化）的感光性有機(jī)物質(zhì)，廣泛用于半導(dǎo)體集成電路制作中，光刻膠有正、負(fù)之分。正刻膠：經(jīng)光照后形成可溶物質(zhì)負(fù)刻膠：經(jīng)光照后形成不可溶物質(zhì)透明電極越細(xì)，從而像素越小，圖像分辨率越高，顯示的畫面越清晰。3、 液晶分子的排列如果液晶分子排列不集中，光處于半透過半遮蔽狀態(tài)，對(duì)比度低。外加電壓時(shí)，如果液晶分子不是同時(shí)同程度的旋轉(zhuǎn)，圖像不清晰。液晶顯示器中，液晶

17、以薄層的形式鋪滿整個(gè)畫面。這種情況下，液晶分子需要整齊有序的沿著某一方向排列。當(dāng)光照射時(shí)，使光透過還是遮斷取決于液晶分子的取向。因此，素有的液晶分子有必要長時(shí)間沿著同一方向排列。均質(zhì)平行取向多用于液晶介電各向異形為正的情況，一般顯示模式采用的大多是這種取向；均質(zhì)垂直取向多用于液晶介電各向異形為負(fù)的情況，多用于特殊顯示模式；在外加電壓，希望液晶響應(yīng)更加迅速而均勻時(shí)，可使液晶分子的方向相對(duì)于基板傾斜一定的角度。均質(zhì)平行取向是通過對(duì)基板（取向膜）進(jìn)行摩擦，依靠表面?zhèn)劭刂埔壕Х肿尤∠?，但是液晶近似于液體，不可能獲得完全一致的定向排列。取向膜的厚度在0.050.1m之間。特性：1、耐摩擦強(qiáng)度高 2、摩

18、擦處理后的取向膜，經(jīng)水和有機(jī)溶劑清洗，摩擦效果也不會(huì)喪失 3、耐熱四、向列液晶的雙折射單軸型晶體透過全方位光可以引起雙折射。向列液晶分子的排列方向（分子的長軸方向），分子的排列致密，而垂直于液晶分子的排列方向（水平方向），分子排列寬松，密度小。全方位光透過這種單軸性晶體時(shí)，分解為兩個(gè)相互垂直的偏振光。全方位光平行于光軸入射時(shí)，不會(huì)發(fā)生雙折射。電場(chǎng)效應(yīng)雙折射外加電場(chǎng)與光的行進(jìn)方向相垂直時(shí)，這樣的電場(chǎng)施加方法稱為面內(nèi)切換型（IPS）。極性基與長軸方向一致，而取垂直排列的棒狀分子在水平方向電場(chǎng)的作用下，液晶分子也會(huì)出現(xiàn)類似的傾斜。膽甾相型液晶液晶分子分為左手型、右手型和對(duì)稱型。向列型液晶和層列型液晶

19、都是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。層列型比向列型復(fù)雜。膽甾相型液晶分子的結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱的，所以才取螺旋型排列。TN型液晶顯示器的工作原理液晶的電阻液晶的電阻越大越好，如果液晶的電阻小，則會(huì)有電流通過，由此則會(huì)引發(fā)：1、 液晶取向混亂倒置圖像錯(cuò)亂為了高速且大容量地傳輸信號(hào)，需要采用TFT方式，在電源OFF時(shí)，需要保持電壓的狀態(tài)（利用存儲(chǔ)電容）。在特意施加電壓時(shí)才使液晶分子方向發(fā)生變化。在電壓OFF時(shí)，如果有漏電流流動(dòng)，則保持的電壓會(huì)下降，液晶分子會(huì)向不施加電壓時(shí)的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)。結(jié)果導(dǎo)致圖像混亂。如果液晶的電阻大，漏電流小，液晶分子保持原來的狀態(tài)不動(dòng)。對(duì)于TFT來說，對(duì)液晶電阻大、電壓保持率高的要求就特別重要。一般用氟

20、替代氰基，對(duì)降低驅(qū)動(dòng)電壓和電壓保持都很有效。2、 導(dǎo)致液晶劣化當(dāng)玻璃基板中含有鈉和鉀時(shí)，鈉、鉀離子混入液晶中，會(huì)引起離子到點(diǎn)，會(huì)使液晶劣化。液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)與顯示1、 靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的筆段式顯示為了增加像素?cái)?shù)，必須同時(shí)增加電極數(shù)和開關(guān)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來很困難。這種方法只能顯示數(shù)字、字母、簡(jiǎn)單符號(hào)等，多用于顯示器等。2、 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩陣式顯示像素?cái)?shù) = 前面的電極數(shù) * 背面的電極數(shù)電極是按橫行、縱列條狀排列，也叫“單純（簡(jiǎn)單）矩陣驅(qū)動(dòng)”。STN液晶多采用這種驅(qū)動(dòng)。問題：1、 難以適應(yīng)液晶分子響應(yīng)速度慢的問題2、 交叉噪聲（cross-talk） 受周圍ON 狀態(tài)的影響，相連帶的若干個(gè)像素也會(huì)有所顯示的現(xiàn)象

21、。隨著集成電路的高密度化，MOS形晶體管逐漸成為主流。機(jī)構(gòu)主要由金屬（metal，M）氧化物（oxide，O）半導(dǎo)體（semiconductor，S）積層而成。金屬部分稱為“柵”，端子施加電壓；半導(dǎo)體部分，兩端與稱為源（source）和漏（drain）的端子相連接，構(gòu)成從電源向液晶盒輸運(yùn)電流的通路。柵極所加的電壓對(duì)從源向漏流動(dòng)的電流實(shí)施控制并具有開關(guān)功能；氧化物部分作為電絕緣體，對(duì)金屬和半導(dǎo)體起隔離作用。柵極所加的電壓不會(huì)在氧化物絕緣體中產(chǎn)生電流，僅產(chǎn)生電場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。薄膜三極管（TFT）當(dāng)對(duì)開關(guān)起ON/OFF作用的柵極施加正15V左右的電壓時(shí)，則在半導(dǎo)體活性層（n型 a-Si）內(nèi)，電子向柵極聚集。柵極和半導(dǎo)體活性層之間存在絕緣層，電子不能到達(dá)柵極，聚集于柵極的電子穿越半導(dǎo)體活性層流向漏極。在實(shí)際應(yīng)用中，是在與漏極相連的像素電極上施加電壓，這就是開關(guān)ON的狀態(tài)。若在柵極施加負(fù)5V左右的電