第三章平板顯示面板設計(一)

第三章平板顯示面板設計（一）3.1平板顯示器的構成與性能參數(shù)3.2LCD的驅動技術基礎3.3α-Si:H

TFTLCD顯示面板技術3.4LTPSTFTLCD顯示面板技術3.1顯示器的構成與性能參數(shù)3.1.1平板顯示器的構成3.1.2平板顯示器的性能參數(shù)1.亮度及亮度均勻性2.對比度3.灰階4.顏色5.分辨率3.1.1平板顯示器的構成1．顯示尺寸:對角線2.寬高比3.像素與像素節(jié)距4.開口率像素顯示畫面由像素（pixel）組成像素的精致程度觀察距離像素大?。簆pi像素數(shù)目液晶顯示器主流寬高比為16：93.1.2平板顯示器的性能參數(shù)QVGA:320×RGB×2401.Resolustion(分辨率)#1#2#3#320....................#1#2#3#240

column

:320×3(R/G/B)

row

:240

分辨率:320×240=76,800SubPixel(dot):320×3×240=230,400分辨率指構成圖像的像素和，一般表示為水平分辨率和垂直分辨率的乘積。平板顯示器規(guī)格一覽表規(guī)格分辨率長寬比像素（百萬）QCIFQuarterCIF176×14411:90.03QVGAQuarterVGA320×2004:30.06CIFCommonImageFormat352×28811:90.1VGAVideoGraohicArray640×4804:30.31SVGASuperVGA800×6004:30.48XGAExtendedGraphicArray1024×7684:30.79WXGAWideXGA1365×76816:91.04SXGASuperXGA1280×10245:41.31SXGA+StretchedXGA1400×10504:31.47UXGAUltraXGA1600×12004:31.92HDTV-IInterlaceScanHDTV1920×108016:92.07HDTV-EIExtendedInterlaceScanHDTV1920×120016:102.30QXGAQuadrupleXGA2048×15364:33.15QSXGAQuadrupleSXGA2560×20484:35.24QUXGAQuadrupleUXGA3200×24004:37.68UAdvancedtelevisionsystemscommittee不同分辨率下的圖像1024×1024→512×512→256×256→128×128→64×64→32×322、亮度與對比度定義亮度：指光源在某個方向的單位投影面積，單位立體角中輻射的光通量。對比度：最亮情況下的亮度與最暗情況下的亮度之比3、灰階（灰度等級）定義亮暗間不同的明亮程度叫灰階灰階的分級方法以亞像素分級灰階-空間灰度調(diào)制以像素發(fā)光時間比例分級灰階-時間灰度調(diào)制以像素發(fā)光強度分級灰階灰度等級：一般6－8級顯示屏256級1．空間灰度調(diào)制

將一個像素劃分為若干個單獨可控的“子像素”，控制子像素被選通數(shù)量，可實現(xiàn)灰度顯示。這種方法是不需要特殊的驅動、控制技巧，其缺點：（1）不可能將一個像素分割成很多個子像素，因此不可能產(chǎn)生很多的灰度級；（2）增加了微細加工的成本，以犧牲分辨率為代價；（3）增加驅動、控制電路數(shù)量。2．時間灰度調(diào)制在一個時間單位內(nèi)，控制顯示選通、截止的時間長短，從而實現(xiàn)灰度顯示。（1）

幀灰度調(diào)制以數(shù)幀為一時間單元，控制顯示像素選通的幀數(shù)，即可實現(xiàn)灰度調(diào)制。例如取4幀為一時間單位，從全部選通到全部不選通可以實現(xiàn)5個灰度級別。缺點:會引起灰度級別的閃爍，由于液晶響應時間速度慢，不可能用增加幀頻來解決，所以必然導致活動圖象顯示變慢。（2）

脈沖灰度調(diào)制調(diào)制數(shù)據(jù)脈沖的寬度，即可實現(xiàn)一個個像素上的灰度調(diào)制。由于液晶對過窄脈沖不能響應，所以一般限于以4位移位寄存器調(diào)制16級灰度，即列信號的寬度有16種組合。二值圖像與灰度圖像不同灰度級的圖像4、

顏色彩色化方式亞像素法色序法彩色的正確重現(xiàn)景物→攝像器件→彩色分量→處理傳輸→顯象器件→彩色景物重現(xiàn)空間混色TriadsandcolormixingSMPTEcolorbarscloseuponaSonyTrinitronmonitorTheSocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers亞像素法場序（pico-projector)色序法（colorsequential）3.2α-Si:HTFTLCD顯示技術

1、LCD顯示的基本原理2、液晶交流驅動3、均方根電壓4、電光響應5、無源矩陣驅動6、有源矩陣驅動3.2.1LCD的驅動技術基礎■LCDDisplay分類LiquidCrystalDisplayPMLCDAMLCDTNSTNAFLCDa-SiTFTPoly-SiTFTTFDHTPSLTPSTwistedNematicSuperTwistedNematicAntiferroelectricAmorphousSiTFTThinFilmDiodeHighTemperaturePolySiTFTLowTemperaturePolySiTFT1、LCD顯示的基本原理Alightvalve（灰度實現(xiàn)）LightvalveLightsource加電場狀態(tài)電場LCD基本操作未加電場狀態(tài)偏光板背光源解偏板亮態(tài)暗態(tài)液晶分子出射光之極化狀態(tài)液晶是受電場影響而扮演光閥的角色那電場是如何產(chǎn)生的呢……….常白和常黑模式為什么必須要有交流驅動取向膜的直流阻隔效應可移動離子與直流殘留-引入內(nèi)部電場2、液晶交流驅動液晶必須以交流信號驅動

長時間維持某一極性,液晶分子可能受到破壞3、驅動電壓的均方根在電場作用下引起透過率變化的特性液晶器件的透過率在寬頻率范圍內(nèi)只與驅動電壓的有效值有關，而與電壓波形無關。如果V（t）是加在液晶盒上的隨時間周期性改變的電壓，則透光率只是電壓均方根Vrms的函數(shù)液晶的排列，會由其所受到的力矩在時間上的平均值來決定而力矩與電壓的平方成正比4、LCD的電光響應NWTNLCD的相對透過率隨著施加在液晶盒上的數(shù)據(jù)電壓的變化關系曲線（T與電壓均方根值Vrms之間的關系曲線）。Vth=1.2V，Von=4.06V，K=1.09，T(Vth)=0.985,T(Von)=0.001電光特性的幾個參量T——相對透過率Vrms——電壓均方根T0——周期p——電光陡度5、無源驅動（1）無源矩陣驅動原理（2）交叉效應與對比度（3）提高掃描行數(shù)和對比度的方法（1）無源矩陣驅動原理

在X電極（掃描電極）上按時間順序施加上一串掃描脈沖電壓。與X電極同步，在Y電極上分別輸入選通電壓波形和非選通電壓波形，使該行上若干像素點被選通。信號（列）電極掃描（行）電極

假設一幀的掃描行數(shù)為N，掃描一幀的時間為Tf，那么一行所占有的選通時間為一幀時間的Tf

/N（占空比系數(shù)）。在同等電壓下，掃描行數(shù)的增多將使占空比下降，從而引起液晶像素上的交變電場電壓的有效值下降，降低了顯示質(zhì)量。（2）交叉效應(crosstalk)在動態(tài)驅動方式下，某一液晶像素(選擇點)呈顯示效果是由施加在行電極上的選擇電壓與施加在列電極上的選擇電壓的合成來實現(xiàn)的。與該像素不在同一行和同一列的像素(非選點)都處在非選狀態(tài)下，與該像素在同一行或同一列的像素均有選擇電壓加入，稱之為半選擇點。該點的電場電壓處于液晶的閾值電壓附近時，屏上將出現(xiàn)不應有的半顯示現(xiàn)象，使得顯示對比度下降，這種現(xiàn)象叫做“交叉效應”。交叉效應的主要原因:（1）液晶器件具有雙向(通導)特征，外加電壓只根據(jù)阻抗大小來分配電壓。（2）電光特性不陡。

假定所有像素開始時都處于暗態(tài)(不透明)。先在電極X1上加電壓Va，并讓Y1電極接地，而讓其它電極開路。當外加電壓Va足夠高時，像素P12、P2l和P22上也會有Va/3電壓，所以這些像素也會逐漸轉變?yōu)榱翍B(tài)。隨著行、列電極數(shù)日的增大，交叉效應的程度會加劇。22矩陣液晶顯示屏及其等效電路抑制交叉效應的措施:在非選擇點上施加適當電壓，達到提高非選擇點的電壓，降低半選擇點的電壓，則結果是拉開了選擇點與半選擇點間的電壓差，而同時又縮小了半選擇點與非選擇點間的電壓差。交叉效應的主要表現(xiàn)：（1）選擇點與半選擇點電壓接近，當外加電壓超過Vth后，半選擇點也會逐漸呈顯示狀態(tài)，使對比度下降；（2）半選擇點與非選擇點上電壓不一樣，如果它們由于交叉效應而變明（或變暗）狀態(tài)不一樣，則造成圖面不均勻。

?最佳偏壓法

由于液晶顯示器在電場作用下的響應時間總是大于每行的作用時間，并且經(jīng)常大于一幀時間，所以要使液晶顯示需要數(shù)幀電壓作用的積累，電壓的作用不取決于電壓的瞬時值，而是在數(shù)幀時間的有效值(rms值）。如要知道液晶顯示器的對比度，就要求出某像素點作為全選擇點的電壓有效值和作為非選擇點電壓的有效值，它們的比正比于選通狀態(tài)下的透過率。抑制交叉效應幀頻25Hz，場頻50Hz，行頻15625Hz作為全選擇點時，在一幀時間內(nèi)，只有一行的時間施加的電壓為V0，其余N-1行時間內(nèi)施加的電壓為-V0/b，所以作為全選擇點的均方電壓為：

b為偏壓比作為非選擇點時，在一幀時間內(nèi)，總有一行的時間處于半選擇點，施加的電壓為（b-2）V0/b，其余N-1行時間內(nèi)施加的電壓為-V0/b，所以：為了減小交叉效應，獲得良好對比度的圖象，必須(常黑模式）

定義一個表示工作電壓范圍的裕度：Vsat是顯示像素透光率剛好達到飽和的電壓因為行數(shù)N已給定，必有一個b值使=max。由b=0可求得：

這時，所以，對于每一個最佳偏壓比，使值為最大。閾值陡度P（掃描行數(shù)設計的依據(jù)）：

因為P<max，液晶屏掃描電極數(shù)目N由下式限制：TN型器件的P為1.2-1.5，可驅動3-8路；STN型器件的P1.05，最大可驅動的路數(shù)為256。有源矩陣液晶顯示器件的分類6、有源驅動在三端器件方式中，掃描尋址的控制信號和顯示信號完全分離，可以獨立進行優(yōu)化，容易得到高的顯示質(zhì)量。3.3.1α-Si:HTFTLCD像素架構

單元像素架構像素陣列架構3.3α-Si:H

TFTLCD顯示面板技術CsonCOM像素結構與像素等效電路CsonGate像素結構與像素等效電路CsonCOM結構的截面圖Array架構示意圖(電路）G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource線儲存電容Gate線液晶電容TFTcomITOCLC2.像素陣列架構Array面板信號傳輸與工作原理100umGateDriverSourceDriverGate電壓依序輸入GateLine，整條TFT依此順序On/Off。Sourcebusline依Gate電壓順序，將對應于各像素Data的Source電壓(Vs)輸入。濾色器（CF）與TFT的集成

3.3.2α-Si:HTFTLCD面板制造技術

1.TFT-LCD的生產(chǎn)流程五次光刻的TFT背板工藝技術

CC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitora-SiTFTTFTStructureDepositandpatterngatemetalFunctions:GateofTFTSelectlinesBottomelectrodeofstoragecapacitorMetaloptions:Ti/Al/TiAl/MoCrMoCC'Cross-sectionCC’a-SiTFTarrayprocess–step1濺鍍

鈦鋁鈦合金

厚度500/1800/1000Aa-SiTFTarrayprocess–step2DepositionofSiN/a-Si/n+byPECVD,patterningofa-SiSiNisgatedielectricandstoragecapacitordielectricSelectiveetchofa-SiSiNisnotetchedCC'SiNa-Si/n+a-SiTFTarrayprocess–step3Depositionandpatterningofsource/drainmetalFunctions:SourceanddrainmetalDatalinemetalMetaloptionsTi/Al/TiorTi/AlCrMoorMo/AlBacketchofn+a-SifromchannelareaCC'500/1800/1000Aa-SiTFTarrayprocess–step4Depositionandpatterningofpassivation

SiNbyPECVDFunction:PassivateTFTCC'并且做VIA層(使電信號導入panel)a-SiTFTarrayprocess–step5DepositionandpatterningofITOFunction:PixelelectrodeTopelectrodeofstoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitora-SiTFT4次光刻工藝采用了配置有非完全曝光圖形的掩模板的曝光工藝叫做灰度掩模板（GTM）光刻4mask蝕刻工藝濕刻蝕原理G-WE反應機理D-S-WE反應機理PI-WE反應機理濕刻工藝性能柵極刻蝕：形狀控制；線寬控制源漏極刻蝕:4次和5次光刻不一樣像素電極刻蝕3.3.3α-Si:HTFTLCD的像素級驅動原理1、交流驅動（極性反轉）2、

信號寫入與保持3、電容耦合效應4、延遲++++++++++++++++----------------FrameInversion++++----++++--------++++----++++rowInversioncolumnInversion+-+-+-+-+-+-+-+--+-+-+-+-+-+-+-+dotInversion+-+--+-++-+--+-+-+-++-+--+-++-+-2-lineInversion+-+-+-+--+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-×:bad,△:Normal,○:Good

常見像素陣列極性反轉方式1、交流驅動幀反轉方式，如果整個顯示在第一幀被正電壓刷新，則第二幀被負電壓刷新。行極性反轉，在一幀圖像內(nèi)，如果奇數(shù)行加正電壓，則偶數(shù)行加負電壓。在下一幀信號輸入時，奇偶行的電壓極性互換。列極性反轉，極性變換同行反轉類似。點反轉方式，相鄰像素點的電壓極性相反。列反轉和點反轉在功耗和圖像質(zhì)量方面有較大的改進。直接驅動法能提供上述所有的4種反轉方式，而Vcom反轉方式僅能提供幀反轉和行反轉。閃爍是影響TFT-LCD圖像質(zhì)量的一個因素。幀反轉方式的閃爍是最強的；而點反轉方式閃爍是較弱的，圖像質(zhì)量是最好的。交叉串擾是影響圖像質(zhì)量的另一因素。交叉串擾是由于相鄰像素具有相似電壓極性而引起的誤顯示。相鄰像素使用不同的極性反轉方式有助于消除交叉串擾。直接驅動法的反轉方式能消除在行方向和列方向的交叉串擾2、信號寫入GDSVGS>VTHVSDDSG

TFT元件在柵極(G)給于適當電壓(VGS>VTH:起始電壓)使通道感應出載流子(電子)而使得源極與漏極間導通。DSGGDSCchargecom

VGS>VTH充電要求：充電電流充放電電流不是恒定電流（VDS變化），充電電流降低比放電時嚴重，這時VGS會因為源極電壓變化而變化充電時間N行，≤Tf/N。數(shù)據(jù)格式、延遲效應電壓范圍電壓范圍數(shù)據(jù)IC電壓范圍最小灰階控制電壓:8bit,8mV;6bit,30mV最大充電電壓范圍0-10V（極性反轉，共電極設為5V）共電極電壓（Vcom）跳變原理（降低IC的輸出電壓？降低功耗？）公共電極電壓范圍公共電極電壓補償掃描驅動IC的電壓范圍開啟電壓Vg=20V，VGS>10V截止電壓Vg<-5V，VGS=0V共電極直流電壓驅動與電壓調(diào)變驅動的電壓波形比較不會設置在對稱中心5V，而在4.8V，-0.2V為共電極電壓補償△V信號保持要求其中，dVhold是數(shù)據(jù)信號的最小電壓差,dthold電壓的保持時間漏電的路徑液晶電容的漏電參數(shù)：?LC=3-12，ρLC=1013Ω·cm，符合電位保持的要求TFT的漏電：10-12-10-13A，不是定值點缺陷型漏電（缺陷現(xiàn)象？）漏電至掃描線、漏電至共電極、漏電至數(shù)據(jù)線、漏電至相鄰像素存儲電容作用：減低漏電流（增大Chold），既不能太大（開口率、充電的要求？），也不能太?。看鎯﹄娙莸膮⒖茧妷海ㄟB接方式）存儲電容的參考電壓固定參考電壓前一條掃描線共電極電壓提高開口率??！3、

像素中的電容耦合效應電容耦合一個由數(shù)個電容所組成的電路，所有電容的一個電極全部連接在一起，另一個電極各自連接到不同的電壓源，在電容相連接的電極沒有任何直流路徑可以流入或流出的前提下，若其中一個電容C所連接的電壓源變化了△V，則在相連接的電極上的電壓變化量為：像素中的電容TFT本身的寄生電容像素電極與掃描線間的寄生電容像素電極與數(shù)據(jù)線間的寄生電容造成信號延遲與驅動負載的寄生電容像素等效電路與像素電極相連的電容連接至下極板共電極的存儲電容Cs、接至上極板共電極的液晶電容CLC，TFT的寄生電容Cgd，接至本身數(shù)據(jù)線的電容Cpd，接至相鄰數(shù)據(jù)線的電容C’pd,接至本身掃描線的電容Cpg，接至相鄰掃描線的電容C’pg負載電容掃描線和數(shù)據(jù)線間的電容Cx1，下極板共電極和數(shù)據(jù)線間的電容Cx2，TFT的寄生電容Cgs，數(shù)據(jù)線和上極板間的電容Cd0，掃描線和上極板間的電容Cg0.掃描線的電容耦合效應TFT由開變關，掃描線電壓由Von變?yōu)閂off，變化量為Voff-Von忽略Cpd，C′pd，Cpg與C′pg，得到△V與Voff-Von成正比，與TFT的寄生電容成正比，與TFT的寄生電容、存儲電容、液晶電容的和成反比VCVCOMT1△v△v第一場第二場T2VgGVdVP驅動波形圖△v1.

Vg為掃描線電壓，Vd為信號線電壓，分別加在TFT的柵極，源極。2.

在T1時域(水平選擇期間)TFTON，像素電極電位Vp會被充電至信號電位Vd

。在T2時域(非選擇期間)TFTOFF，在OFF的瞬間，Vp

會下降△V。兩個效應使像素最后顯示的灰階偏離原來寫入電壓所希望表現(xiàn)的灰階使原來數(shù)據(jù)線寫入正負極性大小對稱的電壓向下偏離而產(chǎn)生直流殘留效應解決掃描線電容耦合效應的方法1、減少變化量,降低Cgd，增加總電容2、數(shù)據(jù)線電壓補償將電壓變化量|ΔV|加在所希望的像素電壓上，即Vp+|ΔV|3、共電極電壓補償（補償平均值）4、液晶電容的影響，ΔV有最大值和最小值液晶電容與VLC有關，因此ΔV（V）與所顯示的灰階有關5、制程變化的影響導致各電容變化不同灰階下變化量和像素電壓的關系極性灰階對應電壓/V液晶電容/pF儲存電容/pFTFT寄生電容Voff-Von/VΔV/V數(shù)據(jù)線補償電壓/V正極性04.06-20-0.5564.55613.11.00.90.06-20-0.6123.710.06-20-0.6453.2450.06-20-0.6822.880.06-20-0.7232.5230.06-20-0.7692.0690.06-20-0.8221.4220.06-20-0.9521.052液晶電容？數(shù)據(jù)線電壓補償？共電極電壓補償？存儲電容在掃描線上存儲在前一條或下一條掃描線上當掃描線愈多時，相鄰掃描線對液晶電壓均方根值影響愈??；前一條掃描線電容耦合效應對液晶電壓直流分量影響愈小。適合高分辨率的TFTLCD。像素等效電路掃描線三階驅動法掃描線數(shù)很多時，像素電壓在幾條掃描線的時間比例下，對一幀顯示的液晶跨壓均方根與直流成分影響不大無論在TFT打開之前的像素電壓如何，TFT打開后，會將像素電壓充放電至數(shù)據(jù)電壓只要在TFT的電流小到符合電位保持的需求，TFT關閉電壓是一個范圍。

4、

信號延遲信號延遲原理一條有N個像素單元的掃描線或數(shù)據(jù)線上，假設總電阻和總電容分別為R和C，則一條信號線可以視作一維分散型電阻-電容串聯(lián)電路掃描線上的信號延遲掃描線上的亞像素等效電阻ρscan掃描線金屬電阻率；Lscan亞像素寬度；Ascan掃描線的截面面積；Wscan掃描線金屬的寬度；tscan掃描線金屬的厚度掃描線上的亞像素等效電容把除了掃描線本身以外的其它信號源都視為接地數(shù)據(jù)線上的信號延遲數(shù)據(jù)線上的亞像素等效電阻數(shù)據(jù)線上的亞像素等效電容掃描線的信號延遲比數(shù)據(jù)線嚴重很多。數(shù)據(jù)線電阻低、厚度厚，掃描線在行的方向經(jīng)過的亞像素數(shù)目比數(shù)據(jù)線在列方向多3倍共電極的信號延遲在像素陣列中的公共電極電壓，可能會由電容耦合效應而受到其它信號的影響，而被拉離原來設定的直流電壓，此時需要從公共電極電壓源重新