第1章 显示原理.doc

TFT-LCD工艺和测试第一章TFT显示器的结构，原理及主要性能指标TFT-LCD （Thin film transistor liquid crystal display）液晶显示器作为当前平板显示的主流已经在逐渐取代传统的阴极射线管CRT显示器。目前已广泛应用于电视、台式电脑监视器、笔记本电脑、车载导航系统、游戏机、掌上电脑、数码相机、数码摄像机、手机等方面。TFT-LCD显示技术最早发起于20世纪70年代末，早期TFT的制作主要是应用化合物半导体材料，如CdSe, 但化合物半导体材料在工艺过程中，化学计量比的控制，较单一组分材料半导体要难。所以目前大规模生产过程中，特别是在TFT-LCD领域更多地使用硅半导体材料。目前LCD大多应用的是玻璃基板，由于受加工温度的限制，人们更多地应用非晶硅（Amorphors Silicon，A-Si）TFT技术和低温多晶硅（Low temperature poly-silicon, LTPS）技术来制作TFTLCD。对于TFT-LCD技术，随着市场需求的增加，对于TFT-LCD显示特性的要求也越来越高。为了满足这些特性要求人们在LCD显示模式上也作出了很多改进，除了传统的TFT-LCD应用的TN显示模式以外，还应用了IPS（In Plane Switching）、MVA/PVA等模式。限于篇幅和实际应用, 我们在这里只是介绍与TN模式相关的TFT-LCD技术。1.1 TFT显示器的结构TFT-LCD显示模块通常有下面几部分构成（如图1）， 液晶屏（Panel）、背光源、外部驱动电路等几大部分构成。液晶屏部分又由两片夹有液晶层的玻璃构成的液晶盒及位于液晶盒两侧的偏振片构成。 在构成液晶盒的两片玻璃上，通常在一片玻璃上制做用于彩色显示的滤光膜（Color filter），在另一片玻璃上做有源驱动的薄膜晶体管阵列（TFT Array）。图1 TFT-LCD显示模块基本结构1.11 TFT-LCD Cell图2. TFT-LCD Cell 结构 TFT-LCD液晶盒由TFT阵列基板和彩色滤光膜基板构成，在阵列基板上有TFT阵列，TFT阵列由对应于每个像素点的TFT单元（TFT+Cs，Cs存储电容）。两个基板中间用几个微米的隔垫物（Spacer）垫起，形成均匀的几个微米间隙，在间隙中充入液晶材料。目前用于液晶显示器件工业生产的液晶材料主要是有机小分子向列相（Nematic）材料。这种液晶分子是10010 左右的细长棒状分子，在室温下通常呈流动态，也就是液晶相。液晶相的物质除了具有液体的流动性以外，它们还具有一些晶体特性，就是晶体的各向异性。这些各向异性体现在光学上就是其对光具有光学双折射特性（相对于液晶分子，光的传播方向不同，其具有不同的折射率）。液晶材料在温度升高到一定温度后，会由液晶相变为各向同性相，也就是人们通常说的液体相。温度降低到一定程度液晶材料也会由向列相转化为近晶相（Smectic）或晶体相。液晶材料变成各向同性相或近晶相及固体时，液晶显示器是不能正常工作的。Smectic Nematic IsotropicLow Temperature High图3. 不同相态的分子形态关系示意图因此液晶材料的相变温度决定了液晶显示器件的工作温度范围。表1给出了与液晶显示器件相关的液晶材料参数，及其与之有关所影响的液晶显示器件特性。液晶材料参数主要有清亮点Tclp（液晶相到各向同性相的温度转变点），固化点TS-N（向列相到近晶相或固相的转化温度点），光学各向异性双折射率n,介电各向异性， 弹性常数K11(展曲弹性常数) ，K22(扭曲弹性常数), K 33（弯曲弹性常数）， 旋转黏度1等。表1. 液晶材料参数举例ParameterSymbolTypical valueCommentsClearing pointTClp 80 C Max. operating temperatureSmectic-Nematic transitionTS-N- 40 C Min. operating temperatureOptical anisotropyn=n/-n0.085=1.562-1.477Determines optical behaviorDielectric anisotropy=/-7=10.5-3.5Determines behavior in electric field Elastic constantsK11，K22, K 3310-11 NewtonImportant for response timeRotational viscosity 20C1100 mPa sImportant for response time图4. 两种不同液晶排列方式在液晶显示器件中，液晶分子需要具有固定的排列方式，从液晶分子在基板表面的排列方式大致可以分为两类，一类是沿着玻璃基板表面进行排列，也称沿面排列，如图4（a）。另一种是液晶分子垂直于表面排列如图4(b)。在工业生产中，通常液晶的沿面排列要利用摩擦PI取向层的方法来实现, 目前大部分商品化的液晶显示器件属于这种排列，如TN、STN、IPS等显示模式均属于这一类。而实现垂直取向排列通常可以不用摩擦PI取向层的方法，而是利用特殊的PI取向剂。1.12 液晶显示器件的分类液晶显示器件按照观察者的观看方式可以分为直接观看显示屏的直视型和将影像投影到屏幕上观看的投影型两大类，如图5。 其中直视型又分为带有背光源的透射型（Transmissive）和不带背光源的反射型（Reflective）两种。由于液晶本身不发光，液晶盒后面的背光源发出的光通过液晶盒的光的调制作用，从而显示显示影像，这样就构成了透过型显示。反射型显示则是利用环境光，如日光或灯光通过液晶盒背基板的反射作用，同时配合液晶盒的光的调制作用，这样显示图像的器件就是反射型器件。而反射型液晶显示器件由于在环境比较暗的情况下，观察者难以使用，所以在实际应用中更多地是结合透过型一起做成所谓半透半反型（Transflective）的显示器，如图6。液晶显示器直视型投影型透射型（有背光源）反射型（无背光源）前投影型背投影型图5. 液晶显示器分类图5. 透射式、反射式及半透半反式液晶显示以上是按照液晶显示器件观察者的观看方式进行的分类，另外由于液晶显示器件像素点驱动方式的差异，可以分为两大类。一类称为有源矩阵（Active Matrix）液晶显示器件，这类器件的共同特征就是在显示屏的每一个像素点上都有一个电开关器件，如三极管开关元件，去控制每一个像素点液晶的开关状态， 在有源矩阵中也因所用元件和器件材料的不同有多种器件，如图7。另外一种是没有这种电开关器件的显示器件，我们称这种液晶器件为无源矩阵(Passive Matrix) 显示，也有称为简单(Simple Matrix)矩阵显示。分类如图5所示。 目前投入到商业化生产的有源矩阵液晶显示主要是A-Si和P-Si TFT以及单晶硅晶体管（主要应用LCOS）液晶显示。无源矩阵目前主要是TN和STN液晶显示。液晶显示器有源矩阵无源（简单）矩阵三端子器件二端子器件单晶硅晶体管(MOSFET)CdSe TFTA-Si TFTP-SI TFTZnO TFTMIM (Ta2O)Pin 二极管TNSTNECB铁电液晶图7. 液晶显示器按照驱动方式的分类无源矩阵液晶显示是应用纵横交叉的X、Y像素电极，电极间充入液晶材料进行显示 见图8。而对于有源矩阵每个像素点上面都有一个TFT，这些TFT的栅极和源极分别与横向栅线和纵向源电极相连。构成可以由TFT开关控制的像素点。由于无源矩阵液晶显示器的扫描方式受ALT-PLESHKO定律的限制，即当扫描行数增加时，其交叉串扰将变得很严重，这种现象是无法从根本上避免的，所以人们在制作高分辨率或高灰度级数显示器时，不得不求助于TFT的驱动方式。另外在对比度、色彩、响应时间等方面TFT-LCD也要优于用于多行扫描的无源矩阵显示（主要是STN-LCD）。虽然无源矩阵铁电液晶显示器在这些性能方面没有上述缺点，但其灰度级（Gray Scale）的实现和量产时的可生产性限制使它迟迟不能应用于商业化大量生产。 图9. 有源矩阵示意图图8. 无源矩阵示意图1.2 TFT显示器的工作原理TFTLCD显示屏的基本结构示意图如图10(a) 所示。在屏的横向电极上输入扫描信号，输入的电压加在TFT的栅极上控制TFT的开关状态，而在纵向电极上输入显示数据电压信号，其信号电压加在TFT的源极上，提供显示图像所需的像素电压。而图10(b) 的液晶电容一端接在TFT的漏极，电容的另一个极板是对面玻璃基板（CF基板）上的电极，即COMMON电极，它是同驱动电路的COMMON电压输出端连接在一起的。除了液晶电容外，为了克服在像素点上的电压的波动，要做出一个跟像素电容并联的一个电容，称为存储电容（Storage Capacitor）。存储电容的另一个电极可以利用栅线（如图10（b），也可以是利用栅金属层(但不与栅线相连，而是引出与COMMON电极相连)单独做出一个电容。当Gate电极送入扫描信号，打开像素上的TFT的同时，源驱动器Source Driver 送入数据图像信号通过TFT向像素电容充电。充电时间是扫描一行的时间，当这一行扫描过后，TFT关断，像素电容保持这个电压，保持时间为一帧的时间，即在这一帧时间内，像素点保持同样的亮度。以上是理想状态情况下，但由于TFT寄生电容的存在以及TFT及液晶材料等都由少许的漏电，因此实际情况是在TFT关断后，加在像素点上的电压是有波动变化的。为了评价在像素点上的电压变化， 人们定义了一个量值，就是所谓的电压保持率，VHR（Voltage Holding Ratio）。 （1.1）VHR定义为加在液晶像素上的电压有效值，它是电压的方均根值与电压峰值的比值。定义为其中为一帧的周期， V为与时间相关的电压的瞬时值。也称液晶的有效电压，液晶屏的透过率和响应时间都是与它直接相关的。 图10. 像素点TFT电路示意图 （b）图10. 液晶屏的示意图 （a）图11. 电压保持率VHR值定义图示另外由于在液晶像素上所加电压在每一个像素点和每一个像素点在不同的帧内所加电压由于电路和液晶屏制作过程中一些不可避免地产生一些缺陷，从而产生电压的不均匀性，这样在显示过程中会产生图像的闪烁。同时液晶材料本身也需要交流驱动，因此在液晶屏驱动时，在每个像素点上所加电压要求在每一帧都要做极性反转。极性反转的方式有几种，主要有帧反转、行反转、列反转和点反转, 如图12。图12. 像素点电压极性反转方式TFT-LCD的应用液晶显示模式已经很多，如应用最普遍的TN（Twisted Nametic）显示模式、近些年日益增长的IPS（In Plan Switch）模式和VA（Vertical Alignment）模式等。所有模式的共同特点就是通过加在液晶层上的电压来控制液晶分子的取向方向，从而改变液晶材料对外界光的调制作用，进而来达到显示图像的目的。下面就以用途较广的TN型液晶显示为例进行说明。图9给出了液晶盒的基本结构。此LCD屏如前面所述那样，将偏振片粘贴在注入液晶的两张玻璃基板上，并上下偏振片光轴正交。偏振片只允许通过某一方向振动的光。现在，加在液晶的电压为OFF 态电压，如为0伏（实际情况中，OFF态所加电压未必为0，而通常是小于液晶阈值电压的一个值），注入到LCD屏的液晶分子在界面处分别沿着上下两个玻璃基板表面的取向层摩擦方向排列，在实际设计和工艺过程中，上下两个玻璃基板取向层摩擦方向是正交的，如图中左图所示，在这种状态中两片偏振片的光轴方向是与相应基板取向层摩擦方向一致的。这样在玻璃基板间的液晶分子在上下两个表面间扭曲了90在这种状态中，由背光源发射出的光通过靠近背光源侧的偏振片时，只有一个振动方向的光能够通过。然后，光在传播过程中光的偏振方向会沿着液晶分子扭曲的方向而发生90的偏转到达图中下基板。由于贴在下基板表面的偏振片光轴方向与传播到这里的光的偏振方向是一致的，所以光可以通过，那么就形成了显示的亮态。当在液晶盒上加上电压后，液晶分子会沿着电场的方向进行排列，即趋向于垂直于基板表面进行排列。在这种状态中液晶分子对偏振光的调制作用消失，这样从背光源出射的光将被两个光轴方向正交的偏振片基本截断，从而形成显示的暗态。这里只描述了两个极端的情况，通常在这两种极端状态的中间态在显示中也是必要的，它们可以通过加一个介于两个极端情况电压之间的电压值而取得，从而实现所谓的灰度级显示。 图13型显示原理1.3 的彩色显示由于液晶显示器不是主动发光器件，所以其自身无法产生彩色显示，为了实现彩色显示的目的，人们采用了一些办法，如用三基色RGB背光源通过按照时间顺序照明合成彩色，这种方式称为彩色场序显示（Color field sequential）。但目前应用最普遍的还是利用彩色滤光膜（Color Filter）的办法，它是在液晶屏的两个玻璃基板中的一个基板上制作出RGB三种颜色的薄膜，当白光通过这些薄膜，即彩色滤光膜时就会呈现出RGB三种颜色，通过这三种颜色的混合就形成了要显示的各种颜色。 描述一种颜色的物理量，通常用色度，它是描述颜色的色彩特性。另一个是亮度。表示RGB量的单位有RGB各色的强度及量，恰当地混合RGB会形成很好的白色。颜色的本质是由人眼看到的光的波长组分构成所决定的。为了描述光的颜色特征由国际照明学会在1931年决定了颜色的基本坐标，也称CIE1931色坐标。我们经常应用的CIE色坐标色度用2个参数xy来表示。如图所示，成为xy 色度图，如图14。在自然界中存在的所有颜色可以用这个马蹄形坐标来表示，越进入马蹄形中央的颜色我们称其色纯度越低，越靠近马蹄形边缘的颜色我们称其色纯度越高。而由表示RGB三基色的点构成的三角形大小决定了显示颜色的色彩范围。三角形越大意味着其所能显示的颜色范围越大。 为了表述显示器显示颜色的特性美国国家电视系统委员会（National Television 图14. CIE1931色度图Systems Committee）NTSC 规定了 R=(0.67, 0.33), G=(0.21, 0.71), B=(0.14, 0.08)构成的三角形为电视的参照标准, NTSC 三角形的面积是 0.1582. 显示器实际显示的三基色RGB构成的三角形与NTSC三角形的比值称为色阶（Color Gamut）。色阶越大混合出的颜色越丰富，色彩也越鲜艳。 (1.2)通常颜色的混合有两种方式， 一种称为加法混色方式，另一种称为减法混色方式。两种混色方法所用的三基色是不一样的。加法混色法是颜色光的混合相当于两个位置矢量的加法。混合色的总亮度等于组成混合色的各种色光亮度的总和。减法混色与上述类似，只是加法变减法。我们目前使用RGB滤光膜技术属于加法混色法。值得注意的是不同颜色混合可以形成同一种颜色，即所谓的同色异谱现象。比如说对于同种颜色的白光，人眼是分辨不出哪一种白光是太阳光哪一种是RGB合成出来的光的。只有测试出光谱才能找到他们的区别。图15(b) . 减法混色法图15(a) . 加法混色法由于有同色异谱现象，所以在液晶显示中，如何使彩色滤光膜（图16）与背光源光谱特性（图16）匹配就显得尤为重要。也就是调配好灯的发光峰值与CF的光谱透过率可提高光的利用率，呈现鲜明的颜色（图18），从而获得较大的Color Gamut。图13. LCD显示RGB三色光谱图13. 彩色滤光膜透过光谱图12. CCFL背光源光谱另外彩色滤光膜CF的RGB的三色配置，可以有下面三种配置形式，有条状方式、马赛克(或称对角)方式和三角形。由于条状方式布线简单，所以人们更多地采用这种形式。但三角形排列其在显示视频图像时，会使图像边缘更光滑，但要求驱动IC能够支持这种方式。1.4 TFT显示器的主要技术性能指标LCD有许多技术指标，为了评价一个TFT-LCD显示器的性能，了解和掌握这些定义式十分必要的。是这里介绍一下它们的主要性能指标。1像素数与画面尺寸LCD显示屏是由很多点构成的（显示文字及图像的最小单位）纵横排列显示图像而构成画面。这个构成称为点阵，其最小单位的点叫做像素。在彩色显示中把像素分成红（R）、绿（G）、蓝（B），三色合在一起叫像素，而将R、G、B的点称为亚像素。一个屏的像素的多少我们称为分辨率，分辨率有一些通用的标准，一些常用标准的称谓和对应的分辨率如表1. 2. 表1.2 常用分辨率的称谓和像素数名称分辨率 (Resolution) 长宽比 (Aspect ratio) QCIF144160 (RGB)3:4QCIF+220176 (RGB)4:3QVGA240320(RGB)3:4VGA480640(RGB)3:4SVGA600800(RGB)3:4XGA7681024(RGB)3:4SXGA10241280(RGB)4:5UXGA12001600(RGB)3:4HDTV 10801920(RGB)9:16 根据上表，VGA像素数约31万像素（640480像素）。在黑白单色显示中组成点阵的TFT的数目与像素数相同，大约31万个晶体管。在彩色显示中的LCD大约有100万个晶体管（亚像素数约100万个）。2像素间距 (Pixel Pitch)像素间距是像素到像素的重复距离。由分辨率和画面尺寸可以计算出像素间距。例如一个10.4”的（像素）显示屏的像素间距大约为。即横向：（）纵向：（）上式中的和来自于宽长比。显示屏分辨率越高（像素数越多），像素间距越小。人眼就越难分辨出单个像素点，图像画面就越连续光滑。能很好地显示文字字符的显示屏像素间距通常要小于，而显示图像则要求像素间距要小于为好。另外显示屏的分辨率越高，意味着可支持的图像数据容量越大。3. 显示器尺寸（）液晶显示屏按照其作用可以分为几个部分，一部分是像素点阵占据的区域，成为显示区或有源区，即区（），在彩色中，通常这部分为液晶屏边缘黑矩阵（）包围的区域，即边缘黑矩阵内框边缘以内的区域。而从有源区外边缘到模组边框（）内缘包围的区域为可视区，即区（）。但在目前模组中，这部分区域已经几乎为零。液晶屏可视区以外的部分（通常被液晶模组边框所遮挡）为非可视区。人们目前所说的显示器尺寸通常是指区的尺寸。显示器尺寸大小通常用区对角线的长度来表示，如人们常说“”，是指显示屏的区对角线长度为英寸。也有用“表示的，如英寸显示屏表示为显示屏。4. 显示器的长宽比（）长宽比是指显示画面横方向尺寸和纵方向尺寸的比例。通常电视画面为：，但目前越来越多的液晶电视采用：或接近这个比例尺寸来制作。5. 显示器亮度 (Brightness)亮度是表示单位面积内显示器画面明亮程度的量。具体地说，是通过显示屏法线方向光通量密度，其单位可以用坎德拉平方米（），或尼特（）来表示。（）。6. 开口率 （Aperture Ratio）开口率是像素（或亚像素）的光透过部分面积（显示可用的面积）与像素（或亚像素）总面积的比值。 如图。TFT-LCD开口率大约在50-80%。通常开口率越大，液晶显示器的光学利用率越高，显示器的亮度会越高。开口率的提高主要是由设计方案和工艺能力所决定的。制作工艺中阵列基板与与彩膜基板的对位精度也会对开口率有决定性的影响。对于开口率的改善在设计图19. BM on Array 设计图20. 有机膜绝缘层设计图21. 不同开口率的液晶屏像素点图示中有一些办法可以有效地改善开口率的大小。 一种方法就是在阵列基板上制作BM层去遮挡BM层和像素点间的漏光，这就是所谓的BM on Array设计，如图19。这样可以减少为了遮挡这部分漏光而制作在CF上的BM面积，从而提高像素的透光面积，这样可以有效地提高开口率。另外一种方法是利用高介电常数的有机膜材料作为绝缘层使得数据线和像素电极ITO层作在不同层内，这样也可提高开口率，如图20。7灰度级（Gray Scale）和颜色数通常像素点除了显示它的最高亮度和最低亮度外，还要显示一些在二者之间的亮度，这样的显示通常称为灰度显示。如图22，如果将液晶屏的透射率取为纵坐标，外加在液晶上的电压取为横坐标。则电压V7，对应于透射率为最高，定义为100%；电压V5对应的透射率为50%，电压V0时，其透射率为最小，则对应于所加电压的画面的亮度分别是白、灰、黑。 如果在最高和最低电压间加多个不同的电压，就会形成多个亮度不同的灰度级。而这些电压是与数据信号线位数 即比特数（bit）相对应的。比特数与灰度级数及显示颜色数（以三基色为基准计算，四基色的提出，颜色数会不同于此）的对应关系如下表1.3 图22. 8灰度级图示显示表1.3 数据、灰度级和显示颜色数间的关系数据比特数灰度级数显示颜色数万万万.亿 .亿数据比特数与灰度级及显示颜色数之间的计算关系，如用“”和“”组合成位数据也就是比特，可显示的灰度级为个灰度级，可显示的颜色数是色。当数据信号为比特时，可显示的灰度级数为灰度，而可显示的颜色数则为万色。8对比度在液晶显示器件中，所谓对比度就是显示的黑态亮度与显示的白态亮度间的比值。这个比值越大意味着显示的越清晰，越易读。而在彩色显示中对比度越大也意味着色纯度越高。因此人们对显示器的高对比度要求是一个长期的目标。9视角图23. 视角的表示由于液晶显示器利用的是液晶材料对于光的调制作用而实现的显示，液晶自身的各向异性决定了得到的显示特性一定具有各向异性，这种各向异性体现在，对观看者来说在不同方向上观察显示屏看到的对比度是不同的，因此为了评价这种不同方向上的视觉上的差异特性，我们用视角来表示标定这种特性。如下图23。 在图中方位角（图中圆外面标注的0，45，90，135，180等）表示屏的左右和上下方向，而图中的同心圆（图中同心圆边上标注的10，20，30，40，50，60等）则表示相对于垂直于屏的方向（屏的法线方向）的极角方向。 目前通常一个显示器的视角大小定义为对比度为10：1的大小所涉及的范围的大小。以前也有规定为对比度为5：1或其它大小的范围。 所以在看到视角的大小后，要确认这个视角的大小是在对比度为多大时的定义。以80视角为例，我们通常是指左右或上下方向上的极角是80时，其对比度可以达到10：1。视角特性的改善一直是液晶显示器件研究开发人员追求的重要目标之一。改善液晶视角可以通过几种方式，其中包括利用液晶盒外部粘贴一些各向异性的光学膜（称为膜补偿）的办法，如图24。也可以利用不同的液晶显示模式，如目前在产业中人们已经广泛使用的MVA（Multi-domain Vertical Alignment）模式（图25）、IPS模式（图26）等。 图24. 膜补偿及其视角改善 图25. MVA模式的液晶分子排列方式图26. IPS模式的液晶分子排列方式 10. 响应时间由于液晶显示器的显示是依靠液晶分子控制光的透过和阻断，所以液晶分子的转动速度决定了液晶显示器的响应时间。而液晶分子转动速度同主动发光型显示器件电子的发光跃迁速度相比显然要慢得多。因此液晶显示器件的响应时间问题一直是液晶显示为人们所诟病的图27. LCD响应时间的定义图示一个问题。但经过人们的不断努力目前液晶显示器件的响应时间已经能够满足视频显示的要求。目前比较先进的液晶电视显示响应时间已经可以达到。所谓的液晶器件的响应时间分为两个部分，一部分是所谓的上升时间r, 它是指在LCD加上工作电压时，液晶屏的透过率从初始态透过率（对常黑NW模式，图中为100%）变化10%（图中的90%）开始到变化到90%所需要的时间。这部分时间的透过率变化是由于电压驱动液晶分子引起透过率的变化过程，这部分时间是与所加电压大小密切相关的。