TFT-LCD技术学习资料

TFT LCD 技术发展简介技术发展简介 一 前言一 前言 进入新千年 作为信息产业的重要构成部分 显示器件正在加速推进其平板化的进程 目前 世界已进入 信息革命 时代 显示技术及显示器件在信息技术的发展过程中占据了 十分重要的地位 电视 电脑 移动电话 BP 机 PDA 等可携式设备以及各类仪器仪表 上的显示屏为人们的日常生活和工作提供着大量的信息 没有显示器 就不会有当今迅猛 发展的信息技术 显示器集电子 通信和信息处理技术于一体 被认为是电子工业在 20 世 纪微电子 计算机之后的又一重大发展机会 科学技术的发展日新月异 显示技术也在发生一场革命 特别是自 90 年代以来 随 着技术的突破及市场需求的急剧增长 使得以液晶显示 LCD 为代表的平板显示 FPD 技术迅速崛起 据 Stanford 公司预测 FPD 市场规模正在以年增长率 16 2 的速 度发展着 到 2000 年 FPD 和 CRT 的产业都达到 300 亿美元 CRT 平均年增长率不足 6 3 远低于 FED 的平均增长率 且 FPD 增长率仍在继续提高 CRT 在继续下降 替代趋势十 分明朗 可以说平板显示将成为 21 世纪显示技术的主流 其产业和市场在不断扩增之中 图 1 是平板显示器的分类示意图 图 1 平板显示器分类图 经过二十多年的研究 竞争 发展 平板显示器已进入角色 成为新世纪显示器的主 流产品 目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种 1 场致发射平板显示器 FED 2 等离子体平板显示器 PDP 3 有机薄膜电致发光器 OEL 4 薄膜晶体管液晶平板显示器 TFT LCD 场发射平板显示器原理类似于 CRT CRT 只有一支到三支电子枪 最多六支 而场发 射显示器是采用电子枪阵列 电子发射微尖阵列 如金刚石膜尖锥 分辨率为 VGA 640 480 3 的显示器需要 92 16 万个性能均匀一致的电子发射微尖 材料工艺都需 要突破 目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产 用于国防军工 离工业化 商 业化还很远 等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材料形成 的 发光效应低和功耗大是它的缺点 仅 1 2lm W 而灯用发光效率达 80lm W 以上 6 瓦 每平方英寸显示面积 但在 102 152cm 对角线的大屏幕显示领域有很强的竞争优势 业内专家分析认为 CRT LCD 和数字微镜 DMD 3 种投影显示器可以与 PDP 竞争 从目 前大屏幕电视机市场来看 CRT 投影电视价格比 PDP 便宜 是 PDP 最有力的竞争对手 但亮度和清晰度不如 PDP LCD 和 DMD 投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势 尽管彩 色 PDP 在像质 显示面积和容量等方面有了明显提高 但其发光效率 发光亮度 对比度 还达不到直观式彩色电视机的要求 最重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受 这在一定程度上制约了彩色 PDP 市场拓展 目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起 来 半导体发光二极管 LED 的显示方案由于 GaN 蓝色发光二极管的研制成功 从而一 举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权 但是这种显示器只适合做户外大型显示 在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场 显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的显示器 有机薄膜电致发光真正的又轻又薄 低功耗广视角 高响应速度 亚微妙 的固体平板显 示器 大规模工业生产的成本很低 使用寿命目前只有几千小时 OLED 在可以预见的将 来将首先应用作为 TFT LCD 的主要竞争对手 但目前还处于研究试制阶段 液晶平板显示器 特别 TFT LCD 是目前唯一在亮度 对比度 功耗 寿命 体积和 重量等综合性能上全面赶上和超过 CRT 的显示器件 它的性能优良 大规模生产特性好 自动化程度高 原材料成本低廉 发展空间广阔 将迅速成为新世纪的主流产品 是 21 世 纪全球经济增长的一个亮点 二 二 TFT LCD 在众多的平板显示器激烈竞争中 何以 TFT LCD 能够脱颖而出 成为新一代的主流 显示器决不是偶然的 是人类科技发展和思维模式发展的必然 液晶先后避开了困难的发 光问题 利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部分 即光源和对光源的 控制 作为光源 无论从发光效率 全彩色 还是寿命 都已取得了辉煌的成果 而且还 在不断深化之中 LCD 发明以来 背光源在不断地进步 由单色到彩色 由厚到薄 由侧 置荧光灯式到平板荧光灯式 在发光光源方面取得的最新成果都会为 LCD 提供新的背光源 随着光源科技的进步 会有更新的更好的光源出现并为 LCD 所应用 余下的就是对光源的 控制 把半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过来 研制成功了薄膜晶体管 TFT 生产工艺 实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制 解决了液晶显示器的光阀和控制器的配合 从而使液晶显示的优势得以实现 1 TFT 工作原理工作原理 1 TFT 是如何工作的 TFT 就是 Thin Film Transistor 的简称 一般代指薄膜液晶显示 器 而实际上指的是薄膜晶体管 矩阵 可以 主动的 对屏幕上的各个独立的象素 进行控制 这也就是所谓的主动矩阵 TFT active matrix TFT 的来历 那么图象究竟是怎 么产生的呢 基本原理很简单 显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成 只要 控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了 在 TFT LCD 中一般采用背光技术 为了能 精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关 当 百叶窗 打开时光线可以透过来 而 百叶窗 关上后光线就无法透过来 当然 在技术 上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单 LCD Liquid Crystal Display 就是利用了液 晶的特性 当加热时为液态 冷却时就结晶为固态 一般液晶有三种形态 类似粘土的层列 Smectic 液晶 类似细火柴棒的丝状 Nematic 液晶 类似胆固醇状的 Cholestic 液晶 液晶显示器使用的是丝状 当外界环境变化它的分子结构也会变化 从而具有不同的 物理特性 就能够达到让光线通过或者阻挡光线的目的 也就是刚才比方的百叶窗 下面我就图 2a b 来讲解一下 TFT 的基本原理 一个成品 TFT 显示屏 一般由一个 夹层组成 组成这个夹层的每一层大致是偏光板 彩色滤光片组成 这两层之间就是液晶 层 偏光板 彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光 这个夹层位于两 层玻璃基板之间 在上层玻璃基板上有 FED 晶体管 而下层是共同电极 他们共同作用可 以生成能精确控制的电场 电场决定了液晶的排列方式 大家知道三原色 所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来 构成 分别控制红 绿 蓝三种颜色 目前使用的最普遍的是扭曲向列 TFT 液晶显示器 Twisted Nematic TFT LCD 下 图就是解释的此类 TFT 显示器的工作原理 现存的技术差别很大 我们将会在本文的第二 部分中详细介绍 在上 下两层上都有沟槽 其中上层的沟槽是纵向排列 而下层是横向排列的 而下 层是横向排列的 当不加电压液晶处于自然状态 从发光图 2a 扭曲向列 TFT 显示器工作 原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后 会发生 90 度的扭曲 从而能在下层顺利透 过 图 2b 扭曲向列 TFT 显示器工作示意图 当两层之间加上电压之后 就会生成一个电场 这时液晶都会垂直排列 所以光线不 会发生扭转 结果就是光线无法通过下层 2 TFT 象素架构如图 4 示 彩色滤光镜依据颜色分为红 绿 蓝三种 依次排列在 玻璃基板上组成一组 dot pitch 对应一个象素每一个单色滤光镜称之为子象素 sub pixel 也就是说 如果一个 TFT 显示器最大支持 1280 1024 分辨率的话 那么至少需要 1280 3 1024 个子象素和晶体管 对于一个 15 英寸的 TFT 显示器 1024 768 那么一个 象素大约是 0 0188 英寸 相当于 0 30mm 对于 18 1 英寸的 TFT 显示器而言 1280 1024 就是 0 011 英寸 相当于 0 28mm 图 4 大家知道 象素对于显示器是有决定意义的 每个象素越小显示器可能达到的最大分 辨率就会越大 不过由于晶体管物理特性的限制 目前 TFT 每个象素的大小基本就是 0 0117 英寸 0 297mm 所以对于 15 英寸的显示器来说 分辨率最大只有 1280 1024 2 TFT 的技术特点的技术特点 TFT 技术是二十世纪九十年代发展起来的 采用新材料和新工艺的大规模半导体全集 成电路制造技术 是液晶 LC 无机和有机薄膜电致发光 EL 和 OEL 平板显示器的 基础 TFT 是在玻璃或塑料基板等非单晶片上 当然也可以在晶片上 通过溅射 化学沉 积工艺形成制造电路必需的各种膜 通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路 LSIC 采用非单晶基板可以大幅度地降低成本 是传统大规模集成电路向大面积 多功能 低成 本方向的延伸 在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元 LC 或 OLED 开关性能的 TFT 比在硅片上制造大规模 IC 的技术难度更大 对生产环境的要求 净化度为 100 级 对原 材料纯度的要求 电子特气的纯度为 99 999985 对生产设备和生产技术的要求都超过 半导体大规模集成 是现代大生产的顶尖技术 其主要特点有 1 大面积 九十年代初第一代大面积玻璃基板 300mm 400mm TFT LCD 生产线 投产 到 2000 年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了 680mm 880mm 最近 950mm 1200mm 的玻璃基板也将投入运行 原则上讲没有面积的限制 2 高集成度 用于液晶投影的 1 3 英寸 TFT 芯片的分辨率为 XGA 含有百万个象素 分辨率为 SXGA 1280 1024 的 16 1 英寸的 TFT 阵列非晶体硅的膜厚只有 50nm 以及 TAB ON GLASS 和 SYSTEM ON GLASS 技术 其 IC 的集成度 对设备和供应技术的要求 技术难度都超过传统的 LSI 3 功能强大 TFT 最早作为矩阵选址电路改善了液晶的光阀特性 对于高分辨率显 示器 通过 0 6V 范围的电压调节 其典型值 0 2 到 4V 实现了对象元的精确控制 从 而使 LCD 实现高质量的高分辨率显示成为可能 TFT LCD 是人类历史上第一种在显示质 量上超过 CRT 的平板显示器 现在人们开始把驱动 IC 集成到玻璃基板上 整个 TFT 的功 能将更强大 这是传统的大规模半导体集成电路所无法比拟的 4 低成本 玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题 为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间 5 工艺灵活 除了采用溅射 CVD 化学气相沉积 MCVD 分子化学气相沉积 等传统工艺成膜以外 激光退火技术也开始应用 既可以制作非晶膜 多晶膜 也可以制 造单晶膜 不仅可以制作硅膜 也可以制作其他的 族和 族半导体薄膜 6 应用领域广泛 以 TFT 技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支柱产业 也 技术可应用到正在迅速成长中的薄膜晶体管有机电致发光 TFT OLED 平板显示器也在迅速 的成长中 3 TFT LCD 的主要特点 的主要特点 随着九十年代初 TFT 技术的成熟 彩色液晶平板显示器迅速发展 不到 10 年的时间 TFT LCD 迅速成长为主流显示器 这与它具有的优点是分不开的 主要特点是 1 使用特性好 低压应用 低驱动电压 固体化使用安全性和可靠性提高 平板化 又轻薄 节省了大量原材料和使用空间 低功耗 它的功耗约为 CRT 显示器的十分之一 反射式 TFT LCD 甚至只有 CRT 的百分之一左右 节省了大量的能源 TFT LCD 产品还有 规格型号 尺寸系列化 品种多样 使用方便灵活 维修 更新 升级容易 使用寿命长 等许多特点 显示范围覆盖了从 1 英寸至 40 英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影 大平面 是全尺寸显示终端 显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率 高彩色保真 度 高亮度 高对比度 高响应速度的各种规格型号的视频显示器 显示方式有直视型 投影型 透视式 也有反射式 2 环保特性好 无辐射 无闪烁 对使用者的健康无损害 特别是 TFT LCD 电子书 刊的出现 将把人类带入无纸办公 无纸印刷时代 引发人类学习 传播和记栽文明方式 的革命 3 适用范围宽 从 20 到 50 的温度范围内都可以正常使用 经过温度加固处理的 TFT LCD 低温工作温度可达到零下 80 既可作为移动终端显示 台式终端显示 又可 以作大屏幕投影电视 是性能优良的全尺寸视频显示终端 4 制造技术的自动化程度高 大规模工业化生产特性好 TFT LCD 产业技术成熟 大规模生产的成品率达到 90 以上 5 TFT LCD 易于集成化和更新换代 是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完 美结合 继续发展潜力很大 目前有非晶 多晶和单晶硅 TFT LCD 将来会有其它材料的 TFT 既有玻璃基板的又有塑料基板 三 国际技术水平和现状三 国际技术水平和现状 TFT LCD 技术已经成熟 长期困扰液晶平板显示器的三大难题 视角 色饱和度 亮 度已经获得解决 采用多区域垂直排列模式 MVA 模式 和面内切换模式 IPS 模式 使 液晶平板显示的水平视角都达到了 170 度 MVA 模式还使响应时间缩短到 20ms 图 5 列 出了 TFT 技术比较示意图 图 5 a TN Film 图 6 从技术角度来看 TN Film 解决方案是最简单的一种 TFT 显示器制造商将过去用于 老式 LCD 显示器的扭曲向列 TN Twisted Nematic 技术 同 TFT 技术相结合 从而有了 TN Film 技术 这项技术主要就是通过显示屏覆盖一层特殊的薄膜 来扩大可视角度 可以把可视角度从 90 度扩大到大约 140 度 如图 6 所示 TN Film 同标准 TFT 显示器一 样都是通过排列液晶分子来实现对图象的控制 它在上表面覆盖一层薄膜来增大可视角度 不过 TFT 显示器相对弱的对比度和缓慢的反应时间这些缺点仍然没有改变 所以 TN Film 这种方式并不是做好的解决方案 除了它的造价最便宜之外没有任何可取之处 图 7 b IPS In Plane Switching IPS 就是 In Plane Switching 的简称 意思就是平板开关 又称为 Super TFT 最早由 Hitachi 日立 开发 现在 NEC 和 Nokia 也使用此项技术制成显示器 这项技术同扭曲向列 显示器 TN Film 的不同就在于液晶分子相对于基本排列方式不同 如图 7 当加上电压 之后液晶分子与基板平行排列 采用这项技术的显示器的可视角度达到了 170 度 已经同阴极射线管的可视角度相当 了 不过这项技术也有缺点 为了能让液晶分子平行排列 电极不能象扭曲向列显示器 TN Film 一样 在两层基板上都有 只能放在低层的基板上 这样导致的直接结果 就是显示器的亮度和对比度明显的下降 为了提高亮度和对比度 只有增强背光光源的亮 度 这样一来 反应时间和对比度相对于普通 TFT 显示器而言更难提高了 所以这项技术 似乎也不是最好的解决方案 C MVA Multi Domain Vertical Alignment 图 8 MVA 多区域垂直排列技术 是由日本富士通 Fujitsu 公司开发的 单从技术的角度 看 它兼顾了可视角度和反应时间两个方面 找到了一个折中的解决方法 MVA 技术使 得可视角达到了 160 度 虽然不如 IPS 能达到的 170 度的可视角度 不过它 仍然是好 的 因为这项技术能够提供更好的对比度和更短的反应时间 MVA 中的 M 代指 multi domains 多区域的意思 图 8 所示 那些紫色的突起 protrusion 构成了所谓的区域 富士通目前生产的 MAV 显示器中一般就有这样 4 个区 域 VA 是 vertical alignment 的简称 意为垂直排列 不过单从字面上看会产生一些误解 因为液晶分子并不是如图所示的 突起 protrusion 完全垂直 请看图 8 所示黑色示意图 当电压生成一个电场时 液晶分子如图相互平行排列 这样背光光源就能穿过 而且能将 光线向各个方向发散 从而扩大了可视角度 另外 MVA 还提供了比 IPS 和 TN Film 技术都快的反应时间 这对于取得良好的视 频回收和残视觉效果都是非常重要的 MVA 液晶显示器的对比度也有所提高 不过同样 也会随着可视度的变换而变化 在采用光学补偿弯曲技术 OCB 的基础上发展起来的场序列全彩色 FSFC LCD 技术不仅取消了占成本三分之一的彩色滤光膜 CF 还可使分辨率提高 3 倍 透过率提 高 5 倍 同时简化了工艺 降低了成本 彩膜技术和背光源技术的发展使 TFT LCD 的彩 色再现能力达到甚至超过了 CRT 作为商品显示器 TFT LCD 的主要技术指标综合性能在 各类显示器件中是最优秀的 特别是 TFT LCD 产品的大规模生产技术的完善 多品种 多系列的产品发展空间 应用范围无所不至 最近韩国三星电子已经生产出了 38 英寸单 一基板的 TFT LCD 液晶电视和 40 英寸 TFT LCD 显示器 以其优良的性能向公认的应为 PDP 霸占的大尺寸彩电市场进军 图 9 三星 40 英寸大屏幕 TFT LCD 显示效果 LCD 是所有显示器中耗电最低的产品 以 13 3 英寸 XGA TFT LCD 为例 其功耗 1998 年为 4 4 瓦 1999 年为 3 3 瓦 到 2001 年将小于 2 5 瓦 特别是反射型 TFT LCD 的 研制成功 由于取消了背光源 其功耗比透射式 TFT LCD 低了一个数量级 同时由于几 改进 低温激光退火多晶硅 P Si 技术成熟 以至最近发展起来的单晶硅技术使得 TFT LCD 的响应速度更快 电路集成化水平更高 锁相环技术的应用 一种功能更新 更全的 周边电路的采用 系统集成 System on glass 技术的发展 使得 TFT LCD 更轻 更薄 13 3 英寸 TFT LCD 其厚度在 1998 年为 7 2mm 1999 年为 5 5mm 2001 年降到 5mm 以下 其重量 1998 年为 580 克 1999 年为 450 克 到 2001 年降到 400 克以下 的大生产技术也已成熟 已实现