（光学工程专业论文）硅基液晶显示器件的制备.pdf

摘要 本文针对液晶显示器件的特点和当前市场需求，对目前国内外显示 技术和液晶显示应用技术进行了详细的调研分析。对液晶的基本原理进 行了详细分析，从液晶的神秘到液晶的具体根据什么方式分类，提出了 从液晶显示器件、工作模式、彩色液晶显示器、液晶分子排列方式以及 商品性等方面进行分类叙述。从液晶显示器基本结构和基本特性参数对 常用液晶显示器件进行了详细分析。文中对当前最新液晶显示器件的工 艺特点进行了详细说明，本文主要列举了多晶硅液晶显示，单晶硅液晶 显示( 微型硅基液晶显示器l c 0 s ) ，反射式液晶显示器件的工艺加工 特点进行归纳，本文主要论述了单晶硅液晶显示器件的制作工艺、封装 工艺以及测试方案。 最后，对液晶显示器件加工最新工艺技术，从材料的改进，设备的 更新，工艺发展缩短流程等方面对常用液晶显示器件最新制各技术进行 了论述。 关键词：液晶显示器件制备 a b s t ra c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ec h a l a c t e r i s t i ca n dm 砌k e td e m a n dt ot l l e l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) ，w es t u d y t h e d i s p l a yt e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o no ft h el c di nd e t a i jt oa n a l y z e t h el c dm a l k e tf u t u r e t h e b a s i cp r i n c i 【p l co fl c da n dt h ea s s o r ta i ed e s c r i b e d ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n t f a s h i o n ，w ed e s c r i b em a n yk i n d so fl c d ，s u c ha st 1 1 e1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y d e v i c e 、w o r k i n gm o d e 、c o l o u rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c e 、l i q u i dc r y s t a l m o l e c u l a ra r r a n g e m e n ta n dm e r c h a n d i s eq u a l i t 、，e t c i nc o r l n n o nu s el i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c ea l ei n t r o d u c i n gi nt h i s t h e s i so nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h en a r l r a lp a r a m e t e ro fl c d n 地 t e c h n i c a lp r o c e s so ft h en e w e s t1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c ei sd e s c r i b e di n d e t a i l t oc o n c l u d et h ef a b r i c a t i o no ft h et h r e en e w e s tl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y d e v i c e ，s u c ha sm u l t i c r y s t a ls i l i c o nl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c e 、 m o n o - c r y s t a l l i n es i l i c o n ( l i q u i dc r y s t a l0 ns i l i c o n ) a n dt h er e f l e c t i v e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y d e v i c e ， i nh e r ew e m o s t l yd i s c u s st h e p r e p a r a t i o n 、e n c a p s u l a t i o na n dt e s t i n gp r oj e c to ft h el c o s a t1 a s t ，t h en e w e s tc r a f tt ot h el c d p a l t i c u l a l l yi nt h em a t e r i a l i m p r o v e m e n t 、e q u i p m e n tr e p l a c e m e ma n ds h o a e nt h et e c h n o l o g i e a lp r o c e s s a l ed e s c r i b e di nd e t a i l k e y w o r d s ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yd e v i c ep r e p a r a t i o n i i 长春理工大学硕士学位论文原仓1 性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文硅基液晶显示器件的制备 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名蚓超生目日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构 送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签 第一童绪诊 我国已是液晶显示器件生产大国，并拥有最大潜力的应用市场。但 是，由于液晶显示技术涉及多学科、高科技，以及我国在大规模集成电 路发展的滞后，我国在液晶显示应用技术上还不尽人意。它多少延缓了 我国液晶产业的发展。为了促进我国液晶产业的发展，本书将通过论述 液晶显示应用技术，揭开液晶显示的神密面纱，以推动液晶显示应用技 术在我国的推广和提高。 1 1 人类与显示技术 1 1 1 显示技术 人类生存离不开信息，正如控制论创始人维纳所说：“要有效地生 活，就要有足够的信息”。人们生存于自然界，生活于社会，每时每刻 都要与外部世界交流信息，人们随时随地通过眼、耳、鼻、舌、身从外 部世界获得信息。其中，视觉信息占所有获得信息的7 0 以上。 听觉、嗅觉、味觉、触觉等各种信息总和还不足3 0 。可见，最大 量，最丰富的信息是由眼睛获得的。视觉信息不仅数量最大；而且最准 确，最及时，也最可靠。正如人们所说，“一目了然”就是这个意思， “百闻不如一见”，也是说视觉信息的重要性远胜于其他信息。 因此，人类长久以来一直致力于将各种信息转换为视觉信息。这种 将各种信息转化为视觉信息再传达给他人的过程，我们就称之为“显 示”。这种转化、传达的技术我们就称之为“显示技术”。 为了将各种信息转化为视觉可以接受的信息，人们想到了火和光。 火和光是人类的最早发明。人们不仅用火煮食、取暖、驱兽，也用火来 照明、传递信息。“烽火台”、“狼烟”都是一种用火和光传递信息的方 式，虽然它传递的内容很简单，但是它是人类最早对显示技术的尝试。 但我们现在所说的显示和显示技术是与人类早期对显示的尝试根 本不同的。我们现在的显示，最大的特点是光与电的结合，是光与近代 科学成就的结合。这种显示技术追求的目标是清晰、准确、实时、直观、 方便、节能、携带信息量大，甚至彩色、立体化等等。这种显示技术是 本世纪植根于近代科学技术中发展起来的，是现代科学技术的一个重要 组成部分。更准确地说，我们应该称之为这是一种现代显示，是一种现 代显示技术。 这种现代显示技术的基本特点是将各种非电量的信息，如声、光、 热、力、数、气氛等的信息源通过一定的传感器、处理器进行感知和处 理，传输给显示装置，再由显示装置进行处理、转换，最后经由显示器 件转换为人类视觉可识别的信息。所以，我们也可将这种现代显示技术 称之为信息显示技术。 随着科学技术的进步和社会的发展，人类所接触的信息也在不断增 加。统计表明，信息量的增长，平均每年超过1 3 以上。，今后更将提 高到每年4 0 以上的增长速度。人们将这种增长称之为“信息爆炸”。 面对那些浩如烟海的大量信息，人们已经成功地使用了计算机来进行处 理，计算机可以将原来人们一生也处理不完的信息用不到一秒的时间处 理完。但是，要想将处理完的信息及时、准确地传递给别人，还必须通 过显示技术来实现。显示技术是现代社会人与信息间的桥梁。 在信息显示技术中，人们发现了信息数字化的重要作用和意义。数 字化后的信息更准确，更有同一性，更易传输，更易处理，更易识别。 很多信息可以直接由数字表示，因而数字显示成为信息显示的一个重要 内容。但是仅仅依靠数字显示远不能将纷杂的信息传递清楚，所以又进 而发展了一类字符显示。它把人类特有的语占文字用于显示，这种显示 与数字显示合在一起用途最广，使用量最大。但是，这并不能概括所有 人们希望的目标，人们还希望能用图形、图像进行显示。希望显示内容 五颜六色，希望显示的图像可以实时活动，希望显示具有三维立体效果。 人类的这些希望和需要，在本世纪都已陆续实现。看看你的周围吧， 液晶显示( l c d ) 的计算机器、手机、便携计算机；半导体发光数码管 显示( l e d ) 的汽车计价器、商场的大屏幕广告、证券所的股票交易显 示牌；荧光显示器件( v f d ) 显示的电子秤、家电、v c d ；最新上市的平 板等离子( p d p ) 显示的大彩电；以及个大、体重显示效果极佳的阴极 射线显示管( c r t ) ，显示的彩色电子视机。林林总总，在你的周围，在 社会生活的所有领域，都可以见到各种各样的显示技术成果，你总在享 受着显示技术成果对你的服务。 显示技术，推动了本世纪人类的进步。我们相信，显示技术的发展 也必将为下个世纪人类的进步、社会的发展做出更大的贡献。 1 1 2 显示器件分类及特点 显示技术是传递视觉信息的技术，显示器件是显示技术的基础。几 十年来的发展，显示器件己成为一个大家庭。利用不同的电光原理，具 有不同的结构、特点，适应不同的环境和条件的各种显示器件构成了一 个大家庭。图1 1 所示为显示器件的分类。 当然，每种显示器件都有一两个突出的优点。这正是它生存发展的 基础，但我们也会发现有些器件具有多项别的显示器件所没有的优点。 虽然它也会有个别项目性能不理想，但它的优点是别的显示器件无法取 代的。这类器件最可能成为显示器件发展的方向。他们会有较强的生命 力和发展潜力，其中液晶显示器件就属于这类显示器件。 2 _ 竞薹示4 嚣：器羹竽墨示彝 蓐鼻子置彖t 脚， ：三：垂垂 电t 童兜量示t n ， m _ l 墨i ；a 茎c 茎 毒执毫簟置毒t o 目o - is h 一 1 1 d h ，毽 叠1 t 誓 图1 1 显示器件分类 气搏艟皂曩 1 ，1 3 显示技术的展望 目前，显示技术和显示工业的发展迅速。它一方面是建立在现代社 会信息的高速发展上，另一方面也是建立在电子工业和材料工业基础 上。信息社会中随着信息量的增加和信息交换的频繁，人们会更多、更 广泛、更经常地面对各种显示设施，显示装置。显示器和显示技术已经 越来越成为人们生活中不可缺少的一部分。而电子工业，特别是集成电 路，计算机的发展使电光转化、信息处理，器件制造越来越容易。材料 麓嚣鲍时 捌叠 e爹箩嚣 酥 删“蝣嚣l鉴 一辫溉 工业的发展，不仅可以容易地合成制造出所需要的任何材料，而且新发 现的一些功能性材料具有奇异的电光性能。例如近年来引起世人瞩目的 有机半导体发光材料，用它制作的有机电致发光显示器不仅能发出红、 绿、蓝各色光，而且其亮度可达显像管亮度的近十倍。 正是由于信息社会的发展，电子工业和材料工业的进步，显示技术 才在不足三十年的时间内有了今日巨大的进步，改变了人类生活，也改 变了社会面貌。同时，也为它自身的再发展开辟了新的天地。 我们相信，2 1 世纪显示技术将会更显身手，再创新奇迹。 显示技术的发展首先表现在显示器件的发展上。显示器件总体上是 向大信息量、平板化、彩色化、低压、微功耗，实时显示化方向发展。 但是，显示器件种类繁多，各具特色，所以他们各自的发展目标不同， 它们各自有其不同的发生、发展轨迹，各自有其不同的用途、领域。下 面我们将分别予以介绍。 1 c r t 自身更新，仍居霸主 阴极射线管( c a t h o d er a yt u b e ) 简称c r t ，是大信息量显示发展 历史最久的显示器。其特殊的性能和成熟的制造工艺使它一直是显示技 术中的主流产品。近年来，有一种观点认为，c r t 将被平板型显示器， 特别是液晶显示所代替。作者认为：从理论上长远看虽然是可能的，但 在可预见的未来，暂时还看不到这种可能，还没有任何一种显示器件可 以全面取代它。 首先，它可以用模拟方式驱动，在数字电路全面取代模拟电路以前， 这一优势也不会丧失。其次，它的显示效果极佳，工艺成熟，质量可靠， 这也是人所共知的。最重要的是，近年来，c r t 通过不断的自我更新， 从不同角度克服了自身的一些弱点，质量、性能不断提高，使自身的缺 点不断被克服。其自身发展主要体现在以下几方面。 ( 1 ) 提高分辩率 目前高达1 0 2 4 或2 0 4 8 分辨率的彩色c r t 都已实现，它们可以在一 个c r t 电脑终端显示器上显示6 0 0 0 个以上字符。 ( 2 ) 小型化和大型化 为了军事和车载等不同用途，目前制造3 英寸、3 5 英寸高清晰彩 色c r t 已不成问题。为了适应家庭影院，公众娱乐场所的需要，2 9 英 寸、3 4 英寸，甚至4 2 英寸的大屏幕彩色c r t 也都已经商品化。 ( 3 ) 平面化 为了克服c r t 空间体积大的缺陷，发展平面化的c r t 也是一个方向。 ( 4 ) 提高内在质量 除以上几项发展方向外，c r t 还从其他各方面设法改进内在质量。 例如，减少反光、眩光的黑色屏幕，提高图像反差的黑色条纹，减小画 4 面失真，增加视角的平面方角、超平面方角、纯平面屏幕等技术。 2 平板显示的日新月异，前程无量 面对c r t 的缺点，如空间体积大、工作电压高、功耗大、不能和大 规模集成电路匹配、软x 射线影响健康等，人们一直在追求一种平板型、 低压、微功耗、易于和大规模集成电路直接匹配，又具有c r t 所有显示 优点的新型显示器件。自7 0 年代起，随着大规模集成电路的发展，这 一需求日趋迫切，促使各类平板型显示器件有如雨后春笋，日新月异迅 猛发展，向c r t 提出了严峻挑战。虽然有些平板显示器件诞生很早，由 于自身的弱点和缺点，未能成长、发展，但还是有一些平板显示器件以 其独特的优势发展、壮大，形成显示技术中的一支支新秀。 下面，不妨让我们对一些已进入人们生活的平板显示器件中具有极 强发展优势的平板显示器件作一浏览。 ( 1 ) 液晶显示器件异军突起 这是一种最有发展前景，并已成熟的平板显示器件。液晶显示 ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 简称l c d ，有一种观点认为：液晶显示器 件将会取代c r t 。作者认为，虽然就目前看这种可能还没有，但是其技 术发展潜力之大，综合性能之优越，不能不说这种观点是有一定道理的。 液晶具有多种电光、热光等效应，因此它有可能被开发出许多具有 独特优势，又克服了其他显示器件缺点的新型显示器件。 液晶显示器件独具的低压、微功耗特性使它可以直接与大规模集成 电路结合开发出一系列具有便携显示功能的产品。例如，液晶显示的电 子表、电子计算器、移动通讯、便携电脑；而液晶显示的指挥仪、g p s 卫星定位系统等设备致使美国轻而易举地赢得了海湾战争。 液晶显示的诞生至今不过二十余年，产品更新模式已经四代。时至 今日，液晶显示技术发展的步伐一点也没有放慢，扭曲向列型( t n ) 器 件已经快成为历史，超扭曲向列型( s t n ) 和有源矩阵型的t f t 显示也 已成熟、普及，而铁电型( f e l c d ) 、多稳态型液晶显示( m l c d ) 又己上 市。 液晶显示器件的应用更是无孔不入，它改变了很多传统产品的形 态，使人与人之间更加亲密，更加和谐。未来液晶显示将会更加深入人 类生活的所有领域，更会满足人类的各种需要。 ( 2 ) 电致发光显示东山再起 电致发光显示( e l e c t r o n i cl u m i n e s c e n td i s p l a y ) 简称e l ，又 称场致发光。电致发光是发明最早的种平板型显示器件，虽然几度曾 被人们注目，但一直未成气候。究其原因，其亮度低、寿命短、驱动电 压高等缺点是主要原因，当然，没有找准应用市场也是重要原因之一。 随着液晶显示技术的发展，液晶背光源的需求对电致发光注入了动力。 此外，新材料的开发又增加了发光亮度、延长了工作寿命，自然就会使 电致发光走出低谷。目前典型的电致发光器件是以塑料膜作基板，可以 发出红、绿、蓝各种颜色的不足1 毫米的膜片。它不仅可用作液晶显示 的背光源，而且可以广泛用于发光标志，低照明度和各类仪表类显示。 ( 3 ) 发光二极管显示长寿命、高可靠 发光二极管显示( l i g h te m i t t l n gd i o d e ) 简称( l e d ) ，这是一 种全固态型显示器件。全固体结构保证了器件具有极高的可靠性和极长 的寿命。它是所有显示器件中寿命最长的。虽然它是由芯片、反射腔、 封胶构成的好像并非平板显示，但用它制作的大屏幕广告，宣传装置却 归属于大型平板显示。 ( 4 ) 等离子显示不可低估 等离子显示( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 简称p d p 。等离子显示的发 展起步也很早，但早期的等离子多是靠气体辉光显示。目前则主要是以 彩色荧光粉在等离子体气体激发下发光的彩色等离子显示。虽然这种器 件驱动电压比较商，但是它可以制成较大的面积和较精细的像素。它是 目前唯一可以进入民用电视机市场，在大屏幕电视机上向c r t 挑战的显 示器件。发展前景不可低估。 ( 5 ) 荧光显示器件显示优美、豪华 荧光显示器件( v a c u u mf 1 u o r s c e n td i s p l a y ) 简称v f d 。这是一 种低压、直流驱动的平板电真空器件。国内比较熟悉。2 0 世纪7 0 年代 初，我国与日本同期独立开发成功，但在我国一直没形成大批量生产能 力，直到9 0 年代，才依靠弓i 进设备建起了一条年产百万支以上的大规 模生产线。荧光显示器件显示亮度高，图案精美，主要用于家电、音响、 音像设备和汽车仪表盘面等领域，具有极好的显示效果。 ( 6 ) 其他平板显示器件灿若群星 除以上较常见的平板显示器件以外人们还开发了其他各种各样的 平板显示器件。其中一部分已有相当的历史，仅仅由于某几项关键技术 没有彻底突破而未能广泛应用。如：电致变色显示( e c d ) ，电泳显示 ( e p i d ) ，压电显示( p l z t ) 等。如果哪一类显示在关键技术上有了较 大突破，其前景也不可限量。另一部分是近年刚刚开发的新型平板显示 器件。其中己见成效，最有前景的是如下两种： 有机电致发光显示，简称o e l 。这是一种利用有机半导体膜层的离 子注入原理制成的膜型发光显示器件，具有多种色彩发光能力。亮度极 高，可达上万坎德拉，是c r t 的1 0 倍以上，而且低压直流驱动。用它 开发的便携计算机显示器，功率只有带背光源的液晶显示器的一半。 平板场发射显示器，简称f e d 。这是一种真空微电子类平板显示器 件。它是在一平板电极板上制作上微米左右的针尖发射体，在每个针尖 上再设置上微米级栅网。依靠低压电位使针尖发射电子，经栅极加速， 射向阳极荧光粉。这种显示器原理实际是c r t 原理的一种改良，因此它 可以达到和相同的显示效果，而器件只不过是一个几毫米的薄盒。 这两种显示器件虽然刚刚诞生，但已显示出巨大的生命力和竞争 力。它们也许将会是2 1 世纪人类理想中的显示器，让我们拭目以待吧。 3 大屏幕显示稳步发展 大屏幕显示的应用范围极广，随着社会发展，公众生活的加强，人 们对能够面向广大公众传递信息的显示装置越来越感到必需。从家庭影 院到商场、超市的广告，从车站、码头、航空港的信息发布到军事指挥 部门的指挥中心，无不需要大屏幕显示。 大屏幕显示已经成为显示技术类别中的一个大类。大屏幕显示是一 个多学科的复杂系统。 虽然大部分显示器件都可作成大屏幕显示，但真正具有实用价值的 并不多。一般说来，常见的大屏幕显示主要有以下几类。 ( 1 ) 投影大屏幕 ( 2 ) 巨型平板显示 ( 3 ) 电视墙 综上所述，现代显示技术就像一个百花盛开的花园。千姿百态，万 紫千红的各种显示器件以令人眼花缭乱的丰姿展现着，竞相开放。它们 相互竞争，相互促进。也许有一天，会如人所愿，诞生一种广收各类显 示器件优点的新秀，取代其他伙伴，占为显示器件霸主地位。但作者认 为，更现实的可能会是各类显示器件相互补充，共同前进的局面。当然 也会有一些显示器件会被其他显示器件在发展竞争中所取代。但在现代 显示技术发展的道路上，那些更完美的高科技成果必定会把现代显示技 术推向一个又一个高峰，创造一个又一个奇迹，为人类的生存和发展。 1 2 液晶在显示技术中的地位 1 2 1 液晶显示器件的分类 液晶具有的各向异性、低弹性常数及流体特征等特异性能使液晶具 有丰富多彩、有趣有用的电光( 热光) 效应。利用这些电光( 热光) 效 应制成的显示器件无论从功能、结构，工作模式或显示方式上更是五花 八门、千姿百态，见图1 2 。 1 从电光( 热光) 效应上分类( 见图1 3 ) 图1 2 液晶器件显示分类 ：0 r 氆i l l 侥弼盈t n ) i 宴生效壤鬻f 策) i 捆熏貔f i e ) r 瑰辐嫒壤l 电拉疆折射型 以基l il 赣电蕞簌蕊( f u = ) il 麓捱一蛙戚黧( 搴疆) 蠹矗奄宠c 靛光，教骧 咆漉锻斑：萎黼 l 热毙姣嚏 蹩- | 茎言：詈 。龟锻曛l 童塑 图1 3 液晶基本分类( a ) 2 从工作模式上分类 表卜l 是从液晶显示器件工作模式上的分类 表i - i 液晶显示器件分类( b ) 工作模式原理液晶分子排列变偏光显示特性显示状态 材料化片 t n 型电控旋光n p 沿面扭曲一2 片 无存储、可彩透过率变化引起 垂面排列、化可有源化对比度的变化 d s 型紊流散射 n a 离子沿面一紊流无 单色显示 透明一自浊 态畴 g h 型电控二色性n p + o沿面一垂面1 片某些类型有存颜色浓淡的变化 染料 n h + d 垂面一沿面或无 储性和单色性或散射 焦锥一垂面 焦锥一垂面 e c b 型电控双折射 n a 沿面- 垂面 2 片 电控多色显小电控多色干涉色 ( h a n 型)的光干涉 n o 垂面一沿面显示 混合排列一 垂面 p c 型光散射 n p + c h 沿面、垂面一无有存储透明一白浊 n n + c h焦锥白浊一透明 焦锥一垂面 s t n 型光干涉 n o沿面扭曲 2 片黄蓝模式及黑黄蓝对比或黑白 ( s b e 型) 1 8 0 0 2 7 0 0 白模式，多路性对比 垂面 好 f l c 型光干涉 n + s m c 沿面平行一2 片 高速响应及存黑白对比 ( s s f l c ) 沿面平行储性 p d l c 型光散射n p + 聚微囊中液晶无 高速无阈值散静态一透明 ( n c a p 型)合物各自异向一 垂面 热光型光散射s n a 、 沿面( 垂面)无有存储性能激透明一散射 c h n n 一焦锥 光写入 聚合物沿面一焦锥 3 彩色液晶显示器件的分类 液晶显示器件的彩色化方法很多。现将其分类列于表1 2 表1 2 液晶显示器件的彩色化分类 彩色化方实现方法原理液晶盒被动部件 式 分子排列液晶偏振片 其 他 电控双折电控液晶分子电控双折垂面 n n2 片无 射( e c b )排列倾角射引起的沿面n p ( h a n ) 干涉色混合n p n n 多向色方宾主型( g h )染料二色沿面n p + d无或i 片 无 a二色性液晶性垂面n n + d1 片 二色性液平面焦锥 c h n + d 晶n p 扭曲向列+ 双折射片干涉色 沿面9 0 0 扭n p2 片 方式+ 彩色偏光片二色性曲 + 滤色片滤色 选择光散 射 微彩色膜+ r g b 微彩色r g b 滤色t n 或s t n n p2 片 方式膜 混合 4 液晶分子排列分类 为使读者更形象、清楚地了解不同类型液晶的差别，现列表1 3 ， 以便于读者在为使读以后章节中更好的理解液晶显示器件的原理和特 性。 表1 - 3 液晶分子排布分类 挣子摊垂耐船爵越 塌舟精蓖 精砸奠t 开方空捧剃 平行搏爿捧姗 越一麓捧辩 分子捧 鳖翼丝 燮 暑畏 霖签 拜擅式 蓬 2 鳖毒5 定阳她 i 。，o目 # z ，匕 l | 冉 世 静 静l ，k 馨援组合 滓；c ：3 殪黼译f 曩臼；撙斛 ，雹= 争糕斑辘寿问 1 0 5 商品性分类 在实用中有时并非需要从原理、结构上去区分，而更多是要从商品 角度、显示的方式或显示的性能上去区分。这种分类在应用时更实际。 1 商品形式 ( 1 ) 液晶显示器件：包括前后偏振片在内的液晶显示器件，如图 1 3 所示，简称l c d 。 ( 2 ) 液晶显示模块：包括组装好线路板、i c 驱动及控制电路及其 他附件的商品，如图1 4 所示，简称l c m 。 图1 4 液晶显示器件外观示意 图1 5 液晶显示模块外观示意图1 6 正象显示模式 2 显示方式 1 ) 正像显示：在浅色背景上显示深色内容的产品，如图1 5 所示。 2 ) 负像显示：在深色背景上显示浅色显示内容的产品，如图1 6 所示。 3 ) 透过型显示；背照明光源通过器件，使正面观察者看见的产品， 如图1 7 所示。 4 ) 反射型显示：观察者与外光源均在器件同一侧的产品，如图1 8 。 5 ) 半透过型显示：该产品背后反射膜有网状孔隙可以透过3 0 的 背照明光。故白天可作反射型显示，夜间可作透过型显示。 6 ) 单色显示：黑一白显示。 7 ) 彩色显示：又分单彩色和多彩色。而在多彩色中又分为伪彩色， 即只能显示8 至3 2 色显示和真彩色，即可显示2 5 6 种颜色至几十万种 颜色的显示。 3 显示性能 厘盈k 光 图1 7 负象显示模式图1 8 透过型显示示意图1 9 反射型显示示意 1 ) 常温显示：即o 4 0 为工作温度，一2 0 6 0 为存储温度 的产品。 2 ) 宽温显示：即2 0 7 06 c 为工作温度，一3 5 8 0 为存储温度 的产品。 3 ) 段形显示：依靠长条形像素进行显示的产品。只能显示数字及 个别字符。 4 ) 点阵显示：依靠矩形点像素进行显示的产品。可以显示任何字 符、数字、图形。 5 ) 字符显示：只能显示分割开的字符的点阵式产品。 6 ) 图形显示：点阵数量多，且像素间距均等，可以显示任意图形 的点阵式产品。 7 ) 图像显示：图形显示产品中的一种，由于其响应速度快，有可 能显示视频速度活动图像的产品。 8 ) 非存储型显示：仅在施加电场时呈现显示状态，撤掉外电场后， 显示内容消失。 9 ) 存储型显示：一个脉冲郎可驱动显示。一经驱动显示后，撒掉 外加电压，显示内容照样保持不变。 静态驱动显示：每个像素均有单独引出电极，驱动期间要持续施 加电压的产品。 动态驱动显示：像素电极排布呈矩阵或变形矩阵方式，需用时间 分割扫描方式驱动的产品。 ，2 ，2 液晶显示器 牛的优异特性和发展前景 综合比较各类显示器件，你会发现，液晶显示器件确实具有很多独 到的优异特性。下面我们不妨归纳作一简单介绍。 ( 1 ) 低压、微功耗 极低的工作电压，只要2 v 3 v 即可工作，而工作电流仅几个微安， 这是其他任何显示器件无法比拟的。在工作电压和功耗上液晶显示正好 与大规模集成电路的发展相适应。从而使液晶与大规模集成电路结成了 孪生兄弟，使电子手表、计算器、便携仪表、以至手提电脑、g p s 电子 地图等成为可能。 ( 2 ) 平板型结构 液晶显示器件的基本结构是由两片玻璃基板制成的薄形盒。这种结 构最利于用作显示窗口，而且它可以在有限的面积上容纳最大量的显示 内容，显示内容的利用率最高。此外，这种结构不仅可以作得很小，如 照像机上所用的显示窗，而且可以作的很大，如大屏幕液晶电视及大型 液晶广告牌。 此外，这种结构还便于大批量、自动化生产。目前液晶显示器件的 生产大都采用自动化半自动化的集成化工艺生产。仅少量工人即可开动 一条年产上千万片的生产线。 目前已经又开发出了用塑料基片制成的液晶显示器件。这种器件薄 如纸，并可弯曲，从而进一步的降低了使用空间。 ( 3 ) 被动型显示 液晶显示器件本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。即， 它不像主动型显示器件那样，靠发光刺激人眼实现显示，而是单纯依靠 对外界光的不同反射形成的不同对比度来达到显示目的的。所以我们才 称其为被动型显示。 虽然被动型的显示本身是不发光的，因此在黑暗处不能看清，但在 自然界中，人类所感知的视觉信息中，9 0 以上是靠外部物体的反射光， 而并非靠物体本身的发光。所以，被动显示更适合于人眼视觉，更不易 引起疲劳。这个优点在大信息量、高密度、快速变换、长时间观察的显 示时尤其重要。 此外，被动显示还不怕光冲刷。所谓光冲刷，是指当环境光较亮时， 被显示的信息被冲淡，从而显示不清晰。而被动型显示，由于它是靠反 射外部光达到显示目的的，所以，外部光越强，反射的光也越强，显示 的内容也就越清晰。 诚然液晶显示不仅可以用于室外进行显示，而且可以在阳光等强烈 照明环境下也可以显示得很清晰。对于黑暗中不能观看的缺点，只要配 上背光源，就可以克服。 ( 4 ) 显示信息量大 与c r t 相比，液晶显示器件没有荫罩限制，因此像素点可以作得更 小、更精细；与等离子显示相比，液晶显示器件像素点处不需要像等离 子显示那样，像素点间要留有一定的隔离区。因此，液晶显示在同样大 小的显示窗面积内，可以容纳更多的像素，显示更多的信息。这对于制 作高清晰度电视、笔记本式电脑都非常有利。 ( 5 ) 易于彩色化 液晶本身虽然一般是没有颜色的，但它实现彩色化确很容易，方法 很多。一般使用较多的是滤色法和干涉法。由于滤色法技术的成熟，使 液晶的彩色化具有更精确、更鲜艳、更没有色失真的彩色化效果。 ( 6 ) 长寿命 液晶材料是有机高分子合成材料，具有极高的纯度，而且其他材料 也都是高纯物质，在极净化的条件下制造而成。液晶的驱动电压又很低， 驱动电流更是微乎其微，因此，这种器件的劣化几乎没有，寿命很长。 从实际应用考查。一般使用中，除撞击，破碎或配套件损坏外，液晶显 示器件自身的终结几乎没有。 ( 7 ) 无幅射，无污染 液晶显示器件在使用时不会产生像c r t 使用中产生的软x 射线及电 磁波幅射。这种幅射不仅污染环境还会产生信息泄露。而液晶显示不会 产生这类问题。它对于人身安全和信息保密都是十分理想的。 1 3 液晶显示应用技术发展趋势 l o 年前，液晶显示应用技术的发展重点是无源点矩阵s t n 和非晶 硅有源多路矩阵显示的t f t l c d 。而今天，液晶显示应用技术的重点概 括起来，主要有如下几个方面。 从器件本身技术的发展上，主要是： ( 1 ) 还应发展新的显示模式，例如双稳态液晶显示。各种反射式液 晶显示，各种宽视角，高响应速度的新型模式如i p s ，柳a 等，l c o s 微 型显示器，多晶硅p t f t 等。 ( 2 ) 配合改进工艺，提高液晶显示器件的内在质量，如提高开口率， 透过率，视角，响应速度，分辨率等，同时也是为了降低成本。 ( 3 ) 开发、改进配套件质量，从而提高亮度，改进对比度等。 ( 4 ) 改进外围驱动控制电路和模块制造工艺。 从新的需求和市场竞争角度分析，液晶显示应用技术今后的发展将 集中于： ( 1 ) 应对并适应显示容量更大，像素密度更高的方向发展，例如 l c o s 微显示器的像素数可在0 7 英寸的显示器上制作出1 2 8 0 x 1 0 2 4 以 上的像素，从而向大容量、高清晰度的应用领域扩展。 ( 2 ) 向一切便携式、个人化的产品领域渗透。液晶显示器件越做越 小、越做越精，显示容量也越来越大，从而使液晶显示器件更适应于一 切便携式、个人化产品。例如，移动通信、个人便携电脑，个人数字处 理设备等，都成为液晶显示器件的应用市场。 ( 3 ) 向更加节能、底色更亮，对比度更高，视角更宽，色彩更丰富 的高品质方向发展。 4 ( 4 ) 实现大屏幕高清晰度电视。这是显示行业中最高级的目标，最 大的市场。 ( 5 ) 满足特种用途领域需要，例如军用头盔显示，用于电子书籍的 存储型液晶显示器件也都是液晶显示应用扩展的重要领域。 总之，液晶显示应用技术的发展动力同样是市场。市场的需求和新 型液晶显示器件的应用需要就是液晶显示应用技术的主要内容，应用技 术同样需要更新，只有创新，才能使液晶显示得到更广泛更完美的应用。 第二章最新硅基液晶显示器件的加工工艺 液晶显示技术的发展，带动了液晶显示器件不断的更新、换代。第 一代液晶显示器件是段式t n 型l c d ；第二代是t n 点阵字符，图形 l c d ：第三代是s i n 点阵图形l c d ；第四代是薄膜电晶体有源矩阵 t f t 液晶显示器。事实上，这种分法并不科学，首先，“代”具有更替， 代换之意。而以上各类液晶显示器件却没有被谁代换掉。其次，液晶显 示器件的发展更新，一直是持续着进行从没有过间断。很多新型l c d 很难划分到哪代之中。但是，这些新型液晶显示器件又将可能发展为一 个非常有前景的新型产品。甚至会因此产生出一个新兴产业。 2 1 多晶硅液晶显示 2 1 1 多晶硅的特点 p o l y s i l i c o n ( 多晶硅) 是一种约为o 1 至几微米数量级别的单晶 硅集合体组成的硅膜。在半导体制造中，多晶硅通常是先由低压气相沉 积( l p c v d ) 制成非晶硅( a _ 5 1 ) ，再以高于少9 0 0 的退火工艺使之转 化为多晶硅( p s i ) ，此方法称为固体逐步运行结晶( s o l i dp h a s e c r y s t a l l i z a t i o n ，简s p c ) 。然而因为玻璃的最高软化温度只有6 5 0 ， 所以，此种方法不适用于液晶显示器件制造。因此，必须找到一种可以 在低温条件下制作多晶硅的方法。这就是低温多晶硅( l t p s ) 制造法。 现在已有许多方法可以在玻璃或塑料基板上制造l t p s 薄膜。 低温多晶硅仅是众多有源矩阵液晶显示器技术中的一种，与现有的 非晶硅技术相比较，多晶硅技术制作的t f t 液晶显示器具有分辨率高， 反应速度快，亮度高( 开口率高) ，生产成本低等特点。 这主要是因为多晶硅t f t 具有以下特点。 2 1 1 1 电子迁移率比非晶硅高 多晶硅电子迁移率比非晶硅高的原因是硅结晶排列比非晶硅更有 序，其电子迁移率相对高1 0 0 倍。因此用多晶硅薄膜晶体管制作的液晶 显示器，可以将周边驱动电路同时制作在玻璃基板上，实现真正的“系 统在玻璃基板上”( c o g ) 的目标，节省了空间及成本。一般多晶硅技术 的1 2 英寸s v g a 的l c d 的驱动集成电路占成本8 ，而1 5 英寸x v g a l c d 驱动集成电路只占成本6 ，因此低温多晶硅的驱动集成电路成本可 以更低，这是市场竞争最大的优势。 2 1 1 2 多晶硅显示器的开口率高 当电子迁移率高时，像素的有源器件可以做得更小，因晶体管所占 像素面积变小可以达到更高的开口率。所以相对于非晶硅薄膜晶体管的 液晶显示器，低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的像素，不仅可以作得 1 6 更小，可以达到更高分辨率的画面，而且，开口率也会大大提高。 这两个优点对液晶显示器件可是非同小可，l t p s 膜的制成虽然远比 a - s i 复杂，但其电子迁移率要快i 0 0 倍。不仅可以在玻璃基板上直接 实现c m o s 工艺，而且开口率也会大大提高，可以将像素做得更小。这 对于产品内在质量的提高将是不可估量的。其优点如下： ( 1 ) 开口率提高，背光源的功耗就会大大下降。这对便携式产品具 有非常大的吸引力。 ( 2 ) 像素小了，分辨率就会提高，整个器件可以做得更小。小尺寸， 高分辨率的液晶显示器件是投影电视所必须的要求。所以，l t p s 的面 市使得投影电视得以迅速发展，形成了世界范围的新市场。 ( 3 ) 由于在多晶硅薄膜上可以制成l c d 的驱动电路，因此，可以将 l c d 的大部分外围驱动电路制作在l c d 的基板四周，使p c b 的电路相对 简单，节省了p c b 面积。不仅节省了大量空间，而且节约了成本，降低 了功耗。 这是掌上型电脑和便携产品所需液晶显示器的可希望条件。 2 1 2 多晶硅的制作 多晶硅的生产方法有很多种，其中比较常用的有以下三种方法。 1 m i c 诱导结晶法 诱导结晶法( m e t a li n d u c e dc r y s t a l l i z a t i o n ，m i c ) ：属于s p c 方法之一。s p c 需要在高达i 0 0 0 的高温下制作，必需采用熔点较高 的石英玻璃基板，由于石英玻璃基板成本比玻璃基板贵1 0 倍左右，且 基板尺寸不大，大约仅有2 3 英寸，只能用于小型面板。而m i c 方 法比传统的s p c 的方法，在较低温度下( 约5 0 0 6 0 0 ) 就可以制 造出多晶硅。 2 c a t c v d 气相沉积 触媒气相沉积( c a t c v d ) ：这是一种通过s i h 。一h ：混合气体的触媒裂 解反应蒸汽直接沉积形成的多晶硅薄膜的方法。沉积温度可低3 0 0 。c 。 3 激光退火 激光退火( l a s e ra n n e a ll a ) ：这是目前应用最多的方法。它是用 激光加热并融化非晶硅a s i 膜，然后使其再结晶为多晶硅膜。 2 1 3 低温多晶硅的技术沿革 低温多晶硅t f t 大都以半导体生产方式进行，开始时，大多采用 s p c 方法，但在高达1 0 0 04 c 的高温下，必需采用熔点高的石英基板， 只能发展小型面板；以后由于激光的发展，采用激光再结晶化( l a s e r ： c r y s t a l l i z a t i o n ，l c ) 或称激光退火的方法，可将温度降到5 0 0 。c 的低 温，此时，一般t f t l c d 所用的玻璃基板都能被采用，并且能使面板 尺寸做得很大。 低温退多晶硅1 9 9 1 年开始有研究样品，但一直到1 9 9 6 年，低温多 晶硅t f t l c d 才真正投产。首先由三洋电机推出2 5 英寸的产品，并用 于撮录放影机上，进入市场。之后，夏普、索尼则利用非晶硅t f t l c d 的3 2 0 m m 4 0 0 m m 所用的玻璃基板生产线调整为低温多晶硅t f t l c d 的生产线，生产数码相机用小型监视器。因此，1 9 9 6 年被称为是低温 多晶硅t f t l c d 的元年。 而大型、高精细低温多晶硅t f t 问世，是由精工e p s o n 在1 9 9 5 年 所试制的1 0 4 英寸面板开启的。但当时精工e p s o n 并没有在面板上同 时采用s o g ( s y s t e mo ng l a s s ) 的技术，最初的s o g 技术是由东芝于 1 9 9 7 年投产的1 2 1 英寸面板开始的。 2 1 4 多晶硅液晶显示器的应用 如果将多晶硅的生产技术与非晶硅生产技术全面比较，多晶硅液晶 显示器几乎可以取代所有的非晶硅液晶显示器的应用领域。但是在目前 多晶硅的生产成本还没有大幅下降之前，多晶硅液晶显示器主要还是应 用于以下两种产品。 1 投影显示屏 目前绝大部分品牌投影机都是多晶硅显示器，这主要是因为其像素 可以在不大的屏幕上很精细，开口率高，透过率高等因素。 2 数码相机的显示器 因为这种用途的显示器也不需做得太大，又不能费电，而显示的图 像又必须很精细。 3 手机显示屏 理由同上，而且由于手机的便携和节能要求更高，更苛刻，多晶硅 液晶显示器甲为活合。 2 2 单晶硅液晶显示( 微型硅基液晶显示器l o o s ) 多晶硅液晶显示器虽然比非晶硅液晶显示器有更多的优点，但是由 于多晶硅的电子迁移率仍然较低，不能满足制作控制电路的需要，还是 不能令人满意。人们希望直接用单晶硅做液晶显示器件的基板。 近来微型显示器呼声日高，所谓微型显示，就是将显示器件做得很 小。但是，这个很小的显示器件上又可以显示密度大，信息量极多的显 示内容。例如：在不足1 平方英寸的面积上可以显示1 2 8 0 1 0 2 4 的 像素密度。这种微型显示器通过光学系统可以放大成任意尺寸供人们观 看。可以放大成大屏幕的实像，也可以做成眼罩式的随身看显示系统， 将显示内容放大成虚像。总之，可将技术含量极高的显示器件做得很小， 再利用其他的光学系统将其处理成任意适合人们使用，观看的产品形 态。这样的液晶显示器件最好能在单晶硅基板上实现。 可以做成微型显示器的方式很多，目前有以下几种主要方式： 硅片上的液晶显示( l c o s ) ： 有机电致发光( o l