TFT液晶显示技术

1、第一章：液晶的历史一、简述1、液晶显示器按驱动方式可以分为有源驱动和无源驱动，有源驱动在X电极和Y电极交叉点处由主动原件（TFT）相耦合，并对像素进行控制。2、有源矩阵方式液晶显示器的实现：a-Si非晶硅，LTPS低温多晶硅，p-Si多晶硅。A、a-Si TFT LCD有直视性，也有投影型。在已实现的TFT LCD中，液晶模式主要是TN。(TN是TFT LCD的一种？) TN融低电压、低功耗驱动、高对比度和适合彩色化的性能于一体。缺点是视角小，光学补偿法已经发展到使用圆盘状液晶膜方式。在取向上加以改进的方式除了用于TN，也设法用于其他方面。在显示不同灰阶的时候，液晶分子的长轴跟玻璃基板的角度是

2、不一样的，用户从不同角度观看屏幕时，有时看到的是液晶分子的长轴，有时则是短轴。在不同角度所看到的亮度就会不一样，这就是TN模式液晶显示器可视角度狭窄的根本原因。CMOS：互补金属氧化物半导体光学补偿法经上述可知，视角较小是因为n0所造成的相位延迟引起，只要找n0的材料来作补偿就可以了。因此一般的光学补偿膜都是属于n0的材料，這样一来光学补偿膜的相位延迟，就可以跟线状液晶的相位延迟互相抵消，就可以增加液晶面板的可視角度。 当光是从下方入射，然後从上方射出时，首先会经过底下的一片光学补偿膜，由於其n0光线便会有了负的相位延迟，接下来光线继续前进进入到TN型液晶，此时便会开始有正的相位延迟，大约到液

3、晶的一半的地方，此时正负的相位延迟便会互相抵消。当光线继续向上传播时，又会因为TN型液晶的关系，产生了正的相位延迟，直到进入位於上方的光学补偿膜，又会开始有负的相位延迟。在光线离开位在上面的光学补偿膜时，正负相位延迟又可以互相抵消，因此只要光学补偿膜设计的好，便可以完全抵消TN型液晶所造成的相位延迟，达到广视角的效果。B、p-Si 多晶硅的形成有低温工艺和高温工艺。多晶硅中的电子迁移率高，因此驱动电路也可在显示部分的周边以CMOS形式同时形成。C、TFT LCD的特点1、没有像简单矩阵那样的扫描电极数的限制，可以实现多像素化2、可以抑制Crosstalk串扰，对比度高3、液晶激励时间可以很长（

4、持续性），亮度高，响应时间也很快4、可以同时在显示区域周边形成驱动电路，由于I/O引脚数骤减，有利于实现高可靠性和低成本5、在透明玻璃上利用溅镀、化学气相沉积（CVD）等方法成膜，可以实现大型化和彩色化3、实用显示器性能的对比主动发光带背光源特长能显示鲜艳美丽的图像除背光源外不需要发光所需的能量，各像素的驱动能量很小，对驱动IC的功率控制能力要求较低图像暗的部分不用发光，可有效地利用能量背光源可以采用发光效率较高的LED等，可以实现很低的功耗因视角不同几乎不产生亮度和色彩的变化问题为了实现各个像素发光，必须注入能量，需要降低电极线的电阻，同时提高驱动IC对功率的控制能力显示时需要液晶分子发生旋

5、转，响应较慢一般响应速度很快，仅在扫描线扫描的瞬间发光，随着扫描线条数的增加，平均亮度会下降液晶具有光学各向异性的性质，视角不同时，亮度、灰阶、显示色和对比度等会发生明显的变化周围光越亮，画面看起来越暗不带背光源的非主动发光型显示器（反射型）：A：在明亮的室外，显示的图像也不会冲淡B、不应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两次利用透过液晶层的光，故液晶层的厚度可以减半，综合效果可使响应速度提高到4倍a、为了实现亮度高的画面，对视角有一定的限制性要求（典型情况为70-80）b、在很暗的场所，不能显示可观视的画面（可以通过设置前光源解决）二、发展有机EL优于液晶之处在

6、于自发光，不需要背光源，厚度可到2mm以下（柔性屏），具有从侧面看也能看清楚图像的超宽视角，响应速度更快。要改善的问题是发光效率和寿命。VGA：640*480XGA：1024*768SXGA：1280*1024UXGA：1600*1200Full HD：1920*1080QSXGA：2560*2048随着图像分辨率的提高（像素数增加，像素尺寸变小），为了解决显示屏充电不足的情况，布线材料由Cr、Mo相应地变为Al合金系列。低电阻率布线材料的开发也更加重要。（已开发Cu、Ag纯Al等电阻率更低的布线材料）三、开发的课题1、扩大视角与通常的TN模式相比，IPS和PVA（花样垂直配向）模式具有优良的

7、广视角特性。进化后的Super IPS通过采用人字形像素，解决了原有色彩移动的不对称现象，高电压驱动和小液晶盒间隙改善了液晶的响应速度。而PVA相比于IPS在亮度和对比度上占优，也引入了人字形像素结构，减小黑色矩阵的宽度，实现了高开口率和更快的响应速度。2、提高响应速度对于动画显示来说，最重要的影响要素是液晶的响应速度。如果响应速度较慢，在表现运动的物体时就会出现拖尾现象。而且由于LCD是电压维持型显示器，因此图像边缘会出现较严重的模糊现象。为了解决这一问题，目前广泛采用的是动态驱动或者过驱动方式。动态驱动：循环地给每行电极施加选择脉冲，同时给所有列电极施加选择或者非选择的驱动脉冲，从而实现某

8、行所有显示像素的驱动，这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶显示屏上呈现稳定的图像效果。液晶显示器在灰阶间动作时，与ON-OFF相比，采用更低的驱动电压，驱动力弱。因此，灰阶间的响应速度与ON-OFF响应时相比，要慢3-5倍。采用过驱动方式，即施加比普通驱动电压更高的电压，致使液晶分子受更大的驱动力，可使液晶的响应速度提高。3、高质量动画显示技术LCD属于电压维持型，知道下一帧信号传来之前，会一直维持图像，从而当图像瞬间发生变化时，产生模糊现象。为了排除这种现象开发了类似与CRT的脉冲驱动方式。A、 插入黑画面：可以有效排除运动图像的模糊现象，但是随着黑画面的增加，画面的亮度会下降

9、。要求液晶的响应速度必须比帧时间的1/2快。B、 背光源闪烁技术：即使液晶响应速度不快，也尅改善动画的显示效果，但是亮度最大会降低一半，因此必须提高背光源的亮度。C、 在60Hz帧频中插入黑色帧，进行120Hz驱动。由于屏的充电量变大，必须采用新的低电阻布线材料及采用新的帧倒置技术。4、色表现技术表现自然色受多种因素的影响，包括色温、白平衡、校正等。04年左右时，采用CCFL和CF基板，色再现性每提高5%，亮度就损失7%。为此，必须抑制光源的黄光强度，由CF完全遮断黄光波长的光。由此因此的亮度下降通过CF与背光源的分光光谱匹配最佳化来补偿。采用LED光源的情况下，RGB的波长宽度小，色纯度高，

10、色再现性甚至能超过100%NTSC。为了对因调灰引起的变化进行校正，引入了ACC（accurate color capture，精细色调整）校正电路，实现更精巧的色表现。ACC 校正电路是将8 bit灰阶的数据由ACC逻辑电路扩大为10 bit，利用增加的2bit进行帧率控制并对8 bit灰阶进行校正。由像素组合和色调整进行色控制，也可以提高图像质量。与通常的RGB像素组合相比，亚像素搭配技术中的像素组合，采用6个亚像素构成一个像素的方法在表现实际的图像时，与相靠近的像素共享亚像素，实现更丰富的色表现力。在RGB 3色的亚像素结构中，追加白色亚像素可以大幅度增加画面的亮度。各式各样的4色亚像素

11、结构都可以采用，但是适用于亚像素就搭配技术的6个亚像素组合中，使下端的蓝变成白的布置具有最突出的效果。理由之一是开口率上升而使追加的亮度增加；理由之二是可使适用于亚像素搭配技术的驱动IC数目减少。、5、背光源的改进LED背光源的价格是CCFL的3倍以上，发光效率也低，只有耗电量的5%变换为光，其余的85%（95？估计是书写错误）全部变为热。第二章、液晶显示入门一、液晶分子基本单元物质中，原子和分子之间都存在着凝聚力。温度越高，原子、分子的运动越激烈。物质存在固态、液态、气态三种状态。物质取何种状态决定于凝聚力的大小与原子、分子运动强弱的关系。大部分固体，如金属、矿物等，都呈晶体状态。也有玻璃、

12、非晶硅（a-Si）等布呈晶态。而将液晶理解为处于液体与晶体中间的状态更为确切。液晶具有“流动性”，液晶分子不能发生大的移动，而只能发生少许移动，或在分子位置不动的情况下发生旋转。液晶也属于有机物质。按液晶的排列方式，可以分为胆甾相型、向列型和层列型三大类：胆甾相：棒状或板状在任一层均沿着某一方向平行排列，而下一层排列方向的角度略发生一些变化，逐层以螺旋方式堆叠。从整体上看，分子排列方向发生螺旋状扭曲。向列型：取最简单的排列规则。棒状分子纵向平行排列。每个液晶分子的上下位置各不相同，在同一平面上也无明显的规则性。、向列液晶的黏度较小，易流动。从缺点上讲：易流动不利于用于显示介质。从优点上讲：易转

13、动，响应速度快。层列型：向列型进一步按层状规则堆叠而成。液晶显示器的工作原理简述：当光入射时，液晶分子调制光使得光透过或者遮断，以进行文字和图像的显示。1、 具有优良的规则排列特性2、 在外加电压下，其排列方向能极快地发生变化3、 这些动作可以在室温下进行需满足的特性随着范德瓦耳斯力变大，液晶分子排列的规则性提高。当范德瓦尔斯力弱时，棒状分子可以在纵向挪动，因此成为向列相，液晶分子的形状变长时，分子间的范德瓦尔斯力变强，因此成为层列相。二、如何实现画面显示要利用液晶显示器显示文字和图形，只要在有字的地方遮蔽光，无字的地方让光透过即可。当遮蔽光时，只要在光的通路上设置某种障碍物，使光不能透过就可

14、以了。但是在一个画面上显示文字和图形，而且能随时间改变，必须将画面精细分割，能全面布置且随时放入、取出的极小障碍物。用微细加工的透明电极将液晶夹与其间，施加电压时，仅使液晶发生旋转，从而达到与放入、取出障碍物同等的效果。溅射镀膜法：在由氧化铟、氧化锡粉末压制烧结而成的ITO靶材上施加电压，形成Ar气体放电的等离子体，在电压作用下高速碰撞靶材，发生溅射作用，使靶材原子碰出、气化，沉积在基板上。真空蒸镀法：真空中使用氧化铟和氧化锡同时蒸发，在温度相对较低的基板上，同时凝聚、固溶，形成ITO膜现在显示器用电极一般采用铟锡氧化物（ITO），是一种固溶体，并以薄膜的形式沉积在玻璃基板上，做成透明电极而使

15、用。三、液晶盒的构成组成：照明光源（LED、OLED等） 光反射板（导光板、漫射板、增亮膜等） 起偏片 检偏片 液晶盒（玻璃基板、透明电极、取向膜、液晶层、隔离子等） 光反射板：将点状光源发出的光，均布于整个画面液晶盒由两块玻璃基板封装而成，间隙在5m左右，其中封入液晶。玻璃基板上预先形成透明电极，对液晶施加电压时，可使液晶分子的方向发生变化，进而利用液晶分子的取向不同，使偏振光透过或遮断，达到显示画面的目的。1、 玻璃基板的处理液晶显示器的玻璃基板需要表面覆层处理，TFT有源矩阵液晶显示器几乎都采用无碱玻璃。碱金属氧化物会降低玻璃的熔点。含100% SiO2 的纯“石英玻璃”具有高熔点、高透

16、射率、高稳定性等高品质，价格也极高。目前在透射型投影仪 HTPS（高温多晶硅）液晶显示器中有所应用。2、 透明电极的图形化在洗净的玻璃基板上，利用真空蒸镀法和溅射镀膜法，全面沉积ITO透明导电膜。沉积温度必须低于玻璃的软化点。光刻胶：受光照便会分解（或固化）的感光性有机物质，广泛用于半导体集成电路制作中，光刻胶有正、负之分。正刻胶：经光照后形成可溶物质负刻胶：经光照后形成不可溶物质透明电极越细，从而像素越小，图像分辨率越高，显示的画面越清晰。3、 液晶分子的排列如果液晶分子排列不集中，光处于半透过半遮蔽状态，对比度低。外加电压时，如果液晶分子不是同时同程度的旋转，图像不清晰。液晶显示器中，液晶

17、以薄层的形式铺满整个画面。这种情况下，液晶分子需要整齐有序的沿着某一方向排列。当光照射时，使光透过还是遮断取决于液晶分子的取向。因此，素有的液晶分子有必要长时间沿着同一方向排列。均质平行取向多用于液晶介电各向异形为正的情况，一般显示模式采用的大多是这种取向；均质垂直取向多用于液晶介电各向异形为负的情况，多用于特殊显示模式；在外加电压，希望液晶响应更加迅速而均匀时，可使液晶分子的方向相对于基板倾斜一定的角度。均质平行取向是通过对基板（取向膜）进行摩擦，依靠表面伤痕控制液晶分子取向，但是液晶近似于液体，不可能获得完全一致的定向排列。取向膜的厚度在0.050.1m之间。特性：1、耐摩擦强度高 2、摩

18、擦处理后的取向膜，经水和有机溶剂清洗，摩擦效果也不会丧失 3、耐热四、向列液晶的双折射单轴型晶体透过全方位光可以引起双折射。向列液晶分子的排列方向（分子的长轴方向），分子的排列致密，而垂直于液晶分子的排列方向（水平方向），分子排列宽松，密度小。全方位光透过这种单轴性晶体时，分解为两个相互垂直的偏振光。全方位光平行于光轴入射时，不会发生双折射。电场效应双折射外加电场与光的行进方向相垂直时，这样的电场施加方法称为面内切换型（IPS）。极性基与长轴方向一致，而取垂直排列的棒状分子在水平方向电场的作用下，液晶分子也会出现类似的倾斜。胆甾相型液晶液晶分子分为左手型、右手型和对称型。向列型液晶和层列型液晶

19、都是左右对称结构。层列型比向列型复杂。胆甾相型液晶分子的结构是非对称的，所以才取螺旋型排列。TN型液晶显示器的工作原理液晶的电阻液晶的电阻越大越好，如果液晶的电阻小，则会有电流通过，由此则会引发：1、 液晶取向混乱倒置图像错乱为了高速且大容量地传输信号，需要采用TFT方式，在电源OFF时，需要保持电压的状态（利用存储电容）。在特意施加电压时才使液晶分子方向发生变化。在电压OFF时，如果有漏电流流动，则保持的电压会下降，液晶分子会向不施加电压时的状态旋转。结果导致图像混乱。如果液晶的电阻大，漏电流小，液晶分子保持原来的状态不动。对于TFT来说，对液晶电阻大、电压保持率高的要求就特别重要。一般用氟

20、替代氰基，对降低驱动电压和电压保持都很有效。2、 导致液晶劣化当玻璃基板中含有钠和钾时，钠、钾离子混入液晶中，会引起离子到点，会使液晶劣化。液晶显示器的驱动与显示1、 静态驱动的笔段式显示为了增加像素数，必须同时增加电极数和开关数，实现起来很困难。这种方法只能显示数字、字母、简单符号等，多用于显示器等。2、 动态驱动的矩阵式显示像素数 = 前面的电极数 * 背面的电极数电极是按横行、纵列条状排列，也叫“单纯（简单）矩阵驱动”。STN液晶多采用这种驱动。问题：1、 难以适应液晶分子响应速度慢的问题2、 交叉噪声（cross-talk） 受周围ON 状态的影响，相连带的若干个像素也会有所显示的现象

21、。随着集成电路的高密度化，MOS形晶体管逐渐成为主流。机构主要由金属（metal，M）氧化物（oxide，O）半导体（semiconductor，S）积层而成。金属部分称为“栅”，端子施加电压；半导体部分，两端与称为源（source）和漏（drain）的端子相连接，构成从电源向液晶盒输运电流的通路。栅极所加的电压对从源向漏流动的电流实施控制并具有开关功能；氧化物部分作为电绝缘体，对金属和半导体起隔离作用。栅极所加的电压不会在氧化物绝缘体中产生电流，仅产生电场效应场效应晶体管。薄膜三极管（TFT）当对开关起ON/OFF作用的栅极施加正15V左右的电压时，则在半导体活性层（n型 a-Si）内，电子向栅极聚集。栅极和半导体活性层之间存在绝缘层，电子不能到达栅极，聚集于栅极的电子穿越半导体活性层流向漏极。在实际应用中，是在与漏极相连的像素电极上施加电压，这就是开关ON的状态。若在栅极施加负5V左右的电