TFT-LCD面板基础

1、TFT-LCD TFT-LCD 面板基础面板基础吴乃亮吴乃亮 20092009年年8 8月月1一、认识液晶一、认识液晶二、像素结构二、像素结构三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板四、四、TFTTFT结构和工作原理结构和工作原理五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动六、六、TFT-LCDTFT-LCD工艺工艺课程纲要课程纲要 21.何謂TFT-LCD： TFTThin Film Transistor 薄膜電晶體 LCDLiquid Crystal Display 液晶顯示器 2.應用：由與TFT-LCD具有體積小、重量輕、 低輻射線、低耗電量、全彩化等優點 ，故已廣泛使用於各類顯示

2、器材上一、认识液晶一、认识液晶 3一、认识液晶一、认识液晶 43.液晶簡介一、认识液晶一、认识液晶 液晶物質的相變化液晶物質的相變化固體結晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻53.液晶簡介一、认识液晶一、认识液晶 一种液晶分子的结构一种液晶分子的结构63.液晶簡介一、认识液晶一、认识液晶 液晶分子的種類液晶分子的種類Smectic LC 近晶相液晶Nematic LC 向列相液晶Cholesteric LC胆甾相液晶73.液晶簡介 3-1.TFT-LCD使用之液晶為TN(Twist Nematic)型液晶 3-2.液晶分子呈橢圓狀；TN型液晶一般是順著長軸方 向串接，長軸間彼此平行方式排列 3-3.當接

3、觸到槽狀表面時，液晶分子就會順著槽的方 向排列於槽中一、认识液晶一、认识液晶 8 3-4.當液晶被包含在兩個槽狀表面中間，且槽之方向 互相垂直，則液晶分子之排列 下表面液晶分子：沿著b方向 上表面液晶分子：沿著a方向 介於上下表面中間之分子：產生旋轉之效應 故液晶分子在兩槽狀表面間，產生90之旋轉一、认识液晶一、认识液晶 9 4.光與液晶分子產生之效果 4-1.當線性偏極光射入上層槽狀表面時，此光線隨著 液晶分子之旋轉亦產生旋轉 4-2.當線性偏極光射出下層槽狀表面時，此光線已產 生90之旋轉一、认识液晶一、认识液晶 10 4-3.當在上下兩表面之間加電壓時，液晶分子會順電 場方向排列，成為直

4、立排列之現象 4-4.此時入射光線即不受液晶分子影響，已直線射出 下表面一、认识液晶一、认识液晶 11ITO电极ITO电极液晶不加电加电LCD DriverLCD Driver一、认识液晶一、认识液晶 12 5.偏光片之特性 5-1.將非偏極光(一般光線)過濾成線性偏極光 5-2.當非偏極光通過a方向之偏光片時，光線被過濾 成與a方向平行之線性偏極光 5-3.線性偏極光繼續前進，通過a方向之偏光片時， 光線通過；光線通過b方向之偏光片時，光線被 完全阻擋一、认识液晶一、认识液晶 13 6.將偏光片、槽狀表面、液晶組合後之光學效果 6-1.當上下偏光片互相垂直時，若未施加電壓，光線 可通過 6-

5、2.當施加電壓時，光線被完全阻擋 一、认识液晶一、认识液晶 14二、像素结构二、像素结构 6403 480921600个像素个像素 15二、像素结构二、像素结构 偏光片偏光片 玻璃玻璃 ITOPI液晶液晶 玻璃玻璃 偏光片偏光片 TFTTFTBM像素像素 剖面图剖面图 上视图上视图 16COM剖面图剖面图 上视图上视图 ScanScanDataData二、像素结构二、像素结构 17ScanDataScanDataCLCCSTFT等效电路图等效电路图 二、像素结构二、像素结构 18ScanDataCLCCSTFT等效电路图等效电路图 2.4 3.5 3.8 4.5 1.0 5.0 1.4 2.5

6、数据输入数据输入 1/480画面更新频率画面更新频率60Hz，Gate打开时间打开时间=1/60/480=35uSGateSourceDrain二、像素结构二、像素结构 19Data电压越高，液晶分子电压越高，液晶分子竖起越高，透过率越低，竖起越高，透过率越低，像素越暗像素越暗二、像素结构二、像素结构 20三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 画素（画素（Pixel）21三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 （a）4：3 （b）16：9面板尺寸：一般以对角线长度英吋计算，如面板尺寸：一般以对角线长度英吋计算，如6.4吋吋 PPI：Pixel Per Inch每英吋的像素数量每英

7、吋的像素数量 22三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 对比度（对比度（Contrast）最大亮度和最暗亮度的比率最大亮度和最暗亮度的比率 23三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 灰阶（灰阶（Gray Level） 我们生活的自然界中，影像不仅仅是亮和暗，而是充满了我们生活的自然界中，影像不仅仅是亮和暗，而是充满了介于期间的明亮程度，即为灰阶。介于期间的明亮程度，即为灰阶。 自然界中的明亮程度是连续的，但是显示器重现图像时无自然界中的明亮程度是连续的，但是显示器重现图像时无法做到连续，只能从最暗到最亮的范围内，增加区分的阶层，增法做到连续，只能从最暗到最亮的范围内，增加区分的

8、阶层，增加灰阶的数量。加灰阶的数量。 8Bit分级成分级成256灰阶灰阶24三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 颜色（颜色（Color）自然界中的影像除了亮和暗以外，还有各种不同的颜色。自然界中的影像除了亮和暗以外，还有各种不同的颜色。三种人眼细胞对波长的敏感度三种人眼细胞对波长的敏感度 25三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 紅藍紫黃綠白青颜色（颜色（Color）26CIE 1931 Yxy色度图XYZ三刺激值是最基本最基本的数据，已经包含了亮度和色度信息。其中Yxy中的Y就是XYZ中的Y，表示亮度，xy表示色度x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)根据XYZ值绘制

9、出了1931 Yxy色度图27CIE 1976 UCS 色度图1976年制定UCSUniform Chromaticity Scale均匀色度图28三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT的架构的架构 CF的架构的架构 BM 开口率开口率=开口面积开口面积/像素面积像素面积 29三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 VGA=Video Graphics Array640RGB480DotSVGA=Super Video Graphics Array800RGB600DotXGA=Extended Graphics Array1,024RGB768DotSXGA=Super

10、Extended Graphics Array1,280RGB1,024DotSXGA+=Super Extended Graphics Array+1,400RGB1,050DotUXGA=Ultra Extended Graphics Array1,600RGB1,200Dot常用的显示解析度特定名称常用的显示解析度特定名称30三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD面板的接口面板的接口 ScanDataCom31三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷-像素缺陷像素缺陷 暗点暗点 亮点亮点 缺陷面积超过像素面积缺陷面积超过像

11、素面积50%即判断为像素缺陷即判断为像素缺陷 亮度超过普通像素亮度超过普通像素30%的不良像素判断为亮点的不良像素判断为亮点 亮度低于普通像素亮度低于普通像素60%的不良像素判断为暗点的不良像素判断为暗点 32三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷暗亮线暗亮线 亮线亮线 亮线亮线 暗线暗线 33三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷暗亮带暗亮带 亮带亮带 亮带亮带 暗带暗带 34三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷- 分区分区 35三、三、TFT-LCDT

12、FT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷-Mura 36三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷萤火虫萤火虫 37三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷外观不良外观不良 38三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷-交叉效应交叉效应 39三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷-闪烁和直流残留闪烁和直流残留 闪烁和直流残留都可能是因为直流偏差所产生闪烁和直流残留都可能是因为直流偏差所产生的结果。的结

13、果。 40三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常见不良缺陷常见不良缺陷-静电击伤静电击伤 1、ITO氧原子缺失，变得不透明。氧原子缺失，变得不透明。2、电极间漏电。、电极间漏电。3、电压漂移。、电压漂移。4、TFT击穿。击穿。5、亮点。、亮点。6、亮线。、亮线。7、IC击伤。击伤。8、引线缺陷。、引线缺陷。TFT-LCD有数百万颗有数百万颗TFT单元，成百上千条引单元，成百上千条引线，因此对静电非常敏感，很容易被击伤。线，因此对静电非常敏感，很容易被击伤。 41四、四、TFTTFT结构和工作原理结构和工作原理 TFT-LCD面板构造面板构造 42四、四、TFTTFT结构

14、和工作原理结构和工作原理 TFT-LCD面板说明面板说明 G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1 SnSource 線儲存電容Gate 線液晶電容TFTcomITOCLC43AABBAATFT儲存電容(Cst)BBGDSLW四、四、TFTTFT结构和工作原理结构和工作原理 单一像素的结构单一像素的结构 44四、四、TFTTFT结构和工作原理结构和工作原理 非晶硅型非晶硅型TFT的剖面示意图的剖面示意图 45四、四、TFTTFT结构和工作原理结构和工作原理 TFT的电流的电流-电压特性曲线电压特性曲线 46TFT-LCD面板的基本驱动方式面板的基本驱动方式 Data一行一行输入一行一行输入

15、 五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 47五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 交流驱动（极性反转）交流驱动（极性反转） ITO电极ITO电极液晶不加电加电LCD DriverLCD DriverTimeVdata48五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 交流驱动（极性反转）交流驱动（极性反转） TimeVdata液晶分子在电场中的电偶极与力矩液晶分子在电场中的电偶极与力矩 49五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 交流驱动（极性反转）交流驱动（极性反转） TimeVdata液晶光阀透过率和驱动电压的方均根相关液晶光阀透过率和驱动电压的方均根相关 50五、五、

16、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 交流驱动（极性反转）交流驱动（极性反转） TimeVdata直流驱动和交流驱动对比直流驱动和交流驱动对比 ITO电极液晶加电LCD DriverPILCD DriverCPICPICLCRPIRPIRLCCPI CLC, RPIRLC51五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 交流驱动（极性反转）交流驱动（极性反转） 四种反转方式四种反转方式 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - -+ - + - + - + - + - + - + - + - + - + - +-+ - + -+ -

17、+ -+ - + -+ - + -+ - + -+ + + + +- - - - -+ + + + +- - - - -+ + + + +- -+ + + + +- -+ + + + +- -+ - + - +- + - + -+ - + - +- + - + -+ - + - +-+ - + -+ -+ -+-+ - + -+ -+ -+-+ - + -圆框反转圆框反转 列反转列反转 行反转行反转 点反转点反转 52五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 充电充电 ScanDataCLCCSTFT等效电路图等效电路图 -2.4V +2.4V -2.4V +2.4V1/480GateSo

18、urceDrain充电时间很短充电时间很短 充电和放电充电和放电 53五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电压范围电压范围 ScanDataCLCCSGateSourceDrain根据根据TFT-LCDTFT-LCD的灰阶设定方式，的灰阶设定方式，DataData驱动驱动ICIC需要精确控制电压需要精确控制电压来设定灰阶。来设定灰阶。如如8-bit8-bit（2 28 8=256=256灰阶）驱动所灰阶）驱动所需的最小灰阶电压，约需的最小灰阶电压，约8mV8mV左右。左右。假设假设Com = 5.0VCom = 5.0VVdataVdata（MaxMax）=5.0V=5.0VVdat

19、aVdata（+ +）=5.0=5.010.0V10.0VVdataVdata（- -）=0.0=0.05.0V5.0V电压太高电压太高54五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电压范围电压范围 ScanDataCLCCSGateSourceDrainDataData驱动驱动ICIC输出电压范围的降低输出电压范围的降低电容电容C C以方波充电放电的功率消耗为以方波充电放电的功率消耗为Power=Power=（1/21/2）fCVfCV2 2一般一般ICIC只能提供低于只能提供低于5.0V5.0V的电压的电压假设假设Com = 5.0VCom = 5.0VVdataVdata（MaxMa

20、x）=5.0V=5.0VVdataVdata（+ +）=5.0=5.010.0V10.0VVdataVdata（- -）=0.0=0.05.0V5.0V电压太高电压太高55五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电压范围电压范围 ComCom电压调节电压调节假设假设VdataVdata（MaxMax）=5.0V=5.0VVcomVcom（+ +）=0.0V Vcom=0.0V Vcom（- -）=5.0V=5.0VVdataVdata（+ +）=0.0=0.05.0V Vdata5.0V Vdata（- -）=0.0=0.05.0V5.0V56五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动

21、 电压范围电压范围 ComCom电压补偿电压补偿为避免直流残留效应，为避免直流残留效应，VcomVcom应取值为应取值为VdataVdata的对称中心的对称中心实际上，由于实际上，由于TFTTFT寄生电容、电容耦合效应、寄生电容、电容耦合效应、VgateVgate的影响，的影响，VdataVdata发生偏离。为补偿偏离：发生偏离。为补偿偏离：VcomVcom（+ +）=-0.2V=-0.2VVcomVcom（- -）=4.8V=4.8V57五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电压范围电压范围 VscanVscan驱动驱动ICIC电压范围电压范围ScanDataCLCCSTFT等效电路

22、图等效电路图 GateSourceDrain充电和放电充电和放电 Vgs= Vg-Vs -5.0VVgs10VVgs= Vg-Vs -5.0VVgs10VVs=-5VVs=-5V10V10V所以所以VscanVscan（+ +）=20V=20VVscanVscan（- -）=-5V=-5V为避免关机残影，为避免关机残影，TFT的截止电压的截止电压0V58五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 预充电预充电 ScanDataCLCCSTFT等效电路图等效电路图 GateSourceDrain充电和放电充电和放电 在在TFT-LCD的驱动过程中，不停地把的驱动过程中，不停地把Data线和像素

23、电极由负电极充电为正线和像素电极由负电极充电为正电极，把正电极放电为负电极。电极，把正电极放电为负电极。Data输入有一段空白的时间，利用这输入有一段空白的时间，利用这段空白的时间，可以进行预充电。段空白的时间，可以进行预充电。预充电有预充电有2种方式：种方式：1 双脉冲扫描双脉冲扫描2 电荷分享电荷分享59五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 预充电预充电 双脉冲扫描双脉冲扫描 （a）圆框反转和行反转）圆框反转和行反转 （b）列反转和点反转）列反转和点反转60五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 预充电预充电 电荷分享电荷分享 电荷分享驱动过程电荷分享驱动过程Data线上电压

24、变化线上电压变化61五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电位保持电位保持 扫描频率为扫描频率为60Hz，电位需要保持的时间为，电位需要保持的时间为16.7ms理想上，像素电压在充放电期间，可以保持所设定的电压。理想上，像素电压在充放电期间，可以保持所设定的电压。实际上，漏电不可避免实际上，漏电不可避免62五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电位保持电位保持-漏电路径漏电路径 n液晶电容漏电液晶电容漏电考虑漏电的液晶电容等效电路考虑漏电的液晶电容等效电路nTFT漏电漏电 TFT Gate极加载负电压的情况下，仍然会存在极加载负电压的情况下，仍然会存在10-12-13安培电压安

25、培电压 背光源照射的情况下，非晶硅材料会产生电子背光源照射的情况下，非晶硅材料会产生电子-空穴对空穴对63五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电位保持电位保持-储存电容储存电容Cs ScanDataCLCCSTFT等效电路图等效电路图 GateSourceDrain64五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电位保持电位保持-点缺陷漏电点缺陷漏电 ScanDataCLCCSTFT等效电路图等效电路图 GateSourceDrain漏电到漏电到Scan：形成暗点（常白型）：形成暗点（常白型）漏电点漏电点漏电到漏电到Com：形成亮点（常白型）：形成亮点（常白型）漏电到漏电到Data

26、：形成变化缺点：形成变化缺点相邻像素短路：形成一组亮点或变化缺点相邻像素短路：形成一组亮点或变化缺点65五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电容耦合效应电容耦合效应 加入电容的像素等效电路加入电容的像素等效电路 66五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电容耦合效应电容耦合效应 Data电压修正电压修正Com电压补偿电压补偿67五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电容耦合效应电容耦合效应 扫描线三阶驱动法扫描线三阶驱动法68五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 电容耦合效应电容耦合效应 扫描线四阶驱动法扫描线四阶驱动法 （a）正极性）正极性 （b）负极性）负

27、极性69五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 信号延迟信号延迟 电阻电阻-电容电路电压切换波形示意图电容电路电压切换波形示意图70五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 TFT-LCD面板驱动的综合效应面板驱动的综合效应 n充电与电荷保持充电与电荷保持n充电与电容耦合充电与电容耦合n充电与信号延迟充电与信号延迟n电荷保持与电容耦合电荷保持与电容耦合n电容耦合与信号延迟电容耦合与信号延迟 71五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 TFT-LCD面板驱动面板驱动-系统概况系统概况72五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 TFT-LCD面板驱动面板驱动-校正校正 我们前

28、面谈到的灰阶，是以等间距的亮度来区分的。我们前面谈到的灰阶，是以等间距的亮度来区分的。但是，人眼在黑暗的环境和比在明亮的环境下，对亮度的但是，人眼在黑暗的环境和比在明亮的环境下，对亮度的敏感性高很多。敏感性高很多。 根据经验，公式表示大脑的感觉（根据经验，公式表示大脑的感觉（X）和亮度（）和亮度（Y）之）之间的关系：间的关系： Y=AX 上式称为上式称为曲线，曲线，A为常数，为常数， 并非定值，约为并非定值，约为2.22.22.52.573五、五、TFT-LCDTFT-LCD驱动驱动 TFT-LCD面板驱动面板驱动-校正校正74六、六、TFT-LCDTFT-LCD工艺工艺 TFT各世代尺寸各世代尺寸 TFT世代世代基板尺寸（基板尺寸（mmmm）3代550*6503.5代680*8804代730*9204.5代730*9205代1100*12505代1213*13005.5代1300*15006代1500*18507代1870*22007.5代(8代)2160*24608代(9代)2400*280075六、六、TFT