TFTLCD制造工艺分析课件

1、SUSTTFT液晶显示器制造工艺 第1页，共69页。2、IPS模式第2页，共69页。一、IPS模式的结构IPS是“In Plane Switching”（共面开关）的缩写，IPS模式是又一种获得广泛应用的广视角模式。IPS模式把这一对电极都制作在下基板上（上基板无电极），通过控制加在这一对电极之间的横向电场来控制液晶分子的排列。所以IPS模式也称为横向电场模式。 第3页，共69页。In-plane switching ( IPS ) : l d,w早期的 Hitachi IPS0第4页，共69页。Hyundai and SamsungIPS VA with 0P A V = 0 , excel

2、lent dark state V 0 , near edges equivalent two-domain第5页，共69页。具有介电各向异性为负的向列相液晶分子在基板间均匀平行沿面排列；梳状内信号电极和公共电极用来产生横向电场， 以改变液晶分子的光轴在平行于基板平面内的方位角，控制透光率。第6页，共69页。第7页，共69页。两偏振片正交设置，起偏器的偏振化方向与下基板表面处液晶分子指向矢平行；这种结构对在无电场时获得纯黑态有重要意义 。第8页，共69页。二、IPS模式的工作原理非选择态，起偏器的偏光轴平行于液晶分子指向矢；当入射光经起偏器得到的线性偏振光；偏振光射入基板处液晶层时其偏振状态不

3、会发生变化。第9页，共69页。液晶分子均匀平行沿面排列，入射线偏光在经过液晶层时也不会发生旋转。上下偏振片的正交设置，使得该线偏光完全被检偏器阻隔，这样就可以得到几乎接近纯黑的暗态显示。第10页，共69页。选择态：在梳形内数字电极和公共电极之间施加横向电场作用；具有的液晶分子将转向与该电场的方向排列；第11页，共69页。通电后产生扭曲角(分子指向矢与入射侧偏振片偏光轴的夹角)，这样一部分光就可以从检偏器射出，得到亮态显示；液晶分子在盒厚方向倾角始终为0，所以IPS模式中液晶分子表观长度的视角相依性极小。 第12页，共69页。第13页，共69页。三、IPS模式特性分析IPS模式暗态时液晶分子没有

4、扰动，入射光完全被检偏器阻断，与视角无关，因此，无论是垂直还是水平方向，80内均没有阶调反转现象；IPS模式的对比度可达500：1以上。第14页，共69页。第15页，共69页。IPS模式显示的电压保持率很高。其电压保持率几乎不随液晶材料电阻率的变化而变化，只需采用价格较低的液晶材料，如氰基化合物等，就可以获得和TN模式相当的电压保持率；所用液晶材料设计的自由度也大，可全面提高显示性能。 第16页，共69页。IPS模式视角特性的方位对称性不佳，在某些方位角视角范围不够宽；为了解决这个问题，可将电极形状设计成下图所示的形状：在一个像素范围内使梳形电极折成齿状，形成液晶分子可左、右旋转的两个区域，因

5、而获得分割取向，使视角特性得到补偿这种改进型的IPS模式为Super-IPS模式。 第17页，共69页。第18页，共69页。 Super-IPS模式 的视角特性 第19页，共69页。IPS模式上下电极（材料一般为Cr或Al）都做在下基板上，使得开口率下降，相同条件下透射光强度下降，从而导致对比度下降（要获得与TN模式相当的对比度就得加大背光源的亮度）。第20页，共69页。Figure-on-plane ( FOP ) IPS mode (ERSO)Conventional IPS : metal electrode Aperture ratio of TNFOP IPS : ITO elect

6、rodes Aperture ratio 80% of TN第21页，共69页。第22页，共69页。Fringing Field Switching (FFS)Developed by Hyundai : ldAnother way to improve the aperture ratio : unlike the IPS mode , there is no dead zone prohibiting transmittance 第23页，共69页。Fringing Field Switching (FFS)No dead zone prohibiting transmittance第24

7、页，共69页。IPS模式下控制液晶分子排列状态的电场是通过下基板上相应电极施加的；由于相邻电极之间的距离比普通TN模式液晶盒的上下玻璃基板更大，这就导致在相同驱动电压下两电极之间的电场强度相对较弱（与普通TN模式相比），其结果就是响应速度变慢。若要提高响应速度，就必须加大驱动电压，从而使功耗增大。第25页，共69页。3 MVA模式多畴垂直取向模式第26页，共69页。一、 VA模式VA模式在不加电压时，液晶分子垂直于基板表面排列；使用负性液晶；第27页，共69页。非选择态经起偏器得到的线偏光就可以不受任何影响的穿过液晶层，到达检偏器。上下偏振器正交设置，线偏光将完全被检偏器阻挡得到的“纯黑显示”

8、状态与视角无关。这种“纯黑状态”使得VA模式的对比度大大提高。第28页，共69页。选择态在电极和公共电极之间施加电场作用；具有-的液晶分子将转向与该电场垂直的方向排列；通电后产生液晶分子旋转，一部分光从检偏器射出，得到亮态显示。第29页，共69页。第30页，共69页。与TN模式相比黑态更黑第31页，共69页。灰度等级更多第32页，共69页。与TN模式相比，由于VA模式去掉了液晶分子的扭曲结构，工作时液晶分子的排列状态只在水平和垂直两种状态之间变换，所以VA模式的响应速度大大高于普通TN模式。阈值特性非常陡峭；可用于大容量直接矩阵显示器。 第33页，共69页。VA模式的电光特性曲线在靠近阈值部分

9、基本没有色分离。在垂直入射光情况下，可在屏法线方向获得极好的黑白显示。与普通TN模式一样，在产生灰阶图像显示时VA模式同样存在着视角范围窄及视角方位不对称的缺陷。第34页，共69页。第35页，共69页。二、 MVA模式普通的单畴VA模式，为获得中间灰阶显示，液晶分子需均匀倾斜排列，正是液晶分子的这种均匀倾斜排列使得液晶分子的表观长度出现了视角相依性，从而导致了视角问题的出现。第36页，共69页。观察角度不同,获得的亮度不同第37页，共69页。为了解决这个问题，采用分割像素法。分割像素法的最主要特点是控制每个像素中的液晶分子沿多个方向倾斜排列，这样液晶分子具有对称取向，在光学上得到互补，从而解决

10、了液晶分子表观长度的视角相依性。 第38页，共69页。双畴垂直取向模式第39页，共69页。采用双畴取向的液晶盒的视角特性图 第40页，共69页。视角达到40也未出现阶调反转，其等对比度视角范围为枕形结构，而且等对比度为10的上下视角范围还比较窄。为进一步改善视角特性，以便在所有方向都获得较好的对比、亮度和色饱和度，需引入了多畴取向技术。 第41页，共69页。 采用4分割像素法，即产生4畴，即可展宽上下、左右视角范围，而且上下、左右具有几乎相同的对称视角范围。 理论和实践表明，即使把像素分割数增加到4分割以上，其视角特性已无多大改进，而且4分割之后已观测不到阶调反转现象。 第42页，共69页。2

11、.多畴取向的实现 在普通TN模式中，利用单纯的摩擦取向技术就可以使液晶分子获得稳定的单畴及双畴取向。但随着畴数增多，对取向精度要求越来越高，此时传统的摩擦取向技术已经无法适应批量生产的要求。为了改变这种现状，富士通公司开发了一种不需要摩擦的特殊取向技术：在基板上设置一层脊状小凸起。 第43页，共69页。自动成畴技术（ ADF技术）要点：不加电时，使大部分液晶分子垂面排列（小凸起处少数分子在坡面的作用下发生略微倾斜）；当施加电压时，小凸起周围将获得倾斜电场，首先使得位于小凸起坡面上的液晶分子1和1按图示的方向旋转，受1和1旋转的影响，处于小凸起周围的液晶分子（下图中的2、2，3、3和4、4）也朝

12、和1、1相同的方向旋转，这样液晶盒内所有液晶分子就可以获得稳定的双畴取向。我们将这种取向技术称为ADF(Automatic Domain Formation：自动成畴)技术。第44页，共69页。第45页，共69页。第46页，共69页。只需要改变基板上小凸起的排列方式，就可以获得我们所需要的任意液晶畴。这就是MVA模式液晶盒结构的主要特点。三、MVA模式原理及特性分析 1. MVA模式工作原理将多畴技术应用在VA模式中，就获得了又一种广视角模式MVA模式。 第47页，共69页。MVA模式的液晶盒结构如下图所示 MVA-LCD结构第48页，共69页。MVA模式的工作原理：非选择态，在取向膜的作用下

13、，绝大部分液晶分子垂面取向，上下偏光片正交设置，无场时为暗态。选择态，上下小凸起间产生倾斜电场，使得液晶分子变成倾斜取向。由于液晶分子的双折射效应，入射线偏光经过倾斜取向的液晶层后变成椭圆偏振光，就会有光从检偏器射出得到亮态显示。随着电场的加大，透射光强度也相应增大。第49页，共69页。当前MVA-LCD中采用的都是4分割像素法，每个像素被分成4个畴区。4分割像素法中小凸起的排列方式设计成上下基板小凸起均设置成间隔均匀的Z字形平行条状，且上下小凸起交替排列。这样在施加电压时，液晶分子就可以获得4个不同的取向状态，亦即形成4个畴区。可以证明，在这种排列方式下，当偏振片的吸收轴与液晶分子长轴成45

14、时，入射光的利用率最大。 第50页，共69页。小凸起排列方式设计 第51页，共69页。MVA廣視角技術(ii) 影響液晶分子配向的參數突出物高度(h) :高度, 透光率, LC 配向穩定性突出物間距(s) :間距, 透光率突出物寬幅(w）突出物材料的誘電率(P)突出物材料的阻抗率(P)第52页，共69页。(a)突出物高度(h) :高度, 透光率, LC 配向穩定性(b)突出物間距(s) :間距, 透光率第53页，共69页。第54页，共69页。第55页，共69页。Stanley MVA 模式每个电极均开孔第56页，共69页。IBM RFFMH第57页，共69页。Fujitsu MVAPhase1

15、第58页，共69页。Fujitsu MVA Phase1 第59页，共69页。 2.MVA模式的特点 a、宽视角，高对比，响应速度快多畴取向技术的引入使得MVA-LCD的视角特性得到很大改善，水平和垂直方向视角都可以达到80以上，而且高度对称，即使在45方向也在50以上；MVA模式继承了VA模式高对比、响应速度快的优点，在水平和垂直方向当视角为80时其对比度还能达到30：1，甚至在90时对比度仍可保持在10：1以上。MVA-LCD的对比度已经做到800：1，响应速度也在8ms左右。第60页，共69页。 VA-LCD和MVA-LCD视角特性对比 第61页，共69页。MVA-LCD中不存在阶调反转

16、现象。显示色彩的视角相依性也大大降低，使得其色彩还原能力进一步向传统CRT显示器件靠近。 b、取向不需摩擦，良率高在普通TN-LCD中采用摩擦取向技术使液晶分子（在不加电状态下）获得某种特定取向（即形成“单畴”）。摩擦取向技术简便，适合批量生产，一直被沿用，但它的静电吸尘（摩擦过程中易引入杂质）、表面损伤、大面积不均匀（很难将摩擦线的均匀度控制在可接受范围内）等问题，已经不能适应高性能（高精细、广视角）显示器件的要求。 第62页，共69页。在MVA模式中，要求每个像素内的液晶分子形成4个不同取向状态（即形成“多畴”），此时传统的摩擦取向技术就显得无能为力了。MVA-LCD中采用的ADF技术很好

17、的达到了取向要求。ADF技术的应用使得MVA-LCD面板的制作过程中省去了摩擦工艺，缩短了制作流程；同时由于不存在摩擦工艺常引入的那些问题，从而提高了良率。 第63页，共69页。MVA和TN/IPS模式中的取向技术第64页，共69页。四、三种广视角技术比较 三种广视角技术的性能进行对比，如下图 第65页，共69页。TN+Film方式是所有广视角技术中最容易实现的方法，只需将一层特殊的补偿膜（广视角膜）加在面板表面就可以使水平视角从45改善到70及垂直视角从30改善到45，而且良率极高（几乎与传统TFT-TN相当）。不过，由于这种方式仍无法完全解决阶调反转问题，而且在响应速度和对比度两方面仍然没有改善，因此常用于低端小尺寸显示器件。 第66页，共69页。IPS模式是由日立开发的，现在NEC及Nokia也在采用这项技术。这种模式的最大优点是可将视角增加到85度，但是该模式的其它显示性能还是无法改善：响应时间在30毫秒左右，甚至