第三章平板显示面板设计(一)

第三章平板显示面板设计（一）3.1平板显示器的构成与性能参数3.2LCD的驱动技术基础3.3α-Si:H

TFTLCD显示面板技术3.4LTPSTFTLCD显示面板技术3.1显示器的构成与性能参数3.1.1平板显示器的构成3.1.2平板显示器的性能参数1.亮度及亮度均匀性2.对比度3.灰阶4.颜色5.分辨率3.1.1平板显示器的构成1．显示尺寸:对角线2.宽高比3.像素与像素节距4.开口率像素显示画面由像素（pixel）组成像素的精致程度观察距离像素大小：ppi像素数目液晶显示器主流宽高比为16：93.1.2平板显示器的性能参数QVGA:320×RGB×2401.Resolustion(分辨率)#1#2#3#320....................#1#2#3#240

column

:320×3(R/G/B)

row

:240

分辨率:320×240=76,800SubPixel(dot):320×3×240=230,400分辨率指构成图像的像素和，一般表示为水平分辨率和垂直分辨率的乘积。平板显示器规格一览表规格分辨率长宽比像素（百万）QCIFQuarterCIF176×14411:90.03QVGAQuarterVGA320×2004:30.06CIFCommonImageFormat352×28811:90.1VGAVideoGraohicArray640×4804:30.31SVGASuperVGA800×6004:30.48XGAExtendedGraphicArray1024×7684:30.79WXGAWideXGA1365×76816:91.04SXGASuperXGA1280×10245:41.31SXGA+StretchedXGA1400×10504:31.47UXGAUltraXGA1600×12004:31.92HDTV-IInterlaceScanHDTV1920×108016:92.07HDTV-EIExtendedInterlaceScanHDTV1920×120016:102.30QXGAQuadrupleXGA2048×15364:33.15QSXGAQuadrupleSXGA2560×20484:35.24QUXGAQuadrupleUXGA3200×24004:37.68UAdvancedtelevisionsystemscommittee不同分辨率下的图像1024×1024→512×512→256×256→128×128→64×64→32×322、亮度与对比度定义亮度：指光源在某个方向的单位投影面积，单位立体角中辐射的光通量。对比度：最亮情况下的亮度与最暗情况下的亮度之比3、灰阶（灰度等级）定义亮暗间不同的明亮程度叫灰阶灰阶的分级方法以亚像素分级灰阶-空间灰度调制以像素发光时间比例分级灰阶-时间灰度调制以像素发光强度分级灰阶灰度等级：一般6－8级显示屏256级1．空间灰度调制

将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像素被选通数量，可实现灰度显示。这种方法是不需要特殊的驱动、控制技巧，其缺点：（1）不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不可能产生很多的灰度级；（2）增加了微细加工的成本，以牺牲分辨率为代价；（3）增加驱动、控制电路数量。2．时间灰度调制在一个时间单位内，控制显示选通、截止的时间长短，从而实现灰度显示。（1）

帧灰度调制以数帧为一时间单元，控制显示像素选通的帧数，即可实现灰度调制。例如取4帧为一时间单位，从全部选通到全部不选通可以实现5个灰度级别。缺点:会引起灰度级别的闪烁，由于液晶响应时间速度慢，不可能用增加帧频来解决，所以必然导致活动图象显示变慢。（2）

脉冲灰度调制调制数据脉冲的宽度，即可实现一个个像素上的灰度调制。由于液晶对过窄脉冲不能响应，所以一般限于以4位移位寄存器调制16级灰度，即列信号的宽度有16种组合。二值图像与灰度图像不同灰度级的图像4、

颜色彩色化方式亚像素法色序法彩色的正确重现景物→摄像器件→彩色分量→处理传输→显象器件→彩色景物重现空间混色TriadsandcolormixingSMPTEcolorbarscloseuponaSonyTrinitronmonitorTheSocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers亚像素法场序（pico-projector)色序法（colorsequential）3.2α-Si:HTFTLCD显示技术

1、LCD显示的基本原理2、液晶交流驱动3、均方根电压4、电光响应5、无源矩阵驱动6、有源矩阵驱动3.2.1LCD的驱动技术基础■LCDDisplay分类LiquidCrystalDisplayPMLCDAMLCDTNSTNAFLCDa-SiTFTPoly-SiTFTTFDHTPSLTPSTwistedNematicSuperTwistedNematicAntiferroelectricAmorphousSiTFTThinFilmDiodeHighTemperaturePolySiTFTLowTemperaturePolySiTFT1、LCD显示的基本原理Alightvalve（灰度实现）LightvalveLightsource加电场状态电场LCD基本操作未加电场状态偏光板背光源解偏板亮态暗态液晶分子出射光之极化状态液晶是受电场影响而扮演光阀的角色那电场是如何产生的呢……….常白和常黑模式为什么必须要有交流驱动取向膜的直流阻隔效应可移动离子与直流残留-引入内部电场2、液晶交流驱动液晶必须以交流信号驱动

长时间维持某一极性,液晶分子可能受到破坏3、驱动电压的均方根在电场作用下引起透过率变化的特性液晶器件的透过率在宽频率范围内只与驱动电压的有效值有关，而与电压波形无关。如果V（t）是加在液晶盒上的随时间周期性改变的电压，则透光率只是电压均方根Vrms的函数液晶的排列，会由其所受到的力矩在时间上的平均值来决定而力矩与电压的平方成正比4、LCD的电光响应NWTNLCD的相对透过率随着施加在液晶盒上的数据电压的变化关系曲线（T与电压均方根值Vrms之间的关系曲线）。Vth=1.2V，Von=4.06V，K=1.09，T(Vth)=0.985,T(Von)=0.001电光特性的几个参量T——相对透过率Vrms——电压均方根T0——周期p——电光陡度5、无源驱动（1）无源矩阵驱动原理（2）交叉效应与对比度（3）提高扫描行数和对比度的方法（1）无源矩阵驱动原理

在X电极（扫描电极）上按时间顺序施加上一串扫描脉冲电压。与X电极同步，在Y电极上分别输入选通电压波形和非选通电压波形，使该行上若干像素点被选通。信号（列）电极扫描（行）电极

假设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为Tf，那么一行所占有的选通时间为一帧时间的Tf

/N（占空比系数）。在同等电压下，扫描行数的增多将使占空比下降，从而引起液晶像素上的交变电场电压的有效值下降，降低了显示质量。（2）交叉效应(crosstalk)在动态驱动方式下，某一液晶像素(选择点)呈显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点)都处在非选状态下，与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称之为半选择点。该点的电场电压处于液晶的阈值电压附近时，屏上将出现不应有的半显示现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”。交叉效应的主要原因:（1）液晶器件具有双向(通导)特征，外加电压只根据阻抗大小来分配电压。（2）电光特性不陡。

假定所有像素开始时都处于暗态(不透明)。先在电极X1上加电压Va，并让Y1电极接地，而让其它电极开路。当外加电压Va足够高时，像素P12、P2l和P22上也会有Va/3电压，所以这些像素也会逐渐转变为亮态。随着行、列电极数日的增大，交叉效应的程度会加剧。22矩阵液晶显示屏及其等效电路抑制交叉效应的措施:在非选择点上施加适当电压，达到提高非选择点的电压，降低半选择点的电压，则结果是拉开了选择点与半选择点间的电压差，而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差。交叉效应的主要表现：（1）选择点与半选择点电压接近，当外加电压超过Vth后，半选择点也会逐渐呈显示状态，使对比度下降；（2）半选择点与非选择点上电压不一样，如果它们由于交叉效应而变明（或变暗）状态不一样，则造成图面不均匀。

•最佳偏压法

由于液晶显示器在电场作用下的响应时间总是大于每行的作用时间，并且经常大于一帧时间，所以要使液晶显示需要数帧电压作用的积累，电压的作用不取决于电压的瞬时值，而是在数帧时间的有效值(rms值）。如要知道液晶显示器的对比度，就要求出某像素点作为全选择点的电压有效值和作为非选择点电压的有效值，它们的比正比于选通状态下的透过率。抑制交叉效应帧频25Hz，场频50Hz，行频15625Hz作为全选择点时，在一帧时间内，只有一行的时间施加的电压为V0，其余N-1行时间内施加的电压为-V0/b，所以作为全选择点的均方电压为：

b为偏压比作为非选择点时，在一帧时间内，总有一行的时间处于半选择点，施加的电压为（b-2）V0/b，其余N-1行时间内施加的电压为-V0/b，所以：为了减小交叉效应，获得良好对比度的图象，必须(常黑模式）

定义一个表示工作电压范围的裕度：Vsat是显示像素透光率刚好达到饱和的电压因为行数N已给定，必有一个b值使=max。由b=0可求得：

这时，所以，对于每一个最佳偏压比，使值为最大。阈值陡度P（扫描行数设计的依据）：

因为P<max，液晶屏扫描电极数目N由下式限制：TN型器件的P为1.2-1.5，可驱动3-8路；STN型器件的P1.05，最大可驱动的路数为256。有源矩阵液晶显示器件的分类6、有源驱动在三端器件方式中，扫描寻址的控制信号和显示信号完全分离，可以独立进行优化，容易得到高的显示质量。3.3.1α-Si:HTFTLCD像素架构

单元像素架构像素阵列架构3.3α-Si:H

TFTLCD显示面板技术CsonCOM像素结构与像素等效电路CsonGate像素结构与像素等效电路CsonCOM结构的截面图Array架构示意图(电路）G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource线储存电容Gate线液晶电容TFTcomITOCLC2.像素阵列架构Array面板信号传输与工作原理100umGateDriverSourceDriverGate电压依序输入GateLine，整条TFT依此順序On/Off。Sourcebusline依Gate电压順序，将对应于各像素Data的Source电压(Vs)输入。滤色器（CF）与TFT的集成

3.3.2α-Si:HTFTLCD面板制造技术

1.TFT-LCD的生产流程五次光刻的TFT背板工艺技术

CC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitora-SiTFTTFTStructureDepositandpatterngatemetalFunctions:GateofTFTSelectlinesBottomelectrodeofstoragecapacitorMetaloptions:Ti/Al/TiAl/MoCrMoCC'Cross-sectionCC’a-SiTFTarrayprocess–step1溅镀

钛铝钛合金

厚度500/1800/1000Aa-SiTFTarrayprocess–step2DepositionofSiN/a-Si/n+byPECVD,patterningofa-SiSiNisgatedielectricandstoragecapacitordielectricSelectiveetchofa-SiSiNisnotetchedCC'SiNa-Si/n+a-SiTFTarrayprocess–step3Depositionandpatterningofsource/drainmetalFunctions:SourceanddrainmetalDatalinemetalMetaloptionsTi/Al/TiorTi/AlCrMoorMo/AlBacketchofn+a-SifromchannelareaCC'500/1800/1000Aa-SiTFTarrayprocess–step4Depositionandpatterningofpassivation

SiNbyPECVDFunction:PassivateTFTCC'并且做VIA层(使电信号导入panel)a-SiTFTarrayprocess–step5DepositionandpatterningofITOFunction:PixelelectrodeTopelectrodeofstoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitorCC'ITOpixelelectrodeCross-sectionC-C’SelectlineDatalineStoragecapacitora-SiTFT4次光刻工艺采用了配置有非完全曝光图形的掩模板的曝光工艺叫做灰度掩模板（GTM）光刻4mask蚀刻工艺湿刻蚀原理G-WE反应机理D-S-WE反应机理PI-WE反应机理湿刻工艺性能栅极刻蚀：形状控制；线宽控制源漏极刻蚀:4次和5次光刻不一样像素电极刻蚀3.3.3α-Si:HTFTLCD的像素级驱动原理1、交流驱动（极性反转）2、

信号写入与保持3、电容耦合效应4、延迟++++++++++++++++----------------FrameInversion++++----++++--------++++----++++rowInversioncolumnInversion+-+-+-+-+-+-+-+--+-+-+-+-+-+-+-+dotInversion+-+--+-++-+--+-+-+-++-+--+-++-+-2-lineInversion+-+-+-+--+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-×:bad,△:Normal,○:Good

常见像素阵列极性反转方式1、交流驱动帧反转方式，如果整个显示在第一帧被正电压刷新，则第二帧被负电压刷新。行极性反转，在一帧图像内，如果奇数行加正电压，则偶数行加负电压。在下一帧信号输入时，奇偶行的电压极性互换。列极性反转，极性变换同行反转类似。点反转方式，相邻像素点的电压极性相反。列反转和点反转在功耗和图像质量方面有较大的改进。直接驱动法能提供上述所有的4种反转方式，而Vcom反转方式仅能提供帧反转和行反转。闪烁是影响TFT-LCD图像质量的一个因素。帧反转方式的闪烁是最强的；而点反转方式闪烁是较弱的，图像质量是最好的。交叉串扰是影响图像质量的另一因素。交叉串扰是由于相邻像素具有相似电压极性而引起的误显示。相邻像素使用不同的极性反转方式有助于消除交叉串扰。直接驱动法的反转方式能消除在行方向和列方向的交叉串扰2、信号写入GDSVGS>VTHVSDDSG

TFT元件在栅极(G)给于适当电压(VGS>VTH:起始电压)使通道感应出载流子(电子)而使得源极与漏极间导通。DSGGDSCchargecom

VGS>VTH充电要求：充电电流充放电电流不是恒定电流（VDS变化），充电电流降低比放电时严重，这时VGS会因为源极电压变化而变化充电时间N行，≤Tf/N。数据格式、延迟效应电压范围电压范围数据IC电压范围最小灰阶控制电压:8bit,8mV;6bit,30mV最大充电电压范围0-10V（极性反转，共电极设为5V）共电极电压（Vcom）跳变原理（降低IC的输出电压？降低功耗？）公共电极电压范围公共电极电压补偿扫描驱动IC的电压范围开启电压Vg=20V，VGS>10V截止电压Vg<-5V，VGS=0V共电极直流电压驱动与电压调变驱动的电压波形比较不会设置在对称中心5V，而在4.8V，-0.2V为共电极电压补偿△V信号保持要求其中，dVhold是数据信号的最小电压差,dthold电压的保持时间漏电的路径液晶电容的漏电参数：ɛLC=3-12，ρLC=1013Ω·cm，符合电位保持的要求TFT的漏电：10-12-10-13A，不是定值点缺陷型漏电（缺陷现象？）漏电至扫描线、漏电至共电极、漏电至数据线、漏电至相邻像素存储电容作用：减低漏电流（增大Chold），既不能太大（开口率、充电的要求？），也不能太小？存储电容的参考电压（连接方式）存储电容的参考电压固定参考电压前一条扫描线共电极电压提高开口率！！3、

像素中的电容耦合效应电容耦合一个由数个电容所组成的电路，所有电容的一个电极全部连接在一起，另一个电极各自连接到不同的电压源，在电容相连接的电极没有任何直流路径可以流入或流出的前提下，若其中一个电容C所连接的电压源变化了△V，则在相连接的电极上的电压变化量为：像素中的电容TFT本身的寄生电容像素电极与扫描线间的寄生电容像素电极与数据线间的寄生电容造成信号延迟与驱动负载的寄生电容像素等效电路与像素电极相连的电容连接至下极板共电极的存储电容Cs、接至上极板共电极的液晶电容CLC，TFT的寄生电容Cgd，接至本身数据线的电容Cpd，接至相邻数据线的电容C’pd,接至本身扫描线的电容Cpg，接至相邻扫描线的电容C’pg负载电容扫描线和数据线间的电容Cx1，下极板共电极和数据线间的电容Cx2，TFT的寄生电容Cgs，数据线和上极板间的电容Cd0，扫描线和上极板间的电容Cg0.扫描线的电容耦合效应TFT由开变关，扫描线电压由Von变为Voff，变化量为Voff-Von忽略Cpd，C´pd，Cpg与C′pg，得到△V与Voff-Von成正比，与TFT的寄生电容成正比，与TFT的寄生电容、存储电容、液晶电容的和成反比VCVCOMT1△v△v第一场第二场T2VgGVdVP驱动波形图△v1.

Vg为扫描线电压，Vd为信号线电压，分別加在TFT的栅极，源极。2.

在T1时域(水平选择期间)TFTON，像素电极电位Vp会被充电至信号电位Vd

。在T2时域(非选择期间)TFTOFF，在OFF的瞬间，Vp

会下降△V。两个效应使像素最后显示的灰阶偏离原来写入电压所希望表现的灰阶使原来数据线写入正负极性大小对称的电压向下偏离而产生直流残留效应解决扫描线电容耦合效应的方法1、减少变化量,降低Cgd，增加总电容2、数据线电压补偿将电压变化量|ΔV|加在所希望的像素电压上，即Vp+|ΔV|3、共电极电压补偿（补偿平均值）4、液晶电容的影响，ΔV有最大值和最小值液晶电容与VLC有关，因此ΔV（V）与所显示的灰阶有关5、制程变化的影响导致各电容变化不同灰阶下变化量和像素电压的关系极性灰阶对应电压/V液晶电容/pF储存电容/pFTFT寄生电容Voff-Von/VΔV/V数据线补偿电压/V正极性04.06-20-0.5564.55613.11.00.90.06-20-0.6123.710.06-20-0.6453.2450.06-20-0.6822.880.06-20-0.7232.5230.06-20-0.7692.0690.06-20-0.8221.4220.06-20-0.9521.052液晶电容？数据线电压补偿？共电极电压补偿？存储电容在扫描线上存储在前一条或下一条扫描线上当扫描线愈多时，相邻扫描线对液晶电压均方根值影响愈小；前一条扫描线电容耦合效应对液晶电压直流分量影响愈小。适合高分辨率的TFTLCD。像素等效电路扫描线三阶驱动法扫描线数很多时，像素电压在几条扫描线的时间比例下，对一帧显示的液晶跨压均方根与直流成分影响不大无论在TFT打开之前的像素电压如何，TFT打开后，会将像素电压充放电至数据电压只要在TFT的电流小到符合电位保持的需求，TFT关闭电压是一个范围。

4、

信号延迟信号延迟原理一条有N个像素单元的扫描线或数据线上，假设总电阻和总电容分别为R和C，则一条信号线可以视作一维分散型电阻-电容串联电路扫描线上的信号延迟扫描线上的亚像素等效电阻ρscan扫描线金属电阻率；Lscan亚像素宽度；Ascan扫描线的截面面积；Wscan扫描线金属的宽度；tscan扫描线金属的厚度扫描线上的亚像素等效电容把除了扫描线本身以外的其它信号源都视为接地数据线上的信号延迟数据线上的亚像素等效电阻数据线上的亚像素等效电容扫描线的信号延迟比数据线严重很多。数据线电阻低、厚度厚，扫描线在行的方向经过的亚像素数目比数据线在列方向多3倍共电极的信号延迟在像素阵列中的公共电极电压，可能会由电容耦合效应而受到其它信号的影响，而被拉离原来设定的直流电压，此时需要从公共电极电压源重新