液晶显示基本知识

液晶显示器设计绪论

以液晶为代表的平板显示器和半导体集成电路是信息产业的两块基石，而液晶涉及的范围更广，带动的基础产业更多，发展潜力更大，具有无限商机。高效率的制作质量优良，式样新颖，价格便宜，广受市场欢迎的平板显示器产品，是企业核心竞争力的集中体现。液晶显示器产业是一个包罗万象的庞大系统，既需要实力雄厚的跨国公司，更要求有大量的中小型企业作为后盾。没有坚实的基础，没有长期的研究，开发及产业化经验的积累要想在高手如林的平板显示器行业中占有一席之地是很不容易的。作为一个参与者，要想在产业化大潮中跟上步伐，参与竞争，并有所作为，绝非易事，首先需要对液晶显示器的原理，设计，制程，性能改进与提高有比较透彻的了解。其中最核心的是“TFT-LCD产品的制作”，掌握了这方面的知识和本领，可以“以不变应万变”。课程体系与主要内容液晶显示器按照驱动方式可分为：1、无源矩阵液晶显示器（单纯矩阵或DSTN（dual-scantwistednematic）双扫描交错液晶显示）

在两块玻璃基板内表面的透明电极上施加电压，使两电极的交叉部位（像素）着色而进行显示，依电极结构可分为字段型和点矩阵型。字段型多用于显示数字，文字等固定的图形，点矩阵可通过组合而任意显示。这两种既可以采用静态驱动，也可以采用动态（多路）驱动方式。2、有源矩阵液晶显示器在封入液晶材料的其中一个玻璃基板上阵列布置薄膜三极管或二极管等元件，由其控制每一个像素，构成有源矩阵，适用于多像素动态驱动。从这两个方面本课程的内容体系就分为两条线：一条主线和一条副线1、副线：无源液晶显示屏的设计（以由字段和点阵构成的屏为例），内容包括：液晶显示器基本知识；外观设计；显示内容设计；逻辑走线设计；掩模版设计（副线）2、主线：有源矩阵液晶显示屏设计（以TFT为例），内容包括：液晶显示基本知识；TFT操作原理；参数设计与图形绘制；CF的制程与设计3、设计对象：两块玻璃之间（cell盒）预期结果

通过本课程的学习，要求大家不仅要熟悉液晶显示器件的原理，工艺流程，基本概念，更要掌握设计的基本思路与考量，基于相关软件，能够独立完成ARRAY基板，CF基板，CELL盒的设计。参考书籍1、田民波，叶锋《TFT液晶显示原理与技术》科学出版社2、田民波，叶锋《TFT-LCD面板设计与构装技术》科学出版社3、戴亚翔，《TFT-LCD》面板的驱动与设计》清华大学出版社4、电子行业职业技能鉴定指导中心组编《液晶显示器件制造技术》人民邮电出版社第一章液晶显示基本知识1、液晶显示器件的基本结构与主要部件2、LCD制造工艺3、液晶光阀及其控制4、液晶电容5、TFT-LCD操作原理及架构6、名词解释第一节液晶显示器件的基本结构与主要部件液晶显示器是一个由上下两片玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料－框胶（一般为环氧树脂）密封，盒的两个外侧贴有偏光片。上下玻璃片内侧，镀有由透明的氧化铟－氧化锡（简称ITO）导电薄膜形成的电极图形，上下电极交叠处（像素）可以产生电场，控制液晶分子的状态，形成显示。对于无源矩阵显示，上下电极是具有一定图形的，而对于有源矩阵显示，下电极是由和TFT的一个端子相连的近似长方形的ITO电极形成阵列组成，而上电极一般是对应整个显示区域的连续ITO作为公共电极。因此，对于无源矩阵，ITO薄膜不仅要以本身在上下基板的形状来控制显示图形，而且，它还要作为与外部连接的导线，来传送信号。而对于有源矩阵，下基板的ITO只存在于像素区域，和外部信号的连接依靠TFT，而在上板，在CF的表面覆盖一层ITO，信号是通过接触孔和下板接通从而获得信号的。总之，无论哪种显示器件，其上下基板的ITO交叠区域构成一个一个像素。1、基本结构无源矩阵基本结构无源矩阵上下基板ITO图形Polarizerfilm上偏光板TFT元件Sealant框膠AnisotropicConductorFilm異向性導電膠TapeAutomaticBondingACFTimingControlIC(ASIC)PrintedCircuitBoard印刷電路板DriverIC驅動ICLightdiffuser擴散片Spacer間隔劑Waveguideplate分光片PrismsheetReflector反光板Edgelight燈管罩Polarizer下偏光板Displayelectrode畫素電極Capacitor儲存電容Liquidcrystal液晶Alignmentfilm配向模Commonelectrode共通電極ColorFilter濾光器BlackMatrix遮光區Glasssubstrate玻璃基板有源矩阵基本结构CscCscCscTFTSubstrateColorFilterSubstrateRowDriversColumnDriver有源矩阵上下基板电极图形2、主要部件与材料（参考教材第八章P201－270）

液晶显示器由于类型，用途不同，其结构不可能完全相同，但是其基本结构却大同小异。构成一个LCD器件的主要部件和材料有：

ITO玻璃基板液晶材料取向膜材料光学薄膜彩色滤光片背光源（1）玻璃基板（参考教材P201-P217）在液晶显示器中，因为要在玻璃基板上形成布线，TFT阵列，彩色滤光片等，因此玻璃基板是组成LCD面板最重要的材料之一。TN和STN以及简单矩阵用的玻璃基板一般使用含碱成分的碱石灰玻璃和低碱硼硅酸玻璃，而TFT的玻璃基板一般用玻璃组分中不含碱的无碱硼硅酸玻璃，这是因为碱组分会影响TFT的特性。玻璃基板的制造工艺大致分为两个方面：一是制造玻璃原板的熔化，成形工艺，二是加工为玻璃基板尺寸的工艺。形成玻璃的方法有熔化下拉法，槽下拉法，浮法等。成形玻璃按照用途进行切割，边缘处理清洗检查再进行包装。玻璃基板的特性主要有：需要具有耐热性耐化学腐蚀性，具有一定的密度和机械特性，这是由玻璃组成来决定的；热缩性，内部，表面缺陷以及平整度，板厚及其均匀性取决于玻璃基板的熔化成形退火等制造过程。其尺寸精度，边缘精加工精度，表面缺陷，光洁度，洁净度取决于玻璃基板的切割，边缘精加工，研磨，洗净等二次加工的质量。（2）液晶材料(P264-270)液晶相化合物具有棒状分子或板状分子形状，根据分子排列状态分为向列相，近晶相和胆甾相。液晶材料依显示方式不同而使用不同的材料。1、TN用液晶材料：TN用液晶材料需要介电常数各向异性为正的液晶化合物（Np）其主要成分是在分子结构末端有氰基（CN）的化合物，如席夫碱类，酯类，联苯类，苯基环己烷类，吡啶类，二噁烷类和乙烷类。2、简单矩阵用液晶材料：简单矩阵为实现高清晰度必须大大改进陡峭特性，因此STN用液晶物理性质与TN用是不一样的，STN用需要K33/K11值大的材料。如酯类，PCH以及链烯基类。3、TFT用液晶材料：TFT用液晶材料基本上都是含氟化合物的组成物，因为这类材料电压保持率高。（3）取向膜材料将液晶物质填充于两个电极间，为得到一样的排列而用取向膜。已经提出来的取向方法有斜蒸镀法，高分子拉伸法，摩擦法等。最常用的取向剂有聚乙烯醇（PVA），聚酰亚胺（PI），因为PI热稳定性好，摩擦处理所产生的功能在此后的工序中仍能保留，且其耐热性良好。从而成为主流材料。TN方式的液晶元件要求有1-2度的预倾角，只用PI就可以了。而STN需要有大于5度的预倾角，所以要在聚酰亚胺中用长链烃基或氟原子，根据其引入的量来控制预倾角。对于TFT最重要的是电压保持率要高，而且要克服由于电极电场引起的显示不均匀的问题，所以要求其预倾角要大，一般通过对聚酰亚胺引入最佳的长链烃基来解决。（4）光学薄膜(参考教材P217-229)这里主要介绍一下偏振片。一般情况下，偏振片是将碘或有机染料等二色性染料染色或吸附于母材薄膜（如PVA），并将其高度拉伸，取向以产生吸收二色性的作用。液晶用偏振片要求其偏振度高。透射率大。保護膜TAC膜PVA膜TAC膜感壓膠離型膜（5）彩色滤光片(P144-162)以TFT中使用的彩色滤光片为代表来介绍。在TFT中，彩色滤光片基板是作为液晶面板的前面板，与TFT基本相对置而叠合。因此，必须搞好定位，使彩色滤光片的各单元与TFT基板各像素相对应，进行有序排列。彩色滤光片由如下四种构件组成：遮光用黑底，一般是溅射法形成的单层金属铬膜。因其反射率小且与玻璃结合力优异。彩色显示用的红绿蓝色层，一般通过染料法，颜料分散法，印刷法，电解沉积法或喷墨法来形成。保护色层透明膜，驱动液晶用的透明导电膜。（6）背光源(P233-256)背光源大致结构有正下方型和侧灯型。正下方型是在液晶面板正下方设置导光板，在导光板边缘端设置光源，用导光板射出的散射光照亮液晶面板。正下方型可以设置很多光源，因此可以达到高亮度，但薄形化很难。侧灯型通过把导光板做得很薄，可以实现背光源的薄形化，但是光源设置空间受限制，很难实现高亮度和大型化。组成背光源的构件有光源，导光板，反射板，漫射板以及棱镜板等。1、玻璃基板工程TFT：下基板工程：ARRAY制程（光刻技术，镀膜技术）上基板工程：CF制程（光刻技术，涂膜技术）无源器件：信号电极基板和扫描电极基板（光刻技术）2、液晶盒组装工程摩擦取向；隔离子散布；涂封框胶；对位压合；液晶灌注；贴偏光片3、模块组装工程驱动IC的组装（TAB,COB,COG）；背光源的组装第二节液晶显示器件的制造工艺流程（参考教材第7章）1.1ARRAY制程

在array基板上，主要是由显示图像的像素，控制向像素写入数据的薄膜三极管以及存储数据信号的电容器组成。因此array制程就是利用薄膜沉积和光刻技术在玻璃基板上形成薄膜状态的TFT，电容和像素电极。

Source線GDSGate線CstCLCComVgVsCgsTFT的结构及工作原理(P110－111)薄膜绝缘栅场效应晶体管，简称薄膜晶体管或TFT（ThinFilmTransistor）,它是用薄膜沉积技术制作在绝缘衬底上，由一个源极（S），一个漏极(D)，一个栅极(G)，一层半导体和一层绝缘体组成，其中源，漏极必须与半导体具有欧姆接触。具体结构可以有很多种，但是基本结构只有两种：即平面型结构和交错（交叠）型结构，如图所示，平面结构是S,D,G电极都配置在半导体之上或之下，几乎在同一平面上，交错结构中的S,D电极在半导体的一侧，G极在半导体的另一侧，在实际应用中究竟使用哪种结构，根据具体的应用，材料，工艺和设备条件来选择。在TFT中，最常用的绝缘材料是SiOx,，SiNx，Al2O3，电极材料是铝，金，镍－铬，钼－钽等，半导体材料有CdS，CdSe，a-Si和p-Si等，基片材料有玻璃，石英，蓝宝石等。平面型结构交错型结构

工作原理：TFT的工作原理是以控制源，漏电极间导电沟道的电阻为基础的，在TFT或任何其它的绝缘栅场效应管（如MOS管）中，电流被调制的方法都可以用一个平板电容器来说明。如图所示，在两个金属极板之间夹一层绝缘介质组成一个平板电容器当电压加到A和B之间时，电子从上电极被拉出，被迫流入下电极，而下电极的电导与其中存在的电子总数密切相关，由于电子的增加，其中的电导就应该增大。然而由于金属极板中已经有太多的电子，所以电导的变化不大，如果将金属下电极用半导体材料代替，这是由于在半导体极板中的初始电子数与在两极板加电压所注入的电子数相比是比较少的，因此若在A，B之间加一个很小的控制电压就可以使半导体膜层中的电导增加几个数量级，从而使负载电阻R中的电流增大。这就是TFT的放大特性。图中的A,B,C分别对应与S,G,D，其中A，B间所加的电压叫做栅偏压，而S，D间的导通路叫做导电沟道。DSGDSG电容器的结构薄膜电容器是一种典型的平板电容器，在绝缘介质薄膜的两侧各镀一层导电金属或合金薄膜，就构成了最简单的薄膜电容器。像素电极通常由ITO薄膜来充当。这三部分同时形成，经过多次镀膜，5次光刻，最后在玻璃基板上形成几百万个这样的单元。五次所用的掩模版也称五道光罩，分别为GE，SE，SD，CH，PE版。Array基板工作原理图G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource線儲存電容Gate線液晶電容TFTcomITOCLC5Mask-GEGatelineCslineArray基板上一个像素单元的形成（1）5Mask-SESemiconductorlayer5Mask–SDDrainSourcelineChannel(W/L)5Mask-CHContacthole5Mask-PEPixellayerCross-sectionofTFT-2AContactHole層(Passivate)GateCs電極半導體層基板Gate絕緣層Source電極Drain電極ITOChannel(W/L)A’Array基板上一个像素单元的形成（2）Mask1：GE(Gate電極形成)AA’1.受入洗淨 芝蒲2.濺鍍Al(2500A) ULVAC3.光阻塗佈/曝光/顯影 TEL/DNS/Nikon4.Al蝕刻(WET) DNS5.光阻去除 島田理化AA’Mask2：SE(島狀半導體形成)AA’1.成膜SiNx

Balzers/AKT2.成膜前洗淨 芝蒲3.成膜SiNx/a-Si/n+Si Balzers/AKT4.光阻塗佈/曝光/顯影 TEL/Nikon5.蝕刻(DRY) TEL/PSC6.光阻去除 島田理化AA’Mask3：SD(Source及Drain電極形成)AA’1.成膜Cr ULVAC2.光阻塗佈/曝光/顯影TEL/DNS/Nikon3.硬烤 田葉井4.蝕刻Cr(WET) DNS5.蝕刻n+Si(DRY) TEL/PSC6.光阻去除 島田理化AA’為何需要步驟五Mask4：CH(ContactHole形成)1.成膜SiNxBalzers2.光阻塗佈/曝光/顯影TEL/DNS/Nikon3.蝕刻(DRY) TEL/PSC4.光阻去除 島田理化A’AAAA’Mask5：PE(畫素電極形成)1.成膜ITO ULVAC2.光阻塗佈/曝光/顯影TEL/DNS/Nikon3.蝕刻(WET) DNS4.光阻去除 島田理化5.退火 田葉井A’AAAA’CsonCommon與CsonGate架構液晶畫素TFTGateLineDataLineCsCs液晶畫素TFTCommonCommonGateLineDataLineCsCs

CsonCommonCsonGate薄膜沉积技术与光刻技术薄膜沉积工艺（参考教材P119-126）：在这个制程里面，主要的工序就是薄膜沉积与光刻。应用于液晶显示器制造工艺的沉积（Deposition）方法主要有两种：一种是离子增强型化学气相沉积法，另一种是溅射沉积法。离子增强型化学气相沉积的基本原理是：将玻璃基板至于真空腔室中，并且加热至一定的温度，随后通入混合气体，同时RF电压施加于腔室电极上，混合气体转变为离子状态，于是在基体上形成一种金属或化合物的固态薄膜或镀层。溅射沉积法的基板原理是：在真空室中，利用荷能粒子轰击靶，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面淀积出与靶相同材料的薄膜一般地，为不改变靶材的化学性质，荷能粒子为氦离子和氩离子。溅射沉积法有直流溅射法、射频溅射法等多种。光刻工艺(P124-142)光刻工艺（Photolithographyprocess）是将掩膜上的图形转移至玻璃基板上的过程。由于LCD板上的刻线品质取决于光刻工艺，因此它是LCD加工过程中最重要的工艺之一。光刻工艺对环境中的粉尘颗粒很敏感，因此它必须置于高度洁净的室内完成。工艺顺序为：基板洗净－光刻胶涂布－预烘－曝光－显影－坚膜－刻蚀－光刻胶剥离。1、ITO玻璃3、曝光2、涂光刻胶4、显影5、光刻胶剥离5、刻蚀1.2CF制程1.洗净:InitialClean(IC)2.镀铬膜Crsputter(Cr)3.黑色矩阵图案:BlackMatrix(BM)4.紅色色层:Red(R)5.绿色色层:Green(G)6.蓝色色层:Blue(B)7.保护膜:Overcoat(OC)8.镀导电膜:ITOsputter(ITO)参考附件（CF制程及材料）2、液晶盒组装工程（P162－177）2.1摩擦取向洗净，取向膜涂布，预烘，摩擦取向2.2隔离子散布通过热喷的方法，将衬垫料（隔离子）散布于CF基板上。衬垫料有塑料，玻璃等球形或柱形。主要作用是支撑盒厚。2.3涂封框胶在盒的四周需要涂封接框材料，一般用环氧树脂，采用的方法通常有丝网印刷，直接描画法等2.4对位压合将两块基板对位压合。此工序关键在于严格把握对位精度，控制盒厚。另外，如果留有液晶灌注口，须将上下基板灌注口位置对应。2.5切割、裂片按照设定好的切割线把标盒分割2.6液晶灌注注入方法通常有真空灌注法和滴下式注入法，真空灌注在屏的尺寸太大时会受到影响，且设计时必须留灌注口，而滴下法则无需留灌注口。2.7贴偏光片，检测与包装在玻璃两侧分别贴偏光片，进行目测，电测，合格后即可包装3、模块组装工程（P177－194）在这个过程里面，主要包括驱动IC的连接，背光源的安装，老练工程及检查。驱动IC的连接方式主要有TAB，COG，COB等。TAB是将IC芯片置于自动载带（能够导通的带有输入，输出端子），输入端和PCB连接，输出端通过ACF和屏电极相接。COG是将IC芯片直接通过ACF置于屏电极上，屏电极再与PCB通过ACF相接，而COB则将IC芯片置于PCB板上，PCB板再和屏电极相连。背光源安装则是将背光源贴附在下基板的外侧，为了防止漏光和紧固，通常还会在背面和侧面贴附一些黑色胶带。1、什么是液晶光阀2、原理3、如何控光第三节液晶光阀及其控制1.液晶光阀的概念液晶具有双折射的特性，而且在不同的电场下，会有不同的排列方式，因此，当光通过液晶时，会受其影响而改变或保持其振动方向，如图所示，当液晶不改变光的振动方向时，光无法通过第二偏光片而被关闭，而当液晶将光的振动方向改变，光可再分为二个分量，虽有一个分量无法通过第二偏光片，但仍有一个分量可以通过第二个偏光片，而成为打开的状态，因此，可藉由施加电场来改变液晶的排列方式，来实现“光阀”的观念2.原理如图所示，入射光在xy两个方向上的电场振幅各为Ax和Ay，经过第一偏光片后，仅有Ax继续行进，而Ay则被挡住，接着，为了配合液晶分子的排列状态，将坐标系统旋转Φ角，在液晶分子长轴的方向上，因液晶的折射系数较大而行进速度较缓慢，而在短轴方向上的分量，则因折射系数较小而行进速度较快，因而会产生相位差其中为液晶分子长短轴的折射率之差，d为液晶层厚度，λ为入射光的波长，然后，再配合第二偏光片的方向将坐标系统转回-Φ角，最后再经过第二偏光片仅有y方向继续行进，而x方向则被挡住，使用矩阵运算，可以得到，那么而光的能量（光强）与振幅平方成正比，，假设Ax＝Ay，就可以得到液晶光阀的穿透度：由穿透度公式，可以得到以下几点：1.控制液晶分子与偏光片的夹角Φ，即可控制液晶分子的穿透度。当Φ＝0时，得到最暗的状态，当Φ＝45时，得到最亮的状态2.穿透度与相位差有关，液晶的双折射系数和液晶的厚度要适当的设计，就可到最佳的穿透度3.不同颜色的入射光，射入相同的液晶光阀，会得到不同的穿透度。有许多的方法可以改变液晶光阀的穿透度，如偏光片的角度，液晶分子的厚度等，而其中最方便而能有效控制的一种方式，是利用施加电场来改变液晶分子的排列方式，而使得光在液晶层中的相位延迟不同来改变穿透度，进而达成光阀的功能。3.光阀的控制当液晶分子处在电场中时，在分子上的电子云，会受到正电极吸引而向正电极移动，因而产生电偶极，在电场的作用下，会产生转动力矩：其中为极化率。如图所示，可将液晶分子的电偶极分成与液晶分子长轴平行的分量以及与液晶分子短轴平行的分量，分别为：这两个电偶极分量，会产生相反方向的力矩：这两个力矩方向相反，会互相抗衡，产生净力矩：当力矩不平衡时，若其净力矩可以克服液晶本身的弹性，即可使液晶分子朝力矩大的方向转动，一般的液晶材料，液晶分子长轴的介电系数ε∥会比短轴的ε⊥大，因此，平行长轴方向的电偶极矩P∥比垂直方向P⊥的大，所以，平行分子长轴的力矩L∥比垂直分子长轴的力矩L⊥大，使得长轴向电场方向扭转。因此，对液晶施加不同的电场，会改变其净力矩与液晶本身弹性的平衡关系，因而使液晶分子的排列不同，而导致光穿透率改变。在以下两种情况下，电场无法有效的扭转液晶分子：1.当温度升高时，液晶分子会因能量的增加而摆动，温度越高，分子摆动的越厉害，，从宏观角度来看，长短轴的分别会因为在空间上与时间上的平均效应而减小，当温度很高的时候，液晶分子会具有足够能量自由转动，因而平均而言，不再具有长短轴的差别，此时不再具有液晶相，电场也就失去扭转液晶分子的效应。2.当液晶分子的长轴完全平行于电场时，电偶极矩也会平行于，使力矩，而力矩⊥也因为没有⊥的分量而等于0，因此液晶分子不会转动，同理，当液晶分子的短轴完全平行于电场时，力矩也是0，液晶分子也不会转动。一般而言，对液晶施加电场,液晶层的厚度d是固定的，因而施加的电压