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TFT彩色液晶屏原理

2019-08-22 20:27:57 82
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一、TFT彩色液晶屏

            液晶显示器引是以液晶材料为基本组件,在两块平行板之间填充液晶材料,通过电压来改变液晶材料内部分子的排在列状况,以达到遮光和透光的目的来显示深浅不 一,错落有致的图象,而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层,就可实现显示彩色图象。液晶显示器功耗很低,因此倍受工程师青睐,适用于使用电池的电子 设备。 彩色液晶屏是TFT属于有源矩阵液晶显示器。

            目录:

                     定义:http://baike.baidu.com/view/4110608.htm#1

           液晶屏原理:http://baike.baidu.com/view/4110608.htm#2

          TFT-LCD技术:http://baike.baidu.com/view/4110608.htm#3

 

          定义补充TFTThinFilmTransistor)是指薄膜晶体管,意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动,从而可以做到高 速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息,是目前最好的LCD彩色显示设备之一,其效果接近CRT显示器,是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT 的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制,是有源像素点。因此,不但速度可以极大提高,而且对比度和亮度也大大提高了,同时分辨率也达到了很高水 平。   TFT ( Thin film Transistor,薄膜晶体管)屏幕,它也是目前中高 端彩屏手机中普遍采用的屏幕,分65536 色及26 万色,1600万色三种,其显示效果非常出色。

液晶屏工作原理

          简单的来说,屏幕能显示的基本原理就是在两块平行板之间填充液晶材料,通过电压来改变液晶材料内部分子的排在列状况,以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一,错落有致的图象,而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层,就可实现显示彩色图象。   认识了它的结构和原理,了解了它的技术和工艺特点,才能在选购时有的放矢,在应用和维护时更加 科学合理。液晶是一种有机复合物,由长棒状的分子构成。在自然状态下,这些棒状分子的长轴大致平行。LCD第一个特点是必须将液晶灌入两个列有细槽的平面 之间才能正常工作。这两个平面上的槽互相垂直(90度相交),也就是说,若一个平面上的分子南北向排列,则另一平面上的分子东西向排列,而位于两个平面之 间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播,所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时,分子便会重新垂 直排列,使光线能直射出去,而不发生任何扭转。LCD的第二个特点是它依赖极化滤光片和光线本身,自然光线是朝四面八方随机发散的,极化滤光片实际是一系 列越来越细的平行线。这些线形成一张网,阻断不与这些线平行的所有光线,极化滤光片的线正好与第一个垂直,所以能完全阻断那些已经极化的光线。 只有两个滤光片的线完全平行,或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光片相匹配,光线才得以穿透。LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光片构成,所以在正 常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是,由于两个滤光片之间充满了扭曲液晶,所以在光线穿出第一个滤光片后,会被液晶分子扭转90度,最后从第二个滤 光片中穿出。另一方面,若为液晶加一个电压,分子又会重新排列并完全平行,使光线不再扭转,所以正好被第二个滤光片挡住。总之,加电将光线阻断,不加电则 使光线射出。当然,也可以改变LCD中的液晶排列,使光线在加电时射出,而不加电时被阻断。但由于液晶屏幕几乎总是亮着的,所以只有"加电将光线阻断"的 方案才能达到最省电的目的。

二、TFT-LCD技术

一、 前言  进入新千年,作为信息产业的重要构成部分显示器件正在加速推进其平板化的进程。目前,世界已 进入信息革命时代,显示技术及显示器件在信息技术的发展过程中占据了十分重要的地位,电视、电脑、移动电话、BP机、PDA等可携式设备以及各类仪器 仪表上的显示屏为人们的日常生活和工作提供着大量的信息。没有显示器,就不会有当今迅猛发展的信息技术。显示器集电子、通信和信息处理技术于一体,被认为 是电子工业在20世纪微电子、计算机之后的又一重大发展机会。   科学技术的发展日新月异,显示技术也在发生一场革命,特别是自90年代以来,随着技术的突破及 市场需求的急剧增长,使得以液晶显示(LCD)为代表的平板显示(FPD)技

二、术迅速崛起。据Stanford公司预测,FPD市场规模正在以年增长率 16.2%的速度发展着,到2000FPDCRT的产业都达到300亿美元,CRT平均年增长率不足6.3%,远低于FED的平均增长率,且FPD增 长率仍在继续提高,CRT在继续下降,替代趋势十分明朗,可以说平板显示将成为21世纪显示技术的主流,其产业和市场在不断扩增之中。   经过二十多年的研究、竞争、发展,平板显示器已进入角色,成为新世纪显示器的主流产品,目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种:   1、场致发射平板显示器(FED);   2、等离子体平板显示器(PDP);   3、有机薄膜电致发光器(OLED);   4、薄膜晶体管液晶平板显示器(TFT-LCD) 。   场发射平板显示器原理类似于CRTCRT只有一支到三支电子枪,最多六支,而场发射显示器是 采用电子枪阵列(电子发射微尖阵列,如金刚石膜尖锥),分辨率为VGA640×480×3)的显示器需要92.16万个性能均匀一致的电子发射微尖,材 料工艺都需要突破。目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产,用于国防军工,离工业化、商业化还很远。   等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材料形成的,发光效应低 和功耗大是它的缺点(仅1.2lm/W,而灯用发光效率达80lm/W以上,6/每平方英寸显示面积),但在102152cm对角线的大屏幕显示领域 有很强的竞争优势。业内专家分析认为,CRTLCD和数字微镜(DMD)3种投影显示器可以与PDP竞争,从目前大屏幕电视机市场来看,CRT投影电视 价格比PDP便宜,是PDP最有力的竞争对手,但亮度和清晰度不如PDPLCDDMD投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势。尽管彩色PDP在像质、显 示面积和容量等方面有了明显提高,但其发光效率、发光亮度、对比度还达不到直观式彩色电视机的要求,最重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受,这在 一定程度上制约了彩色PDP市场拓展。目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起来。   半导体发光二极管(LED)的显示方案由于GaN蓝色发光二极管的研制成功,从而一举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权,但是这种显示器只适合做户外大型显示,在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场。   显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的显示器。有机薄膜电致 发光真正的又轻又薄,低功耗广视角,高响应速度(亚微妙)的固体平板显示器。大规模工业生产的成本很低,使用寿命目前只有几千小时。OLED在可以预见的 将来将首先应用作为TFT-LCD的主要竞争对手,但目前还处于研究试制阶段。   液晶平板显示器,特别TFT-LCD,是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件,它的性能优良、大规模生产特性好,自动化程度高,原材料成本低廉,发展空间广阔,将迅速成为新世纪的主流产品,是21世纪全球经济增长的一个亮点。   

三、TFT-LCD   

        在众多的平板显示器激烈竞争中,何以TFT-LCD能够脱颖而出,成为新一代的主流显示器决不 是偶然的,是人类科技发展和思维模式发展的必然。液晶先后避开了困难的发光问题,利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部分,即光源和对光源 的控制。作为光源,无论从发光效率、全彩色,还是寿命,都已取得了辉煌的成果,而且还在不断深化之中。LCD发明以来,   背光源在不断地进步,由单色到彩色,由厚到薄,由侧置荧光灯式到平板荧光灯式。在发光光源方面 取得的最新成果都会为LCD提供新的背光源。随着光源科技的进步,会有更新的更好的光源出现并为LCD所应用。余下的就是对光源的控制,把半导体大规模集 成电路的技术和工艺移植过来,研制成功了薄膜晶体管(TFT)生产工艺,实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制,解决了液晶显示器的光阀和控制器的配合,从而使 液晶显示的优势得以实现。   1TFT工作原理   (1TFT是如何工作的 TFT就是“Thin Film Transistor”的简称,一般代指薄膜液晶显示器,而实际上指的是薄膜晶体管(矩阵)—— 可以主动的对屏幕上的各个独立的象素进行控制,这也就是所谓的主动矩阵TFTactive matrix TFT)的来历。那么图象究竟是怎么产生的呢?基本原理很简单:显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成,只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到 目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术,为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关,当百叶窗打开时光线可以透过 来,而百叶窗关上后光线就无法透过来。当然,在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单。LCDLiquid Crystal Display)就是利用了液晶的特性(当加热时为液态,冷却时就结晶为固态),一般液晶有三种形态:   类似粘土的层列(Smectic)液晶   类似细火柴棒的丝状(Nematic)液晶   类似胆固醇状的(Cholestic)液晶   液晶显示器使用的是丝状,当外界环境变化它的分子结构也会变化,从而具有不同的物理特性——就能够达到让光线通过或者阻挡光线的目的——也就是刚才比方的百叶窗。   大家知道三原色,所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来构成,分别控制红、绿、蓝三种颜色。   目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器Twisted Nematic TFT LCD),下图就是解释的此类TFT显示器的工作原理。现存的技术差别很大,我们将会在本文的第二部分中详细介绍。   在上、下两层上都有沟槽,其中上层的沟槽是纵向排列,而下层是横向排列的。而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态,从发光图2a扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后,会发生90度的扭曲,从而能在下层顺利透过。   当两层之间加上电压之后,就会生成一个电场,这时液晶都会垂直排列,所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层。   (2TF   T象素架构如图4示,彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种,依次排列在玻璃基板上组成一组 (dot pitch)对应一个象素每一个单色滤光镜称之为子象素(sub-pixel)。也就是说,如果一个TFT显示器最大支持1280×1024分辨率的话, 那么至少需要1280×3×1024个子象素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器(1024×768)那么一个象素大约是0.0188英寸(相当于 0.30mm),对于18.1英寸的TFT显示器而言(1280×1024),就是0.011英寸(相当于0.28mm)   大家知道,象素对于显示器是有决定意义的,每个象素越小显示器可能达到的最大分辨率就会越大。不过由于晶体管物理特性的限制,目前TFT每个象素的大小基本就是0.0117英寸(0.297mm),所以对于15英寸的显示器来说,分辨率最大只有1280×1024。   2 TFT的技术特点   TFT技术是二十世纪九十年代发展起来的,采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技 术,是液晶(LC)、无机和有机薄膜电致发光(ELOEL)平板显示器的基础。TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上(当然也可以在晶片上)通过溅射、 化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜,通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路(LSIC)。采用非单晶基板可以大幅度地降低成本,是传统大规模集成电 路向大面积、多功能、低成本方向的延伸。在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元(LCOLED)开关性能的TFT比在硅片上制造大规模IC的技术难度更 大。对生产环境的要求(净化度为100级),对原材料纯度的要求(电子特气的纯度为99.999985%),对生产设备和生产技术的要求都超过半导体大规 模集成,是现代大生产的顶尖技术。其主要特点有:   (1)大面积:九十年代初第一代大面积玻璃基板(300mm×400mmTFT-LCD生产线投产,到2000年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了680mm×880mm),最近950mm×1200mm的玻璃基板也将投入运行。原则上讲没有面积的限制。   (2)高集成度:用于液晶投影的1.3英寸TFT芯片的分辨率为XGA含有百万个象素。分辨率 为SXGA1280×1024)的16.1英寸的TFT阵列非晶体硅的膜厚只有50nm,以及TAB ON GLASSSYSTEM ON GLASS技术,其IC的集成度,对设备和供应技术的要求,技术难度都超过传统的LSI。   (3)功能强大:TFT最早作为矩阵选址电路改善了液晶的光阀特性。对于高分辨率显示器,通过 0-6V范围的电压调节(其典型值0.24V),实现了对象元的精确控制,从而使LCD实现高质量的高分辨率显示成为可能。TFT-LCD是人类历史上 第一种在显示质量上超过CRT的平板显示器。现在人们开始把驱动IC集成到玻璃基板上,整个TFT的功能将更强大,这是传统的大规模半导体集成电路所无法 比拟的。   (4)低成本:玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题,为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间。   (5)工艺灵活:除了采用溅射、CVD(化学气相沉积)MCVD(分子化学气相沉积)等传统工艺成膜以外,激光退火技术也开始应用,既可以制作非晶膜、多晶膜,也可以制造单晶膜。不仅可以制作硅膜,也可以制作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜。   (6)应用领域广泛,以TFT技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支柱产业,也技术可应用到正在迅速成长中的薄膜晶体管有机电致发光(TFT-OLED)平板显示器也在迅速的成长中。   3TFT-LCD的主要特点:   随着九十年代初TFT技术的成熟,彩色液晶平板显示器迅速发展,不到10年的时间,TFT-LCD迅速成长为主流显示器,这与它具有的优点是分不开的。主要特点是:   (1)使用特性好:低压应用,低驱动电压,固体化使用安全性和可靠性提高;平板化,又轻薄,节 省了大量原材料和使用空间;低功耗,它的功耗约为CRT显示器的十分之一,反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右,节省了大量的能 源;TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化,品种多样,使用方便灵活、维修、更新、升级容易,使用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从1英寸至40 英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面,是全尺寸显示终端;显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率,高彩色保真度,高亮度,高对比度,高响 应速度的各种规格型号的视频显示器;显示方式有直视型,投影型,透视式,也有反射式。   (2)环保特性好:无辐射、无闪烁,对使用者的健康无损害。特别是TFT-LCD电子书刊的出现,将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代,引发人类学习、传播和记栽文明方式的革命。   (3)适用范围宽,从-20℃+50℃的温度范围内都可以正常使用,经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80℃。既可作为移动终端显示,台式终端显示,又可以作大屏幕投影电视,是性能优良的全尺寸视频显示终端。   (4)制造技术的自动化程度高,大规模工业化生产特性好。TFT-LCD产业技术成熟,大规模生产的成品率达到90%以上。   (5TFT-LCD易于集成化和更新换代,是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合,继续发展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅TFT-LCD,将来会有其它材料的TFT,既有玻璃基板的又有塑料基板。   

    三、国际技术水平和现状   

        TFT-LCD技术已经成熟,长期困扰液晶平板显示器的三大难题:视角、色饱和度、亮度已经获得解决。采用多区域垂直排列模式(MVA模式)和面内切换模式(IPS模式)使液晶平板显示的水平视角都达到了170度。MVA模式还使响应时间缩短到20ms。   从技术角度来看,TN+Film解决方案是最简单的一种,TFT显示器制造商将过去用于老式 LCD显示器的扭曲向列(TN:Twisted Nematic)技术,同TFT技术相结合,从而有了TN+Film技术。这项技术主要就是通过显示屏覆盖一层特殊的薄膜,来扩大可视角度——可以把可视 角度从90度扩大到大约140度。如图6所示:TN+Film同标准TFT显示器一样都是通过排列液晶分子来实现对图象的控制,它在上表面覆盖一层薄膜来 增大可视角度。不过TFT显示器相对弱的对比度和缓慢的反应时间这些缺点仍然没有改变。所以TN+Film这种方式并不是做好的解决方案,除了它的造价最 便宜之外没有任何可取之处。   IPS就是In-Plane Switching的简称,意思就是平板开关,又称为Super TFT。最早由Hitachi(日立)开发,现在NECNokia也使用此项技术制成显示器。这项技术同扭曲向列显示器(TN-Film)的不同就在于 液晶分子相对于基本排列方式不同,当加上电压之后液晶分子与基板平行排列。   采用这项技术的显示器的可视角度达到了170度,已经同阴极射线管的可视角度相当了,不过这项 技术也有缺点:为了能让液晶分子平行排列,电极不能象扭曲向列显示器(TN-Film)一样,在两层基板上都有,只能放在低层的基板上——这样导致的直接 结果就是显示器的亮度和对比度明显的下降,为了提高亮度和对比度,只有增强背光光源的亮度。这样一来,反应时间和对比度相对于普通TFT显示器而言更难提 高了。所以这项技术似乎也不是最好的解决方案。   MVA多区域垂直排列技术,是由日本富士通(Fujitsu)公司开发的,单从技术的角度看, 它兼顾了可视角度和反应时间两个方面。找到了一个折中的解决方法。MVA技术使得可视角达到了160—— 虽然不如IPS能达到的170度的可视角度,不过它`仍然是好的,因为这项技术能够提供更好的对比度和更短的反应时间。   MVA中的M代指“multi-domains” —— 多区域的意思。图8所示,那些紫色的突起(protrusion)构成了所谓的区域。富士通目前生产的MAV显示器中一般就有这样4个区域。   VA“vertical alignment”的简称,意为垂直排列。不过单从字面上看会产生一些误解,因为液晶分子并不是如图所示的突起protrusion)完全垂直。 请看图8所示黑色示意图。当电压生成一个电场时,液晶分子如图相互平行排列,这样背光光源就能穿过,而且能将光线向各个方向发散,从而扩大了可视角度。   另外,MVA还提供了比IPSTN+Film技术都快的反应时间,这对于取得良好的视频回收和残视觉效果都是非常重要的。MVA液晶显示器的对比度也有所提高,不过同样也会随着可视度的变换而变化。   在采用光学补偿弯曲技术(OCB)的基础上发展起来的场序列全彩色(FSFCLCD技术不仅 取消了占成本三分之一的彩色滤光膜(CF),还可使分辨率提高3倍,透过率提高5倍,同时简化了工艺,降低了成本。彩膜技术和背光源技术的发展使TFT- LCD的彩色再现能力达到甚至超过了CRT。作为商品显示器TFT-LCD的主要技术指标综合性能在各类显示器件中是最优秀的,特别是TFT-LCD产品 的大规模生产技术的完善,多品种、多系列的产品发展空间,应用范围无所不至 。最近韩国三星电子已经生产出了38英寸单一基板的TFT-LCD液晶电视和40英寸TFT-LCD显示器,以其优良的性能向公认的应为PDP霸占的大尺 寸彩电市场进军。   LCD是所有显示器中耗电最低的产品,以13.3英寸XGA TFT-LCD为例,其功耗1998年为4.4瓦,1999年为3.3瓦,到2001年将小于2.5瓦,特别是反射型TFT-LCD的研制成功,由于取消 了背光源,其功耗比透射式TFT-LCD低了一个数量级。同时由于几改进,低温激光退火多晶硅(P-Si)技术成熟,以至最近发展起来的单晶硅技术使得 TFT-LCD的响应速度更快,电路集成化水平更高,锁相环技术的应用,一种功能更新,更全的周边电路的采用,系统集成(System on glass)技术的发展,使得TFT-LCD更轻、更薄。13.3英寸TFT-LCD其厚度在1998年为7.2mm1999年为5.5mm2001 年降到5mm以下,其重量1998年为580克,1999年为450克,到2001年降到400克以下。TFT-LCD的大生产技术也已成熟,已实现全自 动生产,其***生产线在2002年将进入实用生产阶段,生产成本将不断下降。TFT-LCD在技术上的成熟与进步以及其特有的性能优势确定了TFT- LCD最终取代CRT的格局。   

四、 总结   

            目前TFT-LCD已达到的技术水平状况:   (1)水平和垂直角都达到170度;   (2)显示亮度达到500尼特,对比度5001;   (3)寿命超过3万小时;   (4)场序列全彩色(FSFC)技术开始应用于工业生产;   (5)大屏幕薄膜晶体管液晶显示彩色电视(TFT-LC TV)已经开始进入大规模工业生产,TFT-LCTV的画质已经达到甚至超过了CRT,如28英寸TFT LC TV的分辨率为1920×1200,水平垂直视角均为170度;38英寸的TFT LC TV已研制成功;40英寸的TFT-LCD也已研制成功;   (6)大面积低温多晶硅TFT-LCD已经开发成功,并投入工业生产,非晶硅TFT的自扫描LCD已经商品化;   (7)反射式TFT-LCD彩色显示器开始商品化。例如分辨率是400×234,画面为1695.8英寸反射式显示器的反射率为30%,响应速度为30ms,消耗功率为0.15瓦。   (8730×920mm基板大屏幕生产线已经研制成功,更大尺寸基板的大屏幕生产线正在建设之中。   (9)塑料基板TFT-LCD开始商品化。日本现有5个品种的塑料基板产品。   (10)背光源和逆变器,虽在积极开发反射式LCD,但用背光源的透射型TFT-LCD在相当 长时间内还是主流产品。背光源是其重要配件。德国研制成用于液晶模块的平板荧光灯背光源,亮度达到5000-7000cd/m2,寿命达到10万小时。一 些新型自热式背光源可以在-40℃85℃范围内正常工作。OEL背光源和高亮度LED背光源已开发成功,并开始用于TFT-LCDLinfinity   Microelectrunies发明了冷阴极背光源长寿命逆变器,光源调制范围达到5001


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