薄膜晶体管液晶显示器技术

2012-03-12 17:27:34来源: 互联网 关键字:薄膜  晶体管  液晶显示器

薄膜晶体管液晶显示器技术

TFT-LCD结构。薄膜晶体管液晶显示器由显示屏、背光源及驱动电路三大核心部件组成。

TFT-LCD显示屏,包括数组玻璃基板、彩色滤光膜以及液晶材料。数组玻璃基板制备工艺是:用三个光刻掩膜板,首先在玻璃基板上连续淀积ITO膜(厚20~50n m)和Cr膜(厚50~100nm),并光刻图形,然后连续淀积绝缘栅膜SiN:(厚约400n m),再本征a-Si(厚50~100n m)和n+a-Si层,并光刻图形(干法)淀积Al膜,光刻漏源电极,最后以漏源电极作掩膜,自对准刻蚀象素电极上的Cr膜和TFT源漏之间n+a-Si膜。这就是TFT反交错结构的简单制造工艺。下一步是:在玻璃基板上涂布聚酰亚胺取向层,用绒布沿一定方向摩擦,使取向层表面形成方向一致的微细沟道,控制液晶分子定向排列。在保证两块玻璃基板上下取向槽沟的槽方向正交的条件下,将两块玻璃基板上下密封成一个盒,盒间隙一般只有几个微米(如10μm),然后抽真空封灌液晶材料。

彩色滤光膜(Color Filter)简称CF。TFT-LCD的彩色显示,实际是通过数组基板的光,照射在彩膜上,显示屏就能显示颜色。彩色滤光膜(如同着色的玻璃纸)可以制作在透明的电极之上(透明电极和液晶层之间),也可制作在透明电极之下(透明电极和玻璃之间),上下玻璃基板与CF膜对准精度非常高,要求CF膜黑白矩阵正好对准ITO象素电极的边缘,CF膜附着在液晶盒表面,然后用两片无色偏振片夹住液晶盒。彩色显示原理可以简述为:把TFT-LCD的一个象素点分割成红、绿、蓝(R、G、B)三基色,并对应CF膜的RGB,起光阀作用的LCD对透过CF膜的三色光量,进行平衡、调节得到所要的彩色。穿过CF膜的入射光如果漏射,则会影响TFT-LCD的对比度,所以在间隙处要设置遮光的黑矩阵(Black Matrix)简称BM。为了稳定性和平滑性,使用丙烯基树脂和环氧树脂制成厚0.5~2μm的保护层(oe cota)简称OC。然后在这个保护层上面形成共享电极,即透明电极膜。BM层通常是由金属铬(Cr)制作,为了降低表面反射,也有用氧化铬(CrOx)或树脂。金属铬厚度约为1000~1500埃,用树脂、染料或颜料,作为着色层来着色。每      个象素点的着色图形,因TFT-LCD的用途而不同。如可按条形、玛赛克形、三角形等排列。CF膜的特性用透过率、色纯度、对比度以及低反射化表示,所以对CF膜的要求是:高透过率和色纯度;高对比度和平整性以及极低的扩散反射。

液晶材料。据不完全统计,可以作液晶材料的高分子化合物,已超过1万种。用一种液晶材料通常很难满足器件要求的温度范围、弹性系数、介电常数、折射率各向异性以及粘度等主要技术指针,工程上必须用混合液晶来调制物理性能。常用的具有代表性的液晶材料,按分子排列方向不同可分成三大类:一类是向列相液晶。这种液晶材料,分子长轴平行,分子除转动滑动外,还可以上下移动;二是胆甾相液晶。这种液晶材料,分子在不同的平面上取向,在同一平面上,分子长轴平行各平面的指向矢,并逐层扭转呈螺旋变化;三是近相晶液晶。这种液晶材料,分子排列为层状,各层的分子长轴平行,可以相互平行移动,但分子在层与层之间不能自由滑动。液晶材料的主要特点是:具有细长分子结构,在和分子指向矢垂直和平行两个方向,其层电率、介电常数、折射率均不相同,并随温度和驱动频率等外界条件而变化。另外,折射率各向异性大,在产生同样光学效应的情况下,可以使液晶盒变薄。相同电压下的电场强度就能加快液晶盒的响应速度。

TFT-LCD背光源。液晶本身并不发光,外部必须施加照射光,这种外部照射光称为背光源。液晶显示器的背光源,按液晶显示面与光源的相对位置,大体上可分为边缘式、直下式和自发光式三种。白炽灯、白卤素灯为点光源,荧光灯(热阴极、冷阴极)为线光源,电致发光(EL)以及矩阵式发光二极管为面光源。边缘式背光源是在显示区的侧面,装配线光源的荧光灯。为了确保显示区亮度的均匀性,边缘式背光源均采取集光和导光措施。集光是为有效地使入射光能从一个侧面射出去,导光是将集光射出的光进行反射,使之成为平面光源;直下式背光源是在显示区的正下方,装配1只或几只并排的冷阴极灯,在冷阴极灯的上面同时装配漫散射板,以消除冷阴极灯造成的斑点;自发光式背光源是在显示区的下方,装配电致发光板。电致发光为面发光,可整面均匀发光且没有斑点,发光颜色为绿、蓝、白,亮度为30~100尼特。TFT-LCD背光源的发展趋势是:大画面、高亮度、广视角以及薄型化、轻量化、低功耗化和低价格化。

TFT-LCD驱动电路。为了显示任意图形,TFT-LCD用m×n点排列的逐行扫描矩阵显示。在设计驱动电路时,首先要考虑液晶电解会使液晶材料变质,为确保寿命一般都采用交流驱动方式。已经形成的驱动方式有:电压选择方式、斜坡方式、DAC方式和模拟方式等。由于TFT-LCD主要用于笔记本计算机,所以驱动电路大致分成:信号控制电路、电源电路、灰度电压电路、公用电极驱动电路、数据线驱动电路和寻址线驱动电路(栅极驱动IC)。上述驱动电路的主要功能是:信号控制电路将数字信号、控制信号以及时钟信号供给数字IC,并把控制信号和时钟信号供给栅极驱动IC;电源电路将需要的电源电压供给数字IC和栅极驱动IC;灰度电压电路将数字驱动电路产生的10个灰度电压各自供给数据驱动;公用电极驱动电路将公用电压供给相对于象素电极的共享电极;数据线驱动电路将信号控制电路送来的RGB信号的各6个比特显示数据以及时钟信号,定时顺序锁存并续进内部,然后此显示数据以6比特DA变换器转换成模拟信号,再由输出电路变换成阻抗,供给液晶屏的资料线;栅极驱动电路将信号控制电路送来的时钟信号,通过移位寄存器转换动作,将输出电路切换成ON/OFF电压,并顺次加到液晶屏上。最后,将驱动电路装配在TAB(自动焊接柔性线路板)上,用ACF(各向异性导电胶膜)、TCP(驱动电路柔性引带)与液晶显示屏相连接。

TFT-LCD工作原理。首先介绍显示原理。液晶显示的原理基于液晶的透光率随其所施电压大小而变化的特性。当光通过上偏振片后,变成线性偏振光,偏振方向与偏振片振动方向一致,与上下玻璃基板上面液晶分子排列顺序一致。当光通过液晶层时,由于受液晶折射,线性偏振光被分解为两束光。又由于这两束光传播速度不同(相位相同),因而当两束光合成后,必然使振光的振动方向发生变化。通过液晶层的光,则被逐渐扭曲。当光达到下偏振片时,其光轴振动方向被扭曲了90度,且与下偏振片的振动方向保持一致。这样,光线通过下偏振片形成亮场。加上电压以后,液晶在电场作用下取向,扭曲消失。这时,通过上偏振片的线性偏振光,在液晶层不再旋转,无法通过下偏振片而形成暗场。可见液晶本身不发光,在外光源的调制下,才能显示,在整个显示过程中,液晶起到一个电压控制的光阀作用。TFT-LCD的工作原理则可简述为:当栅极正向电压大于施加电压时,漏源电极导通,当栅极正向电压等于0或负电压时,漏源电极断开。漏电极与ITO象素电极连结,源电极与源线(列电极)连结,栅极与栅线(行电极)连结。这就是TFT-LCD的简单工作原理。

TFT-LCD的关键技术。TFT-LCD的关键技术很多,主要有以下几个大的方面:
一是提高开口率技术。开口率指TFT-LCD显示屏光透过部分和不透过部分之比,开口率越大,亮度越高。影响开口率的主要是栅和源总线宽度、TFT尺寸、上下基板对盒精度、存贮电容尺寸及黑矩阵尺寸等。为了提高开口率,采取的办法是:将黑白矩阵和彩膜都做在TFT基板上,此办法避免了对盒精度引起的开口率下降,但成品率不是很高,成本也会相应加大。另外就是栅源总线,采用集成电路微加工技术。90年代TFT矩阵微加工约10μm,开口率为35%,微加工达到5μm时,开口率为80%。第三就是采用自对准光刻技术。主要是消除栅极和源漏极重迭形成的寄生电容。用自对准光刻技术,把栅电极作掩膜板,光刻n+a-Si和源漏电极,以减少栅源电极之间的重迭。最后是改善栅源材料。为了增加开口率,应尽量将总线宽度取小,但要考虑由于总线电阻过大,输入信号延迟,驱动不充分,从而降低对比度的问题。通常采用Cr或MoTa金属包Al的办法,这样就能得到低电阻总线。

二是扩大视角技术。液晶分子的各向异性,决定了液晶分子空间分布的不同,不同的立体角光透过率不同,这是造成显示对比度不均匀的重要原因。因此,扩大视角是液晶显示技术的关键课题之一。一般采取的技术措施有:补偿膜技术。在液晶显示屏上,贴光漫射膜和光强补偿膜,使通过液晶屏的光均匀漫射,并补偿某些角度的光强。另外就是采用多畴技术,在象元内划分两个以上不同液晶分子排列区域,形成多畴液晶分子取向,从而达到扩大视角的目的。扩大视角技术还有IPS、ASM等方法和措施。

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