TFT彩色液晶屏原理

一、TFT彩色液晶屏：

            液晶顯示器引是以液晶材料為基本組件，在兩塊平行板之間填充液晶材料，通過電壓來改變液晶材料內部分子的排在列狀況，以達到遮光和透光的目的來顯示深淺不 一，錯落有致的圖象，而且只要在兩塊平板間再加上三元色的濾光層，就可實現顯示彩色圖象。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子 設備。 彩色液晶屏是TFT屬于有源矩陣液晶顯示器。

            目錄：

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

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

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

          定義補充：TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶體管，意即每個液晶像素點都是由集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅動，從而可以做到高 速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色顯示設備之一，其效果接近CRT顯示器，是現在筆記本電腦和臺式機上的主流顯示設備。TFT 的每個像素點都是由集成在自身上的TFT來控制，是有源像素點。因此，不但速度可以極大提高，而且對比度和亮度也大大提高了，同時分辨率也達到了很高水 平。 　　TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶體管）屏幕，它也是目前中高 端彩屏手機中普遍采用的屏幕，分65536 色及26 萬色，1600萬色三種，其顯示效果非常出色。

液晶屏工作原理

          簡單的來說，屏幕能顯示的基本原理就是在兩塊平行板之間填充液晶材料，通過電壓來改變液晶材料內部分子的排在列狀況，以達到遮光和透光的目的來顯示深淺不一，錯落有致的圖象，而且只要在兩塊平板間再加上三元色的濾光層，就可實現顯示彩色圖象。 　　認識了它的結構和原理，了解了它的技術和工藝特點，才能在選購時有的放矢，在應用和維護時更加 科學合理。液晶是一種有機復合物，由長棒狀的分子構成。在自然狀態下，這些棒狀分子的長軸大致平行。LCD第一個特點是必須將液晶灌入兩個列有細槽的平面 之間才能正常工作。這兩個平面上的槽互相垂直(90度相交)，也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之 間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂 直排列，使光線能直射出去，而不發生任何扭轉。LCD的第二個特點是它依賴極化濾光片和光線本身，自然光線是朝四面八方隨機發散的，極化濾光片實際是一系 列越來越細的平行線。這些線形成一張網，阻斷不與這些線平行的所有光線，極化濾光片的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經極化的光線。 只有兩個濾光片的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光片相匹配，光線才得以穿透。LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光片構成，所以在正 常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個濾光片之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光片后，會被液晶分子扭轉90度，最后從第二個濾 光片中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉，所以正好被第二個濾光片擋住。總之，加電將光線阻斷，不加電則 使光線射出。當然，也可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。但由于液晶屏幕幾乎總是亮著的，所以只有"加電將光線阻斷"的 方案才能達到最省電的目的。

二、TFT-LCD技術

一、 前言　　進入新千年，作為信息產業的重要構成部分—顯示器件正在加速推進其平板化的進程。目前，世界已 進入“信息革命”時代，顯示技術及顯示器件在信息技術的發展過程中占據了十分重要的地位，電視、電腦、移動電話、BP機、PDA等可攜式設備以及各類儀器 儀表上的顯示屏為人們的日常生活和工作提供著大量的信息。沒有顯示器，就不會有當今迅猛發展的信息技術。顯示器集電子、通信和信息處理技術于一體,被認為 是電子工業在20世紀微電子、計算機之后的又一重大發展機會。 　　科學技術的發展日新月異，顯示技術也在發生一場革命，特別是自90年代以來，隨著技術的突破及 市場需求的急劇增長，使得以液晶顯示（LCD）為代表的平板顯示（FPD）技

二、術迅速崛起。據Stanford公司預測，FPD市場規模正在以年增長率 16.2%的速度發展著，到2000年FPD和CRT的產業都達到300億美元，CRT平均年增長率不足6.3%，遠低于FED的平均增長率，且FPD增 長率仍在繼續提高，CRT在繼續下降，替代趨勢十分明朗，可以說平板顯示將成為21世紀顯示技術的主流，其產業和市場在不斷擴增之中。 　　經過二十多年的研究、競爭、發展，平板顯示器已進入角色，成為新世紀顯示器的主流產品，目前競爭最激烈的平板顯示器有四個品種： 　　1、場致發射平板顯示器（FED）； 　　2、等離子體平板顯示器（PDP）； 　　3、有機薄膜電致發光器（OLED）； 　　4、薄膜晶體管液晶平板顯示器（TFT-LCD） 。 　　場發射平板顯示器原理類似于CRT，CRT只有一支到三支電子槍，最多六支，而場發射顯示器是 采用電子槍陣列（電子發射微尖陣列，如金剛石膜尖錐），分辨率為VGA（640×480×3）的顯示器需要92.16萬個性能均勻一致的電子發射微尖，材 料工藝都需要突破。目前美國和法國有小批量的小尺寸的顯示屏生產，用于國防軍工，離工業化、商業化還很遠。 　　等離子體發光顯示是通過微小的真空放電腔內的等離子放電激發腔內的發光材料形成的，發光效應低 和功耗大是它的缺點（僅1.2lm/W，而燈用發光效率達80lm/W以上，6瓦/每平方英寸顯示面積），但在102～152cm對角線的大屏幕顯示領域 有很強的競爭優勢。業內專家分析認為，CRT、LCD和數字微鏡(DMD)3種投影顯示器可以與PDP競爭，從目前大屏幕電視機市場來看，CRT投影電視 價格比PDP便宜，是PDP最有力的競爭對手，但亮度和清晰度不如PDP，LCD和DMD投影的象素和價格目前還缺乏競爭優勢。盡管彩色PDP在像質、顯 示面積和容量等方面有了明顯提高，但其發光效率、發光亮度、對比度還達不到直觀式彩色電視機的要求，最重要的是其價格還不能被廣大家用消費者所接受，這在 一定程度上制約了彩色PDP市場拓展。目前主要在公眾媒體展示場合應用開始普遍起來。 　　半導體發光二極管（LED）的顯示方案由于GaN藍色發光二極管的研制成功，從而一舉獲得了超大屏幕視頻顯示器市場的絕對控制權，但是這種顯示器只適合做戶外大型顯示，在中小屏幕的視頻顯示器也沒有它的市場。 　　顯示器產業的專家一直期望有機薄膜電致發光材料能提供真正的象紙一樣薄的顯示器。有機薄膜電致 發光真正的又輕又薄，低功耗廣視角，高響應速度（亞微妙）的固體平板顯示器。大規模工業生產的成本很低，使用壽命目前只有幾千小時。OLED在可以預見的 將來將首先應用作為TFT-LCD的主要競爭對手，但目前還處于研究試制階段。 　　液晶平板顯示器，特別TFT-LCD，是目前唯一在亮度、對比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過CRT的顯示器件，它的性能優良、大規模生產特性好，自動化程度高，原材料成本低廉，發展空間廣闊，將迅速成為新世紀的主流產品，是21世紀全球經濟增長的一個亮點。 　　

三、TFT-LCD 　　

        在眾多的平板顯示器激烈競爭中，何以TFT-LCD能夠脫穎而出，成為新一代的主流顯示器決不 是偶然的，是人類科技發展和思維模式發展的必然。液晶先后避開了困難的發光問題，利用液晶作為光閥的優良特性把發光顯示器件分解成兩部分，即光源和對光源 的控制。作為光源，無論從發光效率、全彩色，還是壽命，都已取得了輝煌的成果，而且還在不斷深化之中。LCD發明以來， 　　背光源在不斷地進步，由單色到彩色，由厚到薄，由側置熒光燈式到平板熒光燈式。在發光光源方面 取得的最新成果都會為LCD提供新的背光源。隨著光源科技的進步，會有更新的更好的光源出現并為LCD所應用。余下的就是對光源的控制，把半導體大規模集 成電路的技術和工藝移植過來，研制成功了薄膜晶體管（TFT）生產工藝，實現了對液晶光閥的矩陣尋址控制，解決了液晶顯示器的光閥和控制器的配合，從而使 液晶顯示的優勢得以實現。 　　1、TFT工作原理 　　（1）TFT是如何工作的 TFT就是“Thin Film Transistor”的簡稱，一般代指薄膜液晶顯示器，而實際上指的是薄膜晶體管（矩陣）—— 可以“主動的”對屏幕上的各個獨立的象素進行控制，這也就是所謂的主動矩陣TFT（active matrix TFT）的來歷。那么圖象究竟是怎么產生的呢？基本原理很簡單：顯示屏由許多可以發出任意顏色的光線的象素組成，只要控制各個象素顯示相應的顏色就能達到 目的了。在TFT LCD中一般采用背光技術，為了能精確地控制每一個象素的顏色和亮度就需要在每一個象素之后安裝一個類似百葉窗的開關，當“百葉窗”打開時光線可以透過 來，而“百葉窗”關上后光線就無法透過來。當然，在技術上實際上實現起來就不像剛才說的那么簡單。LCD（Liquid Crystal Display）就是利用了液晶的特性（當加熱時為液態，冷卻時就結晶為固態），一般液晶有三種形態： 　　類似粘土的層列（Smectic）液晶 　　類似細火柴棒的絲狀（Nematic）液晶 　　類似膽固醇狀的（Cholestic）液晶 　　液晶顯示器使用的是絲狀，當外界環境變化它的分子結構也會變化，從而具有不同的物理特性——就能夠達到讓光線通過或者阻擋光線的目的——也就是剛才比方的百葉窗。 　　大家知道三原色，所以構成顯示屏上的每個象素需上面介紹的三個類似的基本組件來構成，分別控制紅、綠、藍三種顏色。 　　目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶顯示器（Twisted Nematic TFT LCD），下圖就是解釋的此類TFT顯示器的工作原理。現存的技術差別很大，我們將會在本文的第二部分中詳細介紹。 　　在上、下兩層上都有溝槽，其中上層的溝槽是縱向排列，而下層是橫向排列的。而下層是橫向排列的。當不加電壓液晶處于自然狀態，從發光圖2a扭曲向列TFT顯示器工作原理圖示意圖層發散過來的光線通過夾層之后，會發生90度的扭曲，從而能在下層順利透過。 　　當兩層之間加上電壓之后，就會生成一個電場，這時液晶都會垂直排列，所以光線不會發生扭轉——結果就是光線無法通過下層。 　　（2）TF 　　T象素架構如圖4示，彩色濾光鏡依據顏色分為紅、綠、藍三種，依次排列在玻璃基板上組成一組 （dot pitch）對應一個象素每一個單色濾光鏡稱之為子象素（sub-pixel）。也就是說，如果一個TFT顯示器最大支持1280×1024分辨率的話， 那么至少需要1280×3×1024個子象素和晶體管。對于一個15英寸的TFT顯示器（1024×768）那么一個象素大約是0.0188英寸（相當于 0.30mm），對于18.1英寸的TFT顯示器而言（1280×1024），就是0.011英寸（相當于0.28mm） 　　大家知道，象素對于顯示器是有決定意義的，每個象素越小顯示器可能達到的最大分辨率就會越大。不過由于晶體管物理特性的限制，目前TFT每個象素的大小基本就是0.0117英寸（0.297mm），所以對于15英寸的顯示器來說，分辨率最大只有1280×1024。 　　2 、 TFT的技術特點 　　TFT技術是二十世紀九十年代發展起來的，采用新材料和新工藝的大規模半導體全集成電路制造技 術，是液晶（LC）、無機和有機薄膜電致發光（EL和OEL）平板顯示器的基礎。TFT是在玻璃或塑料基板等非單晶片上（當然也可以在晶片上）通過濺射、 化學沉積工藝形成制造電路必需的各種膜，通過對膜的加工制作大規模半導體集成電路（LSIC）。采用非單晶基板可以大幅度地降低成本，是傳統大規模集成電 路向大面積、多功能、低成本方向的延伸。在大面積玻璃或塑料基板上制造控制像元（LC或OLED）開關性能的TFT比在硅片上制造大規模IC的技術難度更 大。對生產環境的要求（凈化度為100級），對原材料純度的要求（電子特氣的純度為99.999985％），對生產設備和生產技術的要求都超過半導體大規 模集成，是現代大生產的頂尖技術。其主要特點有： 　　（1）大面積：九十年代初第一代大面積玻璃基板（300mm×400mm）TFT-LCD生產線投產，到2000年上半年玻璃基板的面積已經擴大到了680mm×880mm），最近950mm×1200mm的玻璃基板也將投入運行。原則上講沒有面積的限制。 　　（2）高集成度：用于液晶投影的1.3英寸TFT芯片的分辨率為XGA含有百萬個象素。分辨率 為SXGA（1280×1024）的16.1英寸的TFT陣列非晶體硅的膜厚只有50nm，以及TAB ON GLASS和SYSTEM ON GLASS技術，其IC的集成度，對設備和供應技術的要求，技術難度都超過傳統的LSI。 　　（3）功能強大：TFT最早作為矩陣選址電路改善了液晶的光閥特性。對于高分辨率顯示器，通過 0-6V范圍的電壓調節（其典型值0.2到4V），實現了對象元的精確控制，從而使LCD實現高質量的高分辨率顯示成為可能。TFT-LCD是人類歷史上 第一種在顯示質量上超過CRT的平板顯示器。現在人們開始把驅動IC集成到玻璃基板上，整個TFT的功能將更強大，這是傳統的大規模半導體集成電路所無法 比擬的。 　　（4）低成本：玻璃基板和塑料基板從根本上解決了大規模半導體集成電路的成本問題，為大規模半導體集成電路的應用開拓了廣闊的應用空間。 　　（5）工藝靈活：除了采用濺射、CVD（化學氣相沉積）MCVD（分子化學氣相沉積）等傳統工藝成膜以外，激光退火技術也開始應用，既可以制作非晶膜、多晶膜，也可以制造單晶膜。不僅可以制作硅膜，也可以制作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導體薄膜。 　　（6）應用領域廣泛，以TFT技術為基礎的液晶平板顯示器是信息社會的支柱產業，也技術可應用到正在迅速成長中的薄膜晶體管有機電致發光(TFT-OLED)平板顯示器也在迅速的成長中。 　　3、 TFT-LCD的主要特點： 　　隨著九十年代初TFT技術的成熟，彩色液晶平板顯示器迅速發展，不到10年的時間，TFT-LCD迅速成長為主流顯示器，這與它具有的優點是分不開的。主要特點是： 　　（1）使用特性好：低壓應用，低驅動電壓，固體化使用安全性和可靠性提高；平板化，又輕薄，節 省了大量原材料和使用空間；低功耗，它的功耗約為CRT顯示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，節省了大量的能 源；TFT-LCD產品還有規格型號、尺寸系列化，品種多樣，使用方便靈活、維修、更新、升級容易，使用壽命長等許多特點。顯示范圍覆蓋了從1英寸至40 英寸范圍內的所有顯示器的應用范圍以及投影大平面，是全尺寸顯示終端；顯示質量從最簡單的單色字符圖形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高對比度，高響 應速度的各種規格型號的視頻顯示器；顯示方式有直視型，投影型，透視式，也有反射式。 　　（2）環保特性好：無輻射、無閃爍，對使用者的健康無損害。特別是TFT-LCD電子書刊的出現，將把人類帶入無紙辦公、無紙印刷時代，引發人類學習、傳播和記栽文明方式的革命。 　　（3）適用范圍寬，從-20℃到+50℃的溫度范圍內都可以正常使用，經過溫度加固處理的TFT-LCD低溫工作溫度可達到零下80℃。既可作為移動終端顯示，臺式終端顯示，又可以作大屏幕投影電視，是性能優良的全尺寸視頻顯示終端。 　　（4）制造技術的自動化程度高，大規模工業化生產特性好。TFT-LCD產業技術成熟，大規模生產的成品率達到90%以上。 　　（5）TFT-LCD易于集成化和更新換代，是大規模半導體集成電路技術和光源技術的完美結合，繼續發展潛力很大。目前有非晶、多晶和單晶硅TFT-LCD，將來會有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板。 　　

    三、國際技術水平和現狀 　　

        TFT-LCD技術已經成熟，長期困擾液晶平板顯示器的三大難題：視角、色飽和度、亮度已經獲得解決。采用多區域垂直排列模式（MVA模式）和面內切換模式（IPS模式）使液晶平板顯示的水平視角都達到了170度。MVA模式還使響應時間縮短到20ms。 　　從技術角度來看，TN+Film解決方案是最簡單的一種，TFT顯示器制造商將過去用于老式 LCD顯示器的扭曲向列（TN:Twisted Nematic）技術，同TFT技術相結合，從而有了TN+Film技術。這項技術主要就是通過顯示屏覆蓋一層特殊的薄膜，來擴大可視角度——可以把可視 角度從90度擴大到大約140度。如圖6所示：TN+Film同標準TFT顯示器一樣都是通過排列液晶分子來實現對圖象的控制，它在上表面覆蓋一層薄膜來 增大可視角度。不過TFT顯示器相對弱的對比度和緩慢的反應時間這些缺點仍然沒有改變。所以TN+Film這種方式并不是做好的解決方案，除了它的造價最 便宜之外沒有任何可取之處。 　　IPS就是In-Plane Switching的簡稱，意思就是平板開關，又稱為Super TFT。最早由Hitachi(日立)開發，現在NEC和Nokia也使用此項技術制成顯示器。這項技術同扭曲向列顯示器（TN-Film）的不同就在于 液晶分子相對于基本排列方式不同，當加上電壓之后液晶分子與基板平行排列。 　　采用這項技術的顯示器的可視角度達到了170度，已經同陰極射線管的可視角度相當了，不過這項 技術也有缺點：為了能讓液晶分子平行排列，電極不能象扭曲向列顯示器（TN-Film）一樣，在兩層基板上都有，只能放在低層的基板上——這樣導致的直接 結果就是顯示器的亮度和對比度明顯的下降，為了提高亮度和對比度，只有增強背光光源的亮度。這樣一來，反應時間和對比度相對于普通TFT顯示器而言更難提 高了。所以這項技術似乎也不是最好的解決方案。 　　MVA多區域垂直排列技術，是由日本富士通（Fujitsu）公司開發的，單從技術的角度看， 它兼顧了可視角度和反應時間兩個方面。找到了一個折中的解決方法。MVA技術使得可視角達到了160度—— 雖然不如IPS能達到的170度的可視角度，不過它`仍然是好的，因為這項技術能夠提供更好的對比度和更短的反應時間。 　　MVA中的M代指“multi-domains” —— 多區域的意思。圖8所示，那些紫色的突起（protrusion）構成了所謂的區域。富士通目前生產的MAV顯示器中一般就有這樣4個區域。 　　VA是“vertical alignment”的簡稱，意為垂直排列。不過單從字面上看會產生一些誤解，因為液晶分子并不是如圖所示的“突起”（protrusion）完全垂直。 請看圖8所示黑色示意圖。當電壓生成一個電場時，液晶分子如圖相互平行排列，這樣背光光源就能穿過，而且能將光線向各個方向發散，從而擴大了可視角度。 　　另外，MVA還提供了比IPS和TN+Film技術都快的反應時間，這對于取得良好的視頻回收和殘視覺效果都是非常重要的。MVA液晶顯示器的對比度也有所提高，不過同樣也會隨著可視度的變換而變化。 　　在采用光學補償彎曲技術（OCB）的基礎上發展起來的場序列全彩色（FSFC）LCD技術不僅 取消了占成本三分之一的彩色濾光膜（CF），還可使分辨率提高3倍，透過率提高5倍，同時簡化了工藝，降低了成本。彩膜技術和背光源技術的發展使TFT- LCD的彩色再現能力達到甚至超過了CRT。作為商品顯示器TFT-LCD的主要技術指標綜合性能在各類顯示器件中是最優秀的，特別是TFT-LCD產品 的大規模生產技術的完善，多品種、多系列的產品發展空間，應用范圍無所不至 。最近韓國三星電子已經生產出了38英寸單一基板的TFT-LCD液晶電視和40英寸TFT-LCD顯示器，以其優良的性能向公認的應為PDP霸占的大尺 寸彩電市場進軍。 　　LCD是所有顯示器中耗電最低的產品，以13.3英寸XGA TFT-LCD為例，其功耗1998年為4.4瓦，1999年為3.3瓦，到2001年將小于2.5瓦，特別是反射型TFT-LCD的研制成功，由于取消 了背光源，其功耗比透射式TFT-LCD低了一個數量級。同時由于幾改進，低溫激光退火多晶硅（P-Si）技術成熟，以至最近發展起來的單晶硅技術使得 TFT-LCD的響應速度更快，電路集成化水平更高，鎖相環技術的應用，一種功能更新，更全的周邊電路的采用，系統集成（System on glass）技術的發展，使得TFT-LCD更輕、更薄。13.3英寸TFT-LCD其厚度在1998年為7.2mm，1999年為5.5mm，2001 年降到5mm以下，其重量1998年為580克，1999年為450克，到2001年降到400克以下。ＴＦＴ-ＬＣＤ的大生產技術也已成熟，已實現全自 動生產，其***生產線在2002年將進入實用生產階段，生產成本將不斷下降。TFT-LCD在技術上的成熟與進步以及其特有的性能優勢確定了TFT- LCD最終取代CRT的格局。 　　

四、 總結 　　

            目前TFT-LCD已達到的技術水平狀況： 　　（1）水平和垂直角都達到170度； 　　（2）顯示亮度達到500尼特，對比度500：1； 　　（3）壽命超過3萬小時； 　　（4）場序列全彩色（FSFC）技術開始應用于工業生產； 　　（5）大屏幕薄膜晶體管液晶顯示彩色電視（TFT-LC TV）已經開始進入大規模工業生產，TFT-LCTV的畫質已經達到甚至超過了CRT，如28英寸TFT LC TV的分辨率為1920×1200，水平垂直視角均為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）大面積低溫多晶硅TFT-LCD已經開發成功，并投入工業生產，非晶硅TFT的自掃描LCD已經商品化； 　　（7）反射式TFT-LCD彩色顯示器開始商品化。例如分辨率是400×234，畫面為16：9的5.8英寸反射式顯示器的反射率為30%，響應速度為30ms，消耗功率為0.15瓦。 　　（8）730×920mm基板大屏幕生產線已經研制成功，更大尺寸基板的大屏幕生產線正在建設之中。 　　（9）塑料基板TFT-LCD開始商品化。日本現有5個品種的塑料基板產品。 　　（10）背光源和逆變器，雖在積極開發反射式LCD，但用背光源的透射型TFT-LCD在相當 長時間內還是主流產品。背光源是其重要配件。德國研制成用于液晶模塊的平板熒光燈背光源，亮度達到5000-7000cd/m2，壽命達到10萬小時。一 些新型自熱式背光源可以在-40℃到85℃范圍內正常工作。OEL背光源和高亮度LED背光源已開發成功，并開始用于TFT-LCD、Linfinity 　　Microelectrunies發明了冷陰極背光源長壽命逆變器，光源調制范圍達到500：1。