薄膜晶體管液晶顯示器技術

TFT-LCD結構。薄膜晶體管液晶顯示器由顯示屏、背光源及驅動電路三大核心部件組成。

TFT-LCD顯示屏，包括數組玻璃基板、彩色濾光膜以及液晶材料。數組玻璃基板制備工藝是：用三個光刻掩膜板，首先在玻璃基板上連續淀積ITO膜（厚20～50n m）和Cr膜（厚50～100nm），并光刻圖形，然后連續淀積絕緣柵膜SiN：（厚約400n m），再本征a-Si（厚50～100n m）和n＋a-Si層，并光刻圖形（干法）淀積Al膜，光刻漏源電極，最后以漏源電極作掩膜，自對準刻蝕象素電極上的Cr膜和TFT源漏之間n＋a-Si膜。這就是TFT反交錯結構的簡單制造工藝。下一步是：在玻璃基板上涂布聚酰亞胺取向層，用絨布沿一定方向摩擦，使取向層表面形成方向一致的微細溝道，控制液晶分子定向排列。在保證兩塊玻璃基板上下取向槽溝的槽方向正交的條件下，將兩塊玻璃基板上下密封成一個盒，盒間隙一般只有幾個微米（如10μm），然后抽真空封灌液晶材料。

彩色濾光膜（Color　Filter）簡稱CF。TFT-LCD的彩色顯示，實際是通過數組基板的光，照射在彩膜上，顯示屏就能顯示顏色。彩色濾光膜（如同著色的玻璃紙）可以制作在透明的電極之上（透明電極和液晶層之間），也可制作在透明電極之下（透明電極和玻璃之間），上下玻璃基板與CF膜對準精度非常高，要求CF膜黑白矩陣正好對準ITO象素電極的邊緣，CF膜附著在液晶盒表面，然后用兩片無色偏振片夾住液晶盒。彩色顯示原理可以簡述為：把TFT-LCD的一個象素點分割成紅、綠、藍（R、G、B）三基色，并對應CF膜的RGB，起光閥作用的LCD對透過CF膜的三色光量，進行平衡、調節得到所要的彩色。穿過CF膜的入射光如果漏射，則會影響TFT-LCD的對比度，所以在間隙處要設置遮光的黑矩陣（Black　Matrix）簡稱BM。為了穩定性和平滑性，使用丙烯基樹脂和環氧樹脂制成厚0.5～2μm的保護層（oe cota）簡稱OC。然后在這個保護層上面形成共享電極，即透明電極膜。BM層通常是由金屬鉻（Cr）制作，為了降低表面反射，也有用氧化鉻（CrOx）或樹脂。金屬鉻厚度約為1000～1500埃，用樹脂、染料或顏料，作為著色層來著色。每????? 個象素點的著色圖形，因TFT-LCD的用途而不同。如可按條形、瑪賽克形、三角形等排列。CF膜的特性用透過率、色純度、對比度以及低反射化表示，所以對CF膜的要求是：高透過率和色純度；高對比度和平整性以及極低的擴散反射。

液晶材料。據不完全統計，可以作液晶材料的高分子化合物，已超過1萬種。用一種液晶材料通常很難滿足器件要求的溫度范圍、彈性系數、介電常數、折射率各向異性以及粘度等主要技術指針，工程上必須用混合液晶來調制物理性能。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類：一類是向列相液晶。這種液晶材料，分子長軸平行，分子除轉動滑動外，還可以上下移動；二是膽甾相液晶。這種液晶材料，分子在不同的平面上取向，在同一平面上，分子長軸平行各平面的指向矢，并逐層扭轉呈螺旋變化；三是近相晶液晶。這種液晶材料，分子排列為層狀，各層的分子長軸平行，可以相互平行移動，但分子在層與層之間不能自由滑動。液晶材料的主要特點是：具有細長分子結構，在和分子指向矢垂直和平行兩個方向，其層電率、介電常數、折射率均不相同，并隨溫度和驅動頻率等外界條件而變化。另外，折射率各向異性大，在產生同樣光學效應的情況下，可以使液晶盒變薄。相同電壓下的電場強度就能加快液晶盒的響應速度。

TFT-LCD背光源。液晶本身并不發光，外部必須施加照射光，這種外部照射光稱為背光源。液晶顯示器的背光源，按液晶顯示面與光源的相對位置，大體上可分為邊緣式、直下式和自發光式三種。白熾燈、白鹵素燈為點光源，熒光燈（熱陰極、冷陰極）為線光源，電致發光（EL）以及矩陣式發光二極管為面光源。邊緣式背光源是在顯示區的側面，裝配線光源的熒光燈。為了確保顯示區亮度的均勻性，邊緣式背光源均采取集光和導光措施。集光是為有效地使入射光能從一個側面射出去，導光是將集光射出的光進行反射，使之成為平面光源；直下式背光源是在顯示區的正下方，裝配1只或幾只并排的冷陰極燈，在冷陰極燈的上面同時裝配漫散射板，以消除冷陰極燈造成的斑點；自發光式背光源是在顯示區的下方，裝配電致發光板。電致發光為面發光，可整面均勻發光且沒有斑點，發光顏色為綠、藍、白，亮度為30～100尼特。TFT-LCD背光源的發展趨勢是：大畫面、高亮度、廣視角以及薄型化、輕量化、低功耗化和低價格化。

TFT-LCD驅動電路。為了顯示任意圖形，TFT-LCD用m×n點排列的逐行掃描矩陣顯示。在設計驅動電路時，首先要考慮液晶電解會使液晶材料變質，為確保壽命一般都采用交流驅動方式。已經形成的驅動方式有：電壓選擇方式、斜坡方式、DAC方式和模擬方式等。由于TFT-LCD主要用于筆記本計算機，所以驅動電路大致分成：信號控制電路、電源電路、灰度電壓電路、公用電極驅動電路、數據線驅動電路和尋址線驅動電路（柵極驅動IC）。上述驅動電路的主要功能是：信號控制電路將數字信號、控制信號以及時鐘信號供給數字IC，并把控制信號和時鐘信號供給柵極驅動IC；電源電路將需要的電源電壓供給數字IC和柵極驅動IC；灰度電壓電路將數字驅動電路產生的10個灰度電壓各自供給數據驅動；公用電極驅動電路將公用電壓供給相對于象素電極的共享電極；數據線驅動電路將信號控制電路送來的RGB信號的各6個比特顯示數據以及時鐘信號，定時順序鎖存并續進內部，然后此顯示數據以6比特DA變換器轉換成模擬信號，再由輸出電路變換成阻抗，供給液晶屏的資料線；柵極驅動電路將信號控制電路送來的時鐘信號，通過移位寄存器轉換動作，將輸出電路切換成ON／OFF電壓，并順次加到液晶屏上。最后，將驅動電路裝配在TAB（自動焊接柔性線路板）上，用ACF（各向異性導電膠膜）、TCP（驅動電路柔性引帶）與液晶顯示屏相連接。

TFT-LCD工作原理。首先介紹顯示原理。液晶顯示的原理基于液晶的透光率隨其所施電壓大小而變化的特性。當光通過上偏振片后，變成線性偏振光，偏振方向與偏振片振動方向一致，與上下玻璃基板上面液晶分子排列順序一致。當光通過液晶層時，由于受液晶折射，線性偏振光被分解為兩束光。又由于這兩束光傳播速度不同（相位相同），因而當兩束光合成后，必然使振光的振動方向發生變化。通過液晶層的光，則被逐漸扭曲。當光達到下偏振片時，其光軸振動方向被扭曲了90度，且與下偏振片的振動方向保持一致。這樣，光線通過下偏振片形成亮場。加上電壓以后，液晶在電場作用下取向，扭曲消失。這時，通過上偏振片的線性偏振光，在液晶層不再旋轉，無法通過下偏振片而形成暗場。可見液晶本身不發光，在外光源的調制下，才能顯示，在整個顯示過程中，液晶起到一個電壓控制的光閥作用。TFT-LCD的工作原理則可簡述為：當柵極正向電壓大于施加電壓時，漏源電極導通，當柵極正向電壓等于0或負電壓時，漏源電極斷開。漏電極與ITO象素電極連結，源電極與源線（列電極）連結，柵極與柵線（行電極）連結。這就是TFT-LCD的簡單工作原理。

TFT-LCD的關鍵技術。TFT-LCD的關鍵技術很多，主要有以下幾個大的方面：
一是提高開口率技術。開口率指TFT-LCD顯示屏光透過部分和不透過部分之比，開口率越大，亮度越高。影響開口率的主要是柵和源總線寬度、TFT尺寸、上下基板對盒精度、存貯電容尺寸及黑矩陣尺寸等。為了提高開口率，采取的辦法是：將黑白矩陣和彩膜都做在TFT基板上，此辦法避免了對盒精度引起的開口率下降，但成品率不是很高，成本也會相應加大。另外就是柵源總線，采用集成電路微加工技術。90年代TFT矩陣微加工約10μm，開口率為35％，微加工達到5μm時，開口率為80％。第三就是采用自對準光刻技術。主要是消除柵極和源漏極重迭形成的寄生電容。用自對準光刻技術，把柵電極作掩膜板，光刻n＋a-Si和源漏電極，以減少柵源電極之間的重迭。最后是改善柵源材料。為了增加開口率，應盡量將總線寬度取小，但要考慮由于總線電阻過大，輸入信號延遲，驅動不充分，從而降低對比度的問題。通常采用Cr或MoTa金屬包Al的辦法，這樣就能得到低電阻總線。

二是擴大視角技術。液晶分子的各向異性，決定了液晶分子空間分布的不同，不同的立體角光透過率不同，這是造成顯示對比度不均勻的重要原因。因此，擴大視角是液晶顯示技術的關鍵課題之一。一般采取的技術措施有：補償膜技術。在液晶顯示屏上，貼光漫射膜和光強補償膜，使通過液晶屏的光均勻漫射，并補償某些角度的光強。另外就是采用多疇技術，在象元內劃分兩個以上不同液晶分子排列區域，形成多疇液晶分子取向，從而達到擴大視角的目的。擴大視角技術還有IPS、ASM等方法和措施。

三是簡化TFT數組工藝。一般TFT數組工藝刻蝕次數為7～9次，工藝流程過長，影響產品合格率和生產能力。國外文獻報導，已有4次套刻工藝，比常規的TFT數組工藝減少了一半。

當然，液晶顯示器的關鍵技術不只是以上三個方面，但它們是影響TFT-LCD質量的最關鍵技術，其它關鍵技術這里就不一一贅述。