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TFT-LCD 技术简介

TFT-LCD技术

1 TFT LCD技术发展历史

晶体管的发明对半导体行业来说,是个划时代的事件。作为晶体管的一种,TFT的发明是在与LCD没有任何联系的情况下发生的。1971年,虽然有人提出用TFT驱动LCD的概念,但是并没有引起人们的注意。直到1979年,开发出了TFT LCD,但是当时由于用无源矩阵的方法也可以驱动100条左右的扫描线,因此还是很多人对TFT LCD没有看好。在LCD画面的数十万个画素上都作TFT,在当时的半导体技术水平来看,简直是“痴人做梦”。

进入80年代以后,在TN模式LCD上很难实现显示更多信息量的要求,因此很多人(LCD技术人员,而不是半导体技术人员)在液晶材料和液晶模式上想找出答案。1983年左右,人们终于找到了答案—新的液晶模式STN LCD。由于STN模式非常巧妙的解决了TN模式在100条扫描线以上出现画质急剧下降的问题,整个LCD业界几乎都投入到STN技术开发和产品开发。80年大后期,市场上大量出现了STN产品,还出现了类似于笔记本电脑的文字处理器(Word Processor)。

但是对于彩色化、液晶电视等新的需求,STN模式显然力不从心(响应速度慢,灰度表示较困难)。很多技术人员开始转向新的解决方法。虽然TFT LCD 的技术开发没有停止过,但是整个LCD业界开始把目光转向TFT LCD还是上个世纪80年代中期以后的事。

上个世纪80年代正好是日本半导体行业的全盛期,而且比较有趣的是几乎所有的拥有半导体部门的日本企业都参与了TFT LCD产业。因为TFT的工艺与DRAM有很大的类似性,因此虽然没有LCD的技术储备,日本很多半导体企业还是参与了这个行业。其实韩国的三星电子、LG飞利浦、现代都拥有或拥有过半导体部门;台湾的TFT LCD企业(友达)也与半导体有关系。

下面的两个表各自描述TFT的技术发展史和LCD的技术发展史。在1971年TFT技术和LCD技术曾经有过交点,但是没有“成功”的结合;到了1981年开始这两个技术才真正结合并开始发芽开花了。

1、TFT技术发展历史(引至Flat Panel Display 2001 P96)

时间主要事件发明人/组织晶体管的发明1947年发明点接触方式晶体管

1951年发明结合方式晶体管Shockley等半导体产业的形成1954年晶体管大量应用

1958年出现IC

1971年出现微处理机

TFT的发明1961年发明CdSe-TFT

-> 主要应用于感应器、固体摄影元件,

高压开关

Weimer

有源矩阵LCD的

发明1971年提出有源矩阵LCD概念Lechner 1972年开发CdSe-TFT LCD Brody 1975年开发CdSe-TFT驱动的EL Brody

Si薄膜的出现1979年制作a-Si TFT LeComber

1980年制作低温多晶硅TFT 日立制作所

1981年制作a-Si TFT LCD LeComber TFT LCD的产品化1984年高温多晶硅TFT LCD的产品化Hattori Seiko

信州精器

1986年a-Si TFT LCD TV的产品化松下电器TFT产业的确立1991年采用彩色TFT LCD的笔记本电脑产品化NEC、日本IBM

2、LCD技术发展历史(引至Flat Panel Display 2001 P96)

时间主要事件发表者/发明者

1961年最初TFT论文Weimer,P.K

1962年申请DSM液晶模式的专利Williams,R US Patent 3322485 1968年发表DSM液晶模式的论文Heilmeier,G.H等

发表GH(宾主)液晶模式的论文Heilmeier,G.H等

1970年发表ECB液晶模式的论文Hass,W等

1971年发表TN液晶模式的论文Schadt,M等

申请TN液晶模式的专利瑞士 F.Hoffma-La Roche&Co.Ag

发表DSM液晶模式双频驱动法论文

发表有源矩阵液晶原理的论文

开发利用DSM液晶的手表精工

1972年发表ECB矩阵液晶的论文

申请1/3 Bias电压平均法的专利日立

发表在LCD采用电压平均法的论文

1973年发表梳状电极液晶的论文

发表1/3 Bias电压平均法的专利

发表制作CdSe-TFT矩阵LCD的论文

开始出售采用DSM液晶的计算器夏普

开始出售采用TN液晶的计算器精工

申请随意Bias电压平均法的专利日立

1974年发表考虑实值依赖性的线顺次驱动法的论文

申请随意Bias电压平均法的专利日立

1975年发表有关制作DSM矩阵液晶的论文

1976年发表有关制作TN矩阵液晶的论文Kawakami,H等

1978年开始出售TN矩阵液晶显示器日立

1979年发表有关矩阵液晶驱动波形正交函数的论文

发表有关制作a-Si TFT的论文Le Comber,P.H等

1980年发表有关制作a-Si TFTLCD的论文Snell,A.J等

1981年发表有关制作低温多晶硅TFT的论文

申请低温多晶硅TFT的专利日立

发表彩膜方式LCD的论文内田龙男

1983年发表暗示应该提高电光特性曲线陡度的论文

申请STN专利英国皇家信号激光Establishment,

瑞士Brown Boveri研究中心1984年出售采用多晶硅TFT LCD的彩色液晶电视精工

1985年发表制作STN LCD的论文

1986年发表使用磨察法的STN的论文

出售STN LCD产品日立

发表用磨察方法控制高预倾角的论文

出售采用a-Si TFT LCD的彩色液晶电视松下电器

1987年申请2层STN LCD专利精工

出售采用2层STN LCD的膝上电脑精工

1988年发表有关制作彩色2层STN LCD的论文

发表制作14“彩色a-Si TFT LCD的论文

申请采用补偿膜的STN专利精工

出售补偿膜STN LCD 精工、日立、夏普

1989年出售采用补偿膜STN LCD的笔记本电脑东芝

1990年出售采用彩色的补偿膜STN LCD的膝上电脑NEC

1991年出售采用彩色a-Si TFT LCD的笔记本电脑NEC、日本IBM

2 TFT LCD 技术简介

TFT 技术和LCD 技术是完全不一样的两个领域。TFT 技术属于半导体,具有技术密集型的大型装置设备产业的特点;LCD 则具有劳动密集型的传统组装产业(现在LCD 技术也趋向于技术密集型的装置产业)的特点。因此,TFT LCD 技术所涉及的范围非常广泛,几乎所有理工专业都可以在TFT LCD 找到适合的技术领域。

TFT LCD 厂家的产品-TFT LCD 模块,包括以下部分: 1)TFT /彩膜基板 2)液晶 3)驱动部分 4)背光源

TFT 技术覆盖的是TFT/彩膜基板的制作;液晶面板的显示品质主要取决于液晶技术;信号处理并控制显示质量取决于驱动部分;光源部分取决于背光源技术。下图表示在LCD 模块的各个组成部分。

下面就按以上分类的4个部分,逐一简单介绍TFT LCD 的技术。

Case Top

LCD Panel(TFT/CF)

Diffusers & Prisms

Light Guide

Lam

Suppor Main Reflecto PC

D-IC(on TCP) Housing Lamp Bottom Cover

Driver IC

PCB

2-1 TFT 技术

TFT (Thin Film Transistor )- 薄膜晶体管,顾名思义是晶体管,正确的是利用电场效果的晶体管。因此很多技术与半导体工艺非常相似,但是最近随着玻璃尺寸的增加(第5代玻璃尺寸按对角线有67英寸,远远大于最大的硅片尺寸-12英寸),两种工艺出现技术差异,特别是生产技术和设备技术。

下面分工艺技术和生产技术简单介绍TFT 技术。

2-1-1 TFT 基本概念 A 、TFT 结构

TFT 有底栅型结构和顶栅型结构。最近非晶硅TFT 基本上都采用底栅结构。

从顶栅结构的TFT 结构可以看出,与电场效果晶体管(FET )非常类似。TFT 的工艺基本上是薄膜的成膜和图形形成过程的重复。目前非晶硅TFT 一般使用4~6块掩膜,进行5~6次光刻胶过程。

下图表示最典型的5块掩膜非晶硅TFT 的截面图。

底栅

顶栅

玻璃

玻璃玻璃

栅极

栅极绝缘层

a-Si n+ a-Si

漏极

源极

保护层

ITO

B 、TFT 基本原理

众所周知,TFT 也是通过加到栅极的电压来控制源漏电极之间的电流的导通和切断,即TFT 在TFT LCD 里起的作用就是开关。下图表示加到栅极的电压与源漏之间电流的大小。

通过调整栅极电压,可以控制源漏电流,一般在非晶硅TFT ,最大源漏电流和最小源漏电流比很容易做到106以上,使得TFT 能成为非常高效的开关。

在TFT LCD 中,如果不采用TFT 的话,临近各个像素之间的电压互相发生影响,使得每个像素液晶所受电压被扭曲,结果显示品质大幅度下降,这个现象一般叫做“串像”(Cross Talk )。像下图一样,如果在每一个像素内都做一个开关,这样临近像素之间的“串像”现象基本上消失,液晶所受电压没有扭曲,因此显示品质大幅改善。

栅极电压

源漏电流

扫描线

信号线

TFT(电子开关)

按形成TFT沟道(Channel)物质的结晶度可分为以下3种TFT。TFT种类特点缺点适合产品

非晶硅TFT 适合于在大面积玻璃上

生产费用很低

充电电流小大面积显示器

多晶硅TFT 充电电流较大

芯片部分功能可以移植工艺较复杂

生产费用增加

手机、PDA

单晶硅TFT 充电电流非常大

可以实现System on Glass 工艺非常复杂

生产费用昂贵

手机、投影仪用面

由于工艺简单,生产费用低,又适合生产2“~40“面板生产,目前TFT LCD 产品中,非晶硅TFT产品占绝对多数。但是,正如在半导体行业SOC成为大的技术开发和产品开发方向,在TFT行业也往这个方向发展。在TFT行业,这种技术称SOG(System on Glass),即把所有的功能全部集成到玻璃基板上,使得一个液晶模块成为笔记本电脑、带有显示屏的电脑或数字电视。

就是说,SOG是把SOC包含在内部的概念,可以说,如果我们TFT行业实现了SOG技术,我们TFT行业可以涵盖整个半导体行业!

目前由于技术开发水平还停留在比较低的阶段,SOG只不过处于萌芽状态。但是这个大的技术开发方向应该不会有变化。而低温多晶硅作为一种介于非晶硅和单晶硅之间的概念,由于可以利用既有的非晶硅的很多技术,目前其技术开发成为TFT技术开发的主流。还有这几年有机EL技术的发展,低温多晶硅更是受到瞩目。因为有机EL不能离开有源矩阵驱动,而利用电流发光的有机EL,对TFT的充电电流有较高的要求,而非晶硅无法满足有机EL的电流要求,而多晶硅TFT可以满足这一要求。其实,目前开发有机EL的主流公司都在开发低温硅晶硅TFT的技术。

有机EL会不会成为TFT LCD的竞争对手的问题,其实是LCD行业非常关心的问题。作为自发发光的显示方式,有机EL在TFT LCD最弱的响应速度和视角方面占据很大的优势,因此单从性能方面考虑有机EL确实是TFT LCD的强有力的竞争对手。这也许是几乎所有的TFT LCD厂家正在进行低温多晶硅和有机EL技术开发的真正原因,虽然看起来更象个参加保险。

在整个TFT LCD 产品开发时,TFT 的设计是起点,与TFT LCD 的显示品质和产品良率直接相关。正如在半导体行业里设计技术非常重要一样,在TFT LCD 行业,TFT 设计技术非常重要。但是与半导体不一样,TFT 的设计考虑的出发点是LCD 的画质,而不仅仅是TFT 本身的性能,而且目前TFT 的主流是非晶硅,不是半导体产业的单晶硅。

在TFT LCD 里,TFT 的作用是开关,因此充电电流越大越好、漏电电流越小越好。一般来说,TFT LCD 产品显示大量信息,扫描线数都超过100条以上,因此每条扫描线的扫描时间只有整个画面(一帧的信号信息)显示时间的100分之1以下,即扫描时间相对于保持时间很短。在TFT LCD 产品中最典型的15“ XGA (768条扫描线) 产品为例,其每条扫描时间为21微妙,而保持时间却长达16645微妙,是扫描时间的800倍以上。TFT LCD 产品要求在这么短的扫描时间内必须完全对液晶(其实是一个电容)进行充电,并保证被充电的电压在以后的保持期间内保持不变,即漏电电流必须很小。

实际上没有理想的开关,在TFT LCD 的产品中,要求充电电流和漏电电流之比大于106即可。因此实际上由于漏电电流的产生,充电时的电压在保持期间会下降,因此必须额外增设电容以防这种电压下降,这个增设电容称作储存电容。还有由于液晶分子的排列变化引起液晶电容值得改变,必然引起液晶层的电压的变化,储存电容的存在也可以防止这种液晶层电压的变化。

从TFT 的典型结构可以看出,由于是薄膜的积层结构,不可避免的产生很多寄生电容,这些寄生电容的存在引起液晶层两端的电压歪曲,从而降低现实品质。还有这些电容的存在在TFT 刚开始关上时,会引起液晶电容和这些寄生电容之间的电压的重新分配,即带来液晶层电压的变化。下图表示这些过程:

扫描时间

保持时间 帧

公用电压

栅极on 电压

栅极off 电压

信号电压 液晶层电压

目前随着TFT LCD面板的面积不断增加,扫描线的长度越来越长,引起充电电流从扫描线一段流到另一端时出现延迟现象,信号被歪曲。这种信号歪曲的根本原因在于扫描线的电阻和有扫描线构成的电容,因此降低扫描线的电阻和电容非常重要。还有由于扫描线、信号线目前都采用金属材料,本身挡住可见光的透射,因此为了增加整个面板的透光率必须缩小扫描线和信号线的线宽。

因此在设计TFT时,必须考虑以上问题。下表简单介绍TFT设计时需要考虑的一些问题:

项目问题解决方法液晶的电容液晶电容变化引起液晶层电变化加储存电容

漏电流TFT漏电流引起液晶层电压下降加储存电容

寄生电容液晶层和寄生电容电压重新分配减少寄生电容

扫描线信号延迟扫描线电容电阻引起使用低电阻率金属透过率扫描线、信号线不透光减少线宽

2-1-2 TFT工艺技术

如前所述,TFT的制作过程是薄膜积层过程,其中作为栅极和源漏极、透明电极的材料为金属或金属氧化物;栅极绝缘层和沟道、保护层为非金属材料。这些材料要在玻璃上形成作成40nm~300nm左右的薄膜,目前这样的薄膜只能利用CVD(Chemical Vapor Deposition)方法或溅射方法制作。作完薄膜以后,利用光刻胶工艺(Photolithography)对此进行图形形成过程,最后制作成TFT。

下表简单介绍各个薄膜材料的具体材料和形成工艺手段:

典型材料薄膜形成手段备注栅极AlNd/Cr,AlNd/Mo,Al/Ti 溅射

栅极绝缘层SiNx PECVD 400度以上高温沟道a-Si, Poly-Si, Si PECVD 400度以上高温

源漏极Cr, AlNd/Cr, Mo, Mo/Al/Mo 溅射

保护层SiNy PECVD

透明电极ITO,IZO 溅射

下面再介绍各个工艺、材料和一些技术发展趋势。

A、CVD和溅射工艺

由于生产线的玻璃尺寸越来越大,对CVD和溅射工艺条件的要求越来越高。第5代生产线的玻璃尺寸为1100mmX1300mm,在这么大的玻璃上面形成40nm~300nm的薄膜,而且要非常均匀。还有为了提高生产效率,成膜的速度要非常快。

CVD工艺中使用硅烷、氢、氨气、磷烷等气体,这些气体发生化学反应以后形成的化合物就是我们所需要的薄膜材料,因此怎样控制各种气体之间的配比、反应温度、反应条件都非常重要。由于CVD温度较高,必须考虑对玻璃和已经形成的薄膜的影响。

还有溅射工艺中,靶材的纯度、大小比较重要。

B、光刻胶工艺

光刻胶工艺中,最重要的是怎样确保在大玻璃表面上形成均匀的光刻胶膜。第4代为止一直采用旋转涂敷法,但是由于从第5代开始,玻璃尺寸太大,玻璃容易在旋转过程中破碎,旋转涂敷法很难继续使用。目前普遍采用先扫描后低速旋转的涂敷法,但是光刻胶膜的均匀度方面存在一些问题。

还有进行曝光时采用的掩膜板,由于面积大(520mmX750mm),材料为石英玻璃,因此价格非常昂贵。因此掩膜板的回收利用应该是降低掩膜板购入费用的有效方法。

目前最大的掩膜板大小相对于第5代玻璃较小,因此在生产比掩膜板大小还大的面板时,不得不进行两次以上的曝光,结果在交界处容易产生曝光量不同而引起的显示不良,必须在掩膜板的设计和TFT设计时考虑这一影响。

C、金属材料

在TFT上采用的金属材料,必须具有热稳定性(在450度)、化学稳定性,更为重要的是具有低电阻率、与玻璃、氮化硅、非晶硅、透明电极有良好的接触。

栅极金属直接与玻璃和氮化硅接触,必须与之有良好的接触特性。还有目前

TFT LCD面板尺寸逐渐增大,栅极材料必须采用低电阻率的金属。下表列出电阻率最低的几种金属材料:

金属Ag Cu Al Mo Cr

电阻率( cm) 1.59 1.67 2.65 5.2 12.7 备注广泛利用适合IPS

虽然银金属的电阻率是最低的,但是银与玻璃的接触性能不好,容易引起剥离,在实际工艺中很难使用;铜金属电阻率也低,但是无法用一般的光刻胶工程对铜金属进行图形形成,必须采用特殊的方法,因为能与铜反应的蚀刻液较少。因此目前作为低电阻率材料,铝是唯一的候补。但是纯铝的热膨胀率大,在进行栅极绝缘层工程后,在经过加热冷却过程,发生铝金属的Hillock现象,这些Hillock穿透栅极绝缘层,引起栅极和源漏极的接通。目前普遍使用铝合金,虽然电阻率有所增加,但是制作60“面板没有大的问题。

钼金属和铬金属是目前普遍采用于20“以下面板的金属材料,虽然电阻率较高,但是20“以下面板上还是可以使用。其中铬金属由于具有与透明电极、氮化硅良好的接触特性,还有在空气中稳定,因此被广泛采用在各种TFT LCD 产品中。后面介绍的4块掩膜工艺只能在采用铬金属的TFT产品有效。

D、透明电极材料

透明电极在TFT LCD中非常重要,既要通电又要透过可见光。目前普遍采用ITO(铟锡氧化物),在40~120nm厚度时,透过95%以上的可见光,而且电阻率也较低。

由于ITO与铬金属的接触电阻较高,目前在4块掩膜工艺中有些厂家采用IZO(铟锌氧化物),虽然价格贵、可见光透过率稍微低,但是与铬金属的接触电阻低。

E、沟道材料

如前所述,根据沟道材料的结晶度不同,把TFT分类为非晶硅TFT、多晶

硅TFT和单晶硅TFT,下面简单介绍非晶硅TFT和多晶硅TFT。

非晶硅的迁移率很低,以前广泛采用在太阳电池上。但是非晶硅有以下特点,因此目前也广泛应用于TFT LCD上:

1,具有充分大的迁移率对液晶电容和储存电容进行充电。

2,具有充分小的漏电流,使得液晶层电压在1帧时间内基本不变。

3,在大面积基板表面上,易进行成膜且易得到均匀膜厚。

4,成膜温度可低于350度,可用玻璃作基板。

5,与金属、绝缘体、半导体的界面接触特性非常良好。

6,可进行离子注入,图形形成工程再现性非常良好。

在TFT LCD产品内,需要对数字信号进行处理,并生成加到液晶层的电压,因此需要大量芯片。目前这些芯片都是半导体厂家在硅片上制作。但是有些芯片的功能可以用比单晶硅迁移率低的多晶硅制作。一般来说,多晶硅的结晶大小在数微米,因此在沟道内形成多个结晶区域(Domain)。由于低温多晶硅技术可在玻璃上进行,因此几乎所有TFT LCD厂家都在开发低温多晶硅技术。

采用低温多晶硅技术,不仅把TFT大小减少(增加面板透过率),而且把芯片的某些功能可以移植到玻璃上。这有利于降低成本和提高品质。

F、4块掩膜工艺

一般来说,典型的非晶硅TFT需要形成7层薄膜,进行6次光刻胶过程。目前一般采用5块掩膜工程,因为工艺稳定、生产性比较高。但是为了进一步增强生产性并降低成本,4年前开发出了4块掩膜工程。此工程由于工程数减少,整个工程时间缩短,结果大大提高了生产性,还有少用1块掩膜板,又降低了生产成本。

但是4块掩膜工程对工艺条件的要求非常苛刻,对掩膜板设计要求很高,因此必须要对掩膜板设计和工艺条件进行考虑周全。2003年3月以前,在大量生产方面,在第5代厂还没有正式采用4块掩膜工程,而都采用5块掩膜过程。

4块掩膜工程有以下问题:

掩膜板成本增加、TFT工程容限(margin)变小、信号线只能采用铬金属、不良种类和数目增加、由于只能适用铬而不能采用于17“以上TN模式产品的生

产。

2-1-2 TFT 设备

TFT 生产中最重要的设备是成膜设备和光刻胶设备(包括曝光设备),其中CVD 设备和溅射设备更为重要。由于第5代玻璃尺寸达到1100mmX1300mm ,CVD 设备大小几乎与篮球场一样大。如前所述,增加玻璃尺寸是最有效的增强产能的方法,因此第6代、第7代甚至第8代生产线的出现都很正常。

据说第5代生产线设备是能够通过道路运输的最大尺寸,因此从第6代设备开始,只能在生产线附近组装并安装,这要求TFT LCD 厂家必须和设备厂家加强紧密联系,寻求良好的合作关系。

2-2 LCD 技术简介

作为同时具有晶体的有序结构(晶体特性)和液体流动性的特殊的物质状态-液晶状态在自然界并不特殊。目前所知道的有机化合物中,0.5%的物质呈液晶状态。由于液晶分子的形状类似棒状,长度方向和宽度方向的物理性质不一样,对可见光的透过光路也不一样。当外部电场方向与液晶长度方向不一致时,液晶分子的排列发生变化,即可以通过外部电场控制液晶的排列,也可以控制液晶的光路。这就是LCD 能成为显示器的根本理由。

下图是TN 模式LCD 的光电特性。

光透过率

电压

Gray-8

Gray-7

Gray-6 Gray-5 Gray-4 Gray-3 Gray-2 Gray-1

V-1

V-2 V-3 V-7 V-8

在某一段电压范围内,透过率随着电压的变化而变化,正是利用液晶的这一光电特性,可以显示出很多灰度的图像。

2-2-1 LCD 的特性参数

由于TFT LCD 是显示信息的特殊部件,其特性的评价与其他半导体产品不一样,消费者直接可以进行评价。人从外部获得的信息量的80%以上是通过视觉,而显示器正是提供视觉信息。

一般来说,TFT LCD 的特性指标包括以下几个项目:

其中消费者也可以很容易进行评价的项目有亮度、对比度、视角和响应速度。其实很多TFT LCD 的技术开发正是围绕着改善TFT LCD 的这些特性而进行的。下面从这个角度简单介绍TFT LCD 中有关LCD 的技术。

2-2-2 液晶模式 A 、 TN 模式

TN 模式的出现彻底改变了LCD 产业的命运,从1971年TN 模式发明以后

上下左右

无 30/30/80/80

15/15/60/60

15/15/60/60

灰度翻转(度)

3.5~

4.5%

5~6%

8%

10%以上

透光率

~ 9000K

~ 6000K

~ 5000K

~ 3000K

色温

闪烁

余辉(残像)

部分存在 存在 存在 存在 色移

相对于NTSC

72%以上 ~ 60% ~ 45% ~ 30% 显色范围(%) 16 25 30 30 响应时间(ms)上下左右 80/80/80/80

30/30/60/60

80/80/80/80 15/15/30/30 15/15/30/30 视角(度) 500以上 200~500 100~150 ~ 100 对比度

450以上 200~300 100~200 ~ 100 亮度(cd/m 2)

备 注 电 视 监视器 笔记本 手机/PDA 特性指标

到现在,几乎所有的LCD产品(包括TFT LCD产品)都是TN模式。下图表示TN模式的面板内部的液晶分子的排列状态。

在面板内部液晶分子在上下方向互相垂直,在中间部分液晶分子从上到下扭曲90度排列;当加上电场时液晶分子的排列发生变化,全部垂直于面板表面。如果所加电场不够强时,液晶分子的排列是部分扭曲和倾斜于面板表面。

TN模式的长处是制作简单,对TFT的要求较低,使得TFT设计较为简单,工艺也简单。因为TN模式技术成熟度非常高,TN模式面板的生产成本非常低。这也是为什么大部分LCD产品采用TN模式的真正原因。

亮(bright) 暗(dark)

偏光板

取向膜

~

偏光板

但是TN模式有一个致命的缺点,就是视角特性较差,不能适合于高端的监视器和液晶电视。其原因与液晶分子的排列有关(如下图所示),因此改善视角必须从液晶分子的排列上切入,才能根本上解决问题。

视角问题发生的原因

B 、 IPS 模式

IPS (In Plane Switching )模式的出现大大改善了TN 模式视角问题,而且到目前为止IPS 模式在视角特性方面,在所有的液晶模式中最好。下图表示在IPS 模式中,液晶分子在无电场和加电场时的排列:

由于液晶分子只在面板表面上旋转,因此加电场前后液晶分子一直维持与面板表面平行的状态,因此从面板前面的任何角度看TFT LCD

都不会有很大的差别,视角问题大大改善。

IPS 模式的特点是电场方向不是上下方向,而是横向方向,所有的电极都在TFT 玻璃上形成。一般信号线和公用电极线互相平行,如下图所示,但是在某个特定角度产生色移(Color shift ),降低显示品质。为了改善这些特性,最近出现了Super IPS 的技术(NEC 提供给我们的SFT 就是Super IPS ),其原理是把信号线和公用电极线的形状改编成JIGZAG 状,这样在加电场时就形成排列方向不同的两个液晶区域(Domain ),这样上述的色移被平均化,色移的程度大大降低。

TFT BM

Electric

Field

信号线

I 液晶取向方向

公用电极线

但是由于所有的电极都在TFT 玻璃上形成,因此IPS 面板相对于TN 模式面板相比,透过率非常低,只有TN 模式的一半。这样在实际生产时,必须使用非常亮的背光源,引起成本增加和电耗增加。至于响应速度,只要缩短信号线和公用电极线的距离,很容易达到12ms 水平。

C 、 V A 模式

V A 模式其实正好是TN 模式的翻版,如下图所示,无电场时液晶分子垂直于面板表面,加电场后液晶分子平行于面板表面,其Switching 过程正好与TN 模式反过来。因此V A 模式本身不能改善视角问题。

为了改善视角,在V A 模式上采用以下两种方法并用:加电场时液晶分子从垂直于面板表面倾向平行于面板表面,此时把液晶分子分成4个区域,使得液晶分子躺下去的方向在邻近区域内互相成90度,这样上下左右4个方向液晶分子的排列平均化,视角大大改善;同时使用补偿光学膜以便更好的改善视角。

根据决定液晶分子躺下去的方向的方法,V A 模式可分为MV A (Multi-Domain V A )和PV A (Patterned PV )。下图表示这两种方式的区别:

加电场

PVA

电场方向

MVA

PV A模式采用对透明电极进行图形,使得在上下电极位置互相交错,这样所产生的电场在电极端形成Fringe Field,其方向不再垂直于面板表面,因此可以控制液晶分子躺倒的方向。MV A模式则采用在上下电极上形成突起物(突起物上没有透明电极),使得在各个区域(Domain)内突起物附近电场方向歪曲,这样也可以控制液晶分子躺倒的方向。

由于V A模式的TFT结构和TN模式大同小异,整个工程也与TN LCD相似(还少了磨擦工程),因此相对于IPS模式,在工艺和生产上相对有利。特别是以后生产40“以上面板时,或者运转第5代以上生产线时,磨察工程可能引起很多问题。与需要进行磨察的TN模式和IPS模式不同,V A模式不需要磨察,因此生产大面积面板或第5代以上生产线上,V A模式更具有潜力。

至于从视角性能上,V A模式比IPS模式有些不利,但是作为产品,从实际使用的角度考虑,应该与IPS可以媲美。V A模式良率的提升比IPS模式有利,但是由于V A模式液晶材料较贵、必须使用视角补偿膜,因此材料费方面比TN 模式要高。还有透过率方面,V A模式大约是TN模式的60%左右,比IPS模式高出20%左右。

D、OCB模式

TN、IPS和V A模式的响应速度都在10毫秒以上,从目前的工艺技术推测,把响应速度加快到10毫秒以下很困难。但是在TFT LCD上实现CRT同等水平的动画像效果,响应速度必须达到10毫秒以下。OCB模式(Optically Compensated Birefrengecy)在响应速度方面具有TN、IPS和V A模式所没有的优势。下图表示OCB模式的概念:

加电场

无电场时,液晶分子的排列是弯曲排列,加电场时中间部分的液晶分子垂直于面板表面。OCB模式的响应速度一般在5毫秒左右,而且TFT的结构、液晶的光学设计、整个生产过程与TN模式几乎完全相同,因此作为液晶电视面板的生产,OCB模式具有很强的竞争力。

但是,OCB模式也具有很多缺点,而且从技术上这种缺点还没有全部得到解决,因此目前还没有任何TFT LCD厂家采用OCB模式进行量产,OCB模式的缺点为

1、打开电源时,必须瞬间在液晶层加上20V左右的电压,使得液晶分

子的排列从Spray排列变成弯曲排列;

2、这种弯曲排列在某个临界值电压以下(一般为2伏特左右)转变成

Spray排列,因此驱动液晶的电压比别的模式要高;

3、OCB模式要求液晶材料具有非常大的介电各向异性,别的模式一般

都小于10,但是OCB却达到15左右,这样液晶材料的可靠性大大

降低;

4、OCB模式的液晶分子的特殊排列,使得其视角非常不好,必须进行

视角补偿。但是不能像V A模式一样划分区域,因此只能利用补偿

膜进行补偿。目前补偿的方法有补偿中间液晶分子的光学补偿膜和

补偿界面液晶分子的特殊补偿膜,使得成本大大增加,而且补偿后

的视角与V A模式和IPS模式还存在差距。

5、OCB模式的透过率为TN模式的80%左右。

因此,OCB模式的实用化还需要等到技术上的新的突破以后,但是作为高速响应速度的液晶模式,OCB模式的潜在力非常大。

E、其他模式

以上介绍的IPS模式、V A模式是为了改善TN模式的视角特性而开发的,OCB模式是为了改善TN模式的响应速度而开发的。此外也有一些模式,如FLCD (铁电液晶)模式也是为了改善TN模式开发出来,但是由于对工艺条件的要求非常苛刻、液晶材料的价格昂贵、取向技术太复杂等原因,目前基本上所有的技术开发都停止了。

那么,TN 模式的视角和响应速度特性没有改善的余地?其实目前市场上销售的90%的TFT LCD 产品都是TN 模式。在TN 模式的面板表面贴视角补偿膜,则其视角特性虽然达不到IPS 和V A 模式,但是有很大的改善,目前15“、17”、部分19“监视器和20“以下液晶电视都是采用这种TN 模式的面板。

还有,如果在TN 模式上,把液晶层的厚度缩小到2微米左右,响应速度能达到2毫秒,目前这种技术广泛利用与投影仪用LCD 面板和LCoS 面板的生产。

2-3 TFT LCD 驱动和信号处理技术简介

随着数字技术的发展,目前TFT LCD 的驱动部分几乎全部采用数字信号。下图表示TFT LCD 模块内驱动部分的概要:

驱动部分主要以信号接收和整理的芯片(时间控制器)、生成各种电压的供电电路、控制TFT 开和关的扫描芯片、提供液晶电压的信号芯片和提供背光源高电压的逆变器组成,其中在一般的TFT LCD 产品上,逆变器不需要从驱动部分来控制,因此一般的产品的驱动部分不包括逆变器。

数字信号接收芯片

TFT LCD

信号芯片

扫描芯片

. . . . . . . . . . ……….

时间控制 芯片

供电

电路

DC/DC

逆变器

背光源

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