薄膜晶体管液晶显示器技术

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。

三是简化TFT数组工艺。一般TFT数组工艺刻蚀次数为7～9次，工艺流程过长，影响产品合格率和生产能力。国外文献报导，已有4次套刻工艺，比常规的TFT数组工艺减少了一半。

当然，液晶显示器的关键技术不只是以上三个方面，但它们是影响TFT-LCD质量的最关键技术，其它关键技术这里就不一一赘述。