薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)

TFT-LCD結(jié)構(gòu)。薄膜晶體管液晶顯示器由顯示屏、背光源及驅(qū)動(dòng)電路三大核心部件組成。

TFT-LCD顯示屏，包括數(shù)組玻璃基板、彩色濾光膜以及液晶材料。數(shù)組玻璃基板制備工藝是：用三個(gè)光刻掩膜板，首先在玻璃基板上連續(xù)淀積ITO膜（厚20～50n m）和Cr膜（厚50～100nm），并光刻圖形，然后連續(xù)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(duì)準(zhǔn)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(cuò)結(jié)構(gòu)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?qū)?，用絨布沿一定方向摩擦，使取向?qū)颖砻嫘纬煞较蛞恢碌奈⒓?xì)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(gè)盒，盒間隙一般只有幾個(gè)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(shí)際是通過數(shù)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(duì)準(zhǔn)精度非常高，要求CF膜黑白矩陣正好對(duì)準(zhǔn)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(gè)象素點(diǎn)分割成紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三基色，并對(duì)應(yīng)CF膜的RGB，起光閥作用的LCD對(duì)透過CF膜的三色光量，進(jìn)行平衡、調(diào)節(jié)得到所要的彩色。穿過CF膜的入射光如果漏射，則會(huì)影響TFT-LCD的對(duì)比度，所以在間隙處要設(shè)置遮光的黑矩陣（Black　Matrix）簡稱BM。為了穩(wěn)定性和平滑性，使用丙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂制成厚0.5～2μm的保護(hù)層（oe cota）簡稱OC。然后在這個(gè)保護(hù)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(gè)象素點(diǎn)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(duì)比度以及低反射化表示，所以對(duì)CF膜的要求是：高透過率和色純度；高對(duì)比度和平整性以及極低的擴(kuò)散反射。

液晶材料。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(shù)、介電常數(shù)、折射率各向異性以及粘度等主要技術(shù)指針，工程上必須用混合液晶來調(diào)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(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)外，還可以上下移動(dòng)；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(zhuǎn)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(dòng)，但分子在層與層之間不能自由滑動(dòng)。液晶材料的主要特點(diǎn)是：具有細(xì)長分子結(jié)構(gòu)，在和分子指向矢垂直和平行兩個(gè)方向，其層電率、介電常數(shù)、折射率均不相同，并隨溫度和驅(qū)動(dòng)頻率等外界條件而變化。另外，折射率各向異性大，在產(chǎn)生同樣光學(xué)效應(yīng)的情況下，可以使液晶盒變薄。相同電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度就能加快液晶盒的響應(yīng)速度。

TFT-LCD背光源。液晶本身并不發(fā)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(duì)位置，大體上可分為邊緣式、直下式和自發(fā)光式三種。白熾燈、白鹵素?zé)魹辄c(diǎn)光源，熒光燈（熱陰極、冷陰極）為線光源，電致發(fā)光（EL）以及矩陣式發(fā)光二極管為面光源。邊緣式背光源是在顯示區(qū)的側(cè)面，裝配線光源的熒光燈。為了確保顯示區(qū)亮度的均勻性，邊緣式背光源均采取集光和導(dǎo)光措施。集光是為有效地使入射光能從一個(gè)側(cè)面射出去，導(dǎo)光是將集光射出的光進(jìn)行反射，使之成為平面光源；直下式背光源是在顯示區(qū)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(shí)裝配漫散射板，以消除冷陰極燈造成的斑點(diǎn)；自發(fā)光式背光源是在顯示區(qū)的下方，裝配電致發(fā)光板。電致發(fā)光為面發(fā)光，可整面均勻發(fā)光且沒有斑點(diǎn)，發(fā)光顏色為綠、藍(lán)、白，亮度為30～100尼特。TFT-LCD背光源的發(fā)展趨勢(shì)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(jià)格化。

TFT-LCD驅(qū)動(dòng)電路。為了顯示任意圖形，TFT-LCD用m×n點(diǎn)排列的逐行掃描矩陣顯示。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，首先要考慮液晶電解會(huì)使液晶材料變質(zhì)，為確保壽命一般都采用交流驅(qū)動(dòng)方式。已經(jīng)形成的驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)，所以驅(qū)動(dòng)電路大致分成：信號(hào)控制電路、電源電路、灰度電壓電路、公用電極驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)電路和尋址線驅(qū)動(dòng)電路（柵極驅(qū)動(dòng)IC）。上述驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是：信號(hào)控制電路將數(shù)字信號(hào)、控制信號(hào)以及時(shí)鐘信號(hào)供給數(shù)字IC，并把控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)供給柵極驅(qū)動(dòng)IC；電源電路將需要的電源電壓供給數(shù)字IC和柵極驅(qū)動(dòng)IC；灰度電壓電路將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的10個(gè)灰度電壓各自供給數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；公用電極驅(qū)動(dòng)電路將公用電壓供給相對(duì)于象素電極的共享電極；數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)控制電路送來的RGB信號(hào)的各6個(gè)比特顯示數(shù)據(jù)以及時(shí)鐘信號(hào)，定時(shí)順序鎖存并續(xù)進(jìn)內(nèi)部，然后此顯示數(shù)據(jù)以6比特DA變換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由輸出電路變換成阻抗，供給液晶屏的資料線；柵極驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)控制電路送來的時(shí)鐘信號(hào)，通過移位寄存器轉(zhuǎn)換動(dòng)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(qū)動(dòng)電路裝配在TAB（自動(dòng)焊接柔性線路板）上，用ACF（各向異性導(dǎo)電膠膜）、TCP（驅(qū)動(dòng)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(dāng)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(dòng)方向一致，與上下玻璃基板上面液晶分子排列順序一致。當(dāng)光通過液晶層時(shí)，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(dāng)兩束光合成后，必然使振光的振動(dòng)方向發(fā)生變化。通過液晶層的光，則被逐漸扭曲。當(dāng)光達(dá)到下偏振片時(shí)，其光軸振動(dòng)方向被扭曲了90度，且與下偏振片的振動(dòng)方向保持一致。這樣，光線通過下偏振片形成亮場(chǎng)。加上電壓以后，液晶在電場(chǎng)作用下取向，扭曲消失。這時(shí)，通過上偏振片的線性偏振光，在液晶層不再旋轉(zhuǎn)，無法通過下偏振片而形成暗場(chǎng)?？梢娨壕П旧聿话l(fā)光，在外光源的調(diào)制下，才能顯示，在整個(gè)顯示過程中，液晶起到一個(gè)電壓控制的光閥作用。TFT-LCD的工作原理則可簡述為：當(dāng)柵極正向電壓大于施加電壓時(shí)，漏源電極導(dǎo)通，當(dāng)柵極正向電壓等于0或負(fù)電壓時(shí)，漏源電極斷開。漏電極與ITO象素電極連結(jié)，源電極與源線（列電極）連結(jié)，柵極與柵線（行電極）連結(jié)。這就是TFT-LCD的簡單工作原理。

TFT-LCD的關(guān)鍵技術(shù)。TFT-LCD的關(guān)鍵技術(shù)很多，主要有以下幾個(gè)大的方面：
一是提高開口率技術(shù)。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(duì)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(duì)盒精度引起的開口率下降，但成品率不是很高，成本也會(huì)相應(yīng)加大。另外就是柵源總線，采用集成電路微加工技術(shù)。90年代TFT矩陣微加工約10μm，開口率為35％，微加工達(dá)到5μm時(shí)，開口率為80％。第三就是采用自對(duì)準(zhǔn)光刻技術(shù)。主要是消除柵極和源漏極重迭形成的寄生電容。用自對(duì)準(zhǔn)光刻技術(shù)，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(yīng)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(hào)延遲，驅(qū)動(dòng)不充分，從而降低對(duì)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(kuò)大視角技術(shù)。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(duì)比度不均勻的重要原因。因此，擴(kuò)大視角是液晶顯示技術(shù)的關(guān)鍵課題之一。一般采取的技術(shù)措施有：補(bǔ)償膜技術(shù)。在液晶顯示屏上，貼光漫射膜和光強(qiáng)補(bǔ)償膜，使通過液晶屏的光均勻漫射，并補(bǔ)償某些角度的光強(qiáng)。另外就是采用多疇技術(shù)，在象元內(nèi)劃分兩個(gè)以上不同液晶分子排列區(qū)域，形成多疇液晶分子取向，從而達(dá)到擴(kuò)大視角的目的。擴(kuò)大視角技術(shù)還有IPS、ASM等方法和措施。

三是簡化TFT數(shù)組工藝。一般TFT數(shù)組工藝刻蝕次數(shù)為7～9次，工藝流程過長，影響產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)能力。國外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，已有4次套刻工藝，比常規(guī)的TFT數(shù)組工藝減少了一半。

當(dāng)然，液晶顯示器的關(guān)鍵技術(shù)不只是以上三個(gè)方面，但它們是影響TFT-LCD質(zhì)量的最關(guān)鍵技術(shù)，其它關(guān)鍵技術(shù)這里就不一一贅述。