TFT液晶顯示原理與技術

序

前言

第1章 液晶顯示的歷史和現狀

1.1 液晶的發(fā)現和液晶顯示的發(fā)明

1.1.1 液晶的發(fā)現

1.1.2 液晶在液晶顯示器中的關鍵作用

1.1.3 液晶顯示器的發(fā)明

1.1.4 液晶顯示器的發(fā)展史

1.1.5 各類電子顯示器的對比

1.1.6 電子顯示器與互聯(lián)網社會

1.1.7 液晶顯示器所涉及的學科體系

1.2 TFTLCD20年發(fā)展回顧

1.2.1 實用TFTLCD的三次重大突破

1.2.2 TFTLCD產業(yè)化發(fā)展過程

1.2.3 多樣化技術支撐更大的產業(yè)

1.2.4 顯示屏尺寸的大型化

1.2.5 玻璃基板生產線的更新?lián)Q代

1.2.6 顯示品位的提高

1.3 TFTLCD研究開發(fā)的課題

1.3.1 擴大視角

1.3.2 提高響應速度

1.3.3 高質量動畫顯示技術

1.3.4 色表現技術

113.5 背光源的改進

1.4 TFT液晶及薄型顯示器產業(yè)

1.4.1 迅速擴展的薄型顯示器市場

1.4.2 信息社會中顯示器制品的應用領域

1.4.3 顯示器的市場規(guī)模

第2章 液晶顯示入門

2.1 從液晶分子的基本單元談起

2.1.1 熱運動和凝聚力--決定物質狀態(tài)的兩大因素

2.1.2 流動性和各向異性--液晶用于顯示的兩個基本特性

2.1.3 膽甾醇分子的基本單元--苯環(huán)、碳氫鏈和OH基

2.1.4 安息香酸酯--最初發(fā)現的液晶

2.1.5 液晶分子的基本結構形態(tài)--板狀和棒狀液晶分子

2.1.6 液晶分子中各種各樣的極性基

2.1.7 液晶分子的三種基本排列方式

2.2 液晶分子與范德瓦耳斯力

2.2.1 藉由改變液晶分子的排列狀態(tài)實現液晶顯示

2.2.2 碳氫化合物中的范德瓦耳斯力

2.2.3 如何改良液晶材料的工作溫度

2.2.4 液晶分子的排列與范德瓦耳斯力

2.2.5 如何控制范德瓦耳斯力

2.3 試制一個液晶盒

2.3.1 電壓作用下的液晶分子

2.3.2 如何實現畫面顯示

2.3.3 不可缺少的透明電極

2.3.4 液晶盒的構成及顯示器的制作流程

2.3.5 玻璃基板的處理

2.3.6 透明電極的圖形化

2.3.7 液晶分子的排列方式和取向方法

2.3.8 做成液晶盒

2.4 偏振光和液晶的雙折射

2.4.1 液晶分子的結構和排列決定顯示器的類型和工作方式

2.4.2 橫波、縱波及全方位光(自然光)

2.4.3 液晶顯示器需要利用偏振光

2.4.4 單軸性晶體和雙折射

2.4.5 向列液晶的雙折射

2.4.6 偏光片的制作方法

2.4.7 電場效應雙折射型液晶顯示器的工作原理

2.5 螺旋排列液晶與手性液晶分子

2.5.1 如何認識膽甾相型(螺旋排列)液晶

2.5.2 螺旋排列在何種情況下才能出現?

2.5.3 左右對稱的液晶分子的結構

2.5.4 膽甾相型液晶分子的立體結構

2.5.5 不對稱碳的存在導致光學各向異性

2.5.6 圓錐形螺旋排列和平板形螺旋排列

2.5.7 光射入螺旋排列的物質會發(fā)生什么現象?

2.5.8 外加電壓作用在螺旋排列液晶上

2.5.9 螺旋光射入螺旋排列液晶會發(fā)生什么變化?

2.6 各種類型的液晶顯示器

2.6.1 液晶顯示器的各種不同工作方式

2.6.2 利用拆開螺旋排列進行顯示的液晶顯示器

2.6.3 扭曲向列型液晶顯示器

2.6.4 鐵電液晶型顯示器

2.6.5 賓-主(GH)型液晶顯示器

2.6.6 液晶的電阻

2.6.7 液晶的介電常數

2.7 彩色化及動畫顯示

2.7.1 透明電極

2.7.2 液晶顯示器的驅動與顯示

2.7.3 薄膜三極管(TFT)

2.7.4 實現彩色化的各種方式

第3章 液晶化學與物理簡論

3.1 液晶材料基礎

3.1.1 液晶狀態(tài)

3.1.2 液晶分子

3.1.3 液晶物性

3.2 液晶顯示屏的基本結構及工作原理

3.2.1 顯示屏的基本構造及屏內液晶分子取向

3.2.2 取向處理與液晶分子的界面取向

3.2.3 利用液晶分子取向變化實現光透射強度開關

3.3 液晶顯示器的基本特征

3.3.1 閾值(臨界)電壓特征

3.3.2 時間響應特性

3.3.3 光學特性

3.4 灰階顯示特性及全色顯示原理

3.4.1 灰階顯示

3.4.2 全色顯示

3.4.3 畫質評價

3.5 顯示與視覺工學

3.5.1 人的視覺特性

3.5.2 人眼的順應特性

3.5.3 畫角(視場角)與臨場感

3.5.4 大尺寸與全高清(fullHD)

3.5.5 清晰度與圖像分辨率

3.5.6 顯示性能與主觀評價指針

第4章 液晶顯示器及其顯示特性

4.1 LCD的基本結構及分類

4.1.1 LCD的基本結構

4.1.2 LCD的分類

4.1.3 LCD顯示原理

4.1.4 LCD彩色顯示

4.2 液晶顯示器的顯示性能

4.2.1 圖像分辨率

4.2.2 像素數與顯示屏顯示規(guī)格

4.2.3 像素節(jié)距

4.2.4 顯示尺寸(顯示區(qū)域)

4.2.5 寬高比

4.2.6 開口率

4.2.7 灰階與顯示色數

4.2.8 對比度

4.2.9 液晶顯示器的壽命

4.2.1 0液晶顯示器顯示性能匯總

4.3 液晶顯示器顯示性能的改進

4.3.1 透射率及提高亮度的措施

4.3.2 視角及增大視角的措施

4.3.3 響應速度及提高響應速度的措施

4.4 玻璃母板尺寸和畫面尺寸的發(fā)展趨勢

4.4.1 玻璃母板尺寸越來越大

4.4.2 關于液晶生產線的"代"

4.4.3 畫面向寬屏發(fā)展，像素向高精細化發(fā)展

4.4.4 生產設備由批量式到單片式

4.5 采用新結構、新材料、新技術的液晶顯示器

4.5.1 采用新結構的液晶顯示器

4.5.2 采用新材料的液晶顯示器

4.5.3 采用新技術的液晶顯示器

4.6 液晶顯示器的最新技術動向

4.6.1 液晶電視用TFTLCD

4.6.2 中小型TFTLCD

4.6.3 In-Cell化技術

4.6.4 全球金融危機下的液晶顯示器產業(yè)

參考文獻

薄型顯示器常用縮略語注釋

TFT LCD液晶顯示器在平板顯示器中脫穎而出，在顯示器市場獨占鰲頭。目前以TFT LCD為代表的平板顯示產業(yè)發(fā)展迅速，為適應平板顯示產業(yè)迅速發(fā)展的要求，本書作者編寫了薄型顯示器叢書。

本冊闡述TFT液晶顯示的基本原理和技術，共分4章:第1章介紹液晶顯示的歷史和現狀;第2章以近乎動(畫)、漫(畫)的形式形象直觀地介紹了液晶材料和液晶顯示的入門知識;第3、4章是TFT LCD液晶顯示器的基礎，分別介紹了液晶化學與物理簡論、液晶顯示器及其顯示特性。本書內容系統(tǒng)完整、詮釋確切、圖文并茂、深入淺出，特別是本書內容源于生產一線，具有重要的實際指導意義和參考價值。

本書適合作為大學或研究所各相關專業(yè)的教科書，特別適合產業(yè)界技術人員閱讀。

TFT-LCD液晶顯示屏 是薄膜晶體管型液晶顯示屏，也就是"真彩"(TFT)。TFT液晶為每個像素都設有一個半導體開關，每個像素都可 以通過點脈沖直接控制，因而每個節(jié)點都相對獨立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更真。

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(fā)展和思維模式發(fā)展的必然。液晶先后避開了困難的發(fā)光問題，利用液晶作為光閥的優(yōu)良特性把發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)模集成電路的技術和工藝移植過來，成功研制了薄膜晶體管(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(yōu)勢得以實現。

TFT型的液晶顯示器主要的構成包括:螢光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。

TFT液晶顯示屏的特點是亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷，但也存在著比較耗電和成本過高的不足。TFT液晶技術加快了手機彩屏的發(fā)展。新一代的彩屏手機中很多都支持65536色顯示，有的甚至支持16萬色顯示，這時TFT的高對比度，色彩豐富的優(yōu)勢就非常重要了。

技術特點

TFT技術是二十世紀九十年代發(fā)展起來的，采用新材料和新工藝的大規(guī)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(fā)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(guī)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(tǒng)大規(guī)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(guī)模IC的技術難度更大。對生產環(huán)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(guī)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)，而且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(tǒng)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(jié)(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。而且人們開始把驅動IC集成到玻璃基板上，整個TFT的功能將更強大，這是傳統(tǒng)的大規(guī)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(guī)模半導體集成電路的成本問題，為大規(guī)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(tǒng)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(yè)，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(fā)光(TFT-OLED)平板顯示器也在迅速的成長中。

其他主要特點

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(fā)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(yōu)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(jié)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(jié)省了大量的能源;TFT-LCD產品還有規(guī)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(guī)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(huán)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(fā)人類學習、傳播和記載文明方式的革命。

(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(yōu)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(guī)模工業(yè)化生產特性好。TFT-LCD產業(yè)技術成熟，大規(guī)模生產的成品率達到90%以上。

(5)TFT-LCD易于集成化和更新?lián)Q代，是大規(guī)模半導體集成電路技術和光源技術的完美結合，繼續(xù)發(fā)展?jié)摿艽?。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。