1、高新技TFT液晶显示原理周波(南京理工大学电光学院，南京21 oooo)摘要：就TFT(Thin FilmTransistor)液晶显示器的显示原理和驱动原理两个方面进行了总结，首先介绍了液晶的基本知识和物理特性，然后说明了液晶利用旋光特性进行显示的原理，并比较直观介绍了TFT玻璃基板结构、TFT液晶的驱动方式、驱动原理和驱动电路。最后，总结了TFTLcD在液晶显示领域的应用和发展前景。关键词：TFT LcD 液晶 薄膜晶体管 场效应管 像素中图分类号：0 5 l l 文献标识码：A 文章编号：1672 379l(2006)12(b)。00902PrincipIe of TFTLCDZhOu
2、BO(Department of Engineering Team，LGPhiliDs LCD Company，Nanjing 210000，China)Abstract：This paper revealed the display Drinciple of TFT LCD and TFTLCD driving modeIt presented the basicknowledge and physical characterS of TFTLCD and it mustrated the Structure of TFTLCD Panel as well as the drivingcir
3、cuitsFi彻y succeSsful and potential application of TFT LCD are summarizedKey wOn圆：TFT；LCD；liquid crystal l thin Iilm transiStOr；FET l pixel I自19世纪末发明CRT(布劳恩管)以来，进入20世纪，随着电视广播媒体和计算机的出现和发展，显示器件取得了极大的进步。而TFT液晶显示器因其体积小、重量轻、功耗小、无辐射、易驱动和工作寿命长等优点，已逐步代替了计算机CRT显示器，并向大屏幕发展，进入TV领域，现已形成了一个庞大的显示器件产业。我国开始液晶显示器件研究及
4、应用的时间相对发达国家较短。目前，国内(除台湾)还没有生产TFT型液晶显示器件的公司，许多单位对TFT LCD还比较陌生，系统地介绍液晶显示器件工作原理、内部结构、应用技术的书籍和专著，可以说少的可怜，无法满足国内专业技术人员的饿需要，亦与国内对液晶显示器件的需求量不能适应。为了满足国内对液晶显示器件应用技术的迫切需要，也为了推动我国液晶显示器件技术的进步，我通过收集有关资料，归纳整理和进行实验，总结几年从事液晶显示器制造的体会，编写了全文。图l液晶与其固态、液态分子排列对比 图2一种杆型液晶分子化学结构1液晶基本知识与物理性质11液晶基本知识在自然界中，大部分材料随温度的变化只呈现固态、液态
5、和气态三种状态。液晶(1iquid crystal)是不同于通常的固态、液态和气态的一种新的物质状态，它是能在某个温度范围内兼有液体和晶体两者特性的物质状态，也叫做液晶相或中介相，故又称为物质的第四态。液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔(FReinitzer)于l 888年发现的。液晶是一种介图3液晶板原理结构表中；修改信息模块中，首先要从数据库中的成绩表中调出信息，根据自己的要求对需要变动的信息进行【修改】、【删除】操作，选信息时，可以先调出【首记录】或是【尾记录】，然后使用【上一条记录】或是【下一条记录】按钮来找到指定的记录；查询信息模块中，为了保证个人信息的保密性，本设计设置了必须通过密码
6、才可以进行查询操作的功能，查询时，学生必须输入学号和密码，系统将自动检测学号与密码是否相符，然后再相应的进行操作。44课程信息管理模块课程信息管理模块负责对课程信息进行录入，同时可以修改和删除已有的变更记录，修改后的信息在课程表中也会相应发生变化。课程信息管理模块实现的功能总体有添加新的课程信息、修改已有的课程信息、删除指定的课程信息其中增加课程记录必须指定所属专业、课程性质、学时、学分。45班级信息管理模块班级信息管理模块主要对班级信息进行录入，同时可以修改和删除已有的变更记录。主要包括添加新的班级信息模块的设置，对已有的班级信息进行更改的设置、删除已不存在的班级的信息设置。5总结学生管理信
7、息系统能准确、及时地反映学生各项当前状态，能利用过去的数据统计分析，能从全局出发辅助学校有关部门以及辅导员管理学生且具有强大的数据处理功能，能大大提高学校管理人员的工作效率，减轻工作人员的劳动强度。参考文献1幸莉珊等Visual BasicNET程序设计与应用实例M】北京：清华大学出版社，2005【2】萨师煊，王珊等数据库系统概论Mj高等教育出版社，2002【3】东方人华等sQL Server 2000与Visual BasicNET数据库入门与提高fM】北京：清华大学出版社，20024】Georqepeck美著Crystal Report 9The Complete ReferenceM】清
8、华大学出版社，20035邵谦谦等精通Visual BasicNET2003数据库开发【M清华大学出版社，2003科技资讯sc JENcETEcHNOLOGY INFORMATION万方数据垦匿霪垦圆蟹i；i鳖i2：12：21：竺!呈竺竺21 高新技术图4 TFT液晶的结构图5 TFT液晶驱动波形b G。印css D占 l一。图6为典型TFT型液晶显示器件的电路原理图420I 暾电胄 一 瞄一l，p 夕嗝毽 一20 IS。p 如”瀛扳电嚣V弧a)漏顿电压与漏极电流的关系图7给出了单个带TFT像素构成的一个aSi TFT显示单元的等效电路图漂j 眨电丑-1 旷卸 疹 I，_一等 夕， ，2V| 。
9、鼍l 刘目k。一 妊也b)漏极电流与栅极电压的关系图8典型TFT的特性曲线。科技资讯sclENcETEcHNOLOGY INFORMATION于固体和液体之间、具有规则性分子排列的有机化合物，一般最常用的液晶为向列相(Nematic)液晶，分子形状为细长棒形，长宽约为110nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90。排列，产生透光度差别，如此在电源接通与断开(0N0FF)时产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。液晶种类很多，自然界存在的或人工合成的液晶多达数千种，但从成分和出现的液晶相的物理条件来看，归纳分类，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。把某些有机物加热溶
10、解，由于加热破坏了结晶品格而形成的液晶称为热致液晶，就是由于温度的变化而出现的液晶；把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于液晶浓度发生变化而出现的液晶相，如小孩玩耍吹在空气中的肥皂水气泡，是最常见的溶致液晶示例。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。12液晶的物理性质液晶是杆型分子、盘型分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序物质。它不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也有别于分子排列完全有序的晶体。这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分子本身的特殊形状与性质，导致了液晶呈现出液体与晶体的特性，甚至更加复杂的特性。一方面，液晶具有流体的流动特
11、性；另一方面，液晶又呈现出品体的空间各向异性，包括介电特性、磁极化、光折射率等的空间各向异性。液晶分子的部分有序排列还使得液晶具有类似晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。也就是说，液晶具有切变弹性模量。在实际应用中，液晶的流动性、介电和光学性能的各向异性以及液晶的弹性，都是很重要的，他们可控制液晶显示的参数。液晶材料有许多技术参数，包括光学参数、和物性参数，主要有介电各向异性、双折射率n、体积粘度n、弹性常数K、相变温度Tm，Tc和液晶电阻率p等。2 TFT液晶显示原理TFT液晶是电压控制型液晶，液晶的亮度对应于外加电压的大小。液晶显示板的结构见图3。图3(b)中，它由两块平行的玻璃基板夹于其
12、间的一层晶轴连续转向90度的液晶层组成。玻璃基板的外侧处理成偏振方向互相正交的偏光镜层。当入射光从偏光板的一侧入射时，光线就成为偏振光，光轴与偏振镜的轴向一致。偏振光进入液晶层后，由于液晶的排列方式使射出的液晶层的偏振光光轴已发生90度的旋转。与上板偏振光轴向一致，光线得以通过，呈亮点。再看图3(a)，当给上下玻璃板加电压时，液晶分子排列与电场方向一致，旋光特性消失。出射光线的偏振轴方向就与上偏振镜的光轴正交，光线被阻挡，呈暗点。由此可见，通过控制外加电压可以控制液晶光点的强弱。TFT型液晶显示技术采用了“主动式矩阵”的方式来驱动。方法是利用薄膜技术所哇纛簪辩麓万方数据高新技枷 型竺型型竺兰!
13、：!童塑匦做成的点晶体电极，利用扫描的方法“主动地“控制任意一个显示点的亮与暗。光源照射时先通过下偏光片向上透出，借助液晶分子传导光线。电极导通时，液晶分子就像TN(扭曲)型液晶的排列状态一样会发生改l。 1 ll、 7I：l I I l l。图9 TFT驱动时序波形变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。听起来这和T N型液晶的显示原理差不多，但不同的是，由于场效应晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，已经透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到场效应管(FET)电极下一次再加电改变其排列方式为止。而TN型液晶分子一旦没有加以电场，立刻就返回原来的状态，这就是TFT型液晶和TN型显示原理的最大不
14、同。3 TFT结构与驱动方式31 TFT结构TFT液晶的结构见图4，这是一种非晶硅薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易，基本玻璃成本低导通比大，可靠性高，容易大面积化。该器件是在两片玻璃基板之间封人液晶，上玻璃基P 期l糊 广1 一歉摈驱臻l脚s卜_-豳 帮渊 溷网囱 向v露 固 剀r|电蕤主帆图10 TFT液晶系统构成藏蠡横城图11 LVDS电路结构图12驱动电路模块图板是一块透明公共电极，下玻璃基板要配备上扫描线和寻址线(即行、列线)，将其组合成一个矩阵，在其交点上制作薄膜晶体管TFT(Thm Film TranSiStor)配置的像素点阵与对应的门线和驱动线两种电极。门线
15、与TFT晶体管的栅极连接，驱动器和漏极连接，晶体管的源极与像素电极连接。像素电极与公共电极之间的电压可控制液晶点的亮度。3。2TFT驱动方式TFT液晶采用一种称为点反转的驱动方式，这可用图5加以说明：门线与水平方向像素点相通，接对应的扫描信号。从头开始依次在扫描对应的时间上，加上门电压VG。驱动线与垂直方向像素点相通，接对应的数据电压。门线上不同的电平可以对应不同的灰度层次。点反转驱动方式中相邻的驱动线上的电压极性是相反的，在一帧扫描期间极性会常常相反，体现交变变化。当像素的门线被选中时，驱动线上的数据电压就加到源极的像素点和保持电容上，一直要到第二帧此点被再次改变电压。由于保持时间长，使亮度
16、、对比度和响应时间等特性都有提高。4驱动原理液晶显示器件种类繁多，驱动方式也各不相同，但是无论哪种类型的器件，不论使用何种驱动方式，都是以调整加到像素上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序和占空比一系列参数来建立起一定的驱动条件进而实现显示的。这里介绍彩色有源矩阵驱动法。41彩色有源矩阵驱动法由于在有源矩阵液晶显示器每个像素点上都制作了一套有源器件，所以外施电压首先是加在薄膜场效应晶体管TFT等器件构成的有源电路上，对这种器件的驱动实际上是对每个像素点上的有源器件的驱动，再间接对像素电极提供驱动电压信号。现介绍三端有源器件TFT的驱动法。图6为典型TFT型液晶显示器件的电路原理图，图中，s为
17、源极(选择数据信号输入端)；G为栅极(扫描输入端)；D为漏极(场效应晶体管输出端)；Cs为补偿电容。图7给出了单个带TFT像素构成的一个asi TFT显示单元的等效电路图。其源一漏之间电阻满足：Ron33x10ll Q时，液晶层的电阻RLc*106Q，当TFT处于导通状态ON时，在液晶层的两端就可以施加一个驱动电压。图8为TFT的特性曲线。图6图7图8，可将TFT有源矩阵液晶显示驱动过程描述如下：图6 TFT型液晶显示器件工作原理图图7一个aSi TFT显示单元的等效电路a)漏极电压与漏极电流的关系b)漏极电流与栅极电压的关系当栅极G与源极S未被选通时，薄膜场效应管TFT处于截止状态，此时Ro
18、ff值达33x1011(】，近似断路，故液晶像素上不能施加电压，不能显示。当扫描线栅极G被幂斗技资讯scIENcETECHNOLOGY INFORMATION万方数据垦匿墓垦墼缝差要墨签!型!旦：塑：坐2竺竺型21 高新技术选通，寻址线源极s也被同步选通时，薄膜场效应晶体管TFT被打开。此时Ron仅14x106 Q左右，显示像素被信号写入，写入的信息电压由于补偿电容Cs和像素本身电容RLc的作用，在撤消写入后会自行保持一段时间。我们可以设定，使其保持半帧。下半帧时，改变一下写入极性，即可以保证液晶处于交流驱动状态。图9为TFT驱动时序和波形图。图中，Vg为栅极扫描信号；Vid为源极数据寻址信号
19、；Vic为图像信号的中心电位；TO为数据信号周期；T1为选通时间；T2为非选通时间。从图中可以看出，外电路不能直接将电压施加在液晶像素上，施加在像素上的电压决定于TFT薄膜场效应管的特性。当薄膜场效应管通、断的等效电阻比达到l 06 o以上时，则可以满足液晶像素对通断比的要求。薄膜场效应晶体管TFT是这样工作的，当TFT栅极G扫描被选通时，Vg被接入个正高压脉冲，此时同步输入选址的源极信号是一个围绕一个中心值Vic的永远低于Vg选通脉冲幅值的选址数据电压Vid，TFT薄膜场效应晶体管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路，电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。这时，即使施加电场撤掉，
20、由于电容作用，其像素上施加的电压也将保持相当时间，直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间，同时使下半帧寻址信号以Vic进行反相，则可以实现：1)图9所示，使加在像素上的驱动波呈交流状态。2)驱动路数与TFT薄膜场效应晶体管特性有关，而与液晶电光响应特性无关。这彻底解决了液晶多路驱动难的问题。3)从图9的波形还可以看出，这种驱动方式没有半选通波形，因此也就没有交叉效应，以及对比度下降等缺陷。4)此外，这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响，可以显示视频活动图像，没有闪烁也没有拖尾。综上，我们可以得到这样的结论：所谓有源矩阵驱动法，实际就是在矩阵像素上制作一个具有开关特性或非线性特
21、性的器件，然后通过适当的选通信号，利用其开关或非线性特性对像素施加驱动波形，以避免直接驱动法因半选通造成的交叉效应及显示不清楚等不足。5液晶驱动电路51系统构成和接口描述如下图10是分辨绿1024x768 xGA格式，262144色(RGB各6 bit)的TFT液晶能够显示系统原理框图。在TFT液晶里，对应色数的bit数据分成每个像素传送，并在液晶模块里变换成层次电压。电脑和液晶模块点的接口信号则为高速传送，并采用低噪声的低电压差分信号LVDs(Low V01tage Differential signaling)。如图1l是LVDS发送和接收电路组成的构成。LVDS的图像数据可对应到24bi
22、t(RGB各8bit)，发送端数据和垂直同步等控制信号用并串变换电路变换成频率值7倍的串行信号，4对数据比特和1对时钟变换后传送。接收端进行串并变换，恢复出原始信号。这种信号差动电压的信号电平振幅200mV，幅度低对EMI有利。另外，在差动传送方式中除用了LVDS外，还有最小化差分信号传送即m)s(TI锄萄廿onMinimi剃鼢1廿alSj鲫aling)和十亿比特视频接口GF(G培a Bit Video IrIteI白ce)等实用技术。各种方式表示数据和同步信号串行化的配线根数都有削减，也以降低振幅差动信号方式传送。串行化的比例LDS为7倍，n以Ds为lO倍，信号的直流平衡、变化点数的最小化能
23、力也各有不同。这样，从图像控制输出的垂直同步信号VsYNc，水平同步信号HsYNc，有效指示信号DTMG，数据信号，点时钟DCLK，都用LVDS变换成差动信号。在液晶模块里，以LVDs方式接收，并把cMOS电平变换成小振幅差动值，输入TFT定时变换电路，生成相应的数据驱动和扫描驱动信号。52 TFTLcD驱动电路结构如图12所示，由四大电路模块ACDCconverter模块、Gamma Generation模块、Control模块和Vcom Generation模块来完成对TFTLCD Panel的栅极驱动器和数据驱动器进行驱动的。53电压简述TFT液晶是从电脑主机取得单电源电压，经ACDC变
24、换生成液晶驱动需要的各种电压。另外，因TFT液晶要用灰度层次电压，数据驱动的DAC电路里用的基准电压也要靠电阻分压取得。6结论TFTLcD作为高图像品质的LcD，已经成为主流方式。其应用领域与从小于l英寸一线的投影机扩展到超过40英寸的超大型电视，并且还应用于透射型LCD、反射型LCD、已经逼近印品的高密度像素LCD等多方面。TFT的半导体材料也有asi、psi以及单晶硅MOSFET方式，另外，LcD亮度、对比度、分辨率、视角等方面的弱点也一直在改进中。其应用领域无疑将继续扩大，尤其从大屏幕高清晰度化的发展趋势以及追求高附加值(非单纯显示而内容多功能)的趋势上看，TFTLCD技术是平板显示器中
25、的核心技术。今后技术开发将取得更大的进展。参考文献【1】李维题，郭强编著液晶显示应用技术北京：电子工业出版社，20022】范志新液晶器件工艺基础北京邮电大学出版社，20023谢毓章液晶物理学北京：科学出版社，19984】薛九技液晶显示基础知识讲座现代显示，1995(3，4)，1996(2，3)5】薛九枝铁电液晶显示现代显示，l 994(2)2 科技资讯sCIENCETEcHNOLOGYNFORMATlON(6】罗方桢薄膜场效应管液晶显示技术简介现代显示，1995(4)【7】孟臣，李敏中文液晶图文液晶显示器及其应用电子元器件及应用，2003，8，5(8)【8柴天恩平板显示器件原理及其应用北京：机
26、械工业出版社【9李维题，郭强，周云仙液晶显示应用手册北京：电子工业出版社，200210日松本正一等液晶显示新技术王殿福等译北京：化学工业出版社，19951l】【日】佐佐木昭夫液晶电子学基础和应用。赵靖安等译北京：科学出版社，199512】MJStephen and JPStraley：Physics of liquid crystals， RevModernPhys，46，4，P617(1974)【13PGde Gennes：The Physics of Liquid Crystals，Clarendon Press(1974)14【日田中朗子次时代液晶技术，工业调查会，1994：153一16
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28、uffer电路相比,其功耗减小了77%.本文的设计结果已成功应用于132RGB176分辨率、26万色彩色显示手机用TFT-LCD驱动芯片中,其也可用于PDA、数码相机等其他便携电子设备的显示驱动.5.期刊论文 Julia Li.Haiyan Sun.Klaus Neubeck.Alexander Marxer.Christine Algate 用于TFT-LCD生产线的新一代PECVD和PVD系统 -电子工业专用设备2004,33(4)在2003年11月2831日于日本YoKohama举办的FPD展览会上展示了最大尺寸的aSi淀积基板,这种基板可满足在一块基板上生产40英寸电视的要求.从而表明
29、大尺寸TFT-LCD 电视的新纪元正在来临.从原理、系统结构、基板传输(外部和内部)、工艺概述了用于TFT-LCD生产线的第6代和第7代PECVD和PVD系统的腔室等方面新技术方案.讨论了用于TFTLCD生产的PECVD和PVD系统的未来趋势.6.期刊论文 管信.牟同升 基于小波多尺度分析的TFT-LCD云纹自动检测技术 -光电工程2010,37(4)本文提出了一种基于背景拟合及小波多尺度分析的TFT-LCD云纹自动检测方法,大大减少了液晶显示器背景总体不均匀给检测结果带来的影响,同时综合了小波小尺度和大尺度变换的优点,成功地将云纹区域提取出来.国际相关组织已经制定了云纹量化的标准,但是仅仅考
30、虑到云纹的对比度、面积这两个因素,本文根据人类视觉空间性质,提出了云纹的位置参数,开展了相关的人因试验,对云纹量化标准做了适当的补充.最后,通过对13片LCD样板的检测,实验结果和人眼观测的结果完全一致.7.期刊论文 郑臻荣 TFT-LCD投影显示中的彩色偏振分色系统 -光子学报2002,31(8)针对TFT-LCD液晶投影显示系统中彩色偏振分色器件,从设计和制备上分析了多种S和P偏振器件并给出了设计结果,通过优化设计可以减小分色滤光片透射带内的波纹,探讨了制备过程并给出了测量结果,制备的器件及系统应用于液晶投影显示中,获得了良好的性能.8.期刊论文 金奉柱.崔瑩石.劉聖烈.張炳鉉.柳在一.李
31、禹奉.李貞烈.Jung-yeal LEE.Bong-joo KIM.Hyung-sukCHOI.Seong-yeol YOO.Byeong-hyeon JANG.Won-sok KIM.Jai-il RYU.Woo-bong LEE.Jung-yeal LEE 利用CF4等离子体制作高开口率TFT-LCD -液晶与显示2006,21(5)为了获得高的开口率,有必要优化设计参数和工艺容差.通常的过孔刻蚀工艺采用SF6基气体进行刻蚀,但是这种方法在金属和钝化层之间的选择性太小,因此,必须增加过孔的尺寸才行.为了克服上述问题,在本研究中用CF4气体代替 SF6气体进行刻蚀,结果在FFS 5.16(2
32、.03 in)像素结构中,开口率提高了60 %.9.外文期刊 Myung-Sik Son.Keon-Ho Yoo.Jin Jang Electrical simulation of the flicker in poly-Si TFT-LCD pixels for the large-area and high-quality TFT-LCD development and manufacturing In this paper, we present a new flicker evaluation model through the electrical simulation of the
33、 optical flicker phenomena indifferent kinds of poly-Si TFT-LCD arrays for the development and manufacturing of large-area and high-quality TFT-LCDs. We appliedour flicker evaluation model to three different types of TFTs; excimer laser annealed (ELA) poly-Si TFT, silicide mediatedcrystallization (S
34、MC) poly-Si TFT, and counter-doped lateral body terminal (LBT) poly-Si TFT. We compared the flicker quantitativelyfor these three different TFT-LCDs on 40 in. UXGA scale. We identified three major factors causing the flicker such as charging time,kickback voltage and leakage current, analyzed their
35、relative contributions to the flicker, and evaluated the values of the flickerin decibel (dB) for the three different TFT-LCD arrays. In addition, we show that the flicker is very sensitive to the low-level(minimum) gate voltage due to the large leakage current of the poly-Si TFT, and the low-level
36、gate voltage should be chosen carefullyto minimize the flicker.10.期刊论文 李丽.秦纬.薛建设.彭志龙.LI Li.QIN Wei.XUE Jian-she.PENG Zhi-long TFT-LCD阵列腐蚀性缺陷分析 -液晶与显示2010,25(1)在TFT-LCD的生产过程中,阵列金属被腐蚀是造成TFT-LCD产品缺陷(亮线、薄亮线等)的常见原因.文章对实际生产过程中阵列基板的一种典型腐蚀性缺陷,应用扫描电子显微镜(SEM)、聚焦离子柬(FIB)和能谱仪(EDS)等工具,并且结合BO(Business Objects)、CIM(Computer IntegratedManufacturing)等数据统计软件进行了分析.确定了造成缺陷的原因是栅金属暴露在含氯元素的酸性气体中被腐蚀,还确定了酸性气体的泄露源,并且推断出其形成机理:腐蚀发生在栅金属刻蚀(Gate Etch)工艺和多层膜沉积(Multi-Deposition)工艺之间,随后的多层膜沉积工艺的抽真空过程促进了缺陷的进一步形成.另外,针对发生此种缺陷时的应急措施进行了探讨.引证文献(1条)1.陈银杰.张首军.张精通.郭秀梅.李园 视频显示器动、静态特性的分析与对比期刊论文-西北大学学报(自然科学版) 2009(2)本文链接：http:/
