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薄膜场效应晶体管液晶显示器(TFT-LCD)

发布来源:www.xyhlcd.com   发布时间:2015-3-17

TFT-LCD即薄膜场效应晶体管LCD,是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。和TN技术不同的是,TFT的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下,而是从下向上。这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管,光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极,在FET电极导通时,液晶分子的表现也会发生改变,可以通过遮光和透光来达到显示的目的,响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩,荧屏更新频率也更快,故TFT俗称“真彩”。

相对于DSTN而言,TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立,并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度,同时也可以精确控制显示灰度,这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。

目前,绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于笔记本电脑的制造。尽管在当时TFT相对于DSTN具有极大的优势,但是由于技术上的原因,TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT显示器还有很大的差距。加上极低的成品率导致其高昂的价格,使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。

不过,随着技术的不断发展,良品率不断提高,加上一些新技术的出现,使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步,拉近了与传统CRT显示器的差距。如今,大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到50ms以下,这些都为LCD走向主流铺平了道路。LCD的应用市场应该说是潜力巨大。但就液晶面板生产能力而言,全世界的LCD主要集中在中国台湾、韩国和日本三个主要生产基地。亚洲是LCD面板研发及生产制造的中心,而台、日、韩三大产地的发展情况各有不同。

目前主流的TFT面板有a-Si(非晶硅薄膜晶体管)、TFT技术和LTPS TFT(低温复晶硅)TFT技术。在a-Si方面,三个生产基地的技术各有千秋。日本厂商曾经研制出分辨率高达2560×2048的LCD产品。因此,有些人认为,a-Si TFT技术完全可满足高分辨率的产品需要,但是,由于技术的不成熟,它还不能满足高速视频影像或动画等的需要。LTPS TFT相对可以节约成本,这对于TFT LCD的推广有着重要意义。目前,日本厂商已经有量产12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中国台湾已开发完成LTPS组件制造技术与LTPS SXGA面板技术。韩国在这方面缺少专门的设计人员和研发专家,但像三星等主要企业已经推出了LTPS产品,显示出韩国厂商的实力。不过,目前LTPS技术尚不成熟,产品集中在小屏幕,而且良品率低,成本优势尚无从谈起。与LTPS相比,a-Si无疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a-SiTFT投资策略上几乎都以第三代LCD产品为主,通过制造技术及良品率的改善来提高产量,降低成本。日本一直走高端路线,其技术无疑是最先进的。由于研发力量有限,台湾的a-Si TFT技术主要来自日本厂商的转让,但由于台湾企业一般属于劳动密集型,技术含量价低,以生产低端产品为主。韩国在a-Si方面有着强大的研发实力,比如三星公司就量产了全球第一台24寸a-Si TFT LCD—240T,它的响应时间小于25ms,可以满足一般应用需要;而可视角度达到了160度,使得LCD在传统弱项上不输给CRT。三星240T标志着大屏幕TFT LCD技术走向成熟,也向世人展示了韩国厂商的实力不容置疑。

1 TFT-LCD的市场分析

TFT-LCD 是有源矩阵液晶显示器(AM LCD)的典型代表,其研究最活跃、发展最快、应用增长也最迅速,在笔记本电脑、摄像机与数字照相机监视器等方面的应用独领风骚,另外,它在地理信息系统以及飞机座舱、便携式DVD、台式电脑和多媒体显示器等方面都得到很好的应用。彩色TFT-LCD的构思最初由美国人(西屋公司)于1972年提出、日本东芝公司在1982年率先实现这一技术的规模生产,但那时的生产技术还不成熟。自1993年日本掌握了TFT-LCD生产技术以来,分辨率已由CGA (320 * 200)发展到今天的UXGA (1600 * 1200),基片尺寸也已有第一代的240 * 270-32O * 400mm2发展到2001年日本夏普、韩国三星电子和LG-Philips公司分别上马的第七代的1350 * 1700 mm2。目前,TFT-LCD的应用主要在小尺寸的移动电话市场、中型尺寸的掌上电脑与笔记本电脑市场、大型尺寸的液晶显示监视器和液晶电视市场等五个方面。2005年TFT-LCD将被主要应用于显示器(39%)、笔记本电脑(25%)、手机(16%),液晶电视(10%), PDA(6%)五大领域,市场销售金额将超过250亿美元,占LCD市场比例超过90%,成为液晶乃至整个平板显示技术领域的主导技术。

2 TFT-LCD技术的产业特点

TFT-LCD技术的产业特点资金密集,规模经营:建立一条生产线投资在10亿美元左右.技术密集:涉及到半导体技术、精密机械、精密光学、自动控制、大规模集成电路设计和制造技术、光电子、微电子、精细化工、光源、材料、通讯、计算机软件等。发展速度快,核心技术稳定:TFT-LCD产业化十年来生产线经历了7次大的发展,平均1年半生产线就要更新一次。但是TFT-LCD的核心技术是相对稳定的.带动的产业面广,对国民经济具有全局意义:上游原料、生产设备、生产技术涉及到现代工业生产的几十个领域。新材料的开发、大规模生产设备的制造、先进生产技术的应用,将带动上游产业群。TFT-LCD模块是信息产业的核心器件,涉及到通讯、交通、家电、计算机、教育、工业、医疗、国防等几乎所有的领域。

3 a-Si TFT-LCD技术的研究现状

a-Si TFT-LCD技术的研究现状分辨率: TFT-LCD的分辨率在近几年中经由CGA( 320 * 2 00),VGA( 640 * 4 80),SVGA (1280 * 1024)。XGA (1024 * 768). SXGA (1280 * 1024)发展到目前的UXGA (1600 * 1200)、QXGA (2560 * 2048)的水平。对比度:美国P.P.Muhoray等人推出了波导基LCD技术,并利用这种技术实现了174:1的高对比度,而现在的TFT-LCD对比度最高可达到500:1。视角: 由于液晶材料是各向异性的,其分子排列的取向及在电场作用下的重新排列取得均匀影响LCD器件视角的拓宽,这就造成了LCD器件视角上的缺点,现已提出多种宽视角技术,如同平面切换模式、相对称微单元模式、畴垂直模式等,视角可达到170度。响应速度:当帧频为60% 时,帧周期约为16ms,采用TN型LCD的普通TFT-LCD器件的响应时间可低于20ms。最近推出了一种利用弹性连续聚合物稳定化的平面开关方法,可使响应时间缩短到10ms,采用光学补偿带可将响应时间缩短到2~3ms,目前已用本技术研制出响应时间为8ms的彩色LCD电视机。寿命: 由于制造技术的发展,TFT-LCD的寿命可达到3万小时以上。大屏幕和反射式己出现:已研制成功38in的TFT-LCTV,结束了大屏幕LC的拼接时代,反射式TFT-LCD彩色显示器也开始商品化。由于TFT制作技术的发展、液晶材料性能的改善、宽视角技术的采用、响应速度的提高和成品率的提高,TFT-LCD显示性能已并不亚于CRT。

4 TFT型液晶显示器结构

TFT型液晶显示器结构通常的a-Si TFT主要由玻璃基板、栅电极、栅绝缘层、半导体活性层a-Si,欧姆接触层n+a-Si、源漏电极及保护膜等组成,其中栅绝缘层和保护膜一般采用SiN。a-Si TFT 的结构可分为四种典型结构:源、漏、栅三电极位于半导体活性层a-Si同一侧的平面结构,其中源、漏、栅三电极位于a-Si层上侧的称正栅平面结构,源、漏、栅三电极位于a-Si层下侧的称倒栅平面结构;源、漏、电极与栅电极位于a-Si层两侧的交错结构,其中栅电极在a-Si层上侧,源、漏电极在a-Si层下侧的称正栅交错结构或顶栅结构,栅极在a-Si下侧,源、漏电极在a-Si层上侧的称倒栅交错结构或底栅结构。从制造工艺上看,交错结构的SiN,a-Si和n+a-Si三层(或其中二层)可以连续淀积,适合流水作业,又可减少交叉污染。现在,交错结构已成为主流,它不仅对a-Si, SiN., n+a-Si可连续作业,而且倒栅还可以作遮光层(不需另设遮光层),这对a-Si TFT是重要的,因为a-Si对光敏感,一旦有光流入引起漏电流增加,将会导致像质恶化。


tft lcd倒面结构

5 TFT型液晶显示器的运作原理

TFT型液晶显示器的运作原理从TFT-LCD的切面结构图(下图)可以看到LCD是由二层玻璃基板夹住液晶组成的,形成一个平行板电容器,通过嵌入在下玻璃基板上的TFT对这个电容器和内置的存储电容充电,维持每幅图像所需要的电压直到下一幅画面更新。液晶的彩色都是透明的必须给LCD衬以白色的背光板上才能将五颜六色表达出来,而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。因此在TFT-LCD的底部都组合了灯具,如CCFL或LED。


tft lcd切面结构

TFT-LCD需要背光,由于LCD面板本身并不发光,因此需要背光,液晶显示器就必须加上一个背光板, 来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源。LCD实际上是打开来自其后面光源的光来表现其色彩的。目前的常用LED背光源或CCFL背光源。

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