薄膜晶体管液晶显示屏TFTLCD.docx

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薄膜晶体管液晶显示屏TFTLCD

薄膜晶体管液晶显示屏

（TFT-LCD）

摘要：

薄膜晶体管液晶显示屏（TFT-LCD）是目前使用最为广泛的液晶显示器。

本文从TFT的结构、原理、制造工艺、特性指标、研究进展与应用等方面介绍了TFT-LCD的基本情况。

关键词：

薄膜晶体管液晶TFT结构原理工艺参数应用

TFT-LCD技术是微电子技术和LCD技术巧妙结合的高新技术。

人们利用微电子精细加工技术和Si材料处理技术，来开发大面积玻璃板上生长Si材料和TFT平面阵列的工艺技术。

再与日益成熟的LCD制作技术结合，以求不断提高品质，增强自动化大规模生产能力，提高合格率，降低成本，使其性能/价格比向CRT逼近。

一、TFT-LCD的结构与工作原理

薄膜晶体管（TFT）液晶显示器是在扭曲向列（TN）液晶显示器中引入薄膜晶体管开关而形成的有源矩阵显示，从而克服无源矩阵显示中交叉干扰、信息量少、写入速度慢等缺点，大大改善了显示品质，使它可以应用到计算机高分辨率全色显示等领域。

成品TFT-LCD主要部件是LCD显示模组（LCM）,LCM是由Panel板和背光源（backlight）组成。

Panel板是整个液晶显示器的核心部分，它的制造工艺也是最复杂的。

人们通常所说的亮点也就是在Panel板的制造过程中发生的。

背光源的好坏能直接影响显示效果，它通常也是影响液晶显示器的寿命的关键所在。

1.Panel板的结构及工作原理

TFT-LCDPanel板的结构

在Panel板下层玻璃基板上建有TFT阵列，每个像素的ITO电极与TFT漏电极联结，栅极与扫描总线连结，原源电源与信号总线连结。

施加扫描信号电压时，原源电极导通使信号电压施加到存储电容器上并充电，在帧频内存储电容器的信号电压施加到液晶像素上，使之处于选通态。

再一次寻址时，由信号电压大小来充电或放电。

这样各像素之间被薄膜晶体管开关元件隔离，既防止了交叉干扰又保证了液晶响应速度满足于帧频速度，同时以存储信息大小来得到灰度级，目前灰度已可达到256级，可得到1670万种颜色，几乎可获得全色显示。

从上世纪90年代形成产业以来，薄膜晶体管（TFT）液晶显示器的生产线已由第一代发展到了第六代，没换代一次基板玻璃的面积都大幅增加，而且产量不断提高、成本不断降低。

如第七代薄膜晶体管（TFT）液晶显示器生产线的玻璃基板尺寸将达到1870*2200mm，目前可制成的液晶电视屏94cm（37inch）,笔记本电脑屏幕的最大尺寸为38.1cm（15inch）,监视器屏幕最大尺寸达63.5cm（25inch）。

薄膜晶体管（TFT）液晶显示器的另一种发展趋势是薄型化、轻量化、低功耗化。

基于新型材料的开发、制造工艺技术的革新、设备精度和自动化程度的提高及软件技术的进步，使得薄膜晶体管（TFT）液晶显示器产品的更新换代的速度非常快。

TFT断面图

2.背光源（Backlight）的结构及其原理

（1）Lamp

是自Inverter（反向交流器）接收高电压而发生可视光线的光源。

主要使用CCFL（ColdCathodeFluorescentLamp）.还有HCFL（HotCathodeFluorescent

Lamp）。

（2）Lamphousing

反射自Lamp出光的光源,入射到导光板上。

使用黄铜、铝以及黄铜上附合Ag等材料的薄膜反射。

（3）LightguidePanel（导光板）

主要使用丙烯（PMMA）以InjectionMolding或Casting的方法而制作的，导光入射的光源，并且具有均匀分布光源的作用。

（4）Reflector

主要是聚醚（PET）器材上为减少导光板入射的光源损失，具有反射功能。

（5）DiffuserDown（扩散Sheet）

主要是聚醚（PET）器材上以丙烯类树脂形成球形的形状，均匀扩散自导光板出光的光源，同时起集光的作用。

（6）BottomPrism

主要是聚醚（PET）器材上以丙烯类树脂起规则地形成棱柱形状而集光的作用.

辉度增加率为user表面的1.55倍。

（7）TopPrism

具有与BottomPrism同样的功能，以BottomPrism表面的1.33倍增加辉度.

Prism以相互十字交叉布置，收集X轴和Y轴方向的光源.

（8）DiffuserUp（ProtectorFilm）

具有与DiffuserDown同样的构造，以保护Prism的作用为主要目的，亦称为保护膜。

要使用透过性的Diffuser，由此，多少带来TopPrism集光的光源损失，但为减少Prism特性的不良而使用。

二、TFT-LCD的制造工序

1.薄膜晶体管（TFT）制造工序

TFT的制造工序分坚膜、清洗、Photo、刻蚀、脱膜、检测六大工序。

如图所示

TFT制造工序图

（1）坚膜工序

坚膜工序是指将Gate电极、Data（Source/Drain）电极、像素电极、绝缘膜、保护膜以及半导体膜,以物理或化学方法,使其在Glass（玻璃）上形成膜的工序。

Gate电极、Data（Source/Drain）电极、像素电极是金属物质（铝、铬、ITO、钼），利用Sputtering（溅射）物理方法，再Target（主要是金属）和Glass之间的Plasma（离子区）,将Target物质贴在Glass上。

Plasma（离子区）是两个电极之间注入的不活性Gas上施加高电压,从而离子化生成。

离子化的不活性Gas在Target上冲击,然后脱掉的Target物质移到Glass而形成膜

坚膜工序详解

绝缘膜、保护膜、半导体膜是利用化学方式的PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）工序，即利用两个电极之间注入Gas之后施加高频率电源而生成的Plasma（等离子），在Glass上生成膜的方式。

（2）清洗工序

清洗工序是指将初期投入或工序中Glass或膜表面的污染、Particle事先除去，以免发生不良的工序。

对确保膜与膜之间的黏着性有所帮助。

主要Unit有UV清洗Unit、Brush清洗Unit、MegaSonicUnit、CJ（CavitationJet）Unit。

（3）Photo工序

Photo工序是指用膜上形成要制作形态的Mask通过光,其形态从Mask移到感光剂（PR）的作业，包括感光剂涂屏（PRCoating）、曝光及显像等的工序。

Photo工序

（4）刻蚀工序

刻蚀工序是指对去除感光剂（PR）部分的膜,利用物理、化学方法有选择地去除的工序。

刻蚀方式有如下的两个方式：

1.WetEtching是利用化学溶液刻蚀金属物质（铝，铬，ITO，钼）的方式；2.DryEtching利用GasPlasma刻蚀SiNx，a-Si的方式。

刻蚀工序

（5）脱膜工序

脱膜工序是指刻蚀工序后，去除为形成Pattern而留下的感光剂（PR）的工序。

脱膜工序的必须条件是完全除去PR,下部膜不应有损伤，还要维持为进行下一工序的均匀的表面状态。

（6）检测工序。

检测工序是指调查/评价工序、半成品，产品的质量判定良、不良的工序。

2.成盒/制屏的工序

TFT-LCD的面板（屏）的组装过程，是首先将洗净后的彩膜基板与TFT的阵列基板涂布上配向膜涂液，并摩擦定向。

然后在TFT的阵列基板四周涂上封框胶，并散布5～10μm大小的间隔物于其上作支撑点，再将阵列基板与彩膜基板组合，以封框胶封合形成空的盒（Cell）。

再以两种方式注入液晶，一种方式是先将此空的cell基板裁切断、裂片、取最终显示器产品所需尺寸大小，经检查后，以真空方式注入液晶材料并加以封合；另一种方法是先注入液晶，再进行裁切断片后再封合。

这两种方式所需的制作时间不同，会影响总合格率也会造成生产能力的不同。

Cell的制造工序

3.模块的工艺流程

最后将TFT-LCD的panel面板与驱动电路（DriveIC）、印刷电路板连接，并装上背光源以及固定框架就完成了液晶显示模块（LCM）。

其工序一共有偏光板贴合、

TAB贴合、PCB贴合、B/L组装、老化测试、包装如图（）所示。

另外每块LCM在老化的前后都要进行一次检查。

模块工序的部件

模块制造工序详解

（1）偏光板贴合

主要分为清洗和偏光板的贴合两大工序。

清洗包括刀洗、刷洗、冲洗、干燥：

刀洗是用旋转刀片去除玻璃碎屑；刷洗是用毛刷去除灰尘和指纹；冲洗是用纯水去除残留的杂质；干燥以高、低温的热风去掉微细水气。

偏光板贴合是指利用Panel板和偏光板上的信息将上下偏光板分别贴附Panel板的上板和下板。

（2）TAB贴合

TAB贴合是指利用ACF（AnisotropicConductiveFilm）将TAB（TapeAutomatedBonding）和Panel板连接。

其工序包括ACF附着、TAB定位和本压榨：

ACF附着是指将ACF贴附在Panel板上；TAB定位是利用Panel板上的定位信息将TAB预压在Panel板上；本压榨是在高温高压下将TAB完全压在Panel板上并且使得连接部位的ACF导通。

TAB贴合简化图

（3）PCB贴合

PCB贴合与TAB贴合一样都是利用ACF来连接，不同的是这里连接的是TAB与PCB，所以由于材质的不同所使用的ACF也不同，同样工程条件也不同。

具体工序分为树脂涂屏，ACF贴合和PCB正式压榨：

树脂涂屏是为了防止水分和其它异物进入Panel板内；ACB贴合是将ACF贴附在PCB面板上；PCB正式压榨是将PCB与TAB在高温高压下压榨，并且使得连接部位的ACF导通。

（4）B/L组装

B/L组装是把Casetop、连接好TAB和PCB的Panel、BackLight以及SupportMain用手工的方式连接起来的工序。

（5）老化测试

老化测试是把组装好的液晶模块放置在50℃的老化房内检测模块的连接状况，根据客户要求其老化时间各有长短。

（6）包装

同样是利用手工的方式将测试合格的液晶模块包装出厂。

三、TFT-LCD的特性指标

1.响应时间

响应时间的快慢是衡量TFT－LCD好坏的重要指标，响应时间指的是TFT－LCD对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或者是由亮转暗的反应时间。

一般来说分为两个部分：

Tr（上升时间）、Tf（下降时间），而我们所说的响应时间指的就是两者之和，响应时间越小越好，如果超过40毫秒，就会出现运动图像的迟滞现象。

目前TFT－LCD的标准响应时间大部分在25毫秒左右，不过也有少数机种可达到16毫秒。

拥有16ms的超快响应时间，就可以用每秒显示60帧画面以上的速度，完全解决传统液晶显示屏在玩游戏或者看DVD影碟时所存在的拖影、残影问题。

2.对比度

对比度是指在规定的照明条件和观察条件下，显示屏亮区与暗区的亮度之比。

对比度是直接体现该TFT－LCD能否体现丰富色阶的参数，对比度越高，还原的画面层次感就越好。

目前TFT－LCD的标称为250:

1或者300:

1，高档产品在400:

1或500:

1。

这里要说明的是，对比度必须与亮度配合才能产生最好的显示效果。

400:

1或500:

1的高对比度将使显示出来的画面色彩更加鲜艳，图像更柔和，让您玩游戏或者看电影效果直逼CRT显示屏。

3.亮度

液晶显示屏亮度普遍高于传统CRT显示屏，TFT－LCD亮度一般以cd／m2（流明/每平方米）为单位，亮度越高，显示屏对周围环境的抗干扰能力就越强，显示效果显得更明亮。

此参数至少要达到200cd／m2，最好在250cd／m2以上。

传统CRT显示屏的亮度越高，它的辐射就越大，而TFT－LCD的亮度是通过荧光管的背光来获得，所以对人体不存在负面影响。

4.坏点

屏幕坏点最常见的就是白点或者黑点。

黑点的鉴别方法是将整个屏幕调成白屏，那黑点就无处藏身了；白点则正好相反，将屏幕调成黑屏，白点也就会现出原形。

通常一般坏点不超过3个的显示屏算合格出厂，3点以内的为A屏,三点以上10点以内或带轻斑的算B屏,带重斑的和带线的算C屏。

5.可视角度

TFT－LCD属于背光型显示屏件，其发出的光由液晶模块背后的背光灯提供，这必然导致TFT－LCD只有一个最佳的欣赏角度——正视。

当你从其他角度观看时，由于背光可以穿透旁边的像素而进入人眼，就会造成颜色的失真，不失真的范围就是液晶显示屏的可视角度。

TFT－LCD的视角还分为水平视角和垂直视角，水平视角一般大于垂直视角。

目前来看，只要在水平视角上达到120度，垂直视角上达到140度就可以满足大多数用户的应用需求了。

而最新的TFT－LCD的面板是用广视角技术生产的，可以达到上下140度，左右150度的视角，减少了因为视角太小的原因给观看带来的不便。

当然这样的表现对于CRT显示屏接近180度的视角无法相比，但对大多数应用来说也已经绰绰有余了。

6.点距

TFT－LCD的点距是指组成液晶显示屏的每个像素点之间的间隔大小，目前主流15英寸TFT－LCD产品的标准点距一般为0.297毫米，对应的分辨率为1024×768。

TFT－LCD的可视面积是“实实在在”的，大体上有这样一个参照：

15英寸TFT－LCD的可视面积接近17英寸的CRT显示屏。

7.带宽

TFT－LCD的带宽也是衡量液晶显示屏的一个指标。

一般TFT－LCD的带宽以80MHz为标准。

而大屏幕TFT－LCD兼有液晶显示的优点和大屏幕显示的优势，使得以17英寸TFT－LCD为代表的大屏幕液晶显示屏产品得到了广大消费者的青睐。

此外，它的可视面积比18寸彩电还大，而且它具有无辐射的优势，可使用户近距离的欣赏。

8.厚度

由于TFT－LCD自身的面板厚度都是一样的，也就是说，影响TFT－LCD厚度的主要因素将会是电路控制屏的技术、塑料外壳设计、机内空间压缩。

当然，融合了相当多的尖端液晶技术，采用了最新的超薄型液晶板和更轻薄的高亮度冷阴极荧光灯，加上更集成化的控制IC设计和更优化的散热处理，也能达到缩小外形尺寸的目的。

四、TFT-LCD的研究进展及应用

1.目前TFT-LCD已达到的技术水平状况：

（1）水平和垂直角都达到170度；

（2）显示亮度达到500尼特，对比度500：

1；

（3）寿命超过3万小时；

（4）场序列全彩色（FSFC）技术开始应用于工业生产；

（5）大屏幕薄膜晶体管液晶显示彩色电视（TFT-LCTV）已经开始进入大规模工业生产，TFT-LCTV的画质已经达到甚至超过了CRT，如28英寸TFTLCTV的分辨率为1920×1200，水平垂直视角均为170度；38英寸的TFTLCTV已研制成功；40英寸的TFT-LCD也已研制成功；

（6）大面积低温多晶硅TFT-LCD已经开发成功，并投入工业生产，非晶硅TFT的自扫描LCD已经商品化；

（7）反射式TFT-LCD彩色显示器开始商品化。

例如分辨率是400×234，画面为16：

9的5.8英寸反射式显示器的反射率为30%，响应速度为30ms，消耗功率为0.15瓦。

（8）730×920mm基板大屏幕生产线已经研制成功，更大尺寸基板的大屏幕生产线正在建设之中。

（9）塑料基板TFT-LCD开始商品化。

日本现有5个品种的塑料基板产品。

（10）背光源和逆变器，虽在积极开发反射式LCD，但用背光源的透射型TFT-LCD在相当长时间内还是主流产品。

背光源是其重要配件。

德国研制成用于液晶模块的平板荧光灯背光源，亮度达到5000-7000cd/m2，寿命达到10万小时。

一些新型自热式背光源可以在-40℃到85℃范围内正常工作。

OEL背光源和高亮度LED背光源已开发成功，并开始用于TFT-LCD、Linfinity。

Microelectrunies发明了冷阴极背光源长寿命逆变器，光源调制范围达到500：

1。

2.TFT-LCD的应用

TFT－LCD目前主要应用于计算机、视频终端、通讯及仪器仪表等行业。

主要应用领域有笔记本电脑、台式计算机监视器、工作站、工业监视器、全球卫星定位系统（GPS）、个人数据处理、游戏机、、便携式VCD、DVD及其它一些便携装置。

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