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薄膜晶体管液晶显示器技术简介

15英吋的TFT-LCD
薄膜晶体管液晶显示器英文名是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD是英文字头的缩写。 薄膜晶体管液晶显示器技术是一种微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的技术。 把单晶上进行微电子精细加工的技术，移植到在大面积玻璃上进行薄膜晶体管（TFT）阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色滤色膜的基板，利用与业已成熟的液晶显示器（LCD）技术，形成一个液晶盒，再经过后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器件。
　　　TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器, Thin film transistor liquid crystal display）是多数液晶显示器的一种，它使用薄膜晶体管技术改善影象品质。虽然TFT-LCD被统称为LCD，不过它是种主动式矩阵LCD。它被应用在电视、平面显示器及投影机上。
简单说，TFT-LCD皮肤可视为两片玻璃基板中间夹着一层液晶，上层的玻璃基板是与彩色滤光片（Color Filter）、而下层的玻璃则有晶体管镶嵌于上。当电流通过晶体管产生电场变化，造成液晶分子偏转，藉以改变光线的偏极性，再利用偏光片决定像素（Pixel）的明暗状态。此外，上层玻璃因与彩色滤光片贴合，形成每个像素（Pixel）各包含红蓝绿三颜色，这些发出红蓝绿色彩的像素便构成了皮肤上的图像画面。

TFT-LCD结构。薄膜晶体管液晶显示器由显示屏、背光源及驱动电路三大核心部件组成。

TFT-LCD显示屏，包括阵列玻璃基板、彩色滤光膜以及液晶材料。
阵列玻璃基板制备工艺是：用三个光刻掩膜板，首先在玻璃基板上连续淀积ITO膜（厚20～50n m）和Cr膜（厚50～100nm），并光刻图形，然后连续淀积绝缘栅膜SiN：（厚约400n m），再本征a-Si（厚50～100n m）和n＋a-Si层，并光刻图形（干法）淀积Al膜，光刻漏源电极，最后以漏源电极作掩膜，自对准刻蚀象素电极上的Cr膜和TFT源漏之间n＋a-Si膜。这就是TFT反交错结构的简单制造工艺。下一步是：在玻璃基板上涂布聚酰亚胺取向层，用绒布沿一定方向摩擦，使取向层表面形成方向一致的微细沟道，控制液晶分子定向排列。在保证两块玻璃基板上下取向槽沟的槽方向正交的条件下，将两块玻璃基板上下密封成一个盒，盒间隙一般只有几个微米（如10μm），然后抽真空封灌液晶材料。
　　彩色滤光膜（Color　Filter）简称CF。TFT-LCD的彩色显示，实际是通过阵列基板的光，照射在彩膜上，显示屏就能显示颜色。彩色滤光膜（如同着色的玻璃纸）可以制作在透明的电极之上（透明电极和液晶层之间），也可制作在透明电极之下（透明电极和玻璃之间），上下玻璃基板与CF膜对准精度非常高，要求CF膜黑白矩阵正好对准ITO象素电极的边缘，CF膜附着在液晶盒表面，然后用两片无色偏振片夹住液晶盒。彩色显示原理可以简述为：把TFT-LCD的一个象素点分割成红、绿、蓝（R、G、B）三基色，并对应CF膜的RGB，起光阀作用的LCD对透过CF膜的三色光量，进行平衡、调节得到所要的彩色。穿过CF膜的入射光如果漏射，则会影响TFT-LCD的对比度，所以在间隙处要设置遮光的黑矩阵（Black　Matrix）简称BM。为了稳定性和平滑性，使用丙烯基树脂和环氧树脂制成厚0.5～2μm的保护层（oe cota）简称OC。然后在这个保护层上面形成共用电极，即透明电极膜。BM层通常是由金属铬（Cr）制作，为了降低表面反射，也有用氧化铬（CrOx）或树脂。金属铬厚度约为1000～1500埃，用树脂、染料或颜料，作为着色层来着色。每个象素点的着色图形，因TFT-LCD的用途而不同。如可按条形、玛赛克形、三角形等排列。CF膜的特性用透过率、色纯度、对比度以及低反射化表示，所以对CF膜的要求是：高透过率和色纯度；高对比度和平整性以及极低的扩散反射。
一． 磁控溅射（MCS）
溅射是指在反应室中，被电离的正离子在暗区电场的加速下撞击阴极靶，使靶材溅射而
淀积在基板上形成薄膜。磁控溅射（MCS）则是指在阴极靶背后加装磁场，使二次电子在
洛仑兹力的作用下被束缚在靶表面。延长二次电子运动轨迹，使产生更多的正离子来轰击靶，
同时消耗了电子能量，具有淀积速率高和温度低两大优点。
MCS 在TFT-LCD 生产中，用于淀积栅电极，源/漏电极和铟锡氧化物（ITO）像素电极。
也用于彩色滤光片（CF）中的淀积，如黑色矩阵和ITO 共用电极的淀积。淀积的材料则用
Ta, Cr, MoTa, MoW, MoAlNd 等。对淀积工艺的要求是：电阻率低，厚度均匀，光滑，和底
层粘附好，台阶覆盖好，应力小，沾污少，不形成小丘，电迁移率小，不起弧等。
目前TFT-LCD 生产使用的MCS 设备供应商有ULVAC，Unaxis, AKT 等公司。其中
ULVAC 公司在2006 年占全部市场的94%。靶的供应商则有NIKKO 公司。一条7 代生产线
就需要8 台MCS 设备。每台的价格大约为1050 万美元。
目前TFT-LCD 生产使用的MCS 设备供应商有ULVAC，Unaxis, AKT 等公司。其中
ULVAC 公司在2006 年占全部市场的94%。靶的供应商则有NIKKO 公司。一条7 代生产线
就需要8 台MCS 设备。每台的价格大约为1050 万美元。

　　液晶材料。据不完全统计，可以作液晶材料的高分子化合物，已超过1万种。用一种液晶材料通常很难满足器件要求的温度范围、弹性系数、介电常数、折射率各向异性以及粘度等主要技术指标，工程上必须用混合液晶来调制物理性能。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类：一类是向列相液晶。这种液晶材料，分子长轴平行，分子除转动滑动外，还可以上下移动；二是胆甾相液晶。这种液晶材料，分子在不同的平面上取向，在同一平面上，分子长轴平行各平面的指向矢，并逐层扭转呈螺旋变化；三是近相晶液晶。这种液晶材料，分子排列为层状，各层的分子长轴平行，可以相互平行移动，但分子在层与层之间不能自由滑动。液晶材料的主要特点是：具有细长分子结构，在和分子指向矢垂直和平行两个方向，其层电率、介电常数、折射率均不相同，并随温度和驱动频率等外界条件而变化。另外，折射率各向异性大，在产生同样光学效应的情况下，可以使液晶盒变薄。相同电压下的电场强度就能加快液晶盒的响应速度。
　　TFT-LCD背光源。液晶本身并不发光，外部必须施加照射光，这种外部照射光称为背光源。液晶显示器的背光源，按液晶显示面与光源的相对位置，大体上可分为边缘式、直下式和自发光式三种。白炽灯、白卤素灯为点光源，荧光灯（热阴极、冷阴极）为线光源，电致发光（EL）以及矩阵式发光二极管为面光源。边缘式背光源是在显示区的侧面，装配线光源的荧光灯。为了确保显示区亮度的均匀性，边缘式背光源均采取集光和导光措施。集光是为有效地使入射光能从一个侧面射出去，导光是将集光射出的光进行反射，使之成为平面光源；直下式背光源是在显示区的正下方，装配1只或几只并排的冷阴极灯，在冷阴极灯的上面同时装配漫散射板，以消除冷阴极灯造成的斑点；自发光式背光源是在显示区的下方，装配电致发光板。电致发光为面发光，可整面均匀发光且没有斑点，发光颜色为绿、蓝、白，亮度为30～100尼特。TFT-LCD背光源的发展趋势是：大画面、高亮度、广视角以及薄型化、轻量化、低功耗化和低价格化。
　　TFT-LCD驱动电路。为了显示任意图形，TFT-LCD用m×n点排列的逐行扫描矩阵显示。在设计驱动电路时，首先要考虑液晶电解会使液晶材料变质，为确保寿命一般都采用交流驱动方式。已经形成的驱动方式有：电压选择方式、斜坡方式、DAC方式和模拟方式等。由于TFT-LCD主要用于笔记本电脑，所以驱动电路大致分成：信号控制电路、电源电路、灰度电压电路、公用电极驱动电路、数据线驱动电路和寻址线驱动电路（栅极驱动IC）。上述驱动电路的主要功能是：信号控制电路将数字信号、控制信号以及时钟信号供给数字IC，并把控制信号和时钟信号供给栅极驱动IC；电源电路将需要的电源电压供给数字IC和栅极驱动IC；灰度电压电路将数字驱动电路产生的10个灰度电压各自供给数据驱动；公用电极驱动电路将公用电压供给相对于象素电极的共用电极；数据线驱动电路将信号控制电路送来的RGB信号的各6个比特显示数据以及时钟信号，定时顺序锁存并续进内部，然后此显示数据以6比特DA变换器转换成模拟信号，再由输出电路变换成阻抗，供给液晶屏的数据线；栅极驱动电路将信号控制电路送来的时钟信号，通过移位寄存器转换动作，将输出电路切换成ON／OFF电压，并顺次加到液晶屏上。最后，将驱动电路装配在TAB（自动焊接柔性线路板）上，用ACF（各向异性导电胶膜）、TCP（驱动电路柔性引带）与液晶显示屏相连接。
　TFT-LCD工作原理。首先介绍显示原理。液晶显示的原理基于液晶的透光率随其所施电压大小而变化的特性。当光通过上偏振片后，变成线性偏振光，偏振方向与偏振片振动方向一致，与上下玻璃基板上面液晶分子排列顺序一致。当光通过液晶层时，由于受液晶折射，线性偏振光被分解为两束光。又由于这两束光传播速度不同（相位相同），因而当两束光合成后，必然使振光的振动方向发生变化。通过液晶层的光，则被逐渐扭曲。当光达到下偏振片时，其光轴振动方向被扭曲了90度，且与下偏振片的振动方向保持一致。这样，光线通过下偏振片形成亮场。加上电压以后，液晶在电场作用下取向，扭曲消失。这时，通过上偏振片的线性偏振光，在液晶层不再旋转，无法通过下偏振片而形成暗场。可见液晶本身不发光，在外光源的调制下，才能显示，在整个显示过程中，液晶起到一个电压控制的光阀作用。TFT-LCD的工作原理则可简述为：当栅极正向电压大于施加电压时，漏源电极导通，当栅极正向电压等于0或负电压时，漏源电极断开。漏电极与ITO象素电极连结，源电极与源线（列电极）连结，栅极与栅线（行电极）连结。这就是TFT-LCD的简单工作原理。
　　TFT-LCD的关键技术。TFT-LCD的关键技术很多，主要有以下几个大的方面：
　　一是提高开口率技术。开口率指TFT-LCD显示屏光透过部分和不透过部分之比，开口率越大，亮度越高。影响开口率的主要是栅和源总线宽度、TFT尺寸、上下基板对盒精度、存贮电容尺寸及黑矩阵尺寸等。为了提高开口率，采取的办法是：将黑白矩阵和彩膜都做在TFT基板上，此办法避免了对盒精度引起的开口率下降，但成品率不是很高，成本也会相应加大。另外就是栅源总线，采用集成电路微加工技术。90年代TFT矩阵微加工约10μm，开口率为35％，微加工达到5μm时，开口率为80％。第三就是采用自对准光刻技术。主要是消除栅极和源漏极重叠形成的寄生电容。用自对准光刻技术，把栅电极作掩膜板，光刻n＋a-Si和源漏电极，以减少栅源电极之间的重叠。最后是改善栅源材料。为了增加开口率，应尽量将总线宽度取小，但要考虑由于总线电阻过大，输入信号延迟，驱动不充分，从而降低对比度的问题。通常采用Cr或MoTa金属包Al的办法，这样就能得到低电阻总线。
　二是扩大视角技术。液晶分子的各向异性，决定了液晶分子空间分布的不同，不同的立体角光透过率不同，这是造成显示对比度不均匀的重要原因。因此，扩大视角是液晶显示技术的关键课题之一。一般采取的技术措施有：补偿膜技术。在液晶显示屏上，贴光漫射膜和光强补偿膜，使通过液晶屏的光均匀漫射，并补偿某些角度的光强。另外就是采用多畴技术，在象元内划分两个以上不同液晶分子排列区域，形成多畴液晶分子取向，从而达到扩大视角的目的。扩大视角技术还有IPS、ASM等方法和措施。
　　三是简化TFT阵列工艺。一般TFT阵列工艺刻蚀次数为7～9次，工艺流程过长，影响产品合格率和生产能力。国外文献报道，已有4次套刻工艺，比常规的TFT阵列工艺减少了一半。
　　当然，液晶显示器的关键技术不只是以上三个方面，但它们是影响TFT-LCD品质的最关键技术，其它关键技术这里就不一一赘述。