TFT液晶显示原理与技术

序

前言

第1章 液晶显示的历史和现状

1.1 液晶的发现和液晶显示的发明

1.1.1 液晶的发现

1.1.2 液晶在液晶显示器中的关键作用

1.1.3 液晶显示器的发明

1.1.4 液晶显示器的发展史

1.1.5 各类电子显示器的对比

1.1.6 电子显示器与互联网社会

1.1.7 液晶显示器所涉及的学科体系

1.2 TFTLCD20年发展回顾

1.2.1 实用TFTLCD的三次重大突破

1.2.2 TFTLCD产业化发展过程

1.2.3 多样化技术支撑更大的产业

1.2.4 显示屏尺寸的大型化

1.2.5 玻璃基板生产线的更新换代

1.2.6 显示品位的提高

1.3 TFTLCD研究开发的课题

1.3.1 扩大视角

1.3.2 提高响应速度

1.3.3 高质量动画显示技术

1.3.4 色表现技术

113.5 背光源的改进

1.4 TFT液晶及薄型显示器产业

1.4.1 迅速扩展的薄型显示器市场

1.4.2 信息社会中显示器制品的应用领域

1.4.3 显示器的市场规模

第2章 液晶显示入门

2.1 从液晶分子的基本单元谈起

2.1.1 热运动和凝聚力--决定物质状态的两大因素

2.1.2 流动性和各向异性--液晶用于显示的两个基本特性

2.1.3 胆甾醇分子的基本单元--苯环、碳氢链和OH基

2.1.4 安息香酸酯--最初发现的液晶

2.1.5 液晶分子的基本结构形态--板状和棒状液晶分子

2.1.6 液晶分子中各种各样的极性基

2.1.7 液晶分子的三种基本排列方式

2.2 液晶分子与范德瓦耳斯力

2.2.1 藉由改变液晶分子的排列状态实现液晶显示

2.2.2 碳氢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温度

2.2.4 液晶分子的排列与范德瓦耳斯力

2.2.5 如何控制范德瓦耳斯力

2.3 试制一个液晶盒

2.3.1 电压作用下的液晶分子

2.3.2 如何实现画面显示

2.3.3 不可缺少的透明电极

2.3.4 液晶盒的构成及显示器的制作流程

2.3.5 玻璃基板的处理

2.3.6 透明电极的图形化

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 偏振光和液晶的双折射

2.4.1 液晶分子的结构和排列决定显示器的类型和工作方式

2.4.2 横波、纵波及全方位光(自然光)

2.4.3 液晶显示器需要利用偏振光

2.4.4 单轴性晶体和双折射

2.4.5 向列液晶的双折射

2.4.6 偏光片的制作方法

2.4.7 电场效应双折射型液晶显示器的工作原理

2.5 螺旋排列液晶与手性液晶分子

2.5.1 如何认识胆甾相型(螺旋排列)液晶

2.5.2 螺旋排列在何种情况下才能出现?

2.5.3 左右对称的液晶分子的结构

2.5.4 胆甾相型液晶分子的立体结构

2.5.5 不对称碳的存在导致光学各向异性

2.5.6 圆锥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质会发生什么现象?

2.5.8 外加电压作用在螺旋排列液晶上

2.5.9 螺旋光射入螺旋排列液晶会发生什么变化?

2.6 各种类型的液晶显示器

2.6.1 液晶显示器的各种不同工作方式

2.6.2 利用拆开螺旋排列进行显示的液晶显示器

2.6.3 扭曲向列型液晶显示器

2.6.4 铁电液晶型显示器

2.6.5 宾-主(GH)型液晶显示器

2.6.6 液晶的电阻

2.6.7 液晶的介电常数

2.7 彩色化及动画显示

2.7.1 透明电极

2.7.2 液晶显示器的驱动与显示

2.7.3 薄膜三极管(TFT)

2.7.4 实现彩色化的各种方式

第3章 液晶化学与物理简论

3.1 液晶材料基础

3.1.1 液晶状态

3.1.2 液晶分子

3.1.3 液晶物性

3.2 液晶显示屏的基本结构及工作原理

3.2.1 显示屏的基本构造及屏内液晶分子取向

3.2.2 取向处理与液晶分子的界面取向

3.2.3 利用液晶分子取向变化实现光透射强度开关

3.3 液晶显示器的基本特征

3.3.1 阈值(临界)电压特征

3.3.2 时间响应特性

3.3.3 光学特性

3.4 灰阶显示特性及全色显示原理

3.4.1 灰阶显示

3.4.2 全色显示

3.4.3 画质评价

3.5 显示与视觉工学

3.5.1 人的视觉特性

3.5.2 人眼的顺应特性

3.5.3 画角(视场角)与临场感

3.5.4 大尺寸与全高清(fullHD)

3.5.5 清晰度与图像分辨率

3.5.6 显示性能与主观评价指针

第4章 液晶显示器及其显示特性

4.1 LCD的基本结构及分类

4.1.1 LCD的基本结构

4.1.2 LCD的分类

4.1.3 LCD显示原理

4.1.4 LCD彩色显示

4.2 液晶显示器的显示性能

4.2.1 图像分辨率

4.2.2 像素数与显示屏显示规格

4.2.3 像素节距

4.2.4 显示尺寸(显示区域)

4.2.5 宽高比

4.2.6 开口率

4.2.7 灰阶与显示色数

4.2.8 对比度

4.2.9 液晶显示器的寿命

4.2.1 0液晶显示器显示性能汇总

4.3 液晶显示器显示性能的改进

4.3.1 透射率及提高亮度的措施

4.3.2 视角及增大视角的措施

4.3.3 响应速度及提高响应速度的措施

4.4 玻璃母板尺寸和画面尺寸的发展趋势

4.4.1 玻璃母板尺寸越来越大

4.4.2 关于液晶生产线的"代"

4.4.3 画面向宽屏发展，像素向高精细化发展

4.4.4 生产设备由批量式到单片式

4.5 采用新结构、新材料、新技术的液晶显示器

4.5.1 采用新结构的液晶显示器

4.5.2 采用新材料的液晶显示器

4.5.3 采用新技术的液晶显示器

4.6 液晶显示器的最新技术动向

4.6.1 液晶电视用TFTLCD

4.6.2 中小型TFTLCD

4.6.3 In-Cell化技术

4.6.4 全球金融危机下的液晶显示器产业

参考文献

薄型显示器常用缩略语注释

TFT LCD液晶显示器在平板显示器中脱颖而出，在显示器市场独占鳌头。目前以TFT LCD为代表的平板显示产业发展迅速，为适应平板显示产业迅速发展的要求，本书作者编写了薄型显示器丛书。

本册阐述TFT液晶显示的基本原理和技术，共分4章:第1章介绍液晶显示的历史和现状;第2章以近乎动(画)、漫(画)的形式形象直观地介绍了液晶材料和液晶显示的入门知识;第3、4章是TFT LCD液晶显示器的基础，分别介绍了液晶化学与物理简论、液晶显示器及其显示特性。本书内容系统完整、诠释确切、图文并茂、深入浅出，特别是本书内容源于生产一线，具有重要的实际指导意义和参考价值。

本书适合作为大学或研究所各相关专业的教科书，特别适合产业界技术人员阅读。

TFT-LCD液晶显示屏 是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是"真彩"(TFT)。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，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，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。

在众多的平板显示器激烈竞争中，何以TFT-LCD能够脱颖而出，成为新一代的主流显示器决不是偶然的，是人类科技发展和思维模式发展的必然。液晶先后避开了困难的发光问题，利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部分，即光源和对光源的控制。作为光源，无论从发光效率、全彩色，还是寿命，都已取得了辉煌的成果，而且还在不断深化之中。LCD发明以来，背光源在不断地进步，由单色到彩色，由厚到薄，由侧置荧光灯式到平板荧光灯式。在发光光源方面取得的最新成果都会为LCD提供新的背光源。随着光源科技的进步，会有更新的更好的光源出现并为LCD所应用。余下的就是对光源的控制，把半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过来，成功研制了薄膜晶体管(TFT)生产工艺，实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制，解决了液晶显示器的光阀和控制器的配合，从而使液晶显示的优势得以实现。

TFT型的液晶显示器主要的构成包括:萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。

TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但也存在着比较耗电和成本过高的不足。TFT液晶技术加快了手机彩屏的发展。新一代的彩屏手机中很多都支持65536色显示，有的甚至支持16万色显示，这时TFT的高对比度，色彩丰富的优势就非常重要了。

技术特点

TFT技术是二十世纪九十年代发展起来的，采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术，是液晶(LC)、无机和有机薄膜电致发光(EL和OEL)平板显示器的基础。TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上(当然也可以在晶片上)通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路(LSIC)。采用非单晶基板可以大幅度地降低成本，是传统大规模集成电路向大面积、多功能、低成本方向的延伸。在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元(LC或OLED)开关性能的TFT比在硅片上制造大规模IC的技术难度更大。对生产环境的要求(净化度为100级)，对原材料纯度的要求(电子特气的纯度为99.999985%)，对生产设备和生产技术的要求都超过半导体大规模集成，是现代大生产的顶尖技术。其主要特点有:

(1)大面积:九十年代初第一代大面积玻璃基板(300mm×400mm)TFT-LCD生产线投产，到2000年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了680mm×880mm)，而且950mm×1200mm的玻璃基板也将投入运行。原则上讲没有面积的限制。

(2)高集成度:用于液晶投影的1.3英寸TFT芯片的分辨率为XGA含有百万个象素。分辨率为SXGA(1280×1024)的16.1英寸的TFT阵列非晶体硅的膜厚只有50nm，以及TAB ON GLASS和SYSTEM ON GLASS技术，其IC的集成度，对设备和供应技术的要求，技术难度都超过传统的LSI。

(3)功能强大:TFT最早作为矩阵选址电路改善了液晶的光阀特性。对于高分辨率显示器，通过0-6V范围的电压调节(其典型值0.2到4V)，实现了对象元的精确控制，从而使LCD实现高质量的高分辨率显示成为可能。TFT-LCD是人类历史上第一种在显示质量上超过CRT的平板显示器。而且人们开始把驱动IC集成到玻璃基板上，整个TFT的功能将更强大，这是传统的大规模半导体集成电路所无法比拟的。

(4)低成本:玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题，为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间。

(5)工艺灵活:除了采用溅射、CVD(化学气相沉积)MCVD(分子化学气相沉积)等传统工艺成膜以外，激光退火技术也开始应用，既可以制作非晶膜、多晶膜，也可以制造单晶膜。不仅可以制作硅膜，也可以制作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜。

(6)应用领域广泛，以TFT技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支柱产业，也技术可应用到正在迅速成长中的薄膜晶体管有机电致发光(TFT-OLED)平板显示器也在迅速的成长中。

其他主要特点

随着九十年代初TFT技术的成熟，彩色液晶平板显示器迅速发展，不到10年的时间，TFT-LCD迅速成长为主流显示器，这与它具有的优点是分不开的。主要特点是:

(1)使用特性好:低压应用，低驱动电压，固体化使用安全性和可靠性提高;平板化，又轻薄，节省了大量原材料和使用空间;低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，节省了大量的能源;TFT-LCD产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从1英寸至40英寸范围内的所有显示器的应用范围以及投影大平面，是全尺寸显示终端;显示质量从最简单的单色字符图形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高对比度，高响应速度的各种规格型号的视频显示器;显示方式有直视型，投影型，透视式，也有反射式。

(2)环保特性好:无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别是TFT-LCD电子书刊的出现，将把人类带入无纸办公、无纸印刷时代，引发人类学习、传播和记载文明方式的革命。

(3)适用范围宽，从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用，经过温度加固处理的TFT-LCD低温工作温度可达到零下80℃。既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端。

(4)制造技术的自动化程度高，大规模工业化生产特性好。TFT-LCD产业技术成熟，大规模生产的成品率达到90%以上。

(5)TFT-LCD易于集成化和更新换代，是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。目前有非晶、多晶和单晶硅TFT-LCD，将来会有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板。