薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD)

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(back light)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-LCD Panel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(Cold Cathode Fluorescent Lamp).还有HCFL(Hot Cathode Fluorescent Lamp) 。

（2）Lamp housing

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）Light guide Panel (导光板)

主要使用丙烯（PMMA) 以Injection Molding 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）Diffuser Down (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）Bottom Prism

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）Top Prism

具有与Bottom Prism同样的功能，以Bottom Prism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）Diffuser Up (Protector Film)

具有与Diffuser Down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Top Prism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(Plasma Enhanced Chemical V apor Deposition)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 、Mega Sonic Unit、CJ( Cavitation Jet) 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(PR Coating)、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.Wet Etching是利用化学溶液刻蚀金属物质(铝，铬， ITO，钼) 的方式；2.Dry Etching利用Gas Plasma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5～10 μ m 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（Drive IC）、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(Anisotropic Conductive Film)将TAB(Tape Automated Bonding) 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Case top 、连接好TAB 和PCB 的Panel 、Back Light 以及Support Main 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-LC TV）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TFT LC TV的分辨率为1920×1200，水平垂直视角均为170度；38英寸的TFT LC TV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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[6]百度百科.TFT