第三章平板显示面板设计(一).

第三章平板显示面板设计（一）3.1平板显示器的构成与性能参数3.2LCD的驱动技术基础3.3α-Si:HTFTLCD显示面板技术3.4LTPSTFTLCD显示面板技术3.1显示器的构成与性能参数3.1.1平板显示器的构成3.1.2平板显示器的性能参数1.亮度及亮度均匀性2.对比度3.灰阶4.颜色5.分辨率3.1.1平板显示器的构成1．显示尺寸:对角线2.宽高比3.像素与像素节距4.开口率12141517像素•显示画面由像素（pixel）组成•像素的精致程度–观察距离–像素大小：ppi–像素数目液晶显示器主流宽高比为16：93.1.2平板显示器的性能参数QVGA:320×RGB×2401.Resolustion(分辨率)#1#2#3#320....................#1#2#3#240•column:320×3(R/G/B)•row:240•分辨率:320×240=76,800•SubPixel(dot):320×3×240=230,400分辨率指构成图像的像素和，一般表示为水平分辨率和垂直分辨率的乘积。平板显示器规格一览表规格分辨率长宽比像素（百万）QCIFQuarterCIF176×14411:90.03QVGAQuarterVGA320×2004:30.06CIFCommonImageFormat352×28811:90.1VGAVideoGraohicArray640×4804:30.31SVGASuperVGA800×6004:30.48XGAExtendedGraphicArray1024×7684:30.79WXGAWideXGA1365×76816:91.04SXGASuperXGA1280×10245:41.31SXGA+StretchedXGA1400×10504:31.47UXGAUltraXGA1600×12004:31.92HDTV-IInterlaceScanHDTV1920×108016:92.07HDTV-EIExtendedInterlaceScanHDTV1920×120016:102.30QXGAQuadrupleXGA2048×15364:33.15QSXGAQuadrupleSXGA2560×20484:35.24QUXGAQuadrupleUXGA3200×24004:37.68UAdvancedtelevisionsystemscommittee不同分辨率下的图像1024×1024→512×512→256×256→128×128→64×64→32×322、亮度与对比度•定义–亮度：指光源在某个方向的单位投影面积，单位立体角中辐射的光通量。–对比度：最亮情况下的亮度与最暗情况下的亮度之比：某方向的投影面积：单位立体角光通量AS:ASB时，忽略环境光的影响当有环境光时）无环境光时）0min0min0maxminmaxB(K(BBBBBBBK3、灰阶（灰度等级）•定义–亮暗间不同的明亮程度叫灰阶•灰阶的分级方法–以亚像素分级灰阶-空间灰度调制–以像素发光时间比例分级灰阶-时间灰度调制–以像素发光强度分级灰阶灰度等级：一般6－8级显示屏256级1．空间灰度调制将一个像素划分为若干个单独可控的“子像素”，控制子像素被选通数量，可实现灰度显示。这种方法是不需要特殊的驱动、控制技巧，其缺点：（1）不可能将一个像素分割成很多个子像素，因此不可能产生很多的灰度级；（2）增加了微细加工的成本，以牺牲分辨率为代价；（3）增加驱动、控制电路数量。2．时间灰度调制在一个时间单位内，控制显示选通、截止的时间长短，从而实现灰度显示。（1）帧灰度调制以数帧为一时间单元，控制显示像素选通的帧数，即可实现灰度调制。例如取4帧为一时间单位，从全部选通到全部不选通可以实现5个灰度级别。缺点:会引起灰度级别的闪烁，由于液晶响应时间速度慢，不可能用增加帧频来解决，所以必然导致活动图象显示变慢。（2）脉冲灰度调制调制数据脉冲的宽度，即可实现一个个像素上的灰度调制。由于液晶对过窄脉冲不能响应，所以一般限于以4位移位寄存器调制16级灰度，即列信号的宽度有16种组合。二值图像与灰度图像不同灰度级的图像4、颜色•彩色化方式–亚像素法–色序法彩色的正确重现景物→摄像器件→彩色分量→处理传输→显象器件→彩色景物重现空间混色TriadsandcolormixingSMPTEcolorbarscloseuponaSonyTrinitronmonitorTheSocietyofMotionPictureandTelevisionEngineers亚像素法场序（pico-projector)色序法（colorsequential）3.2α-Si:HTFTLCD显示技术1、LCD显示的基本原理2、液晶交流驱动3、均方根电压4、电光响应5、无源矩阵驱动6、有源矩阵驱动3.2.1LCD的驱动技术基础■LCDDisplay分类LiquidCrystalDisplayPMLCDAMLCDTNSTNAFLCDa-SiTFTPoly-SiTFTTFDHTPSLTPSTwistedNematicSuperTwistedNematicAntiferroelectricAmorphousSiTFTThinFilmDiodeHighTemperaturePolySiTFTLowTemperaturePolySiTFT1、LCD显示的基本原理Alightvalve（灰度实现）LightvalveLightsource加电场状态电场LCD基本操作未加电场状态偏光板背光源解偏板亮态暗态液晶分子出射光之极化状态液晶是受电场影响而扮演光阀的角色那电场是如何产生的呢……….常白和常黑模式•为什么必须要有交流驱动–取向膜的直流阻隔效应–可移动离子与直流残留-引入内部电场2、液晶交流驱动•液晶必须以交流信号驱动•长时间维持某一极性,液晶分子可能受到破坏3、驱动电压的均方根•在电场作用下引起透过率变化的特性•液晶器件的透过率在宽频率范围内只与驱动电压的有效值有关，而与电压波形无关。–如果V（t）是加在液晶盒上的随时间周期性改变的电压，则透光率只是电压均方根Vrms的函数液晶的排列，会由其所受到的力矩在时间上的平均值来决定而力矩与电压的平方成正比TdttTaverage/0TdttVVTrms/)(024、LCD的电光响应•NWTNLCD的相对透过率随着施加在液晶盒上的数据电压的变化关系曲线（T与电压均方根值Vrms之间的关系曲线）。thonththonVVVVKVTVTT2cos4Vth=1.2V，Von=4.06V，K=1.09，T(Vth)=0.985,T(Von)=0.001电光特性的几个参量%100透过光量入射光量T0020)(1TrmsdttVTV1090VVpT——相对透过率Vrms——电压均方根T0——周期p——电光陡度5、无源驱动（1）无源矩阵驱动原理（2）交叉效应与对比度（3）提高扫描行数和对比度的方法（1）无源矩阵驱动原理在X电极（扫描电极）上按时间顺序施加上一串扫描脉冲电压。与X电极同步，在Y电极上分别输入选通电压波形和非选通电压波形，使该行上若干像素点被选通。信号（列）电极扫描（行）电极假设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为Tf，那么一行所占有的选通时间为一帧时间的Tf/N（占空比系数）。在同等电压下，扫描行数的增多将使占空比下降，从而引起液晶像素上的交变电场电压的有效值下降，降低了显示质量。（2）交叉效应(crosstalk)在动态驱动方式下，某一液晶像素(选择点)呈显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点)都处在非选状态下，与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入，称之为半选择点。该点的电场电压处于液晶的阈值电压附近时，屏上将出现不应有的半显示现象，使得显示对比度下降，这种现象叫做“交叉效应”。交叉效应的主要原因:（1）液晶器件具有双向(通导)特征，外加电压只根据阻抗大小来分配电压。（2）电光特性不陡。假定所有像素开始时都处于暗态(不透明)。先在电极X1上加电压Va，并让Y1电极接地，而让其它电极开路。当外加电压Va足够高时，像素P12、P2l和P22上也会有Va/3电压，所以这些像素也会逐渐转变为亮态。随着行、列电极数日的增大，交叉效应的程度会加剧。22矩阵液晶显示屏及其等效电路X1Y1Y2X2RRRRP11P12P21P22X1X2Y1Y2P11：全选点P12，P21：半选点P22：非选点Va抑制交叉效应的措施:在非选择点上施加适当电压，达到提高非选择点的电压，降低半选择点的电压，则结果是拉开了选择点与半选择点间的电压差，而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差。交叉效应的主要表现：（1）选择点与半选择点电压接近，当外加电压超过Vth后，半选择点也会逐渐呈显示状态，使对比度下降；（2）半选择点与非选择点上电压不一样，如果它们由于交叉效应而变明（或变暗）状态不一样，则造成图面不均匀。•最佳偏压法由于液晶显示器在电场作用下的响应时间总是大于每行的作用时间，并且经常大于一帧时间，所以要使液晶显示需要数帧电压作用的积累，电压的作用不取决于电压的瞬时值，而是在数帧时间的有效值(rms值）。如要知道液晶显示器的对比度，就要求出某像素点作为全选择点的电压有效值和作为非选择点电压的有效值，它们的比正比于选通状态下的透过率。抑制交叉效应帧频25Hz，场频50Hz，行频15625Hz作为全选择点时，在一帧时间内，只有一行的时间施加的电压为V0，其余N-1行时间内施加的电压为-V0/b，所以作为全选择点的均方电压为：)1(1])()1([1222020202NbbVNbVNVNVonb为偏压比作为非选择点时，在一帧时间内，总有一行的时间处于半选择点，施加的电压为（b-2）V0/b，其余N-1行时间内施加的电压为-V0/b，所以：)1)2((1])()1()2[(12220202022bNbVNbVNVbbNVoff为了减小交叉效应，获得良好对比度的图象，必须(常黑模式）thoffsatonVVVV,定义一个表示工作电压范围的裕度：)1()2()1(22NbNbVVoffonVsat是显示像素透光率刚好达到饱和的电压因为行数N已给定，必有一个b值使=max。由b=0可求得：1Nb这时，11maxNN所以，对于每一个最佳偏压比，使值为最大。offonVV/阈值陡度P（扫描行数设计的依据）：thsatVVP/因为Pmax，液晶屏扫描电极数目N由下式限制：TN型器件的P为1.2-1.5，可驱动3-8路；STN型器件的P1.05，最大可驱动的路数为256。222max)11(PPN22max2maxmax)11(N有源矩阵液晶显示器件的分类6、有源驱动在三端器件方式中，扫描寻址的控制信号和显示信号完全分离，可以独立进行优化，容易得到高的显示质量。3.3.1α-Si:HTFTLCD像素架构1.单元像素架构2.像素阵列架构3.3α-Si:HTFTLCD显示面板技术CsonCOM像素结构与像素等效电路CsonGate像素结构与像素等效电路CsonCOM结构的截面图Array架构示意图(电路）G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource线储存电容Gate线液晶电容TFTcomITOCLC2.像素阵列架构Array面板信号传输与工作原理100umGateDriverSourceDriver(1)Gate电压依序输入GateLine，整条TFT依此順序On/Off。(2)Sourcebusline依Gate电压順序，将对应于各像素Data的Source电压(Vs)输入。滤色器（CF）与TFT的集成3.3.2α-Si:HTFTLCD面板制造技术1.TFT-LCD