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TFT-LCD技术发展简介01-14-2001 华东电子杨国栋沈培宏摘要：TFT-LCD是当前平板显示PFD的主要品种之一，已成为PFD技术中的支柱产品。本文从基本原理和特性开始以丰富的资料较全面地对TFT显示技术的发展现状作了详实论述，为PFD业者提供参考。 关键词：TFT LCD PFD 薄膜晶体管 液晶显示 平板显示 显示器 一、前言进入新千年，作为信息产业的重要构成部分—显示器件正在加速推进其平板化的进程。目前，世界已进入“信息革命”时代，显示技术及显示器件在信息技术的发展过程中占据了十分重要的地位，电视、电脑、移动电话、BP机、PDA等可携式设备以及各类仪器仪表上的显示屏为人们的日常生活和工作提供着大量的信息。没有显示器，就不会有当今迅猛发展的信息技术。显示器集电子、通信和信息处理技术于一体,被认为是电子工业在20世纪微电子、计算机之后的又一重大发展机会。科学技术的发展日新月异，显示技术也在发生一场革命，特别是自90年代以来，随着技术的突破及市场需求的急剧增长，使得以液晶显示（LCD）为代表的平板显示（FPD）技术迅速崛起。据Stanford公司预测，FPD市场规模正在以年增长率16.2%的速度发展着，到2000年FPD和CRT的产业都达到300亿美元，CRT平均年增长率不足6.3%，远低于FED的平均增长率，且FPD增长率仍在继续提高，CRT在继续下降，替代趋势十分明朗，可以说平板显示将成为21世纪显示技术的主流，其产业和市场在不断扩增之中。图1是平板显示器的分类示意图：图1 平板显示器分类图 经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器已进入角色，成为新世纪显示器的主流产品， 第1頁，共10頁TFT技术发展简介2002/9/6file://D:\技術資料\前沿顯示技術\TFT技术发展简介.htm目前竞争昀激烈的平板显示器有四个品种：1、场致发射平板显示器（FED）2、等离子体平板显示器（PDP）3、有机薄膜电致发光器（OEL）4、薄膜晶体管液晶平板显示器（TFT-LCD）场发射平板显示器原理类似于CRT，CRT只有一支到三支电子枪，昀多六支，而场发射显示器是采用电子枪阵列（电子发射微尖阵列，如金刚石膜尖锥），分辨率为VGA（640×480×3）的显示器需要92.16万个性能均匀一致的电子发射微尖，材料工艺都需要突破。目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产，用于国防军工，离工业化、商业化还很远。等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材料形成的，发光效应低和功耗大是它的缺点（仅1.2lm/W，而灯用发光效率达80lm/W以上，6瓦/每平方英寸显示面积），但在102～152cm对角线的大屏幕显示领域有很强的竞争优势。业内专家分析认为，CRT、LCD和数字微镜(DMD)3种投影显示器可以与PDP竞争，从目前大屏幕电视机市场来看，CRT投影电视价格比PDP便宜，是PDP昀有力的竞争对手，但亮度和清晰度不如PDP，LCD和DMD投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势。尽管彩色PDP在像质、显示面积和容量等方面有了明显提高，但其发光效率、发光亮度、对比度还达不到直观式彩色电视机的要求，昀重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受，这在一定程度上制约了彩色PDP市场拓展。目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起来。半导体发光二极管（LED）的显示方案由于GaN蓝色发光二极管的研制成功，从而一举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权，但是这种显示器只适合做户外大型显示，在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场。显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的显示器。有机薄膜电致发光真正的又轻又薄，低功耗广视角，高响应速度（亚微妙）的固体平板显示器。大规模工业生产的成本很低，使用寿命目前只有几千小时。OLED在可以预见的将来将首先应用作为TFT-LCD的主要竞争对手，但目前还处于研究试制阶段。液晶平板显示器，特别TFT-LCD，是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品，是21世纪全球经济增长的一个亮点。二、TFT-LCD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昀新成第2頁，共10頁TFT技术发展简介2002/9/6file://D:\技術資料\前沿顯示技術\TFT技术发展简介.htm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，研制成功了薄膜晶体管（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。1、TFT工作原理1）TFT是如何工作的TFT就是“ThinFilmTransistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管（矩阵）—— 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的象素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（activematrixTFT）的来历。那么图象究竟是怎么产生的呢？基本原理很简单：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFTLCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。当然，在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单。LCD（LiquidCrystalDisplay）就是利用了液晶的特性（当加热时为液态，冷却时就结晶为固态），一般液晶有三种形态：类似粘土的层列（Smectic）液晶类似细火柴棒的丝状（Nematic）液晶类似胆固醇状的（Cholestic）液晶液晶显示器使用的是丝状，当外界环境变化它的分子结构也会变化，从而具有不同的物理特性——就能够达到让光线通过或者阻挡光线的目的——也就是刚才比方的百叶窗。下面我就图2a、b来讲解一下TFT的基本原理。一个成品TFT显示屏，一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层大致是偏光板、彩色滤光片组成，这两层之间就是液晶层。偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。这个夹层位于两层玻璃基板之间。在上层玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式。大家知道三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。目前使用的昀普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器（TwistedNematicTFTLCD），下图就是解释的此类TFT显示器的工作原理。现存的技术差别很大，我们将会在本文的第二部分中详细介绍。第3頁，共10頁TFT技术发展简介2002/9/6file://D:\技術資料\前沿顯示技術\TFT技术发展简介.htm在上、下两层上都有沟槽，其中上层的沟槽是纵向排列，而下层是横向排列的。而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态，从发光图2a扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后，会发生90度的扭曲，从而能在下层顺利透过。图2b扭曲向列TFT显示器工作示意图当两层之间加上电压之后，就会生成一个电场，这时液晶都会垂直排列，所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层。2）TFT象素架构如图4示，彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种，依次排列在玻璃基板上组成一组（dotpitch）对应一个象素每一个单色滤光镜称之为子象素（sub-pixel）。也就是说，如果一个TFT显示器昀大支持1280×1024分辨率的话，那么至少需要1280×3×1024个子象素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器（1024×768）那么一个象素大约是0.0188英寸（相当于0.30mm），对于18.1英寸的TFT显示器而言（1280×1024），就是0.011英寸（相当于0.28mm） 图4第4頁，共10頁TFT技术发展简介2002/9/6file://D:\技術資料\前沿顯示技術\TFT技术发展简介.htm大家知道，象素对于显示器是有决定意义的，每个象素越小显示器可能达到的昀大分辨率就会越大。不过由于晶体管物理特性的限制，目前TFT每个象素的大小基本就是0.0117英寸（0.297mm），所以对于15英寸的显示器来说，分辨率昀大只有1280×1024。2 TFT的技术特点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），昀近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TABONGLASS和SYSTEMONGLASS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昀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。现在人们开始把驱动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。3 TFT-LCD的主要特点：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：第5頁，共10頁TFT技术发展简介2002/9/6file://D:\技術資料\前沿顯示技術\T