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    TFT(ThinFilmTransistor)工作原理

    互联网2010年1月19日 19:31 点击:4155

    Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管),是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器。
      补充:TFT(ThinFilmTransistor)是指薄膜晶体管,意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动,从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息,是目前最好的LCD彩色显示设备之一,其效果接近CRT显示器,是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制,是有源像素点。因此,不但速度可以极大提高,而且对比度和亮度也大大提高了,同时分辨?#23460;?#36798;到了很高水平。
      TFT ( Thin film Transistor,薄膜晶体管)屏幕,它也是目前中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕,分65536 色及26 万色,1600万色三种,其显示效果非常出色。
    TFT技术解析
      TFT(Thin Film Transistor)LCD即薄膜场效应晶体管LCD,是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。
      和TN技术不同的是,TFT的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像TN液晶那样从上?#26009;攏?#32780;是从下向上。这样的作法是在液晶的背?#21487;?#32622;特殊光管,光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上?#24405;?#23618;的电极改成FET电极和共通电极,在FET电极导通时,液晶分子的表现也会发生改变,可以通过遮光和透光来达到显示的目的,响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩,荧屏更新频?#23460;?#26356;快,故TFT俗称“真彩”。
      相对于DSTN而言,TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于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,并可以进行连续控制。这样的设?#21697;?#27861;不仅提高了显示屏的反应速度,同时也可以精确控制显示灰度,这就是TFT色?#24335;螪STN更为?#26222;?#30340;原因。
      目前,绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于笔记本电脑的制造。尽管在?#31508;盩FT相对于DSTN具有极大的优势,但是由于技术上的原因,TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT显示器还有很大的差距。加上极低的成品?#23454;?#33268;其高昂的价格,使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。
      不过,随着技术的?#27426;?#21457;展,良品率?#27426;?#25552;高,加上一些?#24405;?#26415;的出现,使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步,拉近了与传统CRT显示器的差距。如今,大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到50ms以下,这些都为LCD走向主流铺平了道路。
      LCD的应用市场应该说是潜力巨大。但就液晶面板生产能力而言,全世界的LCD主要集中在中国台湾、韩国和日本三个主要生产基地。亚洲是LCD面板研发及生产制造的中心,而台、日、韩三大产地的发展情况各有不同。
      目前主流的TFT面板有a-Si(非晶硅薄膜晶体管)
    TFT和LTPS TFT技术
      在a-Si方面,三个生产基地的技术各有千秋。日本厂商曾经研制出分辨率高达2560×2048的LCD产品。因此,有些人认为,a-Si TFT技术完全可满足高分辨率的产品需要,但是,由于技术的不成熟,它还不能满足高速视频影像或动画等的需要。LTPS TFT相对可以节约成本,这对于TFT LCD的推广有着重要意义。目前,日本厂商已经有量产12.1英寸LTPS
      TFT LCD的能力。而中国台湾已开发完成LTPS组件制造技术与LTPS SXGA面板技术。韩国在这方面缺少专门的设计人员和研发专?#36965;?#20294;像三星等主要企业已经推出了LTPS产品,显示出韩国厂商的实力。不过,目前LTPS技术尚不成熟,产品集中在小屏幕,而且良品?#23454;停?#25104;本优势尚无从谈起。
      与LTPS相比,a-Si无疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a-Si TFT投资策略上几乎都以第三代LCD产品为主,通过制造技术及良品率的改善来提高产量,降低成本。日本一直走高端路线,其技术无疑是最先进的。由于研发力量有限,台湾的a-Si TFT技术主要来自日本厂商的转让,但由于台湾企业一般属于劳动密集型,技术含量价低,以生产低端产品为主。韩国在a-Si方面有着?#30475;?#30340;研发实力,比如三星公司就量产了全球第一台24寸a-Si TFT LCD—240T,它的响应时间小于25ms,可以满足一般应用需要;而可视角度达到了160度,使得LCD在传统弱项上不输给CRT。三星240T标志着大屏幕TFT LCD技术走向成熟,也向世人展示了韩国厂商的实力不容置疑。
      除了以上两种TFT技术之间的竞争,SED将会成为TFT LCD的?#30475;?#25932;人。然而,SED目前仍属于概念型产品,短时间内难以进入主流市场。
      虽然目前LCD已经大幅?#23548;郟?#20294;是相对于CRT仍然价格较高。因此成本问题是大家关注的焦点。实际上,TFT的生产成本与CRT不相上下,但良品率极低造成了TFT面板成本居高不下的情况。TFT面板是由一块较大的基板切割而成。而LCD产品还要有大量的晶体管阵列来控制三原色,现在的制造技术很难保证在一大块基板上数千万甚至上亿的晶体管不出一?#37995;?#39064;。如果有一个晶体管出现问题,那么那个晶体管对应的点的对应色?#31034;?#20250;出问题(只能显示某种固定色彩),那么这个点就是通常称的“坏点”。坏点出现的几率于位置是不固定的,所以一块基板很有可能会被浪费很多。目前一般LCD要求坏点在5个以下,而一些大厂把这个标准缩小到了3个,甚至为0,这就会使良品?#24335;?#20302;。而一些小厂则将坏点数扩大,这样一来,成本自然大幅下降,而产品品质随之下降,这也是某些厂商为何可以大幅降低LCD售价的原因之一。
      虽然目前有能力生产液晶显示器的厂家不少,但真正有制造TFT面板能力的厂?#20202;?#25351;可数。ACER作为IT?#30340;?#30693;名企业,实力相当雄厚,虽没有自己生产TFT面板的能力,但与台湾达基关?#24471;?#20999;,在技术配合上有一定优势。不过,限于台湾企业的技术实力,ACER LCD产品主要集中在中低端。PHILIPS作为世界知名的显示设备制造厂,其显示器销量在国内一直名列前茅,而且于韩国LG达成同盟,共同研发、制造TFT面板。同样由于技术原因,以及市场定位问题,PHILIPS目前的产品主要集中在中端,而且在零售市场PHILIPS动作一直不很明显。三星作为另一实力强劲的显示设备研发、制造厂商,在LCD方面?#24230;?#20102;较大精力,致力于?#27426;?#20016;富产品线,目前三星产品涵盖了高中低端市场。
      LCD技术?#28304;?#22312;?#27426;?#21457;展、完善的阶段,三大产地的发展方向各有不同,它们之间既存在竞争,又有着合作。正是这些因素促使了LCD向前发展。
    TFT-LCD技术
      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”?#36125;?#26174;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?#35813;?#21457;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?#26412;?#22686;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?#27426;?#25193;增之中。
      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,目前竞争最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,最多六支,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?#36141;?#36828;。
      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?#25509;?#23544;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。?#30340;?#19987;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最有力的竞争对手,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,最重要的是其价格还不能?#36824;?#22823;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?#27599;?#22987;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?#34180;LED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?#36141;退?#32500;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?#19968;?#22312;?#27426;?#28145;化之中。LCD发明以来,背光源在?#27426;?#22320;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?#34917;?#26469;,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?#39057;?#20197;实现。
      1、TFT工作原理
      (1)TFT是如何工作的 TFT就是“Thin Film Transistor”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(active matrix TFT)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TFT LCD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。?#27604;唬?#22312;技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单。LCD(Liquid Crystal Display)就是利用了液晶的特性(当加热时为液态,冷?#35789;本?#32467;晶为固态),一般液晶有三?#20013;?#24577;:
      类?#26222;?#22303;的层列(Smectic)液晶
      类似?#23500;?#26612;棒的丝状(Nematic)液晶
      类?#39057;?#22266;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。
      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、?#24230;?#31181;颜色。
      目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器(Twisted Nematic TFT LCD),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。
      在上、下两层上都有?#25377;郟?#20854;中上层的?#25377;?#26159;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。
      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)TF
      T象素架构如图4示,彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、?#24230;?#31181;,?#26469;?#25490;列在玻璃基板上组成一组(dot pitch)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显示器最大支持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)
      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最大分辨?#31034;?#20250;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?#39318;?#22823;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?#20998;?#36896;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(?#27604;?#20063;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?#30001;臁?#22312;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),最近950mm×1200mm的玻璃基板也将?#24230;?#36816;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?#30475;螅篢FT最早作为矩阵选址电路改?#23631;?#28082;晶的光阀特性。对于高分辨率显示器,通过0-6V?#27573;?#30340;电?#27807;?#33410;(其典型值0.2到4V),实现了对象元的精确控制,从而使LCD实?#25351;?#36136;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?#21450;?#39537;动IC集成到玻璃基板上,整个TFT的功能将更?#30475;螅?#36825;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?#36864;?#26009;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?#27599;?#25299;了广阔的应?#27599;?#38388;。
      (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?#37096;?#22987;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,?#24067;?#26415;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:
      (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?#27599;?#38388;;低功?#27169;?#23427;的功?#33041;?#20026;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?#24230;?#26131;,使用寿命长等许多特点。显示?#27573;?#35206;盖了从1英寸至40英寸?#27573;?#20869;的所有显示器的应用?#27573;?#20197;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?#22841;?#21040;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?#31508;有停?#25237;影型,透视式,也有反射式。
      (2)环保特性好:无辐射、无?#20102;福?#23545;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?#25509;?#21047;?#36125;?#24341;发人类学习、传播和记栽文明方式的革命。
      (3)适用?#27573;?#23485;,从-20℃到+50℃的温度?#27573;?#20869;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。
      三、国际技术水平和现状
      TFT-LCD技术已经成熟,长期困扰液晶平板显示器的三大难题:视角、色饱和度、亮度已经获得解决。采用多区域垂直排?#24515;?#24335;(MVA模式)和面内切换模式(IPS模式)使液晶平板显示的水平视角都达到了170度。MVA模式?#25925;?#21709;应时间缩短到20ms。
      从技术角度来看,TN+Film解决方案是最简单的一种,TFT显示器制造商将过去用于老式LCD显示器的扭曲向列(TN:Twisted Nematic)技术,同TFT技术相结合,从而有了TN+Film技术。这项技术主要就是通过显示屏覆盖一层特殊的薄膜,来扩大可视角度——可以把可视角度从90度扩大到大约140度。如图6所示:TN+Film同标准TFT显示器一样都是通过排列液晶分子来实现对图象的控制,它在上表面覆盖一层薄膜来增大可视角度。不过TFT显示器相对弱的对比度和缓慢的反应时间这些缺点仍然没有改变。所以TN+Film这种方式并不是做好的解决方案,除了它的造价最便宜之外没有任何可取之处。
      IPS就是In-Plane Switching的简称,意思就是平板开关,又称为Super TFT。最早由Hitachi(日立)开发,现在NEC和Nokia?#24425;?#29992;此项技术制成显示器。这项技术同扭曲向列显示器(TN-Film)的不同就在于液晶分子相对于基本排列方式不同,当加上电压之后液晶分子与基板平?#20449;?#21015;。
      采用这项技术的显示器的可视角度达到了170度,已经同阴极射线管的可视角度相当了,不过这项技术也有缺点:为了能让液晶分子平?#20449;?#21015;,电极不能象扭曲向列显示器(TN-Film)一样,在两层基板上都有,只能放在低层的基板上——这样导致的直接结果就是显示器的亮度和对比度明显的下降,为了提高亮度和对比度,只有增强背光光源的亮度。这样一来,反应时间和对比度相对于普通TFT显示器而言更难提高了。所以这项技术似乎也不是最好的解决方案。
      MVA多区域垂直排列技术,是由日本富士通(Fujitsu)公司开发的,单从技术的角度看,它兼顾了可视角度和反应时间两个方面。找到了一个折中的解决方法。MVA技术使?#27599;?#35270;角达到了160度—— 虽然不如IPS能达到的170度的可视角度,不过它`仍然是好的,因为这项技术能够提供更好的对比度和更短的反应时间。
      MVA中的M代指“multi-domains” —— 多区域的意思。图8所示,那些紫色的突起(protrusion)构成了所谓的区域。富士通目前生产的MAV显示器中一般就有这样4个区域。
      VA是“vertical alignment”的简称,意为垂直排列。不过单从?#32622;?#19978;看会产生一些误解,因为液晶分子并不是如图所示的“突起”(protrusion)完全垂?#34180;?#35831;看图8所示黑色示意图。当电压生成一个电场时,液晶分子如图相互平?#20449;?#21015;,这样背光光源就能穿过,而且能将光线向各个方向发散,从而扩大了可视角度。
      另外,MVA还提供了比IPS和TN+Film技术都快的反应时间,这对于取得良好的视频回收和残视觉效果都是非常重要的。MVA液晶显示器的对比度也有所提高,不过同样也会随着可视度的变换而变化。
      在采用光学补偿弯曲技术(OCB)的基础上发展起来的场序列全彩色(FSFC)LCD技术不仅取消了占成本三分之一的彩色滤光膜(CF),还可使分辨率提高3倍,透过率提高5倍,同时简化了工艺,降低了成本。彩膜技术和背光源技术的发展使TFT-LCD的彩色再现能力达到甚至超过了CRT。作为商品显示器TFT-LCD的主要技术指标综合性能在各类显示器件中是最优秀的,特别是TFT-LCD产品的大规模生产技术的完善,多品种、多系列的产品发展空间,应用?#27573;?#26080;所不至 。最近韩国三星电子已经生产出了38英寸单一基板的TFT-LCD液晶电视和40英寸TFT-LCD显示器,以其优良的性能向公认的应为PDP霸占的大尺寸彩电市场进军。
      LCD是所有显示器中耗电最低的产品,以13.3英寸XGA TFT-LCD为例,其功耗1998年为4.4瓦,1999年为3.3瓦,到2001年将小于2.5瓦,特别是反射型TFT-LCD的研制成功,由于取消了背光源,其功耗比透射式TFT-LCD低了一个数量级。同时由于几改进,低?#24405;?#20809;退火多晶硅(P-Si)技术成熟,以至最近发展起来的单晶硅技术使得TFT-LCD的响应速度更快,电路集成化水平更高,锁相环技术的应用,一种功能更新,更全的周边电路的采用,系统集成(System on glass)技术的发展,使得TFT-LCD更轻、更薄。13.3英寸TFT-LCD其厚度在1998年为7.2mm,1999年为5.5mm,2001年降到5mm以下,其重量1998年为580克,1999年为450克,到2001年降到400克以下。TFT-LCD的大生产技术也已成熟,已实现全自动生产,其第五代生产线在2002年将进入实用生产阶段,生产成本将?#27426;?#19979;降。TFT-LCD在技术上的成熟与进步以及其特有的性能优势确定了TFT-LCD最终取代CRT的格局。
      四、总结
      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?#31508;?#35282;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?#24230;?#24037;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?#32972;?#26102;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?#34180;?#19968;些新型自热式背光源可以在-40℃到85℃?#27573;?#20869;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?#21697;段?#36798;到500:1。
    TFT-LCD市场分析
      一、国际市场分析与预测
      TFT-LCD(彩色薄膜晶体管液晶显示器)主要应用于计算机、视频终端、通?#37117;?#20202;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?#20302;常℅PS)、个人数据处理、游戏机、可视电话、便携式VCD、DVD及其它一些便携装置。
      1995年以前,TFT-LCD的应用主要集中在高档摄像机监视器、高档掌上游戏机、微型电视机和大屏幕投影仪等贵族类消费产品。其过高的价格使下游整机厂家更多的选用了低档TN和STN液晶。1995年后,随着TFT生产厂家生产技术水平的提高、?#24230;?#21152;大、基板尺寸提高到300mm-400mm以上,实现了10英寸VGA以上大尺寸TFT-LCD的大规模生产,加上上游原材料厂家的成熟带来的成本降低,从而为TFT-LCD在笔记本电脑、监视器等潜力巨大的市场应用建立了基础。于是迎来了TFT历史上的第一次高速成长期。在此期间,日本多家公司投资大型生产线,下游厂?#19968;?#26497;开发推广应用产品,由于原材料价格降低和大规模生产成本减低和成品率的提高,TFT的价格?#25163;?#27493;降低的态势,进一步促进应用领域的扩大,同时TFT厂家也保持了较高的利润空间。此种情形一直保持到1996年上半年。
      1996年第二季度至年底,全球FTF产?#21040;?#20837;了一个相对停滞?#33108;?#26399;。其原因并非市场需求不足,而是由于:
      1.TFT产品的价格相对于CRT仍然偏高,难以被家庭、个人和中小企业这个最大的市场所接受;
      2.用户心理上对?#31508;?#20027;流产品 (l0.4英寸 VGA)不满足,而11寸以上产品由于生产技术不成熟、生产能力低下,其价格和供货能力均使下游产品厂家望而却步;
      3.前期TFT厂家的?#24230;?#20351;生产能力相对于?#31508;?#30340;市场需求有微量的过剩假象;
      4.日本企业由于占有大部分生产能力,不愿降低自己的利润空间而造成事实上的价格?#20064;?br />   此后1997年,由于韩国三星、现代、LG等公司第二代以上生产线纷纷投产,打?#23631;?#26085;本独家垄断市场、控制价格的?#32622;媯琓FT的价格趋于合理的定位,生产能力的扩增又刺激了下游产品特别是笔记本电脑中TFT应用的迅速增加,使得TFT行业又进入了一个相对非常短暂的快速发展期。市场容量?#26412;?#25193;大,主流产品档次迅速提升。11.3英寸、12.l英寸TFT成为?#31508;?#31508;记本电脑的上流配置,并呈现被更高档次产品取代的态势。同?#27604;?#26412;、韩国企业迅速跟进,扩产增线,由此再一次迎来了与全球半导体行业发展规律一致的平台式停滞阶段。这一阶段从1997年?#20013;?#21040;1998年7月。
      1998年下半年,由于TFT的性能价格比已达到了可同CRT一较长短的地步,同时,原来增长缓慢的中小尺寸TFT市场,由于消费类电子应用?#27573;?#30340;?#26412;?#25193;张而得到从?#20174;?#36807;的增长,这其中部分原回应归功于INTERNET技术成熟导致的个人便携式信息终端和GPS,以及可视电话、游戏机等产业的发展。TFT?#21040;?#36814;来了期盼已久的第三个飞速发展的阶段。TFT行业取代了一直高速发展的DRAM(半导体存储器)行业成为了半导体工业中最耀眼的明星。特别是东亚经济危机?#31181;屏?#21253;括日本、韩国和东南亚地区国家的盲目跟进,使得TFT生产能力的提高没能跟上市场需求的飞速扩张,从而避免了前两次发展中不正常的价格竞争,TFT产业可以说终于走向?#22841;?#21457;展的正确道路。
      由于以上原回,从1998年中至今,12-18英寸TFT-LCD产品价格涨幅超过30%,到1999年年底才达到一?#37995;?#23450;的价格平台阶段。1998年第三季度开始,中小尺寸的价格增幅也达到15%以上,并将于2000年初酝酿进一步涨价。与此同时,市场的需求并不因价格的增长而减少,反而?#20013;?#25193;大,供个应求的卖方市场现象短期内没有?#27807;?#35299;决的迹象。中国台湾、韩国包括日本的TFT应用整机厂?#36965;?#30001;于缺货基本上不能达到满产。各大TFT生产厂家的定单已经排到2001年,甚至更远。
      那么今后TFT行业的发展会是什么情况呢?#31354;?#37324;我们结合1997年、1998年TFT-LCD市场实际,对TFT-LCD市场需求情况进行统计与预测,详见表1。
      表1 TFT-LCD主要应用产品的市场需求统计与预测
      1997 1998 1999 2000 2001 2005
      笔记本电脑(TFT-LCD) 0 1450 1493 1824 2200 400
      台式监视器 0 130 250 400 800 5000
      个人数字助理(PDA) 80 240 300 400 500 1200
      全球卫星定位系统(GPS) 20 150 180 220 300 1000
      液晶投影仪 2 50 120 300 600 1500
      摄录一体机 144 1100 1200 1400 1500 2000
      VCD一体机 100 600 740 900 1200 300
      近日,日本鸟取三洋LCD事业部总经理福好雅先生指出:虽然到2001年会出现TFT-LCD供需平衡的?#32622;媯?#20294;这?#21046;?#34913;将是短暂的。预计至2002年第四季度,全球TFT-LCD面板仍将出现供不应求的?#32622;妗?br />   我们认为:作为高?#24230;搿?#39640;回报、高技术含量的TFT行业在可预期的10年到15年内仍将?#20013;?#21457;展。其发展的一般规律还将遵循前面所表现的阶段式阶梯发展态势。过去的和将来的跃升阶段的推动力是生产技术的提高和生产能力的增加使得TFT找到了新的应用领域;而过去的和将来的平台式停滞阶段则缘于生产能力提高,巨处于新的应用市场的准备时期导致的相对市场饱和,但迄今为止每一次的供过于求并非生产能力的绝对过剩,而是产品结构调整时期的相对过剩;供大于求的相对幅度只在10%以内,并?#39029;中?#26102;间是非常短暂的。作为新兴的、未来十数年内不可替代的产业,其新的应用领域的生产空间在目前来说仍是无限的。而且,由于是资金?#24230;?#39640;、技术含量大、人材要求高,有能力投身此行业的国家、企业不时能太多;因此不可能出现像TN和STN那样的恶性竞争。所以在条件具备的情况下,周密组织,精心准备,在?#27426;?#23398;习完善自身的同时,积极跟进提高、投身国际市场,其商机是无限的。
      具体到本阶段,?#21040;?#30340;普遍看法是:由于目前15英寸、17英寸应用市场的前期开发阶段己接近完成,目前的上升势头有可能迅速过度到下一个发展阶段,也就是说:?#35789;?#26377;短暂的供需平衡期或供过于求期,总的发?#36141;?#22686;长势头仍将?#20013;?#21040;2004年,并等待另一轮的发展循环。
      面对TFT-LCD市场如此诱人的?#32622;媯?#26085;本、韩国和中国台湾纷纷?#24230;?#24040;资进行大尺寸TFT-LCD的生产线建设。原有的中小尺寸生产线?#19981;?#26497;扩产,例如:台湾元太基板?#24230;?#25968;量将有6000片/月增加到1500片/月,其近日接到的日本的一个5英寸定单5年总金额为1亿美金。
      日本作为TFT-LCD的生产王国,无论技术或生产都处于世界领先地位。今年开始,日本TFT-LCD?#21040;?#35745;划?#24230;?#20108;十亿美元进行扩产,其中东芝公司己启动第四代生产线的建设,玻璃基板尺寸为800mm×950mm,一次可切割6片17"TFT-LCD面板。
      在韩国,三星、LG、现代三大TFT-LCD厂商,均看准TFT-LCD是未来的骨干产业,从1998年年底开始,这三家大公司计划?#24230;?#19977;十亿美元进行扩厂建设,三星、LG两家公司都雄心勃勃,争取成为下一代显示器市场的主导企业。
      在中国台湾,TFT-LCD被视为第二个半导体产业,1998年以来,台湾利用日、韩先后陷入金融危机之时,对TFT-LCD加紧投资,出现投资热?#20445;?#20013;华映管、达基电子已于1999上半年?#24230;?#37327;产,瀚宇彩晶?#20154;募页?#21830;将于今明两年进入量产,迄今为止,台湾地区已?#24230;?0亿美元。
      韩国和中国台湾厂商的投资扩产情况见表2和表3。
      表2 韩国TFT-LCD厂商扩产情况
      公司名称 扩产基板尺寸 扩产量 投产时间
      三星 600×720mm 6万片 1999年底
      LG 590×670mm 2万片 1999年底
      现代 620×720mm 2万片 1999年底
      表3 中国台湾TFT-LCD厂商投产情况
      公司名称 基板尺寸 月产能 投产时间
      广辉 620mm×750mm 3万片 2001年
      达基 600mm×720mm 3万片 1999年7月
      中华映管 550mm×650mm 2.5万片 1999年5月
      奇晶 620mm×750mm 3万片 1999年12月
      潮宇 550mm×650mm 3万片 2000年1月
      联友 610mm×720mm 3万片 1999年10月
      市场供应量的增加,势必给整个TFT-LCD行业的结构带来一定的变化,供需状况会呈现出怎样的趋势?结合TFT-LCD的市场需求以及投产扩产情况,我们对大尺寸TFT-LCD的供需情况进行了分析预测结果示于表1和表2。
      表1 大尺寸TFT-LCD供需预测一 (单位:千片)
      指标 1998 1998 1999 1999 1999 1999 2000 2000 2000 2000
      三季度 四季度 一季度 二季度 三季度 四季度 一季度 二季度 三季度 四季度
      月供给 1098 1364 1399 1488 1562 1656 1870 2048 2225 2391
      月需求 1092 1195 1259 1346 1475 1627 1730 1901 2052 2304
      需求减供给 -5 169 140 143 88 29 140 147 172 87
      表2 大尺寸TFT-LCD供需预测二 (单位:千片)
      指标 1998 1998 1999 1999 1999 1999 2000 2000 2000 2000
      三季度 四季度 一季度 二季度 三季度 四季度 一季度 二季度 三季度 四季度
      月供给 1087 1364 1312 1290 1521 1677 1770 1938 2012 2156
      月需求 1092 1195 1259 1346 1475 1627 1730 1901 2052 2304
      需求减供给 -5 169 53 45 46 50 40 37 -41 -148
      由表1可以看出到2000年第四季度TFT-LCD,基本维持在供需平衡?#32622;?#19978;,有供不应求的情况出现。由表2可以看到至2000年第四季度将出现供过于求的情况。但从整个液晶行业的发展历史来看,尽管是一个新兴的行业,但整个行业的发展一?#32972;式?#26799;式的上升趋势,无论是TN、STN还是新兴的TFT,其供应、需求的差额变动部基本维持在10%左右。随着液晶应用领域的?#27426;?#25299;展及其地位和作用的稳步提升,未来的市场前景必将极其广阔。
      二、国内市场分析和现状
      我国是世界上TN和STN-LCD的最大生产国,但在1999年以前TFT-LCD的生产处于空白。吉林彩晶数码高科显示器有限公司先导工程引进了国内第一条TFT-LCD生产线,于1999年12月28日正式全线贯通投产,从而改变了国内应用TFT-LCD的整机厂商依赖于进口的?#32622;妗?#38543;着2000年的量产,TFT-LCD在国内将广泛地应用于笔记本电脑、液晶监视器、个人信息助理(PDA)、全球卫星定位?#20302;场?#28216;戏机、可视电话等各个领域。
      在国内的计算机显示器行业,TFT-LCD显示器的应用尚属初级阶段。尽管国内笔记本电脑市场从1993~1998年间平均增长率高达30%,但是由于基数低,市场销售量占PC机的比率?#23545;?#33853;后于发达国家。据CCID发表的最新资料表明:1999年上半年国内共销售PC机217.4万台,其中笔记本电脑13.3万台,约占整个PC机市场的6.l%,而同期国际上笔记本电脑约占PC机市场的18~20%。同时,PC机市场成长较快,初步统计1999年可达500万台,台式液晶监视器刚刚?#24230;?#24066;场。目前,联想、方正己先后推出带液晶显示器的台式PC机(天鹭、天问),长城、海尔、海信等厂商?#24067;?#21010;今年内可出台式液晶显示器的PC样机,并将陆续进入批?#21487;?#20135;。预?#24179;?#21518;几年内,随着TFT-LCD显示器生产成本的下降,笔记本电脑和液晶显示器台式PC机也会像普通台式计算机一样获?#27599;?#36895;发展。
      目前,公司己与国内十余?#39029;?#21830;达成了意向性协议,上海康泰克、上海均诚、长城集团、西安伟仪等公司合作意向极其明确、购买意愿强烈。初步统计,经过前期的销售准备工作,购买意向的协议总金额已达38亿人民?#36965;?#23601;我们目前这条生产线而言,相当于我们不停生产三年的产量。从当前公司掌握的资料表明:国内市场无论中小尺寸还是大尺寸TFT-LCD都处于正式启动阶段,需求极其旺盛。但由于我们生产线产量及品种的原因,尽管上述公司愿意提供其所需品种的研发费用,但公司为了占据主动,只与这些厂商达成意向性协议。新建一条产能更大、产品尺寸覆盖更广、更能发挥规模经济效益的先进生产线,已成为更多人的愿望。机遇难得,再L规模,势在必行。
      TFT-LCD的出现和发展,使得显示器技术产生了革命性的飞?#23613;?#28082;晶产业在国民经济各个领域中的地位和作用愈来愈重要,其市场前景极其广阔。
     
    TFT系统时序控制模块的设计
      摘要?#26680;得?#26102;序控制模块和LCD系统中其它子模块之间的关系,对时序控制模块所要解决的时序问题进行分析。在分?#37995;?#39064;的基础上提出一?#36136;?#29992;于中、小尺寸液晶显示系统时序控制模块的实现结构。对时序控制模块进行功能验证,给出FPGA逻辑功能验证结果,证明设计可行。
      LCD技术已成为平板显示的主流技术,其中,中、小尺寸液晶产品成为开发的主流。中、小型LCD的应用将更加广泛。
      应用于中、小尺寸液晶显示的主要技术有:
      (1)STN-LCD(Super Twisted Nematic,超扭转向列式液晶);
      (2)TFT-LCD(Thin Film Transistor,薄膜晶体管液晶显示器);
      (3)LTPS(Low TemperaturePoly Silicon,低温多晶硅)?#28909;?#31181;。而其中技术最为成熟的是TFT-LCD。
      由于TFT电流较低,无法直接在TFT上设计线路,因此,为了使TFT-LCD工作,需要外建IC控制电路。目前大多数有关TFT-LCD控制IC的
      资料中对于时序控制器的介绍都很简略,对其时序的控制和产生的原理缺乏深入分析。事实上,时序控制器TCON(Timing Controller)所产生的同步控制信号是决定TFT-LCD能否正常显示的关键,因此它是TFT-LCD模块组成中的核心控制部分之一,即控制中心。
      本文首先?#33268;?#20171;绍液晶显示系统组成,之后重点分析应用于中、小尺寸TFT-LCD的时序控制器(TCON)的工作原理,并在原理的基础提出了一种TCON模块的结构框图,最后给出TCON模块的FPGA验证。
      2 TFT-LCD系统的一般结构
      TFT-LCD系统由两个部分组成:LCD控制模块和LCD面板模块。实际应用中液晶面板又分两种,传统面板和?#33108;?#25972;合型面板,结构如图1所示。
      图1 TFT-LCD系统结构框图
      TFT-LCD Monitor系统包括模数转换器,处理PC显卡输出的模拟信号、数?#36136;悠到?#21475;、视?#21040;?#30721;器(处理视频信号)、TMDS接收器、在屏显示、控制单元、时序控制器、背光Source驱动器、Gate驱动器等组成。
      TFT-LCD显示器工作时,前端部分的控制电路模块主要工作是将PC主机或是影音装置(如DVD Player)输出的讯号进行转换,例如由PC显示
      卡输出的模拟讯号,经由ADC组件的转换,成为数字讯号;类?#39057;兀?#24433;音讯号则经由Video Decoder的转换,成为相同的数字讯号,这些讯号再经过Scaler IC作放大或缩小的动作,并进行数字影像处理,再由cable线传输讯号到液晶模块,然后通过时序控制器产生所需要的时序控制信号驱动纵向的驱动Ic和横向的驱动IC,其中纵向的驱动IC负责控制数据的写入,由横向的驱动IC控制晶体管的开/关,并配合其它组件,如供电模块,即可正确显示图像。
     

    (来源: 互联网 )


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