TFT-LCD

TFT-LCD概述

　　液晶平板顯示器，特別TFT-LCD，是目前唯一在亮度、對比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過CRT的顯示器件，它的性能優(yōu)良、大規(guī)模生產(chǎn)特性好，自動化程度高，原材料成本低廉，發(fā)展空間廣闊，將迅速成為新世紀的主流產(chǎn)品，是21世紀全球經(jīng)濟增長的一個亮點。

主要特點

　　和TN技術(shù)不同的是，TFT的顯示采用“背透式”照射方式——假想的光源路徑不是像TN液晶那樣從上至下，而是從下向上。這樣的作法是在液晶的背部設(shè)置特殊光管，光源照射時通過下偏光板向上透出。由于上下夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導(dǎo)通時，液晶分子的表現(xiàn)也會發(fā)生改變，可以通過遮光和透光來達到顯示的目的，響應(yīng)時間大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的對比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，故TFT俗稱“真彩”。

　　相對于DSTN而言，TFT-LCD的主要特點是為每個像素配置一個半導(dǎo)體開關(guān)器件。由于每個像素都可以通過點脈沖直接控制。因而每個節(jié)點都相對獨立，并可以進行連續(xù)控制。這樣的設(shè)計方法不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時也可以精確控制顯示灰度，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。

應(yīng)用

　　目前，絕大部分筆記本電腦廠商的產(chǎn)品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于筆記本電腦的制造。盡管在當時TFT相對于DSTN具有極大的優(yōu)勢，但是由于技術(shù)上的原因，TFT-LCD在響應(yīng)時間、亮度及可視角度上與傳統(tǒng)的CRT顯示器還有很大的差距。加上極低的成品率導(dǎo)致其高昂的價格，使得桌面型的TFT-LCD成為遙不可及的尤物。

　　不過，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，良品率不斷提高，加上一些新技術(shù)的出現(xiàn)，使得TFT-LCD在響應(yīng)時間、對比度、亮度、可視角度方面有了很大的進步，拉近了與傳統(tǒng)CRT顯示器的差距。如今，大多數(shù)主流LCD顯示器的響應(yīng)時間都提高到50ms以下，這些都為LCD走向主流鋪平了道路。

　　LCD的應(yīng)用市場應(yīng)該說是潛力巨大。但就液晶面板生產(chǎn)能力而言，全世界的LCD主要集中在中國臺灣、韓國和日本三個主要生產(chǎn)基地。亞洲是LCD面板研發(fā)及生產(chǎn)制造的中心，而臺、日、韓三大產(chǎn)地的發(fā)展情況各有不同。

主流的TFT面板

　　目前主流的TFT面板有a－Si(非晶硅薄膜晶體管)、TFT技術(shù)和LTPS TFT（低溫復(fù)晶硅）TFT技術(shù)。

　　在a-Si方面，三個生產(chǎn)基地的技術(shù)各有千秋。日本廠商曾經(jīng)研制出分辨率高達2560×2048的LCD產(chǎn)品。因此，有些人認為，a－Si TFT技術(shù)完全可滿足高分辨率的產(chǎn)品需要，但是，由于技術(shù)的不成熟，它還不能滿足高速視頻影像或動畫等的需要。LTPS TFT相對可以節(jié)約成本，這對于TFT LCD的推廣有著重要意義。目前，日本廠商已經(jīng)有量產(chǎn)12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中國臺灣已開發(fā)完成LTPS組件制造技術(shù)與LTPS SXGA面板技術(shù)。韓國在這方面缺少專門的設(shè)計人員和研發(fā)專家，但像三星等主要企業(yè)已經(jīng)推出了LTPS產(chǎn)品，顯示出韓國廠商的實力。不過，目前LTPS技術(shù)尚不成熟，產(chǎn)品集中在小屏幕，而且良品率低，成本優(yōu)勢尚無從談起。

　　與LTPS相比，a-Si無疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a－SiTFT投資策略上幾乎都以第三代LCD產(chǎn)品為主，通過制造技術(shù)及良品率的改善來提高產(chǎn)量，降低成本。日本一直走高端路線，其技術(shù)無疑是最先進的。由于研發(fā)力量有限，臺灣的a-Si TFT技術(shù)主要來自日本廠商的轉(zhuǎn)讓，但由于臺灣企業(yè)一般屬于勞動密集型，技術(shù)含量價低，以生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主。韓國在a-Si方面有著強大的研發(fā)實力，比如三星公司就量產(chǎn)了全球第一臺24寸a-Si TFT LCD—240T，它的響應(yīng)時間小于25ms，可以滿足一般應(yīng)用需要；而可視角度達到了160度，使得LCD在傳統(tǒng)弱項上不輸給CRT。三星240T標志著大屏幕TFT LCD技術(shù)走向成熟，也向世人展示了韓國廠商的實力不容置疑。

TFT-LCD的市場分析

　　TFT-LCD 是有源矩陣液晶顯示器(AM LCD)的典型代表，其研究最活躍、發(fā)展最快、應(yīng)用增長也最迅速，在筆記本電腦、攝像機與數(shù)字照相機監(jiān)視器等方面的應(yīng)用獨領(lǐng)風騷，另外，它在地理信息系統(tǒng)以及飛機座艙、便攜式DVD、臺式電腦和多媒體顯示器等方面都得到很好的應(yīng)用。彩色TFT-LCD的構(gòu)思最初由美國人(西屋公司)于1972年提出、日本東芝公司在1982年率先實現(xiàn)這一技術(shù)的規(guī)模生產(chǎn)，但那時的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟。自1993年日本掌握了TFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)以來，分辨率已由CGA (320 * 200)發(fā)展到今天的UXGA (1600 * 1200),基片尺寸也已有第一代的240 * 270-32O * 400mm2發(fā)展到2001年日本夏普、韓國三星電子和LG-Philips公司分別上馬的第七代的1350 * 1700 mm2。目前，TFT-LCD的應(yīng)用主要在小尺寸的移動電話市場、中型尺寸的掌上電腦與筆記本電腦市場、大型尺寸的液晶顯示監(jiān)視器和液晶電視市場等五個方面。2005年TFT-LCD將被主要應(yīng)用于顯示器(39%)、筆記本電腦(25%)、手機(16%),液晶電視(10%), PDA(6%)五大領(lǐng)域，市場銷售金額將超過250億美元，占LCD市場比例超過90%，成為液晶乃至整個平板顯示技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。

國際技術(shù)水平和現(xiàn)狀

　　TFT-LCD技術(shù)已經(jīng)成熟，長期困擾液晶平板顯示器的三大難題：視角、色飽和度、亮度已經(jīng)獲得解決。采用多區(qū)域垂直排列模式（MVA模式）和面內(nèi)切換模式（IPS模式）使液晶平板顯示的水平視角都達到了170度。MVA模式還使響應(yīng)時間縮短到20ms。

(a) TN+Film

　　從技術(shù)角度來看，TN+Film解決方案是最簡單的一種，TFT顯示器制造商將過去用于老式LCD顯示器的扭曲向列（TN:Twisted Nematic）技術(shù)，同TFT技術(shù)相結(jié)合，從而有了TN+Film技術(shù)。這項技術(shù)主要就是通過顯示屏覆蓋一層特殊的薄膜，來擴大可視角度——可以把可視角度從90度擴大到大約140度。如圖6所示：TN+Film同標準TFT顯示器一樣都是通過排列液晶分子來實現(xiàn)對圖象的控制，它在上表面覆蓋一層薄膜來增大可視角度。

　　 不過TFT顯示器相對弱的對比度和緩慢的反應(yīng)時間這些缺點仍然沒有改變。所以TN+Film這種方式并不是做好的解決方案，除了它的造價最便宜之外沒有任何可取之處。

(b)IPS（In-Plane Switching）
 

　　IPS就是In-Plane Switching的簡稱，意思就是平板開關(guān)，又稱為Super TFT。最早由Hitachi(日立)開發(fā)，現(xiàn)在NEC和Nokia也使用此項技術(shù)制成顯示器。這項技術(shù)同扭曲向列顯示器（TN-Film）的不同就在于液晶分子相對于基本排列方式不同，如圖7，當加上電壓之后液晶分子與基板平行排列。

　　采用這項技術(shù)的顯示器的可視角度達到了170度，已經(jīng)同陰極射線管的可視角度相當了，不過這項技術(shù)也有缺點：為了能讓液晶分子平行排列，電極不能象扭曲向列顯示器（TN-Film）一樣，在兩層基板上都有，只能放在低層的基板上——這樣導(dǎo)致的直接結(jié)果就是顯示器的亮度和對比度明顯的下降，為了提高亮度和對比度，只有增強背光光源的亮度。這樣一來，反應(yīng)時間和對比度相對于普通TFT顯示器而言更難提高了。所以這項技術(shù)似乎也不是最好的解決方案。

（C）MVA(Multi-Domain Vertical Alignment)

　　MVA多區(qū)域垂直排列技術(shù)，是由日本富士通（Fujitsu）公司開發(fā)的，單從技術(shù)的角度看，它兼顧了可視角度和反應(yīng)時間兩個方面。找到了一個折中的解決方法。MVA技術(shù)使得可視角達到了160度—— 雖然不如IPS能達到的170度的可視角度，不過它`仍然是好的，因為這項技術(shù)能夠提供更好的對比度和更短的反應(yīng)時間。

　　MVA中的M代指“multi-domains” —— 多區(qū)域的意思。圖8所示，那些紫色的突起（protrusion）構(gòu)成了所謂的區(qū)域。富士通目前生產(chǎn)的MAV顯示器中一般就有這樣4個區(qū)域。

　　VA是“vertical alignment”的簡稱，意為垂直排列。不過單從字面上看會產(chǎn)生一些誤解，因為液晶分子并不是如圖所示的“突起”（protrusion）完全垂直。請看圖8所示黑色示意圖。當電壓生成一個電場時，液晶分子如圖相互平行排列，這樣背光光源就能穿過，而且能將光線向各個方向發(fā)散，從而擴大了可視角度。
 

　　另外，MVA還提供了比IPS和TN+Film技術(shù)都快的反應(yīng)時間，這對于取得良好的視頻回收和殘視覺效果都是非常重要的。MVA液晶顯示器的對比度也有所提高，不過同樣也會隨著可視度的變換而變化。

　　在采用光學補償彎曲技術(shù)（OCB）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的場序列全彩色（FSFC）LCD技術(shù)不僅取消了占成本三分之一的彩色濾光膜（CF），還可使分辨率提高3倍，透過率提高5倍，同時簡化了工藝，降低了成本。彩膜技術(shù)和背光源技術(shù)的發(fā)展使TFT-LCD的彩色再現(xiàn)能力達到甚至超過了CRT。作為商品顯示器TFT-LCD的主要技術(shù)指標綜合性能在各類顯示器件中是最優(yōu)秀的，特別是TFT-LCD產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的完善，多品種、多系列的產(chǎn)品發(fā)展空間，應(yīng)用范圍無所不至 。最近韓國三星電子已經(jīng)生產(chǎn)出了38英寸單一基板的TFT-LCD液晶電視和40英寸TFT-LCD顯示器，以其優(yōu)良的性能向公認的應(yīng)為PDP霸占的大尺寸彩電市場進軍。

　　LCD是所有顯示器中耗電最低的產(chǎn)品，以13.3英寸XGA TFT-LCD為例，其功耗1998年為4.4瓦，1999年為3.3瓦，到2001年將小于2.5瓦，特別是反射型TFT-LCD的研制成功，由于取消了背光源，其功耗比透射式TFT-LCD低了一個數(shù)量級。同時由于幾改進，低溫激光退火多晶硅（P-Si）技術(shù)成熟，以至最近發(fā)展起來的單晶硅技術(shù)使得TFT-LCD的響應(yīng)速度更快，電路集成化水平更高，鎖相環(huán)技術(shù)的應(yīng)用，一種功能更新，更全的周邊電路的采用，系統(tǒng)集成（System on glass）技術(shù)的發(fā)展，使得TFT-LCD更輕、更薄。13.3英寸TFT-LCD其厚度在1998年為7.2mm，1999年為5.5mm，2001年降到5mm以下，其重量1998年為580克，1999年為450克，到2001年降到400克以下。ＴＦＴ-ＬＣＤ的大生產(chǎn)技術(shù)也已成熟，已實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，其第五代生產(chǎn)線在2002年將進入實用生產(chǎn)階段，生產(chǎn)成本將不斷下降。TFT-LCD在技術(shù)上的成熟與進步以及其特有的性能優(yōu)勢確定了TFT-LCD最終取代CRT的格局。

TFT-LCD的產(chǎn)業(yè)特點

　　資金密集，規(guī)模經(jīng)營：建立一條4.5代線生產(chǎn)線投資在10億美元左右。建立一條8代線需要人民幣300億，建立一條10代線需要人民幣500~600億。技術(shù)密集：涉及到半導(dǎo)體技術(shù)、精密機械、精密光學、自動控制、大規(guī)模集成電路設(shè)計和制造技術(shù)、光電子、微電子、精細化工、光源、材料、通訊、計算機軟件等。

　　發(fā)展速度快，核心技術(shù)穩(wěn)定：TFT-LCD產(chǎn)業(yè)化十年來生產(chǎn)線經(jīng)歷了7次大的發(fā)展，平均1年半生產(chǎn)線就要更新一次。但是TFT-LCD的核心技術(shù)是相對穩(wěn)定的。

　　帶動的產(chǎn)業(yè)面廣，對國民經(jīng)濟具有全局意義：上游原料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)涉及到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的幾十個領(lǐng)域。新材料的開發(fā)、大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的制造、先進生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，將帶動上游產(chǎn)業(yè)群。TFT-LCD模塊是信息產(chǎn)業(yè)的核心器件，涉及到通訊、交通、家電、計算機、教育、工業(yè)、醫(yī)療、國防等幾乎所有的領(lǐng)域。

TFT的技術(shù)特點

　　TFT技術(shù)是二十世紀九十年代發(fā)展起來的，采用新材料和新工藝的大規(guī)模半導(dǎo)體全集成電路制造技術(shù)，是液晶（LC）、無機和有機薄膜電致發(fā)光（EL和OEL）平板顯示器的基礎(chǔ)。TFT是在玻璃或塑料基板等非單晶片上（當然也可以在晶片上）通過濺射、化學沉積工藝形成制造電路必需的各種膜，通過對膜的加工制作大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路（LSIC）。采用非單晶基板可以大幅度地降低成本，是傳統(tǒng)大規(guī)模集成電路向大面積、多功能、低成本方向的延伸。在大面積玻璃或塑料基板上制造控制像元（LC或OLED）開關(guān)性能的TFT比在硅片上制造大規(guī)模IC的技術(shù)難度更大。對生產(chǎn)環(huán)境的要求（凈化度為100級），對原材料純度的要求（電子特氣的純度為99.999985％），對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)的要求都超過半導(dǎo)體大規(guī)模集成，是現(xiàn)代大生產(chǎn)的頂尖技術(shù)。其主要特點有：

　?。?）大面積：九十年代初第一代大面積玻璃基板（300mm×400mm）TFT-LCD生產(chǎn)線投產(chǎn)，到2000年上半年玻璃基板的面積已經(jīng)擴大到了680mm×880mm），而預(yù)計在09年啟動的日本SHARP在大阪投資的10代線玻璃基板尺寸達到了2880mmX3080mm,該尺寸玻璃面板可裁切15片42寸的液晶電視。

　?。?）高集成度：用于液晶投影的1.3英寸TFT芯片的分辨率為XGA含有百萬個象素。分辨率為SXGA（1280×1024）的16.1英寸的TFT陣列非晶體硅的膜厚只有50nm，以及TAB ON GLASSSYSTEMON GLASS技術(shù)，其IC的集成度，對設(shè)備和供應(yīng)技術(shù)的要求，技術(shù)難度都超過傳統(tǒng)的LSI。

　?。?）功能強大：TFT最早作為矩陣選址電路改善了液晶的光閥特性。對于高分辨率顯示器，通過0-6V范圍的電壓調(diào)節(jié)（其典型值0.2到4V），實現(xiàn)了對象元的精確控制，從而使LCD實現(xiàn)高質(zhì)量的高分辨率顯示成為可能。TFT-LCD是人類歷史上第一種在顯示質(zhì)量上超過CRT的平板顯示器?，F(xiàn)在人們開始把驅(qū)動IC集成到玻璃基板上，整個TFT的功能將更強大，這是傳統(tǒng)的大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路所無法比擬的。
 

　　（4）低成本：玻璃基板和塑料基板從根本上解決了大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路的成本問題，為大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路的應(yīng)用開拓了廣闊的應(yīng)用空間。

　?。?）工藝靈活：除了采用濺射、CVD（化學氣相沉積）MCVD（分子化學氣相沉積）等傳統(tǒng)工藝成膜以外，激光退火技術(shù)也開始應(yīng)用，既可以制作非晶膜、多晶膜，也可以制造單晶膜。不僅可以制作硅膜，也可以制作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體薄膜。

　　（6）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，以TFT技術(shù)為基礎(chǔ)的液晶平板顯示器是信息社會的支柱產(chǎn)業(yè)，也技術(shù)可應(yīng)用到正在迅速成長中的薄膜晶體管有機電致發(fā)光(TFT-OLED)平板顯示器也在迅速的成長中。

TFT-LCD的主要優(yōu)點

　　隨著九十年代初TFT技術(shù)的成熟，彩色液晶平板顯示器迅速發(fā)展，不到10年的時間，TFT-LCD迅速成長為主流顯示器，這與它具有的優(yōu)點是分不開的。主要特點是：

　?。?）使用特性好：低壓應(yīng)用，低驅(qū)動電壓，固體化使用安全性和可靠性提高；平板化，又輕薄，節(jié)省了大量原材料和使用空間；低功耗，它的功耗約為CRT顯示器的十分之一，反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右，節(jié)省了大量的能源；TFT-LCD產(chǎn)品還有規(guī)格型號、尺寸系列化，品種多樣，使用方便靈活、維修、更新、升級容易，使用壽命長等許多特點。顯示范圍覆蓋了從1英寸至40英寸范圍內(nèi)的所有顯示器的應(yīng)用范圍以及投影大平面，是全尺寸顯示終端；顯示質(zhì)量從最簡單的單色字符圖形到高分辨率，高彩色保真度，高亮度，高對比度，高響應(yīng)速度的各種規(guī)格型號的視頻顯示器；顯示方式有直視型，投影型，透視式，也有反射式。

　?。?）環(huán)保特性好：無輻射、無閃爍，對使用者的健康無損害。特別是TFT-LCD電子書刊的出現(xiàn)，將把人類帶入無紙辦公、無紙印刷時代，引發(fā)人類學習、傳播和記栽文明方式的革命。

　?。?）適用范圍寬，從-20℃到+50℃的溫度范圍內(nèi)都可以正常使用，經(jīng)過溫度加固處理的TFT-LCD低溫工作溫度可達到零下80℃。既可作為移動終端顯示，臺式終端顯示，又可以作大屏幕投影電視，是性能優(yōu)良的全尺寸視頻顯示終端。

　　（4）制造技術(shù)的自動化程度高，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)特性好。TFT-LCD產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟，大規(guī)模生產(chǎn)的成品率達到90%以上。

　　（5）TFT-LCD易于集成化和更新?lián)Q代，是大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和光源技術(shù)的完美結(jié)合，繼續(xù)發(fā)展?jié)摿艽?。目前有非晶、多晶和單晶硅TFT-LCD，將來會有其它材料的TFT，既有玻璃基板的又有塑料基板。

a-Si TFT-LCD技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　分辨率：TFT-LCD的分辨率在近幾年中經(jīng)由CGA( 320 * 2 00),VGA( 640 * 4 80),SVGA (800*600)。

　　XGA (1024 * 768). SXGA (1280 * 1024)發(fā)展到目前的UXGA (1600 * 1200)、QXGA (2560 * 2048)的水平。

　　對比度：美國P.P.Muhoray等人推出了波導(dǎo)基LCD技術(shù)，并利用這種技術(shù)實現(xiàn)了174:1的高對比度，而現(xiàn)在的TFT-LCD對比度最高可達到500:1。

　　視角： 由于液晶材料是各向異性的，其分子排列的取向及在電場作用下的重新排列取得均勻影響LCD器件視角的拓寬，這就造成了LCD器件視角上的缺點，現(xiàn)已提出多種寬視角技術(shù)，如同平面切換模式、相對稱微單元模式、疇垂直模式等，視角可達到170度。

 　　響應(yīng)速度:當幀頻為60% 時，幀周期約為16ms,采用TN型LCD的普通TFT-LCD器件的響應(yīng)時間可低于20ms。最近推出了一種利用彈性連續(xù)聚合物穩(wěn)定化的平面開關(guān)方法，可使響應(yīng)時間縮短到10ms，采用光學補償帶可將響應(yīng)時間縮短到2～3ms，目前已用本技術(shù)研制出響應(yīng)時間為8ms的彩色LCD電視機。

　　壽命：由于制造技術(shù)的發(fā)展，TFT-LCD的壽命可達到3萬小時以上。

　　大屏幕和反射式己出現(xiàn):已研制成功38in的TFT-LCTV，結(jié)束了大屏幕LC的拼接時代，反射式TFT-LCD彩色顯示器也開始商品化。

　　由于TFT制作技術(shù)的發(fā)展、液晶材料性能的改善、寬視角技術(shù)的采用、響應(yīng)速度的提高和成品率的提高，TFT-LCD顯示性能已并不亞于CRT。

TFT型液晶顯示器結(jié)構(gòu)

　　通常的a-Si TFT主要由玻璃基板、柵電極、柵絕緣層、半導(dǎo)體活性層a-Si,歐姆接觸層n+a-Si、源漏電極及保護膜等組成，其中柵絕緣層和保護膜一般采用SiN。

 　　a-Si TFT 的結(jié)構(gòu)可分為四種典型結(jié)構(gòu)：源、漏、柵三電極位于半導(dǎo)體活性層a-Si同一側(cè)的平面結(jié)構(gòu)，其中源、漏、柵三電極位于a-Si層上側(cè)的稱正柵平面結(jié)構(gòu)，源、漏、柵三電極位于a-Si層下側(cè)的稱倒柵平面結(jié)構(gòu)；源、漏、電極與柵電極位于a-Si層兩側(cè)的交錯結(jié)構(gòu)，其中柵電極在a-Si層上側(cè)，源、漏電極在a-Si層下側(cè)的稱正柵交錯結(jié)構(gòu)或頂柵結(jié)構(gòu)，柵極在a-Si下側(cè)，源、漏電極在a-Si層上側(cè)的稱倒柵交錯結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)。

 　　從制造工藝上看，交錯結(jié)構(gòu)的SiN，a-Si和n+a-Si三層(或其中二層)可以連續(xù)淀積，適合流水作業(yè)，又可減少交叉污染?，F(xiàn)在，交錯結(jié)構(gòu)已成為主流，它不僅對a-Si，SiN。n+a-Si可連續(xù)作業(yè)，而且倒柵還可以作遮光層(不需另設(shè)遮光層)，這對a-Si TFT是重要的，因為a-Si對光敏感，一旦有光流入引起漏電流增加，將會導(dǎo)致像質(zhì)惡化。

TFT型液晶顯示器原理

　　從TFT-LCD的切面結(jié)構(gòu)圖可以看到LCD是由二層玻璃基板夾住液晶組成的，形成一個平行板電容器，通過嵌入在下玻璃基板上的TFT對這個電容器和內(nèi)置的存儲電容充電，維持每幅圖像所需要的電壓直到下一幅畫面更新。液晶的彩色都是透明的必須給LCD襯以白色的背光板上才能將五顏六色表達出來，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色燈光。因此在TFT-LCD的底部都組合了燈具，如CCFL或LED。

　　TFT-LCD需要背光，由于LCD面板本身并不發(fā)光，因此需要背光，液晶顯示器就必須加上一個背光板, 來提供一個高亮度，而且亮度分布均勻的光源。LCD實際上是打開來自其后面光源的光來表現(xiàn)其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。

TFT-LCD玻璃基板制造方法

　　目前在商業(yè)上應(yīng)用的玻璃基板，其主要厚度為0.7 mm及0.6m m，且即將邁入更?。ㄈ?.4 mm）厚度之制程?；旧?，一片TFT- LCD面板需使用到二片玻璃基板，分別供作底層玻璃基板及彩色濾光片（COLOR FILT E R）之底板使用。一般玻璃基板制造供貨商對于液晶面板組裝廠及其彩色濾光片加工制造廠之玻璃基板供應(yīng)量之比例約為1:1.1至1:1.3左右。

 　　LCD所用之玻璃基板概可分為堿玻璃及無堿玻璃兩大類；堿玻璃包括鈉玻璃及中性硅酸硼玻璃兩種，多應(yīng)用于TN及STN LCD上，主要生產(chǎn)廠商有日本板硝子（NHT）、旭硝子（Asahi）及中央硝子（Central Glass）等，以浮式法制程生產(chǎn)為主；無堿玻璃則以無堿硅酸鋁玻璃(Alumino Silicate Glass，主成分為SiO2、Al2O3、B2O3及BaO等)為主，其堿金屬總含量在1%以下，主要用于TFT- LCD上，領(lǐng)導(dǎo)廠商為美國康寧( Corning )公司，以溢流熔融法制程生產(chǎn)為主。

　　超薄平板玻璃基材之特性主要取決于玻璃的組成，而玻璃的組成則影響玻璃的熱膨脹、黏度(應(yīng)變、退火、轉(zhuǎn)化、軟化和工作點)、耐化學性、光學穿透吸收及在各種頻率與溫度下的電氣特性，產(chǎn)品質(zhì)量除深受材料組成影響外，也取決于生產(chǎn)制程。

　　玻璃基板在T N/S T N、TFT-LCD應(yīng)用上，要求的特性有表面特性﹑耐熱性﹑耐藥品性及堿金屬含量等；以下僅就影響TFT- LCD用玻璃基板之主要物理特性說明如下：

　　1 .張力點(Strain Point)：為玻璃密積化的一種指標，須耐光電產(chǎn)品液晶顯示器生產(chǎn)制程之高溫。

　　2 .比重：對TFT- LCD而言，筆記型計算機為目前最大的市場，因此該玻璃基板之密度越小越好，以便于運送及攜帶。

　　3 .熱膨脹系數(shù)：該系數(shù)將決定玻璃材質(zhì)因溫度變化造成外觀尺寸之膨脹或收縮之比例，其系數(shù)越低越好，以使大屏幕之熱脹冷縮減至最低。
 

　　其余有關(guān)物理特性之指標尚有熔點、軟化點、耐化學性、機械強度、光學性質(zhì)及電氣特性等，皆可依使用者之特定需求而加以規(guī)范。

　　整個玻璃基板的制程中，主要技術(shù)包括進料、薄板成型及后段加工三部分，其中進料技術(shù)主要控制于配方的好壞，首先是在高溫的熔爐中將玻璃原料熔融成低黏度且均勻的玻璃熔體，不但要考慮玻璃各項物理與化學特性，并需在不改變化學組成的條件下，選取原料最佳配方，以便有效降低玻璃熔融溫度，使玻璃澄清，同時達到玻璃特定性能，符合實際應(yīng)用之需求。而薄板成型技術(shù)則攸關(guān)尺寸精度、表面性質(zhì)和是否需進一步加工研磨，以達成特殊的物理、化學特性要求，后段加工則包含玻璃之分割、研磨、洗凈及熱處理等制程。

　　到目前為止，生產(chǎn)平面顯示器用玻璃基板有三種主要之制程技術(shù)，分別為浮式法(Float Technology )、流孔下引法(Slot Down Draw)及溢流熔融法(Overflow Fusion Technology)。“浮式法”因系水平引伸的關(guān)系，表面會產(chǎn)生傷痕及凹凸，需再經(jīng)表面研磨加工，故投資金額較高，惟其具有可生產(chǎn)較寬之玻璃產(chǎn)品（寬幅可達2 . 5公尺）且產(chǎn)能較大(約達1 0萬平方公尺/月)之優(yōu)點；“溢流熔融法”有表面特性較能控制、不用研磨、制程較簡單等優(yōu)點，特別適用于產(chǎn)制厚度小于2 m m的超薄平板玻璃，但生產(chǎn)之玻璃寬幅受限于1.5米以下，產(chǎn)能因而較小。浮式法可以生產(chǎn)適用于各種平面顯示器使用之玻璃基板，而溢流熔融法目前則僅應(yīng)用于生產(chǎn)TFT- LCD玻璃基板。以下僅就上述三種制程技術(shù)分別說明如下：

　　( 1 ) 浮式法：

　　為目前最著名的平板玻璃制造技術(shù)，該法系將熔爐中熔融之玻璃膏輸送至液態(tài)錫床，因黏度較低，可利用檔板或拉桿來控制玻璃的厚度，隨著流過錫床距離的增加，玻璃膏便漸漸的固化成平板玻璃，再利用導(dǎo)輪將固化后的玻璃平板引出，再經(jīng)退火、切割等后段加工程序而成。

　　以浮式法生產(chǎn)超薄平板玻璃時應(yīng)控制較低之玻璃膏進料量，先將進入錫床的玻璃帶(R ibbon)冷卻至700℃左右，此時玻璃帶的黏度約為108泊( Poise；1泊= 1 g / c m•s e c )，再利用邊緣滾輪拉住浮于液態(tài)錫上的玻璃膏，并向外展拉后，再將玻璃帶加熱到850℃，配合輸送帶滾輪施加外力拉引而成，以浮式法技術(shù)拉制超薄平板玻璃如圖三所示。

浮式法技術(shù)系采用水平引出的方式，因此比較容易利用拉長水平方向的生產(chǎn)線來達到退火的要求。浮式法技術(shù)未能廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)厚度小于2 m m超薄平板玻璃之主要原因乃系其無法達到所要求的經(jīng)濟規(guī)模。舉例來說，浮式法技術(shù)的一日產(chǎn)量幾乎可以滿足目前臺灣市場之月消耗量；如果用浮式法技術(shù)生產(chǎn)超薄平板玻璃，一般多系以非連續(xù)式槽窯( D a yTank)生產(chǎn)，因此該槽窯設(shè)計之最適化就顯得相當重要。

　　( 2 ) 流孔下引法：

　　就平面顯示器所需的特殊超薄平板玻璃而言，有不少廠商是使用流孔下引法技術(shù)生產(chǎn)，該法系以低黏度的均質(zhì)玻璃膏導(dǎo)入鉑合金所制成的流孔漏板( Slot Bushing )槽中，利用重力和下拉的力量及模具開孔的大小來控制玻璃之厚度，其中溫度和流孔開孔大小共同決定玻璃產(chǎn)量，而流孔開孔大小和下引速度則共同決定玻璃厚度，溫度分布則決定玻璃之翹曲，以流孔下引法技術(shù)拉制超薄平板玻璃如圖四所示。

　　流孔下引法制程每日能生產(chǎn)5 ~ 2 0公噸厚度0.0 3 ~ 1.1㎜的超薄平板玻璃，因鉑金屬無法承受較高的機械應(yīng)力，因此一般大多采用鉑合金所制成的模具，不過因其在承受外力時流孔常會變形，導(dǎo)致厚度不均勻及表面平坦度無法符合規(guī)格需求為其缺點。

　　流孔下引法必須要在垂直的方向上進行退火，如果將其轉(zhuǎn)向水平方向則可能會增加玻璃表面與滾輪的接觸及因水平輸送所產(chǎn)生的翹曲，導(dǎo)致不良率大增。這樣的顧慮使得熔爐的建造必須采用挑高的設(shè)計，同時必須精確的考慮退火所需要的高度，使得工程的難度大幅增加，同時也反映在建廠成本上。

　　 ( 3 ) 溢流熔融法：

　　系采用一長條型的熔融泵浦( Fusion Pump )，將熔融的玻璃膏輸送到該熔融泵浦的中心，再利用溢流的方式，將兩股向外溢流的玻璃膏于該泵浦的下方處再結(jié)合成超薄平板玻璃。

　　利用這種成型技術(shù)同樣需要借重模具，因而熔融泵浦模具也面臨因受機械應(yīng)力變形、維持熔融泵浦水平度及如何將熔融玻璃膏穩(wěn)定打入熔融泵浦中的問題。因為利用溢流熔融法的成型技術(shù)所作成的超平板玻璃，其厚度與玻璃表面的質(zhì)量是取決于輸送到熔融泵浦的玻璃膏量、穩(wěn)定度、水平度、泵浦的表面性質(zhì)及玻璃的引出量。

　　熔融溢流技術(shù)可以產(chǎn)出具有雙原始玻璃表面的超薄玻璃基材，相較于浮式法(僅能產(chǎn)出的單原始玻璃表面)及流孔下拉法(無法產(chǎn)出原始玻璃表面)，可免除研磨或拋光等后加工制程，同時在平面顯示器制造過程中，也不需注意因同時具有原始及與液態(tài)錫有接觸的不同玻璃表面，或和研磨介質(zhì)有所接觸而造成玻璃表面性質(zhì)差異等，已成為超薄平板玻璃成型之主流。

　　由于無堿玻璃有特殊成分配方且在熱穩(wěn)定性、機械、電氣、光學、化學等特性及外觀尺寸、表面平整度等方面都有極為嚴格的標準規(guī)范，故其生產(chǎn)線調(diào)整、學習時間較長，新廠商欲加入該產(chǎn)業(yè)之技術(shù)門坎則較高。

TFT-LCD的制造工藝

　　TFT-LCD的制造工藝有以下幾部分：在TFT基板上形成TFT陣列；在彩色濾光片基板上形成彩色濾光圖案及ITO導(dǎo)電層；用兩塊基板形成液晶盒；安裝外圍電路、組裝背光源等的模塊組裝。

　　1. 在TFT基板上形成TFT陣列的工藝

　　現(xiàn)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的TFT類型包括：非晶硅TFT（a-Si TFT）、多晶硅TFT（p-Si TFT）、單晶硅TFT(c-Si TFT)幾種。目前使用最多的仍是a-Si TFT。

　　a-Si TFT的制造工藝是先在硼硅玻璃基板上濺射柵極材料膜，經(jīng)掩膜曝光、顯影、干法蝕刻后形成柵極布線圖案。一般掩膜曝光用步進曝光機。第二步是用PECVD法進行連續(xù)成膜，形成SiNx膜、非摻雜a-Si膜，摻磷n+a-Si膜。然后再進行掩膜曝光及干法蝕刻形成TFT部分的a-Si圖案。第三步是用濺射成膜法形成透明電極（ITO膜），再經(jīng)掩膜曝光及濕法蝕刻形成顯示電極圖案。第四步柵極端部絕緣膜的接觸孔圖案形成則是使用掩膜曝光及干法蝕刻法。第五步是將AL等進行濺射成膜，用掩膜曝光、蝕刻形成TFT的源極、漏極以及信號線圖案。最后用PECVD法形成保護絕緣膜，再用掩膜曝光及干法蝕刻進行絕緣膜的蝕刻成形，(該保護膜用于對柵極以及信號線電極端部和顯示電極的保護)。至此，整個工藝流程完成。

　　TFT陣列工藝是TFT-LCD制造工藝的關(guān)鍵,也是設(shè)備投資最多的部分。整個工藝要求在很高的凈化條件（例如10級）下進行。

　　2. 在彩色濾光片（CF）基板上形成彩色濾光圖案的工藝

　　彩色濾光片著色部分的形成方法有染料法、顏料分散法、印刷法、電解沉積法、噴墨法。目前以顏料分散法為主。

　　顏料分散法的第一步是將顆粒均勻的微細顏料（平均粒徑小于0.1μm）(R、G、B三色)分散在透明感光樹脂中。然后將它們依次用涂敷、曝光、顯影工藝方法，依次形成R. G. B三色圖案。在制造中使用光蝕刻技術(shù)，所用裝置主要是涂敷、曝光、顯影裝置。

　　為了防止漏光，在RGB三色交界處一般都要加黑矩陣（BM）。以往多用濺射法形成單層金屬鉻膜，現(xiàn)在也有改用金屬鉻和氧化鉻復(fù)合型的BM膜或樹脂混合碳的樹脂型BM。

　　此外，還需要在BM上制做一層保護膜及形成IT0電極,由于帶有彩色濾光片的基板是作為液晶屏的前基板與帶有TFT的后基板一起構(gòu)成液晶盒。所以必須關(guān)注好定位問題，使彩色濾光片的各單元與TFT基板各像素相對應(yīng)。

　　3. 液晶盒的制備工藝

　　首先是在上下基板表面分別涂敷聚酰亞胺膜并通過摩擦工藝，形成可誘導(dǎo)分子按要求排列的取向膜。之后在TFT陣列基板周邊布好密封膠材料，并在基板上噴灑襯墊。同時在CF基板的透明電極末端涂布銀漿。然后將兩塊基板對位粘接，使CF圖案與TFT像素圖案一一對正，再經(jīng)熱處理使密封材料固化。在印刷密封材料時，需留下注入口，以便抽真空灌注液晶。

　　近年來,隨著技術(shù)進步和基板尺寸的不斷加大,在盒的制做工藝上也有很大的改進,比較有代表性的是灌晶方式的改變,從原來的成盒后灌注改為ODF法,即灌晶與成盒同步進行。另外.墊襯方式也不再采用傳統(tǒng)的噴灑法,而是直接在陣列上用光刻法制作。

　　4. 外圍電路、組裝背光源等的模塊組裝工藝

　　在液晶盒制作工藝完成后，在面板上需要安裝外圍驅(qū)動電路，再在兩塊基板表面貼上偏振片。如果是透射型LCD.還要安裝背光源。