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TFT-LCD
技术发展简介
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
< br>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
1
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，
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
< br>、薄膜晶体管液晶平板显示器（
TFT-
LCD
）
2
场发射平板显示器原理类似于<
/p>
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<
/p>
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
< br>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
，
LC
D
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。
< br>半导体发光二极管
（
LED
）<
/p>
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，
3
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。
<
/p>
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
< br>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、
< br>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
< br>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，
4
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<
/p>
LCD
提供新的背光源。
随着光源科技<
/p>
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
“
Thin
Film
Transistor
”<
/p>
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。
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
（
Liquid Crystal Display
）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
5
类似细火柴棒的丝状（
Nemat
ic
）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、<
/p>
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
< br>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<
/p>
个类似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。
<
/p>
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。
6
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（
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
< br>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
7
×
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
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，分辨率最大只有
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
< br>）、无机和有机薄
膜电致发光（
EL
和
OEL
）平板显示器的基础。
T
FT
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
8
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
< br>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
10
0
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
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
）
功能强大：
TFT
最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
9
的平板显示器。
现在人们开始把驱动
IC<
/p>
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
< br>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
-
< br>Ⅴ族半导体薄膜。
6
）
应用领域广泛，
以
TFT
< br>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
(TF
T-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，<
/p>
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用空间；
低功耗，
它的
功耗约为
CRT
显示器的十分之一，反射式
TFT-LCD
甚至只有
CRT
10
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
、升级容易，使
用寿命长等许多特点。显示范围覆盖了从
1
英寸至
40
英寸范围内的
< br>所有显示器的应用范围以及投影大平面，
是全尺寸显示终端；
显示质
量从最简单的单色字符图形到高分辨率，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；
显示方式有直视
型，投影型，透视式，也有反射式。
<
/p>
2
）环保特性好：无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害。特别
是
TFT-LCD
电子书刊的出现，<
/p>
将把人类带入无纸办公、
无纸印刷时代，
引发人类学习、传播和记栽文明方式的革命。
3
）适用范围宽，从
-20
℃到
+50
℃的温度范围内都可以正常使用，
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
TF
T-LCD
，将来会有其它材料的
TFT
，既有玻璃基板的又有塑
料基板。
11