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1、TFT-LCDTFT-LCD基础原理基础原理TFT LCD TFT LCD 基本结构基本结构 TFTTFT- -LCDLCD 显示原理显示原理TFT LCD TFTTFT LCD TFT制作工艺制作工艺TFT-LCD 基本驅動方式及应用TFTTFT- -LCDLCD 驅動電路架構驅動電路架構補充補充： MVAMVA显示原理介绍显示原理介绍主要内容TFT LCD 簡介TFT LCD：Thin Film Transistor Liquid Crystal Display。 超薄膜晶体管液晶显示器LC： Liquid Crystal 液态晶体。CF：Color Filter彩色濾光片。分R、G、B
2、三种颜 色的滤光片。B/L： Back light背光。 L/G： Light Guide导光板。data line:數據线，進行資料的傳輸。 scan line :扫描线，控制TFT的開關。 控制TFT上的电晶体是on/off。 On时，资料可以传 输；off时，资料不能传输。TFT LCD 名词12801024TFTPolarizerCFPolarizer Back lightLEDLC cellTFT LCD 基本结构 TFT LCD生產流程 液晶分子可改變光的極化狀態，穿过扭曲液晶时，光线被液晶分子扭转90度。通过TFT电压控制开关来控制液晶分子两端的电压，不同压差下有不同穿透率，极化
3、程度也相应改变，从而达到控制光线的强弱的目的。偏光板Polarizer 彩色濾光片為液晶顯示器彩色化的關鍵元件,透過彩色濾光片才能使高灰階的液晶顯示器達到全彩色化,所以彩色濾光片之作用在於利用濾光的方式產生RGB三原光,再將三原光以不同的強弱比例混合而呈現各種色彩,使LCD顯示出全彩.彩色濾光片 Color FilterITO sputter B R G 黑色矩陣TFT-LCD用無鹼玻璃註解註解: : 最基本的彩色濾光片其結構為玻璃基板(Glass substrate)上製作防反射之黑色遮光層,即為BM層,再依序製作上具有透光性紅 綠藍三原色之彩色濾光膜層(濾光層之形狀 尺寸色澤配列依不同用途
4、之液晶顯示器而異),最後濺鍍上透明導電膜(ITO Indium Tin Oxide).Black Matrix目的:遮蔽漏光區域，以免看到漏光導致對比下降Black Matrix材料:Cr, CrO2, resin1.液晶可以被光穿透，並影響光的偏振性； 2.在液晶分子兩端所加電壓的不同，液晶分子的翻轉程 度不同，根據液晶角度的不同透過光的偏振性也不同；開開関関打打開開開開関関閉閉合合液晶液晶液晶層液晶互相牽引液晶互相牽引 做個轉向的動作做個轉向的動作 加電壓后轉向改變加電壓后轉向改變通過它改變光的強弱通過它改變光的強弱TFT LCD TFT LCD 显示原理显示原理液晶極性反轉驅動液晶必須以
5、交流信號驅動 長時間維持某一極性,液晶分子可能受到破壞VCOM (CF側電極側電極)- - - -+- - - -Vpixel (TFT側電極側電極)VCOM+- - - -+- - - -Vpixel正極性驅動Vpixel Vcom負極性驅動Vpixel Vcom+-Frame Inversion+-+-+-+row Inversioncolumn Inversion+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+dot Inversion+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-2-line Inversion+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-
6、+-: bad, : Normal, : Good TFT 結構G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1 SnSource 線儲存電容Gate 線液晶電容TFTTFT-LCD 显示原理G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1 SnSource 線儲存電容Gate 線液晶電容TFTTFT LCD TFT LCD 电路结构电路结构薄膜晶体管是一种绝缘栅场效应晶体管.它的工作状态可以利用 Weimer 表征的单晶硅 MOSFET 工作原理来描 述.以 n 沟 MOSFET 为例,物理结构如图 2. 当栅极施以正电压时,栅压在栅绝缘层中产生电场,电力线由栅电极指向半导体表面,并在表面处产生感应
7、电 荷.随着栅电压增加,半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层,形成反型层.当达到强反型时(即达到开启电压 时) ,源,漏间加上电压就会有载流子通过沟道.当源漏电压很小时,导电沟道近似为一恒定电阻,漏电流随源漏电 压增加而线性增大. 当源漏电压很大时,它会对栅电压产生影响,使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱,半导体表面反型层 中电子由源端到漏端逐渐减小,沟道电阻随着源漏电压增大而增加.漏电流增加变得缓慢,对应线性区向饱和区过 渡.当源漏电压增到一定程度,漏端反型层厚度减为零,电压在增加,器件进入饱和区.在实际 LCD 生产中,主 要利用 a-Si:H TFT 的开态(大于开启电压)对像素电容
8、快速充电,利用关态来保持像素电容的电压,从而实现快 速响应和良好存储的统一.TFT panel modelCSData lineGate lineCLCCGDVCOMSDG電腦顯示之圖像均是由一個個的像素(pixel)構成圖像顯示原理PixelPixeldot每個像素均由三種顏色紅(R) 綠(G) 藍(B) 的小光點(dot)構成混色效果混色效果分別控制RGB dot亮度 ，自由組成各種圖案三角形越大所能顯示的顏色越豐富先開啟第一行，其餘關閉。TFTTFT玻璃電極Data LineScan LineONOFFOFFOFFTFT LCD的顯示方式接著關閉第一列，電壓已經固定，所以顯示顏色也已固定
9、。開啟第二列，其餘仍保持關閉。依此類推，可完成整個畫面之顯示。ONOFFOFFOFF電腦顯示之圖像均是由一個個的像素(pixel)構成顏色深度(Color depth)：LCD可顯示的顏色數目對6 bit顯示器而言, 共可以顯示26 x 26 x 26 = 262,144對8 bit顯示器而言, 共可以顯示28 x 28 x 28 = 16,777,216RedGreenBlueWhiteGray Scale0816243240485663.256 Color8（R）*8（G）*4（B）=256 Color.High Color32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color.Ful
10、l Color64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color.True Color256（R）*256（G）*256（B）=16777216 ColorTrue color256 colorTFT-LCD的穿透率：TFT-LCD面板的宿命：光学穿透率不佳。開口率：液晶分子中光線能透過的有效區域的比例。即液晶 分子中有效的透光區域與全部面積的比例，就稱之爲 開口率。100%100%開口率開口率=B/A*100%=B/A*100%A AB B光学穿透率不佳原因： 1，TFT的开口率：约60%以上。 2，CF的滤光效率：约1/3以下。 3，偏光板的极化效率（含两片吸收）：约40%上下。
11、 三項相乘60%1/3 40%約為8% 所以，在TFT LCD的設計中，要盡量提高開口率，因爲只有提高開口率，便可以增加亮度，而同時背光板的亮度也不用那麽高，可以節省耗電及花費。D SITO PixelGate LineSource LineTFT-LCD 常见问题及原因Flicker,即屏闪即屏闪其形成原理如下图所示在frame1 和frame2，液晶像素两端的电压差不一致，其显示的灰阶也不一致，表现在panel上就会出现flicker。Feed ThroughGDSData lineScan lineVstVcomClcCstCgsVgVdVs V = (Vgh-Vgl) Cgs+Cst
12、+ClcCgsVgh-Vgl根據公式Q=CU由電荷不滅定律,可求得 feed through V (Vd-Vgh)Cgs+(Vd-Vst)Cst+(Vd-Vcom)Clc=(Vs-Vgl)Cgs+(Vs-Vst)Cst+(Vs-Vcom)Clc V =Vd-VsVcomVgVdVsVVghVgl1 line1 frameVfeed through电压,它的成因主要是因为面板上其它电压的变化,经由寄生电容或是储存电容,影响到显示电极电压的正确性.在LCD面板上主要的电压变化来源有3个,分别是gate driver电压变化,source driver电压变化,以及common电压变化.而这其中影响
13、最大的就是gate driver电压变化(经由Cgs或是Cs)。GDSData lineVcomClcCstCgsVdVs V+Voltage-VoltageTransmittanceVdVsVcomOptimized Vcom for each grayVCOM 液晶本身感受到的電壓是Vcom與Gamma電壓之間的壓差。但實際上，每一灰階是由Vcom與兩正負周期的Gamma Voltage組成。所以當正負周期的壓差不一樣時，就會產生Flicker的現象。残影残影残像： 由于液晶受到长时间的信号驱动而被极化，导致切换画面至下一画面显示内容时，液晶分子不能立即随驱动信号电压控制而正常偏转，显示屏
14、仍然可以看到前一幅画面痕迹的现象。拖尾： 由于液晶响应时间偏大，液晶显示器在显示画面尤其是动态图像画面时，在从第N帧画面切换至第N+1帧画面时，液晶分子转向改变速度跟随不上切换画面的频率而产生有尾影拖曳的画面。造成残影的原因：造成残影的原因： 设计、材料、驱动、液晶的动态响应时间、显示器的保持特性设计、材料、驱动、液晶的动态响应时间、显示器的保持特性残影（即可分为残像和拖尾）残影（即可分为残像和拖尾）设计原因：设计原因：IPSTFT基板上像素电极和基板上像素电极和COMM电极之间的横向电场，如电极之间的横向电场，如图，电极在面内呈间隔分布，电场不均一便容易形成横向图，电极在面内呈间隔分布，电场
15、不均一便容易形成横向DC偏置，同时没有偏置，同时没有TN那得的那得的ITO屏蔽层，如果在屏蔽层，如果在CF的有基的有基层上存在电荷聚集，这些电荷和层上存在电荷聚集，这些电荷和TFT基层上的电极就容易形基层上的电极就容易形成成DC偏置，造成设计残影不良。偏置，造成设计残影不良。材料方面材料方面1、液晶材质（、液晶材质（LC）和取向层材料（）和取向层材料（PI）的极化作用）的极化作用2、杂质离子聚集、杂质离子聚集3、液晶材料电压保持率、液晶材料电压保持率4、取向层材料界面锚定能、取向层材料界面锚定能液晶极化，液晶极化，VCOM正负电压不一致，在正负电压不一致，在LCD充放电的时候，液充放电的时候，
16、液晶盒内不可避免的会产生晶盒内不可避免的会产生DC，当这个，当这个DC够大的时候，液晶分够大的时候，液晶分子变不收信号电压的驱动，从而产生子变不收信号电压的驱动，从而产生Area Image 液晶分子是通过自身的转动来改变红、绿、蓝三个子像素的明暗度，最终显示出不同颜色，液晶分子转动导致画面从黑到白再到黑的过程称之为黑白响应时间。很明显如果液晶分子转动速度过慢，改变颜色所需要的时间就会延长，在第一帧还未显示完成，就马上要显示第二帧画面，于是画面就产生拖尾现象。较常见的-20的低温拖尾，是由于液晶在低温-20的条件下，液晶的响应速度会比常温的要慢很多（见举例），于是在显示第二帧画面时第一帧还未显
17、示完，产生拖尾。改善对策： 提高液晶的响应速度可采用过驱动方式和选择快响应的液晶材料液晶的动态响应时间例：Positive LC A 不同温度下响应时间RT对比 液晶显示技术的成像原理依赖于液晶分子在驱动信号作用下的扭转、复原过程，而这两个过程都需要较长的响应时间，从而导致像素的亮度改变总是明显滞后于驱动信号的变化；另一方面，液晶显示器的驱动方式也使得屏幕在较长时间内维持一帧画面的显示状态，直到加载了下一帧画面时屏幕上的内容才稍有变化，这种长时间不改变的情况，加重了人眼视觉暂留的效果。液晶显示器这种“Hold Type(保持型)”的驱动和光输出模式，正是导致严重拖影的原因。改善对策：A. 提高
18、刷屏帧数。B.脉冲驱动方式-插黑技术（在原有视频图像的基础上，每两帧画面之间插入一个全黑的中间帧，并使帧频率增加一倍）C.脉冲式背光技术使液晶面板的背光灯在每个帧周期内闪烁(亮-灭)一次，即原来每帧图像的显示周期都被分成两个时间段在第一个时间段内背光灯被打开、正常显示图像帧，第二个时间段内则关闭背光灯、出现全黑屏幕(实际上这时液晶层仍然有图像在显示，但是没有背光通过所以表现为全黑) .一、Corsstalk： 即串扰现象，又称做交叉效应，是指即串扰现象，又称做交叉效应，是指LCD显示屏在显示显示屏在显示时，时，LCD 中的某一个像素（中的某一个像素（pixel），因为其相邻像素或操作），因为其
19、相邻像素或操作电源状态的变动，影响到这个像素原本的显示状态，而出现电源状态的变动，影响到这个像素原本的显示状态，而出现画面不正常的状况。画面不正常的状况。 简单来说就是指相邻的点之间简单来说就是指相邻的点之间, 要显示的资料会影响到对要显示的资料会影响到对方方, 以致于显示的画面会有不正确的状况以致于显示的画面会有不正确的状况. 常见的常见的crosstalk现象主要有水平和竖直现象主要有水平和竖直crosstalk两种，两种，如下现象如下现象现象示意图现象示意图主要原因： 1、VCOM （电容耦合） 2、OP driving 能力不足(SOURCE OP /GAMMA OP) 3、TFT l
20、eakage（TFT在OFF状态漏电流过大）解决方法解决方法: 1、横向、横向crosstalk： 增强增强VCOM driving ability 延长充电时间（延长充电时间（1、source充电时间；充电时间；2、 降低降低frame rate ） 2、竖直、竖直crosstalk： 加大加大VGL电压电压.(TFT off voltage) 增加增加frame rate Line/dot inversion (因为每隔一行水平扫描周期，因为每隔一行水平扫描周期，Source资资料的极性会翻转一次，可有效抑制耦合效应料的极性会翻转一次，可有效抑制耦合效应)PixelCgdCgsCsdCsd
21、bCsdbCgs:源极电容Cgd:汲极电容CscCscCscColor Filter Substrate像素电极上板共电极(Vcommon voltage)上板共电极与Data线之间产生的电容Csc电容耦合电容耦合当当Source A上的电压改变时，同时在上的电压改变时，同时在Vcom的波形会由于的波形会由于Csc的电容耦合效应产生一个同极性的突的电容耦合效应产生一个同极性的突波，造成波，造成Vcom的电压升高。同时的电压升高。同时Source B 资料写入液晶电容时，液晶电容所参考资料写入液晶电容时，液晶电容所参考Vcom电压也升电压也升高，所以导致水平高，所以导致水平Crosstalk12
22、8 Gray Level128Gray Level Black LevelCommon WaveformSignal of A LineSignal of B LineDVframe InversionData of A LineData of B LineVCOM abnormal waveformABLine Inversion+ + + + + _ _ _ _ _+ + + + + _ _ _ _ _normal waveform当source A,B线输出为较低的电位时，对Vcom产生耦合效应较小。当source A 线输出变为高电位时，对Vcom产生耦合效应较大。所以，Vcom的产考
23、电压提高，造成区域性的水平Crosstalk，在画面上与黑色图框相同的水平方向的背景范围会比其他区域的亮度高。Op-Amp driver outputGamma resistanceOUTPUT MULTIPLEXERNEGATIVEPOSITIVEINPUT MULTIPLEXEROUT 1OUT 2H63D16:0D26:0POLH0L0L63(+)(-)OP-AOP-B1. Gamma分压后会有一OP: OP_A a. OP-A diving能力不足: 显示该灰阶的所有source line皆异常2. IC最后输出到液晶面板的source line还有有一OP: OP-B a.OP-B
24、driving能力不足: 单条ource line显示异常此区域中间为黑色所以loading较重。如果OP driving能力不足,则会导致A与B区域的电压不到位Cell压差较小所以较上下两区域亮点NW panelABTFT 漏电流漏电流 液晶液晶电容的像素电极漏电致共电极。电容的像素电极漏电致共电极。 a. a. 此漏电会造成施加在液晶电容上的跨压变小，使得显示器的对比降低。如图，此漏电会造成施加在液晶电容上的跨压变小，使得显示器的对比降低。如图，因黑色窗因黑色窗口的功耗更大，当口的功耗更大，当TFT漏电时，像素的电压将变改变。漏电时，像素的电压将变改变。TFT OFF时间越长时间越长, 漏电量越大漏电量越大.降低降低frame rate，将使，将使TFT处于关闭时间越长，这将使处于关闭时间越长，这将使Crosstalk现象更明显现象更明显TFT 按压水波纹按压水波纹The EndThank you!
