TFT-LCD面板基礎

1、TFT-LCD TFT-LCD 面板基礎面板基礎吳乃亮吳乃亮 20092009年年8 8月月1一、認識液晶一、認識液晶二、像素結構二、像素結構三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板四、四、TFTTFT結構和工作原理結構和工作原理五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動六、六、TFT-LCDTFT-LCD工藝工藝課程綱要課程綱要 21.何謂TFT-LCD： TFTThin Film Transistor 薄膜電晶體 LCDLiquid Crystal Display 液晶顯示器 2.應用：由與TFT-LCD具有體積小、重量輕、 低輻射線、低耗電量、全彩化等優(yōu)點 ，故已廣泛使用於各類顯示

2、器材上一、認識液晶一、認識液晶 3一、認識液晶一、認識液晶 43.液晶簡介一、認識液晶一、認識液晶 液晶物質的相變化液晶物質的相變化固體結晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻53.液晶簡介一、認識液晶一、認識液晶 一種液晶分子的結構一種液晶分子的結構63.液晶簡介一、認識液晶一、認識液晶 液晶分子的種類液晶分子的種類Smectic LC 近晶相液晶Nematic LC 向列相液晶Cholesteric LC膽甾相液晶73.液晶簡介 3-1.TFT-LCD使用之液晶為TN(Twist Nematic)型液晶 3-2.液晶分子呈橢圓狀；TN型液晶一般是順著長軸方 向串接，長軸間彼此平行方式排列 3-3.當接

3、觸到槽狀表面時，液晶分子就會順著槽的方 向排列於槽中一、認識液晶一、認識液晶 8 3-4.當液晶被包含在兩個槽狀表面中間，且槽之方向 互相垂直，則液晶分子之排列 下表面液晶分子：沿著b方向 上表面液晶分子：沿著a方向 介於上下表面中間之分子：產生旋轉之效應 故液晶分子在兩槽狀表面間，產生90之旋轉一、認識液晶一、認識液晶 9 4.光與液晶分子產生之效果 4-1.當線性偏極光射入上層槽狀表面時，此光線隨著 液晶分子之旋轉亦產生旋轉 4-2.當線性偏極光射出下層槽狀表面時，此光線已產 生90之旋轉一、認識液晶一、認識液晶 10 4-3.當在上下兩表面之間加電壓時，液晶分子會順電 場方向排列，成為直

4、立排列之現(xiàn)象 4-4.此時入射光線即不受液晶分子影響，已直線射出 下表面一、認識液晶一、認識液晶 11ITO電極ITO電極液晶不加電加電LCD DriverLCD Driver一、認識液晶一、認識液晶 12 5.偏光片之特性 5-1.將非偏極光(一般光線)過濾成線性偏極光 5-2.當非偏極光通過a方向之偏光片時，光線被過濾 成與a方向平行之線性偏極光 5-3.線性偏極光繼續(xù)前進，通過a方向之偏光片時， 光線通過；光線通過b方向之偏光片時，光線被 完全阻擋一、認識液晶一、認識液晶 13 6.將偏光片、槽狀表面、液晶組合後之光學效果 6-1.當上下偏光片互相垂直時，若未施加電壓，光線 可通過 6-

5、2.當施加電壓時，光線被完全阻擋 一、認識液晶一、認識液晶 14二、像素結構二、像素結構 6403 480921600個像素個像素 15二、像素結構二、像素結構 偏光片偏光片 玻璃玻璃 ITOPI液晶液晶 玻璃玻璃 偏光片偏光片 TFTTFTBM像素像素 剖面圖剖面圖 上視圖上視圖 16COM剖面圖剖面圖 上視圖上視圖 ScanScanDataData二、像素結構二、像素結構 17ScanDataScanDataCLCCSTFT等效電路圖等效電路圖 二、像素結構二、像素結構 18ScanDataCLCCSTFT等效電路圖等效電路圖 2.4 3.5 3.8 4.5 1.0 5.0 1.4 2.5

6、數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入 1/480畫面更新頻率畫面更新頻率60Hz，Gate打開時間打開時間=1/60/480=35uSGateSourceDrain二、像素結構二、像素結構 19Data電壓越高，液晶分子電壓越高，液晶分子豎起越高，透過率越低，豎起越高，透過率越低，像素越暗像素越暗二、像素結構二、像素結構 20三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 畫素（畫素（Pixel）21三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 （a）4：3 （b）16：9面板尺寸：一般以對角線長度英吋計算，如面板尺寸：一般以對角線長度英吋計算，如6.4吋吋 PPI：Pixel Per Inch每英吋的像素數(shù)量每英

7、吋的像素數(shù)量 22三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 對比度（對比度（Contrast）最大亮度和最暗亮度的比率最大亮度和最暗亮度的比率 23三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 灰階（灰階（Gray Level） 我們生活的自然界中，影像不僅僅是亮和暗，而是充滿了我們生活的自然界中，影像不僅僅是亮和暗，而是充滿了介于期間的明亮程度，即為灰階。介于期間的明亮程度，即為灰階。 自然界中的明亮程度是連續(xù)的，但是顯示器重現(xiàn)圖像時無自然界中的明亮程度是連續(xù)的，但是顯示器重現(xiàn)圖像時無法做到連續(xù)，只能從最暗到最亮的范圍內，增加區(qū)分的階層，增法做到連續(xù)，只能從最暗到最亮的范圍內，增加區(qū)分的

8、階層，增加灰階的數(shù)量。加灰階的數(shù)量。 8Bit分級成分級成256灰階灰階24三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 顏色（顏色（Color）自然界中的影像除了亮和暗以外，還有各種不同的顏色。自然界中的影像除了亮和暗以外，還有各種不同的顏色。三種人眼細胞對波長的敏感度三種人眼細胞對波長的敏感度 25三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 紅藍紫黃綠白青顏色（顏色（Color）26CIE 1931 Yxy色度圖XYZ三刺激值是最基本最基本的數(shù)據(jù)，已經包含了亮度和色度信息。其中Yxy中的Y就是XYZ中的Y，表示亮度，xy表示色度x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)根據(jù)XYZ值繪制

9、出了1931 Yxy色度圖27CIE 1976 UCS 色度圖1976年制定UCSUniform Chromaticity Scale均勻色度圖28三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT的架構的架構 CF的架構的架構 BM 開口率開口率=開口面積開口面積/像素面積像素面積 29三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 VGA=Video Graphics Array640RGB480DotSVGA=Super Video Graphics Array800RGB600DotXGA=Extended Graphics Array1,024RGB768DotSXGA=Super

10、Extended Graphics Array1,280RGB1,024DotSXGA+=Super Extended Graphics Array+1,400RGB1,050DotUXGA=Ultra Extended Graphics Array1,600RGB1,200Dot常用的顯示解析度特定名稱常用的顯示解析度特定名稱30三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD面板的接口面板的接口 ScanDataCom31三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷-像素缺陷像素缺陷 暗點暗點 亮點亮點 缺陷面積超過像素面積缺陷面積超過像

11、素面積50%即判斷為像素缺陷即判斷為像素缺陷 亮度超過普通像素亮度超過普通像素30%的不良像素判斷為亮點的不良像素判斷為亮點 亮度低于普通像素亮度低于普通像素60%的不良像素判斷為暗點的不良像素判斷為暗點 32三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷暗亮線暗亮線 亮線亮線 亮線亮線 暗線暗線 33三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷暗亮帶暗亮帶 亮帶亮帶 亮帶亮帶 暗帶暗帶 34三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷- 分區(qū)分區(qū) 35三、三、TFT-LCDT

12、FT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷-Mura 36三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷螢火蟲螢火蟲 37三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷外觀不良外觀不良 38三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷-交叉效應交叉效應 39三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷-閃爍和直流殘留閃爍和直流殘留 閃爍和直流殘留都可能是因為直流偏差所產生閃爍和直流殘留都可能是因為直流偏差所產生的結果。的結

13、果。 40三、三、TFT-LCDTFT-LCD面板面板 TFT-LCD常見不良缺陷常見不良缺陷-靜電擊傷靜電擊傷 1、ITO氧原子缺失，變得不透明。氧原子缺失，變得不透明。2、電極間漏電。、電極間漏電。3、電壓漂移。、電壓漂移。4、TFT擊穿。擊穿。5、亮點。、亮點。6、亮線。、亮線。7、IC擊傷。擊傷。8、引線缺陷。、引線缺陷。TFT-LCD有數(shù)百萬顆有數(shù)百萬顆TFT單元，成百上千條引單元，成百上千條引線，因此對靜電非常敏感，很容易被擊傷。線，因此對靜電非常敏感，很容易被擊傷。 41四、四、TFTTFT結構和工作原理結構和工作原理 TFT-LCD面板構造面板構造 42四、四、TFTTFT結構

14、和工作原理結構和工作原理 TFT-LCD面板說明面板說明 G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1 SnSource 線儲存電容Gate 線液晶電容TFTcomITOCLC43AABBAATFT儲存電容(Cst)BBGDSLW四、四、TFTTFT結構和工作原理結構和工作原理 單一像素的結構單一像素的結構 44四、四、TFTTFT結構和工作原理結構和工作原理 非晶硅型非晶硅型TFT的剖面示意圖的剖面示意圖 45四、四、TFTTFT結構和工作原理結構和工作原理 TFT的電流的電流-電壓特性曲線電壓特性曲線 46TFT-LCD面板的基本驅動方式面板的基本驅動方式 Data一行一行輸入一行一行輸入

15、 五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 47五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 交流驅動（極性反轉）交流驅動（極性反轉） ITO電極ITO電極液晶不加電加電LCD DriverLCD DriverTimeVdata48五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 交流驅動（極性反轉）交流驅動（極性反轉） TimeVdata液晶分子在電場中的電偶極與力矩液晶分子在電場中的電偶極與力矩 49五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 交流驅動（極性反轉）交流驅動（極性反轉） TimeVdata液晶光閥透過率和驅動電壓的方均根相關液晶光閥透過率和驅動電壓的方均根相關 50五、五、

16、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 交流驅動（極性反轉）交流驅動（極性反轉） TimeVdata直流驅動和交流驅動對比直流驅動和交流驅動對比 ITO電極液晶加電LCD DriverPILCD DriverCPICPICLCRPIRPIRLCCPI CLC, RPIRLC51五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 交流驅動（極性反轉）交流驅動（極性反轉） 四種反轉方式四種反轉方式 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - -+ - + - + - + - + - + - + - + - + - + - +-+ - + -+ -

17、+ -+ - + -+ - + -+ - + -+ + + + +- - - - -+ + + + +- - - - -+ + + + +- -+ + + + +- -+ + + + +- -+ - + - +- + - + -+ - + - +- + - + -+ - + - +-+ - + -+ -+ -+-+ - + -+ -+ -+-+ - + -圓框反轉圓框反轉 列反轉列反轉 行反轉行反轉 點反轉點反轉 52五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 充電充電 ScanDataCLCCSTFT等效電路圖等效電路圖 -2.4V +2.4V -2.4V +2.4V1/480GateSo

18、urceDrain充電時間很短充電時間很短 充電和放電充電和放電 53五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電壓范圍電壓范圍 ScanDataCLCCSGateSourceDrain根據(jù)根據(jù)TFT-LCDTFT-LCD的灰階設定方式，的灰階設定方式，DataData驅動驅動ICIC需要精確控制電壓需要精確控制電壓來設定灰階。來設定灰階。如如8-bit8-bit（2 28 8=256=256灰階）驅動所灰階）驅動所需的最小灰階電壓，約需的最小灰階電壓，約8mV8mV左右。左右。假設假設Com = 5.0VCom = 5.0VVdataVdata（MaxMax）=5.0V=5.0VVdat

19、aVdata（+ +）=5.0=5.010.0V10.0VVdataVdata（- -）=0.0=0.05.0V5.0V電壓太高電壓太高54五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電壓范圍電壓范圍 ScanDataCLCCSGateSourceDrainDataData驅動驅動ICIC輸出電壓范圍的降低輸出電壓范圍的降低電容電容C C以方波充電放電的功率消耗為以方波充電放電的功率消耗為Power=Power=（1/21/2）fCVfCV2 2一般一般ICIC只能提供低于只能提供低于5.0V5.0V的電壓的電壓假設假設Com = 5.0VCom = 5.0VVdataVdata（MaxMa

20、x）=5.0V=5.0VVdataVdata（+ +）=5.0=5.010.0V10.0VVdataVdata（- -）=0.0=0.05.0V5.0V電壓太高電壓太高55五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電壓范圍電壓范圍 ComCom電壓調節(jié)電壓調節(jié)假設假設VdataVdata（MaxMax）=5.0V=5.0VVcomVcom（+ +）=0.0V Vcom=0.0V Vcom（- -）=5.0V=5.0VVdataVdata（+ +）=0.0=0.05.0V Vdata5.0V Vdata（- -）=0.0=0.05.0V5.0V56五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動

21、 電壓范圍電壓范圍 ComCom電壓補償電壓補償為避免直流殘留效應，為避免直流殘留效應，VcomVcom應取值為應取值為VdataVdata的對稱中心的對稱中心實際上，由于實際上，由于TFTTFT寄生電容、電容耦合效應、寄生電容、電容耦合效應、VgateVgate的影響，的影響，VdataVdata發(fā)生偏離。為補償偏離：發(fā)生偏離。為補償偏離：VcomVcom（+ +）=-0.2V=-0.2VVcomVcom（- -）=4.8V=4.8V57五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電壓范圍電壓范圍 VscanVscan驅動驅動ICIC電壓范圍電壓范圍ScanDataCLCCSTFT等效電路

22、圖等效電路圖 GateSourceDrain充電和放電充電和放電 Vgs= Vg-Vs -5.0VVgs10VVgs= Vg-Vs -5.0VVgs10VVs=-5VVs=-5V10V10V所以所以VscanVscan（+ +）=20V=20VVscanVscan（- -）=-5V=-5V為避免關機殘影，為避免關機殘影，TFT的截止電壓的截止電壓0V58五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 預充電預充電 ScanDataCLCCSTFT等效電路圖等效電路圖 GateSourceDrain充電和放電充電和放電 在在TFT-LCD的驅動過程中，不停地把的驅動過程中，不停地把Data線和像素

23、電極由負電極充電為正線和像素電極由負電極充電為正電極，把正電極放電為負電極。電極，把正電極放電為負電極。Data輸入有一段空白的時間，利用這輸入有一段空白的時間，利用這段空白的時間，可以進行預充電。段空白的時間，可以進行預充電。預充電有預充電有2種方式：種方式：1 雙脈沖掃描雙脈沖掃描2 電荷分享電荷分享59五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 預充電預充電 雙脈沖掃描雙脈沖掃描 （a）圓框反轉和行反轉）圓框反轉和行反轉 （b）列反轉和點反轉）列反轉和點反轉60五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 預充電預充電 電荷分享電荷分享 電荷分享驅動過程電荷分享驅動過程Data線上電壓

24、變化線上電壓變化61五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電位保持電位保持 掃描頻率為掃描頻率為60Hz，電位需要保持的時間為，電位需要保持的時間為16.7ms理想上，像素電壓在充放電期間，可以保持所設定的電壓。理想上，像素電壓在充放電期間，可以保持所設定的電壓。實際上，漏電不可避免實際上，漏電不可避免62五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電位保持電位保持-漏電路徑漏電路徑 n液晶電容漏電液晶電容漏電考慮漏電的液晶電容等效電路考慮漏電的液晶電容等效電路nTFT漏電漏電 TFT Gate極加載負電壓的情況下，仍然會存在極加載負電壓的情況下，仍然會存在10-12-13安培電壓安

25、培電壓 背光源照射的情況下，非晶硅材料會產生電子背光源照射的情況下，非晶硅材料會產生電子-空穴對空穴對63五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電位保持電位保持-儲存電容儲存電容Cs ScanDataCLCCSTFT等效電路圖等效電路圖 GateSourceDrain64五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電位保持電位保持-點缺陷漏電點缺陷漏電 ScanDataCLCCSTFT等效電路圖等效電路圖 GateSourceDrain漏電到漏電到Scan：形成暗點（常白型）：形成暗點（常白型）漏電點漏電點漏電到漏電到Com：形成亮點（常白型）：形成亮點（常白型）漏電到漏電到Data

26、：形成變化缺點：形成變化缺點相鄰像素短路：形成一組亮點或變化缺點相鄰像素短路：形成一組亮點或變化缺點65五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電容耦合效應電容耦合效應 加入電容的像素等效電路加入電容的像素等效電路 66五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電容耦合效應電容耦合效應 Data電壓修正電壓修正Com電壓補償電壓補償67五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電容耦合效應電容耦合效應 掃描線三階驅動法掃描線三階驅動法68五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 電容耦合效應電容耦合效應 掃描線四階驅動法掃描線四階驅動法 （a）正極性）正極性 （b）負極性）負

27、極性69五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 信號延遲信號延遲 電阻電阻-電容電路電壓切換波形示意圖電容電路電壓切換波形示意圖70五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 TFT-LCD面板驅動的綜合效應面板驅動的綜合效應 n充電與電荷保持充電與電荷保持n充電與電容耦合充電與電容耦合n充電與信號延遲充電與信號延遲n電荷保持與電容耦合電荷保持與電容耦合n電容耦合與信號延遲電容耦合與信號延遲 71五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 TFT-LCD面板驅動面板驅動-系統(tǒng)概況系統(tǒng)概況72五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 TFT-LCD面板驅動面板驅動-校正校正 我們前

28、面談到的灰階，是以等間距的亮度來區(qū)分的。我們前面談到的灰階，是以等間距的亮度來區(qū)分的。但是，人眼在黑暗的環(huán)境和比在明亮的環(huán)境下，對亮度的但是，人眼在黑暗的環(huán)境和比在明亮的環(huán)境下，對亮度的敏感性高很多。敏感性高很多。 根據(jù)經驗，公式表示大腦的感覺（根據(jù)經驗，公式表示大腦的感覺（X）和亮度（）和亮度（Y）之）之間的關系：間的關系： Y=AX 上式稱為上式稱為曲線，曲線，A為常數(shù)，為常數(shù)， 并非定值，約為并非定值，約為2.22.22.52.573五、五、TFT-LCDTFT-LCD驅動驅動 TFT-LCD面板驅動面板驅動-校正校正74六、六、TFT-LCDTFT-LCD工藝工藝 TFT各世代尺寸各世代尺寸 TFT世代世代基板尺寸（基板尺寸（mmmm）3代550*6503.5代680*8804代730*9204.5代730*9205代1100*12505代1213*13005.5代1300*15006代1500*18507代1870*22007.5代(8代)2160*24608代(9代)2400*280075六、六、TFT