TFT-LCD

TFT-LCD是薄膜電晶體液晶顯示器英文Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display字頭的縮寫。TFT-LCD技術是微電子技術與液晶顯示器技術巧妙結合的一種技術。人們利用在Si上進行微電子精細加工的技術，移植到在大面積玻璃上進行TFT陣列的加工，再將該陣列基板與另一片帶彩色濾色膜的基板，利用已成熟的LCD技術，形成一個液晶盒相結合，再經過後工序如偏光片貼覆等過程，最後形成液晶顯示器。

基本介紹

• 中文名：薄膜電晶體液晶顯示器
• 外文名：TFT（Thin Film Transistor）-LCD
• 俗稱：偽彩顯
• 工作特點：雙掃描
• 主流套用：筆記本電腦和台式機電腦

結構特點

和TN技術不同的是，tft的顯示採用“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定特殊光管，光源照射時通過下偏光板向上透出。由於上下夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導通時，液晶分子的表現也會發生改變，可以通過遮光和透光來達到顯示的目的，回響時間大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的對比度和更豐富的色彩，螢屏更新頻率也更快，故TFT俗稱“真彩”。 　相對於DSTN而言，TFT-LCD的主要特點是為每個像素配置一個半導體開關器件。由於每個像素都可以通過點脈衝直接控制。因而每個節點都相對獨立，並可以進行連續控制。這樣的設計方法不僅提高了顯示屏的反應速度，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。 　在TFT-LCD中，tft的功能就是相當於一個開關管。常用的TFT是三端器件。一般在玻璃基板上製作半導體層，在其兩端有與之相連線的源極和漏極。並通過柵極絕緣膜，與半導體相對置，設有柵極。利用施加於柵極的電壓來控制源、漏電極間的電流。 　對於顯示屏來說，每個像素從結構上可以簡化看作為像素電極和共同電極之間夾一層液晶。更重要的是從電的角度可以把它看作電容。其等效電路為圖1所示。要對j行i列的像素p（i,j）充電，就要把開關t（i,j）導通，對信號線d（i）施加目標電壓。當像素電極被充分充電後，即使開關斷開，電容中的電荷也得到保存，電極間的液晶層分子繼續有電壓施加場作用。數據（列）驅動器的作用是對信號線施加目標電壓，而柵極（行）驅動器的作用是起開關的導通和斷開。由於加在液晶層上的顯示電壓可存儲於各像素的存儲電容，可以使液晶層能穩定地工作。這個顯示電壓通過tft也可在短時間內可以重新寫入，因此，即使在對高清晰度lcd中，也能滿足不降低圖像品質要求。 　顯示圖像的關鍵還在於液晶在電場作用下的分子取向。一般通過對基板內側的取向處理，使液晶分子的排列產生希望的結構變形來實現不同的顯示模式。選擇一定的顯示模式，在電場作用下，液晶分子產生取向變化，並通過與偏振片的相配合，使入射光在通過液晶層後的強度隨之發生變化。從而實現圖像顯示。 　總而言之，tft-lcd與無源tn-lcd、stn-lcd的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個象素上都設定有一個薄膜電晶體（tft），可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態特性與掃描線數無關，因此大大提高了圖像質量。而開關單元（即tft）的特性，則要滿足通態電阻低，閉態電阻非常大這一要求。

工作原理

大家知道crt的工作原理是通電後燈絲髮熱，陰極被激發，發射出電子流，電子流受到帶有高電壓的內部金屬層的加速，經過透鏡聚焦形成極細的電子束，打在螢光屏上，使螢光粉發光。和crt的原理完全不同，lcd需要來自背後的光源，當光束通過這層液晶時，液晶體會並排或呈不規則扭轉形狀，所以液晶更像是一個個閘門，選擇光線穿透與否，我們才能在螢幕看到深淺不一，錯落有致的圖像。

目前主流的液晶顯示器都是薄膜電晶體LCD（TFT-LCD），是由原有的液晶顯示技術發展擴展而來的。tft液晶為每個像素都設有一個半導體開關，以此做到完全的單獨的控制一個像素點，液晶材料被夾在tft玻璃層和顏色過濾層之間，通過改變刺激液晶的電壓值就可以控制最後出現的光線強度與色彩。

一般情況下液晶是透明的，除非施加電壓。加壓後，一部分會發生變化，變得不透明。液晶的這個轉換速度通常很慢（後面會有詳細描述）。在1992年，emi宣布發明了一種新的液晶顯示技術鐵電液晶flcd（ferroelectriclcds）。鐵電液晶的優點是回響速度快，可達微秒級。而且無需更改電壓也可以保持當前的狀態，也就是更省電，這對於筆記本電腦，pda等便攜設備而言是非常有意義的。flcd的優點眾多，但目前市場上的產品卻很少，因為flcd對於震動非常敏感，很容易損傷晶體，但將來一定會有所改進。

雖然鐵電液晶flcd的將來還是個未知數，但它還擁有高對比度和超大可視角度等優點，對市場上主流的tft會造成一定的衝擊。

在正常的工作溫度下，flcd的反應時間只有70us!這么短的時間幾乎可以忽略了。

套用特性

推動tft-lcd迅速的發展的一個很重要的因素就是它有以下主要套用特點： 　（1）使用特性好：低壓套用，低驅動電壓，固體化使用安全性和可靠性提高；平板化，又輕薄，節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，節省了大量的能源；tft-lcd產品還有規格型號、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。顯示範圍覆蓋了從1英寸至40英寸範圍內的所有顯示器的套用範圍以及投影大平面，是全尺寸顯示終端；顯示質量從最簡單的單色字元圖形到高解析度，高彩色保真度，高亮度，高對比度，高回響速度的各種規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。 　（2）環保特性好：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，將把人類帶入無紙辦公、無紙印刷時代，引發人類學習、傳播和記栽文明方式的革命。 　（3）適用範圍寬，從-20℃到+50℃的溫度範圍內都可以正常使用，經過溫度加固處理的tft-lcd低溫工作溫度可達到零下80℃。既可作為移動終端顯示，台式終端顯示，又可以作大螢幕投影電視，是性能優良的全尺寸視頻顯示終端。 　（4）製造技術的自動化程度高，大規模工業化生產特性好。tft-lcd產業技術成熟，大規模生產的成品率達到90]以上。 　（5）tft-lcd易於集成化和更新換代，是大規模半導體積體電路技術和光源技術的完美結合，繼續發展潛力很大。目前有非晶、多晶和單晶矽tft-lcd，將來會有其它材料的tft，既有玻璃基板的又有塑膠基板。

主要參數

對於大多數用戶而言，tft液晶顯示器已經可以滿足日常工作娛樂的要求，例如編輯照片，視屏，文檔等等。然而對於遊戲玩家就不一樣了，他們的要求更高。crt比較重要的參數有螢幕大小，輻射，功耗等等，液晶顯示器則有原始解析度，非原始解析度，反應時間和點距等等。

發展歷程

回顧tft-lcd的發展過程，大致可以分為以下幾個階段：1995年以前，tft-lcd的套用主要集中在高檔攝像機監視器、高檔掌上遊戲機、微型電視機和大螢幕投影機等貴族化消費品中。1995年，基板尺寸達到300mmx400mm，實現了10英寸vga。1997年，11.3英寸、12.1英寸成為主流產品。1998年中至今，雖然根據市場需求的變化，tft-lcd產品的價格有漲有跌，但總體來看，價格的跌幅已經超過了30%，目前15英寸左右的產品已經成為市場的主流產品。 　從國內市場的情況來看，聯想、方正已經推出了帶液晶顯示器的台式pc機，長城、海信、tcl等廠家也有類似機型，大批中小型廠商也正在大力發展tft-lcd顯示器。據不完全統計，國內部分廠家意向性購成協定金額高達38億人民幣，市場反應比較熱烈。目前市場上15英寸液晶顯示器所採用的液晶屏的產地主要集中於中國大陸，中國台灣，韓國，其中以京東方的市場占有率最大。中國大陸的TFT-LCD製造企業從2008年開始崛起，其中以京東方和華星光電最為突出。

技術現狀

目前，長期困擾液晶顯示器的視角、色飽和度、亮度及反應速度等問題已經基本得到解決。由於lcd利用液晶旋轉控制光線，造成先天狹視角限制，當lcd持續往大型螢幕發展時，對廣視角要求是必然的，以往最方便的方法是貼上廣視角膜，但廣視角膜是日本fujifilm一家獨占材料，成本居高不下，因此各家lcd廠商積極研發新液晶材料及新結構，改良液晶配向提升視角，目前已成功套用的量產技術有富士通的mva技術、日立ips技術，其他推出展示的廠商有三星電子的pva技術，視角可達170度，反應速度25～27ms；現代ffs技術視角可達160度；松下ocb技術視角可達160度，反應速度僅7ms。 　當然，上述指標優異的tft-lcd價格目前仍然較高，國內市場上的液晶顯示器產品所採用的液晶屏性能大致如下：亮度150～250cd/、對比度200～300:1、反應速度25ms~50ms、水平視角120～160度、垂直視角90～120度。國內液晶顯示器整機廠商目前大多採用指標較低的液晶屏以獲得較低的成本，以低價策略爭取市場份額。 　普通商用台式tft-lcd顯示器，亮度在150~200 cd/、對比度200:1、水平視角120度、垂直視角90度、18bits真彩、反應速度在40~50ms之間即可獲得滿意的使用效果。由於對lcd指標要求不高，價格必然較低，就商用液晶顯示器的桌面套用而言，這種指標的顯示器性價比最高。 　對於家用tft-lcd顯示器而言，上述指標就能滿足需求，這是由於家用pc大多需要多媒體套用，對亮度、色彩、對比度、視角、反應時間等均有較高要求，在考慮性價比的前提下，比較理想的指標應為亮度250~300 cd/、對比度250~300:1、水平視角160度、垂直視角120度、24bits真彩、反應速度在25ms以下。同時，需要值得注意的一點是，雖然液晶顯示器由於顯示原理的不同，在60hz這樣較低的刷新頻率下也不會存在閃爍問題，但考慮到對很多多媒體應用程式，特別是遊戲的兼容性，顯示器要能夠接受高達85hz刷新率的信號，由於tft-lcd液晶屏本身所能支持的最高刷新率大多為75hz，這一問題需要由整機的圖像處理電路來完成。

未來發展主流

總體來看，雖然普通crt顯示器的價格日益下滑，平面的程度也越來越高，但越來越多的個人用戶開始對電磁輻射嚴重、占用空間大而且體積笨重的crt顯示器感到了厭倦，而對性能優良的lcd顯示器發生了越來越濃厚的興趣。在lcd顯示器強勢需求的帶動下，大型的lcd顯示器廠商開始在廣告、量產等方面加大了投入，為降低lcd顯示器的生產成本而努力。同時隨著半導體和微電子技術的發展，lcd的成品率也在迅速提高，為降低lcd顯示器的售價、刺激lcd顯示器進入家庭提供了必要的基矗lcd顯示器正處在從貴族到平民的演變過程中。 　目前tft-lcd在全球pc顯示器的占有率不到一成，液晶電視的占有率更低，因此lcd的價格下滑，雖然短期將壓縮業者毛利，但同時引發市場的替代效果，價格愈接近crt顯示器，消費者選擇高品質產品的誘因愈大，加速液晶顯示器逐漸取代傳統crt顯示器，全球每年1.2億台的pc市場，以每年15%左右速度在迅速增加，成為lcd重要侵蝕目標；而lcd朝更大尺寸技術突破，未來每年近億台的彩色電視機市場，將是lcd下一龐大目標市場，目前液晶電視即以每年3成以上的成長率成長著。 　從發展的趨勢來看，隨著市場的成熟，廠商之間競爭的白熱化，tft-lcd顯示器必須也必然在功能、套用場合及價格等方面進行分流。 　同時，液晶電視在未來將獲得較大發展，但大尺寸、適於多人同時觀看的液晶電視價格極高，短期內無法大幅度降價。因此，將視頻功能集成到目前的台式tft-lcd顯示器中是針對家用市場的一個賣點，在上述家用多媒體液晶顯示器的基礎上，可由整機圖像處理電路根據tft-lcd屏的光電轉換特性，進行校正、色溫校正以及圖像放大，並對傳統ntsc/pal制的隔行視頻信號作基於運動補償的隔行逐行變換以消除圖像邊緣鋸齒。通過上述專門的處理，現在的台式15英寸tft-lcd顯示器將成為真正意義上的多媒體顯示器，除了能夠接收和顯示pc信號外，對vcr/vcd/dvd等輸出的視頻信號（cvbs、y/c、y/pr/pb）以及有線電視的rf信號均能得到遠超傳統電視機的顯示效果。再配合基於bitmap的osd（on screen display），可以構成非常個性化的個人多媒體顯示器。