tft-lcd基礎(chǔ)原理

1、LCD基礎(chǔ)原理,TFT LCD 基本結(jié)構(gòu) TFT-LCD 顯示原理TFT LCD TFT制作工藝TFT-LCD 基本驅(qū)動(dòng)方式及應(yīng)用TFT-LCD 驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)補(bǔ)充： MVA顯示原理介紹,主要內(nèi)容,TFT LCD 簡(jiǎn)介,TFT LCD：Thin Film Transistor Liquid Crystal Display。 超薄膜晶體管液晶顯示器LC： Liquid Crystal 液

2、態(tài)晶體。CF：Color Filter彩色濾光片。分R、G、B 三種顏 色的濾光片。B/L： Back light背光。 L/G： Light Guide導(dǎo)光板。data line:數(shù)據(jù)線，進(jìn)行資料的傳輸。 scan line :掃描線，控制TFT的開關(guān)。 控制TFT上的電晶體是on/off。 On時(shí)，資料可以傳 輸；off時(shí)，資料不能傳輸。,TF

3、T LCD 名詞,,,,,,,,,,,,,,,,,1280,1024,,,,,,,,TFT,,Polarizer,CF,,Polarizer,Back light,LED,,,,,,,,,,,,,,LC cell,,,TFT LCD 基本結(jié)構(gòu),,,,,,TFT LCD生產(chǎn)流程,液晶分子可改變光的極化狀態(tài)，穿過扭曲液晶時(shí)，光線被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度。通過TFT電壓控制開關(guān)來控制液晶分子兩端的電壓，不同壓差下有不同穿透率，極化程度也相應(yīng)

4、改變，從而達(dá)到控制光線的強(qiáng)弱的目的。,偏光板Polarizer,彩色濾光片為液晶顯示器彩色化的關(guān)鍵元件,透過彩色濾光片才能使高灰階的液晶顯示器達(dá)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(chǎn)生RGB三原光,再將三原光以不同的強(qiáng)弱比例混合而呈現(xiàn)各種色彩,使LCD顯示出全彩.,彩色濾光片 Color Filter,ITO sputter B R

5、 G 黑色矩陣,,,,,,,,,,,,,,,TFT-LCD用無鹼玻璃,註解: 最基本的彩色濾光片其結(jié)構(gòu)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(lán)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之液晶顯示器而異),最後濺鍍上透明導(dǎo)電膜(ITO Indium Tin Oxide).,Black Matrix目的:遮蔽漏光區(qū)域，以免看

6、到漏光導(dǎo)致對(duì)比下降Black Matrix材料:Cr, CrO2, resin,1.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(zhuǎn)程 度不同，根據(jù)液晶角度的不同透過光的偏振性也不同；,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,開関打開,開関閉合,液晶,液晶層,液晶互相牽引 做個(gè)轉(zhuǎn)向的動(dòng)

7、作 加電壓后轉(zhuǎn)向改變,,,通過它改變光的強(qiáng)弱,TFT LCD 顯示原理,液晶極性反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),液晶必須以交流信號(hào)驅(qū)動(dòng) 長(zhǎng)時(shí)間維持某一極性,液晶分子可能受到破壞,Vpixel,正極性驅(qū)動(dòng)Vpixel > Vcom,負(fù)極性驅(qū)動(dòng)Vpixel < Vcom,,,Frame Inversion,,row Inversion,column Inversion,,dot Inversion,,,,2-line Inversio

8、n,,×: bad, △: Normal, ○: Good,TFT 結(jié)構(gòu),TFT-LCD 顯示原理,TFT LCD 電路結(jié)構(gòu),薄膜晶體管是一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管.它的工作狀態(tài)可以利用 Weimer 表征的單晶硅 MOSFET 工作原理來描 述.以 n 溝 MOSFET 為例,物理結(jié)構(gòu)如圖 2. 當(dāng)柵極施以正電壓時(shí),柵壓在柵絕緣層中產(chǎn)生電場(chǎng),電力線由柵電極指向半導(dǎo)體表面,并在表面處產(chǎn)生感應(yīng)電 荷.隨著柵電壓增加,半導(dǎo)體表面將

9、由耗盡層轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮臃e累層,形成反型層.當(dāng)達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)(即達(dá)到開啟電壓 時(shí)) ,源,漏間加上電壓就會(huì)有載流子通過溝道.當(dāng)源漏電壓很小時(shí),導(dǎo)電溝道近似為一恒定電阻,漏電流隨源漏電 壓增加而線性增大. 當(dāng)源漏電壓很大時(shí),它會(huì)對(duì)柵電壓產(chǎn)生影響,使得柵絕緣層中電場(chǎng)由源端到漏端逐漸減弱,半導(dǎo)體表面反型層 中電子由源端到漏端逐漸減小,溝道電阻隨著源漏電壓增大而增加.漏電流增加變得緩慢,對(duì)應(yīng)線性區(qū)向飽和區(qū)過 渡.當(dāng)源漏電壓增到一定程度,漏端反型層厚度減

10、為零,電壓在增加,器件進(jìn)入飽和區(qū).在實(shí)際 LCD 生產(chǎn)中,主 要利用 a-Si:H TFT 的開態(tài)(大于開啟電壓)對(duì)像素電容快速充電,利用關(guān)態(tài)來保持像素電容的電壓,從而實(shí)現(xiàn)快 速響應(yīng)和良好存儲(chǔ)的統(tǒng)一.,TFT panel model,,,,,電腦顯示之圖像均是由一個(gè)個(gè)的像素(pixel)構(gòu)成,圖像顯示原理,,,,,,,Pixel,dot,每個(gè)像素均由三種顏色紅(R) 綠(G) 藍(lán)(B) 的小光點(diǎn)(dot)構(gòu)成,,混色效果分別控制RGB

11、 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(guān)閉。,TFT,玻璃電極,Data Line,,Scan Line,ON,OFF,OFF,OFF,TFT LCD的顯示方式,,,,,接著關(guān)閉第一列，電壓已經(jīng)固定，所以顯示顏色也已固定。開啟第二列，其餘仍保持關(guān)閉。依此類推，可完成整個(gè)畫面之顯示。,,ON,OFF,OFF,OFF,電腦顯示之圖像均是由一個(gè)個(gè)的像素(pixel)構(gòu)成,,,顏

12、色深度(Color depth)：LCD可顯示的顏色數(shù)目,對(duì)6 bit顯示器而言, 共可以顯示26 x 26 x 26 = 262,144對(duì)8 bit顯示器而言, 共可以顯示28 x 28 x 28 = 16,777,216,.256 Color8（R）*8（G）*4（B）=256 Color.High Color32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color.Full Color64（R）*64（G）*64

13、（B）=262144 Color.True Color256（R）*256（G）*256（B）=16777216 Color,True color,256 color,,TFT-LCD的穿透率：TFT-LCD面板的宿命：光學(xué)穿透率不佳。開口率：液晶分子中光線能透過的有效區(qū)域的比例。即液晶 分子中有效的透光區(qū)域與全部面積的比例，就稱之爲(wèi) 開口率。,開口率=B/A*100%,A,B,光學(xué)穿透率不佳原因：

14、 1，TFT的開口率：約60%以上。 2，CF的濾光效率：約1/3以下。 3，偏光板的極化效率（含兩片吸收）：約40%上下。 三項(xiàng)相乘60%×1/3× 40%約為8% 所以，在TFT LCD的設(shè)計(jì)中，要盡量提高開口率，因爲(wèi)只有提高開口率，便可以增加亮度，而同時(shí)背光板的亮度也不用那麼高，可以節(jié)省耗電及花費(fèi)。,,,,,,,D,S

15、,ITO Pixel,Gate Line,Source Line,TFT-LCD 常見問題及原因,Flicker,即屏閃,其形成原理如下圖所示在frame1 和frame2，液晶像素兩端的電壓差不一致，其顯示的灰階也不一致，表現(xiàn)在panel上就會(huì)出現(xiàn)flicker。,Feed Through,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,G,,,,,D,S,Data line,Scan line,Vst,Vcom,Clc,Cst,Cg

16、s,Vg,Vd,Vs,,Δ V = (Vgh-Vgl) ?,,Cgs+Cst +Clc,Cgs,,,,,,,,,Vgh-Vgl,,,,根據(jù)公式Q=CU由電荷不滅定律,可求得 feed through Δ V,(Vd-Vgh)Cgs+(Vd-Vst)Cst+(Vd-Vcom)Clc=(Vs-Vgl)Cgs+(Vs-Vst)Cst+(Vs-Vcom)ClcΔ V =Vd-Vs,,feed through電壓,它的成因主要是因?yàn)槊姘迳掀?/p>

17、它電壓的變化,經(jīng)由寄生電容或是儲(chǔ)存電容,影響到顯示電極電壓的正確性.在LCD面板上主要的電壓變化來源有3個(gè),分別是gate driver電壓變化,source driver電壓變化,以及common電壓變化.而這其中影響最大的就是gate driver電壓變化(經(jīng)由Cgs或是Cs)。,,VCOM,液晶本身感受到的電壓是Vcom與Gamma電壓之間的壓差。但實(shí)際上，每一灰階是由Vcom與兩正負(fù)周期的Gamma Voltage組成。所以當(dāng)正

18、負(fù)周期的壓差不一樣時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生Flicker的現(xiàn)象。,殘影,殘像： 由于液晶受到長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)驅(qū)動(dòng)而被極化，導(dǎo)致切換畫面至下一畫面顯示內(nèi)容時(shí)，液晶分子不能立即隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓控制而正常偏轉(zhuǎn)，顯示屏仍然可以看到前一幅畫面痕跡的現(xiàn)象。,拖尾： 由于液晶響應(yīng)時(shí)間偏大，液晶顯示器在顯示畫面尤其是動(dòng)態(tài)圖像畫面時(shí)，在從第N幀畫面切換至第N+1幀畫面時(shí)，液晶分子轉(zhuǎn)向改變速度跟隨不上切換畫面的頻率而產(chǎn)生有尾影拖曳的畫面。,造成殘

19、影的原因： 設(shè)計(jì)、材料、驅(qū)動(dòng)、液晶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、顯示器的保持特性,殘影（即可分為殘像和拖尾）,設(shè)計(jì)原因：,IPSTFT基板上像素電極和COMM電極之間的橫向電場(chǎng)，如圖，電極在面內(nèi)呈間隔分布，電場(chǎng)不均一便容易形成橫向DC偏置，同時(shí)沒有TN那得的ITO屏蔽層，如果在CF的有基層上存在電荷聚集，這些電荷和TFT基層上的電極就容易形成DC偏置，造成設(shè)計(jì)殘影不良。,材料方面1、液晶材質(zhì)（LC）和取向?qū)硬牧希≒I）的極化作用2、

20、雜質(zhì)離子聚集3、液晶材料電壓保持率4、取向?qū)硬牧辖缑驽^定能,液晶極化，VCOM正負(fù)電壓不一致，在LCD充放電的時(shí)候，液晶盒內(nèi)不可避免的會(huì)產(chǎn)生DC，當(dāng)這個(gè)DC夠大的時(shí)候，液晶分子變不收信號(hào)電壓的驅(qū)動(dòng)，從而產(chǎn)生Area Image,液晶分子是通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)來改變紅、綠、藍(lán)三個(gè)子像素的明暗度，最終顯示出不同顏色，液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致畫面從黑到白再到黑的過程稱之為黑白響應(yīng)時(shí)間。很明顯如果液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)速度過慢，改變顏色所需要的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，在第一

21、幀還未顯示完成，就馬上要顯示第二幀畫面，于是畫面就產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象。較常見的-20℃的低溫拖尾，是由于液晶在低溫-20℃的條件下，液晶的響應(yīng)速度會(huì)比常溫的要慢很多（見舉例），于是在顯示第二幀畫面時(shí)第一幀還未顯示完，產(chǎn)生拖尾。改善對(duì)策： 提高液晶的響應(yīng)速度可采用過驅(qū)動(dòng)方式和選擇快響應(yīng)的液晶材料,液晶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間,例：Positive LC A 不同溫度下響應(yīng)時(shí)間RT對(duì)比,液晶顯示技術(shù)的成像原理依賴于液晶分子在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下的扭

22、轉(zhuǎn)、復(fù)原過程，而這兩個(gè)過程都需要較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，從而導(dǎo)致像素的亮度改變總是明顯滯后于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化；另一方面，液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)方式也使得屏幕在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持一幀畫面的顯示狀態(tài)，直到加載了下一幀畫面時(shí)屏幕上的內(nèi)容才稍有變化，這種長(zhǎng)時(shí)間不改變的情況，加重了人眼視覺暫留的效果。液晶顯示器這種“Hold Type(保持型)”的驅(qū)動(dòng)和光輸出模式，正是導(dǎo)致嚴(yán)重拖影的原因。改善對(duì)策：A. 提高刷屏幀數(shù)。B.脈沖驅(qū)動(dòng)方式-插黑技術(shù)（在原有視頻圖像

23、的基礎(chǔ)上，每?jī)蓭嬅嬷g插入一個(gè)全黑的中間幀，并使幀頻率增加一倍）C.脈沖式背光技術(shù)使液晶面板的背光燈在每個(gè)幀周期內(nèi)閃爍(亮-滅)一次，即原來每幀圖像的顯示周期都被分成兩個(gè)時(shí)間段—在第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)背光燈被打開、正常顯示圖像幀，第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)則關(guān)閉背光燈、出現(xiàn)全黑屏幕(實(shí)際上這時(shí)液晶層仍然有圖像在顯示，但是沒有背光通過所以表現(xiàn)為全黑) .,一、Corsstalk： 即串?dāng)_現(xiàn)象，又稱做交叉效應(yīng)，是指LCD顯示屏在顯示時(shí)，L

24、CD 中的某一個(gè)像素（pixel），因?yàn)槠湎噜徬袼鼗虿僮麟娫礌顟B(tài)的變動(dòng)，影響到這個(gè)像素原本的顯示狀態(tài)，而出現(xiàn)畫面不正常的狀況。 簡(jiǎn)單來說就是指相鄰的點(diǎn)之間, 要顯示的資料會(huì)影響到對(duì)方, 以致于顯示的畫面會(huì)有不正確的狀況. 常見的crosstalk現(xiàn)象主要有水平和豎直crosstalk兩種，如下現(xiàn)象,現(xiàn)象示意圖,主要原因： 1、VCOM （電容耦合） 2、OP driving 能力不足(SOU

25、RCE OP /GAMMA OP) 3、TFT leakage（TFT在OFF狀態(tài)漏電流過大）,解決方法: 1、橫向crosstalk： 增強(qiáng)VCOM driving ability 延長(zhǎng)充電時(shí)間（1、source充電時(shí)間；2、 降低frame rate ） 2、豎直crosstalk：

26、 加大VGL電壓.(TFT off voltage) 增加frame rate Line/dot inversion (因?yàn)槊扛粢恍兴綊呙柚芷?，Source資料的極性會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，可有效抑制耦合效應(yīng)),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Pixel,,,,,,,,,,,Cgd,Cgs,Csd,Csdb,Csd

27、b,Cgs:源極電容Cgd:汲極電容,,,,,,,Csc,Csc,Csc,Color Filter Substrate,,像素電極,,上板共電極(Vcommon voltage),,,,上板共電極與Data線之間產(chǎn)生的電容Csc,電容耦合,,,,,,,,,當(dāng)Source A上的電壓改變時(shí)，同時(shí)在Vcom的波形會(huì)由于Csc的電容耦合效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)同極性的突波，造成Vcom的電壓升高。同時(shí)Source B 資料寫入液晶電容時(shí)，液晶電容所參考

28、Vcom電壓也升高，所以導(dǎo)致水平Crosstalk,frame Inversion,,Data of A Line,Data of B Line,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,VCOM,abnormal waveform,,,,,,,,,,,A,B,,,Line Inversion,+ + + + + _ _ _ _ _+ + + + + _ _ _ _ _,,,,,,,

29、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,normal waveform,,,當(dāng)source A,B線輸出為較低的電位時(shí)，對(duì)Vcom產(chǎn)生耦合效應(yīng)較小。當(dāng)source A 線輸出變?yōu)楦唠娢粫r(shí)，對(duì)Vcom產(chǎn)生耦合效應(yīng)較大。所以，Vcom的產(chǎn)考電壓提高，造成區(qū)域性的水平Crosstalk，在畫面上與黑色圖框相同的水平方向的背景范圍會(huì)比其他區(qū)域的亮度高。,Op-Amp driver output,1. Gamma分壓后會(huì)有一OP: OP_

30、A a. OP-A diving能力不足: 顯示該灰階的所有source line皆異常2. IC最后輸出到液晶面板的source line還有有一OP: OP-B a.OP-B driving能力不足: 單條ource line顯示異常,,此區(qū)域中間為黑色所以loading較重。如果OP driving能力不足,則會(huì)導(dǎo)致A與B區(qū)域的電壓不到位Cell壓差較小所以較上下兩區(qū)域亮點(diǎn),,,,NW panel,A,B