LCD-panel工作原理

教育资料)LCDPanel的工作原理(Panel部门)目录1.LCDpanel的结构和总体理解2.对液晶的理解及其工作原理3.对TFT的理解及其工作原理4.CF的结构和功能5.LCD的一般特性6.对TNmode的理解1-1.LCDPanel结构RGBRGRGBRGRGBRGPixelElectrode(ITO)DataLineActiveMatrix(TFTPlate)BlackMatrix(TopPlate)GateLineTFT(SwitchingElement)ColorFilterUnitPixelBlackMatrix■小的像素的集合体■由两张玻璃板组成，其间充满液体：TFT基板，CF基板，液晶(LiquidCrystal)。1-2.LCDPanel的组成(截面图)CF(ColorFilter)LC(LiquidCrystal)TFT(ThinFilmTransistor)BLU(BackLightUnit)偏光膜BlackMatrixColorFilter共同电极Overcoat③液晶Cell配向膜SealantTFTCst像素电极①TFT-Array基板偏光膜②C/F基板1-3.LCDPanel的组成(组成部件)1-4.LCDPanel各个part的功能功能组成部件BLU-LCD自身不能发光，通过切断BLU发出的光或使其通过来显示image。因此，除了反射型LCD之外，所有的LCD都需要BLU。-lamp，导光板，光学sheet(prism，diffuser，BEF，DBEF等)TFT-调节外加到液晶上的电压。液晶的排列状态根据外加的电压而变化。-配线：Cr，AlNd，MoW-绝缘膜/TFT元件：SiNx，n+…-透明电极：ITO，IZOLC-改变光的偏光状态。有两个力作用在液晶上。一个是电力，另一是弹性力。两个力共同决定排列状态和光的偏光状态。-配向膜：垂直配向膜，水平配向膜-液晶：positiveLC，negativeLC-ActiveSpacer，SealSpacer-sealant等CF-由R，G，B三种filter组成。通过三种光的混合调节各个颜色和亮度。-BM：有机BM，Cr+CrOx-RGBregin，OC-透明电极：ITO，IZO1-5.LCDPanel的制造过程TFT-Array工序ColorFilter工序液晶Cell工序Module的组装检查和出厂2-1.对液晶的理解液晶分子结构和排列的例子自然状态接触配向膜液晶接触到有微细槽的板上。完全排列状态液晶按照微细槽的方向排列。10Å100ÅC₃H₄HCN以小区域单位向任意方向进行排列。液晶:固体和液体的中间状态MeltingpointClearingpointcrystallinesolidliquidcrystallinephaseisotropicliquid2-2.集合性液晶的结构■液晶的集合性排列结构根据分子结构或温度的不同而变化。-nematic：orientationalorder-常用液晶的大部分状态-smectic：orientationalorder+positionalorder-cholesteric：层间orientation以一定周期扭转的结构(参考:在后面内容中，如果没有特别说明，液晶指的就是nematicphase。)⊂⊂nnnnnNematicphaseSmectic(A)phaseCholestericphase2-3.液晶的物理特性1：光学特性■液晶具有折射率各向异性(ex：方解石)-感觉到的折射率根据偏光方向的变化而不同：此时由于折射率不同，会出现折射途径和折射速度的差异(在方解石下面可以看到双重文字的现象)。-相位差延迟：Dnd=(ne-no)dnznxnyneno光的入射方向垂直于入射方向的折射率椭圆面2-4.对相位差延迟现象的理解:λ/4plate的情况■光的偏光状态根据各向异性折射率变化-如果是λ/4plate，线偏光的光在通过λ/4plate后变为圆偏光。：下图中的绿色箭头表示偏光状态。-通过液晶的光的偏光状态也根据液晶的排列结构和入射光状态而变化。2-5.液晶受到的力1:电力■液晶具有绝缘率各向异性。-液晶的方向根据电场或磁场而变化。-Dee||-e||U=-P•E=-(e-e0)E•E2-6.液晶受到的力2:弹力splaytwistbend变形前233222211))((21))((21)(21nnKqnnKnKfodK11=splayelasticconstnatK22=twistelasticconstnatK33=bendelasticconstnat■虽然液晶是单个分子的集合，可以认为它是连续体。-因外力被扭曲的结构具有一定弹力。-扭曲结构的自由能量密度(freeenergydensity)如下式所示。2-7.液晶的Director结晶：电力+弹力θ弹性力电力■液晶受到的两个力向不同方向作用。-弹力受到配向膜的影响，向液晶横卧的方向作用(Homogeneous配向时)。-电力向使液晶垂直竖立的方向作用。-液晶最终位于平衡力点。2-8.随液晶动作而变化的像素亮度0V垂直nd=0black2Vnd=?DarkGray3V圆偏光nd=?透过50%4Vnd=?WhiteGray5V平行nd=White_+2-9.VTcurve■亮度随外加电压的变化而不同。■在无电场状态下，根据是处于black还是white可以分为normallyblackmode或normallywhitemode。-NormallyBlackMode：PVA，MVA，IPS，ASV等-NormallyWhiteMode：TN，OCB等3-1.TFT的结构GateGn-1Gn(选择)Gn+1信号电压V1信号电压V2信号电压V3Data信号线液晶Cell电容像素电极V1V2V3PixelITOCstGateDrainData配线SourceGlass基板Gate绝缘膜(SiNx)a-Sin+a-Si保护膜(SiNx)3-2.TFT的结构(截面图)非晶质硅薄膜晶体管的转移(transfer)特性。(W=96μm，L=10μm)GateSourceDrainOhmicContactLayerGateInsulatorActiveLayerVV+dVChanneldQVDVG3-3.TFT的开关功能GATEVOLTAGE(V)-20-15-10-50510152025LOGDRAINCURRENT(A)-14-13-12-11-10-9-8-7-6-5-40.1V5V10VVD开关Off状态开关On状态PixelITODataLine(Cr)DataPadGatePadPixelContactCrData配线4-MASK结构PixelIZO低电阻DataLine(Cr/Al)DataPadGatePadCr/AlData配线5-MASK结构■低电阻配线的开发-电阻值：CrMoWAlNdCu■工序的单纯化-目前使用4个Mask3-3.TFTProcess上的主要IssueGlass基板BlackMatrixRedGreenBlueOvercoatITO4-1.CF结构■BM：为低反射使用CrOx+Cr-可以用有机BM代替■在PVA中添加ITOpatterning工序RGBRGRGBRGRGBRG(200，100，170)(30，255，95)4-2.色彩表现方法■根据R，G，B各个亮度的混合来决定色彩和亮度。■表现色彩的能力随着CFregin的种类和厚度而变化。-色彩重现性偏光板配向膜/电极液晶配向膜/电极偏光板4-3.LCDPanel原理■LCD(LiquidCrystalDisplay)是光探测元件：只起到光学shutter的作用。■LCD由许多shutter和backlight组成。■用CF表现多种color。外加驱动电压配向膜引起的表面液晶anchoring电力弹力决定液晶排列结构决定相位差(Retardation)已通过光的亮度调节互相作用外部条件“InPut”“Output”液晶内部变化光学作用Shutter的原理5-1.LCD的一般特征和问题■LCD是平面显示器，薄而且轻，画面质量高，可以进行低电力驱动。但是，■LCD有几个缺点，最具代表性的是如下两点：1)画面质量随视角改变而变化。2)响应速度慢。**参考-视角：一般指contrastratio为10的侧面角度。-响应速度：指亮度从10%转变为90%经历的时间，分为Risingtime和Fallingtime。BacklightLiquidCrystal12-O’clock6-O’clockNormal-view5-2.LCD视角特性差的原因■人们会感觉液晶的排列状态随观看LCD的方向变化而不同。■有两个问题：-侧面对比度减小的问题：视角减小-侧面高位渐变和下位渐变间的亮度顺序颠倒的问题：渐变翻转STNTNIPS/SIPSPVA/SPVAMVAASVFFS光视角化方法-光视角补偿膜从结构上具有光视角特性补偿膜+multidomain补偿膜+multidomain补偿膜+multidomain结构性的光视角模式结构~270度扭曲nematic结构90度扭曲nemaic结构利用水平电场垂直配向+ITOpattern垂直配向+突起垂直配向+突起垂直电场方式制造公司SDI等大部分公司Hitachi，LG.Ph，NECSECFujitsu，AU，SanyoSharpHydis优点制造费用低廉长久累积的Know-How光视角好，侧面视认性高光视角，highCR，透过率高光视角，HighCR光视角，HighCR光视角好问题视角窄，响应慢，清晰度低，驱动复杂上下方向视角窄透过率低，难以进行批量生产侧面视认性差，透过率低侧面视认性差，透过率低侧面视认性差，透过率低难以进行批量生产5-3.改善LCD视角的方法■为解决视角问题，开发了多种液晶模式。IPSmodePVA-mode5-4.代表性光视角mode■代表性的光视角模式有IPSmode和PVAmode。-IPSmode：利用平面内的电场使液晶左右旋转。-PVAmode：三星的代表性光视角mode，利用ITOpattern的multidomain和补偿膜。5-5.改善响应速度的方法■改善方法-降低液晶的viscosity-减少cellgap-提高驱动电压■利用overshoot驱动的强制性高速响应方法-DCC■高速响应液晶mode-OCBmode：去除液晶的backflow现象，实现高速响应：10msec-FLCorAFLC：1msec6-1.对TNmode的理解LightPassesthroughLightisBlockedE-fieldisoffE-fieldisonPolarizerFilmRubbeddirectionGlassSubstrateLiquidCrystalMoleculesPolarizer/AnalyzerFilmpolarizer•Ireachesmaximaatu2=3，15，35，...dnuuuIeff2,1)12(sin1222LCmoleculeonaTFTpanelFF=0°F=45°2468100.20.40.60.81uIoeffeffoeeffnnnnnn,cossin1222226-2.Gooch-TerryEquation