[科普中國]-薄膜晶體管液晶顯示器

薄膜晶體管液晶顯示器（英語：Thin film transistor liquid crystal display，常簡(jiǎn)稱為TFT-LCD）是多數(shù)液晶顯示器的一種，它使用薄膜晶體管技術(shù)改善影象品質(zhì)。雖然TFT-LCD被統(tǒng)稱為LCD，不過它是種主動(dòng)式矩陣LCD，被應(yīng)用在電視、平面顯示器及投影機(jī)上。

簡(jiǎn)單說，TFT-LCD面板可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片、而下層的玻璃則有晶體管鑲嵌于上。當(dāng)電流通過晶體管產(chǎn)生電場(chǎng)變化，造成液晶分子偏轉(zhuǎn)，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定像素的明暗狀態(tài)。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個(gè)像素各包含紅藍(lán)綠三顏色，這些發(fā)出紅藍(lán)綠色彩的像素便構(gòu)成了面板上的視頻畫面。

簡(jiǎn)介概述簡(jiǎn)單說，TFT-LCD皮膚可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片（ColorFilter）、而下層的玻璃則有晶體管鑲嵌于上。當(dāng)電流通過晶體管產(chǎn)生電場(chǎng)變化，造成液晶分子偏轉(zhuǎn)，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定像素（Pixel）的明暗狀態(tài)。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個(gè)像素（Pixel）各包含紅藍(lán)綠三顏色，這些發(fā)出紅藍(lán)綠色彩的像素便構(gòu)成了皮膚上的圖像畫面。

薄膜晶體管液晶顯示器英文名稱是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD是英文字頭的縮寫。 薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)是一種微電子技術(shù)與液晶顯示器技術(shù)巧妙結(jié)合的技術(shù)。 把單晶上進(jìn)行微電子精細(xì)加工的技術(shù)，移植到在大面積玻璃上進(jìn)行薄膜晶體管（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，利用與業(yè)已成熟的液晶顯示器（LCD）技術(shù)，形成一個(gè)液晶盒，再經(jīng)過后工序如偏光片貼覆等過程，最后形成液晶顯示器件。

原理TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器, Thin film transistor liquid crystal display）是多數(shù)液晶顯示器的一種，它使用薄膜晶體管技術(shù)改善影象品質(zhì)。雖然TFT-LCD被統(tǒng)稱為LCD，不過它是種主動(dòng)式矩陣LCD。它被應(yīng)用在電視、平面顯示器及投影機(jī)上。

簡(jiǎn)單說，TFT-LCD皮膚可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片（Color Filter）、而下層的玻璃則有晶體管鑲嵌于上。當(dāng)電流通過晶體管產(chǎn)生電場(chǎng)變化，造成液晶分子偏轉(zhuǎn)，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定像素（Pixel）的明暗狀態(tài)。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個(gè)像素（Pixel）各包含紅藍(lán)綠三顏色，這些發(fā)出紅藍(lán)綠色彩的像素便構(gòu)成了皮膚上的圖像畫面。1

架構(gòu)尋常的液晶顯示器好比計(jì)算器（calculator）的顯示面版，其圖像元素是由電壓直接驅(qū)動(dòng)；當(dāng)控制一個(gè)單元時(shí)不會(huì)影響到其他單元。當(dāng)像素?cái)?shù)量增加到極大如以百萬計(jì)時(shí)，這種方式就變得不實(shí)際，注意到每個(gè)像素的紅、綠、藍(lán)三色都要有個(gè)別的連接線。 為了避免這種困境，將像素排成行與列則可將連接線數(shù)量減至數(shù)以千計(jì)。如果一列中的所有像素都由一個(gè)正電位驅(qū)動(dòng)，而一行中的所有像素都由一個(gè)負(fù)電位驅(qū)動(dòng)，則行與列的交叉點(diǎn)像素會(huì)有最大的電壓而被切換狀態(tài)。然而此法仍有些問題，即是同一行或同一列的其他像素雖然受到的電壓僅為部分值，但這種部份切換仍可使像素變暗（以不切換為亮的液晶顯示器而言。）解決方法是每個(gè)像素都添加一個(gè)配屬于它的晶體管開關(guān)，使得每個(gè)像素都可被獨(dú)立控制。晶體管所擁有的低漏電流特征所代表的意義乃是當(dāng)畫面更新之前，施加在像素的電壓不會(huì)任意喪失掉。每個(gè)像素是個(gè)小的電容器，前方有著透明的銦錫氧化物（ITO）層，后方也有透明層，并有絕緣性的液晶處在其中。

此種電路布置方式很類似于動(dòng)態(tài)訪問存儲(chǔ)器，只不過整個(gè)架構(gòu)不是建在硅晶圓上，而是建構(gòu)在玻璃上。許多硅晶圓制程技術(shù)所需的溫度會(huì)超過玻璃的熔點(diǎn)。尋常半導(dǎo)體的硅基質(zhì)是利用液態(tài)硅長出很大的單晶，具有晶體管的良好特質(zhì)。而薄膜晶體管液晶顯示器所用到的硅層是利用硅化物氣體制造出非晶硅層或多晶硅層，這種制造方法較不適合做出高等級(jí)的晶體管。2

種類TN主條目：TN液晶

TN+film（Twisted Nematic + film）是最常見的類型，主因于產(chǎn)品低價(jià)及多樣性。在現(xiàn)代的TN型面板上，像素的反應(yīng)時(shí)間已快到足以大幅減少殘影問題，甚至在規(guī)格上反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)很快，但這個(gè)傳統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間是由ISO制定的標(biāo)準(zhǔn)，只定義了由全黑至全白的轉(zhuǎn)換時(shí)間，但并不表示是灰階間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在灰階之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間（這是平常液晶實(shí)際上較頻繁的轉(zhuǎn)換）比由ISO所定義的要來得久?，F(xiàn)在使用的RTC-OD（Response Time Compensation-Overdrive）技術(shù)，讓制造商得以有效的降低不同灰階間（G2G）的轉(zhuǎn)換時(shí)間，然而，ISO所定義的反應(yīng)時(shí)間實(shí)際上并未改變。反應(yīng)時(shí)間現(xiàn)在被用G2G（Gray To Gray）的數(shù)字來表示，例如4ms及2ms，在TN+Film的產(chǎn)品上已司空見慣。這個(gè)市場(chǎng)策略，擁有相對(duì)于VA型較低成本的TN型面板，已在主導(dǎo)TN于消費(fèi)性市場(chǎng)的走向。

TN型顯示器苦于視角上的限制，特別是在垂直方向上，而且大部分無法顯示由現(xiàn)行繪圖卡輸出的16.7百萬色（24位的真實(shí)色彩）。經(jīng)由特殊的方式，RGB三色使用6 bits來當(dāng)作8 bits用，它使用結(jié)合鄰近像素的降階法去趨近24-bits色彩，以此來模擬出所需的灰階。也有人使用FRC (Frame Rate Control)

對(duì)液晶顯示器來說，像素實(shí)際的穿透率一般不會(huì)與施予的電壓成線性變化。

另外，B-TN（Best TN）由三星電子發(fā)展。改善TN色彩與反應(yīng)時(shí)間。

STN主條目：超級(jí)扭曲向列液晶

STN液晶（Super-twisted nematic display）是超級(jí)扭曲向列液晶的簡(jiǎn)稱。TN液晶被發(fā)明后，人們自然而然想到將TN液晶矩陣化用以顯示復(fù)雜的圖形。相對(duì)TN液晶扭轉(zhuǎn)90度，STN液晶的扭轉(zhuǎn)180度到270度。90年代初期彩色STN液晶問世，這種液晶的一個(gè)像素由三個(gè)液晶單元組成，覆上一層彩色濾光板，用電壓分別控制液晶單元的亮度就能產(chǎn)生顏色。

VA主條目：VA液晶

CPA (Continuous Pinwheel Alignment)由夏普開發(fā)。色彩再現(xiàn)高，產(chǎn)量少價(jià)格貴。

MVA (Multi-domain Vertical Alignment)由富士通于1998年開發(fā)，目的是作為TN與IPS的折衷方案。在當(dāng)時(shí)，它擁有快速的像素反應(yīng)、廣視角及高對(duì)比，但相對(duì)的犧牲了亮度與色彩再現(xiàn)性。分析家預(yù)測(cè)MVA技術(shù)將主導(dǎo)整個(gè)主流市場(chǎng)，但TN卻擁有此優(yōu)勢(shì)。主因?yàn)镸VA的成本較高，及較慢的像素反應(yīng)（它會(huì)在亮度變化小時(shí)大幅增加）。

P-MVA (Premium MVA)由友達(dá)光電發(fā)展，改善MVA可視角度與反應(yīng)時(shí)間。

A-MVA (Advanced MVA)由友達(dá)光電發(fā)展。

S-MVA (Super MVA)由奇美電子發(fā)展。

PVA (Patterned Vertical Alignment)由三星電子發(fā)展，雖然該公司稱其為目前具有最好對(duì)比的技術(shù)，不過卻也存在著與MVA相同的問題。

S-PVA (Super PVA)由三星電子發(fā)展，改善PVA可視角度與反應(yīng)時(shí)間。

C-PVA由三星電子發(fā)展。

IPS主條目：橫向電場(chǎng)效應(yīng)顯示技術(shù)

IPS (In-Plane Switching)由日立在1996為改TN型面板的不良視角及色再現(xiàn)性而發(fā)展出來的。這種改善卻增加了反應(yīng)時(shí)間，它的初始就是50ms的檔次，IPS型的面板成本也是極昂貴的。

S-IPS (Super IPS)擁有IPS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之外，又改善了像素的更新時(shí)間。色再現(xiàn)性更接近CRTs，價(jià)格也降低，然而對(duì)比仍然十分不佳，目前S-IPS僅應(yīng)用于專業(yè)目的的較大型顯示器上。

Super PLSPLS (Plane to Line Switching)是由三星電子研發(fā)，除了有驚人的視角外，同時(shí)還可以改善顯示屏亮度達(dá)10%，制造成本上面也比IPS要少15%，目前提供的分辨率最高可達(dá)WXGA（1280×800）,MacBook Pro with Retina display也有部分采用了三星生產(chǎn)的這種顯示屏（分辨率高達(dá)2880×1800），其余則依舊使用了IPS顯示屏，主要使用的對(duì)象將會(huì)集中在智能手機(jī)跟平板電腦，已于2011年量產(chǎn)。

ASV夏普發(fā)展ASV（Advanced Super-V）技術(shù)，改善了TFT的可視角問題。

FFS現(xiàn)代電子采用FFS（Fringe Field Switching）技術(shù)，F(xiàn)FS技術(shù)是由IPS（In Plane Switching）廣視角技術(shù)的高級(jí)延伸而來，具有低耗電、高亮度等特性。FFS可再延伸出AFFS+（Advanced FFS +）以及HFFS（High aperture FFS）技術(shù)，AFFS+在陽光下具可視功能。

OCBOCB (Optical Compensated Birefringence)是日本松下電器的技術(shù)。3

顯示器工業(yè)工業(yè)介紹因建造TFT工廠的巨大花費(fèi)，因此主要的皮膚代工廠商或許不會(huì)超出四或五家。幾個(gè)為大家所知的是夏普、友達(dá)、奇美、三星、樂金飛利浦等。

未進(jìn)行系統(tǒng)及ID組裝前皮膚模塊通常會(huì)在廠內(nèi)分成三個(gè)類，這三種分別是亮暗點(diǎn)數(shù)目、皮膚顯示出的灰階及色彩的均勻性及一般性的產(chǎn)品品質(zhì)。此外地，同批號(hào)的不同片皮膚仍會(huì)有+/-2ms反應(yīng)時(shí)間上的差別。品質(zhì)上判定最差的皮膚后來會(huì)賣予白牌的廠商。

品質(zhì)上較差的皮膚或是15英吋以下尺寸通常不會(huì)含有數(shù)字信號(hào)兼容接口DVI，因此它們的未來適用性或許會(huì)受限。較高的17英吋或19英吋機(jī)種,用于玩家及辦公室所使用的屏幕或許會(huì)有雙重顯示插槽:模擬的D-sub及數(shù)字的DVI；幾乎所有專業(yè)的屏幕都會(huì)有DVI及為了書信模式而轉(zhuǎn)90度的設(shè)計(jì)。無論如何，即始使用了DVI的影象信號(hào),也不保證會(huì)有較佳的影象品質(zhì)：一個(gè)好的圖像卡RAMDAC及合適且俱保護(hù)的模擬VGA線亦能提供相同的顯示品質(zhì)。

發(fā)展歷程薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)是由歐美國家率先提出的，但由于技術(shù)和制作過程不夠成熟，直到上世紀(jì)80年代末期，日本廠商完全掌握了主要生產(chǎn)技術(shù)，并開始進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，形成了目前的巨大產(chǎn)業(yè) 年，1992年，隨著筆記本電腦對(duì)液晶顯示器件產(chǎn)品的需求，薄膜晶體管液晶顯示器確立了作為液晶顯示的主流地位，并隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，薄膜晶體管液晶顯示器的生產(chǎn)成本大幅度下降，促使人們對(duì)顯示器件的需求從笨重的陰極射線管轉(zhuǎn)向輕薄的薄膜晶體管，且最終超過陰極射線管的市場(chǎng)份額，到2000年前后，開啟了液晶電視新行業(yè), 據(jù)中國電子報(bào)報(bào)道，目前薄膜晶體管液晶顯示器制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到8 代線， 10代線、11 代線、12 代線的建設(shè)也已經(jīng)在規(guī)劃中, 我國薄膜晶體管液晶顯示器在顯示領(lǐng)域已經(jīng)落后，但專家建議我們不能繞過薄膜晶體管液晶顯示器，尋找別的突破口發(fā)展我國的平板顯示產(chǎn)業(yè)，而應(yīng)迅速開展TFC: LCD 生產(chǎn)線和相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新能力的建設(shè)，提高我國薄膜晶體管液晶顯示器件產(chǎn)業(yè)在國際上的競(jìng)爭(zhēng)力。

發(fā)展前景在當(dāng)前迅速發(fā)展的液晶顯示技術(shù)中，薄膜晶體管液晶顯示器以其大容量、高清晰度和高品質(zhì)全真彩色受到人們的廣泛青睞。薄膜晶體管液晶顯示器的顯示質(zhì)量和整體性能在很大程度上取決于薄膜晶體管性能，薄膜晶體管（787）是眾多場(chǎng)效應(yīng)晶體管（897）中的一種非晶硅用于制作薄膜晶體管液晶顯示器技術(shù)的成熟，使非晶體薄膜晶體管液晶顯示器在薄膜晶體管液晶顯示器的市場(chǎng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，而非晶硅薄膜晶體管由于其低遷移率、電導(dǎo)率等性能，嚴(yán)重制約了薄膜晶體管液晶顯示器的發(fā)展，尋找合適的替代品，追求高遷移率和高電導(dǎo)率一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，多晶硅、微晶硅相繼發(fā)展，雖然在一定程度上暫時(shí)解決了遷移率、電導(dǎo)率低的問題，但因多晶硅、微晶硅的價(jià)格昂貴、材料短缺，因而未能動(dòng)搖非晶硅的主導(dǎo)地位。 隨后的納米硅薄膜晶體管液晶顯示器依靠其本身具有高電導(dǎo)率、高遷移率的優(yōu)越性以及當(dāng)前納米技術(shù)的進(jìn)展而成為一個(gè)引人注目的新亮點(diǎn)。3

參見LCD

LED TV

OLED

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所