TFT-LCD的發(fā)展及其特點(diǎn)

課程名稱：光電顯示基礎(chǔ)任課教師:題目：TFT-LCD的發(fā)展及其特點(diǎn)TFT-LCD的發(fā)展及其特點(diǎn)摘要薄膜晶體管-液晶顯示器(thinfilmliquidcrystaldisplay，TFT-LCD)已經(jīng)成為新一代的主流顯示器，被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、桌面顯示器、液晶電視、移動(dòng)顯示終端等顯示領(lǐng)域。由于TFT-LCD迅猛的發(fā)展，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有低成本、高解析度、高亮度、寬視角以及低功耗等優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。本文介紹了TFT-LCD的生產(chǎn)及發(fā)展概況；介紹了在復(fù)雜背景及低對(duì)比度條件下TFT-LCD表面缺陷檢測(cè)的問(wèn)題。1緒論TFT-LCD采用了兩夾層間填充液晶分子的設(shè)計(jì)，不同于TN-LCD和STN-LCD，其左邊夾層的電極改為了場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），右邊夾層的電極改為了共通電極，在光源設(shè)計(jì)上，TFT的顯示采用了“背透式”照射方式，光源照射時(shí)先通過(guò)右偏振片向左透出，借助液晶分子來(lái)傳導(dǎo)光線。由于FET晶體管具有電容效應(yīng)，能夠保持電位狀態(tài)，先前透光的液晶分子會(huì)一直保持這種狀態(tài)，直到下一次再被加電才能改變其排列方式。TFT-LCD采用有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式，具有沒(méi)有簡(jiǎn)單矩陣掃描電極數(shù)的限制，可以實(shí)現(xiàn)多像素化；可以控制交調(diào)失真，對(duì)比度高；亮度高，響應(yīng)時(shí)間快；可實(shí)現(xiàn)大型化和彩色化；可實(shí)現(xiàn)高可靠性和低成本的特點(diǎn)。隨著TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和壯大，以TFT-LCD為代表的平板顯示已替代CRT成為顯示領(lǐng)域的主流。同時(shí)，TFT-LCD作為電子信息產(chǎn)業(yè)的支柱與核心基礎(chǔ)，正以其輻射范圍廣、拉動(dòng)效應(yīng)顯著等特點(diǎn)，極大地推動(dòng)著新材料、新裝備、智能化軟件以及系統(tǒng)應(yīng)用等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。2發(fā)展歷程2.1液晶發(fā)展歷程1888年奧地利植物學(xué)家F.Reinitzer發(fā)現(xiàn)各向同性液體在觀察從植物中分離精制出的膽甾醇苯甲酸酯的熔解行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，將此化合物加熱至145.5℃時(shí)，固體熔化并呈現(xiàn)出一種介于固相和液相之間的半熔融流動(dòng)白色濁狀液體，這種狀態(tài)一直維持到溫度升高至178.5℃時(shí)，才形成清澈的液體1889年德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann液晶在附有加裝置的偏光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)此半熔融流動(dòng)白色濁狀液體化合物具有各向異性結(jié)晶所特有的雙折射率之光學(xué)性質(zhì)，即光學(xué)各向異性并將這種類似晶體的液體命名為液晶1922年G.Friedel液晶分類完成歷史上最重要研究成果之一的液晶分類，即迄今一直被沿用的按液晶分子排列進(jìn)行的分類:近晶相、向列相和膽甾相。1933年V.FreederickszFreedericksz轉(zhuǎn)變研究了液晶在磁場(chǎng)（或電場(chǎng)）下的變形及其閾值，即所謂的Freedericksz轉(zhuǎn)變，為后來(lái)液晶顯示器的發(fā)明和廣泛應(yīng)用奠定了非常重要的理論基礎(chǔ)。1963年Williams電光效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)液晶在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生Williams疇結(jié)構(gòu)1968年美國(guó)RCA公司G.H.Heilmeir液晶顯示誕生發(fā)現(xiàn)了液晶的動(dòng)態(tài)散射（dynamicscattering，DS）效應(yīng)，首次制成了靜態(tài)圖像液晶顯示器，這標(biāo)志著液晶顯示的誕生隨后日本的Sharp、Seiko、Casio等公司大量生產(chǎn)在美國(guó)公司成果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了液晶顯示器產(chǎn)品的大量生產(chǎn)，并不斷發(fā)展。2.2驅(qū)動(dòng)發(fā)展歷程主要經(jīng)歷了無(wú)源液晶顯示（PM-LCD）到有源液晶顯示（AM-LCD）的發(fā)展過(guò)程。1971年美國(guó)Lechner有源矩陣驅(qū)動(dòng)液晶在解決了響應(yīng)速度、占空比、對(duì)比度、灰度級(jí)等限制的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)彩色視頻顯示。1972年T.P.Broay提出a-Si:HTFT-LCD的構(gòu)想表現(xiàn)出好的關(guān)態(tài)電流（<1pA）、好的開(kāi)關(guān)比（>107）、客觀的電子遷移率（0.5～1.0cm2/（V·s））以及好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)。薄膜材料化學(xué)配比失配或關(guān)態(tài)漏電流較大1980年S.W.Deppp-SiTFT達(dá)到了較高的電子遷移率。但由于該p-SiTFT采用了高溫條件下的制備工藝，。僅適用于耐高溫的襯底，而不能廣泛應(yīng)地用于廉價(jià)的玻璃基板上1982年T.Nishimura研究小組和A.Juliana提高了p-SiTFT的電子遷移率利用激光退火處理技術(shù)，進(jìn)一步提高了p-SiTFT的電子遷移率（高達(dá)400cm2/（V·s）），并降低了閾值電壓，實(shí)現(xiàn)了TFT性能的進(jìn)一步優(yōu)化。1990年，E.StuppLTp-SiTFT開(kāi)發(fā)出高溫多晶硅薄膜晶體管（HTp-SiTFT）器件；1991年，Seiko-Epson的Little等又制備出低溫多晶硅薄膜晶體管（LTp-SiTFT）器件。制備過(guò)程中卻涉及到高溫條件下的工藝環(huán)節(jié)，且生產(chǎn)成本也較高現(xiàn)狀:利用非晶硅或多晶硅材料制備而成的TFT-LCD具有分辨率高、色彩豐富、反應(yīng)速度較快、對(duì)比度和亮度都較高、屏幕可視角度大、易實(shí)現(xiàn)大面積顯示等一系列優(yōu)點(diǎn)[14]，其中，由于a-Si:HTFT具有制作工藝簡(jiǎn)單、玻璃基板成本低等多突出的優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，成為TFT-LCD中的主流技術(shù)。目前，a-Si:HTFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)已被眾多面板生產(chǎn)廠商所掌握，并進(jìn)行大批量生產(chǎn)化。3TFT-LCD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)就TFT-LCD技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)而言，主要表現(xiàn)在低成本、高解析度、高亮度、寬視角以及低功耗等方面。3.1低成本玻璃基板是生產(chǎn)TFT-LCD的重要原材料，其成本約占TFT-LCD總成本的15%～18%TFT，但影響產(chǎn)品成本的關(guān)鍵部分是生產(chǎn)技術(shù)最為核心的光刻工藝，其中，最受人們關(guān)注的就是掩模版，其質(zhì)量在很大程度上決定了TFT-LCD的品質(zhì)，而其使用數(shù)量的減少可有效削減設(shè)備投資、縮短生產(chǎn)周期目前普遍采用的5掩模版或4掩模版光刻工藝，大大地縮減了TFT-LCD生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。(圖一為TFT制造過(guò)程中掩模版使用數(shù)量在相應(yīng)減少變化圖)近年來(lái)，三星以及LGD近年來(lái)，三星以及LGD等韓國(guó)企業(yè)在3掩模版光刻工藝的開(kāi)發(fā)上取得了突破性進(jìn)展，并已宣告實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但由于3掩模版工藝技術(shù)難度大、良品率也較低，目前還在進(jìn)一步的發(fā)展和完善中。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，如果Inkjet（噴墨）打印技術(shù)取得突破，實(shí)現(xiàn)無(wú)掩模制造才是人們追求的終極目標(biāo)。圖一：TFT圖一：TFT制造過(guò)程中掩模版使用數(shù)量在相應(yīng)減少變化圖3.2高解析度為實(shí)現(xiàn)大面積高解析度的液晶顯示，通常需要采用低阻抗金屬材料、高性能開(kāi)關(guān)元件以及高精細(xì)加工技術(shù)等手段。除此之外，還有開(kāi)發(fā)LTp-SiTFT技術(shù)這一途徑。目前，已發(fā)表的p-SiTFT-LCD產(chǎn)品的解析度一般在200ppi左右。同a-SiTFT-LCD相比，LTp-SiTFT-LCD具有較小體積的薄膜晶體管及儲(chǔ)存電容器，因此，它每一英寸具有更大的穿透區(qū)，從而造就了更亮的顯示畫面，且更省電。3.3高亮度可通過(guò)增強(qiáng)背光源的亮度來(lái)提高TFT-LCD顯示畫面的亮度。然而，在液晶顯示器中，由于背光源發(fā)出的光線會(huì)受到偏光片、濾光片的吸收以及TFT陣列的遮擋（如圖2所示）等因素影響，最終只有大約5%的光線透過(guò)顯示屏得到有效利用。3.4寬視角可視角度是指剛好可以看到對(duì)比度CR≥10的畫面時(shí)，視線與垂直屏幕的平面之間的夾角。隨著TFT-LCD顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，寬視角模式已成為業(yè)界追求的目標(biāo)[。目前，主流的TFT-LCD寬視角技術(shù)有：TN+Film（寬視角補(bǔ)償膜）技術(shù)、VA（VerticalAlignment，垂直取向）技術(shù)、IPS（面內(nèi)開(kāi)關(guān)）技術(shù)以及FFS（邊緣場(chǎng)開(kāi)關(guān)）等技術(shù)。3.5低功耗由于TFT-LCD是一種被動(dòng)型顯示器件，其本身并不發(fā)光，因此背光模組在整個(gè)顯示系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色[40]。然而，液晶顯示器件總功耗的90%卻貢獻(xiàn)給了背光源，故降低液晶顯示器件功耗最為有效的方法就是降低背光源的功耗。4TFT-LCD缺陷檢測(cè)系統(tǒng)隨著TFT-LCD技術(shù)的飛速發(fā)展，提升產(chǎn)品品質(zhì)和降低成本成了行業(yè)追求的目標(biāo)。而在降低成本方面最有效、最直接的方式是提高產(chǎn)品良品率。檢測(cè)產(chǎn)品良率傳統(tǒng)方法最早采用人工作業(yè)，這不僅工作量大，而且易受到檢測(cè)人員主觀因素的影響，故人工視覺(jué)檢測(cè)越來(lái)越不能滿足當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域的要求。如何實(shí)現(xiàn)面板表面缺陷的高速自動(dòng)檢測(cè)以及成為TFT-LCD生產(chǎn)研究的重要課題之一。檢測(cè)TFT-LCD表面缺陷的方法包括自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)法、電學(xué)參數(shù)檢測(cè)法3種。為保證產(chǎn)品質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本,很多廠家和研究人員都在致力于自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的研究。接下來(lái)介紹兩種缺陷檢測(cè)方法.4.1基于圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)圖二：系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案根據(jù)TFT-LCD的分辨率要求，調(diào)整CCD相機(jī)的工作距離到合適位置，將屏放在點(diǎn)燈夾具點(diǎn)亮，采集圖像到圖像處理工控機(jī)，通過(guò)檢測(cè)體統(tǒng)得出該屏的缺陷結(jié)果，結(jié)果顯示在用戶界面。，本系統(tǒng)應(yīng)用主流點(diǎn)燈，設(shè)計(jì)的治具可對(duì)不同尺寸的TFT屏進(jìn)行亮，根據(jù)該規(guī)格的TFT-LCD屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)參數(shù)且檢測(cè)結(jié)果良好。工業(yè)攝像機(jī)按照橫向1∶6、縱向1∶6進(jìn)行取像，即圖像的每一個(gè)像素的實(shí)際分辨率為18μm×18μm。系統(tǒng)采用的2900萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)，是目前機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域最好級(jí)別的，保證了更高的檢測(cè)精度；應(yīng)用3個(gè)線程同時(shí)工作（如圖三），采集、檢測(cè)、分析同時(shí)進(jìn)行，將檢測(cè)速度至少縮減到傳統(tǒng)方法的一半，同時(shí)提高檢測(cè)精度；對(duì)TFT-LCD屏進(jìn)行缺陷檢測(cè)，需要做詳細(xì)的流程設(shè)計(jì)，檢測(cè)算法主要分為3個(gè)步驟，首先面陣CCD相機(jī)采集TFT-LCD屏圖像并提取圖像的ＲOI區(qū)域，然后對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理包括Gabor濾波、雙閾值二值化、圖像去噪、圖像形態(tài)學(xué)，最后對(duì)缺陷進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)如計(jì)算缺陷面積、形狀、灰度、坐標(biāo)、中心點(diǎn)等屬性特征提取。在提取圖像，圖像濾波，分割圖像之后，就可以對(duì)圖像進(jìn)行缺陷提取，達(dá)到檢測(cè)的目的。4.4復(fù)雜背景下系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件模塊兩部分,硬件系統(tǒng)包括載物導(dǎo)軌、高速線陣相機(jī)、輔助光源和計(jì)算機(jī);軟件模塊對(duì)系統(tǒng)采集到的圖像進(jìn)行處理、檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)等操作,缺陷圖像及檢測(cè)結(jié)果通過(guò)軟件的人機(jī)界面顯示。此系統(tǒng)利用一維傅里葉變換和全尺寸小波變換對(duì)TFT-LCD表面缺陷圖像進(jìn)行處理,能夠準(zhǔn)確提取和標(biāo)定缺陷區(qū)域,其算法識(shí)別率可達(dá)96%以上,通過(guò)對(duì)圖像掃描時(shí)間的分析,系統(tǒng)也滿足實(shí)時(shí)性的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)檢測(cè)算法具有良好的實(shí)時(shí)性與魯棒性。缺陷檢測(cè)算法主要分為3部分:首先從計(jì)算機(jī)中讀入圖像并進(jìn)入預(yù)處理,包括背景去除、對(duì)比度增強(qiáng)、圖像分割,然后進(jìn)行缺陷區(qū)域提取和噪聲去除最后統(tǒng)計(jì)缺陷檢測(cè)信息,最后對(duì)算法效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。五結(jié)語(yǔ)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，良品率不斷提高，加上一些新技術(shù)的出現(xiàn)，TFT-LCD在響應(yīng)時(shí)間、對(duì)比度、亮度、可視角度方面都有了很大的進(jìn)步，拉大了與傳統(tǒng)CRT顯示器的差距。如今，大多數(shù)主流LCD顯示器的響應(yīng)時(shí)間都降低在50ms以下，這些都為L(zhǎng)CD走向主流鋪平了道路。

LCD的應(yīng)用市場(chǎng)應(yīng)該說(shuō)是潛力巨大。LCD技術(shù)仍處在不斷發(fā)展、完善的階段，這又促使了LCD向前進(jìn)一步發(fā)展。六致謝[1]光電顯示技術(shù)，李文峰，顧潔，趙亞輝等著，清華大學(xué)出版社[2]TFT_LCD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，楊虹，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2000年06月發(fā)表[3]TFT_LCD缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的研究，王新新，電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014年3月[4]TFT_LCD生產(chǎn)及發(fā)展概況，羅麗平，現(xiàn)代顯示期刊，2013年03月發(fā)布[5]復(fù)雜背景下TFT-LCD表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，朱光，電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)2011年12月發(fā)表[6]LCDbrightnessdecayduetoparticulatecontaminationofbacklightunit，SanghoonKim，JournaloftheKoreanPhysicalSociety,2013,Vol.62(2)[7]AHierarchyPlanningModelforTFT-LCDProductionChain,HYPERLINK"/result.aspx?q=%e4%bd%