液晶显示技术的发明

液晶的发现是由奥地利植物学家 FReinetzer 在一百年前完成的，然而长期以来并未给人类带来多 少好处。直到 20世纪 60年代，几个年轻的电子学家才打破了沉寂。1961年，美国RCA公司普林斯顿试验室有一个年轻电子学者F -Heimeier正在准备博士论文的答辩， 他的专业是微波固体元件。他在这方面很有造诣。这天，他的一个朋友向他讲述了正在从事的有机半导 体方面的研究，跨学科的课题引起了他的极大的兴趣。他征求了导师的意见，在导师的支持、鼓励下， 他毅然放弃了学有所成的专业领域，进入了一个他还知之甚少的新领域。他把电子学方面的知识应用于 有机化学，很快便取得了成绩。不久，他对另一个新课题-激光又产生了兴趣，从而又与晶体打上了交 道。为了研究外部电场对晶体内部电场的作用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染 料的向列液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他 立刻意识到这不就是彩色平板电视吗！兴奋的小组成员与他立即开始了夜以继日的研究，他们相继发现 了液晶的动态散射和相变等一系列液晶的电光效应。并研制成功一系列数字、字符的显示器件，以及液 晶显示的钟表、驾驶台显示器等实用产品。RCA公司对他们的研究极为重视，一直将其列为企业的重大 机密项目，直到 1968 年，才在一项最新科技成果的广播报导中向世界报导。这一报导立刻引起了日本科 技界、工业界的重视。日本将当时正在兴起的大规模集成电路与液晶相结合，以”个人电子化”市场为 导向，很快开发了一系列商品化产品，打开了液晶显示实用化的局面，掌握了主动，致使这一发展势头 促成了日本微电子业的惊人发展。而在美国，RCA公司中一些生产部门的领导人一方面局限于传统的半 导体产品，一方面又过分强调了初出茅庐的液晶显示器件的缺点，以市场还未开拓为借口，极力抵毁液 晶显示的产业化。为此， 液晶小组成员开始外流， 液晶显示的专利也被卖出。据说，当70年代中期， 液晶显示已经形成一个产业的时候， RCA 公司在一次董事会上沉痛地总结，在 RCA 百年发展历史上液晶 显示技术的流失是最大的一次失误。回顾这一历史，不能不使我们感到：（1）一代新技术、新产品的问市，特别是当代高新技术产品的问市，总是由那些跨学科、跨行业的 具有创新开拓精神的年轻人来发现和完成的。（2）一个新技术的发现、发明虽然重要，但其真正的发展则必须建立在切切实实的应用技术和市场 需求的基础之上的。应用技术是高新技术产业发展的保障，市场需求是高新技术发展的动力。（3）一个企业的领导，特别是生产部门的领导，应该具有科学发展的头脑。只局限于原有的产业和 产品，被近期、表面的、暂时的利害所困扰，往往会葬送一些非常可贵、极有前途、极有生命力和极高 利润价值的新技术、新产品，造成了事业损失，抱撼终身。（4）一个突破传统束缚的发明，大都出现在那些规模不大，极有创新能力的，能够从事多学科的独 立工作小组。这些小组应该能够经受得起失败，经受得起不被承认，不被支持不被理解的一切压力LCD 概述显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管（CRT/Cathode Ray Tube ）显示器为主，但随着科技 不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由于液晶显示器（LCD ）具有轻薄短小、低耗电量、无 辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，在近年来价格不断下跌的吸引下，逐渐取代 CRT 之主流地位，显示器明日之星架势十足。那么液晶显示器与传统的显示器相比，到底有什么新的特点呢？一、显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不象阴极射线管显示器（CRT ）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低。二、没有电磁辐射 传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子束撞击荧光粉而显示，电子束在打到荧光粉上的一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有许多显示器产品在处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能 地把辐射量降到最低，但要彻底消除是困难的。相对来说，液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优势 因为它根本就不存在辐射。在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特的优势，它采用了严格的密 封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中，而普通显示器为了散发热量的需要，必须尽可能 地让内部的电路与空气接触，这样内部电路产生的电磁波也就大量地向外“泄漏”了。三、可视面积大对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。液晶显示器的可视面积跟它的对角 线尺寸相同。阴极射线管显示器显像管前面板四周有一英寸左右的边框不能用于显示。四、应用范围广最初的液晶显示器由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。随着液晶显示技术的不 断发展和进步，字符显示开始细腻起来，同时也支持基本的彩色显示，并逐步用于液晶电视、摄像机的 液晶显示器、掌上游戏机上。而随后出现的DSTN和TFT则被广泛制作成电脑中的液晶显示设备，DSTN 液晶显示屏用于早期的笔记本电脑；TFT则既应用在笔记本电脑上（现在大多数笔记本电脑都使用TFT 显示屏），又用于主流台式显示器上。五、画面效果好 与传统显示器相比，液晶显示器一开始就使用纯平面的玻璃板，其显示效果是平面直角的，让人有 一种耳目一新的感觉。而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，例如， 17 英寸的液晶显示 器就能很好地实现1280 x 1024分辨率，而通常18英寸CRT彩显上使用1280 x 1024以上分辨率的画面效 果是不能完全令人满意的。六、数字式接口液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。也就是说，使用液晶显示器，显卡再 也不需要像往常那样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。七、“身材”匀称小巧传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。液晶显示器突破了这一限制，给人一种 全新的感觉。传统显示器是通过电子枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增 加时也必然增大整个显示器的体积。而液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目 的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比的增加，而且在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得 多。八、功率消耗小 传统的显示器内部由许多电路组成，这些电路驱动着阴极射线显像管工作时，需要消耗很大的功率， 而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率肯定也会随之增大。相比而言，液晶显示器的功耗主 要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比传统显示器也要小得多。LCD 部分专业术语解释LCDLiquid Crystal Display液晶显示LCMLiquid Crystal Module液晶模块TNTwisted Nematic扭曲向列。液晶分子的扭曲取向偏转 90STN Super Twisted Nematic超级扭曲向列。约 180270扭曲向列FSTN Formulated Super Twisted Nematic格式化超级扭曲向列。一层光程补偿片加于STN,用于单色显示TFTThin Film Transistor薄膜晶体管Backlight背光Inverter逆变器OSD On Screen Display在屏上显示DVIDigital Visual Interface(VGA )数字接口ICIntegrate CircuitTCPTape Carrier PackageCOBChip On BoardCOFChip On FPCPanelinkTMDSTransition Minimized Differential SignalingLVDSLow Voltage Differential Signaling 低压差分信号集成电路柔性线路板通过邦定将 IC 裸片固定于印刷线路板上 将 IC 固定于柔性线路板 上COGChip On GlassDutyLEDLight Emitting DiodeELElectro Luminescence将芯片固定于玻璃上 占空比，高出点亮的阀值电压的部分在一个周期中所占的比率 发光二极管电致发光。EL层由高分子量薄片构成等离子显示屏阴极射线管 视频图形阵列 印刷电路板 复合视频CCFL(CCFT) Cold Cathode Fluorescent Light/Tube 冷阴极荧光灯PDP Plasma Display PanelCRTCathode Radial TubeVGAVideo Graphic ArrayPCB Printed Circuit BoardComposite video Component video S-video S 端子，与复合视频信号比，将对比和颜色分离传输NTSC National Television Systems Committee NTSC 制式,全国电视系统委员会制式 PAL Phase Alternating Line PAL 制式（逐行倒相制式）SECAM SEquential Couleur Avec Memoire SECAM 制式（顺序与存储彩色电视系统）VODVideo On Demand视频点播DPIDot Per Inch点每英寸使液晶层能稳定地工作。工作原理在TFT-LCD中，TFT的功能就是一个开关管。常用的TFT是三端器件。在玻璃基板上制作半导体层， 在两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对臵，利用施加于栅极的电压来控 制源、漏电极间的电流。对于显示屏来说，每个像素从结构上可以看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶。更重要的是从电的角度可以把它看作电容。其等效 电路为图1所示。要对j行i列的像素P( i,j)充电，就要把开关T(i,j)导通，对信号线D ( i )施加目标电压。当像素电极被充分充电后，即使 开关断开，电容中的电荷也得到保存，电极间的液晶分子继续有电场作 用。数据(列)驱动器的作用是对信号线施加目标电压，而栅极(行)驱动器的作用是起开关的导通和断开。由于加在液晶层上的电压可存储这个显示电压通过TFT也可在短时间内重新写入，因此，即使对高清晰度LCD，也能满足图像品质要求。显示图像的关键还在于液晶在电场作用下的分子取向。一般通过对基板内側的取向处理，使液晶分 子的排列产生希望的形变来实现不同的显示模式。在电场作用下，液晶分子产生取向变化，并通过与偏 振片的配合，使入射光在通过液晶层后强度发生变化。从而实现图像显示。TFT-LCD 与无源 TN-LCD、STN-LCD 的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都有一个薄膜 晶体管(TFT)，可有效地克服非选通时的串扰，使之显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大 提高了图像质量。而开关单元(即TFT )的特性，则要满足通态电阻低，闭态电阻非常大这一要求。TFT-LCD 彩色化则一般是通过加一层彩色滤光片，在显示器的前面板上实现。它要求在每个像素上 制作红、绿、蓝三色和遮光用黑矩阵。工艺技术TFT-LCD的制造工艺有以下几部分：在TFT基板上形成TFT阵列；在彩色滤光片基板上形成彩色滤 光图案及ITO导电层；用两块基板形成液晶盒；安装外围电路、组装背光源等的模块组装。1.在 TFT 基板上形成 TFT 阵列的工艺现已实现产业化的TFT类型包括：非晶硅TFT(a-Si TFT)、多晶硅TFT(p-Si TFT)、单晶硅TFT(c-SiTFT)几种。目前使用最多的仍是a-Si TFT。a-Si TFT的制造工艺是先在硼硅玻璃基板上溅射栅极材料膜，经掩膜曝光、显影、干法蚀刻后形成栅极 布线图案。一般掩膜曝光用步进曝光机。第二步是用PECVD法进行连续成膜，形成SiN膜、非掺杂a-Si x膜，掺磷n+a-Si膜。然后再进行掩膜曝光及干法蚀刻形成TFT部分的a-Si图案。第三步是用溅射成膜 法形成透明电极（ITO膜），再经掩膜曝光及湿法蚀刻形成显示电极图案。第四步栅极端部绝缘膜的接 触孔图案形成则是使用掩膜曝光及干法蚀刻法。第五步是将AL等进行溅射成膜，用掩膜曝光、蚀刻形成 TFT的源极、漏极以及信号线图案。最后用PECVD法形成保护绝缘膜，再用掩膜曝光及干法蚀刻进行绝 缘膜的蚀刻成形， （该保护膜用于对栅极以及信号线电极端部和显示电极的保护）。至此，整个工艺流程 完成。TFT 阵列工艺是 TFT-LCD 制造工艺的关键,也是设备投资最多的部分。整个工艺要求在很高的净化条 件（例如 10 级）下进行。2在彩色滤光片（CF ）基板上形成彩色滤光图案的工艺 彩色滤光片着色部分的形成方法有染料法、颜料分散法、印刷法、电解沉积法、喷墨法。目前以颜 料分散法为主。颜料分散法的第一步是将颗粒均匀的微细颜料（平均粒径小于0.1 ym） （R、G、B三色）分散在透明感光 树脂中。然后将它们依次用涂敷、曝光、显影工艺方法，依次形成R. G. B三色图案。在制造中使用光 蚀刻技术，所用装臵主要是涂敷、曝光、显影装臵。为了防止漏光，在RGB三色交界处一般都要加黑矩阵（BM）。以往多用溅射法形成单层金属鉻膜，现在 也有改用金属鉻和氧化鉻复合型的BM膜或树脂混合碳的树脂型BM。此外，还需要在BM上制做一层保护膜及形成IT0电极，由于带有彩色滤光片的基板是作为液晶屏的 前基板与带有 TFT 的后基板一起构成液晶盒。所以必须关注好定位问题，使彩色滤光片的各单元与 TFT 基板各像素相对应。3. 液晶盒的制备工艺首先是在上下基板表面分别涂敷聚酰亚胺膜并通过摩擦工艺，形成可诱导分子按要求排列的取向膜。之后在TFT阵列基板周边布好密封胶材料，并在基板上喷洒衬垫。同时在CF基板的透明电极末端涂布银 浆。然后将两块基板对位粘接，使CF图案与TFT像素图案对正，再经热处理使密封材料固化。在印 刷密封材料时，需留下注入口，以便抽真空灌注液晶。近年来, 随着技术进步和基板尺寸的不断加大, 在盒的制做工艺上也有很大的改进, 比较有代表性的 是灌晶方式的改变, 从原来的成盒后灌注改为 ODF 法, 即灌晶与成盒同步进行。另外.垫衬方式也不再采用 传统的喷洒法, 而是直接在阵列上用光刻法制作。4. 外围电路、组装背光源等的模块组装工艺在液晶盒制作工艺完成后，在面板上需要安装外围驱动电路，再在两块基板表面贴上偏振片。如果 是透射型LCD.还要安装背光源。LCD 与 CRT 显示器的区别LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器，以这技术所制造的显示器厚度比一般的CRT显示器薄很 多，因此在早期主要是用于笔记薄型电脑上，现在市面流行的为TFT-LCD显示器。TFT为薄膜电晶体， 其工作原理是在下面我再为大家解释。CRT 阴极管显示器的工作原理与电视机的显像管差不多，在真空的显像管中，把在尾端产生的电子照 射到前方的磷质显示器。传统的 CRT 显示器由于需要内藏真空显像管，因此身形比 LCD 显示器大很多， 此为 LCD 液晶显示器的其中一个优胜之处，由于体积较小，所以放臵时的弹性也较大。而次要考虑的就 是用家身体健康问题，由于传统的 CRT 显示器内含的电子光束在运作时会产生很多静电与幅射，因此长 期使用，会对眼睛有损害，造成近视等问题产生。而 LCD 液晶显示器，由于运作时无须使用电子光束， 因此没有静电与幅射这两种影响视力的问题存在。传统的 CRT 显示器一般所标示的尺寸不是荧光幕的可视范围，如以一般的 15 寸显示器为例，虽然标 明的尺寸为 15寸，但其真正的可视范围可能只有 14.1寸左右。如17寸的显示器可能只余下 15至16寸 的可视范围。但是 LCD 液晶显示屏所标示的尺寸却是实际的可视范围，如一般的 15.1寸的 LCD 液晶显示 器的可视范围是完完全全的 15.1寸，可方便用家选择。由于现今的 LCD 液晶显示器能够以数字形式运作，但是由于要另购有数字插头的显示卡，所以现时 的插头还是以传统的D-Sub为主。到底使用数字介面有何好处？好处就是如果显示器与显示卡双方也使 用数字介面的话，在传输的过程中，便不会有信号的流失。同时，由于数字插头生产时所须使用的元件 较少，所以可有助减轻成本。虽然现今大多数的液晶显示器能兼容现时流行的 D-Sub 插头，但其余的类 比与数字的显示器插头之多却令人眼花撩乱。是传统的类比式的显示器插头，虽然不论用在传统的 CRT 显示器或是今次的主题 LCD 显示器，使用数字化接头的画质绝对比传统类比式的接头佳。但是如要使用 新式的数字插头便需要购买设有该插头的显示卡，大大增加了整体的成本，因此厂商依然在设计时保留 D-Sub 插头，但当使用时可能会受干扰而使影像失真。刷新频率也就是显示器的垂直扫描频率（场频），它是指每秒内电子枪对整个屏幕进行扫描的次数 以Hz （赫兹）为单位。对于CRT显示器来说，CRT显示器上显示的图像是由很多荧光点组成，每个荧光 点都在电子束的击打下发光，不过荧光点发光的时间很短，所以要不断地有电子束刷新击打荧光粉使之 持续发光，而只有刷新够快，人眼才能看到持续更稳定的画面，才不会感觉到画面的闪烁和抖动，眼睛 也就不容易疲劳。所以 CRT 显示器的刷新率在相关分辨率下不低于 85Hz 才能让人眼看着更舒服。和 CRT 显示器将画面分成若干“扫描线”来进行刷新会出现画面闪烁的问题相比， LCD 产生图像不 是通过电子枪扫描，而是通过控制是否透光来控制亮和暗，所以 LCD 的刷新是对整幅的画面进行刷新， LCD即使在较低的刷新率（如60Hz ）下，也不会出现闪烁的现象，图像稳定。