TFTLCD显示器工作原理及发展趋势课件.ppt

1、TFT LCD 显示器工作原理及发展趋势 n一、TFT LCD 显示器工作原理n二、TFT LCD 显示器发展趋势一、TFT LCD 显示器工作原理n（一）显示器成像原理n（二）TFT LCD 成像原理n（三）TFT LCD 显示器工作原理（一）CRT 显示器成像原理n 显示器是电脑输出设备的一种，它将电脑执行的结果显示在用户面前，因此又称为显示器。而显示器必须借由显卡将各种输出信号传递至显示器上面，因此这两者乃相辅相成，缺一不可。n 显示卡把需要显示的图象存储在显存中，由程序计数器逐个位元读出数值，由D/A转换器(数字信号和模拟信号转换器)转换为电压变化的输出。n读出的顺序对应于图象为从左到

2、右一整行后，再到下一行，直至右下角最后一个象点。再回到左上角象点读出，电压的输出分红、绿、蓝三个通道，对应每一色，光亮度越高，输出的电压越高，通常输出电压范围(国际标准为0-0.7V或0-0.1V)此三通道电压由信号线的1、2、3号脚输入到显示器。显示卡CPUD/AMonitor三色成像原理n 在CRT 显示器内，3支电子枪把电子发射到涂有荧光粉的CRT（阴极射线管）的内壁，击中的区域被“点亮”，分别发出红色光、绿色光、和兰色光。这3支电子枪、荫罩以及荧光粉涂布的顺序经过了特殊的安排，使每一支电子枪都只能击中符合要求的区域，形成符合要求的色斑。色斑按行和列进行排列，显示屏上最小的看起来只能显示

3、一种颜色的区域，实际上是有3种色斑组成，叫做“三元点”。图象放大电路把0-0.7V电压转换为约0-40V，用于调节电子枪电子束的强弱，电子束对荧幕的荧光粉进行扫描。在时间、位置上与显卡的读出一一对应，称为同步。同步又分水平同步和垂直同步，分别标定每一行的起始点，和每一幅图象的行。从电子枪中发射出来的电子流从一行的一边向另一边偏转，形成“三元点”的轨迹，即扫描线。电子束对荧幕的扫描通过电场（静电偏转）或磁场（磁偏转）的控制。静电偏转特点反应快、角度小，极均匀，通常用于测量仪器（示波器为典型例子）。磁偏转反应慢（每秒十三个来回）均匀度稍差（需加复杂枕形校正），偏转角度大，可偏转角度90度-110度

4、,显示器通常用90度磁偏转系统，110度用于大屏幕电视机。逐行扫描就形成了我们看到的图像。（二）TFT LCD 成像原理n LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器使用了目前最新的全彩显示技术。n TFT LCD显示器的“核心”液晶屏的结构是在两块玻璃基板中间充斥着运动的液晶分子。信号电压直接控制薄膜晶体管的开关状态，再利用晶体管控制液晶分子，来实现图像的显示。n 基本上，整个液晶显示技术的概念是利用液晶的物理特性：通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。就技术面而言，液晶面板包含了两片相当精致的无钠

5、玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。什么是液晶n液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特性。它的物理特性包括：黏性（visco-sity）、弹性（elasticity）和极化性（polarizalility）。n其黏性和弹性，使其对于方向不同的作用力具有不同的效果，可实现流动自由能最低的物理模型及产生自然偏转现象。n极化性使液晶在受到外加电场作用时，很容易产生感应偶极性，形成光电效应。n总之，利用液晶的光电效应，籍由外部电压的控制，再通过液晶分子的折射特性，及对光线

6、的旋转能力来获得亮暗情况，达到显像目的。LCD显示器的种类根据LCD显示器的驱动方式分类：n静态驱动（Static）n单纯矩阵驱动（Simple Matrix）扭转式向列型（Twisted Nematic）、超扭转式向列型（Super Twisted Nematic）等n主动矩阵驱动（Active Matrix）薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor）、二端子二极管型（Metal/Insulator/Metal）目前电脑显示器主要采用TFT LCD，它具有高对比度、色彩丰富、可全彩化、动态显示、视角较广（80度以下）等特性LCD关键技术n LCD技术的第一个要点是要将液晶灌入

7、两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(90度相交)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD关键技术n LCD的第二个原理是它依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两

8、个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。（如图）LCD 关键技术nLCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。LCD技术缺陷n 规则LCD遵守一系列与CRT显示不同的规则。LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角

9、不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40-60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。n 另一方面，LCD屏的液晶单元极易出现暇疵。对1024x768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构

10、成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(1024x768x3=2359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分己经短路(出现亮点)，或者断路(出现黑点)。有些顾客可能认为如此高昂的价格应该买到完美的LCD显示屏-很不幸这不是现实，最多能挑到暇点不特别明显的屏幕而已。LCD技术缺陷n LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有些时候，我们会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条。也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案(比如经抖动处理的图像)

11、可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。另外还有一个视角或者观察角度的问题。LCD之所以存在视角问题，是由于它采用的是光线透射机制，会对穿过屏幕的光线进行调节。而CRT是一种光线发射系统。对CRT来说，屏幕背后的特殊材料(荧光粉)能主动发射出光线。而在LCD中，虽然光线能穿透正确的像素，但倾斜的光线也会穿透相邻的像素，所以从正常视角之外观看时会发现颜色严重失真。LCD的性能参数与CRT有较大区别n主要反映在色度（色彩多少种或多少位）、分辨率、像素点距、刷新频率、防眩防反、观察屏幕视角等方面。n1、分辨率：LCD的分辨率与CRT显示器不同，一般不能任意调整，它是制造商所设置和规定的。分辨率是

12、指屏幕上每行有多少像素点、每列有多少像素点，一般用矩阵行列式来表示，其中每个像素点都能被计算机单独访问。现在LCD的分辨率一般是800点600行的SVGA显示模式和1024点768行的XGA显示模式。2、刷新率：LCD刷新频率是指显示帧频，亦即每个像素为该频率所刷新的时间，与屏幕扫描速度及避免屏幕闪烁的能力相关。也就是说刷新频率过低，可能出现屏幕图像闪烁或抖动。n3、防眩光防反射：防眩光防反射主要是为了减轻用户眼睛疲劳所增设的功能。由于LCD屏幕的物理结构特点，屏幕的前景反光，屏幕的背景光与漏光，以及像素自身的对比度和亮度都将对用户眼睛产生不同程度的反射和眩光。特别是视角改变时，表现更明显。4

13、、观察屏幕视角：是指操作员可以从不同的方向清晰地观察屏幕上所有内容的角度，这与LCD是双层超扭曲向列(Double Super Twist Nematic)还是薄膜式晶体管(Thin Film Transister)有很大关系。因为前者是靠屏幕两边的晶体管扫描屏幕发光，后者是靠自身每个像素后面的晶体管发光，其对比度和亮度的差别，决定了它们观察屏幕的视角有较大区别。DSTNLCD一般只有60度，TFTLCD则有160度。n5、可视角度：一般而言，LCD的可视角度都是左右对称的，但上下可就不一定了。而且，常常是上下角度小于左右角度。当然了，可视角是愈大愈好。然而，大家必须要了解的是可视角的定义。当

14、我们说可视角是左右80度时，表示站在始于屏幕法线80度的位置时仍可清晰看见屏幕图像，但每个人的视力不同；因此我们以对比度为准。在最大可视角时所量到的对比愈大愈好。一般而言，业界有CR3 10及CR3 5两种标准(CR is Contrast Ratio 即对比度)。6、亮度、对比度：TFT液晶显示器的可接受亮度为150cd/m2以上，目前国内能见到的TFT液晶显示器亮度都在200cd/m2左右，亮度低一点则感觉暗，再亮当然更好，然而对绝大多数用户而言却没有什么实际意义。n7、响应时间：响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各象素点对输入信号反应的速度，即pixel由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时

15、间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。一般会将反应速率分为两个部份：Rising 和Falling；而表示时以两者之和为准。8、显示色素：几乎所有15英寸 LCD都只能显示高彩(256K)，因此许多厂商使用了所谓的FRC(Frame Rate Control)技术以仿真的方式来表现出全彩的画面。当然，此全彩画面必须依赖显示卡的显存，并非使用者的显示卡可支持16百万色全彩就能使LCD 显示出全彩。二、TFT LCD 显示器发展趋势 LCD 发展优势 n由于计算技术的发展和对图像清晰度、保真度的要求越来越高，液晶显示器作为一种比较时尚的产品备受人们的青睐。n虽然从侧面观看屏幕的时候，

16、液晶屏的亮度和色彩度都有很大的失真，早期的可视偏转角度只有90度的液晶显示器尤为明显。而且刷新率不足。在视频播放和游戏时，刷新频率无法保证画面的连贯，这对液晶显示器来说也是一个难以克服的问题。n但是经过不断努力，更多新技术的液晶显示器比起以前的产品在性能上有了很大的提高。n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。n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

17、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。n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。应用范围广最初的

18、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。n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

19、实现12801024分辨率，而通常18英寸CRT彩显上使用12801024以上分辨率的画面效果是不能完全令人满意的。n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。相反的，普通模拟接口的液晶显示器都比数字接口显示器多了一个把模拟信号转换成数字信号的模块，这样可能会产生偏移现象。“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

20、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。n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。今后发展趋势nLCD的发展有一条所谓的晶体周期曲线（Crystal Cycle），1998年上半年达于谷底，下半年开始反弹，进入一个新的成长

21、期，200O年TFTLCD产业驶入了全面高速发展的快车道。1.大屏幕（4代以上的生产线）成为TFT-LCD发展的主流产品n2OO2年西方发达国家开始禁止生产和使用阴极射线（CRT）显示器，因此15英寸以上的TFT-LCD构成的PC监视器会快速增长，以880(1000mm玻璃基板为主的第五代生产线也将登场。原来估计全球在2O05年需要6O条TFT-LCD的生产线，由于技术和市场的成熟，仅4代以上的生产线，全球就需要56条，才能满足迅速发展的显示器行业升级换代的需要。作为新兴的平板显示器产业进入21世纪，将跨入全面高速发展的黄金时代。TFT-LCD代表了一个新的技术时代，一个比CRT更加辉煌的时代

22、。2.韩国和中国台湾的TFT-LCD产业迅速发展nLG-Philps、三星电子、台湾LCD产业大规模的扩大LCD生产。业界人士称，21世纪日韩台三地将成鼎足之势。n 3.我国TFT-LCD产业蓄势待发n吉林省电子集团公司投资100亿元采用680(880mm玻璃基板的第一条第四代生产线技术的TFT-LCD，目前已投产运行，预计2002年正式建成投产后的生产能力将达到210万块模块（按15和17英寸屏计算）。n春兰电子集团与台湾剑度公司合作在上海建立3.5代TFT-LCD生产线，正在紧张筹划中；北京东方电子集团也筹划在北京建立TFT-LCD生产线。国内还有一些厂家跃跃欲试，打算引进TFT-LCD生

23、产线。4.投资TFT-LCD产业符合中国国情nTFT-LCD是集大规模半导体集成电路技术、驱动IC技术和平板光源技术于一体的高新技术产业，其科技含量、经济效益和社会效益都很突出，是现代通信和计算机等信息产业最重要的基础之一。n美国和西欧国家没有形成TFT-LCD的规模产业，不是因为TFT-LCD产业不好，而是西方国家在这一领域产业战略的失误，丧失了技术优势。日本早期果敢地对TFT-LCD进行了大规模的投资，以生产为目标解决了技术与工艺问题，把量产化作为基础研究来进行。虽然美国和欧洲在LCD方面也做了大量的工作，但由于投资力度不够，终于未成气候，许多研究成果倒被日本人所利用。他们所做的一切工作都

24、迅速地为日本人营造的规模效应所吸收，变成了投资者的财富。对于东亚的韩国和我国大陆和台湾地区，情况却不同，这一地区整体的技术水平都比较低，而TFT-LCD已经是一个成熟的产业，可以把整个生产设备和生产技术买进来，利用后发优势进行改造和再创新，以最快的方式获取科学技术的最新成果，抢入市场。5.投资TFT-LCD 商机无限nTFT技术的引进和消化吸收将带动我国光电子产业的设备制造技术、生产技术的迅速发展，带动我国信息产业的大步前进，预计“十五”期间我国将建立5-7条3.5代以上的非晶硅TFT-LCD生产线。在最近的十年内我国大陆将成为世界上液晶平板显示器的重要生产基地之一。n可以明确地说，在未来10

25、年左右的时间内，不可能有在性能上优于 TFT-LCD的商品显示器问世，而TFT-LCD却会越来越成熟。所谓的平板显示器时代，实际上就是液晶平板显示器时代。预计2O05年LCD应用的构成比为液晶监视器占31%，mobil29%，PC10%，大型AV及其它30%。如果把2005年LCD的需求换算成面积则为1998年的7倍，产值将超过5OO亿美元。液晶平板显示器具有很大优势：n（1）液晶平板显示器大规模批量生产的特性非常好，生产规模大，成品率高，自动化程度高；n（2）液晶平板显示器的集成化程度高，可靠性程度高。控制电路和驱动电路可以集成到玻璃基板上，大幅度降低生产成本和维修成本；n（3）液晶平板显示

26、器原材料来源丰富，价格低廉；n（4）液晶平板显示器采用新工艺，新技术，新材料的能力强。随着材料科学、光源技术和半导体工艺技术的同步发展，为降低成本留下了广阔的空间。n根据现在的生产技术和生产规模测算，到2002年15英寸的TFT液晶显示器的生产成本将下降到14美元左右l到20O5年30英寸以上的家用多功能数字液晶平板终端显示器（不是单一功能的大屏幕电视）的价格将不到90美元。十年以后，液晶平板显示器的价格肯定比现在的CRT还要低。nLCD产品技术为传统电子产业产品带来诸多变革，日本、韩国与中国台湾厂商已形成三强纷争的局面。对于未来桌面PC的显示设备，大屏幕CRT甚至纯平面CRT都无法与LCD相竞争，谁抢占先机谁就拥有更大的市场。不过，最终的市场的扩展速度，还要决定于CRT显示器与LCD之间价差的进一步缩小以及各大厂商的推广力度，LCD市场的形成只是一个时间问题。n十年后，液晶平板显示器将无所不在，成为人类生活中最重要，也是最常用的生活必需品。液晶平板显示器将改变整个人类的生活方式，开创人类文明新纪元。n