TFT-LCD生产及发展概况

摘 要：文章简要概述了薄膜晶体管液晶显示器（thin-film transistor liquid crystal display，TFT-LCD）的发展历程，并从生产成本、屏幕解析度、亮度、视角以及功耗等多个方面阐述了国内外TFT-LCD的发展概况。

关键词： TFT-LCD；发展；概况

中图分类号：TN141.9 文献标识码：B

The Manufacturing and Developing of the TFT-LCD

LUO Li-ping, YUN Xiang-nan, KIM Ki-yong

（Beijing BOE Display Technology Co., Ltd., Beijing 100176, China）

Abstract: The developing of the Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display (TFT-LCD) has been simply summarized. At the same time, the developing profile of TFT-LCD for cost of production, resolution of screen, brightness, angle of vision, and power consumption, etc. was also introduced.

Keywords: TFT-LCD; Development; Profile

1 历史回顾

1888年，奥地利植物学家F. Reinitzer在观察从植物中分离精制出的胆甾醇苯甲酸酯（Cholesteryl Benzoate）的熔解行为时发现，将此化合物加热至145.5℃时，固体熔化并呈现出一种介于固相和液相之间的半熔融流动白色浊状液体，这种状态一直维持到温度升高至178.5℃时，才形成清澈的各向同性液体（Isotropic Liquid）。1889年，德国物理学家O. Lehmann在附有加热装置的偏光显微镜下观察，发现此半熔融流动白色浊状液体化合物具有各向异性结晶所特有的双折射率（Birefringence）之光学性质，即光学各向异性（Optical Anisotropic），并将这种类似晶体的液体命名为液晶（Liquid Crystal）[1]。在液晶发现之后，研究者们进行了大量的实验室研究，并合成了大量种类繁多的新型液晶化合物。1922年，G. Friedel完成了历史上最重要研究成果之一的液晶分类，即迄今一直被沿用的按液晶分子排列进行的分类：近晶相（Smectic）、向列相（Nematic）和胆甾相（Cholesteric）。1933年，V. Freedericksz等[2]研究了液晶在磁场（或电场）下的变形及其阈值，即所谓的Freedericksz转变，为后来液晶显示器的发明和广泛应用奠定了非常重要的理论基础。1963年，Williams等研究发现液晶在电场的作用下会产生Williams畴结构[3]，即电光效应。1968年，美国RCA公司的G. H. Heilmeir等[4-5]发现了液晶的动态散射（dynamic scattering，DS）效应，首次制成了静态图像液晶显示器，这标志着液晶显示的诞生。随后，日本的Sharp、Seiko、Casio等公司在美国公司成果的基础上，实现了液晶显示器产品的大量生产，并不断发展[6]。

在驱动方面，主要经历了无源液晶显示（PM-LCD）到有源液晶显示（AM-LCD）的发展过程。1971年，美国Lechner提出了应用有源矩阵驱动液晶的显示模式。这种新型的驱动模式，在解决了响应速度、占空比、对比度、灰度级等限制的同时，还实现了高品质彩显示。

众所周知，TFT有源矩阵液晶显示主要有以下几种模式：CdSe TFT方式[7]、Te TFT方式[8]、a-Si TFT方式以及p-Si TFT方式等。由于前两种方式存在薄膜材料化学配比失配或关态漏电流较大等缺点，未能得到进一步的发展和应用[9]。1972年，T. P. Broay等提出a-Si:H TFT-LCD的构想[10]，这种结构表现出好的关态电流（107）、客观的电子迁移率（0.5～1.0cm2/（V・s））以及好的稳定性等特点。基于对TFT综合性能不断提升的追求和探索，1980年，S. W. Depp等[11]成功研制出p-Si TFT，达到了较高的电子迁移率。但由于该p-Si TFT采用了高温条件下的制备工艺，仅适用于耐高温的衬底，而不能广泛应地用于廉价的玻璃基板上。1982年，T. Nishimura研究小组和A. Juliana等[12]利用激光退火处理技术，进一步提高了p-Si TFT的电子迁移率（高达400cm2/（V・s）），并降低了阈值电压，实现了TFT性能的进一步优化。1990年，E. Stupp等[13]开发出高温多晶硅薄膜晶体管（HT p-Si TFT）器件；1991年，Seiko-Epson的Little等又制备出低温多晶硅薄膜晶体管（LT p-Si TFT）器件。由于HT p-Si TFT和LT p-Si TFT均显示出非常优异的性能，几乎可满足驱动液晶显示的所有要求，包括集成周边驱动电路，然而两者在制备过程中却涉及到高温条件下的工艺环节，且生产成本也较高，从而限制了其广泛应用。

利用非晶硅或多晶硅材料制备而成的TFT-LCD具有分辨率高、色彩丰富、反应速度较快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、易实现大面积显示等一系列优点[14]，其中，由于a-Si:H TFT具有制作工艺简单、玻璃基板成本低等诸多突出的优点而备受关注，成为TFT-LCD中的主流技术。目前，a-Si:H TFT-LCD生产技术已被众多面板生产厂商所掌握，并进行大批量生产化。

2 TFT-LCD技术发展趋势

随着TFT-LCD在电视、手机、笔记本电脑、显示器以及手持终端设备等领域的广泛应用，近年来发展迅猛，已受到人们的广泛关注[15]。就TFT-LCD技术未来的发展趋势而言，主要表现在低成本、高解析度、高亮度、宽视角以及低功耗等方面。

2.1 低成本

一般而言，降低成本已成为企业赖以生存的重要法则。纵观TFT-LCD的发展历程，不难发现，增大玻璃基板尺寸、减少掩模版数量、提升基台产能和产品良率以及就近采购原材料等方式，是众多TFT-LCD生产企业不断努力的方向。

玻璃基板是生产TFT-LCD的重要原材料，其成本约占TFT-LCD总成本的15%～18%[16]，从第一代线（300mm×400mm）发展到如今的第十代线（2,850mm×3,050mm），才经历了短短的二十年时间。然而，由于TFT-LCD用玻璃基板对化学组成、性能以及生产工艺条件都要求极高，使得全球的TFT-LCD用玻璃基板生产技术和市场长期以来都一直被美国康宁、日本旭硝子和电气硝子等少数几家企业所垄断[17]。在市场发展的强烈推动下，我国大陆于2007年也开始积极参与到TFT-LCD用玻璃基板的研发和生产行列中，目前在国内已建成以合肥彩虹玻璃基板为代表的多条五代及以上的TFT-LCD玻璃基板生产线，并计划于2011年下半年启动两条8.5代高世代液晶玻璃基板生产线项目。这为我国大陆TFT-LCD生产企业上游原材料本地化配套、大幅度降低制造成本提供了重要保障。

TFT生产技术最为核心的部分是光刻工艺，它既是决定产品品质的重要环节，也是影响产品成本的关键部分[15]。而在光刻工艺中，最受人们关注的就是掩模版，其质量在很大程度上决定了TFT-LCD的品质，而其使用数量的减少可有效削减设备投资、缩短生产周期[18-20]。随着TFT结构的变化和生产工艺的改进，其制造过程中使用掩模版的数量也在相应地减少，如图1所示。由此可见，TFT生产工艺从早期的8掩模版或7掩模版光刻工艺发展到目前普遍采用的5掩模版或4掩模版光刻工艺，大大地缩减了TFT-LCD生产周期和生产成本。

目前，4掩模版光刻工艺已成为业界主流，比如日本、韩国企业以及中国大陆的京东方等，均先后采用了4掩模版光刻工艺。为了不断降低生产成本，人们一直在努力探索如何进一步减少光刻工艺流程中掩模版的使用数量。近年来，三星以及LGD等韩国企业在3掩模版光刻工艺的开发上取得了突破性进展，并已宣告实现量产[19-20]，但由于3掩模版工艺技术难度大、良品率也较低，目前还在进一步的发展和完善中。从长远的发展来看，如果Inkjet（喷墨）打印技术取得突破，实现无掩模制造才是人们追求的终极目标[18]。

2.2 高解析度

为实现大面积高解析度的液晶显示，通常需要采用低阻抗金属材料、高性能开关元件以及高精细加工技术等手段。在低阻抗金属制作TFT总线上，目前研究和使用较多的材料是铝。通过围绕解决铝易形成小丘、化学腐蚀以及氧化等问题，先后报道了合金法（如Al-Cu、Al-Si、Al-Nd以及Al-Ti等）和夹层法（如Mo/Al/Mo、Cr/Al/Cr以及Ti/Al/Ti等），合金法在工艺上相对比较简单，但材料的电阻率较高。1998年5月，IBM利用Al-Nd合金作为栅电极，开发出16.3英寸超高解析度（200ppi）a-Si TFT显示器，并已实现批量生产。1999年4月，东芝推出的20.8英寸16-SVGA（3,200×2,400）a-Si TFT-LCD，可谓是代表了a-Si TFT-LCD在高解析度和高容量方面的最高水平[21]。

根据DisplaySearch在2011年第三季度全球平板显示器的研究调查报告"Quarterly Worldwide Flat Panel Display Forecast Report"中指出，在大尺寸液晶面板（>9.1英寸）中平均每英寸像素（ppi）将从2010年的88ppi，至2015年成长到98ppi。而中小尺寸液晶面板（

实现高解析度液晶显示的另一重要途径是开发LT p-Si TFT技术。目前，已发表的p-Si TFT-LCD产品的解析度一般在200ppi左右。同a-Si TFT-LCD相比，LT p-Si TFT-LCD具有较小体积的薄膜晶体管及储存电容器，因此，它每一英寸具有更大的穿透区，从而造就了更亮的显示画面，且更省电。当市场需求更高的ppi时，低温多晶硅（LTPS）技术就成为制造高分辨率薄膜晶体管液晶显示器的最佳选择。

2.3 高亮度

液晶显示器本身是非发光性器件，所以不便在暗处使用，为提高易见性，需借助背光源从背面均匀照射显示面。因此，我们可通过增强背光源的亮度来提高TFT-LCD显示画面的亮度。然而，在液晶显示器中，由于背光源发出的光线会受到偏光片、滤光片的吸收以及TFT阵列的遮挡（如图2所示）等因素影响，最终只有大约5%的光线透过显示屏得到有效利用。此外，在大尺寸液晶显示器中，背光源是成本最高的部件，并且在工作中的能耗可占到整块液晶显示屏能耗的90%[23]。由此可见，通过增强背光源的亮度来提高TFT-LCD显示画面的亮度可能会付出较高的代价，而通过提高光透过率才是当前液晶显示产业的一个重要发展方向。目前，在液晶面板生产中，通过提高像素开口率，采用低阻抗总线、CF on Array以及高穿透率偏光片等方式，均可实现TFT-LCD高亮度的要求。

采用LT p-Si技术所制造的TFT-LCD面板具有极佳的屏幕显示效果以及高的电子迁移率（～200cm2/（V・s））。高的电子迁移率不但可以整合玻璃基板上的电路系统，更可减小TFT的尺寸，因此可达到较高的开口率，从而提高屏幕显示的亮度。此外，LT p-Si技术亦可将驱动电路整合到玻璃基板上，藉此可减少模块外部的连接点及缩小模块的外框尺寸，从而降低制造成本。

CF on Array（COA）技术是另一种制造滤光膜的技术，主要代表是三星和东芝。该技术通过将RGB像素和黑矩阵（black matrix， BM）从普通的公共电极玻璃基板转移到TFT Array玻璃基板上，从而实现增加开口率以增大光透过率和对比度的目的。由于直接在TFT Array基板上制备RGB像素和BM，这就使得其与ITO像素电极的对位精度要求可大幅度降低，BM与ITO像素电极的交叠区域也就可以大幅度减小，从而使得像素的开口率大幅度提高[24]。然而，COA技术对生产工艺提出了很大的挑战，其中最大的问题就是会降低生产率，因此该技术还暂未得到广泛的应用[23]。

偏光片（Polarizer）是液晶面板的关键零部件，它是将聚乙烯醇（PVA）拉伸膜和醋酸纤维素膜（TAC）经多次复合、拉伸以及涂布等工艺制成的一种复合材料，可实现液晶显示高亮度、高对比度特性。由于其成本约占面板原材料总成本高达7%左右，因此偏光片已成为当前业界投资最为热门的领域之一[25]。目前，偏光片生产企业主要是通过提升偏光片原材料的性能和不断改良生产工艺，来提高其偏振度及光透过率，已达到几乎接近理论值（偏振度100%，透过率50%）的水平。

2.4 宽视角

可视角度是指刚好可以看到对比度CR≥10的画面时，视线与垂直屏幕的平面之间的夹角。随着TFT-LCD显示技术的不断发展，宽视角模式已成为业界追求的目标[26]。目前，主流的TFT-LCD宽视角技术有：TN+Film（宽视角补偿膜）技术、VA（Vertical Alignment，垂直取向）技术、IPS（In Plane Switching，面内开关）技术以及FFS（Fringe Field Switching，边缘场开关）等技术。

从技术角度来看，TN+Film是宽视角模式中最为简单的一种，它通过在TFT-TN液晶盒表面贴附一层所谓转向膜的特殊薄膜，便可实现将水平视角从90～140°的扩展。由于TN+Film模式的产品良品率高，成本低，因此广泛运用于中低端液晶市场，如笔记本电脑、液晶显示器等。不过TN+Film技术的缺点也比较明显，即无法改善相对较低的对比度和缓慢的反应时间等缺陷。

VA模式是电控双折射方式中的一种。在VA型显示模式中，MVA（Multi-Domain Vertical Alignment）的应用最为广泛，它是由日本富士通于1996年推出的可兼顾视角和反应时间两个方面的一种宽视角技术。在MVA模式中，当面板未加电场时，其液晶分子长轴沿垂直于液晶盒的方向排列；而加上电场时，液晶分子将朝不同方向偏转，这样在不同的角度观察液晶屏幕都可以获得相应方向的补偿，从而达到改善可视角度的目的。由于MVA模式的产品具有高对比度（≥800:1）、宽视角（≥160°）、高分辨率、响应速度快（～8ms）以及成本低等一系列优点，已成为我国台湾面板企业普遍采用的液晶显示模式[26]。

1973年，美国的R. A. Soref[28]在研究由平行电极所产生的横向电场下液晶的光电特性时，首次提出IPS模式的横向电场驱动观念。1992年，德国的G. Baur等[29]利用计算机进行仿真验证，指出IPS有助于改善LCD的视角特性。1995年，日立公司的M. Oh-e等[30]开始研究将IPS应用于TFT-LCD面板，并于次年成功开发出第一块IPS面板产品，拉开了IPS技术广泛应用的序幕。

IPS技术通过制备在同一基板上的正负电极来产生横向水平电场，使得无论电场在ON或OFF状态下，均能让液晶分子始终保持在水平方向旋转，即液晶分子只在水平位置取向，因此，光学特性随视角的变化改变非常小，在大尺寸面板应用上不需要额外增加补偿膜，仍具有广视角、高对比度的显示特性[31]。IPS技术自推出后的十多年来，得到了持续改进和不断发展。1997年，S. Aratani等[32]提出S-IPS（Super-IPS）模式，在很大程度上改善了色差问题，使得S-IPS成为具有广视角、低色差的优越的宽视角技术。2003年，Y. Nakayoshi等[33]开发出搭载AS-IPS（Advanced Super-IPS）技术的液晶面板，可使S-IPS的穿透率提升约30%。2006年，我国台湾瀚宇彩晶公司的林俊雄等[34-35]在AS-IPS技术的基础上，成功开发出AS-NOOC（Advanced Super Non-Organic Overcoat）的IPS面板，光透过率比AS-IPS提升约10.8%，视角超过176°，同时具有更低的成本和更佳的色彩再现稳定性等优异性能。目前，IPS模式已成为TFT-LCD实现宽视角效果最好的模式之一。

FFS技术的基本原理与IPS相同，是IPS的衍生技术，由HYDIS于1996年首次提出的一种宽视角模式。该技术通过将IPS的金属电极替换为透明的ITO电极，并减小电极自身的宽度等改善措施，从而实现更高的开口率以增加光透过率，具有接近180°的极限视角。2010年6月，京东方的李文兵等[27]报道了采用Advanced-FFS技术研制出32英寸LED背光源的LCD-TV，其色域达到了105%，对比度达到1,200:1，在对比度为100时，视角达到140°；对比度为10时，视角可达到178°。由于FFS模式具有高透光率、宽视角、高亮度、高色彩还原性、响应速度快以及能耗低等诸多突出优点，特别适合于液晶电视面板等高阶解决方案。

由于平板电脑、智能手机的快速成长，使得广视角面板的需求量也持续增加。根据DisplaySearch的统计，IPS/FFS液晶面板在Mobile PC的渗透率将由2011年的11%，预期至2014年将达到20%（如图3所示）。在中小尺寸液晶面板市场，IPS/FFS面板持续应用于智能手机、数码相机、车载监视器、摄录像机等领域，预计将来IPS/FFS面板在这些应用市场的渗透率也会持续提高。在液晶电视市场，IPS/FFS一直是主流应用技术之一，其面板的渗透率在2011年已达到31%。随着京东方2011年32英寸FFS电视面板开始出货，预计未来几年IPS/FFS在电视市场的渗透将会持续成长。

2.5 低功耗

随着笔记本电脑、手机、MP4等便携式电子设备的不断普及和发展，液晶显示由于具有轻薄的特点而使其成为继CRT显示之后最受欢迎的显示器件[36-38]，而低功耗设计也将为TFT-LCD应用带来广阔的前景[39]。人们通过采用低压液晶、高效率背光源以及反射式LCD等手段，均可实现降低功耗和节约成本的目的。

由于TFT-LCD是一种被动型显示器件，其本身并不发光，因此背光模组在整个显示系统中扮演着十分重要的角色[40]。然而，液晶显示器件总功耗的90%却贡献给了背光源，故降低液晶显示器件功耗最为有效的方法就是降低背光源的功耗。2008年5月，C. C. Lai等[41]提出自适性调节技术，通过背光模组的自适性调节算法可使背光源的功耗降低幅度超过31%，同时还可提高图像对比度约20.75%，是一种有效降低TFT-LCD功耗的方法。为了提高增益和输出电压精度以及降低静态电流，2008年10月，叶强等[42-43]设计出一种采用双重自适应补偿的低静态电流的低压差线性稳压器（LDO），试验表明这种补偿方法几乎不消耗额外电流，因而极其适合TFT-LCD低功耗的设计需求。

传统的冷阴极荧光灯（cold cathode fluorescent lamp，CCFL）凭借其发光效率高、成本低、电气特性稳定、使用寿命长以及技术成熟等优势，一直以来为液晶显示器件背光源的最佳选择之一[44-45]。然而，由于CCFL所使用的点灯介质水银具有剧毒性，易对环境造成污染，且CCFL的功耗也较大，因此，近年来被认为是CCFL的理想替代品――发光二极管（light emitting diode，LED）逐渐在液晶显示器件中得到应用和发展。此外，LED还具有寿命长、驱动电压低、色彩还原性好以及功耗低等突出优点，越来越受到人们的广泛关注。2011年8月，京东方的乔中莲等[46]设计出32英寸超薄液晶电视用低功耗LED背光模组，总功率只有34.85W，为目前市场上同尺寸LED背光模组的1/2，且使用的LED数量较少，同时背光模组的成本更低，热现象容易解决，是一款更适合市场需求的产品。

常见的TFT-LCD采用背光源透射LCD面板，实现高分辨率、高亮度显示功能，但美中不足的是其功耗较大，且占据一定的空间。自二十世纪九十年代开始，人们就试图通过不使用背光源的方法，探讨实现薄型化、重量轻和功耗低的新型TFT-LCD。由于这种方法是利用并调制周围环境的光线反射显示图像，故称作反射式TFT-LCD[47]。一般地，印刷品的反射率为50%～80%，对比度约为5:1，因反射式彩色LCD显示的最终目标是取代印刷品，所以在技术开发中，反射率和对比度就成为最重要的考察指标。1999年的SID会议上，IBM发表了4英寸的TFT-LCD原型样机，单色反射率达到60%，对比度为8:1。近年来，夏普的K. Minoura等[48]采用一种聚合物网格液晶材料（PNLC）制备出具有超低功耗的RLCD，其单色反射率为50%，对比度为10:1，显示时钟频率为1Hz的单色图像的功耗为10μW，同时还具有良好的可视性、运动图像显示以及较宽的工作温度范围等特性，可谓是未来移动显示器件的潜力平台。

3 结 论

随着TFT-LCD产业的不断发展和壮大，以TFT-LCD为代表的平板显示目前已替代CRT成为显示领域的主流。同时，TFT-LCD作为电子信息产业的支柱与核心基础，正以其辐射范围广、拉动效应显著等特点，极大地推动着新材料、新装备、智能化软件以及系统应用等领域的蓬勃发展。

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