TFT

TFT

TFT(Thin Film Transistor)是薄膜電晶體[半導體器件]的縮寫。TFT式顯示屏是各類筆記本電腦和台式機上的主流顯示設備,該類顯示屏上的每個液晶像素點都是由集成在像素點後面的薄膜電晶體來驅動,因此TFT式顯示屏也是一類有源矩陣液晶顯示設備。是最好的LCD彩色顯示器之一,TFT式顯示器具有高回響度、高亮度、高對比度等優點,其顯示效果接近CRT式顯示器。同時,TFT式螢幕也普遍套用於中高端彩屏手機中,分65536 色、16 萬色,1600萬色三種,其顯示效果非常出色。TFT是指液晶顯示器上的每一液晶像素點都是由集成在其後的薄膜電晶體來驅動。從而可以做到高速度高亮度高對比度顯示螢幕信息,TFT-LCD(薄膜電晶體液晶顯示器)是多數液晶顯示器的一種。

基本信息

概述

技術解析

TFTTFT
TFT(ThinFilmTransistor)LCD即薄膜電晶體LCD,是有源矩陣類型液晶顯示器(AM-LCD)中的一種。

和TN技術不同的是,TFT的顯示採用“背透式”照射方式——假想的光源路徑不是像TN液晶那樣從上至下,而是從下向上。這樣的作法是在液晶的背部設定特殊光管,光源照射時通過下偏光板向上透出。由於上下夾層的電極改成FET電極和共通電極,在FET電極導通時,液晶分子的表現也會發生改變,可以通過遮光和透光來達到顯示的目的,回響時間大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的對比度和更豐富的色彩,螢屏更新頻率也更快,故TFT俗稱“真彩”。

相對於DSTN而言,TFT-LCD的主要特點是為每個像素配置一個半導體開關器件。由於每個像素都可以通過點脈衝直接控制。因而每個節點都相對獨立,並可以進行連續控制。這樣的設計方法不僅提高了顯示屏的反應速度,同時也可以精確控制顯示灰度,這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。

目前絕大部分筆記本電腦廠商的產品都採用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用於筆記本電腦的製造。儘管在當時TFT相對於DSTN具有極大的優勢,但是由於技術上的原因,TFT-LCD在回響時間、亮度及可視角度上與傳統的CRT顯示器還有很大的差距。加上極低的成品率導致其高昂的價格,使得桌面型的TFT-LCD成為遙不可及的尤物。

不過,隨著技術的不斷發展,良品率不斷提高,加上一些新技術的出現,使得TFT-LCD在回響時間、對比度、亮度、可視角度方面有了很大的進步,拉近了與傳統CRT顯示器的差距。如今,大多數主流LCD顯示器的回響時間都提高到50ms以下,這些都為LCD走向主流鋪平了道路。

LCD的套用市場應該說是潛力巨大。但就液晶面板生產能力而言,全世界的LCD主要集中在中國台灣、韓國和日本三個主要生產基地。亞洲是LCD面板研發及生產製造的中心,而台、日、韓三大產地的發展情況各有不同。

主流的TFT面板有a-Si(非晶矽薄膜電晶體)。

TFT技術

TFTTFT
在a-Si方面,三個生產基地的技術各有千秋。日本廠商曾經研製出解析度高達2560×2048的LCD產品。因此,有些人認為,a-SiTFT技術完全可滿足高解析度的產品需要,但是,由於技術的不成熟,它還不能滿足高速視頻影像或動畫等的需要。LTPSTFT相對可以節約成本,這對於TFTLCD的推廣有著重要意義。目前,日本廠商已經有量產12.1英寸LTPS

TFTLCD的能力。而中國台灣已開發完成LTPS組件製造技術與LTPSSXGA面板技術。韓國在這方面缺少專門的設計人員和研發專家,但像三星等主要企業已經推出了LTPS產品,顯示出韓國廠商的實力。不過,目前LTPS技術尚不成熟,產品集中在小螢幕,而且良品率低,成本優勢尚無從談起。

與LTPS相比,a-Si無疑是目前TFTLCD的主流。日本公司的a-SiTFT投資策略上幾乎都以第三代LCD產品為主,通過製造技術及良品率的改善來提高產量,降低成本。日本一直走高端路線,其技術無疑是最先進的。由於研發力量有限,台灣的a-SiTFT技術主要來自日本廠商的轉讓,但由於台灣企業一般屬於勞動密集型,技術含量價低,以生產低端產品為主。韓國在a-Si方面有著強大的研發實力,比如三星公司就量產了全球第一台24寸a-SiTFTLCD—240T,它的回響時間小於25ms,可以滿足一般套用需要;而可視角度達到了160度,使得LCD在傳統弱項上不輸給CRT。三星240T標誌著大螢幕TFTLCD技術走向成熟,也向世人展示了韓國廠商的實力不容置疑。

除了以上兩種TFT技術之間的競爭,SED將會成為TFTLCD的強大敵人。然而,SED目前仍屬於概念型產品,短時間內難以進入主流市場。

雖然目前LCD已經大幅降價,但是相對於CRT仍然價格較高。因此成本問題是大家關注的焦點。實際上,TFT的生產成本與CRT不相上下,但良品率極低造成了TFT面板成本居高不下的情況。TFT面板是由一塊較大的基板切割而成。而LCD產品還要有大量的電晶體陣列來控制三原色,現在的製造技術很難保證在一大塊基板上數千萬甚至上億的電晶體不出一個問題。如果有一個電晶體出現問題,那么那個電晶體對應的點的對應色彩就會出問題(只能顯示某種固定色彩),那么這個點就是通常稱的“壞點”。壞點出現的幾率於位置是不固定的,所以一塊基板很有可能會被浪費很多。目前一般LCD要求壞點在5個以下,而一些大廠把這個標準縮小到了3個,甚至為0,這就會使良品率降低。而一些小廠則將壞點數擴大,這樣一來,成本自然大幅下降,而產品品質隨之下降,這也是某些廠商為何可以大幅降低LCD售價的原因之一。

雖然目前有能力生產液晶顯示器的廠家不少,但真正有製造TFT面板能力的廠家屈指可數。ACER作為IT業內知名企業,實力相當雄厚,雖沒有自己生產TFT面板的能力,但與台灣達基關係密切,在技術配合上有一定優勢。不過,限於台灣企業的技術實力,ACERLCD產品主要集中在中低端。PHILIPS作為世界知名的顯示設備製造廠,其顯示器銷量在國內一直名列前茅,而且與韓國LG達成同盟,共同研發、製造TFT面板。同樣由於技術原因,以及市場定位問題,PHILIPS目前的產品主要集中在中端,而且在零售市場PHILIPS動作一直不很明顯。三星作為另一實力強勁的顯示設備研發、製造廠商,在LCD方面投入了較大精力,致力於不斷豐富產品線,目前三星產品涵蓋了高中低端市場。

LCD技術仍處在不斷發展、完善的階段,三大產地的發展方向各有不同,它們之間既存在競爭,又有著合作。正是這些因素促使了LCD向前發展。

LCD技術

TFTTFT

進入新千年,作為信息產業的重要構成部分—顯示器件正在加速推進其平板化的進程。目前,世界已進入“信息革命”時代,顯示技術及顯示器件在信息技術的發展過程中占據了十分重要的地位,電視、電腦、行動電話、BP機、PDA等可攜式設備以及各類儀器儀表上的顯示屏為人們的日常生活和工作提供著大量的信息。沒有顯示器,就不會有當今迅猛發展的信息技術。顯示器集電子、通信和信息處理技術於一體,被認為是電子工業在20世紀微電子、計算機之後的又一重大發展機會。

科學技術的發展日新月異,顯示技術也在發生一場革命,特別是自90年代以來,隨著技術的突破及市場需求的急劇增長,使得以液晶顯示(LCD)為代表的平板顯示(FPD)技術迅速崛起。據Stanford公司預測,FPD市場規模正在以年增長率16.2%的速度發展著,到2000年FPD和CRT的產業都達到300億美元,CRT平均年增長率不足6.3%,遠低於FED的平均增長率,且FPD增長率仍在繼續提高,CRT在繼續下降,替代趨勢十分明朗,可以說平板顯示將成為21世紀顯示技術的主流,其產業和市場在不斷擴增之中。

經過二十多年的研究、競爭、發展,平板顯示器已進入角色,成為新世紀顯示器的主流產品,目前競爭最激烈的平板顯示器有四個品種:

1.場致發射平板顯示器(FED);

2.電漿平板顯示器(PDP);

3.有機薄膜電致發光器(OLED);

4.薄膜電晶體液晶平板顯示器(TFT-LCD)。

場發射平板顯示器原理類似於CRT,CRT只有一支到三支電子槍,最多六支,而場發射顯示器是採用電子槍陣列(電子發射微尖陣列,如金剛石膜尖錐),解析度為VGA(640×480×3)的顯示器需要92.16萬個性能均勻一致的電子發射微尖,材料工藝都需要突破。目前美國和法國有小批量的小尺寸的顯示屏生產,用於國防軍工,離工業化、商業化還很遠。

電漿發光顯示是通過微小的真空放電腔內的等離子放電激發腔內的發光材料形成的,發光效應低和功耗大是它的缺點(僅1.2lm/W,而燈用發光效率達80lm/W以上,6瓦/每平方英寸顯示面積),但在102~152cm對角線的大螢幕顯示領域有很強的競爭優勢。業內專家分析認為,CRT、LCD和數字微鏡(DMD)3種投影顯示器可以與PDP競爭,從大螢幕電視機市場來看,CRT投影電視價格比PDP便宜,是PDP最有力的競爭對手,但亮度和清晰度不如PDP,LCD和DMD投影的像素和價格目前還缺乏競爭優勢。儘管彩色PDP在像質、顯示面積和容量等方面有了明顯提高,但其發光效率、發光亮度、對比度還達不到直觀式彩色電視機的要求,最重要的是其價格還不能被廣大家用消費者所接受,這在一定程度上制約了彩色PDP市場拓展。目前主要在公眾媒體展示場合套用開始普遍起來。

半導體發光二極體(LED)的顯示方案由於GaN藍色發光二極體的研製成功,從而一舉獲得了超大螢幕視頻顯示器市場的絕對控制權,但是這種顯示器只適合做戶外大型顯示,在中小螢幕的視頻顯示器也沒有它的市場。

顯示器產業的專家一直期望有機薄膜電致發光材料能提供真正的像紙一樣薄的顯示器。有機薄膜電致發光真正的又輕又薄,低功耗廣視角,高回響速度(亞微妙)的固體平板顯示器。大規模工業生產的成本很低,使用壽命目前只有幾千小時。OLED在可以預見的將來將首先套用作為TFT-LCD的主要競爭對手,但目前還處於研究試製階段。

液晶平板顯示器,特別TFT-LCD,是唯一在亮度、對比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過CRT的顯示器件,它的性能優良、大規模生產特性好,自動化程度高,原材料成本低廉,發展空間廣闊,將迅速成為新世紀的主流產品,是21世紀全球經濟成長的一個亮點。

在眾多的平板顯示器激烈競爭中,何以TFT-LCD能夠脫穎而出,成為新一代的主流顯示器決不是偶然的,是人類科技發展和思維模式發展的必然。液晶先後避開了困難的發光問題,利用液晶作為光閥的優良特性把發光顯示器件分解成兩部分,即光源和對光源的控制。作為光源,無論從發光效率、全彩色,還是壽命,都已取得了輝煌的成果,而且還在不斷深化之中。LCD發明以來,背光源在不斷地進步,由單色到彩色,由厚到薄,由側置螢光燈式到平板螢光燈式。在發光光源方面取得的最新成果都會為LCD提供新的背光源。隨著光源科技的進步,會有更新的更好的光源出現並為LCD所套用。餘下的就是對光源的控制,把半導體大規模積體電路的技術和工藝移植過來,研製成功了薄膜電晶體(TFT)生產工藝,實現了對液晶光閥的矩陣定址控制,解決了液晶顯示器的光閥和控制器的配合,從而使液晶顯示的優勢得以實現。

工作原理

TFT就是“ThinFilmTransistor”的簡稱,一般代指薄膜液晶顯示器,而實際上指的是薄膜電晶體(矩陣)——可以“主動的”對螢幕上的各個獨立的像素進行控制,這也就是所謂的主動矩陣TFT(activematrixTFT)的來歷。那么圖像究竟是怎么產生的呢?基本原理很簡單:顯示屏由許多可以發出任意顏色的光線的像素組成,只要控制各個像素顯示相應的顏色就能達到目的了。在TFTLCD中一般採用背光技術,為了能精確地控制每一個像素的顏色和亮度就需要在每一個像素之後安裝一個類似百葉窗的開關,當“百葉窗”打開時光線可以透過來,而“百葉窗”關上後光線就無法透過來。當然,在技術上實際上實現起來就不像剛才說的那么簡單。LCD(LiquidCrystalDisplay)就是利用了液晶的特性(當加熱時為液態,冷卻時就結晶為固態),一般液晶有三種形態:

類似粘土的層列(Smectic)液晶

類似細火柴棒的絲狀(Nematic)液晶

類似膽固醇狀的(Cholestic)液晶

液晶顯示器使用的是絲狀,當外界環境變化它的分子結構也會變化,從而具有不同的物理特性——就能夠達到讓光線通過或者阻擋光線的目的——也就是剛才比方的百葉窗。

大家知道三原色,所以構成顯示屏上的每個像素需上面介紹的三個類似的基本組件來構成,分別控制紅、綠、藍三種顏色。

目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶顯示器(TwistedNematicTFTLCD),下圖就是解釋的此類TFT顯示器的工作原理。現存的技術差別很大,我們將會在本文的第二部分中詳細介紹。

在上、下兩層上都有溝槽,其中上層的溝槽是縱向排列,而下層是橫向排列的。當不加電壓液晶處於自然狀態,從背光源上層發散過來的光線通過夾層之後,會發生90度的扭曲,從而能在下層順利透過。

當兩層之間加上電壓之後,就會生成一個電場,這時液晶都會垂直排列,所以光線不會發生扭轉——結果就是光線無法通過下層。

TF

T像素架構如圖4示,彩色濾光鏡依據顏色分為紅、綠、藍三種,依次排列在玻璃基板上組成一組(dotpitch)對應一個像素每一個單色濾光鏡稱之為子像素(sub-pixel)。也就是說,如果一個TFT顯示器最大支持1280×1024解析度的話,那么至少需要1280×3×1024個子像素和電晶體。對於一個15英寸的TFT顯示器(1024×768)那么一個像素大約是0.0188英寸(相當於0.30mm),對於18.1英寸的TFT顯示器而言(1280×1024),就是0.011英寸(相當於0.28mm)。

大家知道,像素對於顯示器是有決定意義的,每個像素越小顯示器可能達到的最大解析度就會越大。不過由於電晶體物理特性的限制,目前TFT每個像素的大小基本就是0.0117英寸(0.297mm),所以對於15英寸的顯示器來說,解析度最大只有1280×1024。

技術特點

TFT技術是二十世紀九十年代發展起來的,採用新材料和新工藝的大規模半導體全積體電路製造技術,是液晶(LC)、無機和有機薄膜電致發光(EL和OEL)平板顯示器的基礎。TFT是在玻璃或塑膠基板等非單晶片上(當然也可以在晶片上)通過濺射、化學沉積工藝形成製造電路必需的各種膜,通過對膜的加工製作大規模半導體積體電路(LSIC)。採用非單晶基板可以大幅度地降低成本,是傳統大規模積體電路向大面積、多功能、低成本方向的延伸。在大面積玻璃或塑膠基板上製造控制像元(LC或OLED)開關性能的TFT比在矽片上製造大規模IC的技術難度更大。對生產環境的要求(淨化度為100級),對原材料純度的要求(電子特氣的純度為99.999985%),對生產設備和生產技術的要求都超過半導體大規模集成,是現代大生產的頂尖技術。其主要特點有:

大面積

九十年代初第一代大面積玻璃基板(300mm×400mm)TFT-LCD生產線投產,到2000年上半年玻璃基板的面積已經擴大到了680mm×880mm),最近950mm×1200mm的玻璃基板也將投入運行。原則上講沒有面積的限制。

高集成度

用於液晶投影的1.3英寸TFT晶片的解析度為XGA含有百萬個像素。解析度為SXGA(1280×1024)的16.1英寸的TFT陣列非晶體矽的膜厚只有50nm,以及TABONGLASS和SYSTEMONGLASS技術,其IC的集成度,對設備和供應技術的要求,技術難度都超過傳統的LSI。

功能強大

TFT最早作為矩陣選址電路改善了液晶的光閥特性。對於高解析度顯示器,通過0-6V範圍的電壓調節(其典型值0.2到4V),實現了對象元的精確控制,從而使LCD實現高質量的高解析度顯示成為可能。TFT-LCD是人類歷史上第一種在顯示質量上超過CRT的平板顯示器。現在人們開始把驅動IC集成到玻璃基板上,整個TFT的功能將更強大,這是傳統的大規模半導體積體電路所無法比擬的。

低成本

玻璃基板和塑膠基板從根本上解決了大規模半導體積體電路的成本問題,為大規模半導體積體電路的套用開拓了廣闊的套用空間。

工藝靈活

除了採用濺射、CVD(化學氣相沉積)MCVD(分子化學氣相沉積)等傳統工藝成膜以外,雷射退火技術也開始套用,既可以製作非晶膜、多晶膜,也可以製造單晶膜。不僅可以製作矽膜,也可以製作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導體薄膜。

套用領域廣泛

以TFT技術為基礎的液晶平板顯示器是信息社會的支柱產業,也技術可套用到正在迅速成長中的薄膜電晶體有機電致發光(TFT-OLED)平板顯示器也在迅速的成長中。

主要特點

隨著九十年代初TFT技術的成熟,彩色液晶平板顯示器迅速發展,不到10年的時間,TFT-LCD迅速成長為主流顯示器,這與它具有的優點是分不開的。主要特點是:

使用特性好

低壓套用,低驅動電壓,固體化使用安全性和可靠性提高;平板化,又輕薄,節省了大量原材料和使用空間;低功耗,它的功耗約為CRT顯示器的十分之一,反射式TFT-LCD甚至只有CRT的百分之一左右,節省了大量的能源;TFT-LCD產品還有規格型號、尺寸系列化,品種多樣,使用方便靈活、維修、更新、升級容易,使用壽命長等許多特點。顯示範圍覆蓋了從1英寸至40英寸範圍內的所有顯示器的套用範圍以及投影大平面,是全尺寸顯示終端;顯示質量從最簡單的單色字元圖形到高解析度,高彩色保真度,高亮度,高對比度,高回響速度的各種規格型號的視頻顯示器;顯示方式有直視型,投影型,透視式,也有反射式。

環保特性好

無輻射、無閃爍,對使用者的健康無損害。特別是TFT-LCD電子書刊的出現,將把人類帶入無紙辦公、無紙印刷時代,引發人類學習、傳播和記栽文明方式的革命。

適用範圍寬

從-20℃到+50℃的溫度範圍內都可以正常使用,經過溫度加固處理的TFT-LCD低溫工作溫度可達到零下80℃。既可作為移動終端顯示,台式終端顯示,又可以作大螢幕投影電視,是性能優良的全尺寸視頻顯示終端。

自動化程度

大規模工業化生產特性好。TFT-LCD產業技術成熟,大規模生產的成品率達到90%以上。

TFT-LCD易於集成化

是大規模半導體積體電路技術和光源技術的完美結合,繼續發展潛力很大。目前有非晶、多晶和單晶矽TFT-LCD,將來會有其它材料的TFT,既有玻璃基板的又有塑膠基板。

現狀

TFT-LCD技術已經成熟,長期困擾液晶平板顯示器的三大難題:視角、色飽和度、亮度已經獲得解決。採用多區域垂直排列模式(MVA模式)和面內切換模式(IPS模式)使液晶平板顯示的水平視角都達到了170度。MVA模式還使回響時間縮短到20ms。

從技術角度來看,TN+Film解決方案是最簡單的一種,TFT顯示器製造商將過去用於老式LCD顯示器的扭曲向列(TN:TwistedNematic)技術,同TFT技術相結合,從而有了TN+Film技術。這項技術主要就是通過顯示屏覆蓋一層特殊的薄膜,來擴大可視角度——可以把可視角度從90度擴大到大約140度。TN+Film同標準TFT顯示器一樣都是通過排列液晶分子來實現對圖像的控制,它在上表面覆蓋一層薄膜來增大可視角度。不過TFT顯示器相對弱的對比度和緩慢的反應時間這些缺點仍然沒有改變。所以TN+Film這種方式並不是做好的解決方案,除了它的造價最便宜之外沒有任何可取之處。

IPS就是In-PlaneSwitching的簡稱,意思就是平板開關,又稱為SuperTFT。最早由Hitachi(日立)開發,現在NEC和Nokia也使用此項技術製成顯示器。這項技術同扭曲向列顯示器(TN-Film)的不同就在於液晶分子相對於基本排列方式不同,當加上電壓之後液晶分子與基板平行排列。

採用這項技術的顯示器的可視角度達到了170度,已經同陰極射線管的可視角度相當了,不過這項技術也有缺點:為了能讓液晶分子平行排列,電極不能像扭曲向列顯示器(TN-Film)一樣,在兩層基板上都有,只能放在低層的基板上——這樣導致的直接結果就是顯示器的亮度和對比度明顯的下降,為了提高亮度和對比度,只有增強背光光源的亮度。這樣一來,反應時間和對比度相對於普通TFT顯示器而言更難提高了。所以這項技術似乎也不是最好的解決方案。

MVA多區域垂直排列技術,是由日本富士通(Fujitsu)公司開發的,單從技術的角度看,它兼顧了可視角度和反應時間兩個方面。找到了一個折中的解決方法。MVA技術使得可視角達到了160度——雖然不如IPS能達到的170度的可視角度,不過它`仍然是好的,因為這項技術能夠提供更好的對比度和更短的反應時間。

MVA中的M代指“multi-domains”——多區域的意思。圖8所示,那些紫色的突起(protrusion)構成了所謂的區域。富士通目前生產的MAV顯示器中一般就有這樣4個區域。

VA是“verticalalignment”的簡稱,意為垂直排列。不過單從字面上看會產生一些誤解,因為液晶分子並不是如圖所示的“突起”(protrusion)完全垂直。請看圖8所示黑色示意圖。當電壓生成一個電場時,液晶分子如圖相互平行排列,這樣背光光源就能穿過,而且能將光線向各個方向發散,從而擴大了可視角度。

另外,MVA還提供了比IPS和TN+Film技術都快的反應時間,這對於取得良好的視頻回收和殘視覺效果都是非常重要的。MVA液晶顯示器的對比度也有所提高,不過同樣也會隨著可視度的變換而變化。

在採用光學補償彎曲技術(OCB)的基礎上發展起來的場序列全彩色(FSFC)LCD技術不僅取消了占成本三分之一的彩色濾光膜(CF),還可使解析度提高3倍,透過率提高5倍,同時簡化了工藝,降低了成本。彩膜技術和背光源技術的發展使TFT-LCD的彩色再現能力達到甚至超過了CRT。作為商品顯示器TFT-LCD的主要技術指標綜合性能在各類顯示器件中是最優秀的,特別是TFT-LCD產品的大規模生產技術的完善,多品種、多系列的產品發展空間,套用範圍無所不至。最近韓國三星電子已經生產出了38英寸單一基板的TFT-LCD液晶電視和40英寸TFT-LCD顯示器,以其優良的性能向公認的應為PDP霸占的大尺寸彩電市場進軍。

LCD是所有顯示器中耗電最低的產品,以13.3英寸XGATFT-LCD為例,其功耗1998年為4.4瓦,1999年為3.3瓦,到2001年將小於2.5瓦,特別是反射型TFT-LCD的研製成功,由於取消了背光源,其功耗比透射式TFT-LCD低了一個數量級。同時由於幾改進,低溫雷射退火多晶矽(P-Si)技術成熟,以至最近發展起來的單晶矽技術使得TFT-LCD的回響速度更快,電路集成化水平更高,鎖相環技術的套用,一種功能更新,更全的周邊電路的採用,系統集成(Systemonglass)技術的發展,使得TFT-LCD更輕、更薄。13.3英寸TFT-LCD其厚度在1998年為7.2mm,1999年為5.5mm,2001年降到5mm以下,其重量1998年為580克,1999年為450克,到2001年降到400克以下。TFT-LCD的大生產技術也已成熟,已實現全自動生產,其第五代生產線在2002年將進入實用生產階段,生產成本將不斷下降。TFT-LCD在技術上的成熟與進步以及其特有的性能優勢確定了TFT-LCD最終取代CRT的格局。

總結

TFT-LCD已達到的技術水平狀況:

(1)水平和垂直角都達到170度

(2)顯示亮度達到500尼特,對比度500:1;

(3)壽命超過3萬小時

(4)場序列全彩色(FSFC)技術開始套用於工業生產;

(5)大螢幕薄膜電晶體液晶顯示彩色電視(TFT-LCTV)已經開始進入大規模工業生產,TFT-LCTV的畫質已經達到甚至超過了CRT,如28英寸TFTLCTV的解析度為1920×1200,水平垂直視角均為170度;38英寸的TFTLCTV已研製成功;40英寸的TFT-LCD也已研製成功

(6)大面積低溫多晶矽TFT-LCD已經開發成功,並投入工業生產,非晶矽TFT的自掃描LCD已經商品化

(7)反射式TFT-LCD彩色顯示器開始商品化。例如解析度是400×234,畫面為16:9的5.8英寸反射式顯示器的反射率為30%,回響速度為30ms,消耗功率為0.15瓦。

(8)730×920mm基板大螢幕生產線已經研製成功,更大尺寸基板的大螢幕生產線正在建設之中。

(9)塑膠基板TFT-LCD開始商品化。日本現有5個品種的塑膠基板產品。

(10)背光源和逆變器,雖在積極開發反射式LCD,但用背光源的透射型TFT-LCD在相當長時間內還是主流產品。背光源是其重要配件。德國研製成用於液晶模組的平板螢光燈背光源,亮度達到5000-7000cd/m2,壽命達到10萬小時。一些新型自熱式背光源可以在-40℃到85℃範圍內正常工作。OEL背光源和高亮度LED背光源已開發成功,並開始用於TFT-LCD、Linfinity

Microelectrunies發明了冷陰極背光源長壽命逆變器,光源調製範圍達到500:1。

市場分析

國際市場

TFT-LCD(彩色薄膜電晶體液晶顯示器)主要套用於計算機、視頻終端、通訊及儀器儀表等行業。主要套用領域有筆記本電腦、台式計算機監視器、工作站、工業監視器、全球衛星定位系統(GPS)、個人數據處理、遊戲機、可視電話、攜帶型VCD、DVD及其它一些便攜裝置。

1995年以前,TFT-LCD的套用主要集中在高檔攝像機監視器、高檔掌上遊戲機、微型電視機和大螢幕投影儀等貴族類消費產品。其過高的價格使下游整機廠家更多的選用了低檔TN和STN液晶。1995年後,隨著TFT生產廠家生產技術水平的提高、投入加大、基板尺寸提高到300mm-400mm以上,實現了10英寸VGA以上大尺寸TFT-LCD的大規模生產,加上上游原材料廠家的成熟帶來的成本降低,從而為TFT-LCD在筆記本電腦、監視器等潛力巨大的市場套用建立了基礎。於是迎來了TFT歷史上的第一次高速成長期。在此期間,日本多家公司投資大型生產線,下游廠家積極開發推廣套用產品,由於原材料價格降低和大規模生產成本減低和成品率的提高,TFT的價格呈逐步降低的態勢,進一步促進套用領域的擴大,同時TFT廠家也保持了較高的利潤空間。此種情形一直保持到1996年上半年。

1996年第二季度至年底,全球TFT產業進入了一個相對停滯徘徊期。其原因並非市場需求不足,而是由於:

1.TFT產品的價格相對於CRT仍然偏高,難以被家庭、個人和中小企業這個最大的市場所接受

2.用戶心理上對當時主流產品(l0.4英寸VGA)不滿足,而11寸以上產品由於生產技術不成熟、生產能力低下,其價格和供貨能力均使下游產品廠家望而卻步

3.前期TFT廠家的投入使生產能力相對於當時的市場需求有微量的過剩假象

4.日本企業由於占有大部分生產能力,不願降低自己的利潤空間而造成事實上的價格障礙。

此後1997年,由於韓國三星、現代、LG等公司第二代以上生產線紛紛投產,打破了日本獨家壟斷市場、控制價格的局面,TFT的價格趨於合理的定位,生產能力的擴增又刺激了下游產品特別是筆記本電腦中TFT套用的迅速增加,使得TFT行業又進入了一個相對非常短暫的快速發展期。市場容量急劇擴大,主流產品檔次迅速提升。11.3英寸、12.l英寸TFT成為當時筆記本電腦的上流配置,並呈現被更高檔次產品取代的態勢。同時日本、韓國企業迅速跟進,擴產增線,由此再一次迎來了與全球半導體行業發展規律一致的平台式停滯階段。這一階段從1997年持續到1998年7月。

1998年下半年,由於TFT的性能價格比已達到了可同CRT一較長短的地步,同時,原來增長緩慢的中小尺寸TFT市場,由於消費類電子套用範圍的急劇擴張而得到從未有過的增長,這其中部分原回應歸功於INTERNET技術成熟導致的個人攜帶型信息終端和GPS,以及可視電話、遊戲機等產業的發展。TFT業界迎來了期盼已久的第三個飛速發展的階段。TFT行業取代了一直高速發展的DRAM(半導體存儲器)行業成為了半導體工業中最耀眼的明星。特別是東亞經濟危機抑制了包括日本、韓國和東南亞地區國家的盲目跟進,使得TFT生產能力的提高沒能跟上市場需求的飛速擴張,從而避免了前兩次發展中不正常的價格競爭,TFT產業可以說終於走向良性發展的正確道路。

由於以上原回,從1998年中至今,12-18英寸TFT-LCD產品價格漲幅超過30%,到1999年年底才達到一個穩定的價格平台階段。1998年第三季度開始,中小尺寸的價格增幅也達到15%以上,並將於2000年初醞釀進一步漲價。與此同時,市場的需求並不因價格的增長而減少,反而持續擴大,供不應求的賣方市場現象短期內沒有徹底解決的跡象。中國台灣、韓國包括日本的TFT套用整機廠家,由於缺貨基本上不能達到滿產。各大TFT生產廠家的定單已經排到2001年,甚至更遠。

那么今後TFT行業的發展會是什麼情況呢?這裡我們結合1997年、1998年TFT-LCD市場實際,對TFT-LCD市場需求情況進行統計與預測,詳見表1。

近日,日本鳥取三洋LCD事業部總經理福好雅先生指出:雖然到2001年會出現TFT-LCD供需平衡的局面,但這種平衡將是短暫的。預計至2002年第四季度,全球TFT-LCD面板仍將出現供不應求的局面。

我們認為:作為高投入、高回報、高技術含量的TFT行業在可預期的10年到15年內仍將持續發展。其發展的一般規律還將遵循前面所表現的階段式階梯發展態勢。過去的和將來的躍升階段的推動力是生產技術的提高和生產能力的增加使得TFT找到了新的套用領域;而過去的和將來的平台式停滯階段則緣於生產能力提高,巨處於新的套用市場的準備時期導致的相對市場飽和,但迄今為止每一次的供過於求並非生產能力的絕對過剩,而是產品結構調整時期的相對過剩;供大於求的相對幅度只在10%以內,並且持續時間是非常短暫的。作為新興的、未來十數年內不可替代的產業,其新的套用領域的生產空間在目前來說仍是無限的。而且,由於是資金投入高、技術含量大、人材要求高,有能力投身此行業的國家、企業不時能太多;因此不可能出現像TN和STN那樣的惡性競爭。所以在條件具備的情況下,周密組織,精心準備,在不斷學習完善自身的同時,積極跟進提高、投身國際市場,其商機是無限的。

具體到本階段,業界的普遍看法是:由於目前15英寸、17英寸套用市場的前期開發階段己接近完成,目前的上升勢頭有可能迅速過度到下一個發展階段,也就是說:即使有短暫的供需平衡期或供過於求期,總的發展和增長勢頭仍將持續到2004年,並等待另一輪的發展循環。

面對TFT-LCD市場如此誘人的局面,日本、韓國和中國台灣紛紛投入巨資進行大尺寸TFT-LCD的生產線建設。原有的中小尺寸生產線也積極擴產,例如:台灣元太基板投入數量將有6000片/月增加到15000片/月,其近日接到的日本的一個5英寸定單5年總金額為1億美金。

日本作為TFT-LCD的生產王國,無論技術或生產都處於世界領先地位。今年開始,日本TFT-LCD業界計畫投入二十億美元進行擴產,其中東芝公司己啟動第四代生產線的建設,玻璃基板尺寸為800mm×950mm,一次可切割6片17"TFT-LCD面板。

在韓國,三星、LG、現代三大TFT-LCD廠商,均看準TFT-LCD是未來的骨幹產業,從1998年年底開始,這三家大公司計畫投入三十億美元進行擴廠建設,三星、LG兩家公司都雄心勃勃,爭取成為下一代顯示器市場的主導企業。

在中國台灣,TFT-LCD被視為第二個半導體產業,1998年以來,台灣利用日、韓先後陷入金融危機之時,對TFT-LCD加緊投資,出現投資熱潮,中華映管、達基電子已於1999上半年投入量產,瀚宇彩晶等四家廠商將於今明兩年進入量產,迄今為止,台灣地區已投入40億美元。

韓國和中國台灣廠商的投資擴產情況見表2和表3。

表2韓國TFT-LCD廠商擴產情況

公司名稱擴產基板尺寸擴產量投產時間

三星600×720mm6萬片1999年底

LG590×670mm2萬片1999年底

現代620×720mm2萬片1999年底

表3中國台灣TFT-LCD廠商投產情況

公司名稱基板尺寸月產能投產時間

廣輝620mm×750mm3萬片2001年

達基600mm×720mm3萬片1999年7月

中華映管550mm×650mm2.5萬片1999年5月

奇晶620mm×750mm3萬片1999年12月

潮宇550mm×650mm3萬片2000年1月

聯友610mm×720mm3萬片1999年10月

市場供應量的增加,勢必給整個TFT-LCD行業的結構帶來一定的變化,供需狀況會呈現出怎樣的趨勢?結合TFT-LCD的市場需求以及投產擴產情況,我們對大尺寸TFT-LCD的供需情況進行了分析預測結果示於表1和表2。

由表1可以看出到2000年第四季度TFT-LCD,基本維持在供需平衡局面上,有供不應求的情況出現。由表2可以看到至2000年第四季度將出現供過於求的情況。但從整個液晶行業的發展歷史來看,儘管是一個新興的行業,但整個行業的發展一直呈階梯式的上升趨勢,無論是TN、STN還是新興的TFT,其供應、需求的差額變動部基本維持在10%左右。隨著液晶套用領域的不斷拓展及其地位和作用的穩步提升,未來的市場前景必將極其廣闊。

國內市場

我國是世界上TN和STN-LCD的最大生產國,但在1999年以前TFT-LCD的生產處於空白。吉林彩晶數碼高科顯示器有限公司先導工程引進了國內第一條TFT-LCD生產線,於1999年12月28日正式全線貫通投產,從而改變了國內套用TFT-LCD的整機廠商依賴於進口的局面。隨著2000年的量產,TFT-LCD在國內將廣泛地套用於筆記本電腦、液晶監視器、個人信息助理(PDA)、全球衛星定位系統、遊戲機、可視電話等各個領域。

在國內的計算機顯示器行業,TFT-LCD顯示器的套用尚屬初級階段。儘管國內筆記本電腦市場從1993~1998年間平均增長率高達30%,但是由於基數低,市場銷售量占PC機的比率遠遠落後於已開發國家。據CCID發表的最新資料表明:1999年上半年國內共銷售PC機217.4萬台,其中筆記本電腦13.3萬台,約占整個PC機市場的6.l%,而同期國際上筆記本電腦約占PC機市場的18~20%。同時,PC機市場成長較快,初步統計1999年可達500萬台,台式液晶監視器剛剛投入市場。目前,聯想、方正己先後推出帶液晶顯示器的台式PC機(天鷺、天問),長城、海爾、海信等廠商也計畫今年內可出台式液晶顯示器的PC樣機,並將陸續進入批量生產。預計今後幾年內,隨著TFT-LCD顯示器生產成本的下降,筆記本電腦和液晶顯示器台式PC機也會像普通台式計算機一樣獲得快速發展。

公司己與國內十餘家廠商達成了意向性協定,上海康泰克、上海均誠、長城集團、西安偉儀等公司合作意向極其明確、購買意願強烈。初步統計,經過前期的銷售準備工作,購買意向的協定總金額已達38億人民幣,就我們目前這條生產線而言,相當於我們不停生產三年的產量。從當前公司掌握的資料表明:國內市場無論中小尺寸還是大尺寸TFT-LCD都處於正式啟動階段,需求極其旺盛。但由於我們生產線產量及品種的原因,儘管上述公司願意提供其所需品種的研發費用,但公司為了占據主動,只與這些廠商達成意向性協定。新建一條產能更大、產品尺寸覆蓋更廣、更能發揮規模經濟效益的先進生產線,已成為更多人的願望。機遇難得,再L規模,勢在必行。

TFT-LCD的出現和發展,使得顯示器技術產生了革命性的飛躍。液晶產業在國民經濟各個領域中的地位和作用愈來愈重要,其市場前景極其廣闊。

其他

控制模組

說明時序控制模組和LCD系統中其它子模組之間的關係,對時序控制模組所要解決的時序問題進行分析。在分析問題的基礎上提出一種適用於中、小尺寸液晶顯示系統時序控制模組的實現結構。對時序控制模組進行功能驗證,給出FPGA邏輯功能驗證結果,證明設計可行。

LCD技術已成為平板顯示的主流技術,其中,中、小尺寸液晶產品成為開發的主流。中、小型LCD的套用將更加廣泛。

套用於中、小尺寸液晶顯示的主要技術有:

(1)STN-LCD(SuperTwistedNematic,超扭轉向列式液晶)

(2)(ThinFilmTransistor,薄膜電晶體液晶顯示器)

(3)LTPS(LowTemperaturePolySilicon,低溫多晶矽)等三種。而其中技術最為成熟的是TFT-LCD。

由於TFT電流較低,無法直接在TFT上設計線路,因此,為了使TFT-LCD工作,需要外建IC控制電路。目前大多數有關TFT-LCD控制IC的

資料中對於時序控制器的介紹都很簡略,對其時序的控制和產生的原理缺乏深入分析。事實上,時序控制器TCON(TimingController)所產生的同步控制信號是決定TFT-LCD能否正常顯示的關鍵,因此它是TFT-LCD模組組成中的核心控制部分之一,即控制中心。

本文首先粗略介紹液晶顯示系統組成,之後重點分析套用於中、小尺寸TFT-LCD的時序控制器(TCON)的工作原理,並在原理的基礎提出了一種TCON模組的結構框圖,最後給出TCON模組的FPGA驗證。

系統結構

TFT-LCD系統由兩個部分組成:LCD控制模組和LCD面板模組。實際套用中液晶面板又分兩種,傳統面板和智慧整合型面板,結構如圖1所示。

圖1TFT-LCD系統結構框圖

TFT-LCDMonitor系統包括模數轉換器,處理PC顯示卡輸出的模擬信號、數字視頻接口、視頻解碼器(處理視頻信號)、TMDS接收器、在屏顯示、控制單元、時序控制器、背光Source驅動器、Gate驅動器等組成。

TFT-LCD顯示器工作時,前端部分的控制電路模組主要工作是將PC主機或是影音裝置(如DVDPlayer)輸出的訊號進行轉換,例如由PC顯示

卡輸出的模擬訊號,經由ADC組件的轉換,成為數字訊號;類似地,影音訊號則經由VideoDecoder的轉換,成為相同的數字訊號,這些訊號再經過ScalerIC作放大或縮小的動作,並進行數字影像處理,再由cable線傳輸訊號到液晶模組,然後通過時序控制器產生所需要的時序控制信號驅動縱向的驅動Ic和橫向的驅動IC,其中縱向的驅動IC負責控制數據的寫入,由橫向的驅動IC控制電晶體的開/關,並配合其它組件,如供電模組,即可正確顯示圖像。

TFTTFT
TFT(TrafficFlowTemplate)

參數名稱:業務流模板

英文名稱:TrafficFlowTemplate(TFT)

參數描述:TFT參數被用來區分不同的用戶業務流

參數作用:用來區分不同的用戶業務流

分組域2G/3G傳遞該參數的流程:PDP上下文激活流程/PDP上下文修改流程/PDP上下文二次激活流程參數傳遞的接口/協定/訊息/屬性:

TFT

接口 協定 訊息 屬性
Iu-PS NAS ACTIVATE SECONDARY PDP CONTEXT REQUEST O
Iu-PS NAS MODIFY PDP CONTEXT REQUEST O
Gn GTP CREATE PDP CONTEXT REQUEST C
Gn GTP UPDATE PDP CONTEXT REQUEST(SGSN-INITIATED) O

在GPRS網路中,如果某用戶使用相同的APN創建了第二個或更多的PDP上下文,則需要創建TFT來關聯不同PDP上下文所需要的不同的Qos。這個第二個創建的PDP上下文稱之為SecondaryPDP上下文。在TFT為SecondaryPDP上下文創建之後,該參數由MS通過SecondaryPDP上下文激活流程傳送給網路側。TFT可以通過MS發起的PDP上下文修改流程進行修改。當關聯的PDP上下文被去激活後TFT也將被刪除。

在MS和外部網路傳送數據時,GGSN將比對IPPDU包頭中的參數是否與TFT一致。如果能找到匹配關係,那么GGSN將把該IPPDU直接發向Gn接口通過NSAPI參數關聯起來的某個PDP上下文中。

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