照片質量的UXGA TFT-LCD開發

作為人機接口的顯示器件TFT-LCD模塊,總是不能滿足人們的畫面質量要求。例如,現在SXGA規格的TFT-LCD模塊已日益普及,但是仔細分析其顯示性能時會發現,它并未真正實現照片畫面質量的性能。這種規格的TFT-LCD模塊,僅就其彩色(模擬全真彩色)而論,確實已實現很高的彩色再現性。但是,通常都是依靠人的肉眼分辨顯示像素,盡管表征分辨率的像素條數增加,由于像素的大小幾乎未改變,圖像仍呈現出不連續狀態。如果將像素的大小精細到超出人肉眼的分辨能力,則可以實現照片一樣的顯示效果。但是,現在的LCD板里,像素的細微化會招致開口率低下等新問題出現,而且組裝生產效率下降。也就是說,伴隨TFT-LCD高精細化,面臨許許多多的研究課題,尤其是大批量生產所要的新技術是很棘手的問題。為此,世界各國的TFT-LCD生產廠家都在努力尋求新的解決辦法。NEC開發的9.4英寸UXGA TFT-LCD就是一例,從中可窺視到世界開發UXGA TFT-LCD的動向。

顯示器超高精細化

關于顯示器的超高精細化研究,首先要確定應實現什么樣水平的高精細化。
關于照片的畫面質量 像素的分辨率與視點離開顯示畫面距離和畫面顯示精細度相關(圖1)。不難看出,由于LCD顯示器的畫面(屏幕)尺寸不同,要求顯示照片畫面質量時的LCD精細度也不同;超過所要求的精細度只能是降低LCD的生產效率和性能,并無實用意義。為觀察到照片質量的LCD顯示效果,要求的LCD精細度是不一樣的。例如,大型LCD顯示器,由于觀察者的視點可遠離屏幕,即使是LCD的精細度偏低一些,同樣看到的是照片畫面質量的顯示效果;相反,對于小屏幕LCD顯示器,由于視點離屏幕很近,因此要求LCD具備更高精細度。

超高精細化的難題 LCD超高精細化,開發中最突出的問題是像素設計和大批量生產技術問題。關鍵有兩方面:(1)TFT-LCD的開口率急劇下降;(2)在LCD板生產過程中的彩色濾光片和TFT之間的重疊安裝。引發這兩大問題的原因也各不相同。例如,關于開口率問題,主要是因為各布線寬度和TFT尺寸超高精細化與像素的縮小是不按比例的;而疊合問題是由超高精細疊合的余量變小,導致實現疊合難度增大造成的。在設計上兩者可以折衷權衡。

但是,現實情況下,盡管考慮到了生產效率的設計,出現情況變化也是屢見不鮮的。特別是LCD板屏幕尺寸大型化的情況下,彩色濾光片和TFT的圖形畸變量變大,疊合時生產效率低下,問題相當嚴重。

TFT on CF工藝技術

以NEC的開發目標為例,為實現在辦公室環境下使用的屏幕尺寸(LCD板)能顯示出照片質量效果,要求:(1)LCD的精細度必須在每英寸200像素點(200ppi)以上;(2)為保持LCD低電力消耗的優良特性,像素的開口率必須達到50%以上;(3)設法使大型LCD板容易利用大型玻璃基板;(4)為了能充分利用現有的設備和材料,采用a-Si TFT結構。

為了實現上述的技術對策目標,利用以往的CF結構LCD是無法實現的,然而,NEC采用了TFT上彩色濾光片(CF on TFT)結構后,情況就大不一樣(圖2)。在以往的LCD結構里,由于彩色濾光片CF疊合需要留出相當余量,使能透過背照光線的部分(開口部分)縮小;在CF on TFT結構里,將R.G.B三元色濾光片都分別安裝到TFT玻璃基板上,而且各元件都精細化,LCD開口部分幾乎是100%地可透過背照光。這種CF on TFT結構LCD的最大優點是有效地緩解了超高精細化帶來的開口率急劇下降的矛盾。特別是大型玻璃基板里的CF和TFT疊合問題,由于CF on TFT結構而得到解決。此外,它對于提高背照光利用效率和降低TFT-LCD模塊功耗也可發揮重要作用。

僅就CF on TFT結構LCD板制工藝而論,由于它不必象以往的LCD那樣在把前玻璃基板和TFT玻璃板疊合時需要用掩模對準(因為前玻璃板上,已只有公共電極,疊合時不存在對準問題)。這對于生產時提高勞動生產率極有好處,越是大型LCD,生產效率越高。

CF on TFT結構的制造工藝流程,如圖3所示。制造TFT后形成絕緣保護膜,然后制作彩色濾光片CF,在其上面形成黑區屏蔽(反射)的BM,隨后涂覆蓋層OC(Over Coat),最后制作向液晶材料施加電壓的像素電極。這個工藝流程與像素間距無關,具有很高的通用性。

CF on TFT 9.4英寸UXGA模塊

利用現行設備和材料,NEC成功制造出CF on TFT 9.4英寸UXGA顯示器模塊,其結構框圖如圖4所示。該模塊的參數列于表1。CF on TFT結構的9.4英寸UXGA顯示器模塊是由TN-LCD顯示器板、源極驅動器、柵極驅動器、鎖相環PLL、控制器和模擬接口處理器等主要部件構成的。其各項性能已完全達到預期的技術指標。若從TFT-LCD的精細度分析,作為NT Mode液晶的TFT-LCD板,NEC的9.4英寸UXGA LCD板可以說在同類型的產品中是挺不錯的產品,因為它具備211ppi的精細度。與CF結構的同一尺寸LCD板相比,其開口率高出1倍,達到52%。這意味在同樣的顯示亮度條件下,新產品具有很高的背照光利用率和比較低的能耗。