照片质量的UXGA TFT-LCD开发

作为人机接口的显示器件TFT-LCD模块,总是不能满足人们的画面质量要求。例如,现在SXGA规格的TFT-LCD模块已日益普及,但是仔细分析其显示性能时会发现,它并未真正实现照片画面质量的性能。这种规格的TFT-LCD模块,仅就其彩色(模拟全真彩色)而论,确实已实现很高的彩色再现性。但是,通常都是依靠人的肉眼分辨显示像素,尽管表征分辨率的像素条数增加,由于像素的大小几乎未改变,图像仍呈现出不连续状态。如果将像素的大小精细到超出人肉眼的分辨能力,则可以实现照片一样的显示效果。但是,现在的LCD板里,像素的细微化会招致开口率低下等新问题出现,而且组装生产效率下降。也就是说,伴随TFT-LCD高精细化,面临许许多多的研究课题,尤其是大批量生产所要的新技术是很棘手的问题。为此,世界各国的TFT-LCD生产厂家都在努力寻求新的解决办法。NEC开发的9.4英寸UXGA TFT-LCD就是一例,从中可窥视到世界开发UXGA TFT-LCD的动向。

显示器超高精细化

关于显示器的超高精细化研究,首先要确定应实现什么样水平的高精细化。
关于照片的画面质量 像素的分辨率与视点离开显示画面距离和画面显示精细度相关(图1)。不难看出,由于LCD显示器的画面(屏幕)尺寸不同,要求显示照片画面质量时的LCD精细度也不同;超过所要求的精细度只能是降低LCD的生产效率和性能,并无实用意义。为观察到照片质量的LCD显示效果,要求的LCD精细度是不一样的。例如,大型LCD显示器,由于观察者的视点可远离屏幕,即使是LCD的精细度偏低一些,同样看到的是照片画面质量的显示效果;相反,对于小屏幕LCD显示器,由于视点离屏幕很近,因此要求LCD具备更高精细度。

超高精细化的难题 LCD超高精细化,开发中最突出的问题是像素设计和大批量生产技术问题。关键有两方面:(1)TFT-LCD的开口率急剧下降;(2)在LCD板生产过程中的彩色滤光片和TFT之间的重叠安装。引发这两大问题的原因也各不相同。例如,关于开口率问题,主要是因为各布线宽度和TFT尺寸超高精细化与像素的缩小是不按比例的;而叠合问题是由超高精细叠合的余量变小,导致实现叠合难度增大造成的。在设计上两者可以折衷权衡。

但是,现实情况下,尽管考虑到了生产效率的设计,出现情况变化也是屡见不鲜的。特别是LCD板屏幕尺寸大型化的情况下,彩色滤光片和TFT的图形畸变量变大,叠合时生产效率低下,问题相当严重。

TFT on CF工艺技术

以NEC的开发目标为例,为实现在办公室环境下使用的屏幕尺寸(LCD板)能显示出照片质量效果,要求:(1)LCD的精细度必须在每英寸200像素点(200ppi)以上;(2)为保持LCD低电力消耗的优良特性,像素的开口率必须达到50%以上;(3)设法使大型LCD板容易利用大型玻璃基板;(4)为了能充分利用现有的设备和材料,采用a-Si TFT结构。

为了实现上述的技术对策目标,利用以往的CF结构LCD是无法实现的,然而,NEC采用了TFT上彩色滤光片(CF on TFT)结构后,情况就大不一样(图2)。在以往的LCD结构里,由于彩色滤光片CF叠合需要留出相当余量,使能透过背照光线的部分(开口部分)缩小;在CF on TFT结构里,将R.G.B三元色滤光片都分别安装到TFT玻璃基板上,而且各元件都精细化,LCD开口部分几乎是100%地可透过背照光。这种CF on TFT结构LCD的最大优点是有效地缓解了超高精细化带来的开口率急剧下降的矛盾。特别是大型玻璃基板里的CF和TFT叠合问题,由于CF on TFT结构而得到解决。此外,它对于提高背照光利用效率和降低TFT-LCD模块功耗也可发挥重要作用。

仅就CF on TFT结构LCD板制工艺而论,由于它不必象以往的LCD那样在把前玻璃基板和TFT玻璃板叠合时需要用掩模对准(因为前玻璃板上,已只有公共电极,叠合时不存在对准问题)。这对于生产时提高劳动生产率极有好处,越是大型LCD,生产效率越高。

CF on TFT结构的制造工艺流程,如图3所示。制造TFT后形成绝缘保护膜,然后制作彩色滤光片CF,在其上面形成黑区屏蔽(反射)的BM,随后涂覆盖层OC(Over Coat),最后制作向液晶材料施加电压的像素电极。这个工艺流程与像素间距无关,具有很高的通用性。

CF on TFT 9.4英寸UXGA模块

利用现行设备和材料,NEC成功制造出CF on TFT 9.4英寸UXGA显示器模块,其结构框图如图4所示。该模块的参数列于表1。CF on TFT结构的9.4英寸UXGA显示器模块是由TN-LCD显示器板、源极驱动器、栅极驱动器、锁相环PLL、控制器和模拟接口处理器等主要部件构成的。其各项性能已完全达到预期的技术指标。若从TFT-LCD的精细度分析,作为NT Mode液晶的TFT-LCD板,NEC的9.4英寸UXGA LCD板可以说在同类型的产品中是挺不错的产品,因为它具备211ppi的精细度。与CF结构的同一尺寸LCD板相比,其开口率高出1倍,达到52%。这意味在同样的显示亮度条件下,新产品具有很高的背照光利用率和比较低的能耗。