TFT-LCD基礎知識- 結構

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第746篇推文

綜述：在TFT LCD中一般採用背光技術，顯示屏由許多可以發出任意顏色的光線的象素組成，只要控制各個象素顯示相應的顏色就能達到目的了。為了能精確地控制每一個象素的顏色和亮度就需要在每一個象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。TFT-LCD有三大部分構成，TFT-LCD顯示屏、驅動及控制電路、背光源及組件，如圖所示。

TFT-LCD整體結構

一、TFT-LCD屏結構：

簡單的說，TFT液晶顯示屏主要由後板模塊、液晶層和前板模塊三部分組成。兩片玻璃基板中間夾一層液晶。前端LCD面板貼上彩色濾光片﹐後端TFT面板上製作薄膜電晶體（TFT）。當施加電壓於電晶體時﹐液晶轉向﹐光線穿過液晶後在前端面板上產生畫素。如圖所示。

原理

結構

(1)後板模塊部分

後板模塊是指液晶層後面的部分，主要由後偏光板、後玻璃板、像素單元（像素電極、TFT管）、後定向膜等組成。

在後玻璃板襯底上分布著許多橫豎排列並互相絕緣的格狀透明金屬膜導線，將後玻璃襯底分隔成許多微小的格子，稱為像素單元（或稱子像素）；每個格子（像素單元）中又有一片與周圍導線絕緣的透明金屬膜電極，稱為像素電極（顯示電極）。像素電極的一角，通過一隻用印製法製作在玻璃襯底上的TFT薄膜場效應管，分別與兩根縱橫導線連接，形成矩陣結構，如所示。

TFT場效應管的柵極與橫線相接，橫線稱為柵極掃描線或X電極，因起到TFT選通作用，又稱為選通線；而TFT管的源極與豎線連接，豎線稱為源極列線或Y電極；TFT的漏極即與透明像素電極連為一體。TFT管的功能就是一個開關管，利用施加於TFT開關管的柵極電壓，可控制TFT開關管的導通與截止。

前、後兩片玻璃板接觸液晶的那一面並不是光滑的，而是有鋸齒狀的溝槽，如下右圖所示。

配向膜

這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子沿著溝槽排列，這樣才會整齊。因為如果是光滑的平面，液晶分子的排列便會不整齊．造成光線的散射，形成漏光的現象。在實際製造過程中，並無法將玻璃板做成如此的溝槽狀，一般會先在玻璃板表面塗布一層PI（聚醯亞胺），再用布做摩擦的動作，以使PI的表面分子不再雜散分布，而是依照固定均一的方向排列。而這一層PI就叫做定向膜（也稱配向膜），它的作用就像玻璃的凹槽一樣，提供液晶分子呈均勻排列的接口條件，讓液晶依照預定的順序排列。

液晶排列

(2)液晶層部分

液晶顯示屏的後玻璃板上有像素電極和薄膜電晶體(TFT)，前玻璃板則貼有彩色濾光片，前、後兩層玻璃中間夾持的就是液晶層。

對於TFT液晶顯示屏來說，每個像素單元從結構上可以看作是像素電極和公共電極之間夾一層TN液晶，液晶層可等效為一個液晶電容CLc，它的大小約為0.lpF；在實際應用中，這個電容無法將電壓保持到下一次再更新畫面數據的時刻，也就是說，當TFT管對這個電容充好電時，它無法將電壓保持住，直到下一次TFT管再對此點充電的時刻（以一般60Hz的畫面更新頻率，需要保持約16ms）。這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不正確，因此，一般在設計面板時，會再加一個儲存電容Cs（一般由像素電極與公共電極走線所形成），其值約為0.5pF，以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時刻。

從驅動方式上看，TFT液晶屏將所有的行電極作為掃描行連接到柵極驅動器上，將所有列電極作為列信號端連接到源極驅動器上，從而形成驅動陣列，驅動陣列的等效電路如下圖所示。

等效電路

（3)前板模塊部分

彩色濾光片基本結構是由玻璃基板、黑色矩陣、彩色層、保護層、ITO導電膜組成。

在前玻璃板襯底上，也同樣劃分為許多小格子，每個格子均與後玻璃襯底的一個像素電極對應，但其差別是，它沒有獨立的電極，而只是覆蓋著一小片R（紅）、G（藍）、B（綠）三基色的透明薄膜濾光片，稱為彩色濾光片（或稱RGB濾色膜），用以還原出正常的彩色。

紅色、藍色以及綠色是所謂的三基色，也就是說，利用這三種顏色，可以混合出各種不同的顏色，CRT彩電和顯示器就是利用這個原理來顯示出色彩。把RGB三種顏色，分成獨立的三個單元，各自擁有不同的灰階變化，然後把鄰近的三個RGB顯示單元當作一個顯示的基本單位——像素點(pixel)，這個像素點就可以擁有不同的色彩變化。

在圖中，每一個RGB點之間的黑色部分，叫做blackmatrix（矩陣塊），主要是用來遮住不打算透光的部分，如像素電極走線、TFT管等。

@上下層兩個偏光片：

偏光片佔液晶面板成本的11%左右，也是主要材料，也是我國液晶面板技術國產化最困難的領域之一，偏光片位於液晶面板兩側，通過透射或阻斷背光模組中發出的光線，調整像素亮度並再現顏色，使人眼看到顏色鮮豔的顯示影像，沒有它，液晶面板就不能顯示。

@上層和下層兩塊玻璃基板：

玻璃基板不僅僅是兩塊玻璃那麼簡單，其內側具有溝槽結構，並附著配向膜，可以讓液晶分子沿著溝槽整齊的排列。在上、下兩層玻璃兩側會貼有TFT薄膜電晶體和彩色濾光片。

@ITO透明導電層：

其作用是提供導電通路，分為像素電極（P級）和公共電極（M級）。

@薄膜電晶體（就是我們經常所說的TFT）：經常說的TFT-LCD，其實際上指的就是這個薄膜電晶體，它的作用類似於開關，TFT能夠控制IC控制電路上的信號電壓，並將其輸送到液晶分子中，決定液晶分子偏轉的角度大小，因此其是非常重要的一個部件。

@液晶分子層：

其是改變光線偏光狀態最重要的元素，通過電力和彈性力共同決定其排列和偏光狀態。

@彩色濾光片：

通過液晶分子偏轉的光線只能顯示不同的灰階，但是不能提供紅、綠、藍（RGB）三原色，而彩色濾光片則由RGB三種過濾片組成，通過三者混喝調節各個顏色與亮度。液晶面板中每一個像素由紅、綠、藍3個點構成，每種顏色的點各自擁有不同的灰階變化。

@框膠；

其就是讓液晶面板中上下兩層玻璃基板能夠牢固的黏在一起，並將整個內部系統與外接「隔絕」，防止灰塵進入影響色彩效果。

二、驅動及控制電路

構成

驅動

類型

三、背光源及組件

由於液晶分子自身是無法發光的，因此若想出現畫面，液晶屏需要專門的發光源來提供光線，然後經過液晶分子的偏轉來產生不同的顏色。而背光源起到的就是提供光能的作用。

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