TFT-LCD发展历史.docx

TFT-LCD 生产及发展概况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，还实现了高品质彩色视频显示 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、、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（ <9.0 英寸）的 ppi 在同期将从 180ppi成长到 210ppi随着智能的兴起，将会是 ppi 成长最明显的应用产品[22] 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。