TFT-LCD原理設計簡介

講師: 群創光電/鄔志文 AgendaAgenda 1. TFT-LCD 簡介 2. 光與電 2-1: 光與液晶 2-2: 電與液晶 3.液晶顯示器名詞解釋 4.TFT-LCD 構造說明 5.TFT-LCD 訊號說明 6. Smart Panel & Smart Integration Panel 7. 討論與結論 1. 1. TFTTFT--LCD LCD 簡介簡介 2. 2. 光與電光與電 22--1: 1: 光與液晶光與液晶 22--2: 2: 電與液晶電與液晶 3.3.液晶顯示器名詞解釋 4.4.TFTTFT--LCD LCD 構造說明構造說明 5.TFT5.TFT--LCD LCD 訊號說明訊號說明 6. Smart Panel & Smart Integration Panel6. Smart Panel & Smart Integration Panel 7. 7. 討論與結論討論與結論 •• TFTTFT--LCDLCD簡介簡介 1.何謂TFT-LCD： TFT─Thin Film Transistor 薄膜電晶體 LCD─Liquid Crystal Display 液晶顯示器 2.應用：由與TFT-LCD具有體積小、重量輕、 低輻射線、低耗電量、全彩化等優點，故已廣 泛使用於各類顯示器材上。 數碼相機 數碼攝錄影機 汽車導航顯示器 數碼影音光碟機 筆記型電腦 桌上型顯示器 液晶電視 „„ AdvantagesAdvantages „„ thin, light weightthin, light weight „„ low driving voltagelow driving voltage „„ low power consumptionlow power consumption „„ disadvantagesdisadvantages „„ viewing angleviewing angle „„ operation temperatureoperation temperature „„ response timeresponse time((液晶黏滯係數、液晶黏滯係數、液液晶特性、晶特性、Cell GapCell Gap、、array array 充放電時間等充放電時間等)) LCD Vs CRTLCD Vs CRT LCD Vs CRTLCD Vs CRT 15″ CRT Monitor13.3″ LCD Monitor Size Weight Power 366(W) x 388(H) x 165(D) mm3 5.2 kg (LCD Module : 500g) 40W max. (LCD Module : 5W) 372(W) x 389(H) x 396(D) mm3 12.5 kg 75W LCD : LCD : 一種光電裝置一種光電裝置 „„ 光光 : : ΔΔnn „„ 光可分為不同的極化方向光可分為不同的極化方向 „„ 不同極化方向的光經過液不同極化方向的光經過液 晶晶, , 會有不同的光程會有不同的光程 „„ 光經過此光程差再組合後光經過此光程差再組合後, , 會改變其極化的形式會改變其極化的形式 „„ 配合偏光片擋去某個極化配合偏光片擋去某個極化 方向的光方向的光, , 即可決定光的即可決定光的 穿透率穿透率 „„ 電電 : : ΔεΔε „„ 不同的電壓下不同的電壓下, , 液晶會液晶會 有不同的排列方式有不同的排列方式 „„ 不同的液晶排列方式造不同的液晶排列方式造 成不同的光程差成不同的光程差, , 因而因而 使得穿透率改變使得穿透率改變 如此可將video信號(電)轉換 成亮暗顯示(光) 白 = 紅 + 綠 + 藍 紫 = 紅 + 藍 黃 = 紅 + 綠 青 = 綠 + 藍 加法系統(混合光) 紅 藍綠 黃 白 紫 青 減法系統(過濾法-顏料) 紅 藍 綠 黃 黑 青紫深紅 黑 = 黃 * 青 * 深紅 紅 = 黃 * 深紅 綠 = 黃 * 青 藍 = 深紅 * 青 = + + 白 紅 綠 藍 = * * 黑 深紅 青黃 基本色基本色 22--1. 1. 光與液晶光與液晶 A.液晶簡介 A-1.TFT-LCD使用之液晶為TN(Twist Nematic)型液晶 A-2.液晶分子呈橢圓狀；TN型液晶一般是順著長軸方 向串接，長軸間彼此平行方式排列 A-3.當接觸到槽狀 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面時，液晶分子就會順著槽的方 向排列於槽中 A-4.當液晶被包含在兩個槽狀表面中間，且槽之方向 互相垂直，則液晶分子之排列→ 下表面液晶分子：沿著b方向 上表面液晶分子：沿著a方向 介於上下表面中間之分子：產生旋轉之效應 故液晶分子在兩槽狀表面間，產生90°之旋轉 B.光與液晶分子產生之效果 B-1.當線性偏極光射入上層槽狀表面時 ，此光線隨著液晶分子之旋轉亦產生旋轉 B-2.當線性偏極光射出下層槽狀表面時， 此光線已產生90°之旋轉 B-3.當在上下兩表面之間加電壓時， 液晶分子會順電場方向排列，成 為直立排列之現象 B-4.此時入射光線即不受液晶分子影 響，以直線射出下表面 C.偏光片之特性 C-1.將非偏極光(一般光線)過濾成線 性偏極光 C-2.當非偏極光通過a方向之偏光片 時，光線被過濾成與a方向平行 之線性偏極光 C-3.線性偏極光繼續前進，通過a方 向之偏光片時，光線通過；光 線通過b方向之偏光片時，光線 被完全阻擋 D.將偏光片、槽狀表面、液晶組合後之光學效果 D-1.當上下偏光片互相垂直時，若未施加電壓，光線 可通過 D-2.當施加電壓時，光線被完全阻擋 TNTN型液晶型液晶 : : 亮亮 偏光片1 (垂直) 偏光片2 (水平) 水平偏極化光出 未偏極化光入 液晶 未施加電壓 : 偏極化光 隨液晶分子扭轉 TNTN型液晶型液晶 : : 暗暗 無光出 未偏極化光入 液晶 V 偏光片1 (垂直) 偏光片2 (水平) InIn--Plane Switching (IPSPlane Switching (IPS))------HitachiHitachi專利專利 Voltage OFF Voltage ON 優點: 1.液晶在同一平面 旋轉，可解決視角 問題。 缺點: 1.TFT作在同一平面 ，佔掉太多面積， 使得開口率下降， 亮度減少。 2.C/R變差。 * 開口率:可透光面積 (未被TFT遮助部分) /全部面積偏光板 解偏板 液晶分子 作用电极 玻璃基板 入射光 作用电场方向 出射光之 极化状态 未加电场 “OFF＂ 状态 施加电场 “ON＂ 状态 出射光 Multiple Vertical Alignment Multiple Vertical Alignment (MVA(MVA))------Fujitsu Fujitsu 專利專利 Voltage OFF Voltage ON 未加电场 OFF 状态 施加电场 ON 状态 入射光 偏光板 液晶分子 玻璃基板 出射光之 极化狀态 解偏板 出射光 √ Low voltage × Viewing angle √ Viewing angle × Response time × Contrast ratio √ Viewing angle √ Response time √ Contrast ratio Data Driver G a t e D r i v e r TFT Liquid Crystal 2-2. 電與液晶 1.Gate IC 控制整條 gate line on 或 off 2.Source IC 控制每一條線的電壓值 3.TFT比二極體更精密， 可開得很開， 也可關的很緊。 4. XGA有1024*3*768=2,359,296 sub-pixel Clc TFT Substrate Color Filter Substrate R G B Clc Clc R B G The Color Pixel of TFT LCDThe Color Pixel of TFT LCD Source DRIVER IC Gate DRIVER IC R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R R R G G G B B B R G R G R R R G G G B B B B B CF TFT 6.Gate IC傳輸掃描信號, DRIVER IC傳輸顯像控 制信號 7.當某一sub-pixel導通時，該sub-pixel因無法透光 而呈現黑色 紅 藍紫 黃 綠 白 青 8.sub-pixel經由電壓改變，控制通過CF的光量而顯示顏色亮度 9.經過光的合成效果，顯示器即可產生彩色之效果 Gray ScaleGray Scale 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 T (normalized value) Voltage (V) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 150 200 250 T(normalized value) DAC „„ VV--T curveT curve „„ Tone Reproduction Tone Reproduction Curve Curve 亮度、 液晶旋轉角度、 電壓對應關係 Contrast Ratio C/R=Brightness/Darkness 早期的AV產品 亮度最高適用於OA產品 最新的AV產品 R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R G B R Quad (對角形) R G R G Stripe (條形) R G B R G B R G B R R G B R G R G B R G B R G B R Triangle (三角形) B CF typeCF type 3.液晶顯示器名詞解釋 3-1.解析度(Display Resolution) 顯示器上水平方向、垂直方向畫素(pixel)之數目 註：因一畫素具有R、G、B三個子畫素(sub-pixel)，故以解析度 1024x768之顯示器為例，共具有3072x768個子畫素 分類 解析度(WxH) 友達產品 全名 VGA 640x480 Video Graphics Array SVGA 800x600 8.4”, 10.4” Super Video Graphics Array XGA 1024x768 13”, 14”, 15” Extended Graphics Array SXGA 1280x1024 17” Super Extended Graphics Array SXGA+ 1600x1200 - - UXGA 1600x1200 20.1” Ultra Extended Graphics Array R G B 1 pixel‧sub-pixel 3-2.對比(Contrast Ratio) 顯示器最大亮度值(全白)與最小亮度值(全黑)之比值，一般 TFT-LCD之對比值為200:1至400:1 3-3.視角(Viewing Angle) 在大角度觀看的情況下，顯示器亮暗對比變差會使畫面失真 ，而在可接受的觀測角度範圍就稱為視角。對於液晶顯示器 來說至少有三種參數來評價一個顯示模式的視角範圍: (1)對比度(Contrast Ratio) (2)灰階(Gray Scale) (3)顯色差異(Color Shift) 3-4.反應時間(Response Time) 從輸入信號到輸出影像所經歷之時間，一般液晶顯示器反應 時間為20~30msec(標準電影格式每畫面為40msec)。 Color Gamut 色彩飽和度 B R G 1.以NTSC為標準，看做出來的全紅、全藍、全綠 所圍出來的區域， 佔多少%。 2.改善方式是將CF得RGB間的BM作粗一點， 但是開口率又會下降。 √ Low voltage × Viewing angle √ Viewing angle × Response time × Contrast ratio √ Viewing angle √ Response time √ Contrast ratio 上偏光板 下偏光板 保護膜 玻璃基板 顏色區 黑色框罩 框膠區 電晶體 液晶 ITO共用極 ITO顯示電極 背光燈管 反射板菱鏡板光擴散板 印刷電路板 驅動IC 驅動IC 異方性導電膜 補償電容 間隙粒子 TAB 導光板 4. TFT4. TFT--LCDLCD構造說明構造說明 Light Transmittance of LCD ModuleLight Transmittance of LCD Module 100% 42% 21% 6.3% 5% Backlight Polorizer(1) TFT Array Color Filter Polorizer (2) 42% 50% 30% 80% „„ 因為上偏光板的光已被校正過，因為上偏光板的光已被校正過，所所以透光率較高以透光率較高 BacklightBacklight LampLight Guide Reflector White Sheet Diffuser Prismatic Sheet (BEF) Diffuser Reflective Polarizer Sheet (DBEF) Structure of Backlight (I)Structure of Backlight (I) CCFL Lamp -cold cathode fluorescent lamp ( CCFL ) -narrow diameter 1.8mm~ -long life 10,000 hrs~ NB -high Ignition voltage ~1000V -low lamp current ~5mA Ag Reflector -reflect light -safety distance 0.4~0.7mm -heat sink Brass: good heat conduction White sheet - reflect light Structure of Backlight (II)Structure of Backlight (II) Light Guide Board -Function: Side light guide to obverse light -Material : acrylics -Theorem : total reflection -Shape : wedge for note book size flat for monitor size -Pattern : OPI/printing -Thickness : 2.5mm for note book, 10mm for monitor Structure of Backlight (III)Structure of Backlight (III) Diffuser : -hide dots -uniformity Prism sheet :(BEF) -brightness enhancement film -two sheets , x & y direction -condense light Reflective polarizer sheet :(DBEF) -dual brightness enhancement film -Increase total light output TFTTFT--LCD CKT Block DiagramLCD CKT Block Diagram DC Power 11~16V Inverter TFT-LCD 1024x(3)x768 Pixels DC/DC Converter Gamma Correction Circuit C onnector DC Power Supply Display Data and Timing Signals LVDS Timing Controller LVDS Receiver Panel Controller Y-D river IC X-Driver IC CCFL 5.TFT5.TFT--LCD LCD 訊號說明訊號說明 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)LVDS(Low Voltage Differential Signaling) R 3.5 mA 3.5 mA TTL (3.3/5V) Transmitter Receiver LVDS 350 mV TTL (3.3/5V) NS: DS90CF363 TI: SN75LVDS84 THine: THC63LVDM63A Notebook Side NS: DS90CF364 TI: SN75LVDS86 THine: THC63LVDM64A Module Side LVDS InterfaceLVDS Interface „„ Mainstream in Notebook PC.Mainstream in Notebook PC. „„ High Image Quality and Low Cost.High Image Quality and Low Cost. „„ Low EMI and Less Number of Cable Wires.Low EMI and Less Number of Cable Wires. „„ High Edge Sharpness. High Edge Sharpness. DC/DC Converter 功能: 變電壓 DC/DC 3.3V Source IC0 V 7.9 V -7.9 V 8組電壓 8組電壓 1.每組電壓經過 Source IC後可再分成 8等級, 故有8*8=64階。 2.所以Drive IC又稱 D/A controller , Digital ---> Analog 改變電壓。 3. 正電壓與負電壓對液晶所產生的 旋轉角度一樣。 TTL, LVDS, RSDS 比較 TTL: 一般數位訊號 優點: 控制簡單 缺點:1. Power 大, 須3.3V。 2. 因為電壓高, 所以電磁干擾(EMI)也大。 3. 超過50cm易失真(Distortion, Noise)。 4. 可做到的頻率較低(~75Hz) LVDS: 1.可以做到200cm仍能抗干擾。 2.頻率可以做的比較高(~200Hz)。 RSDS: Reduce signal differential signal 3.3V 0V -3.3V LV D S 訊號 ASIC IC IC 原來TTL需要64條線 現在RSDS僅須八條線, EMI也較好 Flicker 1. Sub-pixel 不可以一直以直流電hold 住， 液晶會無法恢復 原狀， 彈性疲乏。 2. 其實每一個Sub-pixel都一直以正負交流電反覆驅動 (EX. +2V→ -2V→ +2V)。 3. 訊號到後面時會衰減， 例如一下子11階， 一下子12階， 而造成Flicker。 -7.9V -5V 0V 5V 7.9V 12階 12階 TMDSTMDSTMTM InterfaceInterface „„ Application in LCD MonitorApplication in LCD Monitor „„ Low EMI and Less Number of Cable Low EMI and Less Number of Cable WiresWires „„ High Skew Tolerance and Noise MarginHigh Skew Tolerance and Noise Margin „„ High Image Quality and Low CostHigh Image Quality and Low Cost „„ Long Transmission DistanceLong Transmission Distance TMDSTMDSTMTM LinkLink Receiver (Rx) Digital Monitor R e c o v e r y / D e - s e r i a l i z e r C1 C2 Transmitter (Tx) E n c o d e r / S e r i a l i z e r Clk Gen C0 Clk 24 bit data Pixel Clock 3 Controls Serial data channels & clock Clk Gen TMDSTMDSTMTM PerformancePerformance 7 bits TX0 7 bits TX1 7 bits TX2 7 bits TX3 VS. Data-to-Data PanelLink™ Skew Tolerance 10 bits TX2 10 bits TX0 10 bits TX1 XGA Tck = 15.83ns TBIT Window Clock-to-Data, Data-to-Data Skew Tolerance (LVDS) 1/3 TBIT Window PanelLink™ Skew Tolerance �Data-to-Data skew: > 15ns @ 65MHz �Data-to-clock skew: Immune to any skew �Clock is only a frequency reference �Advanced data recovery/synchronizing circuit PanelLink™ Skew Tolerance �Data-to-Data skew: > 15ns @ 65MHz �Data-to-clock skew: Immune to any skew �Clock is only a frequency reference �Advanced data recovery/synchronizing circuit LVDS Skew Tolerance �Data-to-data skew: < 0.25ns @ 65MHz �Data-to-clock skew: < 0.25ns @ 65MHz �Clock must be synchronous with data �Primitive serialization and transmission scheme LVDS Skew Tolerance �Data-to-data skew: < 0.25ns @ 65MHz �Data-to-clock skew: < 0.25ns @ 65MHz �Clock must be synchronous with data �Primitive serialization and transmission scheme Conventional Panel 監視器廠商 面板廠商 Panel + Drive IC Timing Controller (ASIC) Scaler IC 電源輸入 影像輸出 軟性電路板 薄膜液晶監視器外殼 訊號輸入 ADC Analog TMDS Receiver Digital OSD DC-DC converter Inverter Power Supply DC-DC converter Backlight 監視器廠商 面板廠商 Panel + Drive IC Timing Controller (ASIC) Scaler IC 電源輸入 影像輸出 薄膜液晶監視器外殼 訊號輸入 ADC Analog TMDS Receiver Digital OSD DC-DC converter Inverter Power Supply DC-DC converter Backlight Smart Panel 監視器廠商 面板廠商 Panel + Drive IC Timing Controller (ASIC) Scaler IC 電源輸入 影像輸出 薄膜液晶監視器外殼 訊號輸入 ADC Analog TMDS Receiver Digital OSD DC-DC converter Inverter Power Supply DC-DC converter Backlight Smart Integration Panel