1.4 TFT-LCD的基本结构

本节以目前广泛应用于笔记本电脑、监视器和液晶电视的直视透射型彩色非晶硅TFT-LCD结构为例，简单介绍TFT-LCD的基本结构。本书中如果没有特别的说明，彩色非晶硅TFT-LCD一般都是指直视透射型。图1.4.1是直视透射型彩色TFT-LCD的面板结构示意图。由于LCD不是发光器件，所以TFT-LCD面板背面需安装背光源。背光源发射的光通过扩散板入射到液晶面板。液晶面板由TFT基板（也称TFT-array基板）和彩膜（Color Filter，CF）基板构成，其中邻近背光源的玻璃基板是TFT基板，另外一张玻璃基板是CF基板，而液晶夹在上述两张玻璃基板之间。TFT基板和CF基板外部均贴有偏振片。

图1.4.2是彩色TFT-LCD模块的横截面图。按照功能划分，TFT-LCD模块可分为TFT-LCD面板、驱动电路单元、背光源单元以及外框等。

1.TFT-LCD面板

图1.4.3是TFT-LCD面板的放大示意图。TFT基板由TFT器件、信号线、存储电容、透明像素电极氧化铟锡（Indium-TinOxide，ITO）和配向膜等构成，CF基板由彩色滤光膜、黑矩阵（BlackMatrix，BM）、共通电极ITO和配向膜等构成。两张基板之间除液晶之外，还有垫料（Spacer）、封框胶（Sealant）和银胶等。垫料大小通常比液晶盒厚大一点，在两张基板之间起支撑作用。封框胶粘合两张基板，并封装液晶于两基板之间以防止其向外泄漏。银胶在彩膜基板的共通电极与TFT基板之间起电学导通的作用。TFT基板上的端子部连接外部驱动电路，驱动TFT的信号均通过端子部传送到面板。

TFT基板和CF基板通常使用0.5～0.7mm厚的无碱玻璃（碱含量＜1%），否则碱离子释放到液晶层中，导致液晶电阻率下降，降低显示特性，同时降低封框胶与玻璃的粘合力，影响TFT-LCD的正常驱动。TFT-LCD用玻璃基板要求使用耐350℃以上的高温、耐酸耐碱、表面平坦和硬度良好的电子级玻璃，玻璃基板表面不允许有斑点、划痕、表面不均匀、弯曲及波纹等表面不良，否则会影响TFT-LCD制造过程以及最终产品的可靠性。CF基板使用和TFT基板完全相同的玻璃基板，并在玻璃基板上形成R、G、B三种滤光膜、黑矩阵（Black Matrix，BM）和共通电极ITO，其中BM的作用是遮挡像素间的漏光。

LCD使用的液晶大部分是向列相。向列相的特点是液晶分子没有位置有序性，但是平均来看分子沿某一方向排列。液晶分子长度一般有几十，宽度为几。液晶分子沿着长轴和短轴方向的电学和光学特性不同，通常平行于液晶分子长轴方向的介电常数表示为ε｜｜，平行于短轴方向的介电常数表示为ε⊥，介电异向性定义为Δε=ε｜｜-ε⊥。Δε为正时称正性液晶，Δε为负时称负性液晶。大部分的正性液晶5≤Δε≤20，负性液晶-2≤Δε≤-1。

偏振片是以对入射光起偏振作用的高分子偏振物质为中心层，两侧粘贴有三醋酸纤维素（Tri-Acetyl-Cellulose，TAC）薄膜的多层结构。偏振片通过粘合层附着到玻璃表面上。实际使用的偏振片表面还有防眩光层（Anti-glare）、防反射层（Anti-reflectionCoating）和保护膜等各种膜层。

2.驱动电路单元

TFT-LCD面板接收液晶驱动芯片（LCD DriverIC，LDI）输入的信号电压后，根据施加的电压大小调整从背光源入射的光，实现各种文字、图形及彩色图像的显示。如图1.4.4所示，驱动电路单元由输入驱动信号的栅极（Gate）驱动IC、源极（Source）驱动IC和印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）上的各种电子元件组成。Gate/Source驱动IC封装在柔性的TCP（Tape Carrier Package）薄膜中，一端连接TFT-LCD面板的端子部，另一端连接PCB。PCB上集成了时间控制（Timing Control，Tcon）IC、直流-直流转换器（DC-DC converter）和γ标准电压控制电路等电子元件。

3.背光源单元

背光源单元（Back Light Unit，BLU）是使线光源转变成亮度均匀的面光源的结构，如图1.4.5所示，由背光源、反射板、导光板（Light Guide Panel，LGP）、扩散板、增透膜（Brightness Enhance Film，BEF）等构成。光源发射的光通过导光板、扩散板和增透膜后变成亮度均匀且方向与LCD面板垂直的平面光。

背光源主要使用小型而且高亮度发光的冷阴极射线管（Cold Cathode Fluorescent Lamps，CCFL）。与其他的线光源相比，CCFL具有结构简单、灯管细小、寿命长等优点。一般LCD中使用的CCFL直径在4mm以下。BLU按照CCFL的安装方式不同，分为直下式（Direct）BLU和侧入（Edge）式BLU，如图1.4.6所示。直下式BLU方式中CCFL安装在LCD面板的背面，而侧入式BLU方式中CCFL安装在导光板（Light Guide Panel，LGP）侧面。直下式BLU一般用于高亮度、高画质的大型LCD TV，而侧入式BLU一般用于笔记本电脑等超薄型产品。由于侧入式BLU易于制作超薄屏，最近几年市场上出现了采用侧入式BLU的LCD TV。

LGP由透明的亚克力树脂做成，折射率为1.49。如图1.4.7所示，当背光源发射的光从LGP侧面入射经折射进入LGP内时，最大折射角是42.2°（也是LGP发生全反射的临界角），所以进入LGP的折射光与LGP的上下表面的法线所成的最小角度为90°-42.2°=47.8°，大于发生全反射时的临界角42.2°，也就是说进入LGP的所有光在上下表面发生全反射，不会出射到LCD面板上。如果在LGP下表面形成导光点，则当折射光入射到导光点后，向各方向反射到上表面，其中入射角小于全反射临界角的光从导光板正面出射，如图1.4.8所示。实际产品中的导光点是通过UV网版印刷技术或者激光技术形成。利用导光板的这种性质，再结合扩散板的光扩散作用，CCFL发射的光就可以转换成均匀的面光源。

增透膜（Brightness Enhancement Film，BEF）是亚克力系的UV硬化树脂，通过内部棱镜的全反射和折射原理提高光的利用效率，图1.4.9是BEF的工作原理。垂直棱镜入射的光全反射到导光板，再被导光板下的反射板反射再利用；而斜角入射到棱镜的光折射后聚集到中央，提高LCD画面的亮度。由上述可知，BEF的作用是将从面光源BLU斜角射出的光转向正面方向，从而提高显示器的正面亮度。

LCD模块的厚度及重量受BLU厚度和形状的影响很大。实际应用中，要求轻而且薄的中小型LCD以及笔记本电脑用LCD常常使用楔形LGP。在这种结构中，较厚的一侧安装CCFL，较薄的一侧安装信号处理基板，并将其折叠到模块背面，如图1.4.10所示。

4.外框

外框通常由金属材料做成，其作用是固定组成LCD模块的各单元，提高液晶面板的耐冲击能力。便携式产品一般要求薄、小、轻的外框单元，所以设计外框单元时还要考虑产品的可靠性和稳定性。设计大尺寸LCDTV的外框单元时则要充分考虑外框的重量、厚度以及尺寸大小等因素。