薄膜晶體管液晶顯示 (TFT LCD) 技術原理與應用

本書基於作者在薄膜晶體管液晶顯示器領域的開發實踐與理解，並結合液晶顯示技術的最新發展動態，首先介紹了光的偏振性及液晶基本特點，然後依次介紹了主流的廣視角液晶顯示技術的光學特點與補償技術、薄膜晶體管器件的SPICE模型、液晶取向技術、液晶面板與電路驅動的常見不良與解析，最後介紹了新興的低藍光顯示技術、電競顯示技術、量子點顯示技術、Mini LED和Micro LED技術及觸控技術的原理與應用。

邵喜斌博士從20世紀90年代初即從事液晶顯示技術的研究工作，先後承擔多項國家863計劃項目，研究領域涉及液晶顯示技術、a-Si 及p-Si TFT技術、OLED技術和電子紙顯示技術，在國內外發表學術論文100多篇，獲得專利授權150餘項，其中海外專利40餘項。曾獲中國科學院科技進步二等獎、吉林省科技進步一等獎、北京市科技進步一等獎。

第1章偏振光學基礎與應用 1
1.1 光的偏振性 1
1.1.1 自然光與部分偏振光 2
1.1.2 偏振光 3
1.2 光偏振態的表示方法 7
1.2.1 三角函數表示法 8
1.2.2 龐加萊球圖示法 10
1.3 各向異性介質中光傳播的偏振性 14
1.3.1 反射光與折射光的偏振性 14
1.3.2 晶體的雙折射 14
1.3.3 單軸晶體中的折射率 18
1.4 相位片 23
1.4.1 相位片的定義 23
1.4.2 相位片在偏光片系統中 24
1.4.3 相位片的特點 25
1.4.4 相位片的分類 27
1.4.5 相位片的製備與應用 27
1.5 波片 29
1.5.1 快軸與慢軸 29
1.5.2 ?/4波片 30
1.5.3 ?/2波片 31
1.5.4 ?波片 32
1.5.5 光波在金屬表面的反射 32
1.5.6 波片的應用 33
參考文獻 38

第2章液晶基本特點與應用 39
2.1 液晶發展簡史 39
2.1.1 液晶的發現 39
2.1.2 理論研究 40
2.1.3 應用研究 40
2.2 液晶分類 42
2.2.1 熱致液晶 42
2.2.2 溶致液晶 44
2.3 液晶特性 44
2.3.1 光學各向異性 44
2.3.2 電學各向異性 45
2.3.3 力學特性 45
2.3.4 黏度 46
2.3.5 電阻率 46
2.4 液晶分子合成與性能 47
2.4.1 單體的合成 47
2.4.2 混合液晶 49
2.4.3 單體液晶分子結構與性能關係 50
2.5 混合液晶材料參數及對顯示性能的影響 58
2.5.1 工作溫度範圍的影響 58
2.5.2 黏度的影響 59
2.5.3 折射率各向異性的影響 59
2.5.4 介電各向異性的影響 60
2.5.5 彈性常數的影響 60
2.5.6 電阻率的影響 61
2.6 液晶的應用 61
2.6.1 顯示領域應用 61
2.6.2 非顯示領域應用 66
參考文獻 67

第3章廣視角液晶顯示技術 69
3.1 顯示模式概述 69
3.2 TN模式 70
3.2.1 顯示原理 70
3.2.2 視角特性 71
3.2.3 視角改善 76
3.2.4 響應時間影響因素與改善 79
3.3 VA模式 81
3.3.1 顯示原理 82
3.3.2 視角特性 89
3.3.3 視角改善 93
3.4 IPS與FFS模式 97
3.4.1 顯示原理 98
3.4.2 視角特性 99
3.5 偏光片視角補償技術 105
3.5.1 偏振矢量的龐加萊球表示方法 105
3.5.2 VA模式的漏光補償方法 106
3.5.3 IPS模式的漏光補償方法 109
3.6 響應時間 114
3.6.1 開態與關態響應時間特性 115
3.6.2 灰階之間的響應時間特性 116
3.7 對比度 116
參考文獻 117

第4章薄膜晶體管器件SPICE模型 118
4.1 MOSFET器件模型 118
4.1.1 器件結構 119
4.1.2 MOSFET器件電流特性 120
4.1.3 MOSFET器件SPICE模型 121
4.2 氫化非晶矽薄膜晶體管器件模型 124
4.2.1 a-Si:H理論基礎 124
4.2.2 a-Si:H TFT器件電流特性 125
4.2.3 a-Si:H TFT器件SPICE模型 126
4.3 LTPS TFT器件模型 131
4.3.1 LTPS理論基礎 131
4.3.2 LTPS TFT器件電流特性 133
4.3.3 LTPS TFT器件SPICE模型 135
4.4 IGZO TFT器件模型 142
4.4.1 IGZO理論基礎 142
4.4.2 IGZO TFT器件電流特性 143
4.4.3 IGZO TFT器件SPICE模型 145
4.5 薄膜晶體管的應力老化效應 149
參考文獻 150

第5章液晶取向技術原理與應用 152
5.1 聚酰亞胺 152
5.1.1 分子特點 152
5.1.2 聚酰亞胺的性能 153
5.1.3 聚酰亞胺的合成 155
5.1.4 聚酰亞胺的分類 156
5.1.5 取向劑的特點 158
5.2 取向層製作工藝 161
5.2.1 塗佈工藝 161
5.2.2 熱固化 166
5.3 摩擦取向 168
5.3.1 工藝特點 168
5.3.2 摩擦強度定義 171
5.3.3 摩擦取向機理 172
5.3.4 預傾角機理 174
5.3.5 PI結構對VHR和預傾角的影響 176
5.3.6 摩擦取向的常見不良 179
5.4 光控取向 182
5.4.1 取向原理 182
5.4.2 光控取向的光源特點與影響 190
參考文獻 191

第6章面板驅動原理與常見不良解析 193
6.1 液晶面板驅動概述 193
6.1.1 像素結構與等效電容 193
6.1.2 像素陣列的電路驅動結構 194
6.1.3 極性反轉驅動方式 196
6.1.4 電容耦合效應 197
6.1.5 驅動電壓的均方根 198
6.2 串擾 199
6.2.1 定義與測試方法 199
6.2.2 垂直串擾 200
6.2.3 水平串擾 205
6.3 閃爍 209
6.3.1 定義與測試方法 209
6.3.2 引起閃爍的因素 212
6.4 殘像 216
6.4.1 定義與測試方法 216
6.4.2 引起殘像的因素 218
參考文獻 223

第7章電路驅動原理與常見不良解析 224
7.1 液晶模組驅動電路概述 225
7.1.1 行掃描驅動電路 227
7.1.2 列掃描驅動電路 228
7.1.3 電源管理電路 229
7.2 眼圖 232
7.2.1 差分信號 233
7.2.2 如何認識眼圖 236
7.2.3 眼圖質量改善 238
7.3 電磁兼容性 243
7.3.1 EMI簡介 243
7.3.2 EMI測試 244
7.3.3 模組中的EMI及改善措施 245
7.4 ESD與EOS防護 249
7.4.1 ESD與EOS產生機理 249
7.4.2 防護措施 250
7.4.3 ESD防護性能測試 252
7.4.4 EOS防護性能測試 254
7.5 開關機時序 255
7.5.1 驅動模塊的電源連接方式 255
7.5.2 電路模塊的時序 256
7.5.3 電源開關機時序 260
7.5.4 時序不匹配的顯示不良舉例 262
7.6 驅動補償技術 263
7.6.1 過驅動技術 263
7.6.2 行過驅動技術 265
參考文獻 266

第8章低藍光顯示技術 268
8.1 視覺的生理基礎 268
8.1.1 人眼的生理結構 268
8.1.2 感光原理說明 269
8.1.3 光譜介紹 269
8.2 藍光對健康的影響 270
8.2.1 光譜各波段光作用人眼部位 270
8.2.2 藍光對人體的影響 271
8.3 LCD產品如何防護藍光傷害 271
8.3.1 LCD基本顯示原理 271
8.3.2 低藍光方案介紹 272
8.3.3 低藍光顯示器產品 276
參考文獻 278

第9章電競顯示技術 279
9.1 電競遊戲應用瓶頸 279
9.1.1 畫面拖影 279
9.1.2 畫面卡頓和撕裂 280
9.2 電競顯示器的性能優勢 282
9.2.1 高刷新率 282
9.2.2 快速響應時間 283
9.3 畫面撕裂與卡頓的解決方案 283
9.4 電競顯示器認證標準 285
9.4.1 AMD Free-Sync標準 285
9.4.2 NVIDA G-Sync標準 287
參考文獻 288

第10章量子點材料特點與顯示應用 289
10.1 引言 289
10.2 量子點材料基本特點 290
10.2.1 量子點材料獨特效應 290
10.2.2 量子點材料發光特性 294
10.3 量子點材料分類與合成 297
10.3.1 Ⅱ-Ⅵ族量子點材料 298
10.3.2 Ⅲ-Ⅴ族量子點材料 304
10.3.3 鈣鈦礦量子點材料 307
10.3.4 其他量子點材料 314
10.4 量子點顯示技術 315
10.4.1 光致發光量子點顯示技術 315
10.4.2 電致發光量子點顯示技術 322
參考文獻 327

第11章Mini LED和Micro LED原理與顯示應用 328
11.1 概述 328
11.2 LED發光原理 329
11.2.1 器件特點 329
11.2.2 器件電極的接觸方式 331
11.2.3 器件光譜特點 332
11.3 LED直顯應用特點 334
11.3.1 尺寸效應 334
11.3.2 外量子效應 335
11.3.3 溫度效應 335
11.4 巨量轉移技術 336
11.4.1 PDMS彈性印章轉移技術 337
11.4.2 靜電吸附轉移技術 338
參考文獻 339

第12章觸控技術原理與應用 341
12.1 觸控技術分類 341
12.1.1 從技術原理上分類 342
12.1.2 從顯示集成方式上分類 342
12.1.3 從電極材料上分類 342
12.2 觸控技術原理介紹 343
12.2.1 電阻觸控技術 343
12.2.2 光學觸控技術 344
12.2.3 表面聲波觸控技術 346
12.2.4 電磁共振觸控技術 347
12.2.5 電容觸控技術 348
12.3 投射電容觸控技術 349
12.3.1 互容觸控技術 349
12.3.2 自容觸控技術 350
12.3.3 FIC觸控技術 350
12.4 FIC觸控的驅動原理 353
12.4.1 電路驅動系統架構 353
12.4.2 FIC觸控屏的兩種驅動方式 357
12.4.3 觸控通信協議 361
12.4.4 觸控性能指標 362
參考文獻 363
附錄A MOSFET的Level 1模型參數 364
附錄B a-Si:H TFT的Level 35模型參數 366
附錄C LTPS TFT的Level 36模型參數 368
附錄D IGZO TFT的Level 301模型參數（完善中） 370