Жидкокристаллические дисплеи (LCD): технология, производство и перспективы

История

Жидкокристаллические дисплеи (LCD) используют электрически чувствительные жидкие кристаллы для отображения алфавитно-цифровой информации и графики в широком спектре устройств — от ноутбуков и факсов до CD-плееров и переносных часов. Наиболее совершенный вариант — активноматричные LCD (AMLCD) — питют портативные цветные телевизоры и готовы доминировать в больших HDTV.

Технология LCD опирается на жидкие кристаллы — молекулы, ведущие себя как жидкость, но сохраняющие упорядоченную структуру. При низких температурах они образуют твёрдое тело с параллельно ориентированными молекулами. При нагреве в «мутную» фазу молекулы остаются в основном параллельными, но приобретают свободу движения, рассеивая свет и давая жидкости дымчатый вид. Дальнейший нагрев убирает дымку — молекулы становятся полностью подвижными.

В LCD электрическое поле переключает каждый кристаллический сегмент между прозрачным и мутным состоянием. Сегменты, расположенные в строках и столбцах, управляют прохождением поляризованного света, создавая цифры, буквы или пиксели. Когда сегмент становится мутным, он блокирует свет, образуя тёмную точку на отражающем экране.

Два основных типа: пассивная матрица — проще и дешевле, и активная матрица — с транзистором за каждым пикселем для ярчее, более стабильных изображений. Однако AMLCD сложнее в fabricación, до 50% единиц бракуются за дефекты, повышая стоимость.

Сырьё

Функциональный LCD состоит из дисплейного стекла, драйверной электроники, управляющей электроники, механического корпуса и блока питания.

Дисплейное стекло — между двумя подложками — несет рядовые и колоночные электроды и контактные площадки для связи с драйверной электроникой. Обычно покрыто диоксидом кремния для улучшения ориентации кристаллов, затем паттернируется оксидом индия и олова (ITO) для формирования электродной сетки.

Драйверная электроника — интегральные схемы, подающие ток на электродную сетку, в то время как управляющая электроника декодирует входящие сигналы (например, от ноутбука) и передаёт их драйверной схеме.

Механический корпус монтирует печатные платы к дисплейному стеклу и защищает сборку. Также даёт структурную поддержку и крепит LCD к хост-устройству.

Подложки LCD тщательно подбирают: боросиликатное стекло или стекло с SiO₂ минимизируют щелочные ионы, нарушающие электрическое поле. Пластиковые подложки дают выигрыш в весе, но могут рассеивать свет и химически реагировать с кристаллами.

Большинство современных LCD используют задний источник света — обычно люминесцентную лампу или LED — для подсветки кристаллической ячейки, с поляризаторами для усиления контраста.

Производственный процесс

Производство пассивноматричных LCD — многостадийная последовательность. Сначала передняя и задняя стеклянные подложки режут, полируют, моют. Алмазные пилы или скрибы формируют детали, лаппинг сглаживает поверхность. После сушки наносят слой диоксида кремния.

Подготовка стеклянных подложек

• Подложки нарезают по размеру, полируют лаппингом, моют, покрывают тонкой плёнкой SiO₂.

Формирование электродного рисунка

• Обе стеклянные поверхности получают равномерное покрытие ITO. Маска — создёт шёлкографией или фотолитографией — определяет геометрию электродов.
• Используя фоторезистовый слой, УФ-экспозиция с последующей химической травкой удаляет ненужный ITO, формируя точные рисунки. Этап гарантирует, что активные полосы на каждой подложке перекрываются только там, где нужно, предотвращая нежелательные световые утечки.

Нанесение полимерного выравнивающего слоя

• Полиамиды — предпочтительные выравнивающие агенты, дающие влагостойкость и надёжные покрытия. ПВА или силаны менее предпочтительны из-за проблем стабильности.
• Полимер щётчат в одном направлении, создавая микроножки, ориентирующие жидкие кристаллы параллельно движению щётки. Альтернативные техники — косый осадок оксида кремния или амофильные покрытия — достигают перпендикулярной ориентации для спецдисплеев.

Герметизация и заполнение кристаллической ячейки

• Герметизирующая смола покрывает подложки, пластиковые распорки задают толщину ячейки (обычно 5–25 мкм). Стекловолоконные нити или шарики могут вставляться для поддержания равномерного зазора при выверке.
• Жидкокристаллический материал инъецируют между подложками, заполняя герметизированную полость.
• Поляризаторы — обычно растянутые ПВА-плёнки с иодом или красителем — клеят на стекло акриловым клеем и защищают плёнкой. Рефлексивные поляризаторы могут включать металлическую фольгу-рефлектор.

Финальная сборка

• После приклеивания поляризатора блок выдерживают, затем дисплейную сборку монтируют на управляющие и драйверные платы. Готовый модуль готов к интеграции в хост-устройство.

Производство активноматричных LCD

Активноматричные LCD разделяют базовые слои пассивных дисплеев, но добавляют тонкопленочные транзисторы (TFT) и дополнительные диэлектрические плёнки. Стек включает: поляризационную плёнку, натрий-барьер (SiO₂), стеклянную подложку с чёрной матрицей, второй барьер, цветовые фильтры, прозрачный электрод, ориентирующую плёнку, жидкокристаллическую ячейку с распорками.

Так как каждый пиксель теперь включает транзистор, фабрикационный процесс требует более высокой точности и дополнительных стадий чистки, способствуя высокому браку.

Контроль качества

LCD — особенно ноутбучные дисплеи — производят в чистых комнатах, фильтрующих пыль и навязывающих строгую гигиену персонала. Несмотря на контроль, уровень дефектов остаётся высоким, особенно для AMLCD — до 50% единиц утилизируют. Для сокращения потерь производители инспектируют и ремонтируют как можно больше единиц, проводя проверки после фоторезистовой травки и после инъекции кристаллов.

Будущее

Активноматричная технология — ясное направление индустрии, движимое исследованиями больших HD-дисплеев. Улучшения инспекционно-ремонтного оборудования уже снижают брак с 50% к 35%. Продолжающие инвестиции в НИОКР AMLCD обещают значительные улучшения выхода и проложат путь к следующему поколению HDTV.