本书基于作者在薄膜晶体管液晶显示器领域的开发实践与理解，并结合液晶显示技术的最新发展动态，首先介绍了光的偏振性及液晶基本特点，然后依次介绍了主流的广视角液晶显示技术的光学特点与补偿技术、薄膜晶体管器件的SPICE模型、液晶取向技术、液晶面板与电路驱动的常见不良与解析，最后介绍了新兴的低蓝光显示技术、电竞显示技术、量子点显示技术、Mini LED和Micro LED技术及触控技术的原理与应用。

序 2003年，索尼正式宣布将停止特丽珑显像管的生产及民用销售，这标志着笨重、难以大尺寸化的CRT时代宣告终结，具有轻薄、便携化、易大尺寸化的TFT LCD显示技术逐步成为半导体显示舞台的主角。然而，面对这场疾风骤雨般的产业变革，处在世纪之交的中国显示产业并没有提前做好应对准备，这也导致“缺芯少屏”在相当长的一段时间内成为掣肘中国追赶全球信息革命步伐的关键要素。 可喜的是，自2003年以来，以京东方为代表的中国显示器件制造企业不畏艰难、开拓创新，通过“海外收购、国内扎根、消化吸收再创新”战略，高起点切入液晶显示领域，并于2005年实现中国大陆首条自主建设的第5代TFT LCD生产线投产，历经近20年的创新发展，推动中国半导体显示产业不断发展壮大、实现历史跨越。时至今日，京东方在显示器件整体及五大主流产品的出货量已连续多年稳居世界第一，全球每四块显示屏中就有一块来自京东方。同时，预计2022年底全球液晶面板出货产能中，中国大陆占比将提升至70%以上，中国显示产业已成为全球显示产业最重要的增长极，困扰我们多年的“缺芯少屏”中的“少屏”问题已经解决。中国半导体显示产业的蓬勃发展，也有力推动了全球电子信息产业的迭代升级，更在一定程度上加速移动互联网的快速普及。 站在“两个一百年”奋斗目标的历史交汇点和“十四五”开局的新起点，我们正迎来一个全新的万物互联时代。半导体显示产品成为物联网时代的“重要端口”和“第一触点”，与物联网新兴产业深度融合，并通过技术和产品升级持续赋能各细分应用场景，“显示无处不在”的呼唤已成为现实，半导体显示产业将迎来新一轮增长机遇。创新永远是产业发展的源动力，只有永葆对技术的尊重和对创新的坚持，才能牢牢把握产业发展机遇，实现良性竞争和持续稳定增长。 虽然目前TFT LCD、AMOLED、Mini LED、Micro OLED等显示技术蔚然成荫、竞相争艳，但纵观市场全局，TFT LCD在当前及未来相当长的一段时间内仍将是绝对的出货主力，而通过持续的技术挖潜和产品创新，TFT LCD技术仍将保持旺盛的生命力。京东方自2003年进入半导体显示领域以来，深刻洞察行业内在发展规律，持续挖掘TFT LCD前沿技术和创新应用，多年来已积累丰富的创新成果和智力资本，为京东方成为全球领先的行业龙头奠定了坚实基础。本书正是京东方在TFT LCD领域持续深耕、创新求索的智慧结晶，是由邵喜斌、廖燕平、陈东川、宋勇志和刘磊这五位作者在2016年出版的《薄膜晶体管液晶显示器显示原理与设计》基础上撰写完成的进阶版本，是以这五位作者为代表的京东方同仁在多年工作实践中的创新成果集萃和实践经验总结。我相信本书的出版，定将为业内同仁和高校师生提供有益参考，助力中国半导体显示产业培育一批基础扎实、富有创新力的优秀人才，并为推动中国半导体显示产业长期稳定高质量发展贡献一份力量。 京东方科技集团董事长 2022年2月10日 前言 当今半导体显示技术日新月异，新材料、新工艺、新型显示技术层出不穷，无处不在的显示产品，如手机、电视、平板、车载中控、广告屏和监控器等，给人们的日常生活与出行带来了极大的便利。当前，薄膜晶体管液晶显示技术依然是半导体显示技术的主流，并在新兴的量子点技术、Mini LED背光技术和新型氧化物半导体技术的加持下，进一步提升了液晶显示产品的技术竞争力，拓宽了市场应用场景，也给消费者带来了全新的体验。 薄膜晶体管液晶显示产业在中国取得了迅猛的发展，每年也吸引着大量的人才进入该产业。本书的撰写结合了液晶显示基本原理、产品开发实践经验和新型技术发展动态等方面的知识内容，与行业内已出版书籍相比，内容上具有互补和紧跟技术发展前沿的特点，为读者提供基本物理原理、基本概念、显示专业技术基础等基础知识与基本技能，希望有助于读者更全面、更深入地了解技术原理，起到开拓思路、抛砖引玉、激发创新思维的作用。 本书的撰写，除了我们几位作者对知识的汇总与统稿，还得到了公司同事、同行专家的帮助与指导，在此表示诚挚的感谢，他们（敬称略）是：第1章感谢郭远辉和杜悦等同事；第2章感谢西安彩晶的邓登、闫路和陆涛等专家；第3章感谢曲莹莹、郭远辉和江鹏等同事；第4章感谢华大九天的常江、李晓坤、朱能勇和王梓轩等专家及缪应蒙同事；第5章感谢薄灵丹、田晓菡、杜悦、崔明珠和彭昭宇等同事；第6章感谢崔晓鹏、刘冬、刘荣铖和林洪涛等同事；第7章感谢肖利军和汪建明等同事及奕斯伟的王健铭专家；第8章与第9章感谢杨炜帆、刘杰和魏重光等同事；第12章感谢张银龙、肖利军、赵重阳和郭俊杰等同事。此外，还特别感谢深圳市视显光电技术有限公司对我们75英寸8K 288Hz和4K 576Hz技术开发的大力支持（样品于2022年5月在美国SID展会上展出），以及京东方大学堂徐涛老师对本书出版的支持与帮助。 本书顺利出版，感谢“科技北京百名领军人才培养工程”（项目编号lj201807）的经费资助。本书撰写过程中，虽然我们力求尽善尽美，但是才学有限，并且技术发展太快，不妥或疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。 作者 2022年2月

第1章 偏振光学基础与应用 1 1.1 光的偏振性 1 1.1.1 自然光与部分偏振光 2 1.1.2 偏振光 3 1.2 光偏振态的表示方法 7 1.2.1 三角函数表示法 8 1.2.2 庞加莱球图示法 10 1.3 各向异性介质中光传播的偏振性 14 1.3.1 反射光与折射光的偏振性 14 1.3.2 晶体的双折射 14 1.3.3 单轴晶体中的折射率 18 1.4 相位片 23 1.4.1 相位片的定义 23 1.4.2 相位片在偏光片系统中 24 1.4.3 相位片的特点 25 1.4.4 相位片的分类 27 1.4.5 相位片的制备与应用 27 1.5 波片 29 1.5.1 快轴与慢轴 29 1.5.2 ?/4波片 30 1.5.3 ?/2波片 31 1.5.4 ?波片 32 1.5.5 光波在金属表面的反射 32 1.5.6 波片的应用 33 参考文献 38 第2章 液晶基本特点与应用 39 2.1 液晶发展简史 39 2.1.1 液晶的发现 39 2.1.2 理论研究 40 2.1.3 应用研究 40 2.2 液晶分类 42 2.2.1 热致液晶 42 2.2.2 溶致液晶 44 2.3 液晶特性 44 2.3.1 光学各向异性 44 2.3.2 电学各向异性 45 2.3.3 力学特性 45 2.3.4 黏度 46 2.3.5 电阻率 46 2.4 液晶分子合成与性能 47 2.4.1 单体的合成 47 2.4.2 混合液晶 49 2.4.3 单体液晶分子结构与性能关系 50 2.5 混合液晶材料参数及对显示性能的影响 58 2.5.1 工作温度范围的影响 58 2.5.2 黏度的影响 59 2.5.3 折射率各向异性的影响 59 2.5.4 介电各向异性的影响 60 2.5.5 弹性常数的影响 60 2.5.6 电阻率的影响 61 2.6 液晶的应用 61 2.6.1 显示领域应用 61 2.6.2 非显示领域应用 66 参考文献 67 第3章 广视角液晶显示技术 69 3.1 显示模式概述 69 3.2 TN模式 70 3.2.1 显示原理 70 3.2.2 视角特性 71 3.2.3 视角改善 76 3.2.4 响应时间影响因素与改善 79 3.3 VA模式 81 3.3.1 显示原理 82 3.3.2 视角特性 89 3.3.3 视角改善 93 3.4 IPS与FFS模式 97 3.4.1 显示原理 98 3.4.2 视角特性 99 3.5 偏光片视角补偿技术 105 3.5.1 偏振矢量的庞加莱球表示方法 105 3.5.2 VA模式的漏光补偿方法 106 3.5.3 IPS模式的漏光补偿方法 109 3.6 响应时间 114 3.6.1 开态与关态响应时间特性 115 3.6.2 灰阶之间的响应时间特性 116 3.7 对比度 116 参考文献 117 第4章 薄膜晶体管器件SPICE模型 118 4.1 MOSFET器件模型 118 4.1.1 器件结构 119 4.1.2 MOSFET器件电流特性 120 4.1.3 MOSFET器件SPICE模型 121 4.2 氢化非晶硅薄膜晶体管器件模型 124 4.2.1 a-Si:H理论基础 124 4.2.2 a-Si:H TFT器件电流特性 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理论基础 131 4.3.2 LTPS TFT器件电流特性 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理论基础 142 4.4.2 IGZO TFT器件电流特性 143 4.4.3 IGZO TFT器件SPICE模型 145 4.5 薄膜晶体管的应力老化效应 149 参考文献 150 第5章 液晶取向技术原理与应用 152 5.1 聚酰亚胺 152 5.1.1 分子特点 152 5.1.2 聚酰亚胺的性能 153 5.1.3 聚酰亚胺的合成 155 5.1.4 聚酰亚胺的分类 156 5.1.5 取向剂的特点 158 5.2 取向层制作工艺 161 5.2.1 涂布工艺 161 5.2.2 热固化 166 5.3 摩擦取向 168 5.3.1 工艺特点 168 5.3.2 摩擦强度定义 171 5.3.3 摩擦取向机理 172 5.3.4 预倾角机理 174 5.3.5 PI结构对VHR和预倾角的影响 176 5.3.6 摩擦取向的常见不良 179 5.4 光控取向 182 5.4.1 取向原理 182 5.4.2 光控取向的光源特点与影响 190 参考文献 191 第6章 面板驱动原理与常见不良解析 193 6.1 液晶面板驱动概述 193 6.1.1 像素结构与等效电容 193 6.1.2 像素阵列的电路驱动结构 194 6.1.3 极性反转驱动方式 196 6.1.4 电容耦合效应 197 6.1.5 驱动电压的均方根 198 6.2 串扰 199 6.2.1 定义与测试方法 199 6.2.2 垂直串扰 200 6.2.3 水平串扰 205 6.3 闪烁 209 6.3.1 定义与测试方法 209 6.3.2 引起闪烁的因素 212 6.4 残像 216 6.4.1 定义与测试方法 216 6.4.2 引起残像的因素 218 参考文献 223 第7章 电路驱动原理与常见不良解析 224 7.1 液晶模组驱动电路概述 225 7.1.1 行扫描驱动电路 227 7.1.2 列扫描驱动电路 228 7.1.3 电源管理电路 229 7.2 眼图 232 7.2.1 差分信号 233 7.2.2 如何认识眼图 236 7.2.3 眼图质量改善 238 7.3 电磁兼容性 243 7.3.1 EMI简介 243 7.3.2 EMI测试 244 7.3.3 模组中的EMI及改善措施 245 7.4 ESD与EOS防护 249 7.4.1 ESD与EOS产生机理 249 7.4.2 防护措施 250 7.4.3 ESD防护性能测试 252 7.4.4 EOS防护性能测试 254 7.5 开关机时序 255 7.5.1 驱动模块的电源连接方式 255 7.5.2 电路模块的时序 256 7.5.3 电源开关机时序 260 7.5.4 时序不匹配的显示不良举例 262 7.6 驱动补偿技术 263 7.6.1 过驱动技术 263 7.6.2 行过驱动技术 265 参考文献 266 第8章 低蓝光显示技术 268 8.1 视觉的生理基础 268 8.1.1 人眼的生理结构 268 8.1.2 感光原理说明 269 8.1.3 光谱介绍 269 8.2 蓝光对健康的影响 270 8.2.1 光谱各波段光作用人眼部位 270 8.2.2 蓝光对人体的影响 271 8.3 LCD产品如何防护蓝光伤害 271 8.3.1 LCD基本显示原理 271 8.3.2 低蓝光方案介绍 272 8.3.3 低蓝光显示器产品 276 参考文献 278 第9章 电竞显示技术 279 9.1 电竞游戏应用瓶颈 279 9.1.1 画面拖影 279 9.1.2 画面卡顿和撕裂 280 9.2 电竞显示器的性能优势 282 9.2.1 高刷新率 282 9.2.2 快速响应时间 283 9.3 画面撕裂与卡顿的解决方案 283 9.4 电竞显示器认证标准 285 9.4.1 AMD Free-Sync标准 285 9.4.2 NVIDA G-Sync标准 287 参考文献 288 第10章 量子点材料特点与显示应用 289 10.1 引言 289 10.2 量子点材料基本特点 290 10.2.1 量子点材料独特效应 290 10.2.2 量子点材料发光特性 294 10.3 量子点材料分类与合成 297 10.3.1 Ⅱ-Ⅵ族量子点材料 298 10.3.2 Ⅲ-Ⅴ族量子点材料 304 10.3.3 钙钛矿量子点材料 307 10.3.4 其他量子点材料 314 10.4 量子点显示技术 315 10.4.1 光致发光量子点显示技术 315 10.4.2 电致发光量子点显示技术 322 参考文献 327 第11章 Mini LED和Micro LED原理与显示应用 328 11.1 概述 328 11.2 LED发光原理 329 11.2.1 器件特点 329 11.2.2 器件电极的接触方式 331 11.2.3 器件光谱特点 332 11.3 LED直显应用特点 334 11.3.1 尺寸效应 334 11.3.2 外量子效应 335 11.3.3 温度效应 335 11.4 巨量转移技术 336 11.4.1 PDMS弹性印章转移技术 337 11.4.2 静电吸附转移技术 338 参考文献 339 第12章 触控技术原理与应用 341 12.1 触控技术分类 341 12.1.1 从技术原理上分类 342 12.1.2 从显示集成方式上分类 342 12.1.3 从电极材料上分类 342 12.2 触控技术原理介绍 343 12.2.1 电阻触控技术 343 12.2.2 光学触控技术 344 12.2.3 表面声波触控技术 346 12.2.4 电磁共振触控技术 347 12.2.5 电容触控技术 348 12.3 投射电容触控技术 349 12.3.1 互容触控技术 349 12.3.2 自容触控技术 350 12.3.3 FIC触控技术 350 12.4 FIC触控的驱动原理 353 12.4.1 电路驱动系统架构 353 12.4.2 FIC触控屏的两种驱动方式 357 12.4.3 触控通信协议 361 12.4.4 触控性能指标 362 参考文献 363 附录A MOSFET的Level 1模型参数 364 附录B a-Si:H TFT的Level 35模型参数 366 附录C LTPS TFT的Level 36模型参数 368 附录D IGZO TFT的Level 301模型参数（完善中） 370