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2014年近期LCD液晶屏新技術進展 時間:2014-06-04 15:05:22 點擊數:3436

LCD的缺陷與技術突破口
 
在短短的幾年時間內,LCD迅速取代CRT,成為占據主流的顯示技術。在價格不斷平民化的同時,LCD的顯示品質也變得越來越好。最初,可視角度小、響應時間長被認為是LCD最嚴重的缺陷,在各大面板廠商的共同努力下,新一代LCD面板紛紛研發成功,并在極短的時間內迅速實現量產。新一代面板普遍可實現160度以上的可視角度,部分優秀技術更可以達到170度視角,這樣的水平與CRT相差無幾,LCD視角窄小的缺陷有了一定的改觀。其次,新型面板普遍擁有16毫秒以內的響應時間,許多產品甚至降到8毫秒的水準,而只有當響應時間超過25毫秒,人眼才可以感覺到明顯的影像延遲,新一代LCD完全可滿足3D游戲的應用需求。而上述兩個問題的解決為LCD的普及打下一針強心劑,加之成本日益降低,不僅15英寸規格的LCD顯示器實現價格平民化,連17英寸的產品都跌入2000元之內,取代CRT成為主流就是一件順理成章的事情了,這也是我們今天在市場上見到的情況。    盡管視角與響應時間有了很大改觀,LCD的顯示品質獲得一定的提升,但LCD的前進步伐并沒有因此停頓,業界將技術改進的重點放在以下幾個領域:提高畫面對比度,使之可表現出更豐富的層次感;進一步提高LCD的色彩表現,使之能夠接近甚至達到CRT的水準;不斷降低顯示器的功耗,使之能夠更節能,滿足移動應用的需求;將使用壽命在現有基礎上作進一步提高;拓展新的應用領域,改革制造工藝,提高良品率并達到進一步降低制造成本的目的。
 
LCD的缺陷與技術突破口 
 
由于先天原理的限制,LCD在色彩方面的顯示品質依然難與同CRT比肩。我們知道,液晶面板自身是無法實現自主發光的,但它可起到對光的遮擋作用,為了實現完整的顯示功能,就必須為它設計一套背光組件(Backlight)—背光源發射出光線,經過反射板、導光板、光學擴散片、棱鏡片等輔助部件后照射到液晶面板上,液晶面板在電信號的精確驅動下,確定每個像素區域的光通斷情況,并在彩色濾光片作用下形成明暗不一、顏色各異的光線輸出—在用戶角度看來,就是液晶屏幕上顯示出了既定的彩色畫面。這樣的工作原理存在許多弊端:首先,依靠濾光片才可實現彩色輸出,而由于驅動IC的限制,早期的LCD顯示器每個色彩通道只能夠實現6bit組合,RGB三通道加起來就是18位色顯示,可顯示出的色彩總數只有262144種,這與24位真彩色有漫長的距離。由于無法顯示出足夠多的顏色,LCD的色彩顯示效果就很難達到令人滿意的程度;其次,LCD必須借助背光源才能夠形成亮度輸出,而背光的品質特性對LCD顯示器的顯示品質、使用壽命等指標都有重要影響。目前廣泛流行的背光源類型為CCFL冷陰極熒光燈,它具有成本低廉、技術成熟等優點,無論是性能還是穩定性都久經考驗,但冷陰極熒光燈屬于管狀光源,要將所發出的光均勻散布到面板的每一個區域就需要相當復雜的輔助組件,屏幕的厚度較難以控制。而且CCFL背光在色彩顯示方面表現平平,使用壽命也比較一般;再次,背光源的能量利用效率低下。在光能從背光到屏幕的傳輸過程中,光能量損耗情況非常嚴重,最終大約只有6%左右的光能可被真正利用,能量利用率頗為低下。為了實現更高的亮度和對比度,廠商必須提高光源的輸出功率或增加燈管數目,所帶來的不良后果就是整機功耗上揚。這對于桌面型LCD顯示器或液晶電視不會有多大的影響,但對筆記本LCD屏幕影響很大。LCD是筆記本電腦中功耗最高的部件,為了盡可能提高電池續航能力,業界積極發展低功耗的LCD屏,而背光源的能效顯然與之背道而馳。   

上述幾種不足成為LCD新技術發展的重點突破口:面板領域,低溫多晶硅技術得到業界的廣泛重視,該技術不僅可以有效提高屏幕的透光率,獲得更出色的亮度和色彩輸出,而且顯示器的結構簡單、穩定性更強,有利于LCD的進一步輕薄化;背光領域,LED技術被認為是明日之星,更出色的色彩表現和更長的使用壽命是它的兩大法寶。而飛利浦公司近期提出的Aptura背光技術則另辟蹊徑,通過創新設計令LCD的色彩表現力獲得有效增強;驅動IC領域,LG公司帶來的10位/12位驅動IC,將每個色彩通道提高到10bit和12bit,令LCD顯示器可輸出物理30位色和36位色。下面我們將向大家詳細介紹LCD在這些領域近期出現的新技術及進展情況,從中大家將了解到該領域最新的技術動向。 

低溫多晶硅:LCD的明日之星
 
早在1999年,低溫多晶硅LCD便已經問世,因此它談不上是什么新技術。但由于種種原因,低溫多晶硅技術發展緩慢,甚至長時間停留在口頭上,直到近期該領域出現突破性進展之后才開始被外界重新注意。低溫多晶硅的全稱是“Low Temperature Poly-Silicon(LTPS,多晶硅又簡稱為p-Si,下同)”,它是多晶硅技術的一個分支。對LCD顯示器來說,采用多晶硅液晶材料有許多優點,如薄膜電路可以做得更薄更小、功耗更低等等,我們會在下面集中介紹。但在多晶硅技術發展的初期,為了將玻璃基板從非晶硅結構(a-Si)轉變為多晶硅結構,就必須借助一道激光退火(Laser Anneal)的高溫氧化工序,此時玻璃基板的溫度將超過攝氏1000度。眾所周知,普通玻璃在此高溫下就會軟化熔融,根本無法正常使用,而只有石英玻璃才能夠經受這樣的高溫處理。而石英玻璃不僅價格昂貴且尺寸都較小,無法作為顯示器的面板,廠商很自然選擇了廉價的非晶硅材料(a-Si),這也是我們今天所見到的情形。不過,業界并沒有因此放棄努力,發展低溫多晶硅技術成為共識,在經過多年的努力之后,低溫多晶硅終于逐步走入現實。與傳統的高溫多晶硅相比,低溫多晶硅雖然也需要激光照射工序,但它采用的是準分子激光作為熱源,激光經過透射系統后,會產生能量均勻分布的激光束并被投射于非晶硅結構的玻璃基板上,當非晶硅結構的玻璃基板吸收準分子激光的能量后,就會轉變成為多晶硅結構。由于整個處理過程是在攝氏500-600度以下完成,普通的玻璃基板也可承受,這就大大降低了制造成本,將多晶硅技術引入LCD顯示器領域也就完全可行。而除了制造成本降低外,低溫多晶硅技術的優點還體現在以下幾個方面。
 
電子遷移率以“cm2/V-sec”為單位,指的是每秒鐘每伏特電壓下電子的運動范圍大小。傳統的a-Si非晶硅材料LCD,電子遷移率指標多數都在0.5cm2/V-sec以內,而P-Si多晶硅面板的電子遷移率可達到200cm2/V-sec,整整是非晶硅材料的400倍之多。由于在該項指標上多晶硅材料占據絕對優勢,使得多晶硅LCD的反應速度極快,體現在顯示器產品中便是響應時間可以做到更短,更好滿足大屏幕LCD的實用需求。  
 
我們知道,液晶材料通過控制光的通斷來顯示不同的畫面,這樣,每個液晶像素都必須有一個專門的TFT薄膜電路。這個薄膜電路與液晶像素一一對應,且成為像素的一部分,由于電路本身并不透光,來自背光源的光線便會被它遮擋。薄膜電路占據的面積越大,能透過的光能就越少,體現在最終顯示上就是液晶像素較暗。而如果薄膜電路占據的面積較小,透過的光線就較多,在背光源不變的情況下,液晶像素也可以擁有較高的輸出亮度。LCD業界引入“開口率(Aperture Ratio)”指標來描述此種情況,開口率是指每個像素可透光的區域與像素總面積的比例。顯然,薄膜電路占據的面積越小,可透光區域就越大,開口率越高,整體畫面就越亮。   
 
傳統a-Si非晶硅材料在開口率方面的表現難如人意,原因就在于對應的薄膜電路體積較大,雖然許多廠商想盡辦法提升該項指標,但收效甚微。而p-Si多晶硅材料在這方面具有絕對的優勢,用該技術制造的LCD面板,薄膜電路可以做得更小、更薄,電路本身的功耗也較低。更重要的是,較小的薄膜電路讓多晶硅LCD擁有更高的開口率,在背光模塊不變的情況下可擁有更出色的亮度及色彩輸出。換個角度考慮,采用多晶硅材料也可以在確保亮度不變的前提下,有效降低背光源的功率,整機的功耗將因此大大降低,這對于筆記本LCD屏來說具有相當積極的意義。  
 
越來越多的液晶廠商開始重視p-Si多晶硅技術。如前所述,p-Si多晶硅面板的薄膜電路尺寸極小,開口率比傳統非晶硅面板高得多,對應的LCD面板要做到高分辨率不僅相對容易,且可以擁有更為出色的顯示效果。不妨舉個例子,對于12英寸的筆記本LCD屏,如果改用低溫多晶硅技術,顯示屏就可以在實現1024×768高分辨率的同時,將開口率指標保持在與常規桌面型LCD顯示器相當的水準,由此大幅度改善屏幕的亮度輸出、對比度和色彩效果,“12英寸無好屏”的說法自然也就成為歷史。事實上,多晶硅技術所能達到的分辨率遠超乎人們的想象,如在三片式LCD投影機中,高溫多晶硅(High Temperature Poly-Silicon)技術被廣泛使用,而它可以在面板尺寸僅有1.3英寸時,就實現1024×768的超高分辨率,如果換作是普通的非晶硅技術則遠遠無法達到這一指標。
 
對于傳統的非晶硅LCD顯示器,驅動IC與玻璃基板是不可集成的分離式設計,因此,在驅動IC與玻璃基板之間需要大量的連接器。一般來說,一塊非晶硅LCD面板,需要的連接器數量在4000個左右,這不可避免導致結構變得復雜,模塊制造成本居高不下,且面板的穩定性較差,故障率會比較高。再者,驅動IC與玻璃基板的分離式設計也讓LCD難以實現進一步輕薄化,這對輕薄型筆記本電腦和平板PC而言都是個不小的打擊。相比之下,低溫多晶硅技術同樣沒有這個問題。驅動IC可以同玻璃基板直接集成,所需的連接器數量銳減到200個以下,顯示器的元器件總數比傳統的a-Si非晶硅技術整整少了40%。這也使得面板的結構變得很簡單、穩定性更強,理論上說,多晶硅LCD面板的制造成本也將低于傳統技術。與此同時,集成式結構讓驅動IC不必占據額外的空間,LCD顯示屏可以做得更輕更薄,這一點無疑可以得到市場的廣泛歡迎。
 
低溫多晶硅的市場應用情況   
 
看到低溫多晶硅LCD存在的巨大優勢,各主要液晶廠商先后投入巨資從事該項技術的實用化研究。困擾業界的第一個問題在于,在早期階段,低溫多晶硅面板價格十分昂貴,當時業界多數人都認為多晶硅技術不適合用來制造計算機用的大尺寸LCD顯示器,主要市場會集中于手機、PDA、數碼相機等掌上型數碼產品中,而后來的市場發展也就按照這樣的脈絡前進。   
 
東芝公司堪稱低溫多晶硅領域的先行者,早在2001年10月份,東芝公司就宣布推出針對筆記本電腦的14英寸低溫多晶硅LCD面板,該面板仍采用1024×768分辨率,售價高達650美元—在同一時期,同樣規格的非晶硅LCD面板的售價僅為220美元,兩者相差三倍之多。當時許多業界觀察員都認為東芝公司的做法非常不明智,但東芝公司不為所動堅持開發大尺寸多晶硅LCD面板。2002年,東芝、松下兩家公司的顯示器部門合并成立TMD公司(東芝/松下顯示器技術),低溫多晶硅技術轉由新公司負責。但在此后,該技術都沒有被真正投入實用,直到2004年9月份之后,東芝公司正式在新一代筆記本電腦中大范圍采用低溫多晶硅面板,如旗艦定位的Qosmio G10機型便采用17英寸寬屏低溫多晶硅LCD,分辨率為1440×900,而亮度指標高達500尼特,創下筆記本電腦LCD屏幕亮度的最高紀錄。東芝公司同時解釋說,該技術可以輕易讓17英寸屏幕實現2048×1536的超高分辨率,但對計算機用戶而言,如此之高的分辨率更多是一種浪費,而且也會讓屏幕上的字體變得非常之小,故而在分辨率指標上沿用規范設計。另外,TMD公司同時也開發成功32英寸寬屏低溫多結晶硅面板,該型面板由TMD位于新加坡的工廠負責量產,由于采用730mm×920mm的第四代生產線,一張玻璃基板可裁出兩塊32英寸的面板。但由于在成本方面難同普通32英寸面板競爭,TMD公司暫不決定將之大量投產,而是定位在中小型低溫多晶硅面板的“技術推進器”,優先發展筆記本型LCD屏幕,意圖在該領域占據優勢地位。TMD同時還表示,如果可實現高速響應及廣視角的OCB(Optically Compensated Bend,光學補償彎曲排列)技術開發成熟,不排除開發出大尺寸的OCB型低溫多晶硅面板,而此種面板將被用在“超高端液晶電視”產品中。    除了東芝/松下外,STLCD(索尼與豐田合資成立)、精工愛普生、夏普、三洋電機等日系LCD企業都在2001年前后投身于該領域,由此奠定日系企業在低溫多晶硅領域的領導格局。LG·飛利浦公司也有自己的低溫多晶硅面板生產線,但該公司主要生產用于手機的小尺寸LCD,大尺寸面板仍采用傳統的非晶硅技術。
 
高溫多晶硅技術
 
與低溫多晶硅技術對應的是高溫多晶硅(High Temperature Poly-Silicon,簡稱HTPS)的概念,我們在前面提到,高溫多晶硅采用耐高溫的石英玻璃作為基板,而高純度的石英玻璃相當昂貴,且極難做到較大的尺寸,這就決定了高溫多晶硅技術不可能作為計算機的顯示器。但在商用/家用前投影機(Front projectors)、HDTV液晶大屏幕投影電視(Large-screen projection TV)等領域,高溫多晶硅技術找到了自己的位置,尤其是在三片式LCD投影系統中,高溫多晶硅技術在全球領域的市場占有率高達55%。
 
高溫多晶硅LCD能在這個領域取得不俗成績,主要原因也是在于它所具有的一系列優點,如可以做到極高的分辨率—即便液晶面板只有2英寸大小,也可以實現1024×768的高分辨率,很適合作為投影設備的“光閥(Light Valve)”,控制透射光的通斷。但為了實現高分辨率,這類高溫多晶硅光閥不得不在開口率指標上作出犧牲(通常只有50%左右),為了獲得足夠高的輸出亮度,投影設備必須使用大功率的鹵素燈。但即便如此,投影設備依然很難在這方面有出色表現。我們在使用投影設備時,一般都要求將深色的窗簾緊閉,室內處于黑暗狀態,此時投影設備才可提供較好的效果。另外,高溫多晶硅液晶光閥雖然尺寸很小,但價格昂貴,這也是投影機成本長期居高不下的主要原因之一。
 
除了投影系統外,OHD抬頭顯示器(Over Head Display)和Helmet頭盔顯示器也都廣泛采用高溫多晶硅LCD技術。抬頭顯示器是指將影像投射到前方的擋風玻璃,以便駕駛者實時觀察,該技術在新一代戰斗機中應用最為普遍,一些前衛的概念車型也開始引入此項設計;而Helmet頭盔顯示器則多用于虛擬現實(Virtual Reality)環境,該項應用要求將虛擬生成的3D場景投射于使用者的眼前,達到完全仿真的效果,這樣我們就可以在計算機的控制下培訓駕駛員或航天員,大大加快人員培訓的速度并降低風險。當然,這兩項應用基本都還屬于軍事用途,普通用戶暫時還難以體驗到。
 
目前,全球范圍內從事高溫多晶硅生產的只有愛普生(Epson)和索尼兩家企業,其中愛普生是專利持有者,它早在1987年就進入該領域,累計到現在愛普生公司共生產超過2000萬枚高溫多晶硅LCD面板,目前該公司擁有三座高溫多晶硅生產線,無論技術實力還是產能都首屈一指。而索尼公司也不甘落后,尤其是近些年它花費巨額投資建設高溫多晶硅面板生產廠,意圖在投影機領域與愛普生分庭抗禮。由于投影市場不僅規模龐大且利潤豐厚,這兩家企業都將因此獲得極為可觀的收益。
 
LED背光技術
 
對于未采用多晶硅技術的LCD廠商來說,提高亮度和色彩表現的主要著眼點就是改良背光源。在這個領域,CCFL冷陰極熒光燈是絕對的主流,盡管該技術應用多年,已經相當成熟,但隨著時間的推移,它的缺陷也變得日益明顯。冷陰極熒光燈屬于管狀光源,為了將光線均勻散布在液晶面板各個區域,就要求動用一套包括反射板、導光板、光學擴散片、棱鏡片的輔助組件,所構成的整套系統也被稱為“背光模組”。但即便如此,常規型LCD要做到亮度均勻也較為困難,加之結構復雜,背光模組很難實現很薄的厚度。更重要的是,冷陰極熒光燈色域較為狹窄,導致幾乎所有的LCD顯示器都無法達到平面印刷的Adobe RGB色域標準,而普通CRT顯示器和少數高端LCD才能達到SRGB標準,不過近期已經有相當一部分主流LCD顯示器產品對SRGB標準提供支持。而在專業作圖應用中,操作者往往需要在一個廣泛的色域內進行色調調配,現有LCD顯示器因色域狹窄、往往無法保證顏色的精確性。另外,冷陰極熒光燈使用壽命并不算長,許多LCD產品在使用幾年后屏幕就會發黃、亮度明顯變低,雖然理論上說LCD可以通過更換燈管來提升顯示品質,但一般售后服務很少提供此項服務,沒有多少用戶愿意冒這樣的風險。因此,LCD的最佳工作狀態也只有短短幾年。
 
有鑒于此,許多液晶廠商將著眼點放在新型背光技術上,其中最炙手可熱的當屬LED背光技術。LED(Light Emitting Diode,發光二極管)是一種革命性的半導體照明技術,LED器件由兩層很薄的攙雜半導體材料制成—一層帶有過量的電子,另一層則缺乏電子而形成帶正電的“空穴”。工作時電流通過,電子和空穴相互結合,多余的能量則以光輻射的形式被釋放出來,由此實現亮度輸出。與現有的冷陰極熒光燈技術相比,發光二極管有許多優點,如它是一種平面狀的光源,最基本的LED發光單元是3-5mm邊長的正方形,很容易組合在一起成為既定面積的面光源,自身便具有很好的亮度均勻性,若作為液晶電視的背光源,所需的輔助光學組件可以做得非常簡單,屏幕亮度均勻性更為出色;其次,LED背光源的色域范圍甚至超過最高等級的Adobe RGB和NTSC色彩標準,令LCD顯示器可擁有極為出色的色彩表現(與NTSC規格相比,采用LED背光的LCD顯示器色域范圍可以達到它的105%,而CCFL背光的LCD顯示器色域僅有NTSC的70%);第三,LED的使用壽命可長達10萬小時,即便每天連續使用10個小時,也可以連續用上27年,且在漫長的時間內都可維持出色的亮度,而不會在幾年以后就出現諸如屏幕發黃、變暗的糟糕問題;第四,LED使用的是6-24V的低壓電源,十分安全,供電模塊的設計也頗為簡單,同時LED不需使用對環境有害的金屬汞,這顯然比傳統的標有含汞的冷陰極熒光燈產品更為環保。
 
但是,LED也存在一些較嚴重的先天缺陷,其中最讓業界飽受困擾的應該是LED的發光效率問題。作為背光源的LED器件以白光類型居多,而白光LED器件在開始時發光效率不高,致使屏幕亮度普遍偏低。目前CCFL冷陰極熒光燈的發光效率可達到50-100lm/W(流明/瓦),而白光LED器件在剛起步時發光效率僅為20lm/w甚至更低,這就注定LED在開始時并不適合作為LCD顯示器的背光源。幸運的是,該領域的技術進展非常迅速,白光LED的發光效率以每年提高60%的幅度提升,到目前為止,白光LED器件的發光效率突破50lm/w,開始達到實用化水平。而業界希望能夠到2007年之前,將白光LED的發光效率提高到75lm/w的高水平,此時采用LED器件作為液晶顯示器的背光源將沒有任何技術障礙。LED器件另一個主要缺陷在于成本高昂,目前LED背光模組零組件的價格平約為CCFL的5倍左右,屏幕尺寸越大,采用LED背光技術的成本就越高。而隨著產能的增加,LED背光源的成本將快速下滑,預計到2006年LED背光的售價可降到CCFL背光的2倍左右,距離大規模普及僅有一步之遙。

早在2004年8月份,索尼就成功開發出使用LED背光源的40/46英寸液晶電視,兩者分別使用325個和450個白光LED模塊(美國Lumileds公司生產),色彩表現力明顯優于傳統產品。但由于索尼還來不及使用較高光效的LED器件,不得不通過加大功率來保證屏幕的輸出亮度,導致這兩款產品的顯示屏功耗就高達470W和550W,比同尺寸的CCFL背光型液晶電視高出60%以上。除了索尼之外,三星公司對LED背光的態度也十分積極,該公司在2005年3月份也推出兩款采用LED背光的40/46英寸液晶電視,技術規格與索尼的產品基本相當,三星方面沒有透露具體的功耗數字,但官方聲稱比索尼的同類產品要低一些。由于背光模組和大尺寸LCD面板的價格都十分高昂,LED液晶電視的價格也十分昂貴,索尼40英寸產品的零售價約合人民幣6.4萬元,46英寸的產品竟高達8.4萬元以上,而三星公司的產品甚至更為昂貴,這樣的價格顯然是絕大多數用戶所難以承受的。當然,我們并不認為此種情況會持續太久,隨著時間的推移,液晶面板和LED背光模塊的成本都將以幾何速度快速下跌,未來兩年內出現技術成熟的平民化LED型液晶電視應該不是什么夢想。至于在中小屏幕的計算機顯示器領域,LED背光源仍停留在試制品階段,當前的主要矛盾還是LED器件發光效率不夠高,顯示器功耗偏大。即便這個問題能夠得到解決,LED背光類型的液晶顯示器也不會很快出現在消費市場,而會被優先用于圖形藝術、出版、CAD/CAM、醫學和高清晰度視頻編輯等專業領域,畢竟LED背光成本較高是不爭的事實。
 
總結
 
新技術的引入無疑將使LCD朝向越來越完美的方向發展—低溫多晶硅的引入令LCD面板擁有更快的響應時間、更高的開口率和更出色的整合度,堪稱傳統非晶硅技術的最佳替代者。但非晶硅陣營在技術上十分成熟、成本優勢明顯,也擁有大量的堅定支持者,低溫多晶硅技術要想完全取代它的地位并不現實—前者更多會停留在高端領域,而傳統非晶硅產品則在主流和低端市場將更為常見。至于LED背光技術,目前實用化進程仍在繼續之中,以現在的進度來看,2007年前后逐步進入主流市場應該沒有太大問題,而它的應用范圍會優先集中于大屏幕液晶電視領域。至于飛利浦獨自發展的Aptura背光技術,大面積應用恐怕也要等到2006年之后。從這些新技術身上,我們看到LCD顯示技術所具有的旺盛生命力,憑借不斷的技術改良,LCD將可提供越來越完美的顯示品質,它在可見的將來仍將是顯示技術的中堅。

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