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由于低功耗、高畫質和輕巧等諸多優勢，LCD（特別是AM-LCD）已經成為平板顯示領域的主導技術，其產品從直視的超小型頭盔顯示（Head Mount ）LCD到投影顯示的40 英寸的高清晰度（ HDTV）LCD，產業規模逼近電子顯示領域長期占統治地位的陰極射線管顯示器（ CRT）。 根據日本電子工業振興協會2000年3月份發表的統計結果，1999年液晶顯示產品在數量上比1998年增長 34%，特別是PC用液晶監視器產品， 增長達193%，而CRT的監視器產品則減少12%。而夏普公司更樂觀的預測， 在2005年， 液晶電視將取代CRT。在良好的市場前景驅動下，TFT-LCD產業成為近年東亞地區投資的熱點之一。 LCD以其特有的優勢形成了龐大的產業，但仍然面對強大的競爭壓力，一是來自傳統的低成本的CRT，還來自正在開發和成長中的其它平板顯示技術，如 PDP、 FED、 OEL，特別是不斷發展的信息技術的市場要求。本文將介紹近年來在顯示性能的提高、p-Si TFT-LCD 的開發、反射式彩色液晶顯示和塑料基板LCD等方面的研究開發工作的進展情況和發展趨勢。 背光型LCD顯示性能的改善 （1） 視角：與自發光型顯示器件相比，LCD的最大問題是視角。做為對策，先后提出了膜補償方式、多疇垂直排列方式（MVA）和平面驅動方式(IPS)。已商品化的視角擴展膜有住友化學的Lumisty、富士寫真film的 Wideview-A 及Allied-Signal的 Viewing Screen，膜補償法對視角有一定的改善， 但還不夠理想。富士通公司開發的MVA和日立公司開發的IPS 均可實現左右上下160°以上的視角，并在99年后期，先后推出商品。在國際信息顯示學會會議SID99上， 韓國現代公司發表的邊緣電場驅動模式（fringe-field switching），類似于IPS模式，但性能有重大改進，視角和光利用率都十分優異。現代公司在LCD/PDP International 99上展出的18.1英寸SXGA FFS 模式樣機，其功耗只有24.5W, 不及同型號IPS 模式55W的1/2。最近，韓國三星公司開發了邊緣電場與垂直排列結合的擴展視角技術， 將在今年5月的SID會議上發表。從這些技術進展來看，LCD的視角障礙即將成為歷史。 （2） 響應時間：在LCD的動態畫面顯示中，高速移動圖象會出現“拖尾”、“重影”等現象，這是由于液晶的響應速度慢于一幀（當幀頻為60Hz 時，約16ms ）造成的，由此形成的一幀結束時的殘像在下一幀顯現出來。目前TN型器件的最亮態和最暗態間的響應時間一般長于20ms,而中間灰度間驅動的響應時間要長得多，所以，為徹底的滿足動態圖象顯示的要求，響應速度還有待于提高。 場序彩色（Field-Sequential Color, 即RGB時間分割顯示）LCD由三色背光源按時序分別點亮，液晶屏根據顯示的信息控制透過光的顏色和亮度而實現時間上的加法混色，不需要彩色濾光膜, 象素數變為普通透過型LCD的1/3，更容易實現高容量、大畫面顯示，可能成為LCD的發展趨勢，為此，一些研究機構在積極開發這一技術。 Hunet 公司應用這一技術開發的1.5 英寸1/4 VGA TFT驅動的便攜電話顯示器，象素大小只有96μm, 透過率達15%，是普通彩色TFT-LCD的1/3。 Hunet 公司在1999年初還展出了12.1英寸SVGA場序彩色顯示TFT-LCD。為實現場序彩色顯示，液晶的響應速度最慢要達到幀頻的1/3，，而要達到優良的顯示質量，響應時間應為2—3ms。在向列液晶顯示模式中， 最有可能滿足這一要求的是OCB模式(Optically Compensated Bend)，理論計算和實驗都表明可以實現2 ms的響應速度。又由于P-Si可以滿足高速驅動的要求，使用LT-P-Si驅動的OCB 模式實現無彩膜的場序彩色動態是下一步研究工作的目標。98年全國平板顯示會上，筆者所在的研究組展出了8色場序彩色LCD的原型樣機，在樣機研制中，我們通過選擇合適材料，優化TN模式器件的結構參數，得到低于8ms的響應時間。 （3）解析度：考察可讀性與解析度關系的實驗表明，為實現光滑、清晰文字的顯示，向新聞紙上大小的字需要175dpi以上的解析度，這成為電子文件閱讀用顯示器的目標規格。在臺式計算機和數字電視等領域，還要求增大顯示面積。為實現大面積高解析度的液晶顯示，需要使用低電阻材料制作TFT的總線。目前研究和使用較多的是鋁，圍繞解決鋁易形成小丘、化學腐蝕和氧化等問題，先后報道了合金法（如 Al-Cu、 Al-Si、 Al-Si-Cu、 Al-Ta、Al-Nd和 Al-Ti 等）和夾層法（如Mo/Al/Mo, Cr/Al Cr/, TiN/Al/Ti )， 合金法在工藝上相對比較簡單，但電阻高，TiN/Al/Ti夾層可以用干法刻蝕。有利于形成柵線的斜坡，是比較理想的材料。IBM利用Al-Nd合金作為柵電極，開發出１６.3英寸超高解析度（200ppi） QSXGA（２５６０×３×２０４８）a-Si TFT 顯示器，并在DTI姬路工廠實現批量生產，在1999年4月電子顯示展覽會上東芝公司推出的２0.8 16-SVGA(3200*2400) a-Si TFT-LCD，可謂是目前a-Si TFT-LCD 在高解析度和高容量方面的最高水平。而在大尺寸方面，應首推Sharp 公司于今年1月26 日發表的 28型液晶TV(1280*768)。實現高解析度液晶顯示的另一重要途徑是開發低溫P-Si TFT 技術， 目前已發表的P-Si TFT-LCD 產品的解析度多在200ppi左右。 反射型LCD 印刷品的反射率在50%—80%， 對比度約為5，因反射式彩色LCD顯示的最終目標是取代印刷品，所以在技術開發中，把反射率和對比度作為最重要的考察指標。為實現高畫質的反射型LCD商品化,研究開發工作十分活躍，已先后提出TN-ECB模式、混合排列TN模式，反射式OCB模式等。目前的研究工作主要是對對現行商品中使用的1枚偏振片的方式和部分光學部件進一步改良,進行無偏振片模式和光學部件的開發，以期實現下一代的高明亮度的反射式彩色LCD。對于單偏振片模中，反射電極對亮度的影響很大。D-L.Ting等報道了在液晶屏內形成傾斜微反射面的方法,在避開通過液晶層后的反射光和表面反射光的角度觀察，實現了較好的明亮度（40%）和對比度（20：1），Kazuhiko Tsuda 等則研究了微反射面反射電極的理論計算方法，對器件的設計具有重要意義。 日本FLUYA金屬開發的AgPdCu合金，其反射率比鋁高7%-8%，電阻率低于Ti和Ta，有望成為下一代反射式彩色LCD 顯示的電極材料。 Yoshiyuki Higashigaki等為解決單偏振片模式中凸凹型反射電極的亂反射影響視角和對比度等問題，使用全息記錄膜制作出全息型指向性彩色濾光膜。兼具有反射膜的功能，可使入射角30°以外的入射光在指向角內反射，與標準反射板相比，反射率提高3.5倍。同時，色再現性、色度隨入射角的偏移都表現出比普通透過型彩色濾光膜優異的性能。為有效利用環境光，Shao等提出了微錐膜法，從指向性反射膜和微錐膜的工作原理來看，可以應用于多種反射式器件，包括無偏振片模式。 由于1枚偏振片就使外部環境光的50%不能利用，所以開發無偏振片的明亮模式的要求更強烈。通過PDLC散射光的反射式彩色LCD，構造更簡單，也實現了較高的明亮度（30%）和對比度（20）。還有利用液晶和液晶中分散的高分子，通過全息方法，形成反射式彩色顯示的HPDLC技術，在這種方案中，控制制作的光學條件和單體的擴散是關鍵。使用膽甾相液晶，在0～20V間調節電壓，使其在平面狀態和焦錐狀態轉換， 可實現30%的反射率，并得到了無灰度反轉的反射式輝度顯示。無偏振片的另一方法是利用GH效應，為得到高明亮度，需要多液晶層結構，實現多液晶層間的薄膜隔離和取向是關鍵。99年SID 會議上，IBM發表了2層320ppi、4英寸TFT-LCD原型樣機的試制結果，單色反射率達到60%，對比度為8：1，在SID 2000還將報道工藝上取得的新進展。 有源驅動技術 自從90年代初a-Si TFT-LCD 產業化以來,在顯示質量、大尺寸和高解析度方面都有了飛躍的發展，其潛力幾乎已經發揮到極限。在90年代后期，市場所追求的高畫質和低價格，使得眾多廠家投入低溫多晶硅LTPS的研究，包括夏普、三洋電機、索尼、東芝、富士通、三菱電機等。 a-Si 的遷移率一般小于1 cm2/V.s ， 而p-Si的遷移率要高100倍，可以將周邊驅動電路集成在液晶屏上，從而降低引線密度（一般為a-Si的1/20），實現a-Si TFT-LCD 難于達到的輕、薄和窄邊等要求。還可降低驅動IC 所需的成本。又因p-Si有較高的遷移率，可以 縮小TFT的面積，在達到高解析度的同時，保持或實現更高的開口率，滿足提高亮度、降低功耗的要求。 東芝公司在p-Si TFT-LCD 的產業化方面居于領先地位，先后推出了8.4英寸SVGA，10.4、12.1英寸XGA產品，開口率都在60%以上，顯示了p-Si技術的優勢。在99年日本電子產品展覽會上，東芝又推出了15英寸UXGA LTPS TFT-LCD，是至今為止世界上最大尺寸的p-Si TFT-LCD 產品。在同一展會上， 索尼公司也展出了14.1英寸LTPS TFT-LCD。在中小型 p-Si TFT-LCD， 東芝推出的4英寸VGA 和6.3英寸 XGA 產品， 解析度都超過了200ppi。自從1996年p-Si TFT-LCD在日本投入試生產以來，發展十分迅速，技術也日趨成熟，這也是近兩年日本大規模向海外轉移a-Si TFT-LCD生產技術的一個重要原因。從目前進展看，21世紀初LTPS TFT-LCD產業的發展會比90年代a-Si TFT-LCD 的發展更迅猛。 在各廠商大力開發LTPS技術的同時，夏普于1998年宣布，與半導體能源研究所共同開發了連續晶界結晶硅CGS技術，CGS是晶粒間界具有原子量級連續性的多晶硅，在600°C以下,可獲得電子遷移率約為600"700 cm2/V.s，是LTPS 的4倍以上，同時保持了LTPS 可以利用較便宜的玻璃基板的特點，有望在制造超薄輕便的顯示設備上得到應用。基于CGS 技術，夏普開發出2.6英寸HDTV 用60英寸背投影電視，象素數為1280×1024，并已在99年12月投入市場。 有源驅動的另一個值得注意的動向是出現了LSI直接驅動的反射式液晶顯示器件LCOS，可以實現高度集成， 多用來制造投影顯示器和頭盔顯示器。利用LCOS技術開發的顯示器件，象素在十幾個微米的量級，在實現超高解析度的同時，相臨象素間的電場干擾也變得相當突出，影響了顯示質量，這一問題還有待于解決。 塑料基板的液晶顯示 反射式彩色LCD 的目標是取代印刷品，因而除了要滿足顯示性能外，為易于攜帶，還要具備輕便、可彎折、不易損壞等特點，塑料基板技術的開發正是為了滿足這一要求。但真正達到這一目標并非易事，塑料基板的雙折射、高溫工藝、盒厚均勻性控制等一系列問題都有待于解決，目前的工作還處于實驗室研究階段。在SID‘99上，J- H.Kim,等發表的塑料基板PDLC，即使在彎折狀態下，仍可得到11：1的對比度，R.baueuerle 等發表了塑料基板上MIM（Metal-Insulator-Metal）驅動的試制器件。在即將在今年5月份召開的SID’00上，首次單獨出現了塑料基板LCD專題，S. He 等將發表塑料基板上制備a-Si TFT的研究結果。 |
