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一、液晶顯示的市場 從液晶顯示（ LCD）的實用化開始已經(jīng)過去30年了。從臺式計算機的字段式顯示開始的實用化液晶面板，以及后來的類似于主動型素子驅(qū)動方法的開發(fā)，使大型、漂亮畫面的顯示成為可能，之后顯示性能在不斷地進行改善，現(xiàn)如今，我們身邊幾乎所有的場所都在使用液晶顯示器，從個人電腦和移動領(lǐng)域使用到最近的電視用，液晶電視已經(jīng)開始逐漸取代 CRT。 最初實用化液晶主要是以20世紀(jì)70年代的TN型液晶和80年代的STN液晶為基礎(chǔ)的，它們各自相對應(yīng)的產(chǎn)品也確實擴大了市場。90年代，以PC用途為基礎(chǔ)，使用a-Si TFT液晶，使液晶市場快速得以成長起來。那個時代，液晶主要以TN模式為主，現(xiàn)在可以應(yīng)用IPS、MV、OCB模式等形形色色的技術(shù)來進行動畫顯示，在電視顯示方面的使用已經(jīng)開始，在其他各領(lǐng)域的用途也逐步廣泛起來，人們期待著其更加飛躍的發(fā)展。 平板顯示中的液晶顯示，用途非常廣泛，使用量很大。而且根據(jù)搭載設(shè)備的用途不同顯示畫面的大小（顯示畫面的對角尺寸）與畫素數(shù)有很大的不同。從手用用 1～2型到電視用數(shù)十型，這樣廣的范圍內(nèi)各種用途均有，根據(jù)各種用途的要求不同，液晶面板的性能也有所不同。 二、液晶顯示的構(gòu)造與動作 1、液晶顯示器的構(gòu)造 以最普及的主動型的透過型模組為例，構(gòu)造如圖形所示，基本構(gòu)造為液晶成盒面板和周圍的壓接驅(qū)動回路，液晶成盒基板的后面安裝有背光源作為光源。 液晶成盒基板是由陣列基板與彩膜基板貼合在一起，中間填充液晶構(gòu)成的。其中陣列基板與彩膜基板之間，要求控制間隔為數(shù)策米，而且均一的間隔。陣列基板側(cè)為了驅(qū)動畫素設(shè)計了gate線及數(shù)據(jù)線的引出電極。彩膜基板是由多個重復(fù)的RGB三原色構(gòu)成的圖形，圖形形成的位置是與陣列基板上的各畫素完全對應(yīng)的。陣列基板與彩膜基板的背面，分別進行偏光板貼付。 2、主動型矩陣驅(qū)動技術(shù) 在TFT陣列基板側(cè)柵線與數(shù)據(jù)線的各交點處形成薄膜晶體管（TFT）。畫素電極為透明電極（通常是氧化銦與氧化錫的合金形成的ITO薄膜），用以傳導(dǎo)數(shù)據(jù)線上的電壓。在彩膜基板的全面也設(shè)計有透明電極。通過在陣列基板的畫素電極上施加的電壓對液晶的取向進行控制，從而對透過光的光量進行控制。 TFT基板通過控制柵極電壓向畫素電極內(nèi)寫入電荷。當(dāng)TFT處于關(guān)態(tài)時，從與漏極側(cè)連接的數(shù)據(jù)線向與源極側(cè)連接的畫素電極（透明電極）寫入電荷，畫素電極的電壓需要設(shè)定必要的數(shù)值來驅(qū)動液晶。當(dāng)TFT處于開狀態(tài)時畫素電極內(nèi)的電荷會保持原樣。在陣列基板的回路上，為了保持畫素電極上電壓的安定性，需要設(shè)計液晶電容和并列的輔助電容。 三、液晶顯示的特性與動向 1、表示設(shè)備及其特性 液晶顯示器作為電子情報機器的顯示設(shè)施，或是以電視為中心的娛樂設(shè)施方面，都成為必不可少的設(shè)備。這方面的用途，為了將人感性的更多的情報反映出來，人們正在尋求更大畫面和更自然的畫像顯示。關(guān)于顯示被關(guān)注的要求整理如下： （1）作為顯示情報機器的性能 * 畫面尺寸：對角長（單位：厘米），長寬比（4∶3，寬屏等） * 顯示情報量：畫素數(shù)（顯示設(shè)計，播放規(guī)格） * 攜帶性：薄、輕、消耗電力 （2）作為顯示品質(zhì)的性能 * 解像度：畫素尺寸，每英吋畫素數(shù) * 視野角：在水平與垂直方向保持好的對比度的最大角度 * 輝度：畫面的亮度 * 反應(yīng)速度：顯示動畫必要畫面的高速切換 * 對比度：最大輝度與最小輝度的比 * 階調(diào)：表示微妙顏色變化 * 色度域：顯示顏色范圍的廣度 * 表示畫面的均一性：無表示不均 * 其他：進入市場的重要因素 * 價格：對于擴大市場有非常大的影響 * 環(huán)境對應(yīng)：在制造、使用時、廢棄時通過循環(huán)利用來節(jié)省能源 * 最終組裝成制品的設(shè)計 2、畫面的大型化與顯示品質(zhì)的提高 液晶面板應(yīng)用于電腦的市場正在不斷擴大。作為電腦用顯示器，操作性能就成了重要的要求。為了提高操作性能，增加顯示畫面上顯示信息量的研發(fā)工作仍在繼續(xù)。具體來講，有畫面大型化與增加顯示畫素兩種途徑。畫素數(shù)（如表1所示）作為顯示設(shè)計的一些規(guī)定。 最近，液晶面板作為電視用的市場也正在擴大，主要是以30型以上超大畫面為趨勢。作為放映用的顯示器，重要的是能夠表示臨場感與自然畫像。為了獲取臨場感，重要的一點就是要有畫角（將顯示器放在眼前時畫面的廣度）。為了放映出有臨場感的畫像，正在向畫面擴大即畫面的寬屏化方向推進。為達(dá)到顯示畫質(zhì)鮮明化及更精細(xì)的顯示畫面，也有向畫素數(shù)增加方向發(fā)展的趨勢。 3、廣視野角技術(shù)顯示更自然的畫像 為了能看到自然的顯示畫像，前面所涉及到的各個項目，都要求有很高的性能。尤其是對大型電視，總的趨勢是為了使被稱作看到一個畫面的作途變得強烈，視野角是非常重要的。目前人們正在努力對其進行改善。 以前的TN型液晶，在畫面的垂直方向上施加電場來驅(qū)動液晶，控制光的通過與否。這種方式，在畫面的正方向能看到非常清晰的畫面，但是從傾斜方向來看的話，對比度下降，顏色會出現(xiàn)偏差，基作為映像用顯示器，這是絕對不允許的。最近，為了改善TN型液晶的這個缺陷，提高視角人們想出了各種各樣的方法，已經(jīng)開始將研究成果應(yīng)用于實際生產(chǎn)并形成產(chǎn)品。關(guān)于視角的改善，如圖5所示IPS（In Plane Switching面內(nèi)開關(guān)型），Multidomain（多籌型），MAV（Multi-domein Vertical Align），OCB（Optical Compensated Bend Mode光學(xué)補償彎曲）等方法也開始實用化了。 IPS型，在陣列基板上配置電極，給液晶施加橫向電場，畫面平行方向的特性得到改善，視角擴大。多籌型，在一個畫素中進行分割，通過使用液晶在不同的方向進行配向?qū)崿F(xiàn)視角的擴大。VA型，在液晶盒中設(shè)計構(gòu)造物，通過液晶轉(zhuǎn)向不同的方向來實現(xiàn)大的視角。各種各樣擴大視角的方法的實現(xiàn)，要求有各自獨立的制造方法、工藝精度等重要的制造能力。也就是說，制造生產(chǎn)根據(jù)所采用的技術(shù)不同，工藝條件、裝置等要求的性能也隨之而變化。 4、為看到更自然動畫的技術(shù) 與視角相同，在動畫顯示時液晶的缺陷是由于液晶的反應(yīng)速度慢和顯示方式不同而引起的。關(guān)于液晶響應(yīng)時間的改善，要液晶盒的構(gòu)造方法與液晶材料及驅(qū)動方法一并推進，在動畫1楨以內(nèi)的時間（16毫秒）內(nèi)切換已經(jīng)成為可能。進一步講，OCB模式的響應(yīng)時間可以達(dá)到數(shù)毫秒。 然而，與以前的CRT顯示一樣為了達(dá)到自然動畫的顯示效果，液晶的動作模式與CRT是完全不同的，液晶在響應(yīng)時間方面的改善還不是非常充分，CRT是利用電子束打到幕上的一瞬間發(fā)光，而液晶的動作不同，液晶是在1楨間保持開的狀態(tài)的保持型，這就是兩者之間的差異。為了解決這種差異，一方面是改變背光源的點燈驅(qū)動，另一方面是在楨間插入黑色信號（參考圖6），采用各種方法進行了開發(fā)，改善工作在不斷推進。 5、Mobile用小型輕量化技術(shù) 液晶顯示的一個優(yōu)點就是小型、輕量化且耗電量低。最大限度地利用這一優(yōu)點，使其作為移動用途得到大大推廣。從1990年代用于筆記本電腦開始，各種各樣便攜式機器上搭載的液晶模組，其薄型、輕量化、低消費電力化的競爭一直持續(xù)不斷。 為了實現(xiàn)其薄型、輕量化、低消費電力化，進行了各種技術(shù)開發(fā)，比如：玻璃基板的薄板化輕量化與構(gòu)成模組部材的改善，低溫多晶硅技術(shù)的使用，玻璃基板上設(shè)置的驅(qū)動回路部件數(shù)目的減少，利用反射型的背光源來實現(xiàn)薄型化等等。 背光源是透過型液晶面板使用的光源，若是利用太陽光等外部光則為反射型的，外部光與背光源光同時應(yīng)用的為半透過型，這些技術(shù)均已實用化。 6、部材的進步——驅(qū)動IC為例 液晶顯示器如圖形所示，使用了各種各樣的材料。伴隨著液晶顯示技術(shù)的進步，這些材料也在不斷進行著技術(shù)革新。本文不可能講述所有的材料，就以驅(qū)動IC為例進行說明。 包括電視用途在內(nèi)，液晶面板向著大型化、高精細(xì)化且顯示更高畫質(zhì)畫像的方向發(fā)展。這種趨勢，在驅(qū)動IC方向有很大的意義。動作速度的增加、寫入精度的提高、多針化、低耗電量等課題的解決是非常重要的。 在畫質(zhì)高精細(xì)化方面，由于增加了畫素數(shù)，寫入數(shù)據(jù)量也增加了。對更多的畫素，在一定時間內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的話，動作速度必須要提高。比如說，720p規(guī)格電視面板（1280×720）的數(shù)據(jù)驅(qū)動，對應(yīng)18微秒的寫入時間，而1080i規(guī)格電視面板（1920×1080）的數(shù)據(jù)驅(qū)動，必須將寫入時間縮短在12微秒以內(nèi)。 階調(diào)數(shù)也是這樣，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)面板是8bit，將來10bit或12bit的面板也會增加。在8bit的情況下，數(shù)據(jù)驅(qū)動的輸出電壓是將開/關(guān)的間電壓進行256份來供給的，而10bit是1024份，12bit必須要4096份。 另外，為達(dá)到便攜式、低價位的目標(biāo)，要求將驅(qū)動電壓控制在10V以下的低壓化，或是輸出端子針數(shù)增加（若1芯片輸出數(shù)增加，則相應(yīng)的IC忒片的使用數(shù)目會減少）。尤其是移動領(lǐng)域以及筆記本電腦將便攜式看得非常重要，這就對低耗電化要求非常高。這不僅僅是驅(qū)動IC，液晶性能方面的改善開發(fā)也是非常重要的。 四、液晶面板的設(shè)計技術(shù)、工藝技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù) 1、液晶面板的制造過程 主動型液晶面板的制作工程，大概可以分為三部分。最初的工程稱作TFT陣列工程，是以玻璃基板上制作 TFT陣列回路開始的。第二個工程稱作液晶成盒工程，是將已經(jīng)完成的TFT基板與鍍有RGB三色層膜的基板貼合在一起，注入液晶。第三個工程稱作模組工程，在已經(jīng)成盒的基板上裝上驅(qū)動回路及背光源作為顯示用模組。制造過程結(jié)束（如圖8）。 2、陣列工程——提高生產(chǎn)性的挑戰(zhàn) 陣列工程與半導(dǎo)體工程相似。半導(dǎo)體是在晶元上面制作回路，同樣地，陣列工程是在玻璃基板上反復(fù)進行成膜、顯影、刻蝕而形成TFT陣列回路。陣列工程中使用裝置的原理同半導(dǎo)體工程也是相同的。 正因為如此，液晶的制造技術(shù)常與半導(dǎo)體技術(shù)相比較。當(dāng)半導(dǎo)體的制造大有不同時，基板面程擴大的速度相比晶元直徑的擴大來講發(fā)展更快。陣列工程中的成膜、顯影、刻蝕循環(huán)的次數(shù)一般稱作為“掩膜板數(shù)”。掩膜板數(shù)少的話則全體的工程數(shù)會減少，投資效率會提高，總工程所用的時間會縮短。幾年前，掩膜板數(shù)一般在6- 8枚，最近大部分生產(chǎn)廠家都采用5枚掩膜板的工藝技術(shù)。競爭有一部分生產(chǎn)廠家導(dǎo)入了4枚掩膜板工程。這種掩膜板消減的背景，主要是后述成本降低的市場壓力所致，工程數(shù)減少則相應(yīng)的投資額度也會減少。 但是，單純減少掩膜板數(shù)會導(dǎo)致產(chǎn)品良率下降的反向效果。掩膜板數(shù)的減少使設(shè)計變得復(fù)雜，工藝條件變更，產(chǎn)品更易受到灰塵類缺陷等的影響。為了達(dá)到工藝條件縮減的目的，要求有在大面積內(nèi)工藝均一性優(yōu)化的裝置，工藝變動較少且安定的裝置，而且要追求容易管理灰塵數(shù)的裝置。進一步講，隨著顯示畫面的大型化、高精細(xì)化，畫素數(shù)以及配線長度不斷增加。要制造較長配線無斷開、顯示無缺陷的面板，減少灰塵是非常重要的。 3、成盒工程——工藝革新的挑戰(zhàn) 成盒工程擔(dān)負(fù)著配向處理、液晶注入等決定液晶面板顯示質(zhì)量的重要的工藝。如圖8所示成盒工程的流程，以液晶面板最初量產(chǎn)時使用的典型工程為例。基板進行完配向膜的配向處理之后，涂布封框膠，并為精確控制盒厚散布間隔球。之后，陣列與彩膜2枚基板貼合起來，進行液晶注入。 成盒工程同樣為了提高生產(chǎn)效率或者提高面板的顯示性能，如圖9所示，引入各種技術(shù)革新的方法。 間隔球散布是精確控制盒厚的重要工程，要求有非常高的精度。最近，使用一種柱狀間隔物來代替間隔球散布。采用這種方法可以避免由于間隔球造成的光散射，可以改善對比度等顯示質(zhì)量。 還有為了提高液晶注入工程的生產(chǎn)效率，實行了由原來真空注入方式到滴下方式的技術(shù)革新。尤其是在大型電視面板的制造工程中，液晶注入時間為幾十小時或一日以上，非常費時間，生產(chǎn)效率急劇降低。為了縮短液晶注入的時間，采用液晶滴下方式是必須的技術(shù)革新。 關(guān)于提高液晶面板顯示質(zhì)量的技術(shù)革新，原來采用在有機配向膜（PI膜）表面機械擦進行配向的方式，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了使用無機膜利用電子束這種非接觸的方式進行配向的技術(shù)，這樣可以避免摩擦不均，從而使顯示特性得到提高，醫(yī)療等要求高畫質(zhì)面板的生產(chǎn)上已經(jīng)開始使用。 五、今后的發(fā)展方向 1、畫面的大型化及生產(chǎn)技術(shù) （1）玻璃基板的大型化 液晶面板畫面尺寸的大型化速度非常快。而且支持這種發(fā)展趨且在制造技術(shù)中占據(jù)重要地位的是母玻璃基板尺寸的大型化。液晶面板的畫面尺寸變大時，由母基板切割出的面板數(shù)最終會減少，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。為了彌補這一缺陷，母基板尺寸的大型化是必然的。 母基板大型化的變遷與液晶生產(chǎn)線世代線的關(guān)系如圖12所示。從各代生產(chǎn)線啟動開始年對應(yīng)的玻璃基板尺寸面積來看，1990年代約3年間以1.8倍的速度在擴大。隨著液晶顯示畫面尺寸的擴大，為提高生產(chǎn)能力，在1枚母基板上能生產(chǎn)出的面板數(shù)必須要增加。具體來講，若1枚母基板上生產(chǎn)出的面板數(shù)由4枚增加到6 枚，則相當(dāng)于生產(chǎn)能力提高了1.5倍。或者，為了使畫面尺寸變大，1枚母基板上能生產(chǎn)出的面板數(shù)變?yōu)? 枚的時候，可以選擇能生產(chǎn)出4枚面板的母基板，這樣生產(chǎn)能力會提高2倍，其結(jié)果至少可以使畫面尺寸擴大1.8倍。也就是說，由于市場要求面板尺寸大型化和生產(chǎn)能力提高，為實現(xiàn)面板成本降低，則母玻璃基板尺寸的不斷擴大成為必然趨勢。 正因為如此，玻璃基板尺寸持櫝擴大的結(jié)果是在1990年代的10年間面積比整整擴大了10倍。引用很好的例證，半導(dǎo)體的晶元直徑由1980年代初的4＂經(jīng)過20年擴大為現(xiàn)在的12＂，面積比是原來的7倍，這種擴大之迅速是顯而易見的。今后也會如此，在短期內(nèi)可以看到玻璃基板繼續(xù)大型化的趨勢。 （2）工藝精度的提高 不僅僅是基板尺寸大型化，工藝精度的提高也是非常重要的課題。特別是大型電視用的液晶面板，工藝精度的提高勢在必行。以高清晰電視為樣本，高精細(xì)化、廣視角技術(shù)等各種各樣的最先端技術(shù)不斷盛行，同時，為達(dá)到面板畫質(zhì)的高度均一性，需要設(shè)計上有所突破，為此，工藝精度有望得到進一步提高。 工藝精度提高方面主要是配列精度的微細(xì)化，貼合精度的提高。畫面尺寸變大、畫素數(shù)增加、配線長度也增加。在較長的配線中，必須要做到?jīng)]有一處斷線。為了防止斷線不良發(fā)生，需要工藝精度的提高，并實現(xiàn)微細(xì)加工，對應(yīng)大畫面來講，對灰塵的控制要求變得更加嚴(yán)格。 為實現(xiàn)大畫面與高精細(xì)化，不僅是陣列工程、成盒工程、模組工程的裝配，都需要工藝精度進一步提高。工藝精度主要指陣列基板各層之間的重合精度，陣列基板與彩膜基板之間的貼合精度，當(dāng)然顯影精度的提高也是非常必要的。 上述為非晶硅TFT液晶面板的發(fā)展動向。低溫多晶硅的工藝已經(jīng)比非晶硅工藝實現(xiàn)了更高精度，相互融合技術(shù)，即使是大型基板實現(xiàn)更高精度的技術(shù)也是可能的。 2、關(guān)于小型面板的技術(shù) （1）低溫多晶硅（ LTPS）技術(shù) TFT液晶面板的驅(qū)動部有薄膜晶體管，主要是用非晶硅制成。如圖4所示的LTPS（低溫多晶硅）可獲得30-100cm2/V??s的TFT電子遷移率，驅(qū)動IC作在面板周邊。 SRAM等內(nèi)藏式也開始實用化了，現(xiàn)在主要在小型面板上的適用。 LTPS，為了將n溝道TFT與p溝道TFT作成 CMOS構(gòu)造，與a-Si TFT相比，需要更多的掩膜板數(shù)，同時，LTPS特有的技術(shù)，為結(jié)晶化使用的激光退火裝置與離子注入裝置非常關(guān)鍵，工程長度也會增加。此外，與a-Si相比，更加細(xì)微的圖案精度與高溫下CVD成膜也是必要的。 對畫面尺寸大型化、低成本來講，與a-Si相比有不利的方面。基于TFT性能的提高以及某些控制機能的內(nèi)藏，終歸目的是將表示畫面周圍的附屬機能全部搭載在玻璃基板上。 （2）柔性液晶 可以彎曲的顯示，是在塑料基板上制作有機EL顯示，這種技術(shù)有望受到人們關(guān)注。有機EL是在基板上制作發(fā)光素子，采用容易彎曲的構(gòu)造。相對來講，液晶顯示是在2枚基板上，若要實現(xiàn)柔性顯示還需要下一番功夫。 目前已經(jīng)公開發(fā)表的技術(shù)是在2枚薄的塑料基板間形成聚合體格子狀的壁，在2枚基板內(nèi)密著的有可彎曲但不可剝離的構(gòu)造上形成液晶薄膜、多晶硅等成盒工藝，將基板盡可能削成最薄，這就是“曲面彩色顯示”。 3、投影用液晶技術(shù) 至此，所有直視型都是在玻璃基板上制成后注入液晶，最近使用半導(dǎo)體技術(shù)在晶元或是石英晶片上制作。這樣制成的元件內(nèi)的芯片要比直視型的尺寸小，畫素尺寸相應(yīng)會減小，不足直視型的1/10。 雖然陣列工程使用半導(dǎo)體生產(chǎn)線，但成盒工程同直視型一樣使用液晶專用生產(chǎn)線制造。高溫多晶硅乃至結(jié)晶硅的使用與LTPS相同，驅(qū)動回路是作在TFT陣列基板的周邊。 4、立體顯示 關(guān)于用液晶顯示實現(xiàn)立體視覺，近期急速的推進于實用化。目前，為了看到立體畫像，使用多個畫素，結(jié)果使顯示映像變得粗糙。為了克服這一缺陷，要求有更高精細(xì)的顯示，為放映出立體畫像還有待進一步探討研究。 5、環(huán)境對應(yīng) 液晶面板與顯像管相比消耗能源較少，節(jié)省空間，是節(jié)能的顯示器，期望著降低地球環(huán)境負(fù)荷做貢獻(xiàn)的評價。一方面，在制造階段對環(huán)境的影響較大，關(guān)于液晶面板制造階段的課題，主要有以下三項： （1）防止地球溫暖化：制造階段具有溫室效應(yīng)的氣體如PFC、SF6等排出量的減少，制造LCD時的耗電量的降低。排氣的除害與排出控制技術(shù)、高效率的生產(chǎn)裝置與潔凈房等。 （2）有害物質(zhì)使用量的消減：尋找取代物質(zhì)、取代工藝。 （3）構(gòu)筑循環(huán)型經(jīng)濟社會，向著合理化的液晶面板生產(chǎn)、再利用、可循環(huán)方向發(fā)展。制造階段，廢棄基板的回收或是ITO等稀少資源的回收再利用等。 在以環(huán)境對策為前提的情況下，進行制品的設(shè)計、工藝技術(shù)，而后進行工場構(gòu)筑等，這些不僅僅是生產(chǎn)面板廠家，而且是賦予設(shè)備廠家、材料廠家共同的任務(wù)。若是對環(huán)境對應(yīng)有所怠慢的話，將會付出沉重的代價。今后，環(huán)境問題是一個絕對不可以忘記的極為重要的項目。 6、液晶顯示的未來 液晶顯示市場是在以筆記本電腦、監(jiān)視器市場為中心成長起來的。進入21世紀(jì)的今天，以大型電視、手機為中心，移動領(lǐng)域等的市場不斷擴大，液晶顯示正在向著更大產(chǎn)業(yè)化飛躍。 新時代的液晶顯示，是信息化社會窗口連接的關(guān)鍵性裝置，負(fù)有重要的使命。它不再是單純素子的使用，而是成為人機界面的連接窗口，在人們感嘆其超大信息量的同時，人也成為信息窗口。時代向著多元化方向發(fā)展，用于顯示的液晶制品也在多樣化，為了各種制品實現(xiàn)市場化，在各自對應(yīng)的技術(shù)是必不可少的。市場上各種各樣的競爭產(chǎn)品已相繼登場。在這種競爭與不斷的切磋中，液晶顯示成為 FPD的領(lǐng)頭羊。 |
