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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動方法的開發，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域使用到最近的電視用，液晶電視已經開始逐漸取代 CRT。 最初實用化液晶主要是以20世紀70年代的TN型液晶和80年代的STN液晶為基礎的，它們各自相對應的產品也確實擴大了市場。90年代，以PC用途為基礎，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，現在可以應用IPS、MV、OCB模式等形形色色的技術來進行動畫顯示，在電視顯示方面的使用已經開始，在其他各領域的用途也逐步廣泛起來，人們期待著其更加飛躍的發展。 平板顯示中的液晶顯示，用途非常廣泛，使用量很大。而且根據搭載設備的用途不同顯示畫面的大小（顯示畫面的對角尺寸）與畫素數有很大的不同。從手用用 1～2型到電視用數十型，這樣廣的范圍內各種用途均有，根據各種用途的要求不同，液晶面板的性能也有所不同。 二、液晶顯示的構造與動作 1、液晶顯示器的構造 以最普及的主動型的透過型模組為例，構造如圖形所示，基本構造為液晶成盒面板和周圍的壓接驅動回路，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，中間填充液晶構成的。其中陣列基板與彩膜基板之間，要求控制間隔為數策米，而且均一的間隔。陣列基板側為了驅動畫素設計了gate線及數據線的引出電極。彩膜基板是由多個重復的RGB三原色構成的圖形，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、主動型矩陣驅動技術 在TFT陣列基板側柵線與數據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），用以傳導數據線上的電壓。在彩膜基板的全面也設計有透明電極。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寫入電荷。當TFT處于關態時，從與漏極側連接的數據線向與源極側連接的畫素電極（透明電極）寫入電荷，畫素電極的電壓需要設定必要的數值來驅動液晶。當TFT處于開狀態時畫素電極內的電荷會保持原樣。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、表示設備及其特性 液晶顯示器作為電子情報機器的顯示設施，或是以電視為中心的娛樂設施方面，都成為必不可少的設備。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。關于顯示被關注的要求整理如下： （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（顯示設計，播放規格） * 攜帶性：薄、輕、消耗電力 （2）作為顯示品質的性能 * 解像度：畫素尺寸，每英吋畫素數 * 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：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 * 環境對應：在制造、使用時、廢棄時通過循環利用來節省能源 * 最終組裝成制品的設計 2、畫面的大型化與顯示品質的提高 液晶面板應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工作仍在繼續。具體來講，有畫面大型化與增加顯示畫素兩種途徑。畫素數（如表1所示）作為顯示設計的一些規定。 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。為達到顯示畫質鮮明化及更精細的顯示畫面，也有向畫素數增加方向發展的趨勢。 3、廣視野角技術顯示更自然的畫像 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，已經開始將研究成果應用于實際生產并形成產品。關于視角的改善，如圖5所示IPS（In Plane Switching面內開關型），Multidomain（多籌型），MAV（Multi-domein Vertical Align），OCB（Optical Compensated Bend Mode光學補償彎曲）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實現視角的擴大。VA型，在液晶盒中設計構造物，通過液晶轉向不同的方向來實現大的視角。各種各樣擴大視角的方法的實現，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，制造生產根據所采用的技術不同，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 與視角相同，在動畫顯示時液晶的缺陷是由于液晶的反應速度慢和顯示方式不同而引起的。關于液晶響應時間的改善，要液晶盒的構造方法與液晶材料及驅動方法一并推進，在動畫1楨以內的時間（16毫秒）內切換已經成為可能。進一步講，OCB模式的響應時間可以達到數毫秒。 然而，與以前的CRT顯示一樣為了達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光，而液晶的動作不同，液晶是在1楨間保持開的狀態的保持型，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，改善工作在不斷推進。 5、Mobile用小型輕量化技術 液晶顯示的一個優點就是小型、輕量化且耗電量低。最大限度地利用這一優點，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不斷。 為了實現其薄型、輕量化、低消費電力化，進行了各種技術開發，比如：玻璃基板的薄板化輕量化與構成模組部材的改善，低溫多晶硅技術的使用，玻璃基板上設置的驅動回路部件數目的減少，利用反射型的背光源來實現薄型化等等。 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用的為半透過型，這些技術均已實用化。 6、部材的進步——驅動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的進步，這些材料也在不斷進行著技術革新。本文不可能講述所有的材料，就以驅動IC為例進行說明。 包括電視用途在內，液晶面板向著大型化、高精細化且顯示更高畫質畫像的方向發展。這種趨勢，在驅動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。 在畫質高精細化方面，由于增加了畫素數，寫入數據量也增加了。對更多的畫素，在一定時間內寫入數據的話，動作速度必須要提高。比如說，720p規格電視面板（1280×720）的數據驅動，對應18微秒的寫入時間，而1080i規格電視面板（1920×1080）的數據驅動，必須將寫入時間縮短在12微秒以內。 階調數也是這樣，現在標準面板是8bit，將來10bit或12bit的面板也會增加。在8bit的情況下，數據驅動的輸出電壓是將開/關的間電壓進行256份來供給的，而10bit是1024份，12bit必須要4096份。 另外，為達到便攜式、低價位的目標，要求將驅動電壓控制在10V以下的低壓化，或是輸出端子針數增加（若1芯片輸出數增加，則相應的IC忒片的使用數目會減少）。尤其是移動領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。這不僅僅是驅動IC，液晶性能方面的改善開發也是非常重要的。 四、液晶面板的設計技術、工藝技術、生產技術 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，在已經成盒的基板上裝上驅動回路及背光源作為顯示用模組。制造過程結束（如圖8）。 2、陣列工程——提高生產性的挑戰 陣列工程與半導體工程相似。半導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體工程也是相同的。 正因為如此，液晶的制造技術常與半導體技術相比較。當半導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展更快。陣列工程中的成膜、顯影、刻蝕循環的次數一般稱作為“掩膜板數”。掩膜板數少的話則全體的工程數會減少，投資效率會提高，總工程所用的時間會縮短。幾年前，掩膜板數一般在6- 8枚，最近大部分生產廠家都采用5枚掩膜板的工藝技術。競爭有一部分生產廠家導入了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，工程數減少則相應的投資額度也會減少。 但是，單純減少掩膜板數會導致產品良率下降的反向效果。掩膜板數的減少使設計變得復雜，工藝條件變更，產品更易受到灰塵類缺陷等的影響。為了達到工藝條件縮減的目的，要求有在大面積內工藝均一性優化的裝置，工藝變動較少且安定的裝置，而且要追求容易管理灰塵數的裝置。進一步講，隨著顯示畫面的大型化、高精細化，畫素數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 成盒工程擔負著配向處理、液晶注入等決定液晶面板顯示質量的重要的工藝。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效率或者提高面板的顯示性能，如圖9所示，引入各種技術革新的方法。 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量。 還有為了提高液晶注入工程的生產效率，實行了由原來真空注入方式到滴下方式的技術革新。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革新。 關于提高液晶面板顯示質量的技術革新，原來采用在有機配向膜（PI膜）表面機械擦進行配向的方式，現在已經開發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，這樣可以避免摩擦不均，從而使顯示特性得到提高，醫療等要求高畫質面板的生產上已經開始使用。 五、今后的發展方向 1、畫面的大型化及生產技術 （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。而且支持這種發展趨且在制造技術中占據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最終會減少，導致生產效率降低。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線世代線的關系如圖12所示。從各代生產線啟動開始年對應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，為提高生產能力，在1枚母基板上能生產出的面板數必須要增加。具體來講，若1枚母基板上生產出的面板數由4枚增加到6 枚，則相當于生產能力提高了1.5倍。或者，為了使畫面尺寸變大，1枚母基板上能生產出的面板數變為2 枚的時候，可以選擇能生產出4枚面板的母基板，這樣生產能力會提高2倍，其結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能力提高，為實現面板成本降低，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，半導體的晶元直徑由1980年代初的4＂經過20年擴大為現在的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，在短期內可以看到玻璃基板繼續大型化的趨勢。 （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，高精細化、廣視角技術等各種各樣的最先端技術不斷盛行，同時，為達到面板畫質的高度均一性，需要設計上有所突破，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化，貼合精度的提高。畫面尺寸變大、畫素數增加、配線長度也增加。在較長的配線中，必須要做到沒有一處斷線。為了防止斷線不良發生，需要工藝精度的提高，并實現微細加工，對應大畫面來講，對灰塵的控制要求變得更加嚴格。 為實現大畫面與高精細化，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液晶面板的發展動向。低溫多晶硅的工藝已經比非晶硅工藝實現了更高精度，相互融合技術，即使是大型基板實現更高精度的技術也是可能的。 2、關于小型面板的技術 （1）低溫多晶硅（ LTPS）技術 TFT液晶面板的驅動部有薄膜晶體管，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，驅動IC作在面板周邊。 SRAM等內藏式也開始實用化了，現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構造，與a-Si TFT相比，需要更多的掩膜板數，同時，LTPS特有的技術，為結晶化使用的激光退火裝置與離子注入裝置非常關鍵，工程長度也會增加。此外，與a-Si相比，更加細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，這種技術有望受到人們關注。有機EL是在基板上制作發光素子，采用容易彎曲的構造。相對來講，液晶顯示是在2枚基板上，若要實現柔性顯示還需要下一番功夫。 目前已經公開發表的技術是在2枚薄的塑料基板間形成聚合體格子狀的壁，在2枚基板內密著的有可彎曲但不可剝離的構造上形成液晶薄膜、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 至此，所有直視型都是在玻璃基板上制成后注入液晶，最近使用半導體技術在晶元或是石英晶片上制作。這樣制成的元件內的芯片要比直視型的尺寸小，畫素尺寸相應會減小，不足直視型的1/10。 雖然陣列工程使用半導體生產線，但成盒工程同直視型一樣使用液晶專用生產線制造。高溫多晶硅乃至結晶硅的使用與LTPS相同，驅動回路是作在TFT陣列基板的周邊。 4、立體顯示 關于用液晶顯示實現立體視覺，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，要求有更高精細的顯示，為放映出立體畫像還有待進一步探討研究。 5、環境對應 液晶面板與顯像管相比消耗能源較少，節省空間，是節能的顯示器，期望著降低地球環境負荷做貢獻的評價。一方面，在制造階段對環境的影響較大，關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、高效率的生產裝置與潔凈房等。 （2）有害物質使用量的消減：尋找取代物質、取代工藝。 （3）構筑循環型經濟社會，向著合理化的液晶面板生產、再利用、可循環方向發展。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。 在以環境對策為前提的情況下，進行制品的設計、工藝技術，而后進行工場構筑等，這些不僅僅是生產面板廠家，而且是賦予設備廠家、材料廠家共同的任務。若是對環境對應有所怠慢的話，將會付出沉重的代價。今后，環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、監視器市場為中心成長起來的。進入21世紀的今天，以大型電視、手機為中心，移動領域等的市場不斷擴大，液晶顯示正在向著更大產業化飛躍。 新時代的液晶顯示，是信息化社會窗口連接的關鍵性裝置，負有重要的使命。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展，用于顯示的液晶制品也在多樣化，為了各種制品實現市場化，在各自對應的技術是必不可少的。市場上各種各樣的競爭產品已相繼登場。在這種競爭與不斷的切磋中，液晶顯示成為 FPD的領頭羊。 |
