1、12.6 液晶反射式投影显示(LCOS) 投影显示用硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)是一种很有前途的新型显示器件,正投向超大屏幕发展,背投向127.00-203.20 cm(50英寸80英寸)左右的电视发展。需突破的难点一是光学引擎,二是成像模块的芯片IC设计、制造及芯片与液晶屏的结合,制成LCOS模块,三是高效长寿命的光源。从目前情况来看,LCOS像素可做到1024768、12801024,今后能做到19201024,符合HDTV的要求。 国内LCOS试制工作开展较好的有上海华显公司、中国电子信息产业集团下属中原电子集团公司、江西鸿源数码公司、北京电影
2、机械研究所、浙江大学等。LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一种在硅芯片上的液晶反射式投影显示,它可以说属于液晶显示器,不过LCOS是以在单晶硅芯片上的CMOS阵列取代TFT-LCD在玻璃片上的aSiTFT阵列。相比之下,前者的生产技术更为成熟。而且单晶硅的迁移率远高于aSi(非晶硅),因此可以实现高密度,即高分辨率。 LCOS的市场主要将定位在大屏幕投影显示产品和数字式HDTV上,目前限制LCOS应用的主要问题在于放大图像的光学系统。2.7 发光二极管(LED) 上世纪九十年代,由于超高亮度LED的出现,使LED阵列的显示亮度高达10000cdm 2以上,是世界上
3、最亮的显示器,特别适合于做露天的大屏幕显示和指示灯。又由于蓝色LED的出现,使LED阵列能做成全彩色的超高亮度显示器。因此,LED显示器的市场是很广阔的。 LED是结型电致发光,是在电场作用下,少数载流子向PN结的另一方注入,同多数载流子复合而发光的。这类显示器已由点,线、面型结构发展成矩阵平板型结构,并做成智能型显示屏(计算机控制)。LED的特点是驱动电压低、寿命长、可靠性高,价格低。为了实现全色化,关键是提高兰光LED辉度等级。国外LED也有电视及监视器产品问世。国内开展LED的研制工作有很多厂家和科研单位,但多是单色信息显示系统。2LED的发展过程主要经历了以下3个发展阶段 第一阶段:1
4、923年,Losev发现了p-n节放大的现象。随后半导体单晶生产技术、半导体制作技术的发展为LED发展奠定了基础。 第二阶段:20世纪70年代发光二极管进人批量化、商品化。这个时期的LED是普通型的中、低亮度的红、橙、黄、绿LED。 第三阶段:20世纪90年代以来,新型LED主要以蓝光LED和高亮度、超高亮度的LED为主。 LED技术研发热点 尽管LED目前还无法进入电视、显示器、移动设备等主流应用领域,但它在户外、大屏幕、超大屏幕领域的主导地位很难被其他显示技术动摇。LED技术含量大多在于它的发光二极管灯泡和控制系统方面,因此LED的研发热点主要集中在: 提高LED亮度的一致性,或开发出对每
5、个象素都能进行亮度调节的系统;改善象素单元结构,控制点阵元间节距的均匀性;降低成本,尤其是高亮蓝光LED的成本偏高。2.8 真空荧光显示器(VFD) 真空荧光显示器(Vacuum Fluorescent Display,VFD)是由一种丝状直热式氧化物阴极、网状或丝状栅极和表面涂覆有发光粉的阳极构成,呈现彩色画面的平板技术。VFD具有色彩艳丽(可有绿、红、黄和蓝多色)、视角宽、工作电压低、体积小、显示图案灵活等特点。产品主要用于影碟机、音响的功率放大器、空调器、汽车上的时钟、仪表盘、收款机、教学仪器等。 浙江京东方公司现已达到年产2000万片的生产能力,尤其是薄膜生产线的建成,使VFD产品提高
6、了档次,增强了市场竞争能力;上海广电三星公司已达到年产3000万片以上;长沙LG曙光电子集团公司、广东风华集团公司等也形成了一定的生产规模,使国内VFD生产能力达到了1亿只。另外,国内9种颜色的VFD显示屏试制成功也为彩色显示技术增添了新家族。在所有的平板显示器中,最廉价的当属VFD了,其生产成本很低,在低信息容量的显示市场上仍占有一席之地,如家用电器和仪表上的分段式显示器。VFD技术发展 3传统的VFD是厚膜产品,在采用了半导体光刻技术后,现在主要是生产薄膜产品。薄膜产品质量稳定,产品先进,适用于对电源要求不高,而又要求有比较高的可读性或装饰效果的各种电器,可广泛用于各种仪表和DVD、VCD
7、等整机产品中。 VFD特别适合于面积为50mm 200mm以下的多色字符显示,现在屏的尺寸一般从25mm100mm到15mml50mm。目前正在开发用于汽车上的各种VFD屏。 我国VFD需要对高密度、低功耗屏、点(矩)阵屏开发、CIG技术应用进行攻关,增加无排气管屏的比例,在技术上与国际上的先进厂家竞争。2.9 高分子分散型液晶显示器(NPDLCD) 二十世纪九十年代初。出现了一种新型的液晶材料PD-LC(Polymer Dispersed Liquied Crystal),即高分子分散型液晶。与一般液晶材料不同的是,PD-LC中的液晶分子被高分子材料所包围,呈分散状态。用PD-LC做成的LC
8、D不需要一般LCD所需要的偏振片,因而避免了偏振片遮光的影响,故其亮度很高。另外,PD-LC材料对两片玻璃之间的距离,即液晶薄膜的厚度的精度要求远不如普通LCD高,制造工艺简单,一般的镀膜工艺、甚至于印刷工艺都能满足要求,故制造成本低。 但是,PD-LCD目前也存在一些严重的缺陷:如它的视角较小,一般只能达到100度,只适合于做直视型显示器;它的响应速度较慢;它因为没有采用TFT矩阵寻址技术,所以分辨率很低,也难以实现彩色显示。因此,NPD-LCD还仅仅停留在材料研究阶段,离产业化还有很长一段距离。3 液晶显示器的技术发展状况3.1 超视角技术 液晶显示器的视角是其主要指标,世界各大液晶显示器
9、厂家在加宽液晶显示器的视角方面均下了很大的功夫。 SHARP公司2000年推出的Super VA(超视角)技术使TFT-LCD的上下和左右视角已达4170O。这种超视角技术是在液晶显示器的薄膜晶体管结构和偏振板之间加了一层特殊的光学校正膜,校正了从两边看液晶显示图像所产生的光学性能的变化,使其达到和中间看液晶显示图像同样的效果。 又如NEC公司、日立公司采用了扩展的IPS(In-Plane Switching)技术实现了170 O的宽视角。 IBM公司则采用了IPS技术和双域(dual-domain)技术实现了170 O的宽视角。 其它如三星公司的APVA(Advanced Patterned
10、 Vertical Aligment)技术、松下公司的OCB技术、富士通公司的MVA技术都是为了加宽液晶显示器的视角。3.2 高分辨率技术 目前20英寸TFT-LCD的分辨率已普遍达到16001200,而IBM公司的20.8英寸的TFT-LCD模块(ITQX20)的分辨率则高达20481536。 目前在提高分辨率方面主要采用了SFT(Super FineTFT)技术,即超微型薄膜晶体管结构。3.3 快响应时间技术 响应时间慢是液晶显示器的主要缺点,提高液晶显示器的响应速度,一方面是改进液晶材料,如采用低温多晶硅材料,但成本很高。另一方面是改进驱动电路,如三菱公司采用的FFD(Feedforwa
11、rd Driving)技术,即前馈驱动技术。该技术的核心是在液晶分子改变状态时,由FFD电路(含DRAM和ROM)提供一个加速电压,加快其改变状态的速度。目前采用这种技术的液晶显示器的响应时间已小于7ms。3.4 低反射技术 为了使液晶显示器适应在高环境照度的条件下使用,各大液晶显示器厂家普遍采用了在偏光板上加黑色抗反射镀膜的技术,显示屏表面的反射率可小于1.5。53.5 数字接口技术 液晶显示器本身是数字显示设备,目前使用时是将显卡输出的数字信号转换成模拟信号输入至显示器,然后在显示器内部又将模拟信号转换成数字信号输入至液晶显示屏,这就明显降低了图像质量。因此,液晶显示器的数字接口已经为各大
12、液晶显示器厂家普遍采用。 数字接口的规格包括:LVDS、LMDS、GVIF、P&D、DFP和DVI,随着液晶显示器分辨率的提高,上述规格中有若干种已不适用。目前普遍采用的是LVDS和DVI接口。3.6 高亮度、高对比度技术 各大液晶显示器厂家普遍采用高透光率的ITO玻璃制造Un模块,并采用高效、低耗的CCF背光源,使大屏幕的液晶显示器亮度可450cdm 2,对比度可500:1。4 世界液晶显示器产业的发展状况 在LCD产品中,占主流地位的是TFTLCD和STNLCD,而STNLCD的需求市场主要集中在亚洲。20002003年,TFTLCD的产值增长率达到58,2003年TFTLCD的市场规模达
13、到200亿美元,其中日本占56,韩国占29.5,中国台湾占13.7,美国占0.8。 日本是世界上LCD产业最发达的国家,全球十大LCD厂家日本占其七,其中SHARP公司占据了全球LCD市场的相当可观的份额。日本主要生产LCD的厂家,从1994年开始,投入巨资开发和生产TFTLCD,2000年其TFTLCD的产值已超过110亿美元,因此目前日本在TFTLCD的技术和产业化规模方面总体上居世界领先地位。眼下的问题是,日本的LCD产业面临韩国和台湾的严重挑战,这迫使他们不得不调整产业政策,重点发展高端产品。 以三星和LG为代表的韩国LCD生产企业发展极其迅速,他们为打破日本的垄断,从1997年开始,
14、投入20多亿美元,兴建TFTLCD工厂,并且年增长率高达138.6,2000年其TFTLCD产值已超过58亿美元。在大尺寸LCD方面,LGPhilips和三星公司仅2000年就投入20亿美元建第五代生产线。目前三星公司24英寸(分辨率19201200)的LCD和LG6Philips公司20英寸快速响应的LCD已大量投放市场。2002年,LGPhilips和三星公司的LCD产量已全面超过日本的公司,分别占全球LCD市场的份额的25和21,为世界第一位和第二位。美国曾经是LCD技术的发源地,但是目前其LCD产业谈不上规模,无法与日本相比,其他欧洲国家的LCD产业规模也不大,这并不是欧美国家缺乏建立
15、大规模LCD产业的资金和技术,而是他们认为自己做LCD模块不如买日本和韩国的LCD模块划算。我国LCD产业发展较慢,技术也比较落后,虽说我国生产LCD的厂家也有30多家,但都是生产低档的TNLCD和STNLCD。由于日韩厂商逐渐淡出STNLCD的市场,我国已成为全球TNLCD和STNLCD的最大的供货商,其中TNLCD的产量占全球的75以上,STNLCD的产量占全球的35以上。 STNLCD工艺简单,价格低廉,但是它的响应速度太慢,达300ms以上,根本满足不了视频显示的要求。而且,STNLCD尺寸越大,响应速度越慢,因此目前STNLCD的最大尺寸只有10.4英寸。目前我国规模较大的STNLC
16、D的生产线有十几条,产品主要用于PDA、翻译机、遥控器及仪表屏等。主要生产厂商有:无锡、夏普、深圳天马微电子、清华大学液晶中心、上广电液晶中心、深圳辉开、汕尾信利半导体、河北冀雅电子、上海海晶电子、鞍山三特电子、汕头超声、深圳思特达、吉林紫晶等。 目前,我国大陆地区生产TFTLCD的只有吉林彩晶公司一家,因引进技术起点不高,该公司生产的是第一代产品,而且品种单一,在TFTLCD市场上无法与日、韩和台湾地区的产品竞争。在我国台湾地区,LCD被称为第二半导体产业,前几年台湾也和大陆一样,LCD产业以中小尺寸的TNLCD和STNLCD为主。近几年来,台湾加大了对TFTLCD产业的投资,预计到2005
17、年台湾在液晶显示屏的制造设备和材料领域的投资额将达到370亿美元。 1999年,台湾中华映管公司、华新丽新公司已经可以月产1215英寸的TFTLCD 2-3万件。近几年来,由于日韩厂商逐渐淡出STNLCD和中小尺寸TFTLCD的市场,给台湾厂商增加了发展空间,大有超过日韩厂商的势头。2000年台湾地区的TFTLCD产值已超过27亿美元,排名世界第三。预计2003年台湾地区的TFTLCD产量的年增长率可达29,超过韩国而排名世界第二。我国台湾地区规模较大的生产TFTLCD的厂家有:元太、华映、达基、奇晶、联友、7瀚宇彩晶、厅美、广辉、统宝等。5 平板显示的最新进展5.1 LCD 先声夺人 IT业
18、的蓬勃发展为LCD奠定了广阔的市场基础。在笔记本电脑和台式机的屏幕上已广泛使用液晶屏,图5为2002年至今及今后平板显示的市场趋势,从图中可以看出LCD的市场占有率是最大迅速被大众认可,在此基础上,LCD的性能不断完善,生产技术迅速提高。首先是长期困扰LCD显示的视角问题得到了解决,LG Philips LCD采用日立的IPS技术,三星公司采用PVA(patterned vertical alignment)技术都基本上克服了视角偏差。 图5 平板显示的市场趋势图6 采用S-IPS技术与VA的LCD屏色彩漂移曲线对比8图7 采用S-IPS技术与VA的LCD屏 图8 采用S-IPS技术与VA的L
19、CD屏对比度曲线对比GAMMA漂移率曲线对比(S-IPS:76 cm;VA:81 cm)图6、图7、图8示出了采用IPS技术的显示屏获得的图像参数对比。由图可见,这种显示屏具有色彩漂移少、GAMMA漂移率低、对比度高的特点。换言之,在任何一个角度观看这种液晶屏,基本上都没有视角问题,图像清晰。图9是三星的宽视角技术示意图。图9 三星的宽视角技术示意图9图10 51 cm、5174 cm、76 cm以上LCD增长点示意图此外,在其他技术上LCD也有所改进: 1)选用低粘稠度液晶,将驱动电路改为过驱动电路(Over Driving Circuit,ODC)提高了响应速度。 2)圆柱状隔子、铜Bus
20、线EEFL和高纯度彩色滤色镜染料改进FOS。 3)工艺上采用大面积VALC(One drop filling)灌晶工艺保证了大平板的质量。 4)减少工艺步骤,现在的LCD线已经把掩膜次数从5次减少到4次甚至3次。大多数4次掩膜的TFT-LCD采用了双锲结构。 5)改变器件结构,综合布线,集成器件,减小整机的体积。 这些技术上的完善伴随着LCD 4代,5代线甚至6代,7代线量产能力的迅速提高,成本呈下降趋势,市场竞争力愈发强大。图10为对角线51 cm、5174 cm、76 cm以上LCD增长点预测示意图,从图中可以看出对角线76 cm、94 cm、107 cm LCD售价在2 000美金时将有
21、一个快速的增长期,时间大约分别是20042005年、20052006年、20062007年。目前,LG Philips LCD宣布并展示了他们研制的对角线为140 cm采用IPS技术的液晶屏,三星也制成了第一块WIDE-VIEW对角线45 cm液晶屏。表1是近年来LCD的研制情况。10表1 近年来LCD的研制情况5.2 PDP 异军突起 表2 LGl93 cm PDP和三星SDI 203 cm PDP性能比较等离子体显示(PDP)自出生伊始就把目标定位在50 cm以上。它不存在视角问题,生产工艺也相对简单,对比度大,亮度高,易实现大面积全色显示,特别是生产线建设投资较少受到瞩目,近年来LG电子
22、,三星SDI等都在该领域作出了很好的成绩(见表2)。 图11 PDP成本与市场规模的预测11图12 新型PDP障壁如图11所示,PDP的成本已由2002年的每英尺(30.48 cm)100美金下降到2004年的75美金,同时规模扩大了4倍多。PDP在工艺制作上主要存在的是障壁制作问题,除了工艺过程复杂之外,障壁的形状无法完全满足激发荧光粉的要求,影响发光效率。图12是LG公司用不同方式制作的障壁,已经可以较好地解决这个问题。一些新的材料制作技术也为问题的解决开辟了新的研制方向,比如利用碳纳米管生长制作障壁,特点是发射性能优异。特别值得一提的是国内PDP研制方面的成就。东南大学采用CRT制造业中
23、的的荫罩代替障壁成功制成了87cm彩色PDP。中电科技集团第五十五所成功建设了国内第一条PDP实验生产线,研制出107 cm彩色PDP,为中国跻身信息显示研发行业奠定了基础。12图13 PDP与LCD价格比较表3 PDP与LCD性能比较现在,市售的大屏幕LCD电视价格很高,功耗大于同等尺寸的PDP。如图13所示,107 cm PDP的价位略高于76 cm LCD,但低于94 cm LCD,表3示出了他们的性能比较。所以,甫一亮相的PDP就以其卓越的性价比颇获青睐,成为LCD在高清晰度电视(HDTV)上的强劲对手。美国PLASMACO公司和日本松下公司在上海与上广电合资建立了国内第一条PDP生产
24、线,韩国的LG公司也在南京新港开发区建厂,国内研发与生产力量的整合有利于中国介入PDP产业。目前在PDP上的技术改进主要是为了增强发射效率,LG电子用四电极结构代替了表面放电单元的双电极结构,Samsung SDI发明了SDR(Seg-mented electrode in Delta color-arrayed Rectangular sub-pixel)结构。在降低成本方面,LG开发了LTCC-M(10w temperat ure CO-fired ceramic inthe metal)工艺制作背板,Samsung SDI开发了玻板13变形工艺,不再需要退火。LG的COF(Chip-on
25、-Flexible)印刷电路,Samsung SDI的MgO薄膜大批量镀覆技术使PDP实现量产和降低成本。但是PDP的原材料和设备问题仍然亟待解决。5.3 OLED 自成一格LCD与PDP在HDTV上的竞争是无可避免的,在他们各自的优势背后不免有不尽人意的地方,比如LCD的暗态对比度差问题,PDP的发射效率低问题,特别是两者的内部,一个灌液晶,一个充气体,对环境都有一定要求。这时,全固态器件OLED开始引起关注。OLED的长处在于: 1)高亮度。OLED的帧频比LCD快1 000倍以上,亮度范围远远超过人眼的观察范围,因此显示屏的亮度可以在保持图像对比度、阴影和高光不变的情况下调整。 2)耗电
26、量低。工作电压在210 V之间,只有开启显示像素单元时才耗电。 3)视角广,达165 O以上。 4)温度范围宽,可在-40 OC以下工作。更为吸引人的是OLED主动发光,结构简单,厚度低于1.5mm,不但又轻又薄而且具有有机材料的特性,易实现柔性显示。当然,目前技术水平下的0LED还局限于中小尺寸显示,主要用在手机、车载导航仪和PDA上,但极具发展潜力。图14是OLED的发展情况。图14 OLED的发展情况2003年3月ChiMeiIBMIDT发表了51 cm的a-SiAMOI,ED,像素数1280(3)768,功耗25 W,亮度300 cdm 2。其他小于51 cm的0LED显示屏有很多已实
27、现量产。比如14Fujitsu f505i 2.8cm,96(3)72,256色被动式矩阵OLED手机屏、柯达LS633 5.6 cm QCIF式数码相机屏等。 近年来OLED在技术的完善包括以下几个部分: 1)结构上由单层的顶发射、底发射改向双层的前后(Tandem)OLEDs获得更高的亮度。(见图15)。2)光发射采用微穴(Micro-cavity)结构。 3)彩色像素化采用荫罩、激光印刷、喷墨印刷、彩色滤色器、紫外激发工艺。柯达公司的专利2005年即将到期且研发投资相对较小,世界上已经有超过100家公司正在进行OLED的开发。现在的目标是一些小型轻量的便携式产品,未来在柔性显示和大屏显示上应有更大的发展空间。图15 前后(Tandem)OLEDs结构示意图结语作为HDTV的主要候选者,LCD和PDP的竞争极为激烈,而OLED也不甘落后。目前在画质、功耗、价格上谁都没有太大的优势可言。在未来的平板显示领域,谁的性价比更高,谁就将占据主导地位,夺得市场更大份额。15