最新液晶顯示技術(shù)追蹤

LCD以其特有的優(yōu)勢(shì)形成了龐大的產(chǎn)業(yè)，但仍然面對(duì)強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，一是來(lái)自傳統(tǒng)的低成本的CRT，還來(lái)自正在開(kāi)發(fā)和成長(zhǎng)中的其它平板顯示技術(shù)，如PDP|0">PDP、 FED|0">FED、 OELD，特別是不斷發(fā)展的信息技術(shù)的市場(chǎng)要求。本文將介紹近年來(lái)在顯示性能的提高、p-Si TFT-LCD 的開(kāi)發(fā)、反射式彩色液晶顯示和塑料基板LCD等方面的研究開(kāi)發(fā)工作的進(jìn)展情況和發(fā)展趨勢(shì)。

背光型LCD顯示性能的改善

（1） 視角：與自發(fā)光型顯示器件相比，LCD的最大問(wèn)題是視角。做為對(duì)策，先后提出了膜補(bǔ)償方式、多疇垂直排列方式（MVA）和平面驅(qū)動(dòng)方式(IPS)。已商品化的視角擴(kuò)展膜有住友化學(xué)的Lumisty、富士寫真film的 Wideview-A 及Allied-Signal的 Viewing Screen，膜補(bǔ)償法對(duì)視角有一定的改善， 但還不夠理想。富士通公司開(kāi)發(fā)的MVA和日立公司開(kāi)發(fā)的IPS 均可實(shí)現(xiàn)左右上下160°以上的視角，并在99年后期，先后推出商品。在國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)會(huì)議SID99上， 韓國(guó)現(xiàn)代公司發(fā)表的邊緣電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式（fringe-field switching），類似于IPS模式，但性能有重大改進(jìn)，視角和光利用率都十分優(yōu)異?，F(xiàn)代公司在LCD/PDP International 99上展出的18.1英寸SXGA FFS 模式樣機(jī)，其功耗只有24.5W, 不及同型號(hào)IPS 模式55W的1/2。最近，韓國(guó)三星公司開(kāi)發(fā)了邊緣電場(chǎng)與垂直排列結(jié)合的擴(kuò)展視角技術(shù)， 將在今年5月的SID會(huì)議上發(fā)表。從這些技術(shù)進(jìn)展來(lái)看，LCD的視角障礙即將成為歷史。

（2） 響應(yīng)時(shí)間：在LCD的動(dòng)態(tài)畫面顯示中，高速移動(dòng)圖象會(huì)出現(xiàn)“拖尾”、“重影”等現(xiàn)象，這是由于液晶的響應(yīng)速度慢于一幀（當(dāng)幀頻為60Hz 時(shí)，約16ms ）造成的，由此形成的一幀結(jié)束時(shí)的殘像在下一幀顯現(xiàn)出來(lái)。目前TN型器件的最亮態(tài)和最暗態(tài)間的響應(yīng)時(shí)間一般長(zhǎng)于20ms,而中間灰度間驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)得多，所以，為徹底的滿足動(dòng)態(tài)圖象顯示的要求，響應(yīng)速度還有待于提高。

場(chǎng)序彩色（Field-Sequential Color, 即RGB時(shí)間分割顯示）LCD由三色背光源按時(shí)序分別點(diǎn)亮，液晶屏根據(jù)顯示的信息控制透過(guò)光的顏色和亮度而實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的加法混色，不需要彩色濾光膜, 象素?cái)?shù)變?yōu)槠胀ㄍ高^(guò)型LCD的1/3，更容易實(shí)現(xiàn)高容量、大畫面顯示，可能成為L(zhǎng)CD的發(fā)展趨勢(shì)，為此，一些研究機(jī)構(gòu)在積極開(kāi)發(fā)這一技術(shù)。 Hunet 公司應(yīng)用這一技術(shù)開(kāi)發(fā)的1.5 英寸1/4 VGA TFT驅(qū)動(dòng)的便攜電話顯示器，象素大小只有96μm, 透過(guò)率達(dá)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(chǎng)序彩色顯示TFT-LCD。為實(shí)現(xiàn)場(chǎng)序彩色顯示，液晶的響應(yīng)速度最慢要達(dá)到幀頻的1/3，，而要達(dá)到優(yōu)良的顯示質(zhì)量，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明可以實(shí)現(xiàn)2 ms的響應(yīng)速度。又由于P-Si可以滿足高速驅(qū)動(dòng)的要求，使用LT-P-Si驅(qū)動(dòng)的OCB 模式實(shí)現(xiàn)無(wú)彩膜的場(chǎng)序彩色動(dòng)態(tài)是下一步研究工作的目標(biāo)。98年全國(guó)平板顯示會(huì)上，筆者所在的研究組展出了8色場(chǎng)序彩色LCD的原型樣機(jī)，在樣機(jī)研制中，我們通過(guò)選擇合適材料，優(yōu)化TN模式器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到低于8ms的響應(yīng)時(shí)間。

（3）解析度：考察可讀性與解析度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)表明，為實(shí)現(xiàn)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(biāo)規(guī)格。在臺(tái)式計(jì)算機(jī)和數(shù)字電視等領(lǐng)域，還要求增大顯示面積。為實(shí)現(xiàn)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(xué)腐蝕和氧化等問(wèn)題，先后報(bào)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(duì)比較簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)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(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在1999年4月電子顯示展覽會(huì)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(yīng)首推Sharp 公司于今年1月26 日發(fā)表的 28型液晶TV(1280*768)。實(shí)現(xiàn)高解析度液晶顯示的另一重要途徑是開(kāi)發(fā)低溫P-Si TFT 技術(shù)， 目前已發(fā)表的P-Si TFT-LCD 產(chǎn)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(duì)比度約為5，因反射式彩色LCD顯示的最終目標(biāo)是取代印刷品，所以在技術(shù)開(kāi)發(fā)中，把反射率和對(duì)比度作為最重要的考察指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)的反射型LCD商品化,研究開(kāi)發(fā)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(duì)對(duì)現(xiàn)行商品中使用的1枚偏振片的方式和部分光學(xué)部件進(jìn)一步改良,進(jìn)行無(wú)偏振片模式和光學(xué)部件的開(kāi)發(fā)，以期實(shí)現(xiàn)下一代的高明亮度的反射式彩色LCD。對(duì)于單偏振片模中，反射電極對(duì)亮度的影響很大。D-L.Ting等報(bào)道了在液晶屏內(nèi)形成傾斜微反射面的方法,在避開(kāi)通過(guò)液晶層后的反射光和表面反射光的角度觀察，實(shí)現(xiàn)了較好的明亮度（40%）和對(duì)比度（20：1），Kazuhiko Tsuda 等則研究了微反射面反射電極的理論計(jì)算方法，對(duì)器件的設(shè)計(jì)具有重要意義。

日本FLUYA金屬開(kāi)發(fā)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(duì)比度等問(wèn)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(nèi)反射，與標(biāo)準(zhǔn)反射板相比，反射率提高3.5倍。同時(shí)，色再現(xiàn)性、色度隨入射角的偏移都表現(xiàn)出比普通透過(guò)型彩色濾光膜優(yōu)異的性能。為有效利用環(huán)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(lái)看，可以應(yīng)用于多種反射式器件，包括無(wú)偏振片模式。

由于1枚偏振片就使外部環(huán)境光的50%不能利用，所以開(kāi)發(fā)無(wú)偏振片的明亮模式的要求更強(qiáng)烈。通過(guò)PDLC散射光的反射式彩色LCD，構(gòu)造更簡(jiǎn)單，也實(shí)現(xiàn)了較高的明亮度（30%）和對(duì)比度（20）。還有利用液晶和液晶中分散的高分子，通過(guò)全息方法，形成反射式彩色顯示的HPDLC技術(shù)，在這種方案中，控制制作的光學(xué)條件和單體的擴(kuò)散是關(guān)鍵。使用膽甾相液晶，在0～20V間調(diào)節(jié)電壓，使其在平面狀態(tài)和焦錐狀態(tài)轉(zhuǎn)換， 可實(shí)現(xiàn)30%的反射率，并得到了無(wú)灰度反轉(zhuǎn)的反射式輝度顯示。無(wú)偏振片的另一方法是利用GH效應(yīng)，為得到高明亮度，需要多液晶層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多液晶層間的薄膜隔離和取向是關(guān)鍵。99年SID 會(huì)議上，IBM發(fā)表了2層320ppi、4英寸TFT-LCD原型樣機(jī)的試制結(jié)果，單色反射率達(dá)到60%，對(duì)比度為8：1，在SID 2000還將報(bào)道工藝上取得的新進(jìn)展。

有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)

自從90年代初a-Si TFT-LCD 產(chǎn)業(yè)化以來(lái),在顯示質(zhì)量、大尺寸和高解析度方面都有了飛躍的發(fā)展，其潛力幾乎已經(jīng)發(fā)揮到極限。在90年代后期，市場(chǎng)所追求的高畫質(zhì)和低價(jià)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(jī)、索尼、東芝、富士通、三菱電機(jī)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(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)a-Si TFT-LCD 難于達(dá)到的輕、薄和窄邊等要求。還可降低驅(qū)動(dòng)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(dá)到高解析度的同時(shí)，保持或?qū)崿F(xiàn)更高的開(kāi)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(chǎn)業(yè)化方面居于領(lǐng)先地位，先后推出了8.4英寸SVGA，10.4、12.1英寸XGA產(chǎn)品，開(kāi)口率都在60%以上，顯示了p-Si技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在99年日本電子產(chǎn)品展覽會(huì)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(chǎn)品。在同一展會(huì)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(chǎn)品， 解析度都超過(guò)了200ppi。自從1996年p-Si TFT-LCD在日本投入試生產(chǎn)以來(lái)，發(fā)展十分迅速，技術(shù)也日趨成熟，這也是近兩年日本大規(guī)模向海外轉(zhuǎn)移a-Si TFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)的一個(gè)重要原因。從目前進(jìn)展看，21世紀(jì)初LTPS TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會(huì)比90年代a-Si TFT-LCD 的發(fā)展更迅猛。

在各廠商大力開(kāi)發(fā)LTPS技術(shù)的同時(shí)，夏普于1998年宣布，與半導(dǎo)體能源研究所共同開(kāi)發(fā)了連續(xù)晶界結(jié)晶硅CGS技術(shù)，CGS是晶粒間界具有原子量級(jí)連續(xù)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(shí)保持了LTPS 可以利用較便宜的玻璃基板的特點(diǎn)，有望在制造超薄輕便的顯示設(shè)備上得到應(yīng)用?；贑GS 技術(shù)，夏普開(kāi)發(fā)出2.6英寸HDTV 用60英寸背投影電視，象素?cái)?shù)為1280×1024，并已在99年12月投入市場(chǎng)。

有源驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)值得注意的動(dòng)向是出現(xiàn)了LSI直接驅(qū)動(dòng)的反射式液晶顯示器件LCOS，可以實(shí)現(xiàn)高度集成， 多用來(lái)制造投影顯示器和頭盔顯示器。利用LCOS技術(shù)開(kāi)發(fā)的顯示器件，象素在十幾個(gè)微米的量級(jí)，在實(shí)現(xiàn)超高解析度的同時(shí)，相臨象素間的電場(chǎng)干擾也變得相當(dāng)突出，影響了顯示質(zhì)量，這一問(wèn)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(biāo)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(diǎn)，塑料基板技術(shù)的開(kāi)發(fā)正是為了滿足這一要求。但真正達(dá)到這一目標(biāo)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(wèn)題都有待于解決，目前的工作還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在SID‘99上，J- H.Kim,等發(fā)表的塑料基板PDLC，即使在彎折狀態(tài)下，仍可得到11：1的對(duì)比度，R.baueuerle 等發(fā)表了塑料基板上MIM（Metal-Insulator-Metal）驅(qū)動(dòng)的試制器件。在即將在今年5月份召開(kāi)的SID’00上，首次單獨(dú)出現(xiàn)了塑料基板LCD專題，S. He 等將發(fā)表塑料基板上制備a-Si TFT的研究結(jié)果。