液晶显示技术最新趋势

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液晶显示技术的最新趋势

一、液晶显示的市场

从液晶显示（LCD）的实用化开始已经过去30年了。从台式计算机的字段式显示开始的实用化液晶面板，以及后来的类似于主动型素子驱动方法的开发，使大型、漂亮画面的显示成为可能，之后显示性能在不断地进行改善，现如今，我们身边几乎所有的场所都在使用液晶显示器，从个人电脑和移动领域使用到最近的电视用，液晶电视已经开始逐渐取代CRT。

最初实用化液晶主要是以20世纪70年代的TN型液晶和80年代的STN液晶为基础的，它们各自相对应的产品也确实扩大了市场。90年代，以PC用途为基础，使用a-Si TFT液晶，使液晶市场快速得以成长起来。那个时代，液晶主要以TN模式为主，现在可以应用IPS、MV、OCB模式等形形色色的技术来进行动画显示，在电视显示方面的使用已经开始，在其他各领域的用途也逐步广泛起来，人们期待着其更加飞跃的发展。

平板显示中的液晶显示，用途非常广泛，使用量很大。而且根据搭载设备的用途不同显示画面的大小（显示画面的对角尺寸）与画素数有很大的不同。从手用用1～2型到电视用数十型，这样广的范围内各种用途均有，根据各种用途的要求不同，液晶面板的性能也有所不同（图2）。

二、液晶显示的构造与动作

1、液晶显示器的构造

以最普及的主动型的透过型模组为例，构造如图形所示，基本构造为液晶成盒面板和周围的压接驱动回路，液晶成盒基板的后面安装有背光源作为光源。

液晶成盒基板是由阵列基板与彩膜基板贴合在一起，中间填充液晶构成的。其中阵列基板与彩膜基板之间，要求控制间隔为数策米，而且均一的间隔。阵列基板侧为了驱动画素设计了gate线及数据线的引出电极。彩膜基板是由多个重复的RGB三原色构成的图形，图形形成的位置是与阵列基板上的各画素完全对应的。阵列基板与彩膜基板的背面，分别进行偏光板贴付。

2、主动型矩阵驱动技术

在TFT阵列基板侧栅线与数据线的各交点处形成薄膜晶体管（TFT）。画素电极为透明电极（通常是氧化铟与氧化锡的合金形成的ITO薄膜），用以传导数据线上的电压。在彩膜基板的全面也设计有透明电极。通过在阵列基板的画素电极上施加的电压对液晶的取向进行控制，从而对透过光的光量进行控制。

TFT基板通过控制栅极电压向画素电极内写入电荷。当TFT处于关态时，从与漏极侧连接的数据线向与源极侧连接的画素电极（透明电极）写入电荷，画素电极的电压需要设定必要的数值来驱动液晶。当TFT处于开状态时画素电极内的电荷会保持原样。在阵列基板的回路上，为了保持画素电极上电压的安定性，需要设计液晶电容和并列的辅助电容（如图4所示）。

三、液晶显示的特性与动向

1、表示设备及其特性

液晶显示器作为电子情报机器的显示设施，或是以电视为中心的娱乐设施方面，都成为必不可少的设备。这方面的用途，为了将人感性的更多的情报反映出来，人们正在寻求更大画面和更自然的画像显示。关于显示被关注的要求整理如下：

（1）作为显示情报机器的性能

画面尺寸：对角长（单位：厘米），长宽比（4∶3，宽屏等）
显示情报量：画素数（显示设计，播放规格）
携带性：薄、轻、消耗电力

（2）作为显示品质的性能

解像度：画素尺寸，每英吋画素数
视野角：在水平与垂直方向保持好的对比度的最大角度
辉度：画面的亮度
反应速度：显示动画必要画面的高速切换
对比度：最大辉度与最小辉度的比
阶调：表示微妙颜色变化
色度域：显示颜色范围的广度
表示画面的均一性：无表示不均
其他：进入市场的重要因素
价格：对于扩大市场有非常大的影响
环境对应：在制造、使用时、废弃时通过循环利用来节省能源
最终组装成制品的设计

2、画面的大型化与显示品质的提高

液晶面板应用于电脑的市场正在不断扩大。作为电脑用显示器，操作性能就成了重要的要求。为了提高操作性能，增加显示画面上显示信息量的研发工作仍在继续。具体来讲，有画面大型化与增加显示画素两种途径。画素数（如表1所示）作为显示设计的一些规定。

最近，液晶面板作为电视用的市场也正在扩大，主要是以30型以上超大画面为趋势。作为放映用的显示器，重要的是能够表示临场感与自然画像。为了获取临场感，重要的一点就是要有画角（将显示器放在眼前时画面的广度）。为了放映出有临场感的画像，正在向画面扩大即画面的宽屏化方向推进。为达到显示画质鲜明化及更精细的显示画面，也有向画素数增加方向发展的趋势。增加显示画素数相关的规格，请参照表2所示：

表1 对应于由PC开始到电脑、手机各用途的显示

3、广视野角技术显示更自然的画像

为了能看到自然的显示画像，前面所涉及到的各个项目，都要求有很高的性能。尤其是对大型电视，总的趋势是为了使被称作看到一个画面的作途变得强烈，视野角是非常重要的。目前人们正在努力对其进行改善。

以前的TN型液晶，在画面的垂直方向上施加电场来驱动液晶，控制光的通过与否。这种方式，在画面的正方向能看到非常清晰的画面，但是从倾斜方向来看的话，对比度下降，颜色会出现偏差，基作为映像用显示器，这是绝对不允许的。最近，为了改善TN型液晶的这个缺陷，提高视角人们想出了各种各样的方法，已经开始将研究成果应用于实际生产并形成产品。关于视角的改善，如图5所示IPS（In Plane Switching面内开关型），Multidomain（多筹型），MAV（Multi-domein Vertical Align），OCB（Optical Compensated Bend Mode光学补偿弯曲）等方法也开始实用化了。

IPS型，在阵列基板上配置电极，给液晶施加横向电场，画面平行方向的特性得到改善，视角扩大。多筹型，在一个画素中进行分割，通过使用液晶在不同的方向进行配向实现视角的扩大。VA型，在液晶盒中设计构造物，通过液晶转向不同的方向来实现大的视角。各种各样扩大视角的方法的实现，要求有各自独立的制造方法、工艺精度等重要的制造能力。也就是说，制造生产根据所采用的技术不同，工艺条件、装置等要求的性能也随之而变化。

4、为看到更自然动画的技术

与视角相同，在动画显示时液晶的缺陷是由于液晶的反应速度慢和显示方式不同而引起的。关于液晶响应时间的改善，要液晶盒的构造方法与液晶材料及驱动方法一并推进，在动画1桢以内的时间（16毫秒）内切换已经成为可能。进一步讲，OCB模式的响应时间可以达到数毫秒。

然而，与以前的CRT显示一样为了达到自然动画的显示效果，液晶的动作模式与CRT是完全不同的，液晶在响应时间方面的改善还不是非常充分，CRT是利用电子束打到幕上的一瞬间发光，而液晶的动作不同，液晶是在1桢间保持开的状态的保持型，这就是两者之间的差异。为了解决这种差异，一方面是改变背光源的点灯驱动，另一方面是在桢间插入黑色信号（参考图6），采用各种方法进行了开发，改善工作在不断推进。

5、Mobile用小型轻量化技术

液晶显示的一个优点就是小型、轻量化且耗电量低。最大限度地利用这一优点，使其作为移动用途得到大大推广。从1990年代用于笔记本电脑开始，各种各样便携式机器上搭载的液晶模组，其薄型、轻量化、低消费电力化的竞争一直持续不断。

为了实现其薄型、轻量化、低消费电力化，进行了各种技术开发，比如：玻璃基板的薄板化轻量化与构成模组部材的改善，低温多晶硅技术的使用，玻璃基板上设置的驱动回路部件数目的减少，利用反射型的背光源来实现薄型化等等。

背光源是透过型液晶面板使用的光源，若是利用太阳光等外部光则为反射型的，外部光与背光源光同时应用的为半透过型，这些技术均已实用化。图7（a）所示为透过型；（b）所示为反射型，由于没有背光源，所以薄型与耗电量得到了控制，但是对比度与辉度却比透过型差；（c）所示为半透过型，为了弥补反射型在显示方面的缺陷，在各画素上设置了反射领域与透过领域，取两者的平衡点，这样可以提高显示性能。

6、部材的进步——驱动IC为例

液晶显示器如图形所示，使用了各种各样的材料。伴随着液晶显示技术的进步，这些材料也在不断进行着技术革新。本文不可能讲述所有的材料，就以驱动IC为例进行说明。

包括电视用途在内，液晶面板向着大型化、高精细化且显示更高画质画像的方向发展。这种趋势，在驱动IC方向有很大的意义。动作速度的增加、写入精度的提高、多针化、低耗电量等课题的解决是非常重要的。
在画质高精细化方面，由于增加了画素数，写入数据量也增加了。对更多的画素，在一定时间内写入数据的话，动作速度必须要提高。比如说，720p规格电视面板（1280×720）的数据驱动，对应18微秒的写入时间，而1080i规格电视面板（1920×1080）的数据驱动，必须将写入时间缩短在12微秒以内。

阶调数也是这样，现在标准面板是8bit，将来10bit或12bit的面板也会增加。在8bit的情况下，数据驱动的输出电压是将开/关的间电压进行256份来供给的，而10bit是1024份，12bit必须要4096份。

另外，为达到便携式、低价位的目标，要求将驱动电压控制在10V以下的低压化，或是输出端子针数增加（若1芯片输出数增加，则相应的IC忒片的使用数目会减少）。尤其是移动领域以及笔记本电脑将便携式看得非常重要，这就对低耗电化要求非常高。这不仅仅是驱动IC，液晶性能方面的改善开发也是非常重要的。

四、液晶面板的设计技术、工艺技术、生产技术

1、液晶面板的制造过程

主动型液晶面板的制作工程，大概可以分为三部分。最初的工程称作TFT阵列工程，是以玻璃基板上制作 TFT阵列回路开始的。第二个工程称作液晶成盒工程，是将已经完成的TFT基板与镀有RGB三色层膜的基板贴合在一起，注入液晶。第三个工程称作模组工程，在已经成盒的基板上装上驱动回路及背光源作为显示用模组。制造过程结束（如图8）。

2、阵列工程——提高生产性的挑战

阵列工程与半导体工程相似。半导体是在晶元上面制作回路，同样地，阵列工程是在玻璃基板上反复进行成膜、显影、刻蚀而形成TFT阵列回路。阵列工程中使用装置的原理同半导体工程也是相同的。

正因为如此，液晶的制造技术常与半导体技术相比较。当半导体的制造大有不同时，基板面程扩大的速度相比晶元直径的扩大来讲发展更快。
阵列工程中的成膜、显影、刻蚀循环的次数一般称作为“掩膜板数”。掩膜板数少的话则全体的工程数会减少，投资效率会提高，总工程所用的时间会缩短。几年前，掩膜板数一般在6-8枚，最近大部分生产厂家都采用5枚掩膜板的工艺技术。竞争有一部分生产厂家导入了4枚掩膜板工程。这种掩膜板消减的背景，主要是后述成本降低的市场压力所致，工程数减少则相应的投资额度也会减少。

但是，单纯减少掩膜板数会导致产品良率下降的反向效果。掩膜板数的减少使设计变得复杂，工艺条件变更，产品更易受到灰尘类缺陷等的影响。为了达到工艺条件缩减的目的，要求有在大面积内工艺均一性优化的装置，工艺变动较少且安定的装置，而且要追求容易管理灰尘数的装置。进一步讲，随着显示画面的大型化、高精细化，画素数以及配线长度不断增加。要制造较长配线无断开、显示无缺陷的面板，减少灰尘是非常重要的。

3、成盒工程——工艺革新的挑战

成盒工程担负着配向处理、液晶注入等决定液晶面板显示质量的重要的工艺。如图8所示成盒工程的流程，以液晶面板最初量产时使用的典型工程为例。基板进行完配向膜的配向处理之后，涂布封框胶，并为精确控制盒厚散布间隔球。之后，阵列与彩膜2枚基板贴合起来，进行液晶注入。
成盒工程同样为了提高生产效率或者提高面板的显示性能，如图9所示，引入各种技术革新的方法。

间隔球散布是精确控制盒厚的重要工程，要求有非常高的精度。最近，使用一种柱状间隔物来代替间隔球散布。采用这种方法可以避免由于间隔球造成的光散射，可以改善对比度等显示质量。

还有为了提高液晶注入工程的生产效率，实行了由原来真空注入方式到滴下方式的技术革新。尤其是在大型电视面板的制造工程中，液晶注入时间为几十小时或一日以上，非常费时间，生产效率急剧降低。为了缩短液晶注入的时间，采用液晶滴下方式是必须的技术革新（图10）。

关于提高液晶面板显示质量的技术革新，原来采用在有机配向膜（PI膜）表面机械擦进行配向的方式，现在已经开发了使用无机膜利用电子束这种非接触的方式进行配向的技术，这样可以避免摩擦不均，从而使显示特性得到提高，医疗等要求高画质面板的生产上已经开始使用（图11）。

五、今后的发展方向

1、画面的大型化及生产技术

（1）玻璃基板的大型化

液晶面板画面尺寸的大型化速度非常快。而且支持这种发展趋且在制造技术中占据重要地位的是母玻璃基板尺寸的大型化。液晶面板的画面尺寸变大时，由母基板切割出的面板数最终会减少，导致生产效率降低。为了弥补这一缺陷，母基板尺寸的大型化是必然的。

母基板大型化的变迁与液晶生产线世代线的关系如图12所示。从各代生产线启动开始年对应的玻璃基板尺寸面积来看，1990年代约3年间以1.8倍的速度在扩大。随着液晶显示画面尺寸的扩大，为提高生产能力，在1枚母基板上能生产出的面板数必须要增加。具体来讲，若1枚母基板上生产出的面板数由4枚增加到6枚，则相当于生产能力提高了1.5倍。或者，为了使画面尺寸变大，1枚母基板上能生产出的面板数变为2 枚的时候，可以选择能生产出4枚面板的母基板，这样生产能力会提高2倍，其结果至少可以使画面尺寸扩大1.8倍。也就是说，由于市场要求面板尺寸大型化和生产能力提高，为实现面板成本降低，则母玻璃基板尺寸的不断扩大成为必然趋势。

正因为如此，玻璃基板尺寸持椟扩大的结果是在1990年代的10年间面积比整整扩大了10倍。引用很好的例证，半导体的晶元直径由1980年代初的4＂经过20年扩大为现在的12＂，面积比是原来的7倍，这种扩大之迅速是显而易见的。今后也会如此，在短期内可以看到玻璃基板继续大型化的趋势。

（2）工艺精度的提高

不仅仅是基板尺寸大型化，工艺精度的提高也是非常重要的课题。特别是大型电视用的液晶面板，工艺精度的提高势在必行。以高清晰电视为样本，高精细化、广视角技术等各种各样的最先端技术不断盛行，同时，为达到面板画质的高度均一性，需要设计上有所突破，为此，工艺精度有望得到进一步提高。

工艺精度提高方面主要是配列精度的微细化，贴合精度的提高。画面尺寸变大、画素数增加、配线长度也增加。在较长的配线中，必须要做到没有一处断线。为了防止断线不良发生，需要工艺精度的提高，并实现微细加工，对应大画面来讲，对灰尘的控制要求变得更加严格。

为实现大画面与高精细化，不仅是阵列工程、成盒工程、模组工程的装配，都需要工艺精度进一步提高。工艺精度主要指阵列基板各层之间的重合精度，阵列基板与彩膜基板之间的贴合精度，当然显影精度的提高也是非常必要的。

上述为非晶硅TFT液晶面板的发展动向。低温多晶硅的工艺已经比非晶硅工艺实现了更高精度，相互融合技术，即使是大型基板实现更高精度的技术也是可能的。

2、关于小型面板的技术

（1）低温多晶硅（LTPS）技术

TFT液晶面板的驱动部有薄膜晶体管，主要是用非晶硅制成。如图4所示的LTPS（低温多晶硅）可获得30-100cm2/V•s的TFT电子迁移率，驱动IC作在面板周边。SRAM等内藏式也开始实用化了，现在主要在小型面板上的适用。

LTPS，为了将n沟道TFT与p沟道TFT作成CMOS构造，与a-Si TFT相比，需要更多的掩膜板数，同时，LTPS特有的技术，为结晶化使用的激光退火装置与离子注入装置非常关键，工程长度也会增加。此外，与a-Si相比，更加细微的图案精度与高温下CVD成膜也是必要的。

对画面尺寸大型化、低成本来讲，与a-Si相比有不利的方面。基于TFT性能的提高以及某些控制机能的内藏，终归目的是将表示画面周围的附属机能全部搭载在玻璃基板上。

（2）柔性液晶

可以弯曲的显示，是在塑料基板上制作有机EL显示，这种技术有望受到人们关注。有机EL是在基板上制作发光素子，采用容易弯曲的构造。相对来讲，液晶显示是在2枚基板上，若要实现柔性显示还需要下一番功夫。
目前已经公开发表的技术是在2枚薄的塑料基板间形成聚合体格子状的壁，在2枚基板内密着的有可弯曲但不可剥离的构造上形成液晶薄膜、多晶硅等成盒工艺，将基板尽可能削成最薄，这就是“曲面彩色显示”。

3、投影用液晶技术

至此，所有直视型都是在玻璃基板上制成后注入液晶，最近使用半导体技术在晶元或是石英晶片上制作。这样制成的元件内的芯片要比直视型的尺寸小，画素尺寸相应会减小，不足直视型的1/10。

虽然阵列工程使用半导体生产线，但成盒工程同直视型一样使用液晶专用生产线制造。高温多晶硅乃至结晶硅的使用与LTPS相同，驱动回路是作在TFT阵列基板的周边。

4、立体显示

关于用液晶显示实现立体视觉，近期急速的推进于实用化。目前，为了看到立体画像，使用多个画素，结果使显示映像变得粗糙。为了克服这一缺陷，要求有更高精细的显示，为放映出立体画像还有待进一步探讨研究。

5、环境对应

液晶面板与显像管相比消耗能源较少，节省空间，是节能的显示器，期望着降低地球环境负荷做贡献的评价。一方面，在制造阶段对环境的影响较大，关于液晶面板制造阶段的课题，主要有以下三项：

（1）防止地球温暖化：制造阶段具有温室效应的气体如PFC、SF6等排出量的减少，制造LCD时的耗电量的降低。排气的除害与排出控制技术、高效率的生产装置与洁净房等。

（2）有害物质使用量的消减：寻找取代物质、取代工艺。

（3）构筑循环型经济社会，向着合理化的液晶面板生产、再利用、可循环方向发展。制造阶段，废弃基板的回收或是ITO等稀少资源的回收再利用等。

在以环境对策为前提的情况下，进行制品的设计、工艺技术，而后进行工场构筑等，这些不仅仅是生产面板厂家，而且是赋予设备厂家、材料厂家共同的任务。若是对环境对应有所怠慢的话，将会付出沉重的代价。今后，环境问题是一个绝对不可以忘记的极为重要的项目。

6、液晶显示的未来

液晶显示市场是在以笔记本电脑、监视器市场为中心成长起来的。进入21世纪的今天，以大型电视、手机为中心，移动领域等的市场不断扩大，液晶显示正在向着更大产业化飞跃。

新时代的液晶显示，是信息化社会窗口连接的关键性装置，负有重要的使命。它不再是单纯素子的使用，而是成为人机界面的连接窗口，在人们感叹其超大信息量的同时，人也成为信息窗口。时代向着多元化方向发展，用于显示的液晶制品也在多样化，为了各种制品实现市场化，在各自对应的技术是必不可少的。市场上各种各样的竞争产品已相继登场。在这种竞争与不断的切磋中，液晶显示成为FPD的领头羊。

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