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最新液晶显示技术追踪

导读: 最新液晶显示技术追踪

 由于低功耗、高画质和轻巧等诸多优势,LCD(特别是AM-LCD)已经成为平板显示领域的主导技术,其产品从直视的超小型头盔显示(Head Mount )LCD到投影显示的40 英寸的高清晰度( HDTV)LCD,产业规模逼近电子显示领域长期占统治地位的阴极射线管显示器( CRT)。 根据日本电子工业振兴协会2000年3月份发表的统计结果,1999年液晶显示产品在数量上比1998年增长 34%,特别是PC用液晶监视器产品, 增长达193%,而CRT的监视器产品则减少12%。而夏普公司更乐观的预测, 在2005年, 液晶电视将取代CRT。在良好的市场前景驱动下,TFT-LCD产业成为近年东亚地区投资的热点之一。   

        LCD以其特有的优势形成了庞大的产业,但仍然面对强大的竞争压力,一是来自传统的低成本的CRT,还来自正在开发和成长中的其它平板显示技术,如 PDP、 FED、 OEL,特别是不断发展的信息技术的市场要求。本文将介绍 
近年来在显示性能的提高、p-Si TFT-LCD 的开发、反射式彩色液晶显示和塑料基板LCD等方面的研究开发工作的进展情况和发展趋势。

        背光型LCD显示性能的改善

        (1) 视角:与自发光型显示器件相比,LCD的最大问题是视角。做为对策,先后提出了膜补偿方式、多畴垂直排列方式(MVA)和平面驱动方式(IPS)。已商品化的视角扩展膜有住友化学的Lumisty、富士写真film的 Wideview-A 及Allied-Signal的 Viewing Screen,膜补偿法对视角有一定的改善, 但还不够理想。富士通公司开发的MVA和日立公司开发的IPS 均可实现左右上下160°以上的视角,并在99年后期,先后推出商品。在国际信息显示学会会议SID99上, 韩国现代公司发表的边缘电场驱动模式(fringe-field switching),类似于IPS模式,但性能有重大改进,视角和光利用率都十分优异。现代公司在LCD/PDP International 99上展出的18.1英寸SXGA FFS 模式样机,其功耗只有24.5W, 不及同型号IPS 模式55W的1/2。最近,韩国三星公司开发了边缘电场与垂直排列结合的扩展视角技术, 将在今年5月的SID会议上发表。从这些技术进展来看,LCD的视角障碍即将成为历史。

        (2) 响应时间:在LCD的动态画面显示中,高速移动图象会出现“拖尾”、“重影”等现象,这是由于液晶的响应速度慢于一帧(当帧频为60Hz 时,约16ms )造成的,由此形成的一帧结束时的残像在下一帧显现出来。目前TN型器件的最亮态和最暗态间的响应时间一般长于20ms,而中间灰度间驱动的响应时间要长得多,所以,为彻底的满足动态图象显示的要求,响应速度还有待于提高。

        场序彩色(Field-Sequential Color, 即RGB时间分割显示)LCD由三色背光源按时序分别点亮,液晶屏根据显示的信息控制透过光的颜色和亮度而实现时间上的加法混色,不需要彩色滤光膜, 象素数变为普通透过型LCD的1/3,更容易实现高容量、大画面显示,可能成为LCD的发展趋势,为此,一些研究机构在积极开发这一技术。 Hunet 公司应用这一技术开发的1.5 英寸1/4 VGA TFT驱动的便携电话显示器,象素大小只有96μm, 透过率达15%,是普通彩色TFT-LCD的1/3。 Hunet 公司在1999年初还展出了12.1英寸SVGA场序彩色显示TFT-LCD。为实现场序彩色显示,液晶的响应速度最慢要达到帧频的1/3,,而要达到优良的显示质量,响应时间应为2—3ms。在向列液晶显示模式中, 最有可能满足这一要求的是OCB模式(Optically Compensated Bend),理论计算和实验都表明可以实现2 ms的响应速度。又由于P-Si可以满足高速驱动的要求,使用LT-P-Si驱动的OCB 模式实现无彩膜的场序彩色动态是下一步研究工作的目标。98年全国平板显示会上,笔者所在的研究组展出了8色场序彩色LCD的原型样机,在样机研制中,我们通过选择合适材料,优化TN模式器件的结构参数,得到低于8ms的响应时间。

(3)解析度:考察可读性与解析度关系的实验表明,为实现光滑、清晰文字的显示,向新闻纸上大小的字需要175dpi以上的解析度,这成为电子文件阅读用显示器的目标规格。在台式计算机和数字电视等领域,还要求增大显示面积。为实现大面积高解析度的液晶显示,需要使用低电阻材料制作TFT的总线。目前研究和使用较多的是铝,围绕解决铝易形成小丘、化学腐蚀和氧化等问题,先后报道了合金法(如 Al-Cu、 Al-Si、 Al-Si-Cu、 Al-Ta、Al-Nd和 Al-Ti 等)和夹层法(如Mo/Al/Mo, Cr/Al Cr/, TiN/Al/Ti ), 合金法在工艺上相对比较简单,但电阻高,TiN/Al/Ti夹层可以用干法刻蚀。有利于形成栅线的斜坡,是比较理想的材料。IBM利用Al-Nd合金作为栅电极,开发出16.3英寸超高解析度(200ppi) QSXGA(2560×3×2048)a-Si TFT 显示器,并在DTI姬路工厂实现批量生产,在1999年4月电子显示展览会上东芝公司推出的20.8 16-SVGA(3200*24 
00) a-Si TFT-LCD,可谓是目前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,应首推Sharp 公司于今年1月26 日发表的 28型液晶TV(1280*768)。实现高解析度液晶显示的另一重要途径是开发低温P-Si TFT 技术, 目前已发表的P-Si TFT-LCD 产品的解析度多在200ppi左右。


        反射型LCD

        印刷品的反射率在50%—80%, 对比度约为5,因反射式彩色LCD显示的最终目标是取代印刷品,所以在技术开发中,把反射率和对比度作为最重要的考察指标。为实现高画质的反射型LCD商品化,研究开发工作十分活跃,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对对现行商品中使用的1枚偏振片的方式和部分光学部件进一步改良,进行无偏振片模式和光学部件的开发,以期实现下一代的高明亮度的反射式彩色LCD。对于单偏振片模中,反射电极对亮度的影响很大。D-L.Ting等报道了在液晶屏内形成倾斜微反射面的方法,在避开通过液晶层后的反射光和表面反射光的角度观察,实现了较好的明亮度(40%)和对比度(20:1),Kazuhiko Tsuda 等则研究了微反射面反射电极的理论计算方法,对器件的设计具有重要意义。

        日本FLUYA金属开发的AgPdCu合金,其反射率比铝高7%-8%,电阻率低于Ti和Ta,有望成为下一代反射式彩色LCD 显示的电极材料。

        Yoshiyuki Higashigaki等为解决单偏振片模式中凸凹型反射电极的乱反射影响视角和对比度等问题,使用全息记录膜制作出全息型指向性彩色滤光膜。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内反射,与标准反射板相比,反射率提高3.5倍。同时,色再现性、色度随入射角的偏移都表现出比普通透过型彩色滤光膜优异的性能。为有效利用环境光,Shao等提出了微锥膜法,从指向性反射膜和微锥膜的工作原理来看,可以应用于多种反射式器件,包括无偏振片模式。

        由于1枚偏振片就使外部环境光的50%不能利用,所以开发无偏振片的明亮模式的要求更强烈。通过PDLC散射光的反射式彩色LCD,构造更简单,也实现了较高的明亮度(30%)和对比度(20)。还有利用液晶和液晶中分散的高分子,通过全息方法,形成反射式彩色显示的HPDLC技术,在这种方案中,控制制作的光学条件和单体的扩散是关键。使用胆甾相液晶,在0~20V间调节电压,使其在平面状态和焦锥状态转换, 可实现30%的反射率,并得到了无灰度反转的反射式辉度显示。无偏振片的另一方法是利用GH效应,为得到高明亮度,需要多液晶层结构,实现多液晶层间的薄膜隔离和取向是关键。99年SID 会议上,IBM发表了2层320ppi、4英寸TFT-LCD原型样机的试制结果,单色反射率达到60%,对比度为8:1,在SID 2000还将报道工艺上取得的新进展。

有源驱动技术

       自从90年代初a-Si TFT-LCD 产业化以来,在显示质量、大尺寸和高解析度方面都有了飞跃的发展,其潜力几乎已经发挥到极限。在90年代后期,市场所追求的高画质和低价格,使得众多厂家投入低温多晶硅LTPS的研究,包括夏普、三洋电机、索尼、东芝、富士通、三菱电机等。


        a-Si 的迁移率一般小于1 cm2/V.s , 而p-Si的迁移率要高100倍,可以将周边驱动电路集成在液晶屏上,从而降低引线密度(一般为a-Si的1/20),实现a-Si TFT-LCD 难于达到的轻、薄和窄边等要求。还可降低驱动IC 所需的成本。又因p-Si有较高的迁移率,可以 缩小TFT的面积,在达到高解析度的同时,保持或实现更高的开口率,满足提高亮度、降低功耗的要求。

        东芝公司在p-Si TFT-LCD 的产业化方面居于领先地位,先后推出了8.4英寸SVGA,10 
.4、12.1英寸XGA产品,开口率都在60%以上,显示了p-Si技术的优势。在99年日本电子产品展览会上,东芝又推出了15英寸UXGA LTPS TFT-LCD,是至今为止世界上最大尺寸的p-Si TFT-LCD 产品。在同一展会上, 索尼公司也展出了14.1英寸LTPS TFT-LCD。在中小型 p-Si TFT-LCD, 东芝推出的4英寸VGA 和6.3英寸 XGA 产品, 解析度都超过了200ppi。自从1996年p-Si TFT-LCD在日本投入试生产以来,发展十分迅速,技术也日趋成熟,这也是近两年日本大规模向海外转移a-Si TFT-LCD生产技术的一个重要原因。从目前进展看,21世纪初LTPS TFT-LCD产业的发展会比90年代a-Si TFT-LCD 的发展更迅猛。

        在各厂商大力开发LTPS技术的同时,夏普于1998年宣布,与半导体能源研究所共同开发了连续晶界结晶硅CGS技术,CGS是晶粒间界具有原子量级连续性的多晶硅,在600°C以下,可获得电子迁移率约为600~700 cm2/V.s,是LTPS 的4倍以上,同时保持了LTPS 可以利用较便宜的玻璃基板的特点,有望在制造超薄轻便的显示设备上得到应用。基于CGS 技术,夏普开发出2.6英寸HDTV 用60英寸背投影电视,象素数为1280×1024,并已在99年12月投入市场。

        有源驱动的另一个值得注意的动向是出现了LSI直接驱动的反射式液晶显示器件LCOS,可以实现高度集成, 多用来制造投影显示器和头盔显示器。利用LCOS技术开发的显示器件,象素在十几个微米的量级,在实现超高解析度的同时,相临象素间的电场干扰也变得相当突出,影响了显示质量,这一问题还有待于解决。

        塑料基板的液晶显示

        反射式彩色LCD 的目标是取代印刷品,因而除了要满足显示性能外,为易于携带,还要具备轻便、可弯折、不易损坏等特点,塑料基板技术的开发正是为了满足这一要求。但真正达到这一目标并非易事,塑料基板的双折射、高温工艺、盒厚均匀性控制等一系列问题都有待于解决,目前的工作还处于实验室研究阶段。在SID‘99上,J- H.Kim,等发表的塑料基板PDLC,即使在弯折状态下,仍可得到11:1的对比度,R.baueuerle 等发表了塑料基板上MIM(Metal-Insulator-Metal)驱动的试制器件。在即将在今年5月份召开的SID’00上,首次单独出现了塑料基板LCD专题,S. He 等将发表塑料基板上制备a-Si TFT的研究结果。

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