LCD显示器技术体系的形成
液晶自1888年被奥地利植物学家莱尼茨尔发现以来,经过了科学家和技术人员的长期努力,1961年美国无线电公司(RCA)发现动态散射模式,1962年实现了液晶显示并申请专利,但之后没有进一步将技术创新和产品市场化。日本企业和科学家从20世纪70年代开始,将大规模集成电路与液晶显示相结合,开发出了一系列商品化产品,从而打开了液晶显示的实用化局面。[3]
图5-1 发展初期的液晶显示器的尺寸、响应速度和市场份额变化
LCD的主要功能实现是基于液晶这一特殊材料的特性。液晶是一种介于固体与液体之间,具有规则性分子排列的有机化合物,它既有液体的流动性,而其分子排列又类似晶体,具有晶体的光学特性如双折射性。液晶本身不能发光,但是在不同电流电场作用下,液晶分子会按规则旋转90度排列,产生透光度的差别,因此在电源通断下产生明暗的区别,依此原理控制每个像素,便可构成所需图像。LCD常用的背光源有冷阴极荧光灯管(CCFL)、发光二极管(LED)和热阴极荧光灯管(HCFL)等几种,随着不同的液晶材料和结构的开发,人们不断改进整体显示技术,液晶电视的技术已日趋成熟。
1.元技术的结构演变
根据液晶显示方式的类型,液晶显示可分为透光型、反射型和投影型三类。液晶显示功能主要靠液晶单元实现,每块液晶单元加上彩色过滤膜显示色彩,以点阵(dot matrix)方式液晶显示为例,使用红(R)、绿(G)和蓝(B)三种过滤膜形成彩色点阵,由此可以显现各种颜色。光源可以使用自然光和外来光,根据所照射的位置形成各种液晶显示的效果,液晶显示类型及透光型(电视机)的内部结构如图5-2所示。[4]
图5-2 液晶显示类型及透光型(电视机)的内部结构
通过科研和创新,液晶显示的元技术构成发生了根本的改变。①从分段显示到点阵显示的实现,从用于计算器和电子表等的显示到用于文字处理机显示。②随着画面的增大,端子数增加,驱动方式从静态(被动)驱动变成动态(能动)的点阵驱动,有效减少过多端子数造成的诸多问题,使液晶显示适合动态画面,如动画形式的电视机和手机等通信设备。③从单纯点阵方式到活性点阵方式,实现高画质和快速响应显示,达到高清晰和大画面的显示效果。④低反射技术的实现,通过表面低反射涂层和内部低反射材料的使用,使原来23.3%的反射率降低到2.6%,在高亮度环境下可以显示清晰的液晶图像。
液晶显示器的产品用途推进过程和动态驱动技术演进过程如图5-3所示。[5]以日本夏普公司的产品技术为例,产品用途经历了从最初的计算器的分段块状的静态显示到电子手表和游戏机等的点阵显示,再从小型电视机和文字处理机的点阵动态驱动到大型、高清晰显示器的活性动态驱动的推进过程。驱动技术采用动态方式后,形成了单纯点阵和活性点阵以及派生的各种产品对应的驱动技术的演进过程。
2.相关技术的回应
首先,关联技术的推进。
LCD技术的进化,离不开支撑其元技术实现的周边技术的进步。从LCD技术体系结构看,除了组装等和生产相关的技术外,建立完整的LCD技术体系还包括下列六项技术,如图5-4所示。[6]
(1)液晶材料:要求达到一定的保持率、高速响应和广角化、提高耐热耐光性、温度范围广以及高对比度等。(https://www.daowen.com)
(2)活性要素:高移动度、高开口率、高稳定性等。
图5-3 液晶显示器的产品用途推进过程和动态驱动技术的演进过程
图5-4 液晶显示器的关联技术结构
(3)彩色滤膜:高耐热耐光性、高彩色度等。
(4)驱动部分:高速化、小贴片化、模拟与数码。
(5)背光源:高亮度、薄形和轻量化、高发光效率和低电力消耗。
(6)控制部分:真彩对应、高级视频编码等。
上述关联技术组成一个复杂的系统结构,每一项技术都是使液晶显示效果得到保证的必要条件。例如,目前主流的TFT液晶构造技术和LED背光技术的采用使LCD实现了高画质、真色彩和高亮度的功能。[7]薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)液晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动,从而可以做到以高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器。TFT屏幕也是中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕,分65536色、26万色及1600万色三种,其显示效果非常出色。发光二极管是一种完全固化、寿命长、亮度高、响应速度快、低功耗、体积小、结构结实灵活、耐冲击且性能稳定的发光材料,其在众多领域有广泛应用,如交通灯、大屏幕显示、广告牌、汽车灯、警示灯、飞机通道、进出口照明、全色显示、普通室内照明等,正朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密度、发光均匀、“全色化”方向发展。TFT是集大规模半导体集成电路技术、驱动IC技术和平板光源技术于一体的高新技术,采用薄膜晶体管有源矩阵,在每个像素上设计一个场效应开关管,易于实现真彩、高分辨率,而且响应速度快、灰度高,因此成为LCD的主要发展方向。它使LCD进入高画质、真彩图像显示的新阶段。同样,背光源是提高LCD亮度的重要途径,因为CRT和等离子都具有局部峰值亮度的显示能力,而液晶要想达到相同的峰值亮度,就不得不提高背光亮度,否则就无法保证黑色场景足够黑。其亮度指标与等离子电视相比确实逊色不少,并一度成为其发展的瓶颈。又如,从液晶材料看,计算器的液晶显示通过自然光反射,而彩色电视机则采用背光源,在车载显示器等明暗变化的环境下,需要“半透明”液晶材料,实现反射板和背光源相结合的设计。
其次,生产技术的确立。
产业技术包含生产技术形态和产品技术形态[8],前者是生产活动的手段,后者是以活动目的为导向的社会功能的实现。其中生产技术包含几个主要的结构要素,诸如主体技术、相关技术、共性技术和基础技术等,这些技术反映出生产技术的装备能力和技术水平。[9]这里主要介绍主体技术相对应的生产技术。从生产工序看,LCD的生产为了达到显示性能的要求,需要依据不同用途的液晶材料的选择和混合,并在电极板、配向膜、空间以及外框等工序的基础上充填液晶材料,形成一个要素单元结构,然后和外部要素结构接合成一个液晶显示模块。
LCD元技术的液晶显示结构的生产是生产过程的核心部分。液晶材料随着显示容量的增加,每个液晶要素单元的端子数量要求从80线增加到100线甚至160线的输出,需要先进的大规模集成(large scale integration,LSI)电路技术达到纳米级的设计和工艺,在产学研结合的基础上同时结合自动化流水作业才能实现。随着办公用设备及各种通信设备的小型化、轻量化以及各种显示器如电视等的多功能化和大型化的要求,人们对液晶画面边缘小、有效面积增加等提出了液晶驱动能力的更高要求。和LSI技术同步的是先进的实装技术,如带式自动键合(tape automated bonding,TAB)技术,它是LCD显示器件模块生产的主流工艺技术,即将液晶显示器件和连接件、集成电路、控制及驱动电路、PCB板等元器件连接装配的方法,适应高密度I/O以及高速超大规模集成电路的封装要求,通常也以TCP(tape carrier package)表示TAB,两者所指的是相同的技术。[10]还有COG(chip on glass)接合技术,是利用倒装芯片(flip chip)导通的方式,以各向异性导电材料作为接合的界面材料,将长好凸块的驱动IC直接接合于LCD玻璃上。这些都是目前LCD的主流生产技术。
