液晶高分子材料在图形显示方面的发展与应用

液晶高分子材料在图形显示方面的发展与应用
液晶显示材料的发展与应用
郑磊
（安徽工业大学化学与化工学院安徽马鞍山）
摘要：液晶有许多特殊的性能，因而在许多领域得到应用。

其中最常见是液晶显示技术。

本文简述了液晶高分子材料在图形显示方面的发展
历史、发展趋势以及研究与应用现状。

关键词：液晶；图形显示；显示材料；应用；发展
1 引言
人们早已熟知液晶本身和液晶在电子显示器件方面、非线性光学方面的应用。

液晶显示的手表、计算器、笔记本电脑和高清晰度彩色液晶电视都已经商品化，液晶的商业用途多达百余种，它使显示等技术领域发生重大的革命性变化。

2 液晶显示技术的发展
经历4个阶段发展为液晶电视
“使用液晶可以制造超薄显示屏”。

40多年前的1968年5月，美国RCA 公司在纽约召开的液晶显示屏新闻发布会上的发言震惊了全世界。

发现液晶可用于显示的是RCA公司的George Heilmeier，他甚至还表示，“梦想中的壁挂式电视只需数年即可实现”。

自那之后，日本、英国、瑞士、德国的显示屏研发人员都开始参与液晶面板的开发工作，全球性开发的帷幕正式拉开。

但是，液晶显示屏的实用化并不容易。

当时，液晶的使用寿命和可靠性等基本问题都未能解决，使用不到1个小时显示就会消失，更别提要用液晶制造电视了。

之所以会存在使用寿命和可靠性方面的问题，主要是因为将直流电压加载到液晶上时，液晶材料及电极会发生氧化还原反应而变质。

虽然也可以采用交流电来驱动液晶，但是显示性能较差。

最终解决这一问题的是夏普公司。

该公司发现，如果在液晶材料中加入离子性杂质，使其导电率升高，就可以采用交流驱动获得良好的显示特性。

利用这项技术，1973年5月，夏普公司推出全球首款液晶应用产品——使用液晶显示屏作为显示部件的小型计算器EL-805。

夏普公司的液晶计算器上采用的液晶显示屏是由RCA公司生产的DSM(动态散射模式)液晶，而不是目前常见的TN(扭曲向列)模式液晶。

但是，要采用DSM制造液晶电视是很困难的，这是因为DSM的点阵显示扫描线在数量方面
存在一定的限制。

1971年出现的TN模式解决了这个问题。

TN液晶能起到快门的作用，通过使液晶分子在电场中移动，就可以控制光的开/关。

目前，几乎所有液晶显示屏都在采用这个工作原理。

虽然TN模式可使点阵显示的扫描线数量大为增加，但当扫描线增加到60条左右时，图像就会发生变形。

对于这个问题，最初找出原因并提出解决方案的是日立制作所的川上英昭。

他发现，扫描线的最大数量取决于电压-透过率曲线的上升沿。

于是，各机构开始竞相研究如何提高电压-透过率曲线的上升沿。

随之出现了将液晶的扭曲角从TN模式下的90度增大到270度的STN(超扭曲向列)模式。

1982年，英国皇家信号与雷达研究院(RSRE)发明了STN液晶。

1985年，瑞士Brown Boveri公司(BBC)试制出扫描线数量达到135条的STN 液晶显示屏。

然而，即使引入STN模式，还是很难制造液晶电视，这是因为STN液晶仍然存在对比度较低、很难显示细微灰阶的问题。

突破这一壁垒的，是通过TFT(薄膜场效应晶体管)来控制各像素的有源矩阵驱动技术。

与以往的单纯矩阵驱动不同，有源矩阵驱动技术可以独立控制各像素，从而防止因受到周围像素的影响而产生的交调失真，因此可以显示高对比度与细微灰阶。

技术竞争白热化
在液晶显示器市场刚开始启动的1998年，当时的夏普公司社长(现任董事长)町田胜彦的发言震惊了整个行业。

他表示：“到2005年，夏普在日本国内销售的电视将全部采用液晶屏。

”当时，液晶电视并未普及，在夏普公司内部对于彩色液晶屏也并没有十足的把握。

但是，这一句话成为液晶电视扫荡市场的导火索，那以后，液晶电视以超乎町田胜彦预想的惊人速度推广开来。

在此过程中，液晶与PDP(等离子)、SED(表面传导电子发射显示)等技术展开了激烈的竞争。

制造壁挂式电视的挑战变得具体化，TFT液晶面板与PDP面板的开发竞争可以追溯到“町田发言”3年之前的1995年。

当时，上世纪80年代后期从PC 市场撤出的PDP厂商纷纷宣布将涉足壁挂式电视业务。

30英寸~40英寸面板的开发成果在那时也相继发布。

PDP阵营主张“液晶面板的尺寸应在20英寸以下”，TFT液晶面板阵营则对此表示坚决反对。

例如，夏普于1995年将两张21英寸面板接在一起，开发出相当于28英寸的TFT液晶面板，表示出欲制造壁挂式电视的意图。

但在当时，无论是PDP面板还是TFT液晶面板，在显示性能上都明显不如CRT，制造成本也过高。

因此，两大阵营的初期目标都是要改善显示性能，力争接近CRT的水平。

TFT液晶面板与PDP的第二次交锋发生在2001年。

日立制作所推出了大大低于100万日元(约合7万元人民币)、实际售价为60多万日元(约合42000元人民币)的32英寸PDP电视，当时这款电视在市场上成为热销产品。

TFT 液晶面板阵营则致力于继续扩大面板尺寸，夏普公司推出30英寸的液晶电视。

在面板开发上，三星公司也发布了40英寸的试制面板。

但是，PDP与TFT液晶仍然无法完全取代CRT电视。

PDP在支持全高清与低功耗方面、TFT 液晶面板在响应速度等视频显示性能上都存在很大的挑战。

之后，两大阵营为了解决各自的问题而继续进行开发。

到2005年~2006年，又发生了第三次交锋。

这时两大阵营的电视画质都已得到大幅改善，各厂商纷纷开始加大投资。

2005年，在全球同步推出PDP电视的松下电器产业宣布将继续投资尼崎生产工厂(兵库县)。

TFT液晶面板阵营方面，夏普、三星以及中国台湾地区的厂商开始投资建设第7代与第8代工厂，扩大了电视面板的产量。

经过激烈的投资竞争之后，PDP阵营的厂商开始陆续撤退，到2008年只剩下三家公司。

自此，TFT液晶面板确立了电视领域的核心地位。

参与壁挂式电视开发竞争的不光是TFT液晶面板与PDP。

2004年，SED 面板高调宣布参与竞争。

佳能与东芝公司合资成立了SED公司，并发布了SED 电视业务计划。

但在2006年，SED电视的投产日期从最初计划的2006年春推迟到2007年第4季度。

到2007年，又由于专利许可的问题，公司宣布再次推迟SED电视的上市时间。

2007年，OLED取代SED加入开发竞争。

索尼公司推出11英寸的OLED 电视。

不过，由于大屏幕技术不够成熟，所以目前OLED电视尚处于开发之中。

OLED面板的量产始于1997年的小屏幕单色产品。

CRT与液晶面板从开始研发到市场正式启动为止都花了20年～30年的时间，所以，OLED面板能否形成气候还将取决于今后的开发情况。

壁挂式电视的后继者
显示器领域的技术人员一直以来都有三个梦想：壁挂式电视、3D显示器及电子纸。

壁挂式电视目前已经实现，松下等厂商已公布了下一步的开发方向，即嵌入墙壁的“墙面电视”。

今后，为了开发出更大的屏幕，必须进一步降低耗电量。

因此需要开发全新的显示原理，如不再采用导致光利用效率低下的偏光板与彩色滤光片。

3D显示器的关键在于开拓杀手级应用。

目前，在家庭影院及数字标牌(digital signage)领域已经出现了完全不同于现有2D显示器的全新收视方案。

电子纸方面则需要彻底改变此前以CRT为目标的开发策略。

纸的特点是薄、轻、可弯曲、可书写、视认性较好。

在进行开发之前，需要根据目标应用制定相应的开发策略。

3液晶显示技术应用
液晶显示
19世纪澳大利亚的植物学家弗里德里克首次发现了液晶。

此后不久德国
物理学家，奥托•莱曼发现了液晶的物理特性。

液晶几乎是透明的物质，它有着近乎在液体与固体之间的特性。

当液晶的
分子有秩序的排列在一起时它就呈现固体的特性，光线可以直接穿过它。

在60年代科学家们发现可以用通电的方式改变液晶分子的排列秩序，液晶材料就呈
现液体的性质。

这时液晶材料对光线穿透有抑制作用。

可以通过这种方法控制
液晶分子的透光率。

直到1971年中，液晶显示器才杀入这个领域。

今天液晶已经深入到了微型摄像机、数码相机、显示器等各种图像显示产品中。

很多人都相信LCD是最有希望的显示技术，它最终会代替CRT显示器。

因此相关的液晶技术也得到了大力发展，今天的产品已经不再像从前那样笨拙了，艳丽的色彩取代了单色黑白。

无疑超薄的平板屏幕技术被首先应用于笔记本和掌上电脑领域。

液晶显示原理
LCD可以说是一种光线传送技术。

其原理是通过一个有源滤波器来调整固定强度的背景光线穿过液晶，从而使液晶板上可以显示出不同的图形。

通过对白色光线的简单过滤，得到红、绿、蓝的基本原色，这就能构成显示的
基本元素——象素。

大多数液晶材料在自然状态下都是一种分子化合物。

液晶按照分子结构排列的不同分为三种：粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nematic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。

这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。

液晶分子会沿着一条中轴平行的排列。

为了可以控制分子的列队让他们保持一定的顺序，人们让液晶分子依附于更大一些的沟槽状板的表面。

液晶分子可以沿着沟槽滑动，在接触到沟槽的表面后会沿着沟槽的方向顺序排列。

因此如果沟槽之间紧密的平行，那么液晶分子的列队也可以紧密的平行。

LCD就像三明治一样，液晶夹在两块精细的沟槽板之间，两个沟槽的方向互相保持90度的垂直。

如果其中一个沟槽面板中的沟槽是按照南北方向并行排列的，那么与它相对应的另一快沟槽板中的沟槽就是按照东西方向并行排列的。

在两块沟槽板中的液晶层被强破扭曲为90度排列。

光线可以穿过分
子队列和被扭曲90度的液晶层。

此后美国无线电公司（RCA）发现电压可以作用于液晶。

电压可以使液晶分子重新排列，并且可以抑制某些光线的通过。

LCD显示图像需要依靠偏振滤光器和光源。

自然的光谱可以向任何的角度发散。

偏振滤光器可以简单
的控制光谱的发散方向。

当上下两个沟槽板表面之间呈一定的角度时，液晶随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。

结果便是这个扭曲了的螺旋状液晶层，使穿过它的光线也发生了扭曲。

如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的
方向进行排列，这样就会将某些波段光线的扭转。

如果将一个偏振滤光器放
置在液晶层的上表面，扭转的光线就可以被还原了，而没有发生扭转的光线
将被阻碍。

通过这一过程液晶屏幕便能把白色光线过滤成其他颜色，最终在
屏幕上呈现出艳丽的色彩。

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-SiTFT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。

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。

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（InPlaneSwitching面内开关型），Multidomain（多筹型），MAV（Multi-domeinVerticalAlign），OCB（OpticalCompensatedBendMode
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。

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。

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。

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。

4今后的发展方向
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。

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-SiTFT
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”。

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。