LCD液晶显示器的发展状况及应用前景

LCD液晶显示器的发展状况及应用前景

摘要：本文首先阐述了LCD的发展历程，对LCD行业发展的轨迹及未来的发展趋势进行探讨和研判，最后在前面大量分析、预测的基础上，研究了LCD行业今后的发展与投资策略，为LCD行业生产、贸易、经销等企业在激烈的市场竞争中洞察先机，根据市场需求及时调整经营策略，能够更好的把握现代竞争格局。

关键词： LCD TFT-LCD 显示器

引言

液晶显示器件(LCD)是本世纪初最有活力的电子产品之一。由于LCD具有低工作电压、微功耗、体积轻薄、适于LSI驱动、易于实现画面显示、全色显示性能优良等特点已被公认为是媒体时代的关键器件。

LCD的开发与发展大大扩展了显示器的应用范围，使显示便携化成为可能，应用个人化成现实目前LCD和CRT两大类产品在显示技术上已形成互补、共同发展的局面。据预测到2010年，全世界LCD的销售额将接近6930亿美元。近一、二十年来世界许多国家和地区都十分重视LCD产业的发展，加强了对LCD的投入。尽管现在在平板显示领域，将出现PDP、有机EL、FFD等强有力挑战者．LCD在今后相当长的一段时间里仍将是最重要的显示器件之一。

1 LCD应用发展历程

液晶的发现是由奥地利植物学家F·Reinetzer在一百年前完成的，然而长期以来并未给人类带来多少实用。直到20世纪60年代，几个年轻的电子学家才打破了沉寂。

1961年，美国RCA公司普林斯顿试验室有一个年轻电子学者F·Heimeier正在准备博士论文的答辩，他的专业是微波固体元件。他在这方面很有造诣。这天，他的一个朋友向他讲述了正在从事的有机半导体方面的研究，跨学科的课题引起了他的极大兴趣。他征求了导师的意见，在导师的支持、鼓励下，他毅然放弃了学有所成的专业领域，进入了一个他还知之甚少的新领域。他把电子学方面的知识应用于有机化学，很快便取得了成绩。不久，他对另一个新课题---激光又产生了兴趣，从而又与晶体打上了交道。为了研究外部电场对晶体内部电场的作用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视吗。兴奋的小组成员与他立即开始了夜以继日的研究，他们相继发现了液晶的动态散射和相变等一系列液晶的电光效应。并研制成功一系列数字、字符的显示器件，以及液晶显示的钟表、驾驶台显示器等实用产品。RCA公司对他们的研究极为重视，一直将其列为企业的重大机密项目，直到1968年，才在一项最新科技成果的广播报导中向世界报导。这一报导立刻引起了日本科技界、工业界的重视。日本将当时正在兴起的大规模集成电路与液晶相结合，以“个人电子化”市场为导向，很快开发了一系列商品化产品，打开了

液晶显示实用化的局面，掌握了主动，致使这一发展势头促成了日本微电子业的惊人发展。而在美国，RCA公司中一些生产间部门的领导人一方面局限于传统的半导体产品，一方面又过分强调了初出茅庐的液晶显示器件的缺点，以市场还未开拓为借口，极力抵毁液晶显示的产业化。为此，“液晶”小组成员开始外流，“液晶显示”的专利也被卖出。现代液晶显示模块具有低电压、微功耗、易彩色化、被动显示等特点, 其显示器种类非常繁多, 屏幕面积从几平方毫米到近一平方米, 液晶显示方式可分为直视式显示、投影显示及虚拟式显示。因而液晶显示应用几乎覆盖所有显示应用领域。尽管近几年来OL ED、PDP、FED 等显示技术发展很快, 呼声很高, 但2002 年度SID 会议论文统计表明,液晶显示方面论文仍占整个显示论文的40 % ,是OLED 论文的4倍多。20 年内液晶显示的主要应用分为四大类: a) 便携式显示:移动电话、PDA、电子书等; b) 车载显示: GPS、安全驾驶显示、多媒体显示等; c) 计算机显示: 笔记本电脑、监视器等;d) 家电和办公室显示: 电视、互联网络终端、电子报纸等。1990～2010 年平均年增长率为20 % ,到2010 年液晶显示器产值将超过10 兆日元(约800 亿美元) 。这些充分说明, 液晶显示是主流的显示技术, TFT-LCD 是主导的平板显示技术。

2 LCD材料发展趋势

LCD 技术的发展已历经两代，第一代技术以小型化、轻量化和薄型化为主攻方向，主要应用对象是笔记本电脑；第二代技术则以高亮度、高色再现性和宽视角为代表，主要应用领域是电视机和监视器。目前的发展阶段介于第二代和第三代之间，其技术开发的重点是：突破LCD 自身的各种局限性，提高其作为多媒体电视显示器的动画显示性能，并大力简化制造工艺以确保其在价格上具有竞争力。本文将对近期LCD 技术的一些主要动向做简要介绍。

2.1 宽视角技术

与现有的TN模式液晶相比，视角更宽的IPS（In-Plane Switching，平面内开关）和PVA （Patterned VerticalAlignment，图形化垂直校准）模式在性能上各有优劣（见表1）。为此，人们在开发过程中采取了各模式相互取长补短的做法。比P V A 视角更宽的IPS 在向超级IPS（Super-IPS）发展的同时引入了V形像素（Chevron Pixel）结构，消除了彩色偏移的不对称现象，并利用高电压驱动和小单元间隙（Cell Gap）改善了液晶响应速度；而在对比度比（C/R）和亮度方面优于IPS 的PVA 也通过采用V形像素结构压缩了黑色矩阵（BlackMatrix）的宽度，并减少了域（Domain）的数量，从而实现了高数值孔径和较快的响应速度。

2.2 液晶响应速度

对动画显示性能影响最大的因素就要算液晶的响应速度了。如果液晶的响应速度较慢，则在显示运动物体时就会出现图像的“拖曳”现象。而且，由于LCD 是电压保持型器件，因此图像边缘的模糊现象会变得愈发严重。为此，人们开发了多项旨在解决上述问题的技术，其中被业界广泛采用的方案有两种，一种是动态驱动（Dynamic Driving）方式，另一种是

过驱动（Overdriving）方式。当液晶在灰度等级之间变动时，由于是以低于接通/ 关断（On/Off）时的电压来进行驱动的，因而导致驱动（DrivingForce）减弱，这样，灰度等级间的响应速度比接通/ 关断时下降了3～5 倍。过驱动方式采用的是高于普通驱动电压的高电压，从而给液晶施加了更大的驱动力，以提高其响应速度。最近，人们提出了一种旨在改善液晶响应速度的新提案，名为OCB（OpticallyCompensated Birefringence，光补偿双折射）。与TN 方式不同，OCB 方式使上下板的取向平行，在将液晶的排列形态变为喇叭形之后，施加1.5～2V 的弯曲取向电压来形成弯曲状态。这样就消除了在“标准白”（Normally White）状态下进行驱动的TN 方式中常见的“黑色流效应”，并能够将液晶响应速度提升至5ms。

2.3 动画技术

不过，单凭响应速度的提高还不足以获得令人满意的动画质量，这是因为LCD 是保持型显示器件，它在传递下一帧图像之前将对目前显示的这一帧图像加以保持，所以当图像发生瞬变时就会引发画面模糊现象。为此，人们开发出了与CRT 相似的各种脉冲方式。

第一种是“黑帧插入”（BlackFrame Insertion）方式，其优点是能够有效地消除活动图像的模糊现象，但黑帧插入时间的增加会使画面亮度下降，导致液晶的响应时间必须短于帧周期的二分之一；第二种方式是背光灯闪烁（Blacklight Blinking），即使在液晶响应速度不高的情况下也能起到良好的画面模糊消除效果，但是，其缺点是会产生高达50% 的亮度降幅。因此，如需维持现有的亮度就必须增加背光灯的灯管电流，以提高背光灯的亮度；第三种方式是120Hz 驱动方式（即在60Hz 帧中插入黑帧），这种方法必须在原有的图像帧之间生成新的图像帧，因而需要开发新型低电阻配线材料和新型帧倒相（Frame Inversion）方式，以解决显示屏的充电问题。

2.4 色再现技术

在努力提高液晶的动画显示质量的同时，人们还在开发各种旨在表现丰富自然色的技术。色温、白平衡和γ校正等对于自然色的表现具有较大的影响。为此，研究人员在致力于改善色再现性和亮度的同时，还在尝试开发更加精巧的色表现技术，而且，相关技术的商用化也在加紧进行。目前，采用CCFL 和C/F（滤色器）实现的最佳色再现性为72%左右。为了进一步提高这一数值，正在开发一些新的技术。然而，当把现有的CCFL 和C/F作为基板时，色再现性每提高5% 就会导致亮度下降7%。因此，如何在尽量减小亮度下降幅度的情况下提高色再现性便成为了技术开发的关键所在。为此必须采用C/F 来遮断黄光的波长，以抑制光源的黄光强度。由此造成的亮度下降可通过优化C/F 和背光灯的光谱匹配来补偿。当采用LED 时，可通过缩减R、G、B 的波长范围来发出高色纯度的光，故色再现性有可能达到100% 以上。因此，人们正在加紧开发采用LED的背光源。通过采用精确彩色捕获（AccurateColor Capture，ACC）算法（即借助灰度等级变化来对灰度系数进行校正），可实现更加精巧的色表现性能。ACC 逻辑电路将8位256灰度等级的数据扩大至10 位数据之后，再通过帧频控制以8 位256级灰度显示。这样就能够利用灰度等级变化来缩小色坐标和色温的偏差，以实现