一文了解LCD的关键技术和成本结构

TFT-LCD--薄膜晶体管液晶显示屏

TFT-LCD可以做到高对比度、高速度、高亮度显示屏幕信息，这些都是人类一百年来的发展研究出来的，它的发展过程是怎样的呢？

TFT-LCD

1. 历史回顾

1888年，奥地利植物雪茄F.Reinitzer在观察植物结晶特性的过程中，发现了如果将温度上升到145℃时，结晶就会呈现白色状况，加热到172℃时那么呈现透明的状态，德国的一个物理学家O.Lehmann在研究之后把它命名为液晶，这就是液晶显示技术的开始

在驱动这方面，TFT-LCD主要经历了无源液晶显示和有源液晶显示的发展过程。

2. TFT-LCD的技术发展趋势

随着TFT-LCD在手机、笔记本电脑、电视、显示器以及工业设备显示器的广泛应用，最近几年发展趋势迅猛，已经受到了人们的关注。在TFT-LCD技术未来的发展趋势，主要表现在高解析度、宽视角、低成本、高亮度以及低功耗等一些方面。

2.1 高解析度

为了实现大面积的高解析度的液晶显示，一般都是需要采用高性能开关元件、低阻抗金属的材料以及高精细加工技术等的手段。现在研究和使用最多的材料就是铝。

1988年5月，IBM利用了A1-Nd合金来作为栅电极，开发出了16.3英寸的超高解析度（200ppi）a-Si TFT-LCD，并且已经实现批量生产。

1999年4月，东芝推出了20.8英寸16-SVGA（3200X2400）a-Si TFT-LCD，这个可以说是代表了a-Si TFT-LCD在高解析度和高容量方面的最高水平。

实现高解析度液晶显示的另外一种重要的途径是开发LTp-SiTFT 技术。就目前而言，已经发表的p-Si TFT-LCD产品的解析度一般都是在200ppi左右的。和a-Si TFT-LCD相比，LT p-Si TFT-LCD具有比较小体积的博膜晶体管以及储存电容器，正是因为如此，它每一英寸都具有更强大的穿透区，从而就有了更亮的显示画面，而且更省电。

2.2 宽视角

可视视角是指可以刚好看到对比度CR≥10的画面时，视线与垂直屏幕的平面之间的夹角。跟随着液晶屏的显示技术不断发展，宽视角模式现在已经成为业界追求的目标。就目前来讲，主流的TFT-LCD宽视角技术主要有：VA、TN+Film、IPS以及FFS等技术。

1973年，美国的R A Soref首次提出了IPS模式的横向电场驱动观念。

1992年，德国的G Baur指出IPS有利于改善LCD的视角特性。

1995年，日立公司的M Oh-e等开始研究将IPS应用到TFT-LCD面板，并且在次年成功开发出第一块IPS面板产品，拉开了IPS技术广泛应用的序幕。

1997年，S.Aratani等提出了S-IPS模式，很大程度改善了色差的问题，从而使得S-IPS成为了具有低色差、广视角的优越宽视角技术。

2003年，Y. Nakayoshi等开发出了搭载AS-IPS技术的液晶面板，可以使S-IPS的穿透率提升大概30%。

2006年，我国台湾瀚宇彩晶公司的林俊雄等在AS-IPS的基础上，成功开发出了AS-NOOC的IPS面板，光透过率比AS-IPS提升了大概10.8%，视角超过了176°，同时还具有更低的成本，更佳的色彩，稳定性等优异性能。目前，IPS模式已经成为了TFT-LCD实现宽视角效果最好的模式之一。

2.3 低成本

一般情况下，减低成本已经成为众多企业赖以生存的重要法则，所以减少掩模板数量，提升基台产能，增大玻璃基板尺寸，提升基台产能和产品良率以及采购就近原材料等方式，是大部分TFT-LCD生产企业不断努力的方向。

玻璃基板是生产薄膜晶体管 液晶显示屏（TFT-LCD）重要的原材料，成本约占到总成本的15%~18%，经历了短短二十年的视角，从第一代线（300mmX400mm）已经发展到了现在的第十代线（2,850mmX3,050mm）。

TFT生产技术的核心就是光刻工艺，它又是决定产品质量的重要环节，还是影响产品成本的关键部分。而TFT生产工艺从前期的8掩模板或7掩模板光刻工艺发展到了现在普遍采用的5掩模板或4掩模板光刻工艺，大大的缩减了TFT-LCD的生产周期和生产的成本。近年来，LGD和三星等韩国企业在3掩模板光刻工艺的开发上面取得了突破性的进展，并且已经实现量产，但是因为3掩模板工艺技术难度大、良品率低，现在还在进一步的完善和发展中。

2.4 高亮度

液晶显示屏自身本是非发光性器材，所以在暗处不便于使用，为了提高它的易见性，需要借助背光源从背面均匀的照射显示面。然而，通过增强背光源的亮度提高TFT-LCD显示画面的亮度可能付出的代价较高，从而通过提高光透率才是目前液晶显示产业的一个重要的发展发向。现在在液晶面板生产中，一般是通过提高像素的开口率，采用低阻抗总线、高穿透率偏光片以及CF on Array等方式，都可实现TFT-LCD高亮度的要求。

2.5 低功耗

2008年5月，C.C.Lai等提出了自适性调节技术，通过背光模组的自适性调节算法可以是背光源的功耗减低31%，同时还可以提高图像对比度20.75%左右，是一种很有效降低TFT-LCD功耗的方法。

2008年10月，叶强等设计出了一种采用双重自适应补偿的低静态电流的低压差线性稳压器（LDO），试验表明了这种补偿的方法几乎不需要消耗额外的电流，因此极其的适合TFT-LCD低功耗的设计要求。

一、LCD内部结构组成

LCD 面板就是成千上万个排列整齐的TFT device及控制液晶的ITO线路区域组成，TFT device排列简图如下：

TFT Device排列简图

二、TFT工作原理

TFT元件的动作类似一个开关(Switch)，液晶元件的作用类似一个电容，藉Switch的ON/OFF对电容储存的电压值进行更新/保持：

a、SW ON时信号写入(加入、记录)在液晶电容上，在以外时间 SW OFF，可防止信号从液晶电容泄漏。

b、在必要时可将保持电容与液晶电容并联，以改善其保持特性。

LCD TFT工作原理示意图

三、TFT结构

TFT为一三端子元件，在LCD的应用上可将其视为一个开关

TFT结构图

LED背光技术

LED电视是通过发光二极管替代CCFL冷阴极荧光灯管，来实现更好的照明显像效果。不过，LED背光发展至今也在不断进化，所以主要用于三种类型，显示效果也不尽相同。

图一 三种不同的背光原理图

a．直下式LED背光：

主要是在背光板上布满LED灯，实现均匀的照明效果。特点在于画质细腻，背光源可设置区域，也就是说所谓的“局部控光”技术，从而针对不同的颜色实现单独处理。不过，这种背光技术会影响电视的厚度，所以一些以超薄为卖点的电视转向另一种背光技术。

如图一（a）所示，直下式背光源工艺简单，不需要导光板，LED阵列置于灯箱底部，从LED发出的光经过底面和侧面反射，再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。直下式背光源的厚度由灯箱底部和散射板的距离决定，通常厚度越厚，背光源的光均匀性就越好。在背光源较薄的情况下，色彩和亮度均匀性就成了直下式背光源的技术关键。LED灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用，背光源所用LED灯通常有朗伯型和边发射型两种，由于边发射型LED 更有利于背光源的光均匀性，直下式背光源大都采用边发射型LED。但是大角度边发射LED由于其中间光强偏低，易造成暗斑，影响背光源的均匀性。

b．侧入式LED背光：

非常容易理解，侧入式LED背光是在液晶面板四周架设LED灯泡，照射到导光板后实现液晶屏照明。由于灯泡更少，所以运行电视厂商将电视机身设计得更加轻薄，市面上主流的超薄电视均采用这种技术。不过，由于一些先天缺陷，无法实现局部控光，颜色表现方面不及直下式那么出色。

如图一（b）所示，侧光式背光模块即将点状光源设置在经过特殊设计的导光板侧边作为背光源，使用LED颗数较少；而因光源置于导光板侧边，LED受颗数及亮度限制，仍需将光均匀分散整个平面上时，会形成当面板面积越大，光源辉度运用越有限。因LED背光源放在产品的侧面，因此后面只需要添加导光板就可以液晶产品的外观厚度可以做到很薄，比如索尼的ZX1系列，它就是采用侧光式背光模块。

c．量子点技术：

最近很流行的“量子点电视”，其实也是一种新型的背光技术。它的特色在于使用了纳米晶体材质代替LED光源，实现更纯净、颜色还原更逼真的背光色彩，将液晶电视的颜色效果提升到可媲美OLED的水平。所以，采用量子点技术的液晶电视，也是目前市场中显示效果最好、价格最昂贵的。

量子点技术是提升色域的新办法。量子点由锌、镉、硒和硫原子构成，是晶体直径在2－10纳米之间的纳米材料。由于它的光电特性独特，受到光电刺激后，会根据量子点的直径大小，发出各种不同颜色的非常纯正的高质量单色光。基于这一特性，如果把量子点材料用在电视的背光源上，用蓝色LED照射就能发出全光谱的光，从而对背光进行精细调节，进而大幅提升色域表现，让色彩更加鲜明。

如图一（c）所示，可以看出量子点技术也需要蓝色LED的激发，进一步证明了蓝色LED发明的重要性。量子点背光的并不复杂，将量子点制成薄膜，放置在蓝色LED和液晶面板之间，这样就可以有效的提升液晶面板的色域了。量子点本身体积就非常的小，因此量子点薄膜的厚度也是可以控制的很好，不会让液晶显示设备的厚度增加。

液晶显示器的驱动方式

任何显示器的屏幕表面都分布着密密麻麻的「像素（Pixel）」（例如：HDTV有1920×1080×200万个像素），如果是彩色显示器，则必须再将每一个像素切割成红（R）、绿（G）、蓝（B）三个「次像素（Sub pixel）」，当屏幕上显示任何一个画面时，必须分别控制RGB三个次像素不同的亮度， 才能让每一个像素显示出一种颜色，而200万个像素分布在整个屏幕表面上，才能够显示出我们所要的画面，而且每一秒钟还要能够快速地切换不同的颜色才能让眼睛看成是连续的画面。

液晶显示器的主要电路结构如图二所示，包括：

驱动IC：用来驱动每一个像素的开与关。

控制IC：用来传送控制讯号。

图像处理电路：通常包括数字信号处理器（DSP）、影像压缩与解压缩芯片等集成电路（IC）。

直流变压电路：提供液晶显示器所需要的直流与交流电压。

液晶显示器目前最常使用的驱动方法有「被动矩阵式」与「主动矩阵式」两种，几乎所有新型显示器的驱动方法都是这两种之中的一种：

图二液晶显示器的电路结构。

被动矩阵式（Passive matrix）

「被动矩阵式（Passive matrix）」的液晶显示器构造如图三（a）所示，由图中可以看出，前透明电极为水平扫描线，后透明电极为垂直扫描线，透明电极都是制作在玻璃的内侧，可以接触到液晶，所以通电以后可以让液晶旋转，我们可以想象成，当前透明电极的某一条水平扫描线有电压，后透明电极的某一条垂直扫描线也有电压，则两条电极交叉的那个像素就会有电压，如图三（b）所示。

图三被动矩阵式（Passive Matrix）液晶显示器的构造。

控制每一个像素的「开关电路」与驱动电路另外制作在电路板上，这种方式所制作出来的开关电路是直接使用「CMOS」制作在硅晶圆上，所以是属于「单晶硅」所制作的开关，导电性较好，工作速度较快，但是，当驱动IC将每个像素要开还是要关的讯号送过来以后，还必须经过开关电路，再经由导线传送到每个像素上，虽然电讯号在导线中传输的速度很快，但是在播放电视画面的时候，每个像素必须在很短的时间内反应，所以这么一段短短的导线就足以造成画面「延迟（Delay）」现象，看起来每个画面都会有残影，假设电视影片中有一个人跑过去，则会看到后面跟着一个影子跑过去。

被动矩阵式的液晶显示器因为每个像素反应速度比较慢，不适合使用在可以观看电视影片的显示器上，所以只能使用在电子表、电子字典、手机、个人数字助理（PDA）、游戏机等电子产品上。

主动矩阵式（Active matrix）

「主动矩阵式（Active matrix）」的液晶显示器构造如图四（a）所示，由图中可以看出，前透明电极为水平扫描线，后透明电极为垂直扫描线，在后透明电极的玻璃上方，每个像素还制作了「薄膜晶体管（TFT）」，透明电极都是制作在玻璃的内侧，可以接触到液晶，所以通电以后可以让液晶旋转，我们可以想象成，驱动电路将讯号直接送入每个像素，驱动薄膜晶体管进行开或关的动作，当某个像素的薄膜晶体管被打开，则这个像素立刻就会有电压，当某个像素的薄膜晶体管被关闭，则这个像素立刻就没有电压，如图四（b）所示。

图四主动矩阵式（Active Matrix）液晶显示器的构造。

控制每一个像素的「开关」是直接制作在后玻璃基板上，称为「薄膜晶体管（TFT）」，由于它就在每个像素的旁边，当驱动IC将每个像素要开还是要关的讯号送过来以后可以立刻反应，所以速度很快，不会造成画面「延迟（Delay）」现象。

主动矩阵式的液晶显示器因为每个像素反应速度比较快，适合使用在可以观看电视影片的显示器上，所以可以应用在个人计算机、笔记本电脑、液晶电视等电子产品上。

多晶硅－液晶显示器

其实使用多晶硅制作的显示器可以分为「高温多晶硅（HTPS）」与「低温多晶硅（LTPS）」两种：

高温多晶硅（HTPS：High Temperature Poly Silicon）：

由于使用非晶硅制作的薄膜晶体管（TFT），导电性较差，工作速度较慢，如果我们希望增加工作速度，则必须使用「单晶硅」最好，不幸的是，由于玻璃本身是非晶，因此不可能在非晶的玻璃基板上成长单晶硅，科学家们想出了一个好主意，就是使用「退火（Anneal）」的方式，先使固体材料的温度升高，再缓慢冷却形成多晶。如图六（a）所示，我们将玻璃与「非晶硅薄膜」放进高温炉中，升温到600°C，再缓慢冷却到室温，就可以变成「多晶硅薄膜」，这种制程称为「高温多晶硅（HTPS）」。

由于玻璃的转化温度大约300°C，将玻璃升温到600°C时玻璃会开始软化，所以在高温多晶硅（HTPS）制程不能使用玻璃作为基板，必须将导电玻璃的「玻璃（Glass）」换成「石英（Quartz）」才行，石英（Quartz）是「二氧化硅的单晶」，熔点高达1200°C，但是价格极高，而且尺寸愈大的石英，价格是成等比级数增加（和钻石很像），所以高温多晶硅（HTPS）不可能使用在低价的大尺寸液晶显示器，早期都是使用在「液晶投影显示器」内的高分辨率、小尺寸液晶面板，通常小于3吋而已。

低温多晶硅（LTPS：Low Temperature Poly Silicon）：

由上面的介绍不难发现，其实我们想要进行「退火（Anneal）」的部分只有薄膜晶体管（TFT）而已，将玻璃基板与薄膜晶体管整块放进高温炉中加热其实是很笨的做法，大家不妨思考看看，有什么方法可以只加热薄膜晶体管，却可以使玻璃基板保持在低温呢？聪明的科学家们发明了新的技术，称为「激光退火（Laser anneal）」，如图六（b）所示，将玻璃与「非晶硅薄膜」放进激光退火炉中，使用高能量的激光入射到透镜，再聚焦到非晶硅薄膜上加热，升温到600°C，再缓慢冷却到室温，就可以变成「多晶硅薄膜」，而激光退火炉的下方有冷却水管，可以将玻璃基板的温度保持在300°C以下。

优点：反应速度最快、多晶硅的导电性较佳所以驱动电压较低、多晶硅的薄膜晶体管较小所以开口率较高。

图六高温多晶硅（HTPS）与低温多晶硅（LTPS）制程示意图。

液晶显示器产业结构

液晶显示器产业结构如图七（a）所示，包括上游产业的液晶材料、光刻版、氧化铟锡（ITO）、偏光片、玻璃基板、滤光片、驱动IC、胶带自动接合（TAB：Tape Automated Bonding）封装、背光源、导光板、背光模块等；中游产业的显示面板组装、显示器模块组装等； 下游产业的液晶显示器组装等。

液晶显示器材料成本

液晶显示器的材料成本如图七（b）所示，其中彩色滤光片占24％，偏光片占11％、背光模块占17％、驱动IC占17％，只有这四项就占了液晶显示器将近70％的材料成本，其中彩色滤光片与偏光片都与显示器的尺寸有很大的关系，尺寸愈大，彩色滤光片与偏光片所使用的面积愈大，成本愈高。

液晶显示器产业结构与材料成本。