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一文了解LCD的关键技术和成本结构

浏览次数: 日期:2017-10-12 09:57:20

本章要跟大家介绍液晶面板产业除了液晶面板以外最重要的两个部件,背光模组与驱动电路IC模组,由于LED已经完全取代CCFL了,所以背光部分我们只介绍LED背光,驱动IC技术不是我的专长,我会尽量把我了解的部分100%传授给大家,最后我还整理了LCD的成本结构与LCD的产业链,希望大家能够用最轻松的心情了解最重要的显示行业:LCD液晶显示器。

液晶显示器的光源(LCD light source)

液晶显示器的背光种类

由于液晶分子本身不会发光,我们只是利用液晶分子「躺在玻璃上」或「站在玻璃上」来控制黑白而已,真正会发光的其实是发光二极管(LED)或冷阴极灯管(CCFL),我们称为「光源(Source)」。

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。问题是:如何在这么短的瞬间控制屏幕上200万个像素要「开」还是要「关」呢?答案大家必定耳熟能详,就是使用「驱动集成电路(Driver IC)」。

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「被动式」与「主动式」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,关于非晶与多晶的差别是属于固体材料的结晶性质,后续会帮大家科普科普。

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。

液晶显示器的种类

一般我们都是将液晶显示器依照产品应用分为四大类,包括:扭转向列型-液晶显示器(TN-LCD)、超扭转向列型-液晶显示器(STN-LCD)、薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)与低温多晶硅-液晶显示器(LTPS-LCD)等,其中TN与STN其实是液晶的种类,而TFT与LTPS是指开关组件的不同,由于早期的黑白液晶面板都是被动矩阵式,因此才会出现TN与STN这两类,现在我们来介绍它们的差别。

扭转向列型-液晶显示器

扭转向列型液晶(TN)分子会在两片导电玻璃之间分成数层,每一层的液晶分子都会旋转一个角度,而且第一层与最后一层液晶分子旋转角度「小于90°」,如图五(a)所示。扭转向列型液晶(TN)的每一层分子旋转的角度比较小,在化学的观点上我们称这种液晶分子的「能量较低,比较安定」,当我们外加电压时,液晶会站在玻璃上,比较安定的TN分子就好像「躺在玻璃上的分子一样,很安定很舒服」,所以受到外加电压时反应比较慢,需要比较长的时间才能站在玻璃上,这种液晶显示器的黑白反应速度比较慢。

优点:驱动电压较低、耗电量较低、制作容易成本较低。

缺点:反应速度慢、有残影发生,只适合做黑白显示器。

应用:电子表、电子计算器、电子字典。

图五 扭转向列型液晶(TN)与超扭转向列型液晶(STN)的定义。

超扭转向列型-液晶显示器

超扭转向列型液晶(STN)分子会在两片导电玻璃之间分成数层,每一层的液晶分子都会旋转一个角度,而且第一层与最后一层液晶分子旋转角度「大于90°(180°~240°)」,如图五(b)所示。超扭转向列型液晶(STN)的每一层分子旋转的角度比较大,在化学的观点上我们称这种液晶分子的「能量较高,比较不安定」,当我们外加电压时,液晶会站在玻璃上,比较不安定的STN分子就好像「半蹲在玻璃上的分子一样,很不安定很不舒服」,所以受到外加电压时反应比较快,立刻就站在玻璃上了,这种液晶显示器的黑白反应速度比较快。

优点:反应速度较TN快、制作较TFT容易。

缺点:反应速度仍然不够快、只适合做灰阶或高彩显示器。

应用:彩色手机、彩色个人数字助理(PDA)、数字相机。

薄膜晶体管-液晶显示器

控制每一个像素的薄膜晶体管(TFT)是直接制作在玻璃上,我们使用化学气相沉积(CVD)在玻璃上方成长一层非晶硅,再将薄膜晶体管(TFT)制作在非晶硅上方,因为玻璃基板是「非晶」所以制作在上面的开关也是「非晶」。由于玻璃的「转化温度(Trnasition temperature)」大约300°C,转化温度其实就是「软化温度」,也就是升温到300°C时玻璃会开始软化,所以制程温度不能超过300°C,否则玻璃就软掉了。在制程温度低于300°C的条件下,使用化学气相沉积(CVD)在玻璃上方制作「非晶硅」的薄膜晶体管(TFT),称为「低温非晶硅(Low temperature amorphous silicon)」,目前我们所称呼的「薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)」都是使用低温非晶硅制程。

优点:反应速度较STN快、可制作全彩显示器。

缺点:薄膜晶体管制作困难、成本较STN高、非晶硅的导电性不佳所以驱动电压较高、非晶硅的导电性不佳所以耗电量较高、非晶硅的薄膜晶体管较大所以开口率较低。

应用:全彩液晶显示器、笔记本电脑、液晶电视。

低温多晶硅-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,关于液晶投影显示器将在后面详细介绍。

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,怎么样,这么简单的方法你(妳)是不是也想到了呢?

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。

缺点:激光退火技术尚未成熟,产品良率较低。

应用:全彩液晶显示器、笔记本电脑、液晶电视。

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(LCD industry)

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,上中下游产业的代表厂商如表一所示。

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。

图七 液晶显示器产业结构与材料成本。

 

受惠于中国大陆对面板的巨大需求,LCD产业除了部分上游材料与下游的品牌,基本上已经是我们可以掌握的技术与产品,再过三年左右,LCD产业也许会跟LED产业一样,成为中国大陆的囊中之物,再攻克LCD产业之后,下一个会是什么产业呢?