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一文了解LCD的關鍵技術和成本結構

d時間:2017-08-01   點擊量:1684

OFweek顯示網訊 上一章介紹了液晶的基本原理,除了液晶面板,LCD最重要的兩個關鍵技術是什么?本章要跟大家介紹液晶面板產業除了液晶面板以外最重要的兩個部件,背光模組與驅動電路IC模組,由于LED已經完全取代CCFL了,所以背光部分我們只介紹LED背光,驅動IC技術不是我的專長,我會盡量把我了解的部分100%傳授給大家,最后我還整理了LCD的成本結構與LCD的產業鏈,希望大家能夠用最輕松的心情了解最重要的顯示行業:LCD液晶顯示器。

液晶顯示器的光源(LCD light source)

液晶顯示器的背光種類

由于液晶分子本身不會發光,我們只是利用液晶分子「躺在玻璃上」或「站在玻璃上」來控制黑白而已,真正會發光的其實是發光二極管(LED)或冷陰極燈管(CCFL),我們稱為「光源(Source)」。

LED背光技術:

LED電視是通過發光二極管替代CCFL冷陰極熒光燈管,來實現更好的照明顯像效果。不過,LED背光發展至今也在不斷進化,所以主要用于三種類型,顯示效果也不盡相同。

圖一 三種不同的背光原理圖

a.直下式LED背光:

主要是在背光板上布滿LED燈,實現均勻的照明效果。特點在于畫質細膩,背光源可設置區域,也就是說所謂的“局部控光”技術,從而針對不同的顏色實現單獨處理。不過,這種背光技術會影響電視的厚度,所以一些以超薄為賣點的電視轉向另一種背光技術。

如圖一(a)所示,直下式背光源工藝簡單,不需要導光板,LED陣列置于燈箱底部,從LED發出的光經過底面和側面反射,再通過表面的擴散板和光學模組均勻射出。直下式背光源的厚度由燈箱底部和散射板的距離決定,通常厚度越厚,背光源的光均勻性就越好。在背光源較薄的情況下,色彩和亮度均勻性就成了直下式背光源的技術關鍵。LED燈的光場分布類型對背光源的色彩和亮度均勻性起著重要作用,背光源所用LED燈通常有朗伯型和邊發射型兩種,由于邊發射型LED 更有利于背光源的光均勻性,直下式背光源大都采用邊發射型LED。但是大角度邊發射LED由于其中間光強偏低,易造成暗斑,影響背光源的均勻性。

b.側入式LED背光:

非常容易理解,側入式LED背光是在液晶面板四周架設LED燈泡,照射到導光板后實現液晶屏照明。由于燈泡更少,所以運行電視廠商將電視機身設計得更加輕薄,市面上主流的超薄電視均采用這種技術。不過,由于一些先天缺陷,無法實現局部控光,顏色表現方面不及直下式那么出色。

如圖一(b)所示,側光式背光模塊即將點狀光源設置在經過特殊設計的導光板側邊作為背光源,使用LED顆數較少;而因光源置于導光板側邊,LED受顆數及亮度限制,仍需將光均勻分散整個平面上時,會形成當面板面積越大,光源輝度運用越有限。因LED背光源放在產品的側面,因此后面只需要添加導光板就可以液晶產品的外觀厚度可以做到很薄,比如索尼的ZX1系列,它就是采用側光式背光模塊。

c.量子點技術:

最近很流行的“量子點電視”,其實也是一種新型的背光技術。它的特色在于使用了納米晶體材質代替LED光源,實現更純凈、顏色還原更逼真的背光色彩,將液晶電視的顏色效果提升到可媲美OLED的水平。所以,采用量子點技術的液晶電視,也是目前市場中顯示效果最好、價格最昂貴的。

量子點技術是提升色域的新辦法。量子點由鋅、鎘、硒和硫原子構成,是晶體直徑在2-10納米之間的納米材料。由于它的光電特性獨特,受到光電刺激后,會根據量子點的直徑大小,發出各種不同顏色的非常純正的高質量單色光。基于這一特性,如果把量子點材料用在電視的背光源上,用藍色LED照射就能發出全光譜的光,從而對背光進行精細調節,進而大幅提升色域表現,讓色彩更加鮮明。

如圖一(c)所示,可以看出量子點技術也需要藍色LED的激發,進一步證明了藍色LED發明的重要性。量子點背光的并不復雜,將量子點制成薄膜,放置在藍色LED和液晶面板之間,這樣就可以有效的提升液晶面板的色域了。量子點本身體積就非常的小,因此量子點薄膜的厚度也是可以控制的很好,不會讓液晶顯示設備的厚度增加。

液晶顯示器的驅動方式

任何顯示器的屏幕表面都分布著密密麻麻的「像素(Pixel)」(例如:HDTV有1920×1080×200萬個像素),如果是彩色顯示器,則必須再將每一個像素切割成紅(R)、綠(G)、藍(B)三個「次像素(Sub pixel)」,當屏幕上顯示任何一個畫面時,必須分別控制RGB三個次像素不同的亮度, 才能讓每一個像素顯示出一種顏色,而200萬個像素分布在整個屏幕表面上,才能夠顯示出我們所要的畫面,而且每一秒鐘還要能夠快速地切換不同的顏色才能讓眼睛看成是連續的畫面。問題是:如何在這么短的瞬間控制屏幕上200萬個像素要「開」還是要「關」呢?答案大家必定耳熟能詳,就是使用「驅動集成電路(Driver IC)」。

液晶顯示器的主要電路結構如圖二所示,包括:

驅動IC:用來驅動每一個像素的開與關。

控制IC:用來傳送控制訊號。

圖像處理電路:通常包括數字信號處理器(DSP)、影像壓縮與解壓縮芯片等集成電路(IC)。

直流變壓電路:提供液晶顯示器所需要的直流與交流電壓。

液晶顯示器目前最常使用的驅動方法有「被動矩陣式」與「主動矩陣式」兩種,幾乎所有新型顯示器的驅動方法都是這兩種之中的一種:

圖二 液晶顯示器的電路結構。

被動矩陣式(Passive matrix)

「被動矩陣式(Passive matrix)」的液晶顯示器構造如圖三(a)所示,由圖中可以看出,前透明電極為水平掃描線,后透明電極為垂直掃描線,透明電極都是制作在玻璃的內側,可以接觸到液晶,所以通電以后可以讓液晶旋轉,我們可以想象成,當前透明電極的某一條水平掃描線有電壓,后透明電極的某一條垂直掃描線也有電壓,則兩條電極交叉的那個像素就會有電壓,如圖三(b)所示。

圖三 被動矩陣式(Passive Matrix)液晶顯示器的構造。

控制每一個像素的「開關電路」與驅動電路另外制作在電路板上,這種方式所制作出來的開關電路是直接使用「CMOS」制作在硅晶圓上,所以是屬于「單晶硅」所制作的開關,導電性較好,工作速度較快,但是,當驅動IC將每個像素要開還是要關的訊號送過來以后,還必須經過開關電路,再經由導線傳送到每個像素上,雖然電訊號在導線中傳輸的速度很快,但是在播放電視畫面的時候,每個像素必須在很短的時間內反應,所以這么一段短短的導線就足以造成畫面「延遲(Delay)」現象,看起來每個畫面都會有殘影,假設電視影片中有一個人跑過去,則會看到后面跟著一個影子跑過去。

被動矩陣式的液晶顯示器因為每個像素反應速度比較慢,不適合使用在可以觀看電視影片的顯示器上,所以只能使用在電子表、電子字典、手機、個人數字助理(PDA)、游戲機等電子產品上。

主動矩陣式(Active matrix)

「主動矩陣式(Active matrix)」的液晶顯示器構造如圖四(a)所示,由圖中可以看出,前透明電極為水平掃描線,后透明電極為垂直掃描線,在后透明電極的玻璃上方,每個像素還制作了「薄膜晶體管(TFT)」,透明電極都是制作在玻璃的內側,可以接觸到液晶,所以通電以后可以讓液晶旋轉,我們可以想象成,驅動電路將訊號直接送入每個像素,驅動薄膜晶體管進行開或關的動作,當某個像素的薄膜晶體管被打開,則這個像素立刻就會有電壓,當某個像素的薄膜晶體管被關閉,則這個像素立刻就沒有電壓,如圖四(b)所示。

圖四 主動矩陣式(Active Matrix)液晶顯示器的構造。

控制每一個像素的「開關」是直接制作在后玻璃基板上,稱為「薄膜晶體管(TFT)」,由于它就在每個像素的旁邊,當驅動IC將每個像素要開還是要關的訊號送過來以后可以立刻反應,所以速度很快,不會造成畫面「延遲(Delay)」現象,關于非晶與多晶的差別是屬于固體材料的結晶性質,后續會幫大家科普科普。

主動矩陣式的液晶顯示器因為每個像素反應速度比較快,適合使用在可以觀看電視影片的顯示器上,所以可以應用在個人計算機、筆記本電腦、液晶電視等電子產品上。

液晶顯示器的種類

一般我們都是將液晶顯示器依照產品應用分為四大類,包括:扭轉向列型-液晶顯示器(TN-LCD)、超扭轉向列型-液晶顯示器(STN-LCD)、薄膜晶體管-液晶顯示器(TFT-LCD)與低溫多晶硅-液晶顯示器(LTPS-LCD)等,其中TN與STN其實是液晶的種類,而TFT與LTPS是指開關組件的不同,由于早期的黑白液晶面板都是被動矩陣式,因此才會出現TN與STN這兩類,現在我們來介紹它們的差別。

扭轉向列型-液晶顯示器

扭轉向列型液晶(TN)分子會在兩片導電玻璃之間分成數層,每一層的液晶分子都會旋轉一個角度,而且第一層與最后一層液晶分子旋轉角度「小于90°」,如圖五(a)所示。扭轉向列型液晶(TN)的每一層分子旋轉的角度比較小,在化學的觀點上我們稱這種液晶分子的「能量較低,比較安定」,當我們外加電壓時,液晶會站在玻璃上,比較安定的TN分子就好像「躺在玻璃上的分子一樣,很安定很舒服」,所以受到外加電壓時反應比較慢,需要比較長的時間才能站在玻璃上,這種液晶顯示器的黑白反應速度比較慢。

優點:驅動電壓較低、耗電量較低、制作容易成本較低。

缺點:反應速度慢、有殘影發生,只適合做黑白顯示器。

應用:電子表、電子計算器、電子字典。

圖五 扭轉向列型液晶(TN)與超扭轉向列型液晶(STN)的定義。

超扭轉向列型-液晶顯示器

超扭轉向列型液晶(STN)分子會在兩片導電玻璃之間分成數層,每一層的液晶分子都會旋轉一個角度,而且第一層與最后一層液晶分子旋轉角度「大于90°(180°~240°)」,如圖五(b)所示。超扭轉向列型液晶(STN)的每一層分子旋轉的角度比較大,在化學的觀點上我們稱這種液晶分子的「能量較高,比較不安定」,當我們外加電壓時,液晶會站在玻璃上,比較不安定的STN分子就好像「半蹲在玻璃上的分子一樣,很不安定很不舒服」,所以受到外加電壓時反應比較快,立刻就站在玻璃上了,這種液晶顯示器的黑白反應速度比較快。

優點:反應速度較TN快、制作較TFT容易。

缺點:反應速度仍然不夠快、只適合做灰階或高彩顯示器。

應用:彩色手機、彩色個人數字助理(PDA)、數字相機。

薄膜晶體管-液晶顯示器

控制每一個像素的薄膜晶體管(TFT)是直接制作在玻璃上,我們使用化學氣相沉積(CVD)在玻璃上方成長一層非晶硅,再將薄膜晶體管(TFT)制作在非晶硅上方,因為玻璃基板是「非晶」所以制作在上面的開關也是「非晶」。由于玻璃的「轉化溫度(Trnasition temperature)」大約300°C,轉化溫度其實就是「軟化溫度」,也就是升溫到300°C時玻璃會開始軟化,所以制程溫度不能超過300°C,否則玻璃就軟掉了。在制程溫度低于300°C的條件下,使用化學氣相沉積(CVD)在玻璃上方制作「非晶硅」的薄膜晶體管(TFT),稱為「低溫非晶硅(Low temperature amorphous silicon)」,目前我們所稱呼的「薄膜晶體管-液晶顯示器(TFT-LCD)」都是使用低溫非晶硅制程。

優點:反應速度較STN快、可制作全彩顯示器。

缺點:薄膜晶體管制作困難、成本較STN高、非晶硅的導電性不佳所以驅動電壓較高、非晶硅的導電性不佳所以耗電量較高、非晶硅的薄膜晶體管較大所以開口率較低。

應用:全彩液晶顯示器、筆記本電腦、液晶電視。

低溫多晶硅-液晶顯示器

其實使用多晶硅制作的顯示器可以分為「高溫多晶硅(HTPS)」與「低溫多晶硅(LTPS)」兩種:

高溫多晶硅(HTPS:High Temperature Poly Silicon)?:

由于使用非晶硅制作的薄膜晶體管(TFT),導電性較差,工作速度較慢,如果我們希望增加工作速度,則必須使用「單晶硅」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長單晶硅,科學家們想出了一個好主意,就是使用「退火(Anneal)」的方式,先使固體材料的溫度升高,再緩慢冷卻形成多晶。如圖六(a)所示,我們將玻璃與「非晶硅薄膜」放進高溫爐中,升溫到600°C,再緩慢冷卻到室溫,就可以變成「多晶硅薄膜」,這種制程稱為「高溫多晶硅(HTPS)」。

由于玻璃的轉化溫度大約300°C,將玻璃升溫到600°C時玻璃會開始軟化,所以在高溫多晶硅(HTPS)制程不能使用玻璃作為基板,必須將導電玻璃的「玻璃(Glass)」換成「石英(Quartz)」才行,石英(Quartz)是「二氧化硅的單晶」,熔點高達1200°C,但是價格極高,而且尺寸愈大的石英,價格是成等比級數增加(和鉆石很像),所以高溫多晶硅(HTPS)不可能使用在低價的大尺寸液晶顯示器,早期都是使用在「液晶投影顯示器」內的高分辨率、小尺寸液晶面板,通常小于3吋而已,關于液晶投影顯示器將在后面詳細介紹。

低溫多晶硅(LTPS:Low Temperature Poly Silicon)?:

由上面的介紹不難發現,其實我們想要進行「退火(Anneal)」的部分只有薄膜晶體管(TFT)而已,將玻璃基板與薄膜晶體管整塊放進高溫爐中加熱其實是很笨的做法,大家不妨思考看看,有什么方法可以只加熱薄膜晶體管,卻可以使玻璃基板保持在低溫呢?聰明的科學家們發明了新的技術,稱為「激光退火(Laser anneal)」,如圖六(b)所示,將玻璃與「非晶硅薄膜」放進激光退火爐中,使用高能量的激光入射到透鏡,再聚焦到非晶硅薄膜上加熱,升溫到600°C,再緩慢冷卻到室溫,就可以變成「多晶硅薄膜」,而激光退火爐的下方有冷卻水管,可以將玻璃基板的溫度保持在300°C以下,怎么樣,這么簡單的方法你(妳)是不是也想到了呢?

優點:反應速度最快、多晶硅的導電性較佳所以驅動電壓較低、多晶硅的薄膜晶體管較小所以開口率較高。

缺點:激光退火技術尚未成熟,產品良率較低。

應用:全彩液晶顯示器、筆記本電腦、液晶電視。

圖六 高溫多晶硅(HTPS)與低溫多晶硅(LTPS)制程示意圖。

液晶顯示器產業(LCD industry)

液晶顯示器產業結構

液晶顯示器產業結構如圖七(a)所示,包括上游產業的液晶材料、光刻版、氧化銦錫(ITO)、偏光片、玻璃基板、濾光片、驅動IC、膠帶自動接合(TAB:Tape Automated Bonding)封裝、背光源、導光板、背光模塊等;中游產業的顯示面板組裝、顯示器模塊組裝等; 下游產業的液晶顯示器組裝等,上中下游產業的代表廠商如表一所示。

液晶顯示器材料成本

液晶顯示器的材料成本如圖七(b)所示,其中彩色濾光片占24%,偏光片占11%、背光模塊占17%、驅動IC占17%,只有這四項就占了液晶顯示器將近70%的材料成本,其中彩色濾光片與偏光片都與顯示器的尺寸有很大的關系,尺寸愈大,彩色濾光片與偏光片所使用的面積愈大,成本愈高。

圖七 液晶顯示器產業結構與材料成本。

表一 液晶顯示器的產業結構與代表廠商。

受惠于中國大陸對面板的巨大需求,LCD產業除了部分上游材料與下游的品牌,基本上已經是我們可以掌握的技術與產品,再過三年左右,LCD產業也許會跟LED產業一樣,成為中國大陸的囊中之物,再攻克LCD產業之后,下一個會是什么產業呢?

IC集成電路,中國大陸已經發起了進攻的號角!

大家拭目以待,不過時間會比較久,我估計要八年!


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