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液晶显示(LCD)已在平板显示(FPD)器件中居统治地位，并且在一些显示应用领域内有逐步取代阴极射线管(CRT)的趋势。这主要得益于LCD器件在分辨率、对比度、响应速率等方面性能的提高。?
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??前 言
??平板显示(FPD)技术是显示技术发展的方向，而在FPD技术中，液晶显示目前又占据着统治地位。LCD器件1999年的世界市场销售额为当年世界FPD器件销售总额的87.3%。LCD器件自进入市场后，其销售额逐年上升，特别是近几年上升得更快。例如，2000年LCD器件的世界市场销售额较1999年提高了31%，达到了203.7亿美元，而2001年LCD器件的世界市场销售额将比2000年的再提高24.5%，达到55.6亿美元。LCD器件世界市场销售额的逐年增长主要得益于LCD技术的不断发展。在这发展中，LCD器件的性能日益提高，使之更加能够满足人们对显示技术不断增长的要求。
??在LCD器件中，有源矩阵式LCD(AMLCD)占有统治地位，例如在1999年151亿美元的LCD世界市场销售额中，AMLCD就占了113亿美元。所以LCD技术的进步主导面是AMLCD技术的进步。AMLCD近年来的技术进步的目的在于进一步提高其在分辨率、对比度、响应时间及视角等方面的性能。下文将分别对比作介绍。??【www.fpdclub.net】
??提高分辨率
??在LCD初问世时，其分辨率远不如阴极射线管(CRT)，但经过不断努力，现已达到了与CRT相当的水平；特别是近几年来，LCD分辨率提高的尤为迅速。例如，LCD中的先进品种半导体薄膜晶体管LCD(TFT-LCD)的分辨率在7年中经由CGA(320×200象素)、VGA(640×480象素)、SVGA(800×600象素)、XGA(1024×768象素)、SXGA(1280×1024象素)发展到了目前的UXGA(1600×1200象素)的水平。预计到2003年，分辨率达QXGA(2560×2048)象素水平的LCD器件也将投产。其它如超扭曲LCD(STN-LCD)的分辨率也已达到了XGA级的水平。?
LCD分辨率的迅速提高得益于许多新技术、新工艺的应用。日本夏普公司利用滤色器技术，开发出了具有1920象素水平的LCD产品。美国Nase等人利用低温p-Si TFT周边电路集成技术，研制成了周边驱动电路集成一体的28cm屏对角线的TFT-LCD器件；其分辨率为170dpi(每英寸象素数)相当于UXGA的水平。
采用低温多晶硅(p-Si)技术是提高LCD分辨率的有效方法之一。因为多晶硅的迁移率要比a-Si大1～2个数量级。用准分子激光退光法可使a-Si(非晶硅)在玻璃基底上重结晶，形成p-Si，从而使该液晶屏能与周边电路集成于一体，简化了工艺并降低了水平，实现了高分辨率显示。目前用p-Si材料制成的LCD器件已达到了150dpir的水平，不久还将有300-600dpi的超高分辨率LCD问世。特别值得一提的是最近开发出的具有铝门光阀以及IZQ(掺铜氧化锌)结构的高分辨率有源矩阵a-Si:H TFT-LCD技术。
这种技术最先是由韩国三星公司以及日本NEC与OSI公司提出的返回通道截取型铝门衰减网工艺。在该工艺中，象素电极图形是通过透明导电层延伸形成的，并且采用了铝门光阀结构，取得了UXGA级的分辨率。
??在上述工艺基础上，日本H·Kwoshita等人开发了具有铝门光阀以及120结构的高分辨率有源距阵a-Si:H的TFT-LCD工艺。在该工艺中，他们利用铝门线以及120延伸工艺，制成了16.3英寸的QXGA级分辨率(200dpi)TFT-LCD器件样品。样品中，以铝合金作为门金属，并以120作为导电层；因而在制作中不仅避免了微突起，并且可以在进行刻蚀时做到不损坏铝门光阀。
??在以本工艺制成的TFT-LCD器件中，铝门金属层能够改善门脉冲的波形。其象素的TFT长宽比为10Jμm:8μm,完全适应了6μm的门线脉冲宽度。本器件的数据金属线宽为5μm,在线与线的交叉点上为7μm。门金属与数据金属线的连接是通过压合120实现的。
??在实施本工艺时，控制TFT通道的长度对于获得高分辨率及高显示信息量是十分重要的。本工艺所制造的TFT通道长度是由前面及背面曝光与铝门金属部件尺寸所决定的。将前面与背面的曝光结合进行，有助于对TFT门的自动校准。图1是在TFT下面的门金属宽度和TFT通道长度与门金属刻蚀面分比间的关系，图2是以本工艺制作之LCD器件的TFT电气特性。除了本工艺外，尚有铝基合金(如：铝-铜、铝-硅、铝-硅铜、铝-钽、铝-钕、铝-钛等)门技术与表层金属(如钼/铝/钼、铬/铝/铬、钛/铝/钛等)技术；它们均有益于提高LCD的分辨率，但其效果不如本工艺的铝门光阀及IZO结构技术，故不在此赘述。
??日本M.Hasegawa等人于1999年，成功地制成了4英寸反射堆积交叉宾主效应TFT-LCD，其分辨率达到了320dpi。这种TFT-LCD器件有两个互相正交的层状结构，被称之为宾主层，同时还具有液晶分子校准结构。图3与图4是堆积交叉宾主显示单元以及液晶分子校准部件的结构。
??制作交叉堆积宾主效应TFT-LCD的主要工艺步骤为：
??(1)在上玻璃基底涂有的ITO(氧化铟锡)面与下玻璃基底制有的a-Si:H TFT阵列(以四步网工艺制造)面之间，沉积一层光敏丙烯酸树脂隔离层图案，用于支持两基底间的多聚膜层，将器件分为厚度相等的上下两部分。隔离层厚度为2.5μm；?
??(2)在上下基底间制备厚度为1.3μm的多聚膜层，以作为介电基底的电容。多聚物是以旋涂法涂复在上下玻璃基底的ITO面与a-Si:H TFT阵列面之间以及隔离层两边的；?
??(3)在玻璃基底边缘配置以环氧树脂，并在基底两边涂复多聚膜，用于校准该膜轴与液晶分子排列的方向，以便使它们平行或垂直。?
??(4)以传统真空技术注入液晶材料。?
以本技术制成的反射式TFT-LCD器件的孔率为71%，象素尺寸为80×80μm，分辨率为320dpi。此外，在器件内面还涂有能提高光反射率的扩散层。??
??改进对比度
??改进对比度，对于反射式LCD器件尤为重要。反射式LCD的最终目标是要取代印刷品，因而改进对比度是反射式LCD技术研究中最为活跃的领域之一。为了改进对比度，目前已开发出了TN-ECB(扭曲-电控双折射)模式，混合排列TN模式，反射式模式等LCD器件。现在开发的重点是改1枚偏振片器件为无偏振片器件，并对光学部件改进。D·Ling等人的在液晶屏内形成斜微反射面的方法实现了20：1的对比度。
??在本文前一节中所述的4英寸反射堆积交叉宾主式FFT-LCD中所采用的那些技术也有助于提高对比度；该器件的对比度为8：1，已超过了印刷品的对比度。【www.fpdclub.net】
??在改进LCD器件的对比度方面，美国P.P.Muhoray等人推出了波导基LCD(WGLCD)技术，并利用这种技术实现了174：1的高对比度。
??WGLCD的原理是液晶层与一基底间的的内部反射，而不是各偏振极间的双折射。图5是WGLCD器件的基本结构与工作原理。在WGLCD器件中，具有边缘光的波导层被用于背光源与基底部件。WGLCD器件是由11个部件组成的。在不施加电压的情况下，液晶与波导层的界面维持内部反射，光线在波导器内传播；而在施加了电压后，当象素被驱动至ON(开)状态时，该象素就不再内部反射，因而光线漏入液晶层，并由此到达散射层，向不同方向散射(这有助于加宽视角)。在波导层内，P型与S型偏振光均可传播。由于波导层内制有光再循环元件--1／4入射光波长极与镜面极，因此WGLCD的对比度能达到174：1的水平，并且其光效也高。
??拓宽视角
??由于液晶材料是各向异性的，其分子排列的取向及在电场作用下的重新排列取向均会影响LCD器件视角的拓宽，这就造成了LCD器件视角上的缺点。
??为了拓宽LCD器件的视角，各LCD研制厂家进行了长时间多方面的研究，推出了扩大视角的方法；例如光学膜补偿法、工作补偿亮度法(OCB)等，其中在技术上较为先进的有IPS(平面驱动)法、MVA(多畴垂直排列)法与ASM(轴对称取向排列)法。
??IPS法
??IPS法是利用液晶分子在施加电压的电场中，其扭动方向在平行于基底的平面内，从而使光线在通过液晶层时受到的双折射与关(OFF)状态时的内部双折射类似的性质。图6是本方法的原理图。采用这种方法，可以使LCD器件的视角达到±70°。但是这种方法也有孔率低，驱动电压偏高，显示时，画面有一定色移的缺点。
??MVA法
??这种方法的原理是：利用每个象素点上形成多个液晶分子取向方向(倾斜方向)不同的畴的措施来改善由于单畴而造成的各向异性过强，从而导致LCD器件视角过小的状况。这种方法可以通过器件取向层掩膜摩擦、光柱取向、凸出基底结构等手段加以实施。图7是采用凸出基底手段实现本方法的原理图，其工艺过程分为以下几步：
??(1)在玻璃基底上制出突出于基底的沟槽；?
??(2)沟槽上涂复垂直排列的取向层；?
??(3)注入负性液晶材料，这些材料在注入后，其分子排列的取向会与沟槽垂直。
??图8是在TFT阵列基底和彩色滤光膜极上一个象素区域内的V形突出槽，它构成了一个四畴排列(DCD、BAB)。采用MVA法可以获得±80°的视角；此外，还能得到300：1的对比度与25ms以下的响应时间。?
??ASM法
??这种方法主要是采用了液晶和聚合物单体的混合物，再利用相分离技术在每一个象素点上形成轴对称分子排列，并且使用了双轴补偿膜技术，从而扩大了视角。上述相分离技术即：在一定的温度范围内，利用紫外线使混合物中液晶分子同聚合物单体分离，并使聚合物单体聚合。 ??采用ASM方法的液晶单元结构与传统液晶单元的不同处在于：单元中的隔片以树脂制作，并将每个象素隔开。负性ASM液晶分子排列层表面呈粒状，因而可使液晶分子通过垂直取向层垂直玻璃基底排列，并且具有轴对称预倾斜排列。采用这种技术制造的LCD器件，其视角可达±80°以上。??
??加快响应速度
??响应速度慢向束为LCD技术的一个难点。在显示动态画面时，由于液晶的响应时间长于一帧，从而会使上一帧的列象留在下一帧的画面上，这就造成了画面拖尾、重影等现象。当帧频为60Hz时，其时间约为16ms，而传统的TN型LCD器件由最亮态到最暗态或相反的响应时间一般都长于20ms。
??为了提高LCD的响应时间，各LCD的研制单位进行了长期的努力，采用了许多新技术。例如在上一节所述的IPS法中，以低密度交连聚合物网去稳定液晶单元，并对零电场的取向施加电压，从而显著地缩短了响应时间。
??在提高使用聚合物材料的LCD响应时间方面，最近推出了一种利用弹性连续聚合物稳定化的平面开关方法。采用本方法可使LCD的响应时间缩短到10ms，从而解决了残象造成的插尾及重影问题。
??采用光学补偿带(OCB)是缩短彩色LCD响应时间的一种有效方法。理论计算与实践都证明，采用这种方法可以将响应时间缩短到2～3ms。目前已用本技术研制出响应时间为8ms的彩色LCD电视样机。??
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??结束语
??作为主要的FPD技术之一，LCD技术目前正处于大发展的阶段，它不仅在在几英寸到35英寸的直视显示器件领域内逐步挤占CRT的应用领地；特别是在笔记本电脑显示中，几乎是一家独占，而且在大屏幕显示中，也以投影电视的形式占有了一席之地。LCD技术在显示技术领域中取得目前的地位，是其各项显示性能不断提高的结果；而这种结果又是以新技术的不断开发，新工艺的不断实施与新材料的不断应用为后盾的；这样的开发、实施与应用现在仍在进行着。因此，在未来十几年内，LCD器件性能也将会不断提高，品种会不断增多，从而满足人类对显示技术日益增长的需求。 |
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发表于 2004-11-17 12:42:40
发表于 2005-10-11 11:08:08
