液晶面板产业现状

第一节 液晶面板技术现状

一、TN和STN技术

TN和STN在结构上的主要不同为液晶分子的扭曲角，TN的扭曲角为90°，STN的扭曲角为90°~270°。随着扭曲角及偏光片角度的不同STN可以有黄绿模式、蓝模式、灰模式等。TN有正性和负性等。STN比TN具有更高路数的驱动能力和优异的电光性能。

TN类液晶由于它的局限性，只用于生产字符型液晶模块；而STN（DSTN）类液晶模块一般为中小型，既有单色的，也有伪彩色的。

STN（Super Twisted Nematic）屏幕，又称为超扭曲向列型液晶显示屏幕。在传统单色液晶显示器上加入了彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，以此达到显示彩色的作用，颜色以淡绿色为和橘色为主。STN屏幕属于反射式LCD，它的好处是功耗小，但在比较暗的环境中清晰度较差。

STN也是我们接触得最多的材质类型，目前主要有CSTN和DSTN之分，它属于被动矩阵式LCD器件，所以功耗小、省电，但么应时间较慢，为200毫秒。CSTN一般采用传送式照明方式，必须使用外光源照明，称为背光，照明光源要安装在LCD的背后。

在TN与STN型的液晶显示器中，所使用单纯驱动电极的方式，都是采用X、Y轴的交叉方式来驱动。

TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为原点来加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。

STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。

要在这里说明的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（color filter），并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN的改良技术，则可以弥补对比度不足的情况。

 二、TFT技术

TFT（Thin Film Transistor）即薄膜场效应晶体管，属于有源矩阵液晶显示器中的一种。它可以“主动地”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这样可以大大提高反应时间。一般TFT的反应时间比较快，约80毫秒，而且可视角度大，一般可达到130度左右，主要运用在高端产品。所谓薄膜场效应晶体管，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器，在技术上采用了“主动式矩阵”的方式来驱动，方法是利用薄膜技术所作成的电晶体电极，利用扫描的方法“主动拉”控制任意一个显示点的开与关，光源照射时先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子传导光线，通过遮光和透光来达到显示的目的。

TFT-LCD液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏，也就是“真彩”（TFT）。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但也存在着比较耗电和成本较高的不足。TFT液晶技术加快了手机彩屏的发展。新一代的彩屏手机中很多都支持65536色显示，有的甚至支持16万色显示，这时TFT的高对比度，色彩丰富的优势就非常重要了。

TFT型的液晶显示器主要的构成包括：萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。TFT类液晶，则从小到大都有，而且几乎清一色为真彩色显示模块。

TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

三、TN＋Film技术

TN＋Film技术是基于TN型液晶显示器的改进技术，其液晶分子的排列还是TN模式，运动状态仍然是在加电后由面板的平行方向向垂直方向扭转。它采用了双折射率△n＜0的透明薄膜来补偿由于TN液晶盒(△n＞0)造成的相位延迟以实现广视角的目的，所以该Film又称为“相差膜”或“补偿膜”(也有视角拓宽膜之称)。

补偿膜并不只贴在液晶面板表面侧，而是液晶盒的两侧。当光线从下方穿过补偿薄膜后便有了负的相位延迟(因为补偿薄膜△n＜0)，进入液晶盒之后由于液晶分子的作用，在到达液晶盒中间时负相位延迟对正延迟的抵消为0；当光线继续向上后又因受到上部分液晶分子的作用而在穿出液晶盒的时候有了正的相位延迟，当光线穿过上层补偿膜后，相位延迟刚好又被抵消为0。这样在补偿薄膜的配合下，TN型液晶面板就可以取得较好的视角效果。作为一种普及性技术，TN＋Film对早期液晶显示器可视角度的提高起了决定性作用，但它毕竟是基于TN型液晶的改进，因此在亮度、响应时间等指标上的表现仍然不尽如人意。

 四、MVA技术

MVA(Multi-domain Vertical Alignment，多象限垂直配向技术)是由日本富士通开发、最早出现在LCD中的一种用于提高液晶面板相关特性的显示技术。MVA技术原理从命名上即可看出，其液晶分子长轴在未加电时垂直于屏幕，并且每个像素都是由多个这种垂直取向的液晶分子构成。通电后，液晶分子会朝向不同方向，这样从不同角度观察屏幕都可以获得相应方向的补偿，从而改善可视角度。

液晶材料通过状态变换实现对光的控制，对应到分子层级上，就是液晶分子在垂直、水平(相对于屏幕)之间作角度切换。MVA技术的巧妙之处在于，其液晶面板的液晶层中包含了一种凸出物供液晶分子附着，在不施加电压的状态下，MVA面板看起来同传统技术没什么两样，液晶分子垂直于屏幕。然而一旦通电，液晶分子就会依附在凸出物上偏转，形成垂直于凸出物表面的状态。此时，它与屏幕表面也会产生偏转效应，从而提高了透光率。

值得一提的是，在未进行光学补偿的前提下，MVA模式对视角的改善仅限上、下、左、右四个方向，其他方位视角仍然不理想。但如果加以双轴性光学薄膜补偿，将会得到比较理想的视角效果。另外，MVA模式液晶分子的运动幅度没有TN模式那么大，因此不仅加电后液晶分子转动到预定位置的速度要相对更快，而且在靠近电极斜面的液晶分子在受电时会迅速转动，带动离电极更远的液晶分子运动，有利于提高液晶的响应速度。

尽管在可视角度及响应时间上有一定优势，但MVA仍并非完美的液晶解决方案。因为其特殊的电极排列方式会形成不均匀的电场强度，而电场强度不均匀则会造成灰阶显示不正确。通常的解决办法是把驱动电压增加到13.5V，以便精确控制液晶分子的转动。另外由于它的液晶分子排列完全不同于传统的TN模式，在灌入液晶时如果采用传统工艺，所需要的时间会大大增加，因此成本有所提高。

五、PVA技术

三星开发的PVA(Patterned Vertical Alignment)技术与 MVA一样同属“VA”体系，在原理上如出一辙，只是实现方式有所差异。MVA技术的关键在于其液晶层中的凸出物，而PVA则没有该物质，取而代之的是一种名为ITO的电极层。采用透明电极的优点在于可以获得更高的开口率，尽可能提高背光源的利用率。换言之，就是可以获得优于MVA的亮度输出。

PVA同样利用液晶分子的双向倾斜来获得更快的响应速度和更广的视角，但PVA面板中并没有和MVA一样的凸出物来辅助倾斜电场的生成，如何才能让液晶分子也实现小角度偏转呢？三星的解决办法是：将ITO电极层用激光刻出一道道均匀的缝隙，并将上下层基板的ITO缝隙设计成依次错开的形式，这样平行的电极之间就产生了一个倾斜的电场，驱动液晶分子形成双向倾斜的形态。

事实证明，PVA的总体素质优于MVA，它提供的可视角度可高达170°，响应时间也被控制在25ms以内，色彩饱和度达到了70％，而对比度则可轻易超过500:1的高水准。目前，该技术已经被三星广泛应用于中高端LCD产品中，应用前景光明。

 六、IPS技术

与MVA类似，日本日立公司的IPS(In Plane Switching)技术也是在液晶分子长轴取向上做文章。不过采用IPS技术的液晶屏只能让用户看到液晶分子的短轴，因此在各个角度上的画面都不会有太大差别，这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角。

在IPS液晶屏中，细长的正负电极间隔排列在基板上。当把电压加到电极上，原来平行于电极的液晶分子会旋转到与电极垂直的方向，但液晶分子长轴仍然平行于基板，控制该电压的大小就把液晶分子旋转到需要的角度，配合偏振片就可以调制极化光线的透过率，以显示不同的色阶。IPS的工作原理有些类似于TN模式液晶，不同的是IPS模式的液晶分子排列不是扭曲向列，而且其长轴方向始终平行于基板。

针对IPS技术在斜45°方向的灰阶逆转现象，除了可以采用光学薄膜来补偿，还可以依照MVA的特性来对IPS进行优化。例如把IPS原来直条形的电极改成像MVA模式那样的曲折型电极，这种改进后的IPS吸取了IPS和MVA的优点，可以称之为“双畴型IPS”，也就是新一代的Super－IPS。另外IPS广视角技术也属于“Normal Black”的常黑模式型液晶。在未加电时表现为暗态，所以应用IPS广视角技术的液晶显示器出现“亮点”的可能性相对较低。跟MVA模式一样，IPS广视角的暗态穿透率也非常低，所以它的黑色表现是非常好的，一般不会发生“漏光”现象。

采用IPS技术的液晶屏可以轻松实现高达到170°的水平视角，几乎与CRT显示器、PDP等全视角显示技术无异，同时在亮度、对比度以及色彩还原效果上IPS也有着过人之处。

 七、OCB技术

OCB(Optically Compensated Bend/Optical Compensated Birefringence，光学补偿弯曲排列/光学补偿双折射)是一种利用设计巧妙的液晶分子排列来实现自我补偿视角的液晶显示技术，由日本松下公司研发和生产。在采用OCB技术的液晶屏中，中间的液晶分子始终处于跟基板垂直的状态。由于液晶分子是紧密排列在一起的，当加电后，液晶分子的动作将影响整个液晶层，起到加速的作用。另外，OCB模式的液晶分子长轴始终在一个平面，不需要像TN模式那样做扭曲的动作，因此相对来说只需做很小的改变就可以达到预定的位置。

OCB的最大优点是其超快的响应速度。从图中可以看到，OCB在加电状态下液晶分子的偏转角度极小，可以轻松实现10ms以下的响应时间(目前甚至已出现了响应时间仅1ms～5ms的产品)，非常适合动态图像的显示。毫无疑问，OCB是迄今为止响应时间最快的LCD显示技术。另外，OCB独特的结构让液晶分子拥有光补偿双折射的特质，使其可以达到传统TFT-LCD三倍以上的高色纯度，从而输出丰富艳丽的色彩，这是目前其他LCD显示技术所无法比拟的。不过，OCB技术的可视角度只有140°，只能算是勉强及格，同时采用OCB技术的产品成本较高，并非普通用户所能接受。

可惜的是，松下似乎无意将OCB技术用于显示器领域。目前我们也仅能从松下的高端液晶电视中看到OCB的身影，这类产品价格十分昂贵。看来若不解决成本问题，就难获大众认可。

 八、FFS/AFFS技术

如同PVA模式跟MVA模式的关系一样，FFS(Fringe Field Switching)技术严格来说应该IPS模式的一个分支。它同样采用了液晶分子平行旋转、单侧电极的结构，基本原理与IPS完全相同。不过FFS将IPS的金属电极改为透明的ITO电极，缩小了电极自身宽度并扩大了间距，从而提高开口率，使面板透光率比IPS技术高出2倍以上。相对于较完美的Super－IPS技术，FFS可称得上又前进了一步。

与IPS相比，采用FFS技术液晶屏的正负电极不再是间隔排列，材质上也换成不会遮挡光线的透明电极，因而能实现较高的开口率。

FFS技术是由韩国现代公司开发的一种液晶显示技术，目前已发展到第三代——FFS、UFFS及AFFS。其中第一代FFS主要解决了日立IPS/Super-IPS技术固有的开口率低、透光少的缺陷，FFS技术利用透明电极将透光率提升到75％的理想水平，同时也降低了液晶面板的整体功耗；名为“Ultra FFS”的第二代UFFS技术则将重点放在改善LCD“偏色”的弊病，并进一度缩短了响应时间；第三代的AFFS技术(Advanced Fringe Field Switching)则进行全方位的提高，将改进重点放在液晶材料层级。我们知道，负型液晶材料可以获得更高的光效率，但扭转的黏性较大、响应时间慢；而正型液晶材料虽然响应时间较快，但光效率很低。AFFS技术通过对液晶优化，在正型液晶上获得负型液晶90％左右的光效率，兼顾了响应时间和透光率。随后AFFS还对楔形电极进行了修改，使之具备自动抑制光泄漏的能力，从而进一步提高了透光率。与早期的IPS技术相比，AFFS彻底解决了透光率差、亮度/对比度低等缺陷，最重要的是其响应时间也降低到了一个较为理想的水准需求，虽然无法与OCB技术相比，但完全能让普通用户满意。

从整体上看，FFS/AFFS是一项非常优秀且迫切期待普及的技术。它的可视角度可以实现惊人的180°，也就是完全达到CRT显示器/PDP显示器的水平，这一性能指标足以让“可视角度”的说法变成历史；其次，AFFS大幅度改善了LCD的透光率，从而轻松实现高亮度、高对比度的画面输出；就连最后的弊病——响应时间问题在AFFS身上也得到了有效的解决，可以说AFFS代表了当今液晶显示器高画质和广视角兼得的最高水准。不过由于现有技术和产量的原因，采用AFFS技术的产品成本略高，这是AFFS目前最大的缺陷。

 九、LTPS技术

通过LCD种类的介绍可知，LTPS(Low Temperature Poly-Silicon，低温多晶硅)并非独立的显示技术而是一种制造工艺，代表另一种液晶面板的生产技术。采用该技术工艺制造的液晶面板被称为LTPS TFT-LCD(低温多晶硅薄膜晶体管)，而普通液晶面板为TFT-LCD(非晶硅薄膜晶体管)。

LTPS TFT与TFT的最大差别在于，LTPS TF在生产中多经历了一道“激光退火”程序。由此产生的低温多晶硅在结晶排列上比非晶硅更加有序，因此能大幅度提高电晶体载子的移动速率，降低薄膜电晶体的尺寸，非常利于降低液晶显示器的功耗。事实证明，LTPS TFT-LCD不仅耗电低、开口率高，而且在分辨率、亮度以及对比度上均有上乘表现，可视角度也达到了令人满意的170°。

LTPS TFT－LCD甚至允许在玻璃基板上嵌入驱动元件(称为LTPS SOP TFT－LCD)，因而能大幅减少驱动IC的占用空间，非常适合手机、PDA、笔记本电脑电脑等移动设备。此外嵌入了驱动元件的LCD在可靠度和特性上也有所提升，制造成本也得到降低。更重要的是，未来的LTPS TFT－LCD还可与OLED(有机发光二极管)技术搭配，生产出更薄、更亮及更省电的液晶面板。

LTPS TFT的优势十分明显，它与FFS/AFFS一样很可能成为未来主流的LCD显示技术。但LTPS TFT的批量生产需要经验积累、设备添加也需要大量资金，因此想叫板传统TFT，LTPS还有很长的路要走。

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