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大屏引領夢想2005-04-19 16:28:28.0來源：null 目前的TFT-LCD(薄膜電晶體液晶顯示)技術是20世紀60年代開發的，經歷了幾十年的技術完善和發展之後，在90年代初期開始應用於筆記本電腦等攜帶型設備上。直到近幾年，隨著技術的進一步發展，面板的成本不斷下降，顯示技術也取得了長足的進步，液晶顯示器終於取代傳統的CRT顯示器，登上了主流顯示器的寶座，而且成為平面顯示（FPD）產品中當仁不讓的主流。在目前，17英寸及以上的大螢幕液晶顯示器已經漸漸成為消費者選擇的熱點產品，它們的亮度和對比度等指標與採用“特麗瓏”或“鑽石瓏”技術的大螢幕高端CRT不相上下，最大解析度也基本相當，而且具有完全純平面、重量輕、節約能源、低電磁輻射等優點；但是在回應時間、色彩顯示以及可視角度等方面，大螢幕液晶顯示器與大螢幕高端CRT顯示器相比還有很多不足（見圖1）。LCD vs CRT傳統的CRT顯示器依靠陰極射線管發射電子撞擊螢幕上的磷光粉來顯示圖像，但液晶顯示的原理則完全不同，我們常用的TN（扭曲向列）模式的液晶顯示器結構如圖2-a所示，在偏振方向相互垂直的兩塊偏光片之間夾有玻璃基板、彩色濾光片、電極、液晶層和電晶體薄膜，液晶分子是具有一定長徑比的各向異性物質，電晶體就相當於開關。在使用時，背光燈發出的一束光線經過下偏光片，成為具有一定偏振方向的偏振光。當電晶體處於“關”的狀態時，這一區域的液晶分子長軸方向平行於基板並沿著一定的扭曲角度向列排列，使偏振光的偏振方向發生扭轉，偏振方向轉過90後透過濾光片，成為單色偏振光，並且正好能夠穿過上偏光片，顯示相應的顏色；而當電晶體處於“開”的狀態的時候，電極在這一區域的液晶層上外加電場，液晶分子將沿電場方向作有序排列，電場強度不同，液晶分子的偏轉角度也不同，透過的光強不一樣，顯示的灰度也不同。當液晶分子長軸完全平行電場方向的時候，來自下偏振片的偏振光偏振方向完全不受改變，無法穿過偏振角與其垂直的上偏光片，也就無法被用戶看到，如圖2-b和圖2-c所示，這就是TN模式的液晶顯示器的基本原理。不過，液晶分子的特性也給用戶帶來了問題，其中最突出的就是視角問題。在CRT顯示器中，由於螢幕的玻璃是非晶態的各向同性物質，因此圖元的發光平均地向各個方向發射，眼睛在任意方向觀察到的畫面理論上都是相同的，因此可視角度是180；但在LCD中，由於進入人眼的光線需要穿過液晶層，而液晶分子是各向異性物質，沿長軸方向和短軸方向的折射率不一致。用戶從不同角度觀看螢幕時，有時看到的是液晶分子的長軸，有時則是短軸，視角不同，感受到的畫面也就不一樣（見圖3），因此液晶顯示器存在可視角度問題。液晶顯示器的可視角度指的是液晶顯示器在保持畫面在一定失真範圍內時的最大觀看角度，當視角不斷變大時，液晶顯示器將出現對比度下降、顏色改變甚至灰階逆轉等現象。針對這個弱點，廠商和研究機構也開發出了相應的解決方案。廣視角，大屏液晶的基石由於大螢幕的特點，人眼在觀察螢幕中央與邊緣的時候視角並不一致，如果在不同視角下畫面相差甚大，將會嚴重影響到應用，螢幕越大，這個問題就越突出，而可視角度小正是以前液晶顯示器的“軟肋”。大螢幕顯示目前應用的多屬高端領域，如航空航太、醫療、圖形圖像處理等，在這些領域中，對可視角度的要求相當嚴格。因此，廣視角技術成為大屏液晶技術的基礎，早期實現廣視角的具體思路就是用補償膜進行視角補償，或者將一個單元劃分成幾個液晶單元排列方向不同的疇（見圖3），使得人眼在不同的位置能夠看到近似的畫面。直到今天，補償膜仍然被廣泛使用，而疇劃分的概念也被引入各種廣視角技術並被發揚光大。目前各廠商的廣視角技術基本上分為兩個陣營：VA（垂直取向）模式陣營和HM（水平運動）模式陣營，各有多家廠商在此基礎上開發出具有自己特色的廣視角技術，這些技術不但獲得了寬大的視角（水平/垂直達到或超過170），而且在回應時間和色彩上也有很大的進步。垂直取向模式：MVA技術MVA（多疇垂直取向）技術是垂直取向陣營的代表技術，最早由富士通公司開發，並且由此衍生出了Super-MVA（奇美採用）和MVA-Premium（富士通、友達光電採用，近期SHARP合併富士通的LCD部門後也獲得該技術）。在MVA技術中，其液晶分子的長軸在未加電時不像傳統TN模式那樣平行於螢幕，而是垂直於螢幕，並且每個圖元都是由多個這種垂直取向的液晶分子疇組成。當電壓加到液晶上時，液晶分子向不同的方向偏轉，這樣從不同的角度觀察螢幕都可以獲得相應方向的補償，也就改善了可視角度，見圖4。MVA中每個子圖元可以是雙疇、四疇等等，分別指向不同的方向，子圖元也可以使用不同的排列方式以獲得更精細的點距和更好的廣視角效果（見圖5）。不過，多疇排列也會給生產帶來問題，在傳統的液晶面板生產工藝中，採用複型（rubbing）技術來對液晶單元的取向進行配向，當有多個取向的時候，這一過程將會重複相應的次數，相應增加了技術難度和生產成本。為了解決這個問題，富士通採用了在取向層下面植入凸起物的辦法，這一技術也被稱為ADF（Automatic Domain Formation，自動疇生成）技術，見圖6。在未加電壓的時候，大部分液晶單元都是垂直電極排列的，只有處於凸起物表面的液晶單元受其影響沿著凸起物的斜坡排列。當電晶體處於“開”的狀態時，凸起物表面的液晶單元開始運動，並帶動著疇內的液晶分子向同一方向取向，這樣整個圖元就都獲得了穩定的取向。不過，這種凸起物的植入也需要相對複雜的工藝，為了進一步簡化工藝，提高顯示效果，MVA技術中還引入了簡化TFT基板和簡化彩色濾光片基板的設計（見圖7-a和7-b）。簡化TFT基板的設計是在通用電極表面的取向層依然植入凸起物，而TFT基板表面的ITO圖元電極上不再植入凸起物，而是在相應的位置蝕刻縫隙。當加電壓時也能夠產生傾斜的電場，與使用凸起物的效果一致。簡化彩色濾光片基板的設計是將紅、綠、藍三種色彩的樹脂濾光片在圖元邊緣疊加，減少了光洩漏，也不再需要使用黑網格以防止光洩漏。此外，在疊加層下面使用了柱狀間隙子，固定效果比傳統的球狀間隙子好許多。柱狀間隙子不但在MVA技術中使用，也大量應用在採用其他技術的液晶面板中。目前最新的MVA技術是富士通提出的MVA-Premium，它採用了改進的鋸齒狀圖元電極（見圖8），使得電場形狀更加均勻，液晶模組取向更整齊，轉向控制精度也提高到了一個新的水平；此外，採用MVA-Premium技術的液晶面板還使用了一種新的樹脂基彩色濾光片材料。因此採用MVA-Premium技術的液晶顯示器比通用的MVA液晶顯示器有更大的視角、更高的對比度、更短的回應時間和更好的色彩表現力（見圖8）。配合雙軸補償膜，MVA技術可以使液晶屏正前方達到高達1000:1的對比度；由於絕大多數被顯示器採用的液晶分子是正性液晶，因此在未加電時，螢幕是黑色，是一種“常黑”模式的液晶，因此也可以顯示很好的黑色。但遺憾的是，採用MVA模式的液晶屏會出現隨著視角增大顏色變淡的問題。不過，隨著紫外取向技術、一次滴注技術以及非旋轉塗布等先進生產技術的採用和友達、奇美公司產能的增加，採用MVA技術的液晶面板的成本大幅度降低，其價格也更能被消費者所接受，因此在家用市場中佔據了主要地位。垂直取向模式：PVA技術PVA（構型垂直取向）技術是三星公司開發的廣視角技術，原理與MVA類似，本質上也是一種多疇垂直取向技術。與MVA技術不同的是，PVA技術沒有使用凸起物，而是採用了在上下兩塊透明的ITO電極上交錯蝕刻平行的縫來代替它們，這樣形成的電場與MVA技術類似（見圖9）。透明的ITO電極可以提高開口率，使得亮度能夠進一步提高，色彩還原能力也更好。三星在此基礎上又進一步開發了S-PVA技術，為了進一步降低視角依賴性，採用了將一個子圖元一分為二的構造：傳統的PVA通過將以某一角度傾斜的液晶分子按4個方向呈放射狀配置，來改善視角依賴性。而此次的SPVA方式則通過在子圖元上追加傾斜角度不同的4個方向的液晶分子，在一個子圖元內形成共計8個方向的液晶分子，液晶顏色變化（色度座標uv）從原來的不到0.05減小到了不到0.02，可視角度進一步增大。另外，為了提高回應速度，還採用了在驅動1幀前使液晶分子少許傾斜以保持預傾角度與過驅動（Over Drive）技術相結合的方法，灰階回應時間達到8毫秒左右。此外，為了降低黑級別，在完全垂直配置液晶分子的同時，採用了新的偏光薄膜，實現了不到0.5cd/m2的黑級別和1000:1級別的對比度，還可以顯示幾乎全部的EBU色域。三星目前已經生產出了使用S-PVA技術的82英寸LCD面板，對比度高達1200:1，NSTC規格比也達到了92%，而且表示在第七代面板生產線上全面採用S-PVA技術。PVA技術和MVA技術一樣，也能夠用較低的成本實現較好的效果，加上三星/索尼公司的全力推廣，市場前景也比較看好。垂直取向模式：ASV技術夏普的ASV（Advanced Super V）技術也是類似於MVA的廣視角技術（見圖10），被廣泛應用液晶電視和高端液晶顯示器中。它採用了類似三明治的結構，在上下兩層電極之間的液晶層中的液晶分子多疇均勻排列，並有一定的預傾角。預傾角有高低兩種狀態，由紫外光配向控制，當紫光照射時為低預傾角狀態。這樣不但使視角加寬，而且進一步減少了回應時間，單幀回應時間達到1/60秒。同時，為了進一步補償視覺效果， ASV技術還使用了兩層視覺補償膜，使得水平/垂直視角都達到了170o。借助夏普的低反射率超黑TFT液晶，ASV技術達到了500:1以上的對比度。不過ASV技術的實現成本比MVA和PVA都高，即使是夏普公司自己的顯示器也未必應用，這也妨礙了它的進一步推廣。垂直取向模式：CPA和ASMCPA（Continuous Pinwheel Alignment，連續輪轉焰火排列）和ASM（Axially Symmetric aligned Microcell軸對稱排列微胞）這兩種技術都是通過液晶分子的特殊排列方式進行視覺補償的技術。CPA模式每個圖元都具有多個子圖元電極，在未加電狀態下，液晶分子也是分子長軸垂直於面板方向呈互相平行的中心放射狀排列。當加電壓時，子圖元電極形成的電場驅使液晶向電極中心方向取向呈放射的焰火狀。而ASM技術則是以聚合物壁將不同疇分開，每個疇內的液晶單元排布方式類似漩渦星系的旋臂，呈軸對稱排布（見圖11）。同樣，ASM也同時採用了視覺補償膜。利用ASM技術製造的42英寸PALC（Plasma Addressed Liquid Crystal，等離子定位液晶）顯示器曾經創造了大屏液晶的尺寸紀錄。不過最近隨著MVA，PVA以及IPS等技術的發展，CPA和ASM等技術已經顯得日漸式微。水平運動模式：IPS技術PS（In-Plane Switching，平面內切換）技術（見圖12）是水平切換模式陣營中的代表技術。該技術是由日立公司提出的，目前已經發展了四代。與MVA技術不同的是，在IPS技術中，液晶分子的長軸方向不是垂直於電極，而是平行於電極與基板的。當加電壓後，液晶分子的偏轉也是在與基板平行的平面內進行，所以被稱為“平面內切換”。它的另一個技術特點是並非在上下基板上分別排布通用電極和圖元電極，而是只在一塊基板上交錯排布。這樣，形成的電場類似於封閉的曲線，在液晶分子區域，電力線是近似相互平行的。IPS技術使得觀察者只能“看到”液晶分子的短軸方向，除了左上、右下45處會出現灰階逆轉之外（可以通過補償膜彌補），IPS技術可以提供比MVA技術更加均勻的視場。不過，IPS技術也有自己固有的缺點：靠近電極的地方電力線密度大，使得那裏的液晶分子的回應更快，而遠離電極的地方液晶分子回應較慢。即使採用過驅動技術，IPS模式的回應時間也不像MVA和PVA技術那樣容易提高；其次，偏振光在通過液晶分子時在不同的視角方向上會有色畸變；此外，由於電極排列在一塊基板上，降低了開口率，因此IPS模式的液晶屏需要更亮的背光系統。為了改善這些缺點，第二代的IPS技術Super IPS技術（見圖13）採用了曲尺形的電極排列方式，巧妙地把一個子圖元分成雙疇，這樣就可以抵消色畸變。第三代IPS技術AS-IPS（Advanced Super IPS）減小了子圖元和疇的間距，並且將開口率提高了大約30%，提高了亮度和色彩重現度。最新的IPS技術是日立在去年秋季發佈並且投入使用的AS-IPS2，該技術改變了原有的結構：在傳統的IPS設計中，通用電極和向液晶元件加電的圖元電極是在絕緣膜上的同一個平面上設計的，而AS-IPS2將通用電極設計在絕緣膜下麵，加大了與圖元電極的距離，並且擴大了通用電極的面積。這樣的設計使得電極還能向開口部分以外的液晶分子有效施加電場，從而減少了這部分的光洩漏。而傳統的IPS電極結構由於很難向開口部分以外的液晶分子施加電場，當開口部分的液晶分子進行黑色顯示的時候，來自背光燈的光線仍會從開口部位邊緣向外洩漏，從而造成了對比度下降。利用AS-IPS2技術可以達到最高850:1的對比度，並且能夠將200:1對比度的視角提高到任意方向160，這是一個很大的進步。雖然目前在回應時間的提高方面，IPS技術還稍有不足，但由於IPS技術比較容易實現精細的點距，因此獲得了高端液晶顯示器製造商的青睞並被用於製造專業型顯示器。著名的極品液晶顯示器如EIZO FA2090、Viewsonic VP2290和IBM T221都無一例外地使用應用IPS系列技術的液晶面板（見圖14）。除日立外，還有全球最大的液晶顯示生產商LG-Philips支援並使用Super-IPS，因此IPS技術的前景也被看好。水平運動模式：FFS和SFTFFS（Fringe Field Shift，邊緣場切換）技術是IPS技術的一個分支，目前已經發展了三代，主要是針對IPS技術進行改進，原理與AS-IPS2比較類似（見圖15）。FFS的技術特點是採用了整體的透明通用電極，並且佈置在圖元電極下方，從而獲得了高效的邊緣電場，提高了開口率，並減少了光洩漏，從而獲得很好的視角和對比度。第二代的Ultra-FFS（UFFS）改善了色畸變並提高了回應時間。第三代的Advanced-FFS（AFFS）採用了優化的正型液晶分子，既保持了正型液晶粘度小，回應快的特點，又擁有負型液晶90%的透光率。由於大量採用透明元件，使得背光的利用效率也有很大提升。在對比度方面達到了700:1，而且水平和垂直視角達到了驚人的180。AFFS技術液晶分子排布方式還擁有自補償能力，可以實現色彩的自由轉換，而且這種排布使得它受外力的影響遠遠小於TN型液晶。在節能方面，由於AFFS對背光的利用效率高，而且驅動電壓只有4伏，遠遠小於MVA和PS技術的十幾伏，因此是最節能的液晶面板之一。因為AFFS技術在亮度、對比度和色彩還原能力等方面都有非常不錯的表現，所以它很有競爭力。目前AFFS技術由京東方-現代公司擁有，2005年包含AFFS技術的面板產量已經確定為70萬片，而且該技術還授權給日立公司使用。其餘基於IPS技術的顯示技術還包括NEC的SFT（Super-Fine TFT）技術，目前也已經發展了三代，即第一代SFT技術，第二代SA-SFT（Super Advanced SFT和UA-SFT（Ultra Advanced SFT），其基本原理與IPS一致。目前NEC生產的大屏液晶已經全面搭載了SA-SFT技術。另闢蹊徑的OCB技術除了垂直取向和水平運動模式外，還有不少廠商另闢蹊徑開發其他廣視角技術，OCB（Optically Compensated Bend，光學補償彎曲）技術就是其中的代表。它是東芝/松下公司提出的一種廣視角技術，應用在液晶電視上。它通過巧妙地設計液晶分子的排布方式，實現視角的自我補償（圖16）。OCB模式的液晶排列看上去非常像兩層TN模式液晶相疊，但它的液晶分子排列是上下鏡面對稱的，中間的液晶分子始終保持垂直狀態。這樣由下面液晶分子雙折射性導致的相位偏差正好可以被上部分的液晶分子自行抵消，相對其他