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你对这 些液晶面板知识了解多少?
来源: | 作者:proad57e7 | 发布时间: 2019-05-13 | 55 次浏览 | 分享到:

去年最 火热的产业消息就是鸿海富士康把日本夏普合并了,对于日 本人来说很难接受,但是对 中国人来说却是一个胜利里程碑,最近广 东最火热的科技产业新闻就是富士康联合日本夏普子公司堺显示器制品株式会社(Sakai Display Production,以下简称SDP)要在广 州增城盖一座最新的10.5代8k液晶显示器工厂,投资610亿人民币。

  为什么是广州?液晶产业有多重要?我估计现在90%的家庭 的电视都已经使用液晶电视了,什么是十点五代线?STN-LCD,TFT-LCD到底这 些英文缩写名词代表什么?LCD产业跟LED产业有什么相关?如果大 家有老叶前面几篇文章的科普知识的基础,那么现 在这些疑问我就可以开始跟大家揭晓了!

  液晶:像晶体的液体

  “液晶(LC:Liquid Crystal)”是一种液态高分子(塑胶)材料,它的分 子与分子相距较远而无法形成键结,在常温下是“液体”,但是分 子与分子彼此互相影响力却很大,所以排列得很整齐,有点像是“固体(晶体)”,因此我 们将这种像是固体(晶体)的液体称为“液晶”。

  液晶分 子为细长型棒状结构,沿长轴方向具有“极性(Dipole)”,也就是 分子的一端带正电而另一端带负电,如图一(a)所示,图中C代表碳原子、H代表氢原子、N代表氮原子,整个分 子看起来是细长型棒状结构,我们习 惯将它简化成图一(b),其中箭头称为“指向(Director)”,箭头的 方向代表分子带正电的一端。

图一 液晶分 子的特性与种类

  三种液晶分子,只有一种商用多

  液晶分 子的种类有许多种,包括向列型液晶(Nematic LC)、层列型液晶(Smectic LC)、胆固醇型液晶(Cholesteric LC)等,但是常见的只有两种:

  a.向列型液晶(Nematic LC):向列型 液晶分子的排列情形如图一(c)所示,每个分 子的长轴都是互相平行,而且方向一致。由于向 列型液晶分子对外加电场的反应较大,因此目 前商业上生产的液晶显示器大多使用这种液晶分子。

  b.层列型液晶(Smectic LC):层列型 液晶分子的排列情形如图一(d)所示,每个分 子的长轴都是互相平行,而且方向一致,分子排 列规则性更明显,分子之 间不但互相平行,而且有分层的组织。由于向 列型液晶分子对外加电场的反应较小,因此比 较不适合作为液晶显示器使用。

  液晶分子的转动:怎么样 在玻璃板上外加电压?

  液晶分 子为细长型棒状结构,沿长轴方向具有「极性(Dipole)」,也就是 分子的一端带正电而另一端带负电,因此当 我们对液晶分子外加电压,会使液晶分子转动,如图二所示,我们先 将两片玻璃板互相平行迭起来,再将液 晶分子注入两片玻璃板之间,当我们对两片玻璃板「不加电压」或「外加电压」,液晶分 子会有不同的排列情形,换句话说,我们是“利用外 加电压使液晶分子转动”。

图二 液晶分子的转动

  a.不加电压(Normal):当两片 玻璃板不加电压时,液晶长 轴与玻璃板平行,我习惯称这种情形是「液晶分子躺在玻璃上」,如图二(a)所示。科学家 们习惯称一个系统没有外加电压的情形为「Normal」。

  b.外加电压:当两片 玻璃板外加电压时,液晶长 轴与玻璃板垂直,我习惯称这种情形是「液晶分子站在玻璃上」,如图二(b)所示,由图中可以看出,液晶分 子带正电的一端受到带负电的玻璃板吸引,而液晶 分子带负电的一端受到带正电的玻璃板吸引,所以才会站在玻璃上。

  大家有没有觉得奇怪,玻璃好像不会导电耶,怎么样 在玻璃板上外加电压呢?好奇吗?赶快看下去吧!

  液晶具有「双折射性(Birefringence)」,光的偏 振方向会受液晶分子的影响而旋转,如图三所示,我们先 将两片玻璃板互相平行迭起来,再将液 晶分子注入两片玻璃板之间,当我们对两片玻璃板「不加电压」或「外加电压」,液晶分 子会有不同的排列情形,此时通 过玻璃板的偏振光会受到液晶分子的影响,而使偏振方向改变:

图三 液晶分 子对偏振光的影响

  .不加电压(Normal):当两片 玻璃板不加电压时,液晶分子躺在玻璃上,如图三(a)所示,由图中可以看出,当「水平偏振光」通过「躺在玻 璃上的液晶分子」,它的偏 振方向会自动旋转90?,变成「垂直偏振光」,然后再离开玻璃板。

  .外加电压:当两片 玻璃板外加电压时,液晶分子站在玻璃上,如图三(b)所示,由图中可以看出,当「水平偏振光」通过「站在玻 璃上的液晶分子」,它的偏 振方向会维持不变,保持「水平偏振光」,然后再离开玻璃板。

  液晶显示器的应用:包罗1~60吋

  「液晶显示器LCD:Liquid Crystal Display)」是目前市场最大,应用最广,也是市 场成长率最高的产品,除了早 期应用在个人计算机与笔记本电脑之外,目前甚 至已经成功的应用在大尺寸的家用电视机了,因此我 们会花比较多的章节来介绍。液晶显示器(LCD)的尺寸为1~60吋,依尺寸 大小不同可以应用在不同的科技产品中:

  .1~2吋:电子表、电子计算器、电子字典等。

  .3~5吋:数字相机(DSC)、数字录像机(DVC)、手机、个人数字助理(PDA)、多媒体播放器(PMP)、卫星定位系统(GPS)等。?.

  . 5~10吋:汽车电视。

  ?.10~20吋:个人计算机显示器、笔记本电脑显示器、录像监视器等。?

  .20~60吋:家用电视机。

  有一点 复杂的液晶显示器构造

  液晶显示器(LCD)的构造如图四所示,如果我 们将液晶显示器的某一部分放大,可以得到如图四(a)所示红(R)、绿(G)、蓝(B)不停地反复的排列,当我们 从侧面观察液晶显示器的一个像素,可以得到如图四(b)的构造,由液晶 显示器的后方向前方,依序为背光模块、后偏光片、后导电玻璃(后玻璃基板+后透明电极)、薄膜晶体管(主动矩阵式的液晶显示器才有)、前导电玻璃(前玻璃基板+前透明电极)、彩色滤光片、保护玻璃、前偏光片等,哈哈~构造真是有一点复杂!

  

图四 液晶显示器的构造

  现在分别介绍如下:

  背光模块:背光模块包括光源、反射板、导光板等组件组成,使光源 均匀分布在整个液晶显示器的画面上。

  后偏光片:由于光 源发出来的白光为「非偏振光」,后偏光 片主要的目的在使非偏振光变成「偏振光」。?

  后导电玻璃:在玻璃 基板上使用溅镀法(Sputter)成长「氧化铟锡(ITO:Indium Tin Oxide)」形成可以导电的玻璃,称为「导电玻璃」。氧化铟锡(ITO)是一种陶瓷(金属氧化物),几乎所 有的陶瓷都是绝缘体,但是科 学家发现氧化铟锡(ITO)不但可以导电,而且在 厚度很薄的时候,还是透明的,故称为「透明电极」。?

  薄膜晶体管:在导电 玻璃的上面使用半导体制程技术成长「开关组件」,最简单 的开关组件就是「CMOS」,但是CMOS必须具有金属、氧化物、半导体的结构,必须成 长在硅晶圆上才行(后续我 会继续介绍的半导体元器件),要在导 电玻璃上成长开关组件没办法使用CMOS,因此必 须另外设计一种开关组件,它的工作原理和「CMOS」很像,我们称为「薄膜晶体管(TFT:Thin Film Transistor)」,使用薄膜晶体管(TFT)制作的 液晶显示器称为「薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)」。?

  前导电玻璃:与后导电玻璃相同。?

  彩色滤光片:在塑料薄片上涂布红(R)、绿(G)、蓝(B)三种不同颜色的颜料,不停地 反复排列在显示器的整个画面上,称为「彩色滤光片(Color filter)」。彩色滤 光片的原理如上图四(c)所示,当白光(红、绿、蓝的混合光)通过「红色的滤光片」,则只有红光可以通过,绿光、蓝光被吸收,所以眼睛只看到红光;当白光通过「绿色的滤光片」,则只有绿光可以通过,红光、蓝光被吸收,所以眼睛只看到绿光;当白光通过「蓝色的滤光片」,则只有蓝光可以通过,红光、绿光被吸收,所以眼睛只看到蓝光,「滤光片」其实就 是滤掉我们不要的颜色,只让我 们想要的颜色通过,值得注意的是,图四(b)与(c)中的彩 色滤光片只画出一个像素来代表而已,实际上应该是红(R)、绿(G)、蓝(B)三种不同颜色,不停地 反复排列在显示器的整个画面上,如图四(a)所示。?

  前偏光片:前偏光 片主要的目的在决定是否要让旋转后的偏振光通过,如果可 以通过则眼睛看起来是「亮(白)」,如果无 法通过则眼睛看起来是「暗(黑)」。

  LCD跟LED产业有什么相关?答案在背光模块

  过去的大尺寸液晶显示器光源通常都是使用「冷阴极灯管(CCFL:Code Cathode Fluorescent Lamp)」,主要是 因为冷阴极灯管是一支一支的,比发光 二极管一颗一颗的覆盖面积更大, 可以让 光源更均匀地分布在整个显示器的画面上,所以适合大尺寸液晶显示器使用,但是比较耗电。随着LED技术的进步,目前几 乎所有的液晶显示器光源都是使用「发光二极管(LED:Light Emitting Diode)」;

  液晶显 示器的背光模块如图五所示,LED或过去的冷阴极灯管(CCFL)发出来 的白光经过上方与左方的「反光板」反射以后,进入「导光板」中,导光板 主要的功能是让所有的白光均匀地分布在整个显示器的画面上,这样才 不会让液晶显示器看起来有些地方比较亮,有些地方比较暗。

图五 液晶显 示器的背光模块

  「导光板」其实只 是一块塑料板而已,通常都是使用「聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA:Polymethyl Methacrylate)」来制作,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称「压克力」,其实和 我们在路边看到专门制作广告牌的压克力是一样的东西,可惜液 晶显示器所使用的压克力纯度要求很高,目前国 内并没有石化工厂能够生产这种高纯度的原料,主要都是仰赖进口。至于为 什么白光进入导光板之后就会均匀地分布在整个显示器的平面上呢?要了解这一点,必须先了解什么是「光波导(Optical waveguide)」,这个部 分我未来将在光纤通讯的科普课程里介绍。

  【名词解释】光学塑料(Optical plastic)?光学所使用组件,包括:平面镜、凸透镜、凹透镜 等大多都是使用「玻璃(Glass)」制作,玻璃是氧化钾、氧化钠 与氧化硅等氧化物的混合物,属于陶瓷材料的一种,虽然玻 璃的光学性质极佳,但是重量较重,不适合 使用在某些科技产品中。塑料的重量较轻,比较适 合使用在科技产品中,但是光学性质较差。而在所有的塑料中,光学性质最好的就是「聚碳酸酯(PC:Poly Carbonate)」与「聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)」了,我们将 这两种材料称为「光学塑料(Optical plastic)」,可以应用在塑料眼镜、数码相机的塑料镜头、光盘片 的聚碳酸酯基板、液晶显 示器的导光板等。?

  不可回 避的液晶显示器优缺点

  优点?:

  1.厚度较薄:不使用电子束,不需要 像阴极射线管一样在屏幕表面依序扫描,所以不需要太厚。?

  2.耗电量低:使用发光二极管(LED)做为光源,不使用电子束,所以耗电量低。?

  3.制程成熟:液晶显 示器已经在市场上存在超过三十年的时间,制作技术非常成熟,不但小 尺寸的液晶显示器技术很成熟,目前连大尺寸的「液晶电视(LCD TV)」都已经 进入成熟阶段了。

  缺点:

  1.大尺寸制作困难:大尺寸 的液晶电视必须将薄膜晶体管(TFT)制作在 整个后导电玻璃上,要将每 个薄膜晶体管制作得非常均匀平坦,而且要 有很高的良率是非常困难的工作,就好像 大尺寸的晶圆制作比较困难一样,所以成本也比较高。?

  2.有视角的问题:由于液 晶显示器是利用液晶分子使偏振光旋转的原理,所以会 产生视角的问题,当我们 的眼睛倾斜一个角度观看液晶显示器的时候,会觉得影像模糊不清。

  液晶显示器黑白、彩色显 示与分辨率极限

  液晶显 示器的黑白控制

  液晶显 示器显示黑白的方法,是利用 偏振光结合偏光片,如图六所示,在导电玻璃的前后,各放置一片「前偏光片」与「后偏光片」,而且前后偏光片「互相垂直90°」,利用外 加电压来控制每个次像素的「液晶分子躺在玻璃上」或「液晶分子站在玻璃上」, 形成「白(White)」与「黑(Black)」两种情形:

图六 液晶显 示器的黑白控制

  .不加电压时为「白(White)」或「亮(Bright)」?如图六(a)所示,在显示 器左侧的背光模块发出「非偏振光」,经过水平偏光片(后偏光片)形成「水平偏振光」,当两片 玻璃板不加电压时,液晶分子躺在玻璃上,会使水 平偏振光的偏振方向旋转90°,变成「垂直偏振光」,恰好可 以通过垂直偏光片(前偏光片),因此形成白(White)或亮(Bright)。由于在 没有外加电压的情形下我们称为Normal,因此在 没有外加电压的情形下是白(White)或亮(Bright)我们称为「Normal White」或「Normal Bright」。

  .外加电压时为「黑(Black)」或「暗(Dark)」?如图六(b)所示,在显示 器左侧的背光模块发出「非偏振光」,经过水平偏光片(后偏光片)形成「水平偏振光」,当两片 玻璃板外加电压时,液晶分子站在玻璃上,会使水 平偏振光的偏振方向保持不变,仍然维持「水平偏振光」,恰好无 法通过垂直偏光片(前偏光片),因此形成黑(Black)或暗(Dark)。

  液晶显示器的彩色显示与分辨率极限

  一定要记得,显示器是利用红(R)、绿(G)、蓝(B)三个「次像素(Sub pixel)」组成一个「像素(Pixel)」,利用许 许多多的像素散布在整个画面上,并且利 用每一个像素的红(R)、绿(G)、蓝(B)不同亮 度排列组合显示出一种颜色,最后组 成我们所看到的景物,但是要 如何控制每一个像素的RGB排列组 合显示出一种颜色呢?所有使 用液晶的显示器原理都相同,有三个重要的步骤:?

  黑白:利用「外加电压」来控制 每个次像素显示黑白。?

  灰阶:使用「直接电压调变法」或「驱动电压调变法(时间调变法)」控制液 晶分子的旋转角度,来决定 每个次像素的亮度,就可以显示灰阶。?

  彩色:使用「彩色虑光片」将每个像素再分成红(R)、绿(G)、蓝(B)三个次像素,分别控 制每个次像素发出不同亮度的红阶、绿阶、蓝阶,就可以 组合成各种不同的彩色。

  

表一 高清电视的规格表

  我们将 画面垂直方向切割成1920列(直的为列),水平方向切割成1080行(横的为行),总共形成大约200万个像素(1920×1080≈2000×1000≈2M),由于切 割后的像素很小,眼睛很难分辨,因此看 起来和没有切割前是相同的。换句话说,只要能 在一个画面上显示出许多不同颜色的像素,而且每 个像素都足够小使眼睛不易分辨,则我们 便会将这个画面看成是一个近似完美的图片,而且切割的像素愈多,则像素愈小,画面愈细致,分辨率也愈高。这就是 显示器的原理了,而且相 同尺寸的显示器,切割的像素愈多,则像素愈小,画面愈细致,分辨率也愈高。

  分辨率(Resolution)是用来 定义一个画面所能显示图形的细致程度,相同大小的画面,切割成 不同数目的像素,则形成 不同的分辨率规格,如表一所示。目前高 清的电视的画面中所使用的2k(1920列×1080行)称为「Full HD」,是目前 液晶电视最常见的规格,最近的 智能型手机也开始采用这种规格。但是随 着人类对画面精细度无止境的要求,2k已经无法满足,随着液 晶面板技术的进步,4k(3840列x2160行)与8k(7680列x4320行)更是面 板厂商追求的极致,如果一 个美好的事物能够在8k画面下展现无瑕疵,它可能 就是人类追求十全十美最客观的评判标准吧!

  液晶显 示器面板厂的世代关系

  液晶显 示器依照不同的世代,会有不 同的玻璃基板尺寸:

  如表二所示,「三代厂」玻璃基板尺寸为550×650mm(毫米),我们先 在玻璃基板上制作薄膜晶体管,再切割成6片17吋的面板,玻璃会 有一些浪费的区域。

表二 液晶显 示器的世代与玻璃基板尺寸的关系

  如图七(a)所示;「四代厂」玻璃基板尺寸为 680×880mm,我们先 在玻璃基板上制作薄膜晶体管,再切割成9片17吋的面板。

  如图七(b)所示,「五代厂」的玻璃基板相当于1100×1300mm,我们先 在玻璃基板上制作薄膜晶体管,再切割成9片30吋的面板,玻璃尺寸愈大,可以切 割出来的显示器尺寸愈大,可以切 割出来的显示器愈多。

图七 三代厂 与四代厂的玻璃基板示意图

  目前主 流是六代厂至八代厂之间,七代厂、八代厂 的玻璃基板实在太大了,用来制 作小尺寸的液晶显示器不符成本,因此主要是用来制作「液晶电视(LCDTV)」,例如:七代厂 玻璃基板尺寸为1950×2250mm,一片基板可以切割出12片32吋的面板、8片40吋的面板或6片46吋的面板,随着大 液晶电视的需求旺盛,八代厂 已经不再有优势,追求更大的尺寸,做更大 尺寸与分辨率更高的面板是大趋势,目前大家争做10.5代4k与8k就是在抢占制高点。面板的 军备竞赛已经开始,后发优势越来越明显。

  液晶面板的隐忧

  跟集成电路产业中8吋晶圆与12吋晶圆的原理类似,尺寸愈大,可以切 割出来的芯片愈多,单位成 本相对降低很多,现在十 代与十一代液晶面板也是一样的道理。集成电 路芯片光刻的技术也是由微米、次微米 到现在的纳米线宽,栅极线宽越窄,芯片效能越高,集成电路密度越大,除非可 以寻找新的材料来替代硅制作晶体管,否则晶 体管中的电子就很容易产生隧穿效应,所以有人说7纳米是极限。同样的道理,液晶面 板的极限也许是8k分辨率,因为再 高清的分辨率也许对我们人类的感官完全没意义了。

  集成电 路与液晶面板这两个产业也许已经有点像是军备竞赛了,但是我 对液晶面板有深深的隐忧,像早期 的火炮技术一样,口径更大,射程更 远是火炮技术的更新换代表现,火炮可 以做出最大口径与射程最远的加农炮,这是火炮最大的极限。

  同样的道理,液晶可以做到11代8k的技术,但是液 晶的缺陷也让它面临着巨大的隐忧,就像飞 弹技术取代火炮一样,LCD的威胁 也隐隐浮出台面,OLED就像飞弹一样,虽然刚 开始不是这么成熟,但是只 要飞弹的精准度提高了,它的优 越性会大大超出火炮,这也许 就是我看到液晶面板最大的挑战吧,为什么 韩国停止投资十代十一代LCD面板厂,求售七代与八代厂,加大投入OLED厂,韩国人在赌国运,失败了也许粉身碎骨,但是如果他们成功了,我们京东方,华星与 富士康的十点五代厂要怎么办!

  等离子电视殷鉴不远,我们的 大投资还是要好好的思考………


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