液晶顯示技術(shù)40年發(fā)展歷程回顧

關(guān)鍵詞： 40年 , 發(fā)展歷程 , 液晶顯示

“ 使用液晶可以制造超薄顯示屏”。40多年前的1968年5 月，美國RCA公司在紐約召開的液晶顯示屏新聞發(fā)布會上的發(fā)言震驚了全世界。發(fā)現(xiàn)液晶可用于顯示的是RCA公司的George Heilmeier，他甚至還表示，“夢想中的壁掛式電視只需數(shù)年即可實現(xiàn)”。自那之后，日本、英國、瑞士、德國的顯示屏研發(fā)人員都開始參與液晶面板的開發(fā)工作，全球性開發(fā)的帷幕正式拉開。

經(jīng)歷4個階段發(fā)展為液晶電視

但是，液晶顯示屏的實用化并不容易(見圖1)。當(dāng)時，液晶的使用壽命和可靠性等基本問題都未能解決，使用不到1個小時顯示就會消失，更別提要用液晶制造電視了。
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圖1 液晶顯示屏的發(fā)展歷經(jīng)4個階段

之所以會存在使用壽命和可靠性方面的問題，主要是因為將直流電壓加載到液晶上時，液晶材料及電極會發(fā)生氧化還原反應(yīng)而變質(zhì)。雖然也可以采用交流電來驅(qū)動液晶，但是顯示性能較差。最終解決這一問題的是夏普公司。該公司發(fā)現(xiàn)，如果在液晶材料中加入離子性雜質(zhì)，使其導(dǎo)電率升高，就可以采用交流驅(qū)動獲得良好的顯示特性。利用這項技術(shù)，1973年5 月，夏普公司推出全球首款液晶應(yīng)用產(chǎn)品—— 使用液晶顯示屏作為顯示部件的小型計算器EL-805。

夏普公司的液晶計算器上采用的液晶顯示屏是由RCA公司生產(chǎn)的DSM(動態(tài)散射模式) 液晶，而不是目前常見的TN(扭曲向列)模式液晶。但是，要采用DSM制造液晶電視是很困難的，這是因為DSM的點陣顯示掃描線在數(shù)量方面存在一定的限制。1971年出現(xiàn)的TN 模式解決了這個問題。TN液晶能起到快門的作用，通過使液晶分子在電場中移動，就可以控制光的開/關(guān)。目前，幾乎所有液晶顯示屏都在采用這個工作原理。

雖然TN模式可使點陣顯示的掃描線數(shù)量大為增加，但當(dāng)掃描線增加到60條左右時， 圖像就會發(fā)生變形。對于這個問題，最初找出原因并提出解決方案的是日立制作所的川上英昭。他發(fā)現(xiàn)，掃描線的最大數(shù)量取決于電壓-透過率曲線的上升沿。于是，各機構(gòu)開始競相研究如何提高電壓-透過率曲線的上升沿。隨之出現(xiàn)了將液晶的扭曲角從TN模式下的90度增大到270度的STN(超扭曲向列) 模式。1982年，英國皇家信號與雷達研究院(RSRE)發(fā)明了STN液晶。1985年，瑞士Brown Boveri公司(BBC)試制出掃描線數(shù)量達到135條的STN液晶顯示屏。

然而，即使引入STN模式，還是很難制造液晶電視，這是因為STN液晶仍然存在對比度較低、很難顯示細微灰階的問題。突破這一壁壘的，是通過TFT(薄膜場效應(yīng)晶體管)來控制各像素的有源矩陣驅(qū)動技術(shù)。與以往的單純矩陣驅(qū)動不同，有源矩陣驅(qū)動技術(shù)可以獨立控制各像素，從而防止因受到周圍像素的影響而產(chǎn)生的交調(diào)失真，因此可以顯示高對比度與細微灰階。

與彩色CRT競爭的時代

要想制造TFT液晶電視，在大面積玻璃基板上形成硅膜的技術(shù)和彩色顯示技術(shù)都不可或缺。

在硅膜的形成技術(shù)方面，為太陽能電池開發(fā)的非晶硅(a-Si)在當(dāng)時已經(jīng)實用化。那時， 石油危機將導(dǎo)致能源危機的說法十分流行，所以太陽能電池作為能源電池備受關(guān)注，非晶硅的開發(fā)非?；钴S。繼英國鄧迪大學(xué)于1979年宣布試制出非晶硅TFT之后，日本及歐洲的企業(yè)及研究機構(gòu)紛紛發(fā)布了非晶硅TFT驅(qū)動顯示屏的開發(fā)成果。

在彩色顯示技術(shù)方面，日本東北大學(xué)的內(nèi)田龍男于1981年發(fā)布了并置加法混色法，通過有序排列的三色濾光片來實現(xiàn)彩色顯示，也就是彩色濾光片方式。在這些開發(fā)成果的推動下，1986年，3英寸非晶硅TFT彩色液晶電視上市，1988年，業(yè)界開始開發(fā)用于14英寸電視的非晶硅TFT彩色液晶顯示屏。特別是夏普公司推出的14英寸液晶屏，實際驗證了實現(xiàn)大屏幕非晶硅TFT液晶屏的可能性，引起眾多廠商紛紛對此進行投資。

如上所述，雖然TFT液晶已經(jīng)開始朝著“夢想的壁掛式電視”邁進，但它的全面應(yīng)用卻是從PC的彩色顯示器開始起步的。1988 年出現(xiàn)了用于IBM公司與東芝公司的PC產(chǎn)品的10.4英寸TFT液晶屏。1991 年，第1代320mm×400mm基板生產(chǎn)線投產(chǎn)，夏普公司在這種第1代基板上切割出4片8.4 英寸面板。

基板的大型化推動了液晶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

玻璃基板的大型化對之后液晶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。隨著基板的大型化，TFT 液晶面板的種類出現(xiàn)飛躍性的增長，應(yīng)用范圍也不斷擴大(見圖2)。


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圖2 基板的大型化擴展了液晶屏的種類及應(yīng)用范圍


1993年，NEC、東芝、夏普三家公司開始采用第2代的360mm×465mm基板。在這種尺寸的基板上可以切割出4張9.4英寸的面板。緊隨其后進入該產(chǎn)業(yè)的日立制作所、松下電器產(chǎn)業(yè)及三星電子等廠商則采用了370mm×470mm基板，可以切割出4張更大的10.4英寸面板。

對“后第2代”的摸索從1994年就已經(jīng)開始。1995年，可切割出4張11.3英寸面板的400mm×500mm基板生產(chǎn)線(第2.5代)投產(chǎn)。1995年底"1996年，廠商們紛紛開始采用可切割出6張12.1英寸面板的550mm×650mm左右的基板(第3代)。1997年，可獲得6張13.3英寸面板的590mm×670mm基板生產(chǎn)線投產(chǎn)。1998年，可切割出6張14.1英寸面板的600mm ×720mm基板生產(chǎn)線投產(chǎn)。

1998年，液晶顯示器的實際售價已跌破10 萬日元(約合7000元人民幣)，液晶顯示器獲得市場普及的大幕拉開。1999年，三星公司開始采用600mm×720mm基板制造用于顯示器的17英寸液晶屏。2000年"2001年，隨著680mm ×880mm與730mm×920mm第4代基板的出現(xiàn)，用于大屏幕顯示器的液晶面板的生產(chǎn)效率得到大幅提高。在這樣的發(fā)展態(tài)勢下，顯示器的成本不斷降低。1998年，液晶顯示器的出貨量約為100萬臺，到2001年已增至1000萬臺， 2005年甚至突破了1億臺。

技術(shù)競爭白熱化

在液晶顯示器市場剛開始啟動的1998年，當(dāng)時的夏普公司社長(現(xiàn)任董事長)町田勝彥的發(fā)言震驚了整個行業(yè)。他表示： “到2005年，夏普在日本國內(nèi)銷售的電視將全部采用液晶屏?！?當(dāng)時，液晶電視并未普及，在夏普公司內(nèi)部對于彩色液晶屏也并沒有十足的把握。但是，這一句話成為液晶電視掃蕩市場的導(dǎo)火索，那以后，液晶電視以超乎町田勝彥預(yù)想的驚人速度推廣開來。在此過程中，液晶與PDP(等離子)、SED(表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示)等技術(shù)展開了激烈的競爭(見圖3)。
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圖3 三次交鋒后，TFT液晶控制了市場


制造壁掛式電視的挑戰(zhàn)變得具體化，TFT 液晶面板與PDP面板的開發(fā)競爭可以追溯到“町田發(fā)言”3年之前的1995年。當(dāng)時，上世紀80年代后期從PC市場撤出的PDP廠商紛紛宣布將涉足壁掛式電視業(yè)務(wù)。30英寸"40英寸面板的開發(fā)成果在那時也相繼發(fā)布。PDP陣營主張“液晶面板的尺寸應(yīng)在20英寸以下”， TFT液晶面板陣營則對此表示堅決反對。例如，夏普于1995年將兩張21英寸面板接在一起，開發(fā)出相當(dāng)于28英寸的TFT液晶面板，表示出欲制造壁掛式電視的意圖。但在當(dāng)時， 無論是PDP面板還是TFT液晶面板，在顯示性能上都明顯不如CRT，制造成本也過高。因此，兩大陣營的初期目標都是要改善顯示性能，力爭接近CRT的水平。

TFT液晶面板與PDP的第二次交鋒發(fā)生在2001年。日立制作所推出了大大低于100萬日元(約合7萬元人民幣)、實際售價為60多萬日元(約合42000元人民幣)的32英寸PDP電視， 當(dāng)時這款電視在市場上成為熱銷產(chǎn)品。TFT液晶面板陣營則致力于繼續(xù)擴大面板尺寸，夏普公司推出30英寸的液晶電視。在面板開發(fā)上，三星公司也發(fā)布了40英寸的試制面板。但是，PDP與TFT液晶仍然無法完全取代CRT 電視。PDP在支持全高清與低功耗方面、TFT 液晶面板在響應(yīng)速度等視頻顯示性能上都存在很大的挑戰(zhàn)。

之后，兩大陣營為了解決各自的問題而繼續(xù)進行開發(fā)。到2005年"2006年，又發(fā)生了第三次交鋒。這時兩大陣營的電視畫質(zhì)都已得到大幅改善，各廠商紛紛開始加大投資。2005 年，在全球同步推出PDP電視的松下電器產(chǎn)業(yè)宣布將繼續(xù)投資尼崎生產(chǎn)工廠(兵庫縣)。TFT 液晶面板陣營方面，夏普、三星以及中國***地區(qū)的廠商開始投資建設(shè)第7代與第8代工廠， 擴大了電視面板的產(chǎn)量。經(jīng)過激烈的投資競爭之后，PDP陣營的廠商開始陸續(xù)撤退，到2008 年只剩下三家公司。自此，TFT液晶面板確立了電視領(lǐng)域的核心地位。

參與壁掛式電視開發(fā)競爭的不光是TFT液晶面板與PDP。2004年，SED面板高調(diào)宣布參與競爭。佳能與東芝公司合資成立了SED公司，并發(fā)布了SED電視業(yè)務(wù)計劃。但在2006 年，SED電視的投產(chǎn)日期從最初計劃的2006年春推遲到2007年第4季度。到2007年，又由于專利許可的問題，公司宣布再次推遲SED電視的上市時間。

2007年，OLED取代SED加入開發(fā)競爭。索尼公司推出11英寸的OLED電視。不過，由于大屏幕技術(shù)不夠成熟，所以目前OLED電視尚處于開發(fā)之中。OLED面板的量產(chǎn)始于1997 年的小屏幕單色產(chǎn)品。CRT與液晶面板從開始研發(fā)到市場正式啟動為止都花了20年～30年的時間，所以，OLED面板能否形成氣候還將取決于今后的開發(fā)情況。

壁掛式電視的后繼者

顯示器領(lǐng)域的技術(shù)人員一直以來都有三個夢想：壁掛式電視、3D顯示器及電子紙(見圖4)。

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圖4 顯示技術(shù)人員的三大夢想

壁掛式電視目前已經(jīng)實現(xiàn)，松下等廠商已公布了下一步的開發(fā)方向，即嵌入墻壁的“墻面電視”。今后，為了開發(fā)出更大的屏幕，必須進一步降低耗電量。因此需要開發(fā)全新的顯示原理，如不再采用導(dǎo)致光利用效率低下的偏光板與彩色濾光片。

3D顯示器的關(guān)鍵在于開拓殺手級應(yīng)用。目前，在家庭影院及數(shù)字標牌(digital signage) 領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了完全不同于現(xiàn)有2D顯示器的全新收視方案。

電子紙方面則需要徹底改變此前以CRT 為目標的開發(fā)策略。紙的特點是薄、輕、可彎曲、可書寫、視認性較好。在進行開發(fā)之前，需要根據(jù)目標應(yīng)用制定相應(yīng)的開發(fā)策略。 ?