文/復旦大學：陳黛黛、于遙、郭睿倩、汪敏、谷至華
液晶顯示器的霸主地位20年之內無法超越
新型顯示器是指相對于傳統真空顯示器(CRT)而言的平板固體顯示器(FPT)，主要包括液晶顯示器（TFT-LCD），有機電致發光顯示器(OLED)，等離子顯示器（PDP），無機厚膜電致發光顯示器（TDEL），場發射顯示器（FED），發光二極管大屏幕顯示器、激光顯示器、投影顯示器等。
20世紀末，在顯示技術轉型的激烈競爭中，液晶顯示器克服重重困難，由弱到強，戰勝了PDP、FED、TDEL在眾多的新型顯示器中脫穎而出，成為新世紀的主流顯示器。從1991年日本東芝第一條玻璃基板尺寸300mmx400mm的一代TFT-LCD生產線投產，到2009年日本夏普玻璃基板尺寸為2850mm×3050mm的第十代TFT-LCD生產線的投產，液晶顯示器產能迅速擴大，2010年全球TFT-LCD的產值已經達到925億美元。這在全球的工業發展史上是罕見的。不久的將來全球新型顯示器及相關產業的規模將超過5000億美元，成為21世紀的標志性產業。
2011年由于中國高世代TFT-LCD生產線建設的加速發展，使國際上平板顯示器產業格局發生了深刻的變化。中國正在為成為全球新型顯示器的制造中心和研發中心做最后的一搏，國內外新型顯示器產業處于激烈的動蕩之中，未來新型顯示器技術和產業的發展方向成為業界關注的焦點。
TFT-LCD從1991年的一代線到目前的十代線，產業規模雖然擴大了數百倍，其核心技術沒有任何變化，仍然處于技術發展的初級階段。過去的20年時間，TFT-LCD作為一個革命性的新產業，為了戰勝其他的競爭對手，主要是完善它的基本性能，占領市場，并取得了輝煌的成就，奠定了液晶顯示器在新型顯示器產業中的霸主地位，完成了初級階段的任務。
TFT-LCD在激烈的競爭中脫穎而出的秘密就在于它是一種雜交的綜合性技術的產品。它主要有半導體開關管TFT、背光源、彩膜、液晶、偏振片、玻璃基板，驅動電路等基本部件組成，其中任何一個部件的進步都會推動液晶顯示器向前發展。液晶顯示器產業初級階段疾風暴雨式的產能擴張階段已經結束，產業發展進入了以技術改進為核心的技術提升階段。在最近的十年，液晶顯示器將在系統集成，降低功耗，降低成本三個方面取得重大突破。
1、系統集成
TFT是大規模半導體集成電路技術的延伸，隨著科學技術的發展，TFT的技術發展潛力巨大，非晶硅TFT只是它的起點。今天非晶硅TFT已經不能滿足市場對3D電視的要求。3D電視需要4倍高清，甚至16倍高清的像素密度，從單位像素密度上講，就是要求400ppi，甚至800ppi，才能獲得精美的立體圖像。由于非晶硅材料只有1.4eV的禁帶寬度，對可見光高度敏感，無法實現高密度像素的顯示，同時非晶硅電子遷移率太低，只適合做開關管，無法實現更高水平的電路集成。成為制約液晶顯示器可持續發展的最大技術瓶頸。
尋找更先進的TFT的工作近年來已經取得很大進展。以氧化鋅為代表的新型TFT的產業化已經開始，我國京東方已經研制出32英寸透明氧化TFT-LCD電視，技術基本上和國際上的最先進的水平同步。
由于氧化物寬禁帶半導體的禁帶寬度在3.7eV左右，對可見光是完全透明的，因此用氧化物半導體制造的TFT不存在開口率的問題，而且氧化物TFT的遷移率遠遠高于非晶硅TFT，這樣第一步用氧化物TFT完全可以滿足3D電視高像素密度的需求。
氧化物半導體優異的物理特性和優異的成膜工藝特性，隨著研究工作的深入，實現驅動電路，電視機的解碼電路，接收電路，甚至計算機的CPU的系統集成的研究目標和技術路線已經明確。。
2、降低功耗
液晶顯示器的功耗與等離子和OLED相比已經是比較低的。但是液晶顯示器功耗仍然有巨大的下降空間。
從液晶顯示器的光透過率來看功耗改進的潛力
ηT×ηP×ηcf ×ηITO×ηLc
這里，ηT；TFT像素的開口率(約65％)
ηP：偏振片的透射率(約43％)
ηcf：彩膜透射率(約34％)
ηITO：透明導電(ITO)電極透射率(約95％)
ηLc：液晶材料的透射率(約100％)
我們可以初略的計算一下現在非晶硅TFT-LCD的光透過率，把以上數據代入公式得到：
η＝0.65x0.43x0.34x0.95x1.00=0.09
這就是說在我們現在液晶顯示器中90%以上的光能被浪費了。從技術上采用氧化物半導體，目前已經可以實現TFT的開口率100%。將來自然光閥，取代目前的液晶材料可以取消偏振片，即ηP也可以是100%。還有就是場序背光源技術的采用，可以取消彩膜，即ηcf也可以是100%，這樣我們得到的液晶顯示器的光透過率為：
η＝1.00x1.00x1.00x0.95x1.00=0.95就是說液晶顯示器的光透過率可以有近10倍的提升空間！
另外LED發光二極管作為背光源燈的發光效率目前大約在每瓦100流明左右，隨著技術的發展，LED燈的發光效率可以期待達到每瓦180至200流明，光源的效率還有80%至100%的提升空間。這里還沒有涉及到全彩色反射式TFT-LCD的技術改進對降低功耗的貢獻。未來40英寸的液晶顯示器的功耗可能會降到10瓦左右。
3、降低成本
液晶顯示器的成本主要由背光源，彩膜，液晶，偏振片，驅動電路，玻璃基板，其他材料和制造成本（包括設備，廠房，動力，人工），等組成，其中六大部件的成本高達80%以上。通過技術改進，彩膜和偏振片將被取消，驅動電路有望被直接集成到玻璃基板上，廠房和設備通過折舊，若干年以后就是零成本。電子打印技術已經開始在PI涂布，彩膜制造工藝中應用，不僅降低了成不，節約了大量的材料，也使液晶顯示器的制造更加環保。現在開展的TFT的電子打印技術的研究，目標是取消整個曝光工藝。將進一步降低液晶顯示器的制造成本。液晶顯示器在系統集成，場序背光源和自然光閥三大技術革新取得成功后，將成為最廉價的顯示器。
TFT-LCD是不會變質的顯示器
由于液晶顯示器的特殊結構，液晶顯示器不會產生像CRT，PDP，OLED等自發光顯示器不可避免的像素老化以及使用中的色彩漂移等問題。液晶顯示器亮度下降只需要更換燈管就可以總是保持人們需要的亮度與色彩。
液晶顯示器的規格多種多樣既可以做微顯示器，手持終端，桌面終端，也可以做投影顯示器，既可以做寬視角顯示器，也可以做保密用垂直視角顯示器。液晶顯示器可以根據環境要求的需要提供任意高的亮度，例如軍用飛機的超高亮度顯示器，非液晶顯示器莫屬。當然，液晶顯示器也可以做成柔性的，雙面顯示的，透明顯示的。液晶顯示器的色彩可以達到激光顯示器的水平，遠遠超出OLED的色彩顯示能力，只要采用激光作為背光源，就是激光水平的彩色效果。挑戰液晶顯示器的霸主地位，必須要有革命性的變革！在可以看得見的20年內，
OLED和LCD同為新型顯示器的姊妹花，交相輝映。科學技術的發展，最重要的推手就是材料科學。從石器時代到青銅時代，鐵器時代，到今天的半導體硅時代，材料的進步是決定性的。我們相信21世紀將結束半導體硅的神話，人類將邁入取之不盡，用之不竭的有材料時代。有機電致發光（OLED）作為有機時代的先行者,表現出了許多優點。
...... 更多精彩內容請見《國際光電與顯示》2012年10月刊，歡迎訂閱！ 訂閱咨詢：0755-86149014
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
