LCD液晶显示器的发展状况及应用前景

LCD液晶显示器的发展状况及应用前景

摘要：本文首先阐述了LCD的发展历程，对LCD行业发展的轨迹及未来的发展趋势进行

探讨和研判，最后在前面大量分析、预测的基础上，研究了LCD行业今后的发展与投资策略，

为LCD行业生产、贸易、经销等企业在激烈的市场竞争中洞察先机，根据市场需求及时调整经

营策略，能够更好的把握现代竞争格局。

关键词：LCD TFT-LCD 显示器

引言

液晶显示器件(LCD)是本世纪初最有活力的电子产品之一。由于LCD具有低工作电压、微功耗、体积轻薄、适于LSI驱动、易于实现画面显示、全色显示性能优良等特点已被公认为是媒体时代的关键器件。

LCD的开发与发展大大扩展了显示器的应用范围，使显示便携化成为可能，应用个人化成现实目前LCD和CRT两大类产品在显示技术上已形成互补、共同发展的局面。据预测到2010年，全世界LCD的销售额将接近6930亿美元。近一、二十年来世界许多国家和地区都十分重视LCD产业的发展，加强了对LCD的投入。尽管现在在平板显示领域，将出现PDP、有机EL、FFD等强有力挑战者．LCD在今后相当长的一段时间里仍将是最重要的显示器件之一。

1 LCD应用发展历程

液晶的发现是由奥地利植物学家F·Reinetzer在一百年前完成的，然而长期以来并未给人类带来多少实用。直到20世纪60年代，几个年轻的电子学家才打破了沉寂。

1961年，美国RCA公司普林斯顿试验室有一个年轻电子学者F·Heimeier正在准备博士论文的答辩，他的专业是微波固体元件。他在这方面很有造诣。这天，他的一个朋友向他讲述了正在从事的有机半导体方面的研究，跨学科的课题引起了他的极大兴趣。他征求了导师的意见，在导师的支持、鼓励下，他毅然放弃了学有所成的专业领域，进入了一个他还知之甚少的新领域。他把电子学方面的知识应用于有机化学，很快便取得了成绩。不久，他对另一个新课题---激光又产生了兴趣，从而又与晶体打上了交道。为了研究外部电场对晶体内部电场的作用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视吗。兴奋的小组成员与他立即开始了夜以继日的研究，他们相继发现了液晶的动态散射和相变等一系列液晶的电光效应。并研制成功一系列数字、字符的显示器件，以及液晶显示的钟表、驾驶台显示器等实用产品。RCA公司对他们的研究极为重视，一

直将其列为企业的重大机密项目，直到1968年，才在一项最新科技成果的广播报导中向世界报导。这一报导立刻引起了日本科技界、工业界的重视。日本将当时正在兴起的大规模集成电路与液晶相结合，以“个人电子化”市场为导向，很快开发了一系列商品化产品，打开了液晶显示实用化的局面，掌握了主动，致使这一发展势头促成了日本微电子业的惊人发展。而在美国，RCA公司中一些生产间部门的领导人一方面局限于传统的半导体产品，一方面又过分强调了初出茅庐的液晶显示器件的缺点，以市场还未开拓为借口，极力抵毁液晶显示的产业化。为此，“液晶”小组成员开始外流，“液晶显示”的专利也被卖出。现代液晶显示模块具有低电压、微功耗、易彩色化、被动显示等特点, 其显示器种类非常繁多, 屏幕面积从几平方毫米到近一平方米, 液晶显示方式可分为直视式显示、投影显示及虚拟式显示。因而液晶显示应用几乎覆盖所有显示应用领域。尽管近几年来OL ED、PDP、FED 等显示技术发展很快, 呼声很高, 但2002 年度SID 会议论文统计表明,液晶显示方面论文仍占整个显示论文的40 % ,是OLED 论文的4倍多。20 年内液晶显示的主要应用分为四大类: a) 便携式显示:移动电话、PDA、电子书等; b) 车载显示: GPS、安全驾驶显示、多媒体显示等; c) 计算机显示: 笔记本电脑、监视器等;d) 家电和办公室显示: 电视、互联网络终端、电子报纸等。1990～2010 年平均年增长率为20 % ,到2010 年液晶显示器产值将超过10 兆日元(约800 亿美元) 。这些充分说明, 液晶显示是主流的显示技术, TFT-LCD 是主导的平板显示技术。

2 LCD材料发展趋势

LCD 技术的发展已历经两代，第一代技术以小型化、轻量化和薄型化为主攻方向，主要应用对象是笔记本电脑；第二代技术则以高亮度、高色再现性和宽视角为代表，主要应用领域是电视机和监视器。目前的发展阶段介于第二代和第三代之间，其技术开发的重点是：突破LCD 自身的各种局限性，提高其作为多媒体电视显示器的动画显示性能，并大力简化制造工艺以确保其在价格上具有竞争力。本文将对近期LCD 技术的一些主要动向做简要介绍。

2.1 宽视角技术

与现有的TN模式液晶相比，视角更宽的IPS（In-Plane Switching，平面内开关）和PVA （Patterned VerticalAlignment，图形化垂直校准）模式在性能上各有优劣（见表1）。为此，人们在开发过程中采取了各模式相互取长补短的做法。比P V A 视角更宽的IPS 在向超级IPS（Super-IPS）发展的同时引入了V形像素（Chevron Pixel）结构，消除了彩色偏移的不对称现象，并利用高电压驱动和小单元间隙（Cell Gap）改善了液晶响应速度；而在对比度比（C/R）和亮度方面优于IPS 的PVA 也通过采用V形像素结构压缩了黑色矩阵（BlackMatrix）的宽度，并减少了域（Domain）的数量，从而实现了高数值孔径和较快的响应速度。

2.2 液晶响应速度

对动画显示性能影响最大的因素就要算液晶的响应速度了。如果液晶的响应速度较慢，

则在显示运动物体时就会出现图像的“拖曳”现象。而且，由于LCD 是电压保持型器件，因此图像边缘的模糊现象会变得愈发严重。为此，人们开发了多项旨在解决上述问题的技术，其中被业界广泛采用的方案有两种，一种是动态驱动（Dynamic Driving）方式，另一种是过驱动（Overdriving）方式。当液晶在灰度等级之间变动时，由于是以低于接通/ 关断（On/Off）时的电压来进行驱动的，因而导致驱动（DrivingForce）减弱，这样，灰度等级间的响应速度比接通/ 关断时下降了3～5 倍。过驱动方式采用的是高于普通驱动电压的高电压，从而给液晶施加了更大的驱动力，以提高其响应速度。最近，人们提出了一种旨在改善液晶响应速度的新提案，名为OCB（OpticallyCompensated Birefringence，光补偿双折射）。与TN 方式不同，OCB 方式使上下板的取向平行，在将液晶的排列形态变为喇叭形之后，施加1.5～2V 的弯曲取向电压来形成弯曲状态。这样就消除了在“标准白”（Normally White）状态下进行驱动的TN 方式中常见的“黑色流效应”，并能够将液晶响应速度提升至5ms。

2.3 动画技术

不过，单凭响应速度的提高还不足以获得令人满意的动画质量，这是因为LCD 是保持型显示器件，它在传递下一帧图像之前将对目前显示的这一帧图像加以保持，所以当图像发生瞬变时就会引发画面模糊现象。为此，人们开发出了与CRT 相似的各种脉冲方式。

第一种是“黑帧插入”（BlackFrame Insertion）方式，其优点是能够有效地消除活动图像的模糊现象，但黑帧插入时间的增加会使画面亮度下降，导致液晶的响应时间必须短于帧周期的二分之一；第二种方式是背光灯闪烁（Blacklight Blinking），即使在液晶响应速度不高的情况下也能起到良好的画面模糊消除效果，但是，其缺点是会产生高达50% 的亮度降幅。因此，如需维持现有的亮度就必须增加背光灯的灯管电流，以提高背光灯的亮度；第三种方式是120Hz 驱动方式（即在60Hz 帧中插入黑帧），这种方法必须在原有的图像帧之间生成新的图像帧，因而需要开发新型低电阻配线材料和新型帧倒相（Frame Inversion）方式，以解决显示屏的充电问题。

2.4 色再现技术

在努力提高液晶的动画显示质量的同时，人们还在开发各种旨在表现丰富自然色的技术。色温、白平衡和γ校正等对于自然色的表现具有较大的影响。为此，研究人员在致力于改善色再现性和亮度的同时，还在尝试开发更加精巧的色表现技术，而且，相关技术的商用化也在加紧进行。目前，采用CCFL 和C/F（滤色器）实现的最佳色再现性为72%左右。为了进一步提高这一数值，正在开发一些新的技术。然而，当把现有的CCFL 和C/F作为基板时，色再现性每提高5% 就会导致亮度下降7%。因此，如何在尽量减小亮度下降幅度的情况下提高色再现性便成为了技术开发的关键所在。为此必须采用C/F 来遮断黄光的波长，以抑制光源的黄光强度。由此造成的亮度下降可通过优化C/F 和背光灯的光谱匹配来补偿。当采用LED 时，可通过缩减R、G、B 的波长范围来发出高色纯度的光，故色再现性有可能达到100% 以上。因此，人们正在加紧开发采用LED的背光源。通过采用精确彩色捕获（AccurateColor

Capture，ACC）算法（即借助灰度等级变化来对灰度系数进行校正），可实现更加精巧的色表现性能。ACC 逻辑电路将8位256灰度等级的数据扩大至10 位数据之后，再通过帧频控制以8 位256级灰度显示。这样就能够利用灰度等级变化来缩小色坐标和色温的偏差，以实现精巧的色表现。与此同时，人们还在开发利用彩色控制（即调整像素的排列和色彩）来提高图像质量的技术。与现有的RGB 像素排列相比，子像素复（Sub-PixelRendering）技术的像素排列是由6 个（RBG/GBR ）子像素形成一个像素，在显示实际图像时通过共用拼接像素的子像素获得了更加精巧细致的画面和色彩。通过在三色（RGB ）子像素结构中增加白色而形成四色子像素结构，可大幅度地提高亮度。虽然可采用多种四色子像素结构，但是，将采用子像素复制技术的六子像素排列的下端的蓝色变成白色（R B G / G W R ）的做法可取得最佳的效果。这是因为数值孔径的增加实现了亮度的进一步提升，而且，子像素复制技术的运用还有望通过减少驱动器IC的数目而达到降低成本的目的

2.5 背光源技术

为了确保LCD 电视能够在各种平板电视技术的竞争中脱颖而出，除了不断提高性能之外，降低成本也是至关重要的。其中，背光源首当其冲。背光源在大屏幕电视的总成本中所占的比例高达40%。因此，背光源的成本和性能指标的优劣是决定其竞争力高低的关键因素。为此，人们正在开发EEFL（ExternalElectrode Fluorescent Lamp，外部电极荧光灯）和FFL （Flat FluorescentLamp，扁平荧光灯）技术。其中，EEFL 是最具实用性的提案，目前正在步入商用阶段（已在30 英寸电视产品中得到应用）。EEFL 最大的特点是可由一个逆变器对全部的荧光灯进行并联驱动，因而能够大幅度地削减成本；不仅如此，通过优化逆变器还可将光效率提高25% 左右。另外，由于FFL 的装配性得到了显著改善，因此，大屏幕电视模块工艺的自动化变得容易起来。人们目前最为关注的就是进一步提升L E D 背光源的发光效率，L E D 灯的RGB 波长与CCFL 不同，通过缩减波长范围能够去除其他彩色的波长，所以可获得100% 以上的色再现性。作为半导体元件的LED 的调光范围约为1:30 000，这适合于那种能够使光源快速闪烁的脉冲驱动方式，因而只需采用3V 左右的低DC 电压，省去了逆变器。还有，由于它是一种无汞光源，故工作温度范围较宽，达-30℃～+85℃，同时也有利于环保。但是，LED 背光源的成本比CCFL 高出三倍以上，光效率也较低，其功耗中仅有15% 被转换成了光，剩余的85% 全部作为热量散失掉了，因此散热问题十分突出。不过，随着LED 光效率的不断提高以及成本的下降，它对今后LCD 电视市场的成长将起到不可低估的作用。

3 LCD材料构成

TFT-LCD主要组成材料及组件有液晶材料、彩色滤光片、玻璃基板、偏光片、背光模组、驱动IC、PCB、其他耗材等，其他尚有生产过程用到的一些化学品(如高纯试剂、光刻胶等)。TFT-LCD的用途、代别、质量、采购源等的不同，都影响着原材料占总体成本的比例。

TFT-LCD产业链包括上游薄膜晶体管液晶显示用材料、中游面板及组件、下游电子产品三个部分。我国内地下游电子产品市场巨大，并拥有很大发展潜力，中游面板及组件也在迎

头赶上，但上游材料产业则明显滞后，有些关键材料产量很少甚至为零，整个产业链已经严重失衡。以下分别介绍TFT-LCD用主要材料的国产化情况。

3.1 液晶

液晶材料是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。目前国际上大的液晶材料生产厂商主要有三家，即德国的Merck公司、日本的Chisso公司和Rodic公司。我国内地企业还只能生产TN、STN液晶材料，高档TFT 液晶材料仍需要进口。2003年石家庄永生华清液晶有限公司(原石家庄实力克)、西安瑞联等四家液晶材料企业共出售80吨左右液晶(含单体和混合液晶)，基本能满足国内TN、STN 企业的需求。但由于TFT器件对材料性能要求更高、更严格，不仅要求混合液晶具有良好的光、热、化学稳定性、高的电荷保持率和高的电阻率，还要求混合液晶具有低黏度、高稳定性、适当的光学各相异性和阈值电压，因此，我国TFT用液晶产业化还有一定困难。

3.2 玻璃基板及导电玻璃

玻璃基板及导电玻璃(ITO)也是LCD的重要结构材料。玻璃基板具有透明度高、耐化学性佳、有一定的机械硬度、容易加工等特点，使其成为显示器中不可或缺的结构体之一。它主要用于保护显示器主要发光单体、构成像素所需的空间，并作为显示器的支撑物。ITO导电玻璃是采用溅射或其它沉积技术在玻璃上制作一层很薄的ITO膜而成的，因而，生产用的原材料主要有玻璃基板和溅射靶材两部分，我国这两种材料基本依靠进口。总之，我国LCD 用玻璃基板还未形成产业化能力，导电玻璃生产企业的原材料也要从国外进口，这对下游液晶显示面板及组件来说是极为不利的。目前，玻璃基板的供货主要由Corning、旭硝子、日本电气硝子、NHT等几家大公司所控制[6]。

3.3 彩色滤光片

彩色滤光片基本结构是由玻璃基板(Glass Substrate)、黑色矩阵(Black Matrix)、彩色层(Color Layer)、保护层(Over Coat)、ITO导电膜等组成。我国深圳莱宝公司、南玻集团能够提供少量彩色滤光片，但也只限于STN和小尺寸TFT彩色滤光片，根本不能满足第五代TFT-LCD生产线需要。

3.4 偏光片

全球偏光片的市场主要由四家日本公司(日本电工、三立、住友化学和Polatechno)所垄断。我国偏光片的生产企业有深圳盛波偏光器件有限公司和温州市侨业经济开发有限公司，但还主要以低档次TN为主，而高档次的、产值和利润更高的TFT-LCD用偏光片还基本依赖进口。我国应加大对TFT-LCD用偏光片研发及产业化的支持力度。

3.5 驱动IC

驱动IC是液晶面板所用的IC的总称，其中包括门电路及时钟控制器等IC。其成本与

液晶面板的尺寸没有直接的关系，反而与液晶面板的分辨率关系较为密切。

我们基本上没有自主开发的LCD驱动IC、控制IC等专用集成电路。我国IC设计企业及院所完全有能力开发液晶面板用驱动IC，但都未介入这一领域，最主要原因可能是行业竞争过于激烈，利润不是很高。

3.6 背光模组

背光源组件主要包括：光源(CCFI或LED)、导光板、反射板、扩散板、棱镜、框架等元器件及材料。为了配合液晶模块生产线需要，日、韩及我国台湾都在我国内地设有背光模组厂家，内地也有企业生产，基本能满足液晶模块生产需要。

从以上的分析可以看出，我国的TFT-LCD材料生产企业已经严重滞后，TFT-LCD生产用的关键原材料基本靠进口，已经形成受制于人的局面，不利于我国液晶产业链的良性发展。因此，国家应加大对关键材料的支持力度，相关企业和科研院所也应加大研发投入，争取技术有所突破并快速形成产业化。由于这些关键材料的利润空间相对较大，因而，材料企业在获利同时，也支持了下游产业的发展，同时有利于建立完整的上、中、下游配套的产业链。

4 LCD市场分析

液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)分为：

(1)扭曲向列型液晶显示器（Twisted Nematic-Liquid Crystal Display,TN-LCD）：国内从事TN-LCD的生产线有60 多条，总产量占世界市场的70%。

(2)超扭曲向列相液晶显示器(Super Twisted Nematic-Liquid Crystal Display,STN-LCD)：国内有从事TN-LCD的生产十几条生产线，产品主要用于PDA、翻译机、遥控器及仪表屏。国内生产的TN-LCD主要企业有：天马微电子公司、河北冀雅公司、汕头超声公司、汕尾信利公司、无锡夏普公司、上海广电液晶中心、深圳京华公司等。下一步需要发展的是彩色TN-LCD，主要用于手机、PDA彩屏。深圳天马微电子公司、汕尾信利公司、汕头超声公司已建成或正在建设彩色TN-LCD生产线。深圳莱宝公司和南玻集团分别建立了一条彩色滤光片生产线，供TN-LCD 工厂使用。

(3)薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Trasistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD)：TFT-LCD是微电子技术与液晶技术相结合的平板显示技术，具有广阔前景。TFT-LCD目前主要用于笔记本电脑、台式计算机和大屏幕彩电。中国TFT-LCD产业始于1988年，由吉林彩晶电子股份有限公司从日本DTI（东芝与IBM 的合资公司）引进了第一代TFT-LCD生产线，目前由于产品型号单一及研发的滞后，已无法适应市场的需求及变化。国内正在筹建的第五代TFT-LCD生产线有2 条：

一条是由上海广电集团与日本NEC 公司合资筹建，已2004年底试投产；另一条是由北京京东方集团于2003 年6月与其在韩国的全资子公司BOE-HYDIS合资筹建，在2005年第一季度正式投产。

另外，拥有TFT-LCD量产技术的日、韩、台三地厂商纷纷在中国大陆建立或准备建立

TFT-LCD后工序模块（LCM）工厂，已建成的主要包括：台湾友达光电在苏州、中华映管在吴江、瀚宇彩晶在南京的工厂，韩国三星电子在苏州、LG-PHILIPS在南京工厂，日本夏普在无锡的工厂。北京京东方集团的模块工厂也于2003年11 月在北京建成投产。但上述企业的- TFT-LCD 面板全部依靠进口。日、韩、台三地企业也正在酝酿在大陆筹建TFT-LCD前工序生产线。在大陆的工厂中，苏州工业园区内的TFT-LCD项目发展情况良好，园区初步形成了以集成电路和TFT-LCD为特色的电子信息产品群。三星、友达光电、日立等TFT-LCD 面板产业巨头齐聚园区，模块关键零组件配套厂商在园区也越来越集中，初步形成了较为完整的TFT-LCD 产业配套环境。

2005年后，各大显示器厂商亦将关注重点纷纷转向LCD显示器产品，纷纷加强在LCD 显示器产品领域的投入和宣传力度，以期能扩大在LCD显示器产品市场的占有量并能抢占LCD显示器产品市场的制高点。

中国显示器市场的激烈竞争加快了LCD显示器产品和概念的更新换代速度，从2005年2月份灰阶4ms LCD显示器产品的出台，到近期灰阶2ms LCD显示器产品的登场，2005年厂家们绞尽脑汁地推出自己的高端LCD显示器产品来迎合市场、占领市场。但随着消费者对于LCD显示器产品的逐渐了解和熟悉，单纯追求概念和指标参数的现象逐渐淡漠下来，消费者购买LCD显示器产品参考因素逐步回到了LCD显示器产品本身的综合性能的表现以及功能表现上来，这些因素促进了LCD显示器产品在技术领域与消费市场两方面的成熟化程度。

随着三星、LG、飞利浦等厂商第七、第八代液晶生产线的筹建和竣工，LCD面板的产量将会继续提高，价格将会继续下降，充足的上游LCD面板供应将会为厂商提高LCD显示器产品生产量奠定良好的基础。市场需求的不断加大以及LCD面板价格持续的下降，将会加速LCD显示器产品市场规模的增长，同时也会加大各大品牌之间在价格上的竞争。同质化无疑是LCD显示器产品一个无法避免的问题，由于同质化而引起的价格竞争将会越发激烈，2006年LCD显示器产品价格将会呈现出下降趋势，尺寸大的LCD显示器产品降价幅度将会越高[7]。

随着LCD显示器产品价格的下降，LCD显示器产品的利润也在逐渐下降，显示器厂商必将会寻找新的利润增长点，而宽屏LCD显示器产品就是厂商所选定的目标。在对宽屏进行了两年多的市场预热后，未来众多显示器厂商都将加大宽屏LCD显示器产品的研发以及市场推广的力度，以求促进宽屏LCD显示器销量的增长。

今年随着LCD显示器产品降价热潮的再次降临，中国显示器市场呈现出了一边倒的趋势，CRT显示器产品市场份额严重下滑与LCD显示器产品市场份额快速增长形成了鲜明的对比，在家庭市场两者的主从地位已经被颠覆，LCD显示器产品已经牢牢占据了霸主地位，风光多年的CRT显示器产品正逐渐被市场淘汰。CBIResearch分析认为，LCD显示器产品面板的大幅度下降以及LCD显示器产品技术的提高，都为LCD显示器产品的增长起到了重要助力。消费者对环保、节能以及节约空间要求的提高更成为了LCD显示器产品高速增长的重要因素。iSuppli的分析师预测，未来5年内平板显示将继续领跑显示器市场，并占有巨大的全球份额。2009年LCD显示器将首次超过CRT显示器，开始在市场上唱主角，并占全球53%的市场份额。鉴于现有市场已经接近饱和，市场发展减缓，且出现价格竞争，未来几年全球

显示器销售额增长有放缓的趋势。据美国权威咨询机构DisplaySearch公司发表的研究报告预计，2006年全球显示器市场将超过1000亿美元，其中平板显示器件将占整个显示器市场的近70%。相信未来的时间里，LCD显示器将逐步取代CRT显示器，市场的格局将会不断被改写，显示器产品新的霸主已经形成，真正的液晶时代即将来临。

参考文献

[1]胡汉才，LCD教材（doc 28）液晶显示器[M]。北京：清华大学出版社，2005：200-201.

[2]李全利，LCD应用[M]。北京：高等教育出版社，2007:29-33.

[3]孙涵芳，LCD发展现状[M]。北京航空航天大学出版社，2008:44-45

[4]李树华，液晶显示器变革[J]。传感器技术，2008.22（12）：70-72

[5]张正林，液晶显示器的发展状况[M].北京航空航天大学出版社，2008:102-105.

[6]汪道辉，液晶发展现状[M].电子工业出版社，2008:89-90.

[7]钟玉琢，沈红，田淑珍，液晶显示器的应用.清华大学出版社，2008：45-47.