常见平面显示技术的分类对比

移动设备的发展带动着与之相关的各项技术的进步,其中针对中小尺寸面板的显示技术引起了全球范围的广泛关注。在这篇博客中,我主要就近年来常见的面板显示技术进行简单的分类和整理,同时也会将这些技术之间的差异性进行对比。

首先,近年来的常见的显示技术按照发光机理的不同分为薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD),有机发光显示(OLED)和微发光二极管显示(Micro LED)。详细的说来,这三者下面的显示技术又有下面的几种分类:

对于一个TFT-LCD面板而言,其显示的鲜活多样的色彩由很多子像素组成,比如对于常见的1080p显示器,其分辨率为1920*1080,每个发光点由红色,绿色和蓝色三色子像素组成,那么这块面板上就有1920 x 1080 x 3 = 6220800个子像素点。TFT是薄膜晶体管(thin film transistor)的缩写,其在面板中作为控制的阀门,来精确调控每一个子像素中液晶分子上的施加电压的大小。一个常见的TFT-LCD面板的基本结构如下图所示:(引自:Japan Display Inc.

其基本原理是当对中间液晶分子的施加电压改变时,整个面板包括内外两侧的偏光片的透光性发生改变,从而可以对每个像素中从背光面板入射到顶层面板的光通量进行控制。从TFT制备所使用的硅的晶型来区分,TFT-LCD可以分为非晶硅薄膜晶体管液晶显示(a-Si-TFT-LCD)和多晶硅薄膜晶体管液晶显示(poly-Si-TFT-LCD),这两者的主要区别在于封装过程中是否使用准分子激光作为热源,促进硅完成从非晶到多晶的转变。多晶硅的分子结构在一颗晶粒中的排列状态是整齐而有方向性的,因此电子迁移率比排列杂乱的非晶硅快了200-300倍;一般所称的TFT-LCD是指非晶硅,技术较为成熟,为LCD的主流产品。而多晶硅则主要包含高温多晶硅(HTPS)与低温多晶硅(LTPS)二种产品,由于LTPS的硅晶型转变过程可以在600℃以下完成,因而这种制备工艺相对HTPS对玻璃基板更为适用。此外,LTPS屏幕是通过对传统非晶硅面板增加激光处理制程来制造的,元件数量可减少40%,而连接部分更可减少95%,极大的减少了产品出现故障的几率。这种屏幕在能耗及耐用性方面都有极大改善,水平和垂直可视角度都可达到170度,显示响应时间达12ms,显示亮度达到500 nit(尼特),对比度可达500:1。
另一方面,在我们平时接触的显示器广告描述中,常常看到屏幕的介绍有IGZO-LCD,TN-LCD,IPS-LCD,VA-LCD等种类,那么他们之间又有什么不同呢?

氧化铟镓锌(indium gallium zinc oxide,缩写IGZO)是一种薄膜晶体管液晶显示技术,由东京工业大学细野秀雄教授与日本科学技术振兴机构(JST)共同研发。IGZO技术可以在提高面板分辨率的同时降低其生产成本,但IGZO面板对空气中的水氧含量都比较敏感,因而在耐用性上只可以做大众的消费品,不适合需要高可靠性的军用或者工业环境。同时,IGZO与非晶硅相比可以缩小TFT尺寸,提高面板像素的开口率,提高电子迁移率至20-50倍,因而更容易实现制备高分辨率的面板。

TN-LCD和IPS-LCD的不同在于面板内部的液晶分子的排列方式不同。在传统的液晶排布模式比如扭曲向列(twisted nematic (TN))中,其对应面板存在着随着观测角改变而带来的亮度改变和色彩迁移的问题。这是因为在该模式下,当特定电压施加在面板上时,内部液晶分子取向变为直立的状态,其光学性质随着观测角度的改变而发生变化。另一方面,在面内转换(in-plane switching (IPS))的模式中,液晶分子平行于面板而进行旋转,这就意味着在TN模式下的观测角的问题可以得到解决,因此面板的显示质量可以得到较大的改善。

VA液晶(Vertical Alignment liquid crystal)是垂直排列液晶的简称。初期状态的VA液晶中液晶分子垂直于偏光镜平面排列,这时候光线无法透过,屏幕为黑色。对导电板施加电压后,液晶呈倒伏状排列,导致光线双折射透过液晶。因而这种面板具有较高的对比度,较低的漏光度和温和的色温。同时,后来多域(Multi-Domain)技术出现,将液晶分子分为上下左右前后6个域倒伏解决了视角方向性的问题,其可视角度提升到178度,可以改善TN面板失色的问题。VA面板的不足之处在于色彩饱和度比IPS面板要低,而且在左右看的时候会有一些偏白的现象。

OLED(organic light emitting diodes)是有机发光显示面板的简称,其相对于薄膜晶体管液晶显示面板的最大区别在于每个像素点为单独驱动的发光单位,不需要TFT-LCD中的背光源。其显著的优点在于较广的观测视角,高对比度,更高的光电转换率(>200 lm/w),高响应速度,制程简单和弯曲可穿戴。根据面板底部驱动矩阵的不同,OLED可以分为主动矩阵式(AMOLED)和被动矩阵式(PMOLED)两大类。PMOLED简单地以阴极、阳极构成矩阵状,以扫描方式点亮阵列中的像素,每个像素都是操作在短脉冲模式下,为瞬间高亮度发光。优点是结构简单,可以有效降低制造成本,然而驱动电压高,使PMOLED不适合应用在大尺寸与高分辨率面板上,与未来的发展不相匹配。而AMOLED则是采用独立的薄膜晶体管去控制每个像素,每个像素皆可以连续且独立的驱动发光,可以使用低温多晶硅或者氧化物TFT驱动,优点是驱动电压低,发光元件寿命长。不过其缺点在于成本较高以及制作工艺更为复杂。

微发光二极管显示(Micro LED,又称为μLED)是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸仅在1~10μm等级左右,然后将μLED批量式转移至电路基板上(含下电极与晶体管),其基板可为硬性、柔性的透明、不透明基板上。再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完成结构简单的Micro LED面板。μLED典型结构是一PN接面二极管,由直接能隙半导体材料构成。当上下电极施加正向偏压于μLED,致使电流通过时,电子、空穴流向主动区(Active region) 复合,而发射出单一色光。μLED发光频谱其主波长的半高全宽FWHM仅约20nm,可提供极高的色饱和度,通常色域可大于120% NTSC。(引自:维基百科
自2008年后LED光电转换效率大幅提高,100 lm/W以上的LED已成量产的标准。而在Micro LED面板的应用上,因为其自发光的显示特性,辅以几乎无光耗元件的简易结构,故可轻易达到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗)或高亮度(1000 nits以上) 的显示器设计。即可解决目前显示器应用的两大问题,一是穿戴型装置、手机、平板等设备,有8成以上的能耗在于显示器上,低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力;一是环境光较强(例:户外、半户外)致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题,高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。(引自:LEDinside

显示技术的不断更迭给我们带来更加完美的视觉享受,希望我们国内的众多显示厂商可以继续深耕于自身的技术积累和新技术的研发探索,领跑国际视界!

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