目前新型显示主要包括LCD、PDP、LCOS、DLP、SED、OLED,但专家强调,激光显示(LD)、厚膜电致发光(TDEL)、半导体发光二极管显示器(LEDD)、电子纸(E-ink)等亦属新型显示技术。平板显示是多学科交叉的技术领域,技术发展速度快,技术发展潜力巨大,中国在平板显示领域的技术创新呼唤投资理念的更新。
为了将这些显示技术领域的技术发展状态作一个整体的了解,本报特邀请了各领域内技术专家来进行具体讨论,专家有:复旦大学平板显示工程研究中心主任谷至华教授,中国光学光电子行业协会液晶专业分会前秘书长刘培政教授,清华大学电子系李德杰教授,中国电子视像行业协会大屏幕投影显示分会秘书长赵汉鼎,东南大学王保平教授。
PDP:中国正在突破
目前PDP的主要核心技术还是掌握在日立、松下、富士通、三星、LG等5家手中。关键的核心技术主要集中在制造(包括重大装备)、驱动、结构、工作原理等方面,目前已经申请的专利达1000项左右。5家掌握PDP核心技术的厂家都有独到之处。
中国在PDP的核心技术领域已经开始取得突破性的发展,特别是东南大学阴罩式PDP的研发成功。王保平表示,目前该项技术已经作为技术入股至南京华显公司,明年6月份将正式投产,每年可生产150万台左右的42英寸、50英寸、60英寸的PDP电视。再加上长虹和彩虹已经共建的PDP屏生产线,中国在PDP领域将会拥有一部分自主知识产权。
到目前为止,中国在PDP领域拥有的专利约100项,其中东南大学拥有40多项,值得一提的是,东南大学拥有的专利比较具有产业链的系统性和完整性,包括驱动、结构等。而且这是不同于松下、富士通等企业的结构,模组也是自己的。
王保平认为,中国在PDP核心技术上之所以取得突破,一个最大的原因是,PDP所需要的成本低于液晶,比如一条等离子屏的生产线需要投入24亿元人民币,而液晶屏则需要上百亿元。
不过,刘培政认为,现在阴罩式PDP所使用的障壁技术能否与目前PDP电视技术相竞争,还需要真正产业化以后才可看见结果。
LD TDEL:中国显示产业发展的机会
LD和TDEL两种显示技术是刚刚兴起的显示技术,对于中国显示产业来说是一个机会。谷至华认为如果我们能够抓住TDEL技术在中国实现产业化的机会,有可能令中国大屏幕平板电视产业后来者居上。
LD显示技术具有色彩锐丽、低功耗、应用领域广泛的显著优点,即使在没有显示屏幕的情况下也可以显示,甚至可以在天空中显示。今年东芝做了500平方米LD显示的演示,其实LD显示即可以做到很小,也可以做到很大,应该不受屏幕大小的影响。
值得一提的是,中国长春光机所已经将该项显示技术的60英寸普通电视样机做出来,目前需要努力的是,要开发高功率的固体激光器,现在国内只能做到0.7瓦。
TDEL显示器由于优良的技术性能,中小尺寸显示器已经广泛地用于西方军事等特种领域。TDEL显示技术作为大屏幕平板电视是一项最有可能后来者居上的技术。该项技术由一位加拿大华裔科学家发明,成本非常低,一台42英寸TDEL显示器的成本在300美元左右。
谷至华教授强调,平板显示技术满足了信息社会的根本技术需求,继汽车和计算机产业之后成为第三个具有全球影响力的高新技术产业正在迅速崛起。平板显示决不仅仅是大屏幕数字化平板电视,平板显示技术的真正意义在于它将把人类带入移动和无纸办公时代,把人类由“地球村”时代带入“智能星球”时代,是实现人类智能延伸与共享的智慧之窗。电脑-电视-电信一体化是信息产业发展的方向,三电一体化最后都要统一到平板显示的麾下。在未来的100年甚至更长的历史时间平板显示技术是信息社会的基础产业,是信息技术的核心器件。发展平板显示技术决不是权宜之计,这是一个新的技术时代的开始,大量的工作现在刚刚开始。
TFT-LCD:韩美日逞强 中国内地刚起步
12项核心技术
TFT-LCD的核心技术主要包括:
1.材料技术:液晶、玻璃、偏振片、彩膜的制造技术;
2.驱动技术:驱动IC、时序控制IC等电路的设计与制造;
3.设计技术:TFT阵列设计,TFT设计技术,像素设计技术,布线设计,彩膜阵列设计,液晶盒设计,模块设计,功能设计,部件设计,材料设计,新器件设计;
4.设备技术:设备设计与制造技术,包括动力、溅射、CVD、光刻、摩擦、液晶注入(在2000年以前日立完成了ODF技术的专利申请,ODF技术使液晶注入时间由10个小时减少到1个小时以内,在5代线上投入使用)、组盒;
5.生产控制技术:自动化集成,流程控制;
6.画面控制技术:图像增强技术;
7.宽视角技术:应用最广泛的是TN+
Film广视角技术,它只是在原来液晶面板上增加一道贴膜工艺,该技术成本低廉,所以广泛应用在低端市场,遗憾的是,TN+
Film可视角度无法达到160度以上。IPS(In-Plane Switching)由日本Hitachi公司1995年发明。NEC根据ISP技术开发成功了SFT(超精度TFT)的广角LCD技术。随后又有很多技术诞生,如VA(Vertical Alignment)、MVA(Multi-domain Vertical Alignment)技术、夏普的CPA广视角技术、NEC的Extra View技术等。目前液晶的视角问题基本解决,在对比度大于10∶1的情况下,视角达到170度;
8.快速响应技术:液晶改性技术,超薄液晶盒技术,过载驱动技术,OCB;
9.背光技术:LED,CCFL,光导板,逆变器,光学膜,场序技术(2000年美国和欧洲开发出代替直下式CCFL光源的平板荧光灯背光源。2004年日本
Sony首先开发成功LED大屏幕液晶电视背光源,2006年韩国三星电子展出了无彩膜LED场序列背光源);
10.制造技术:工艺技术,3/4次光刻(从5次光刻到4次光刻、3次光刻。2000年以前形成专利,2003年投入使用。7.5代TFT-LCD生产线开始采用3次光刻技术),在线检查;
11.组线技术:厂房设计,动力匹配,设备选型,工艺设计,材料配套,环保控制,管理系统集成;
12.高迁移率TFT技术:高温多晶硅,激光退火低温多晶硅,金属诱导低温多晶硅,ZnO-TFT,有机TFT等。
设备技术专利更重要
除了TFT-lcd屏的专利以外,其实更重要的是设备技术的专利。
TFT-LCD设备技术中的核心是金属和非金属的成膜设备,主要由美国AKT公司垄断。曝光设备主要由日本佳能、奥林帕斯、理光等垄断。其他设备如清洗设备、显影设备、刻蚀设备和剥离设备、摩擦设备、液晶注入设备、封装设备、片设备、精密的检测设备、修复设备、控制设备、管理软件等基本上都掌握在欧美和日本厂商手中。
材料技术最主要的是玻璃基板,基本上控制在美国康宁和日本亚硝子、旭硝子等手中。其中美国康宁占据51%的市场,日本旭硝子占据28%的份额,而能够为5代以上生产线提供配套的也只有这两家,虽然玻璃基板只占据TFT-LCD产品成本的6%-7%,但是却是“卡脖子”的关键材料,也是利润最丰厚的。
其中占成本25%以上的CF,基本都控制在日本凸版印刷、大日本印刷手中,其中日本凸版印刷占全球市场的20%,占第一位,实际上全球绝大部分CF厂商的技术都是由凸版印刷、大日本印刷两家授权的。
占TFT-LCD成本23%-38%的背光源,关键材料如CCFL灯管、增亮膜、导光板等,绝大部分都掌控在日本厂商手中,日本旭化成、三菱螺荣、住友化学控制了80%的导光板市场,美国3M公司控制背光源大部分光学膜片技术与市场。
日本富士写真占据80%以上的TAC薄膜和95%以上的补偿膜市场;日本电工和大日本印刷占据了90%以上的抗眩膜份额。
日东电工、三立、住友化学等大厂商控制了占TFT-LCD成本12%-15%的偏光片市场。
TFT-LCD生产需要大量的化学材料,如光刻胶、显影液、刻蚀液、剥离液、清洗液、配向液、封框胶等基本上控制日本厂商手中。
在环保技术领域能否拥有独一无二的技术,今后将决定一个企业的命运。
中国专利较少
最近5年TFT-LCD专利按技术分类主要集中在TFT阵列设计的改进上,一共有大约1600项;其次是低温多晶硅技术,一共有近600项,然后依次是工艺技术300多项,液晶盒技术近300项,驱动技术200多项,最后是彩膜技术约80项。
韩国的专利数量最多,近2000项,其次是美国700多项,日本约300项,中国台湾140多项,欧洲不到10项。
中国内地在TFT-LCD大规模生产技术领域介入的时间较短,现在形成的自主知识产权比较少。中国技术改进主要集中在IC电路上,比如京东方的宽视角技术专利、海信的“信芯”。2005年SVA-NEC技术部申报了将近30项专利。
微显示:LCoS被看好
微显示(HTPS-LCD、DLP、LCOS)投影设备来讲,主要表现在成像器件及模块方面。
1.高温多晶硅(HTPS-LCD)成像器件:
该器件(面板)设计与制造技术现掌握在日本索尼、爱普生和韩国日进公司三个企业手中,我国企业没有掌握,根本谈不上自主知识产权技术。
2.数字光处理技术(DLP)
数字光处理技术(DLP)是以数字微反射镜(DMD)作为光阀成像器件,采用数字光处理技术(DLP)调制信号驱动DMD光路系统,再通过投影透镜获得大屏幕图像。
其核心技术是成像器件数字微反射镜(DMD)的制造,现在主要掌握在美国德州仪器公司(TI)手中,近来上海明锐公司据说已开发相同产品,但未见投入市场。
3.硅基液晶(LCoS)成像器件
硅基液晶(LCoS)成像器件其设计与制造技术是开放的,美国、欧州、日本以及中国台湾和香港都在研发,有的已经投产,如日本索尼、胜利、日立,美国的阿罗拉、SYNTAX-BRILLIAN、高像,中国台湾的微型、ELCoS等都有产品投放市场,还有一些企业研发工作也取得进展。我国南开大学在LCOS成像器件研发工作上也取得了一些成就,并申请一些专利,这是有自主产权的核心技术;在硅片(CMOS)制造方面,上海中芯国际微电子公司已掌握这方面技术,并正在给阿罗拉等企业代工。
LCoS是2000年开发出的用单晶硅片做基板的高分辨率、低价格、反射式液晶显示器件,将TFT、外部驱动电路及控制电路直接集成在单晶硅片上。普通的LCD有大量密集的外部引线,如一个1024×768像素点阵的LCD便有2592条外部引线,而LCoS由于其一体化的IC结构,在外部仅几条数据控制线、时序线及电源线等。具有高可靠性、高稳定性、结构简单化、成本低等特点。LCoS主要的核心技术是液晶盒的封装。LCoS的开口率高达96%以上,这是非晶硅TFT无法比拟的。LCoS响应速度可达微秒级。采用场序时间彩色技术不仅提高了显示的分辨率,也大幅度降低了显示器件的成本。
LCoS的关键技术主要包括:材料技术,LCoS液晶材料与非晶硅TFT液晶材料不同,要求液晶响应速度快,在50℃以上的温度正常工作;特殊的设计、工艺与检测技术,特殊的设计技术包括液晶与IC的综合设计与制版、微型精密结构的设计与加工技术等;LCoS还需要一些不同于普通IC和LCD的特殊电光参数的检测技术,这是控制LCoS质量的关键,还需有专业测试分析软件,其中包括数据追踪软件、时域分析软件及频域分析软件。
SED OLED:处于中试阶段
SED尚有技术陷阱
SED的核心技术掌握在日本佳能和东芝两家手中。其关键技术是薄膜的做法,佳能运用以往的喷墨技术在薄膜上喷一层氧化钯,这一喷墨技术便具有独特性。佳能和东芝仅薄膜上的专利已经总共申请了500多项专利,在中国申请了100多项专利。
今年,佳能和东芝首次演示55英寸SED面板的影像。2005年CEATEC展上曾作为模型做过展出,当时没有进行影像显示。佳能与东芝的合资公司SED的社长福间和强调,将调整此前实用化日程,“2007年底开始销售SED电视,2008年正式投入量产”。
但SED的前景仍然不容乐观,李德杰认为,SED技术还存在很多技术陷阱,比如驱动电流过大,需要上安培,而普通的电视只能是200毫安;激活过程也需要太长时间。
不过,“横向场发射”技术仍然是一种发展方向,这种技术的实现有很多种类,SED只是一种,目前清华大学正在研究另一种可实现“横向场发射”的技术。
OLED渐成发展热点
现在大家关注的有机电致发光本质上是电流器件,即有机发光二极管(organic
light emitting diodes,OLED)。有机电流器件做成大面积显示器是有困难的。解决有机材料在大电流、强光的作用下降解老化引起的稳定性问题和寿命问题是对材料工作的一个巨大挑战。虽然如此,但有机电致发光结构简单,又轻又薄,响应速度(亚微秒)快等特点,所以是显示技术的发展方向。
OLED是国际上发光与显示的研究热点,全球有160多家企业投入OLED相关研发,100多家高等院校从事OLED的基础研究。
2005年日本九州电力等开发出了初始亮度为400cd/m2,CIF坐标值为(0.14,0.21),寿命达到1万小时,电流效率为9cd/A的蓝色OLED元件。
从产业上看,2001年OLED产值为7200万美元,2005年已经达到了6.2亿美元。虽然绝对值不大,但是增长的速度十分惊人,5年之内增长了9倍。预计2008年,世界OLED产业将增长到50亿美元的市场规模。
从产业区域分布来看,主要集中在东北亚。2005年第四季度中国台湾OLED厂商出货量占全球比重41.7%,韩国34.7%,日本22.1%。韩国三星SDI公司将选择第四代标准的玻璃基板(730mm×920mm)建立OLED生产线,2006年开始量产,最高产能每年将达到2000万块有源OLED手机屏。
中国台湾OLED厂商铼宝与悠景将继续发展无源OLED器件,并积极发展有源OLED产业。友达、统宝与奇晶光电本身有TFT生产线。统宝和PHILIPS的合并也意义重大。
虽然日本Sanyo与Pionner退出AMOLED市场,并不会影响全球OLED产业发展。但日本、韩国以及中国台湾的许多小厂近两年纷纷退出OLED市场,说明OLED的发展已经进入一个理性发展阶段。
中国内地在OLED研究上已经取得了一些突破,比如华南理工大学也在上海已经建立了一条3英寸以下小规模量产生产线。
刘培政认为,无论是SED还是OLED,10年内都不能和LCD、PDP相比,两者都还属于中试阶段,远未到批量生产阶段,还有很长的路要走。