买液晶，看面子——主流大屏幕液晶电视机面板技术
- 作者：赵兴涛&一鸣
- 原载：数字家庭 2006年第9期
- 版权：本文版权归赵兴涛&一鸣及数字家庭所有
液晶面板的产业并购与扩张
由于目前国际上的液晶面板代线的标准不统一，所以不同厂家虽号称同一代线但玻璃基板规格和生产效率并不同。
在日韩方面，夏普量产的第6代生产线玻璃基板为1500mm×1800mm，以生产37英寸、42英寸面板为主。另外，夏普05年下半年开始筹建的第8代生产线，玻璃基板为2160mm×2400mm，可切割成8块45英寸面板，以生产45英寸、52英寸面板为主，预计2006年10月投产。
2004年4月，索尼和三星合资创建了“S-LCD”公司，建成第7代生产线，于2005年第2季度开始批量生产。三星7代线玻璃基板为1870mm×2200mm，可切割8块42英寸面板，或6块46英寸面板，最小和最大支持切割26英寸和46英寸的LCD面板，以生产40英寸、46英寸面板为主。2006年4月，索尼和三星宣布：其合资企业S-LCD公司将把第7代生产线的生产能力由现在每月6万块提高至下半年的7.5万块，2007年初达到9万块。并将投资20亿美元合建一条第8代液晶面板生产线，预计于2007年秋天开始生产。
LG-Philips已于2004年第3季度投产第6代线，以生产37、42英寸面板为主。2006年上半年建成全球最大的第7.5代线并开始量产，1950mm×2250mm的玻璃基板可以切割8块42英寸或6块47英寸面板，良品率高，目前的42英寸面板月产能约10万块。2005年7月，富士通将液晶面板产业转让给夏普，进而转向扩大对中国台湾面板的采购。
在中国台湾方面，奇美目前拥有5代、5.5代与7.5代线。奇美的第5.5代线是针对30英寸面板设计的。目前，奇美开始积极布局42英寸面板，第7.5代生产线的良品率仍在提升当中，并规划用第5代生产线来生产42英寸面板，预计可以在第三季度开始量产。友达的第6代线于2005年第1季度全面投入量产，玻璃基板大小为1500mm×850mm，可达到32英寸切割8片、37英寸切割6片、40英寸切割4片的经济切割效益。2006年底友达7.5代生产线将投产，友达7.5代生产线与LG-Philips第7.5代线的玻璃基板和切割尺寸规格相同，主要生产42英寸和47英寸液晶面板。由此可见，日、韩厂商均是走扩大大尺寸面板产能、提高生产效益、降低制造成本之路。
2006年，面板产业呈现两个鲜明的特点：一是韩国、我国台湾垄断的局面进一步扩大；二是面板产业的整合与产能增长进一步加速。2006年4月，友达收购广辉，使友达成为32、37、40、42、46英寸系列规格最为齐全的面板厂商，大大增强了市场竞争力。
目前在市场上，32英寸以上大屏幕液晶电视机的面板尺寸，三星有32、40和46英寸，LG-Philpips有32、37、42和47英寸，中国台湾有32、37、42、46英寸。显而易见，中国台湾的面板尺寸最为齐全和最有优势，所以我国台湾面板在市场上扮演越来越重要的角色。据统计，目前全球约40%以上的液晶电视机用的都是中国台湾的面板。例如东芝的47英寸液晶电视机，用的也是友达的面板。我国台湾面板在物理分辨率上是一支独秀，目前市场上所有1920×1080分辨率的面板除少量的LG-Philpips面板外，几乎都是我国台湾生产的。另外27英寸液晶面板只有奇美生产。
面板技术提升视角、亮度和对比度
在CRT显示器中，由于屏幕的玻璃是非晶态的各向同性物质，因此像素的发光平均地向各个方向发射，眼睛在任意方向观察到的画面在理论上都是相同的，因此可视角度是180度，也就不存在可视角度的问题。但在LCD中，由于进入人眼的光线是偏振光且需要穿过属各向异性物质的液晶分子层，因沿长轴和短轴方向的折射率不同，所以用户观看的视角不同，看到的液晶分子的方向状态（有的为长轴、有的为短轴）不同，感受到的画面效果就不一样。当视角不断变大时，液晶显示器将出现对比度下降、颜色改变甚至灰阶逆转等现象，针对大屏幕液晶电视机，这个问题就更显突出。如果不解决，将会严重影响其应用价值。为此，厂商和研究机构开发出了成熟的解决方案。
早期实现广视角的具体思路就是用补偿膜进行视角补偿，或者将一个单元划分成几个液晶单元排列方向不同的畴，使得人眼在不同的位置能够看到液晶分子的“轴”长相近，从而得到近似的画面。直到今天，补偿膜和畴划分的衍生技术被广泛地应用于各种广视角技术方案。目前广视角技术的两个阵营：VA（垂直取向）模式和IPS（水平切换）模式以自己独有的技术特色获得了水平/垂直达到或超过170°的宽大视角，而且在响应时间、亮度、对比度和色彩上有了很大的进步。
1. VA（Vertical Alignment）技术
富士通（FUJITSU）的MVA（Multi-domain Vertical Alignment）、三星的PVA（Patterned Vertical Alignment）和夏普CPA（Continuous Pine-Wheel Alignment）、ASV（Advanced Super V）技术统称为VA（垂直取向）技术。垂直取向技术的特点是：液晶分子的长轴在未加电时垂直于屏幕（传统TN模式平行于屏幕），并通过某种介质或外力（电场力）使每个子像素液晶分子呈多畴取向排列，让视角更为宽广并大幅度缩短响应时间。
(1) 富士通的MVA技术
MVA技术是垂直取向阵营的代表技术，最早由富士通公司开发,而后衍生出了Super-MVA和MVA-Premium技术。Super-MVA技术目前被奇美采用，富士通、夏普（夏普合并富士通的LCD部门后获得）、友达光电采用MVA-Premium技术。MVA技术液晶排列取向与驱动原理是，其液晶分子的长轴在未加电时不像传统TN模式那样平行于屏幕，而是垂直于屏幕，并且每个像素（子像素）都是由多个这种垂直取向的液晶分子畴（双畴、四畴等）组成，分别指向不同的方向，从而获得更精细的点距和更好的广视角效果。MVA多畴排列的实现是采用了在电极表面的取向膜植入凸起物的办法，这一技术也被称为ADF（Automatic Domain Formation，自动畴生成）技术。
在未加电压的时候，凸起物的作用是控制位于其表面的液晶单元沿着凸起物的斜坡排列，其余液晶单元则是垂直电极排列。当电压加到液晶上时，凸起物表面的液晶单元开始运动，并带动着畴内的液晶分子向同一方向取向，整个像素就都获得了稳定的取向，这样从不同的角度观察屏幕都可以获得相应方向的补偿，也就改善了可视角度。同时当液晶分子加电时由凸起物表面预倾的液晶单元迅速带动远离电极的液晶分子转动，使液晶分子步进至预定位置的速度相对更快，大大提高了液晶分子的响应速度。
为提高显示效果，MVA技术中还采用了简化TFT基板和简化彩色滤光片基板的设计。简化TFT基板与传统MVA的设计差异在于：取消TTFT基板表面的ITO像素电极表面的取向膜植入的凸起物，而在相应的位置蚀刻缝隙代替。通用电极表面的取向膜依然植入凸起物，这样当加电压时也能够产生倾斜的电场，与使用凸起物产生的效果一致。简化彩色滤光片基板与传统MVA的设计不同之处是：将红、绿、蓝三种色彩的树脂滤光片在像素边缘叠加和叠加层下使用柱状间隙子，减少了光泄漏，解决了原来使用黑网格以及叠加层下球状间隙子（固定效果差）时所导致的光泄漏严重的问题。
由于MVA特殊的电极排列方式会形成不均匀的电场强度，从而造成灰阶畸变。尽管可以通过提高驱动电压精确控制液晶分子的转动来得到有效改善，但仍不尽人意。
目前最新的MVA技术是MVA-Premium。它采用了改进的锯齿状像素电极，使得电场形状更加均匀，液晶单元取向更整齐，转向控制精度更高，灰度控制更自然；此外，使用MVA-Premium技术的液晶面板还使用了一种新的树脂基彩色滤光片材料。使采用MVA-Premium技术的液晶显示器比通用的MVA液晶显示器有更大的视角、更高的对比度、更短的响应时间和更好的色彩表现力。
目前配合双轴补偿膜，MVA技术可以使液晶屏正前方达到高达1000:1的对比度。随着MVA技术面板多项先进生产技术的采用，以及友达、奇美公司产能的增加，采用MVA技术的液晶面板的成本大幅度降低，性价比优势突出，因此占据了大屏幕液晶电视机的中端市场。
(2) 三星的PVA技术
PVA（图像垂直取向技术）技术是三星公司开发的广视角技术，本质上也是一种与MVA类似的多畴垂直取向技术。不同之处是将ITO电极层用激光刻出一道道均匀的缝隙，并将上下层基板的ITO缝隙设计成依次错开的形式。这样平行的电极之间就产生了一个倾斜的电场。PVA技术采用了在上下两块透明的ITO电极上交错蚀刻平行的缝来代替MVA使用的凸起物，这样形成了与MVA技术类似的倾斜电场，驱动液晶分子形成双向倾斜的形态。透明电极可以获得更好的开口率，最大限度地减少了背光源的浪费，可获得优于MVA的更高的亮度输出和更好的色彩还原能力；但在纯黑色表现力上却比MVA略逊一筹。三星在此基础上又进一步开发了S-PVA技术。S-PVA技术采用了将一个子像素一分为二的构造：通过在子像素上增加到倾斜角度不同的8个方向（8畴）的液晶分子，代替传统的PVA通过将以某一角度倾斜的液晶分子按4个方向（4畴）呈放射状的配置，来改善视角依赖性。这样S-PVA液晶颜色随视角变化相对PVA减少了60%，可视角度进一步增大。另外，还采用了液晶分子预倾斜与过驱动（Over Drive）技术相结合的方法，提高了响应速度，灰阶响应时间达到8ms。为了降低黑级别，在完全垂直配置液晶分子的同时，采用了新的偏光片，实现了不到0.5cd/m
PVA技术由于其强大的产能和稳定的质量控制体系，被日美厂商广泛采用。同时在索尼和三星的推动下，市场前景看好。不过有个有趣的现象，却让人不理解：SONY的V系列采用的都是S-PVA面板，而同期的三星只有46英寸的LA46M51B采用此种面板，32、40英寸的则是普通面板。
(3) 夏普的ASV技术
夏普的ASV技术也是类似于MVA的广视角技术。它采用了类似三明治的结构，在上下两层电极之间的液晶层中的液晶分子多畴均匀排列，并有一定的预倾角。预倾角有高低两种状态，由紫外光配向控制，当紫光照射时为低预倾角状态。这样不但使视角加宽，而且进一步减少了响应时间，单帧响应时间达到1/60秒。同时，为了进一步补偿视觉效果。ASV技术还使用了两层视觉补偿膜，使得水平睡直视角都达到了170度。借助夏普的低反射率超黑TFT液晶，ASV技术达到了500:1以上的对比度。不过ASV技术的实现成本比MVA和PVA都高，这也妨碍了它的进一步推广。
(4) 夏普的CPA技术
夏普CPA技术是通过液晶分子的特殊排列方式进行视觉补偿的技术。CPA模式每个像素都具有多个方形圆角的子像素电极，在未加电状态下，液晶分子也是分子长轴垂直于面板方向呈互相平行的中心放射状排列。当电压加到液晶层子像素电极和通用电极上时，形成一个对角的电场驱使液晶向中心电极方向倾斜。各液晶分子朝着中心电极呈放射的焰火状排列。由于像素电极上的电场是连续变化的，所以这种广视角模式被称作“连续焰火状排列（CPA）”模式。
总的来说，VA技术在不增加更多复杂工艺的情况下，增加了视角角度、改善了响应时间、提高了对比度与亮度输出，但单色差明显的缺点有待改进。
2. IPS（In-Plane Switching）技术
日立（HITACHI）的IPS技术称为平面切换模式技术，是水平切换模式阵营中的代表技术。该技术是由日立公司提出的，目前已经发展了四代。与MVA技术不同的是，在IPS技术中，液晶分子的长轴方向不是垂直于电极，而是平行于电极与基板的。当加电压后，液晶分子的偏转也是在与基板平行的平面内进行，所以被称为“平面内切换”。它的另一个技术特点是通用电极和像素电极在同一个面上，而不像其他液晶模式的电极是在上下两面、立体排列的，也只有这样才能营造一个平面电场以驱使液晶分子横向运动。
IPS技术使得观察者只能“看到”液晶分子的短轴方向，因此可以提供比MVA技术更均匀的视场。但IPS模式在斜45度角上——左上、右下45°处观察会看到有类似TN模式那样的灰阶逆转现象，但可以采用光学薄膜来补偿。
另外，IPS技术也有自己固有的缺点：靠近电极的液晶分子的响应速度更快，而远离电极的液晶分子响应速度较慢，即使采用过驱动技术所需的驱动电压（达1.5V）也较高。同时，IPS模式的响应速度也不像MVA和PVA技术那样容易提高；其次，偏振光在通过液晶分子时在不同的视角方向上会有色畸变；此外，由于电极排列在一块基板上，降低了开口率，降低了透光率，因此IPS模式的液晶屏需要更亮的背光系统，从而导致功耗的增加。
为了改善这些缺点，第二代IPS技术——Super IPS技术采用了“人”字型电极控制以一次配向达成方位上的多域（2D）设计。巧妙地把一个子像素分成双畴，这样就抵消了IPS模式在斜45度角上的灰阶畸变；第三代IPS技术AS-IPS（Advanced Super IPS）减小了子像素和畴的间距，并且将开口率提高了大约30%，进一步把光学补偿膜加在AS-IPS上，更是增加了整体光的穿透率，提高了亮度和色彩重现度；而最新的IPS技术是日历在去年秋季发布并且投入使用的AS-IPS2，该技术改变了传统IPS设计中通用电极和向液晶元件加电的像素电极在绝缘膜上的同一个平面上的弊端，而将通用电极设计在绝缘膜下面，加大了像素电极的距离，并且扩大了通用电极的面积。这样的设计使得电极还能向开口部分以外的液晶分子有效施加电场，从而减少了这部分的光泄漏，避免了暗态漏光和对比度下降。全球第二大的面板生产商LG-Philips以及中国台湾的瀚宇液晶都支持并使用Super-IPS，因此IPS技术的前景看好。
IPS技术具有视角广、对比度高的优点，但是反应时间较长、开口率较低（导致背光灯亮度增加）和驱动电压较高等缺点是今后改进的方向。
综上所述，目前广泛应用的以广视角为主导的面板技术有日历IPS技术、富士通的MVA技术、三星的PVA技术、夏普CPA和ASV技术，主要解决大屏幕液晶面板的暗态漏光、视角、响应时间、亮度、对比度和色彩还原等方面的瓶颈技术。
将于2007年1月1日起实施的《数字电视液晶显示器通用规范》明确规定，液晶电视机在全黑屏情况下漏光必须≤4cd/m
在广视角方面，IPS技术最优秀，表现最好，专利费用和成本提升也最高。广视角技术不但体现在视角的大小，而且体现在视角改变时的图像质量变化上，即色偏、灰阶、穿透均匀性等。就光穿透均匀性和色偏、灰阶随视角的变化来看，IPS技术要优于VA技术。IPS平面控制模式是一种比较完美的宽视角解决方案，基本上画面不会随视角的变化而出现明显失真；MVA则随观看角度的增大会出现颜色变淡的现象，这一典型特性是判定MVA技术的重要依据。
在实现高分辨率上，MVA技术的特点相比IPS技术更容易实现，这就是目前为什么市面上所有1920×1080分辨率大屏幕液晶电视机的面板几乎都是出自我国太晚友达（MVA技术）的原因。从响应速度来看，MVA技术比IPS技术相比提升更容易。从生产成本来讲，IPS技术生产成本要高于VA技术，这也是目前市场上采用LG-Philips面板的大屏幕液晶电视机价格较高（高端市场），而采用MVA技术的台湾友达面板的大屏幕液晶电视售价较低的原因（中端市场）。
尽管上述面板技术较好地解决了面板的漏光问题，但是目前市场上液晶电视机漏光投诉仍呈上升趋势，主要是电视机厂商为了单纯提高面板亮度而增加灯管数量，而不是通过增强面板透光率的技术来解决。这样一来，漏光（以四角漏光为主）的问题就很容易出现。
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