显示技术发展历程及市场变革

显示技术发展历程及市场变革一、技术发展历程在2013年FPD峰会上，京东方董事长王东升将显示技术进行了一个分类，将CRT和PDP归类为真空显示；把TFT-LCD、AMOLED、柔性显示等归类为半导体显示。半导体显示是指通过半导体器件独立控制每个最小显示单元的显示技术统称。它有三个基本特征：一是以TFT阵列等半导体器件独立控制每个显示单元状态；二是主要应用非晶硅(a-Si)、低温多晶硅(LTPS)、氧化物(Oxide)、有机材料(Organic)、碳材料(CarbonMaterial)等具有半导体特性的材料；三是主要采用半导体制造工艺。与半导体显示技术和产品相关的材料、装备、器件和相关终端产业链统称为半导体显示产业。王东升总结LCD替代CRT、PDP的原因为“TFT-LCD脱颖而出是因为它顺应了半导体技术替代真空电子技术这一历史大趋势。”1.1从CRT到LCD/PDP：平板显示与球面显示的竞争1897年CRT诞生，CRT包含一个能够通过电子束触及磷光表面创造出图像的真空管。之后，此项技术被用于早期电视和电脑显示器上显示图像，一直到20世纪80-90年代CRT逐步被LCD显示所替代，到目前为止CRT已基本退出历史舞台。1964年首个LCD(液晶显示器)和首个PDP（等离子显示器）双双问世。LCD技术使得平板显示成为可能。1972年首台液晶电视的诞生。2005-2006年LCD液晶显示的销售份额超过CRT，成为显示主流技术，到2010年市场上已基本没有CRT产品。CRT被淘汰的原因：由于本身重最重且很厚，加之结构(阴罩技术的限制)三基色荧光粉不能做小，因此无法实现屏幕大型化和轻便化以及像素性高清晰显示(只能达到800×600像素)，还有闪烁、X射线辐射、几何失真、清晰度和亮度不高等缺陷。表CRT、LCD、PDP性能对比项目CRTLCDPDP峰值亮度较高较低高亮度均匀性较差差好彩色还原能力好较好较好对比度高低较高响应时间小于0.001ms约4ms0.002ms可视角大小较大X射线有无无电磁辐射大小大耗能大较小较大成本低一般高重量重轻轻适宜尺寸小于41英寸小于82英寸37-105英寸适应HDTV一般较好好寿命大于25千小时大于60千小时大于50千小时性价比高一般较好CRT无法在新兴市场-笔记本电脑屏幕取得竞争优势，不能适应大屏化、轻便化与高清化的要求，同时非常成熟的技术也无法取得更多的技术红利，迫使厂商在性能不完全占劣势的情况下完全停产。1.2PDP与LCD的竞争：半导体技术与真空技术的对决发展到21世纪，等离子技术一直都主要用于大尺寸的屏幕（40英尺及以上）。2007年左右，LCD液晶电视凭借着更大的尺寸和更低廉的价格取代等离子电视PDP，成为主流。LCD是典型的薄膜制造工艺，制造工艺复杂，成品率低，大屏幕成本高，但清晰度有可能达到HDTV的要求；PDP是典型的厚膜制造工艺，制造工艺相对简单，成品率高，大屏幕成本低，未来在大屏幕HDTV显示器领域有一定的优势。LCD为低压驱动，驱动集成电路数量少，可以采用常规的半导体CMOS工艺兼容，集成电路成本低；而PDP为高压驱动，驱动电路成本高，数量多，而且集成电路需要封装，制造工艺复杂，因此PDP的驱动电路成本是LCD的5～10倍，长时间使用容易出现局部点的烧屏现象也是其不足。在PDP模块中，电路成本占60％，模块成本占40％，LCD模块则相反。以半导体技术为基础的LCD技术由小尺寸向大尺寸发展的速度远快于以真空电子技术为基础的PDP技术由大尺寸向小尺寸渗透的速度。半导体技术自身持续的快速进步，极大推动了整个电子信息产业生态进步和发展，极大改变了人类生活、生产方式和产业生态，人类迎来了发展新纪元。电子信息产业生态链的基本价值体现，就是更快速、更便利、更舒适、更安全的将一部分人的知识、智慧、经验和体验与另一部分人进行互动、分享和升华，从而改变人类生活、生产方式，实现人类更美好未来。从电子信息产业生态看到，显示器件是基础和骨架，是人与人互动分享不可或缺的界面。显示器件在电子信息产业生态链的影响力和带动力将不断提升，其自身进步发展也将与产业生态进步发展相适应、相促进。在LCD与PDP的竞争过程中，有多方面的原因：从终端来看，LCD抓住了新兴市场-智能手机领域，在与PDP的竞争过程中不断扩大规模；从竞争参与者来看，LCD阵营的三星、LG、夏普等多家企业联合开发推广，为扩大规模相对开放，而PDP阵营则是以松下为主，为保护技术领先优势相对封闭；从技术发展来看，LCD与半导体技术的结合更为紧密，大尺寸玻璃基板、LTPS技术的采纳有助于成本的降低与性能提高，并实现大尺寸化。1.3LCD的技术变革：半导体技术的逐步渗透1）驱动技术的变更：从单色到多色、由低性能到高性能液晶显示(半导体技术的逐步渗透)。TNLCD属于被动矩阵式LCD器件，显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，通过水平方向控制电场，垂直方向控制液晶材料的方式来显示图像。TN-LCD的缺点在只能显示黑色，同时尺寸越大显示效果越差。STN型液晶也属于被动矩阵式LCD器件，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。它的好处是比TN-LCD对比度高、比TFT-LCD功耗小，具有省电的优势，其产品主要应用在计算机、闹钟、低端手机等领域。TFT-LCD用液晶材料由于采用薄膜晶体管阵列直接驱动液晶分子，消除了交叉失真效应，因而显示信息容量大；配合使用低粘度的液晶材料，响应速度极大提高，能够满足视频图像显示的需要。因此，TFTLCD较之TN型、STN型液晶显示屏技术有了质的飞跃。表TN、STN、TFT原理、特性和应用范围的对比类别TNSTNTFT原理液晶分子扭转90°液晶分子扭转240°～270°液晶分子扭转90°以上特性黑白、单色，低对比度黑白、彩色（26万色），低对比度，较TN佳彩色（1667万色），高对比度，较STN佳全色彩化否否全彩色动画显示否否可以视角狭窄（30°以下）狭窄（40°以下）狭窄（40°以下）面板尺寸1～3英寸1～12英寸12英寸以上应用范围电子表、计算器、简单的掌上游戏机、移动电话电子词典、移动低档笔记本电脑移动电话、笔记本电脑、液晶彩显、液晶彩电2）半导体技术的结合TFT-LCD的生产中大量应用到了半导体工艺，非常成熟的半导体工艺与设备使得LCD的大规模生产成为可能。在制造TFT基板时，除了在厚约0.7~1.1mm的玻璃基板上集成薄膜晶体管外，与现在的主流半导体或集成电路制造工艺几乎完全相同。玻璃基板大型化长期以来，人们认为LCD的面板尺寸很难超过76cm(30in)以上。然而，随着基板尺寸的迅速增大，尺寸已经不再是束缚LCD的问题了，随着第5代甚至更大基板的采用，已经有人认为LCD的优势恰恰在于可以通过简单的半导体工艺做成大尺寸显示。大尺寸基板的采用无疑是LCD业界重要的技术与产业进展。低温多晶硅技术的成熟由于多晶硅的电子迁移率是非晶硅的几十~几百倍，因此就可将驱动IC设计在基板的面板上，从而带来LCD外部电路的大幅简化，最终使得TFT-LCD的制造成本降低10%～15%。同时多晶硅还可使屏的开口率提高10%，这意味着相同耗电量下可使亮度提高10%(即相同的亮度下省电10%)。此外多晶硅中载流子的迁移率高使得像素和TFT晶体管布线的精细化成为可能，这样就带来了显示屏分辨率的提高。2015年LTPS在所有面板中的占比己经达到32%。表不同背板技术性能对比技术α-SiTFT-LCDOxideTFT-LCDLTPSTFT-LCD电子迁移率较差好很好制程温度200-350180-350250-400电子稳定性较差好很好制程光罩数4-64-69-11成本低中高分辨率中等较高最高良率高不易控制较低1.4OLED技术，LCD技术的延伸与发展OLED技术与LCD技术同源，TFT-LCD有六个部分组成，分别为：偏光片、彩膜、液晶、TFT阵列、偏光片、背光源。顶发光AMOLED有三个部分组成，从人的视线方向往里看分别为：密封层、有机发光层、TFT阵列。但TFT阵列的半导体材料已发生变化，其采用的是LTPS或Oxide。材料和工艺发生了革命性进步，器件结构也简单多了，但半导体显示的基本特征和技术基础并没有改变，柔性显示也同理，它们之间技术相关性和资源共享性高达70%，因此OLED可以看做LCD的延伸与发展。OLEDLCDOLED产品与技术优势视角宽度不受限制受限制视角宽，可达160度，侧视画面色彩不失真响应时间10-6秒10-3秒更适合播放动态图像，无拖尾现象发光方式主动发光被动发光不需要背光源，发光转化效率高，能耗比液晶低温度范围-40oC－80oC-20oC－60oC高低温性能优越，适应严寒等特殊环境工艺过程简单复杂制作成本更低，性价比更高器件材料全固态液态OLED器件为全固态机构，无真空、液体物质，抗震性好，可以适应巨大的加速度，振动等恶劣环境。显示方式柔性刚性OLED可采用塑料为背板材料，实现柔性化显示、超轻薄显示或透明显示LCDVSOLED与LCDvsCRT/PDP竞争对比相似性：LCD在与CRT、PDP的竞争过程中都把握了新兴市场：笔记本电脑与智能手机，有利于LCD在竞争中扩大规模从而降低成本。OLED在VR与可穿戴式设备中的应用有借鉴意义。差异性：LCD与CRT、PDP竞争时，本质上是其背后的半导体技术与真空显示技术在竞争，LCD的发展经历了液晶材料、驱动电路技术、玻璃基板、背板技术的变革后，到OLED与LCD竞争时，回到了材料与工艺的竞争上。LCD在与CRT、PDP的竞争过程中，决定淘汰的不是性能是否更优，而是生产商是否能取得更多的技术红利。LCD是一个相对成熟的技术，而OLED技术则有更大技术发展空间，如柔性化、透明化等趋势，有利于取得更多的技术红利。二、行业应用市场发展1972年初，日本夏普（SHARP）公司买下美国RCA公司的LCD技术，并在次年推出了第一款采用TN-LCD为显示面板的计算器（SharpEL-805）。1987年，夏普已经开始批量生产笔记本电脑用的小尺寸STN-LCD。1989年8月至1990年秋季，NEC、DTI和夏普，相继启动了各自的第一条大尺寸TFT-LCD量产线，拉开大尺寸液晶显示器产业的序幕。1992年9月，美国IBM公司完成了个人电脑事业部重组；两个月后推出了划时代的产品——IBM700C，它是第一款使用彩色TFT-LCD显示屏的笔记本电脑，采用DTI的10.4英寸彩色液晶屏，售价4350美元。1995年属于TFT-LCD开始真正实现商业，与CRT相比，关键核心竞争优势是轻薄、大尺寸化，切人第一个利基市场为笔记本电脑，当时液晶显示屏的价格极高，1995年一款15英寸的产品，价格就要3000多美元。后面厂商通过扩大规模逐步将成本降低。2002年，液晶面板在桌面电脑上替代CRT，并批量应用于电视。2005年LCD超越CRT成为主流技术，当时电视和PC电脑很大程度是使用CRT显示，随着LCD成本的逐步下降及各项指标提高如响应时间缩短，PC电脑逐步走向LCD，电视领域出现LCD和PDP两者竞争。PDP的缺点就是只能实现大尺寸。终端智能手机的出现，苹果将智能手机（LCD）市场引爆2007年以后智能手机的出现，需求量大幅增加，将LCD的成本进一步降低。PDP在某些领域性能由于LCD，但成本一直居高不下且技术主要垄断几家企业手中，导致PDP走向消亡。手机市场的同质化严重，显示厂商追求差异化2009年三星搭载OLED进入智能手机领域，一个原因是液晶显示面板的盈利能力在逐年下降，竞争加剧；二是OLED显示能实现低成本，以及曲面柔性化等优势，（其他的色彩鲜艳等并没能给用户带来量级提升，仅为改进），先发优势可获得较好的盈利能力。2010年，LED应用作为LCD背光源2009-2015年三星都保持一家独大的优势，2015年在获知国内上海和辉将会量产，年底就开始向国内手机厂商供应OLED面板，产能释放以及成品率的提高