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| ＬＣＯＳ顯示技術現狀及發展 |
更新時間：2007-11-16 11:35:44
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編輯：映君
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摘要 ＬＣＯＳ顯示是ＬＣＤ與ＣＭＯＳ集成電路有機結合的反射型新型顯示技術，ＬＣＯＳ作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優勢，其應用產品被廣大消費者和業內人士看好，ＬＣＯＳ可能是ＨＤＴＶ的背投影技術發展的主要方向。在大屏幕投影顯示中具有重要地位，由于經濟和輕便，它將成為目前ＣＲＴ技術大屏幕投影電視機的主要競爭者。隨著ＨＤＴＶ的推廣應用，將加快其產業化進程。本文介紹了ＬＣＯＳ顯示技術的基本原理和特性，還介紹了近年來的發展及未來動向。
一、前言
直視式大屏幕電視和顯示器尚未大量投放市場，使投影顯示發展活躍起來，其中ＬＣＯＳ(LiquidCrystalonSilicon)反射式投影顯示剛剛迸人市場，引起業界的重視。因為ＬＣＯＳ技術借硅基ＣＭＯＳ集成電路技術，在單晶硅片上ＣＭＯＳ陣列取代a一Si ＴＦＴ ＬＣＤ中玻璃基板上a一Si ＴＦＴ陣列，相比之下前者生產技術更成熟，還有單晶硅遷移率遠高于a一Si遷移率，因此不僅適合于高密度、高分辨率、高開口率顯示，而且可以周邊驅動電路集成一體，甚至可以集成信息處埋系統。但ＬＣＯＳ微型顯示通過光學系統放大圖像幾十到幾百倍，帶來液晶顯示技術的新問題。本文介紹ＬＣＯＳ基本結構、光學系統、ＬＣＯＳ應用和市場及液晶顯示中的新問題。
今后ＬＣＯＳ主要將應用于數字化ＨＤＴＶ。據統計預測，該領域2000年產值為5億美元，到2004年產值將達到23億美元，年增長率為46.5％,是一種快速成長的新型顯示系統。
二、ＬＣＯＳ簡介
2．1 ＬＣＯＳ 面板架構
ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）屬于新型的反射式 ＭＩＣＲＯ ＬＣＤ投影技術，其結構是在硅片上，利用半導體制程制作驅動面板（又稱為ＣＭＯＳ－ＬＣＤ），然后在電晶體上透過研磨技術磨平，并鍍上鋁當作反射鏡，形成ＣＭＯＳ基板，然后將ＣＭＯＳ基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再注入液晶，進行封裝測試。見圖 1。在單晶硅片上集成ＣＭＯＳ和存貯電容器的陣列，通過開孔把漏電極和像素電極連結，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強光照射溝道，加一層金屬檔光層。另一側基板是ITO電極的玻璃板。液晶層盒厚愛像素尺寸限制，一般盒厚取幾微米。LC0S前投影放大倍數大，顯示區內不能用控制盒厚的隔墊物，或者盒厚取小于2微米，可用隔墊物。
 圖１ＬＣＯＳ 面板結構圖
ＬＣＯＳ投影機的基本原理與ＬＣＤ投影機相似，只是ＬＣＯＳ投影機是利用ＬＣＯＳ面板來調變由光源發射出來欲投影至屏幕的光信號，與ＬＣＤ投影機最大的不同是ＬＣＤ投影機是利用光源穿過ＬＣＤ作調變，屬于穿透式，而ＬＣＯＳ投影機中是利用反射的架構，所以光源發射出來的光并不會穿透ＬＣＯＳ面板，屬于反射式。ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片為電路基板及反射層，然后再涂布液晶層后，以玻璃平板封裝。
2．2 投影顯示系統架構
ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片為電路基板，因此無法讓光線直接穿過，其分光合光系統設計和ＬＣＤ投影機有些不同，通常需要在分光合光系統中利用偏極化分光鏡（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｅｒ；ＰＢＳ），將入射ＬＣＯＳ面板的光束與反射后的光束分開。
（ａ）偏極化分光鏡（ＰＢＳ）的功能：
ＰＢＳ是由兩個４５度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡，當非線性偏極化光入射ＰＢＳ時，ＰＢＳ會反射入射光的Ｓ偏光（垂直入射線平面），并且讓Ｐ偏光（平行入射線平面）通過。
ｂ）主要結構：
圖２是ＬＣＯＳ投影結構系統，用金屬鹵化物燈(亮度6000流明以上)或氖燈(亮度60000流明)，用拋物面反射鏡過濾紫外光和紅外光，再用冷反射鏡過濾紅外光，通過聚焦透鏡和復眼透鏡得到均勻的平行光，然后分色鏡分光，再通過PBS得到偏振光，通過ＬＣＯＳ反射進行合成并通過變焦透鏡投影到屏幕。ＬＣＯＳ投影機與ＬＣＤ投影機的主要結構在導光及分光合光部分的設計大同小異，只是在ＬＣＯＳ投影機系統中，ＬＣＯＳ面板前均多加了ＰＢＳ。
由光源所發出的光經由Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｍｉｒｒｏｒ（雙色鏡）后分成Ｒ、Ｇ、Ｂ三色光，此三色光分別通過各自的ＰＢＳ后，會反射Ｓ偏光進入ＬＣＯＳ面板，當液晶顯示為亮態時，Ｓ偏光將改變成Ｐ偏光，最后以雙色棱鏡（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｐｒｉｓｍ）組合調變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。
簡單來說，ＬＣＯＳ是直接與顯像管（ＣＲＴ）投影技術、高溫多晶硅液晶（Ｐｌｏｙ－Ｓｉ ＬＣＤ）穿透式投影技術、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）數據光學處理（ＤＬＰ； Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）反射式技術相關。這三項技術已發展成熟，故ＬＣＯＳ可成為投影顯示技術的新主流。
 圖 2 ＬＣＯＳ投影系統結構
另外還有一種離軸光學投影系統。入射光和反射光分開，不用PBS。而用偏振膜，對比度高，但體積稍微大一些。具體結構見圖３。
 圖 3 離軸光學投影系統結構示圖
2．3 ＬＣＯＳ技術特性
與穿透式ＨＴＰＳ－ＬＣＤ及ＤＬＰ相比，ＬＣＯＳ具有下列優勢：
光利用效率高：ＬＣＯＳ與ＬＣＤ投影顯示器類似，主要的差別就是ＬＣＯＳ屬反射式成像，所以光利用效率可達４０％以上，與ＤＬＰ相當，而穿透式ＬＣＤ僅有３－１０％而已。
體積小：ＬＣＯＳ可將驅動ＩＣ等外圍線路完全整合至ＣＭＯＳ基板上，減少外圍ＩＣ的數目及封裝成本，并使體積縮小。
分辨率高：由于ＬＣＯＳ的晶體管及驅動線路都制作于硅基板內，位于反射面之下，不占表面面積，所以僅有像素間隙占用開口面積，不像穿透式ＬＣＤ的ＴＦＴ及導線皆占用開口面積，故理論上ＬＣＯＳ不論分辨率或開口率都會比穿透式ＬＣＤ高。分辨率普遍達到ＳＸＧＡ等級（１２８０×１０２４）
制造技術較成熟：ＬＣＯＳ的制作可分為前道的半導體ＣＭＯＳ制造及后道的液晶面板貼合封裝制造。前道的半導體ＣＭＯＳ制造已有成熟的設計、仿真、制作及測試技術，所以目前良率已可達９０％以上，成本極為低廉；至于后道的液晶面板貼合封裝制造，雖然據說目前的良率只有３０％，但由于液晶面板制造已發展得相當成熟，理論上其良率提升速率應遠高于ＤＭＤ芯片，所以ＬＣＯＳ應比ＤＬＰ更有機會取代穿透式ＨＴＰＳ－ＬＣＤ成為投影顯示技術的主流。
此外，ＬＣＯＳ還有一項優點，就是ＨＴＰＳ－ＬＣＤ目前是ＳＯＮＹ及ＳＥＩＫＯ ＥＰＳＯＮ擁有專利權，ＤＬＰ則是ＴＩ的獨家專利，而ＬＣＯＳ則無專利權的問題。現在臺灣的工研院光電所也已成功開發出ＬＣＯＳ，并正在申請專利中。由于臺灣的半導體產業基礎雄厚，Ａｕｒｏｒａ及Ｋｏｐｉｎ就曾委托臺灣的聯電及聯友光電代工ＬＣＯＳ，所以臺灣業界一直寄希望發展ＬＣＯＳ技術做為其發展投影產品的最佳選擇。
目前ＬＣＯＳ市場定位在大屏幕投影顯示產品及ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）上。目前業界普遍認可：在顯示器市場２０"以下以ＬＣＤ為主流，ＰＤＰ可應用于３０"－ ６０"產品，但價格昂貴，投影顯示器適用于３０"－ ６０"以上的產品，具有解析度高，價格適中等優勢。ＬＣＯＳ投影顯示技術則是落于上述投影顯示器市場；另外亦可作為直視元件，應用在ＨＭＤ中。
ＬＣＯＳ可視為ＬＣＤ的一種，傳統的ＬＣＤ是做在玻璃基板上，但ＬＣＯＳ則是長在硅晶圓上。和ＬＣＯＳ的相對比的產品，最常用在投影機上的高溫多晶硅ＬＣＤ為代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有３％左右，解析度不易提高；ＬＣＯＳ則采用反射式投射，光利用效率可達４０％以上，且其最大的優勢是可利用最廣泛使用、最便宜的ＣＭＯＳ制程，毋需額外的投資，并可隨半導體工藝流程快速的微細化，易于提高解析度。
三、ＬＣＯＳ的發展及面臨的問題
3．1 ＬＣＯＳ發展現狀
除了投影機市場外，ＬＣＯＳ同時也正虎視眈眈的看著直視型顯示器市場。事實上，ＬＣＯＳ是一個可以大小通吃的顯示技術：大尺寸的投影機市場如上所述，ＬＣＯＳ已具有最佳優勢；ＬＣＯＳ若應用于中小尺寸的直視型顯示器上，同樣具有以上所述的優點，足以威脅現有的直視型ＴＦＴ－ＬＣＤ；甚至ＬＣＯＳ還具有進軍微型顯示器市場的能力，如頭盔式裝置ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）。美國ＣＭＤ、Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、ｅ－Ｍａｇｉｃ、ｉｎＶｉｓｏ均已推出采用ＬＣＯＳ技術的單眼式ＨＭＤ產品。ＨＭＤ現行的主要應用，除了特殊應用如軍事用途、工程維修保養、或是娛樂用途外，人手一機的個人隨身信息顯示應用，才是這些廠商長期規劃的最終目標。
目前ＬＣＯＳ的發展業者以英美兩地的Ｆａｂｌｅｓｓ公司為主，包括Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、Ａｕｒｏｒａ（原Ｓ－Ｖｉｓｉｏｎ）、ＭｉｃｒｏＰｉｘ、Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ、Ｋｏｐｉｎ、Ｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈ、ＳｐａｔｉａＬｉｇｈｔ及香港的Ｖａｒｉｔｒｏｎｉｘ等。由于ＬＣＯＳ的開發涉及整個組件的設計、制造到光學系統的組合，有相當高的進入障礙，且每個業者所開發的ＬＣＯＳ各有專用的ＡＳＩＣ、光學引擎等，零組件及生產無法標準化，難達到量產的經濟規模；此外，目前ＬＣＯＳ的前道硅制造已可達９０％以上的良品率，但后道貼合玻璃基板、注入液晶、切割及封裝部份的良品率卻仍僅３０％左右，是目前ＬＣＯＳ最大的發展瓶頸。
3．2 發展ＬＣＯＳ面臨的課題
亟待建立標準化與上下游產業結構 目前ＬＣＯＳ的發展集中在美英兩地的Ｆａｂｌｅｓｓ公司，包括Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ、Ａｕｒｏｒａ（原Ｓ－Ｖｉｓｉｏｎ）、ＭｉｃｒｏＰｉｘ、Ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙ、Ｋｏｐｉｎ、Ｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈ、ＳｐａｔｉａＬｉｇｈｔ及香港的Ｖａｒｉｔｒｏｎｉｘ等。由于ＬＣＯＳ在開發中涉及整個元件的設計、制造到光學系統的組合，有較高的技術門檻。且每個業者所開發的ＬＣＯＳ，各有專用的ＡＳＩＣ、光學引擎等，零組件和生產各自為陣，無法標準化，因此很難達到量產的經濟規模，部份業者因無法提出全套的解決方案，致使產品無法順利推出而面臨財務危機。另外最大的障礙是合格率問題，ＬＣＯＳ前段的硅制造過程以０．３５ｕ工藝即可（也不需要作得更小了），目前良品率已可達９０％；后段加玻璃基板，抽入液晶，并加以切割、封裝的部份，目前良品率卻仍很低，僅約３０％左右。后段良品率制約ＬＣＯＳ的發展。
ＬＣＯＳ雖在投影機上踏出重要的第一步，但仍有許多地方尚待努力，在性能方面，對比只有３００～５００：１，比其它技術差，同時在黑色的再現性上亦不理想。反倒是日本的ＪＶＣ所提供的ＬＣＯＳ面板，所運用的Ｄ－ＩＣＡ技術，在黑色的再現性上表現較杰出，已使用在高檔家庭劇院上。雖然目前ＬＣＯＳ運用在投影機上，大都以搭配ＰＣ用的前投影為主，唯其市場容納量有限，業界還是放眼在后投影電視上，尤其是ＨＤＴＶ。現行的后投影電視價格仍在２０００美元以上，且很難往下調降。Ｔｈｏｍｓｏｎ準備采用Ｔｈｒｅｅ－Ｆｉｖｅ的ＬＣＯＳ，以ＲＣＡ品牌推出投影電視，目標將價格降至以ＴＩ的ＤＭＤ為基礎的ＤＬＰ投影電視的一半。由于量還不大，相關的透鏡、彩色管理系統和其它零組件仍十分昂貴，在未來２－３年，ＬＣＯＳ后投影電視面臨較大的困難，而前投則容易得多。目前已知已投入ＬＣＯＳ組件開發的家電廠商已包括ＪＶＣ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、三星和ＬＧ等。部份日本業界評估２００５年ＬＣＯＳ在后投影電視的滲透率可達２０％。特別應當指出的是我國上海華源和深圳創維已將ＬＣＯＳ作為重點產業化發展對象。目前華源的ＬＣＯＳ投影儀也借助了臺灣的科技力量--華源也有自己的研發機構，臺灣的世界顛峰提供技術上的一些支持。創維與中科院和臺灣蓮花電子合作，中科院光電研究所提供技術支持，它以技術入股的方式切入彩電產業，與創維聯手進軍高端背投市場。蓮花電子作為ＬＣＯＳ晶片的上游供應商，并同時接洽臺灣另一家企業，作為ＬＣＯＳ核心零部件----光學引擎的供應商。當前面臨的最大難題是盡快實現規模量產。才能質優價廉的背投產品投向市場。
四、結論
ＬＣＯＳ作為新型顯示器件具備大屏幕、高亮度、高分辨率、省電等諸多優勢，其應用產品被廣大消費者和業內人士看好，市場潛力無限。ＬＣＯＳ可能是ＨＤＴＶ的背投影技術發展的主要方向。隨著成本的不斷降低，ＬＣＯＳ應用產品及其大屏幕顯示將會越來越多。
目前發展ＬＣＯＳ存在的問題一是行業標準不統一，各家推出的ＬＣＯＳ應用產品各具特色，專利技術也不一樣，相對來說上游配套產品也比較復雜，如光學鏡頭、光機、燈、屏幕等；二是ＬＣＯＳ制造工藝還存在瓶頸，良品率受制約，成本相對較高，因此從目前產品性能、價格與現有市場區分分析，現階段的ＬＣＯＳ技術還是難以與ＬＣＤ或ＤＬＰ技術相抗衡。但如果一旦形成成熟的產業鏈，其優良的性能和低廉的成本是其它產品無法與之競爭的。
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文章來源：中國投影網
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