LCD技術(shù)動(dòng)向分析

LCD 技術(shù)動(dòng)向分析

前言
　　擁有輕薄、省電、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)的LCD，由於尺寸越做越大、產(chǎn)品規(guī)格越來(lái)越好，市場(chǎng)范圍得
以不斷擴(kuò)大。然而，由此所引發(fā)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，使得廠商必須在技術(shù)上不斷推陳出新以便能持續(xù)刺激
市場(chǎng)。而對(duì)於技術(shù)開發(fā)來(lái)說(shuō)，其實(shí)就只有兩個(gè)目的：降低成本及提昇性能。因此，LCD 廠商除透過
面板設(shè)計(jì)、工廠生產(chǎn)線制造改善、應(yīng)用產(chǎn)品搭配等三方面技術(shù)著手發(fā)展。此外，要如何達(dá)到CRT 的
廣視角、高對(duì)比、高速應(yīng)答、色彩表現(xiàn)等品質(zhì)，甚至強(qiáng)化LCD 的更輕薄、省電、高解析特性，是LCD
鞏固既有領(lǐng)域，防止其它技術(shù)取代，也是廠商們不斷努力改善的目標(biāo)。是故，本文就這幾點(diǎn)技術(shù)動(dòng)
向，加以說(shuō)明。

表1 　LCD 技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目

最需要： ◎，需要：O， 其次： D
資料來(lái)源：PIDA
降低成本方面
　　由表１可以看出，不同的應(yīng)用產(chǎn)品所需要的LCD 技術(shù)不太一樣，廠商必須針對(duì)其重點(diǎn)市場(chǎng)加以
研發(fā)適合產(chǎn)品。但唯一相同的要求就是降低成本，因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)廠商越來(lái)越多，甚至新顯示技術(shù)產(chǎn)品也將誕生，LCD 業(yè)者必須不斷降低成本方能鞏固市場(chǎng)。
　　一般來(lái)說(shuō)，降低成本最簡(jiǎn)單的方法，就是將後段工程轉(zhuǎn)移到低人工成本的地方，不過人力成本
僅占全部成本一成，真正的關(guān)鍵仍在占成本比重達(dá)50%的材料身上。而要如何減少材料的使用，長(zhǎng)
期來(lái)看，必須從材料及制程的改善去著手。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)部資訊推動(dòng)小組委托MRI 的調(diào)查結(jié)果，以及各家廠商展示新產(chǎn)品時(shí)的技術(shù)成果看出，
降低成本必須在不同制程階段使用不同的手法。TFT Array 成本關(guān)鍵雖出在設(shè)備與制程本身，但其它
制程步驟材料成本顯得比重頗高。因此降低成本方法第一階段中包括，Array 制程透過設(shè)備改善，減
少光罩?jǐn)?shù)目及減少曝光步驟，縮短制程時(shí)間增加產(chǎn)出；Cell 段工程的良率最低，提高良率是關(guān)鍵；模
組段工程，背光模組是關(guān)鍵材料，但目前背光模組以導(dǎo)光方式形成面光源，需要眾多光學(xué)元件組成，
不僅成本高，增加重量與空間，新技術(shù)是將導(dǎo)光板微細(xì)加工產(chǎn)生棱鏡功能，節(jié)省光學(xué)膜，減化結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過如此的改善之後，第一階段目標(biāo)可減少成本36 ~ 46%。
　　第二階段，考量設(shè)備投資實(shí)在太昂貴，希望能在相同設(shè)備下，利用縮短每個(gè)制程TACT TIME 提
昇產(chǎn)量，另一方面采用新制程概念，如Color filter 做在TFT 基板上，驅(qū)動(dòng)IC 整合在玻璃上等，目的
還是希望減少材料成本。第二階段目標(biāo)減少成本22%?？傊瑥S商目標(biāo)2003 年成本能降低60%，實(shí)
現(xiàn)LCD 面板價(jià)格為CRT 之1.5 倍的目標(biāo)，并因此可望取代40%CRT Monitor 市場(chǎng)。不過，這樣的「理
想」，顯然還需要上游廠商配合才有機(jī)會(huì)成功。
　　根據(jù)調(diào)查，在12.1 寸到14.1 寸之間，LCD 面板廠商所提供的產(chǎn)品將近300 種規(guī)格，且生產(chǎn)面板
所用的各項(xiàng)材料更繁如天星。而由於無(wú)一定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范，使得筆記型電腦廠商在采購(gòu)時(shí)相當(dāng)困擾，
更使LCD 廠商的備料非常棘手，如此勢(shì)必造成產(chǎn)品成本增加。故Compaq、IBM、DELL、HP、Toshiba
廠商組成SPWG （Standard Panel Working Group ） 針對(duì)筆記型電腦面板13.3、14.1、15 寸制定規(guī)格
化標(biāo)準(zhǔn)。雖然Standard 1.0、2.0 版本已出，但仍有厚度、重量、反應(yīng)速度、亮度、電子信號(hào)等未予規(guī)
范的項(xiàng)目。同時(shí)，盡管定出標(biāo)準(zhǔn)能幫助LCD 廠降低成本，但在市場(chǎng)爾虞我詐之下，不少?gòu)S商還是推
出各種新規(guī)格搶進(jìn)卡位，使得統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的理想難以落實(shí)。然而，事實(shí)上還是有部份標(biāo)準(zhǔn)，可讓LCD
廠與筆記型電腦廠在設(shè)計(jì)上有所依循。
提昇性能方面
1.薄型輕量化
　　攜帶性產(chǎn)品常常標(biāo)榜體薄量輕，以筆記型電腦為例，LCD 占筆記型電腦重量的18~25%，是最
重的一個(gè)元件，這使得減輕LCD 的重量成為業(yè)者們最重要的課題。LCD 廠商計(jì)畫將14.1 寸面板重
量由2000 年的560 公克將減少到2002 年的420 公克，厚度由2000 年的6mm 將減少到2002 年的4.7mm，如此的改善幅度超過兩成。
　　而若細(xì)論LCD 各個(gè)零組件所占整體重量可知，玻璃基板是占比重最大的部份，大約一半，其次
為背光模組組成份子，占41%。因此，為達(dá)輕量化目標(biāo)，玻璃基板廠商需提供更薄基板，從現(xiàn)在最
常用的0.7mm 開始，朝更薄更輕邁進(jìn)。以Coring 的Eogle 2000 為例，密度由2.54 g／cm3 減為2.37 g
／cm3，厚度由0.7mm 減為0.63mm，如此可使重量減輕13%。至於在背光模組方面，背光模組乃由
許多光學(xué)結(jié)構(gòu)組成，使用更輕材質(zhì)導(dǎo)光板將是立竿見影的解決方法。導(dǎo)光板材料以具有光散亂樹脂
材料取代透明壓克力樹脂，且采用導(dǎo)光板微細(xì)加工溝巢，取代光學(xué)薄，如此一來(lái)不僅能減少厚度重
量，又可降低價(jià)格，實(shí)為背光模組廠商今後的努力方向。此外，部分廠商想出直接以平面式光源取
代復(fù)雜的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，雖立意不錯(cuò)但價(jià)格卻不低。
2.高解析
　　當(dāng)LCD 尺寸不斷向上攀升，高解析度也因此成為另一個(gè)訴求戰(zhàn)場(chǎng)。自1999 年13.3 寸成為Notebook
PC 主流尺寸後，XGA 解析度便取代SVGA 的主流地位，而2000 年14.1 寸擠掉13.3 寸後，更使XGA
解析度在市場(chǎng)上的比重高達(dá)70%，此舉更引發(fā)2000 年底SXGA+、UXGA 開始露臉。以LCD Monitor
而言，目前仍以XGA 為主，隨著2001 年超過15 寸產(chǎn)品比重超過20%後，大型化面板帶動(dòng)SXGA 以
上解析度將漸成為主流，甚至2005 年UXGA（1600 × 1200）可望成為最大宗選擇。
　　至於在TV 方面，其要求的重點(diǎn)在於畫面而不是文字，故解析度SVGA 便足以應(yīng)付目前電視要
求。例如，NEC 在2000 年底出貨20.1 寸TV 專用的LCD-TV 解析度僅VGA。然由於LCD-TV 市場(chǎng)
仍在萌芽過渡階段，多媒體寬螢?zāi)浑娨暤慕馕龆纫訶GA ~ WXGA（1280 × 768）為主，SHARP 28 寸
LCD-TV 即是WXGA。積極進(jìn)軍液晶電視的三星電子計(jì)畫2002 年階段將以24 ~ 32 寸WXGA ~ UXGA
為產(chǎn)品規(guī)劃，但是2005 年以HDTV 為訴求，則需要解析度1920 × 1080 畫素40 寸大型TFT LCD。
　　當(dāng)解析度越高，電路上RC delay 會(huì)造成GATE 信號(hào)變形，畫素資料寫入時(shí)間不夠，導(dǎo)致亮度對(duì)
比呈現(xiàn)不佳。因此，為達(dá)到高精細(xì)畫面，必須降低Bus line 阻值及寄生電容。選擇Cu、Al 類低電阻
金屬，或Mo／Al、Ta／Al、Cr／Al 類的積層構(gòu)造可做Gate Bus Line 使用，降低Bus line 阻值。此外，
開發(fā)減少Source 及Gate 端重疊部份來(lái)減少寄生電容，也是一個(gè)不錯(cuò)的方法。當(dāng)然，解析度高的產(chǎn)品
會(huì)使畫面更細(xì)致，但卻使得LCD 開口率相對(duì)下降，如此一來(lái)卻迫使背光源亮度必須提高才能給使用
者相同亮度畫面，同時(shí)也使耗電跟著增加。是故，廠商除了要從背光模組改良光源設(shè)計(jì)及Invertor 效
率改善著手外，LCD 業(yè)者們更要改進(jìn)制程提高開口率。此外，高解析度化所導(dǎo)致的信號(hào)頻率增加與
EMI 問題，以及相對(duì)電路耗電增加所引發(fā)的溫度上升等，使得散熱與EMI 成為另一大棘手的問題。
　　除了硬體與制程技術(shù)的問題，在軟體上，LCD 的解析度必須與電腦作業(yè)作業(yè)軟體搭配。因?yàn)榻?font face=Verdana>析度太高，反而字體過小可視性變差。Window2000 將會(huì)解決字體點(diǎn)數(shù)固定所造成問題。附表顯示各
種尺寸面板最佳顯示解析度，一般而言120ppi 已經(jīng)是人眼辨識(shí)的極限。
3.廣視角
　　LCD 的利用液晶旋轉(zhuǎn)控制光線，造成先天狹視角的缺點(diǎn)，在面對(duì)大型化LCD 螢?zāi)粫r(shí)，廣視角的
問題隨之顯著。以往最方便的方法是貼上廣視角膜，但廣視角膜是日本FujiFilm 一家所獨(dú)占材料，成
本不便宜，因此各LCD 廠研發(fā)以新液晶材料及新的結(jié)構(gòu)，改良液晶配向提升視角。目前已成功應(yīng)用
在量產(chǎn)品的技術(shù)，有富士通的MVA 技術(shù)、日立IPS 技術(shù)，另外在最近展覽中，其它廠商新技術(shù)，如
三星電子的PVA（Patterned Vertical Alignment）及現(xiàn)代FFS（Fringe Field Switch）技術(shù)，都能達(dá)到視
角170。。
　　其中，富士通MVA 技術(shù)是采用垂直配向（VA）模式液晶和多域法的組合。VA 液晶垂直排列，
光學(xué)特性受視角影響小。而多域法是將每個(gè)畫素分成幾個(gè)子畫素，每個(gè)子畫素各有其扭曲排列方式
及視角特性。只要子畫素位置分配設(shè)計(jì)恰當(dāng)，使各子畫素視角特性能互相彌補(bǔ)，合成後視角變廣且
沒方向性。
所以富士通利用玻璃基板上設(shè)計(jì)突塊，以控制液晶分子排列，如此可省略以往摩擦（Rubbing ）
配向制程，減少配向所造成微粒污染。但為了改進(jìn)開口率，提高光透過率，減少突塊制程步驟，富
士通設(shè)計(jì)新的MVA 結(jié)構(gòu)，利用ITO 孔隙做為虛擬突塊效果，可減少漏光現(xiàn)象，且開口率提升10%，
對(duì)比也由300：1 變?yōu)?00：1。由於富士通以大型營(yíng)幕產(chǎn)品為產(chǎn)品策略，，所以積極研發(fā)廣視角量產(chǎn)
技術(shù)。目前富士通已開始量產(chǎn)新MVA 結(jié)構(gòu)的15 寸XGA、17.4 寸SXGA TFT LCD 外，23.1 寸UXGA也開始量產(chǎn)，視角均有160。，反應(yīng)速度在25ms 以下。

表2　廠商高解析度LCD

表3　各類廣視角技術(shù)

注：MVA（ Multi-domain Vertical Alignment ）；Super-IPS（ In Plane Switch ）
ASV（Advanced super View ）；OCB（ Optical Compensated Birefringence）
　　而韓商三星PVA 技術(shù)也是采用垂直配向模式液晶材料，利用上下兩片玻璃上設(shè)計(jì)的ITO 電極，
在電極邊緣形成邊緣電場(chǎng)（Fringe filed），加上補(bǔ)償膜達(dá)到多域效果，視角也變廣。三星表示此方法與原本制程相容，且有較高穿透率。
　　至於日立IPS 液晶模式無(wú)論電場(chǎng)狀態(tài)，液晶分子只在水平方向旋轉(zhuǎn)，因此即使注視位置改變，
光學(xué)特性也少有變化，所以增加視角范圍，這種模式控制液晶電極設(shè)計(jì)在同一平面上，主要是為了
產(chǎn)生橫向電場(chǎng)控制液晶分子在水平方向旋轉(zhuǎn)。但以住IPS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仍然在某些角度上產(chǎn)生階調(diào)反
轉(zhuǎn)，對(duì)比不佳及白影等缺點(diǎn)，所以日立增加多域（Multiple-domain）補(bǔ)償?shù)男陆Y(jié)構(gòu)，稱之Super-IPS，改善以上缺點(diǎn)，對(duì)比也由200 提升到350。同時(shí)日立采用新的液晶材料及改善驅(qū)動(dòng)效果，提升IPS 反應(yīng)速度到30ms。目前日立已經(jīng)開始量產(chǎn)視角170。的15、18.1 寸SUPER-IPS TFT LCD，并在2001 年
可量19 寸新產(chǎn)品?，F(xiàn)代電子開發(fā)類似IPS 的FFS 廣視角技術(shù)，以上下板較窄間距形成邊緣電場(chǎng)（FringeFiled）達(dá)到多域效果，并采用負(fù)型液晶材料且以ITO 電極取代金屬電極，則達(dá)到更高透光率，但是FFS 結(jié)構(gòu)所需制程較IPS 更多。

4.反應(yīng)速度
　　LCD-TV 最要求動(dòng)畫表示效果，所以LCD 反應(yīng)速度為關(guān)鍵課題。以NTSC 顯示方式，60Hz 顯示
頻率，則每個(gè)Frame 僅16.7ms。以目前筆記型電腦面板規(guī)格多為30 ~ 40ms，LCD 反應(yīng)速度太慢會(huì)造
成畫面有殘影缺陷。就TN Mode 的液晶材料，其反應(yīng)時(shí)間正比於液晶旋轉(zhuǎn)黏度、誘電率異方性、外
加電壓、cell 間距平方。所以廠商必須尋找低黏度液晶材料，但是低黏度液晶材料會(huì)影響其他特性，
廠商要在兩難中調(diào)整出最佳化材料。減少LCD 兩片基板間距也是加速反應(yīng)時(shí)間方法，但是太窄的間
距可能會(huì)有電極短路及灌液晶時(shí)間太長(zhǎng)的問題產(chǎn)生，影響良率。
　　1993 年日本東北大學(xué)內(nèi)田教授提出的OCB（Optically Compensated Birefringence） Mode，上下基
板面液晶分子平行排列，內(nèi)層分子不扭曲僅做彎曲（Bend）排列，所以要控制光線，液晶分子只要
做小變動(dòng)就可達(dá)成，反應(yīng)速度加快許多。松下在1999 年曾展出7 寸TFT LCD 以O(shè)CB 方式達(dá)到7ms，
2000 年又開發(fā)出以O(shè)CB 方式15.2 寸TFT LCD 更只有3ms。但是松下表示還都在開發(fā)中，要量產(chǎn)還
需一段時(shí)間，倒是Sharp 已經(jīng)計(jì)畫2001 年第二季量產(chǎn)15ms 的LCD-TV 面板。
5.反射式技術(shù)
　　一般穿透式LCD 耗電量中，其中STN 的九成，TFT 的七成耗電來(lái)自背光源。要降低LCD 耗電，
以不需要背光源之反射式LCD 成為好的選擇，它必定是未來(lái)的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的反射式LCD 是在透過
式LCD 的背面?zhèn)炔ＡЩ逋鈧?cè)加上一片散亂反射板。如此方式不需要改變?cè)蠰CD 的結(jié)構(gòu)，所以
成本低且量產(chǎn)方便，因而廣泛被應(yīng)用在低解析度產(chǎn)品，如手表，計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品上。但是由於玻璃具
有一定厚度，入射光與反射光通過畫素不同，產(chǎn)生視差，造成對(duì)比、色純度下降。為了解決視差缺
點(diǎn)，高解析的彩色反射式LCD，多采用反射板放置在玻璃基板內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)。

為了使光源能均勻分布提供給面板使用，LCD 組成上必須有散亂機(jī)能結(jié)構(gòu)。所以反射式LCD 技
術(shù)大致分成Diffusing Reflector Type（擴(kuò)散反射板型）、Front Scatting Type（前方散亂板型）及Scatting
LC Type（散亂液晶型）三類，如圖1 所示。擴(kuò)散反射板型易獲得均勻的視角，但制程較復(fù)雜；前方
散亂板型制程則較簡(jiǎn)單，亦可得局部的較高對(duì)比及亮度，但視角的控制稍難。散亂液晶型是采用具
有光散亂特性的材料，如PC 型（Phase Change）或PDLC（Polymer Dispersed Liquid Crystal）型液晶，完成散亂機(jī)制，但有光散亂效果不足及驅(qū)動(dòng)電壓較高的缺點(diǎn)。

反射式LCD 加上反射板，則會(huì)阻絕背光模組的光線通過，故LCD 面板所需光線來(lái)源只有靠自
然光源及前光源。前光源為一個(gè)白色線光源，置於側(cè)邊，并利用導(dǎo)光板擴(kuò)散成均勻面光源。前光源
的導(dǎo)光板上方（靠使用者側(cè)）需要以特殊加工處理形成V 型溝巢或階梯式溝巢（圖2），使導(dǎo)光過
程漏光減少，但經(jīng)過LCD 面板的光卻要穿透。導(dǎo)光板下方要設(shè)計(jì)反射防止膜，使導(dǎo)光都能進(jìn)入LCD。
最近推出幾款新式搭配TFT LCD 手機(jī)，已經(jīng)開始采用前光源。目前反射型已應(yīng)用在4 ~ 8 寸等中小
尺寸之產(chǎn)品上（如PDA、游樂器等），在亮度及對(duì)比的特性上尚待努力，長(zhǎng)期目標(biāo)是希望達(dá)到如一
般紙類印刷品的視覺感受。
結(jié)語(yǔ)
　　受到價(jià)格不斷下降的壓力，執(zhí)液晶產(chǎn)業(yè)之牛耳的日本為了開拓新市場(chǎng)，不得不加緊腳步開發(fā)適
合各類應(yīng)用所需的顯示元件，甚至Sharp 等六家日本LCD 大廠出資成立技術(shù)開發(fā)中心，開發(fā)省能源
制程基礎(chǔ)技術(shù)，因應(yīng)未來(lái)嚴(yán)格環(huán)保要求，提早準(zhǔn)備。
近幾年來(lái)LCD 技術(shù)突飛猛進(jìn)，呈現(xiàn)效果已達(dá)到CRT 境界，因此預(yù)估2003 年LCD 市場(chǎng)值將會(huì)首
度搶走CRT 的冠軍寶座。而為了達(dá)到取代真實(shí)世界的印刷顯示最大市場(chǎng)，LCD 還有一段路要走，臺(tái)
灣LCD 產(chǎn)業(yè)已是世界前三大國(guó)家，更需了解技術(shù)演進(jìn)，走在技術(shù)前端，才能長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展此一大產(chǎn)業(yè)。