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)格越來越好，市場范圍得
以不斷擴(kuò)大。然而，由此所引發(fā)的激烈競爭，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。而對於技術(shù)開發(fā)來說，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，廠商必須針對其重點(diǎn)市場加以
研發(fā)適合產(chǎn)品。但唯一相同的要求就是降低成本，因?yàn)楦偁帍S商越來越多，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。
　　一般來說，降低成本最簡單的方法，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
期來看，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。不過，這樣的「理
想」，顯然還需要上游廠商配合才有機(jī)會成功。
　　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。而由於無一定標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范，使得筆記型電腦廠商在采購時(shí)相當(dāng)困擾，
更使LCD 廠商的備料非常棘手，如此勢必造成產(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，但在市場爾虞我詐之下，不少廠商還是推
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。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
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 會造成GATE 信號變形，畫素資料寫入時(shí)間不夠，導(dǎo)致亮度對
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
會使畫面更細(xì)致，但卻使得LCD 開口率相對下降，如此一來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)致的信號頻率增加與
EMI 問題，以及相對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%，
對比也由300：1 變?yōu)?00：1。由於富士通以大型營幕產(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（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 液晶模式無論電場狀態(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。現(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（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
距可能會有電極短路及灌液晶時(shí)間太長的問題產(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，它必定是未來的趨勢。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原有LCD 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單，亦可得局部的較高對比及亮度，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，則會阻絕背光模組的光線通過，故LCD 面板所需光線來源只有靠自
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），在亮度及對比的特性上尚待努力，長期目標(biāo)是希望達(dá)到如一
般紙類印刷品的視覺感受。
結(jié)語
　　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，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)未來嚴(yán)格環(huán)保要求，提早準(zhǔn)備。
近幾年來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 市場值將會首
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，LCD 還有一段路要走，臺
灣LCD 產(chǎn)業(yè)已是世界前三大國家，更需了解技術(shù)演進(jìn)，走在技術(shù)前端，才能長遠(yuǎn)發(fā)展此一大產(chǎn)業(yè)。