LCD技术动向分析

LCD 技术动向分析

前言
　　拥有轻薄、省电、无辐射等优点的LCD，由於尺寸越做越大、产品规格越来越好，市场范围得
以不断扩大。然而，由此所引发的激烈竞争，使得厂商必须在技术上不断推陈出新以便能持续刺激
市场。而对於技术开发来说，其实就只有两个目的：降低成本及提昇性能。因此，LCD 厂商除透过
面板设计、工厂生产线制造改善、应用产品搭配等三方面技术着手发展。此外，要如何达到CRT 的
广视角、高对比、高速应答、色彩表现等品质，甚至强化LCD 的更轻薄、省电、高解析特性，是LCD
巩固既有领域，防止其它技术取代，也是厂商们不断努力改善的目标。是故，本文就这几点技术动
向，加以说明。

表1 　LCD 技术发展项目

最需要： ◎，需要：O， 其次： D
资料来源：PIDA
降低成本方面
　　由表１可以看出，不同的应用产品所需要的LCD 技术不太一样，厂商必须针对其重点市场加以
研发适合产品。但唯一相同的要求就是降低成本，因为竞争厂商越来越多，甚至新显示技术产品也将诞生，LCD 业者必须不断降低成本方能巩固市场。
　　一般来说，降低成本最简单的方法，就是将後段工程转移到低人工成本的地方，不过人力成本
仅占全部成本一成，真正的关键仍在占成本比重达50%的材料身上。而要如何减少材料的使用，长
期来看，必须从材料及制程的改善去着手。
根据经济部资讯推动小组委托MRI 的调查结果，以及各家厂商展示新产品时的技术成果看出，
降低成本必须在不同制程阶段使用不同的手法。TFT Array 成本关键虽出在设备与制程本身，但其它
制程步骤材料成本显得比重颇高。因此降低成本方法第一阶段中包括，Array 制程透过设备改善，减
少光罩数目及减少曝光步骤，缩短制程时间增加产出；Cell 段工程的良率最低，提高良率是关键；模
组段工程，背光模组是关键材料，但目前背光模组以导光方式形成面光源，需要众多光学元件组成，
不仅成本高，增加重量与空间，新技术是将导光板微细加工产生棱镜功能，节省光学膜，减化结构。
经过如此的改善之後，第一阶段目标可减少成本36 ~ 46%。
　　第二阶段，考量设备投资实在太昂贵，希望能在相同设备下，利用缩短每个制程TACT TIME 提
昇产量，另一方面采用新制程概念，如Color filter 做在TFT 基板上，驱动IC 整合在玻璃上等，目的
还是希望减少材料成本。第二阶段目标减少成本22%。总之，厂商目标2003 年成本能降低60%，实
现LCD 面板价格为CRT 之1.5 倍的目标，并因此可望取代40%CRT Monitor 市场。不过，这样的「理
想」，显然还需要上游厂商配合才有机会成功。
　　根据调查，在12.1 寸到14.1 寸之间，LCD 面板厂商所提供的产品将近300 种规格，且生产面板
所用的各项材料更繁如天星。而由於无一定标准来规范，使得笔记型电脑厂商在采购时相当困扰，
更使LCD 厂商的备料非常棘手，如此势必造成产品成本增加。故Compaq、IBM、DELL、HP、Toshiba
厂商组成SPWG （Standard Panel Working Group ） 针对笔记型电脑面板13.3、14.1、15 寸制定规格
化标准。虽然Standard 1.0、2.0 版本已出，但仍有厚度、重量、反应速度、亮度、电子信号等未予规
范的项目。同时，尽管定出标准能帮助LCD 厂降低成本，但在市场尔虞我诈之下，不少厂商还是推
出各种新规格抢进卡位，使得统一标准的理想难以落实。然而，事实上还是有部份标准，可让LCD
厂与笔记型电脑厂在设计上有所依循。
提昇性能方面
1.薄型轻量化
　　携带性产品常常标榜体薄量轻，以笔记型电脑为例，LCD 占笔记型电脑重量的18~25%，是最
重的一个元件，这使得减轻LCD 的重量成为业者们最重要的课题。LCD 厂商计画将14.1 寸面板重
量由2000 年的560 公克将减少到2002 年的420 公克，厚度由2000 年的6mm 将减少到2002 年的4.7mm，如此的改善幅度超过两成。
　　而若细论LCD 各个零组件所占整体重量可知，玻璃基板是占比重最大的部份，大约一半，其次
为背光模组组成份子，占41%。因此，为达轻量化目标，玻璃基板厂商需提供更薄基板，从现在最
常用的0.7mm 开始，朝更薄更轻迈进。以Coring 的Eogle 2000 为例，密度由2.54 g／cm3 减为2.37 g
／cm3，厚度由0.7mm 减为0.63mm，如此可使重量减轻13%。至於在背光模组方面，背光模组乃由
许多光学结构组成，使用更轻材质导光板将是立竿见影的解决方法。导光板材料以具有光散乱树脂
材料取代透明压克力树脂，且采用导光板微细加工沟巢，取代光学薄，如此一来不仅能减少厚度重
量，又可降低价格，实为背光模组厂商今後的努力方向。此外，部分厂商想出直接以平面式光源取
代复杂的导光结构，虽立意不错但价格却不低。
2.高解析
　　当LCD 尺寸不断向上攀升，高解析度也因此成为另一个诉求战场。自1999 年13.3 寸成为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 寸挤掉13.3 寸後，更使XGA
解析度在市场上的比重高达70%，此举更引发2000 年底SXGA+、UXGA 开始露脸。以LCD Monitor
而言，目前仍以XGA 为主，随着2001 年超过15 寸产品比重超过20%後，大型化面板带动SXGA 以
上解析度将渐成为主流，甚至2005 年UXGA（1600 × 1200）可望成为最大宗选择。
　　至於在TV 方面，其要求的重点在於画面而不是文字，故解析度SVGA 便足以应付目前电视要
求。例如，NEC 在2000 年底出货20.1 寸TV 专用的LCD-TV 解析度仅VGA。然由於LCD-TV 市场
仍在萌芽过渡阶段，多媒体宽萤幕电视的解析度以XGA ~ WXGA（1280 × 768）为主，SHARP 28 寸
LCD-TV 即是WXGA。积极进军液晶电视的三星电子计画2002 年阶段将以24 ~ 32 寸WXGA ~ UXGA
为产品规划，但是2005 年以HDTV 为诉求，则需要解析度1920 × 1080 画素40 寸大型TFT LCD。
　　当解析度越高，电路上RC delay 会造成GATE 信号变形，画素资料写入时间不够，导致亮度对
比呈现不佳。因此，为达到高精细画面，必须降低Bus line 阻值及寄生电容。选择Cu、Al 类低电阻
金属，或Mo／Al、Ta／Al、Cr／Al 类的积层构造可做Gate Bus Line 使用，降低Bus line 阻值。此外，
开发减少Source 及Gate 端重叠部份来减少寄生电容，也是一个不错的方法。当然，解析度高的产品
会使画面更细致，但却使得LCD 开口率相对下降，如此一来却迫使背光源亮度必须提高才能给使用
者相同亮度画面，同时也使耗电跟着增加。是故，厂商除了要从背光模组改良光源设计及Invertor 效
率改善着手外，LCD 业者们更要改进制程提高开口率。此外，高解析度化所导致的信号频率增加与
EMI 问题，以及相对电路耗电增加所引发的温度上升等，使得散热与EMI 成为另一大棘手的问题。
　　除了硬体与制程技术的问题，在软体上，LCD 的解析度必须与电脑作业作业软体搭配。因为解析度太高，反而字体过小可视性变差。Window2000 将会解决字体点数固定所造成问题。附表显示各
种尺寸面板最佳显示解析度，一般而言120ppi 已经是人眼辨识的极限。
3.广视角
　　LCD 的利用液晶旋转控制光线，造成先天狭视角的缺点，在面对大型化LCD 萤幕时，广视角的
问题随之显着。以往最方便的方法是贴上广视角膜，但广视角膜是日本FujiFilm 一家所独占材料，成
本不便宜，因此各LCD 厂研发以新液晶材料及新的结构，改良液晶配向提升视角。目前已成功应用
在量产品的技术，有富士通的MVA 技术、日立IPS 技术，另外在最近展览中，其它厂商新技术，如
三星电子的PVA（Patterned Vertical Alignment）及现代FFS（Fringe Field Switch）技术，都能达到视
角170。。
　　其中，富士通MVA 技术是采用垂直配向（VA）模式液晶和多域法的组合。VA 液晶垂直排列，
光学特性受视角影响小。而多域法是将每个画素分成几个子画素，每个子画素各有其扭曲排列方式
及视角特性。只要子画素位置分配设计恰当，使各子画素视角特性能互相弥补，合成後视角变广且
没方向性。
所以富士通利用玻璃基板上设计突块，以控制液晶分子排列，如此可省略以往摩擦（Rubbing ）
配向制程，减少配向所造成微粒污染。但为了改进开口率，提高光透过率，减少突块制程步骤，富
士通设计新的MVA 结构，利用ITO 孔隙做为虚拟突块效果，可减少漏光现象，且开口率提升10%，
对比也由300：1 变为500：1。由於富士通以大型营幕产品为产品策略，，所以积极研发广视角量产
技术。目前富士通已开始量产新MVA 结构的15 寸XGA、17.4 寸SXGA TFT LCD 外，23.1 寸UXGA也开始量产，视角均有160。，反应速度在25ms 以下。

表2　厂商高解析度LCD

表3　各类广视角技术

注：MVA（ Multi-domain Vertical Alignment ）；Super-IPS（ In Plane Switch ）
ASV（Advanced super View ）；OCB（ Optical Compensated Birefringence）
　　而韩商三星PVA 技术也是采用垂直配向模式液晶材料，利用上下两片玻璃上设计的ITO 电极，
在电极边缘形成边缘电场（Fringe filed），加上补偿膜达到多域效果，视角也变广。三星表示此方法与原本制程相容，且有较高穿透率。
　　至於日立IPS 液晶模式无论电场状态，液晶分子只在水平方向旋转，因此即使注视位置改变，
光学特性也少有变化，所以增加视角范围，这种模式控制液晶电极设计在同一平面上，主要是为了
产生横向电场控制液晶分子在水平方向旋转。但以住IPS 结构设计，仍然在某些角度上产生阶调反
转，对比不佳及白影等缺点，所以日立增加多域（Multiple-domain）补偿的新结构，称之Super-IPS，改善以上缺点，对比也由200 提升到350。同时日立采用新的液晶材料及改善驱动效果，提升IPS 反应速度到30ms。目前日立已经开始量产视角170。的15、18.1 寸SUPER-IPS TFT LCD，并在2001 年
可量19 寸新产品。现代电子开发类似IPS 的FFS 广视角技术，以上下板较窄间距形成边缘电场（FringeFiled）达到多域效果，并采用负型液晶材料且以ITO 电极取代金属电极，则达到更高透光率，但是FFS 结构所需制程较IPS 更多。

4.反应速度
　　LCD-TV 最要求动画表示效果，所以LCD 反应速度为关键课题。以NTSC 显示方式，60Hz 显示
频率，则每个Frame 仅16.7ms。以目前笔记型电脑面板规格多为30 ~ 40ms，LCD 反应速度太慢会造
成画面有残影缺陷。就TN Mode 的液晶材料，其反应时间正比於液晶旋转黏度、诱电率异方性、外
加电压、cell 间距平方。所以厂商必须寻找低黏度液晶材料，但是低黏度液晶材料会影响其他特性，
厂商要在两难中调整出最佳化材料。减少LCD 两片基板间距也是加速反应时间方法，但是太窄的间
距可能会有电极短路及灌液晶时间太长的问题产生，影响良率。
　　1993 年日本东北大学内田教授提出的OCB（Optically Compensated Birefringence） Mode，上下基
板面液晶分子平行排列，内层分子不扭曲仅做弯曲（Bend）排列，所以要控制光线，液晶分子只要
做小变动就可达成，反应速度加快许多。松下在1999 年曾展出7 寸TFT LCD 以OCB 方式达到7ms，
2000 年又开发出以OCB 方式15.2 寸TFT LCD 更只有3ms。但是松下表示还都在开发中，要量产还
需一段时间，倒是Sharp 已经计画2001 年第二季量产15ms 的LCD-TV 面板。
5.反射式技术
　　一般穿透式LCD 耗电量中，其中STN 的九成，TFT 的七成耗电来自背光源。要降低LCD 耗电，
以不需要背光源之反射式LCD 成为好的选择，它必定是未来的趋势。传统的反射式LCD 是在透过
式LCD 的背面侧玻璃基板外侧加上一片散乱反射板。如此方式不需要改变原有LCD 的结构，所以
成本低且量产方便，因而广泛被应用在低解析度产品，如手表，计算机等产品上。但是由於玻璃具
有一定厚度，入射光与反射光通过画素不同，产生视差，造成对比、色纯度下降。为了解决视差缺
点，高解析的彩色反射式LCD，多采用反射板放置在玻璃基板内侧的结构。

为了使光源能均匀分布提供给面板使用，LCD 组成上必须有散乱机能结构。所以反射式LCD 技
术大致分成Diffusing Reflector Type（扩散反射板型）、Front Scatting Type（前方散乱板型）及Scatting
LC Type（散乱液晶型）三类，如图1 所示。扩散反射板型易获得均匀的视角，但制程较复杂；前方
散乱板型制程则较简单，亦可得局部的较高对比及亮度，但视角的控制稍难。散乱液晶型是采用具
有光散乱特性的材料，如PC 型（Phase Change）或PDLC（Polymer Dispersed Liquid Crystal）型液晶，完成散乱机制，但有光散乱效果不足及驱动电压较高的缺点。

反射式LCD 加上反射板，则会阻绝背光模组的光线通过，故LCD 面板所需光线来源只有靠自
然光源及前光源。前光源为一个白色线光源，置於侧边，并利用导光板扩散成均匀面光源。前光源
的导光板上方（靠使用者侧）需要以特殊加工处理形成V 型沟巢或阶梯式沟巢（图2），使导光过
程漏光减少，但经过LCD 面板的光却要穿透。导光板下方要设计反射防止膜，使导光都能进入LCD。
最近推出几款新式搭配TFT LCD 手机，已经开始采用前光源。目前反射型已应用在4 ~ 8 寸等中小
尺寸之产品上（如PDA、游乐器等），在亮度及对比的特性上尚待努力，长期目标是希望达到如一
般纸类印刷品的视觉感受。
结语
　　受到价格不断下降的压力，执液晶产业之牛耳的日本为了开拓新市场，不得不加紧脚步开发适
合各类应用所需的显示元件，甚至Sharp 等六家日本LCD 大厂出资成立技术开发中心，开发省能源
制程基础技术，因应未来严格环保要求，提早准备。
近几年来LCD 技术突飞猛进，呈现效果已达到CRT 境界，因此预估2003 年LCD 市场值将会首
度抢走CRT 的冠军宝座。而为了达到取代真实世界的印刷显示最大市场，LCD 还有一段路要走，台
湾LCD 产业已是世界前三大国家，更需了解技术演进，走在技术前端，才能长远发展此一大产业。