TFT-LCD技術發展及應用趨勢

近年來平面顯示器市場迅速擴大，全球的市場規模預估在 2010 年將達到 5 兆台幣。在平面顯示中的設備發展也將受到各界的注目與關心。液晶顯示面板市 場從 1990 年代初興起，主要的應用產品從興起時期的筆記型電腦，擴展到 90 年 代後半期開始的電腦螢幕，並且在 2002 年以後，開始朝向大型電視應用發展。

目前，大型電視應用已經成為液晶顯示面板的第 3 大應用產品，加上電視是與生 活密切相關的民生產品，受到大多消費者的關心，因此大多數人都相信電視應用 將是支撐未來液晶顯示面板市場成長的最大動力之一。

就技術發展方面，液晶電視不僅僅是以 42 吋以下來取代 CRT 的角色出現，

並且也積極的開發大尺寸畫面來尋求更高的臨場感。所以，在市場上所銷售的液 晶電視尺寸不僅只有 40 吋、52 吋等等，最大的 65 吋也已經開始在市場上推出，

並且在各種展覽會上，業者還發表了 82 吋和 100 吋的超大尺寸產品。

目前現況，快速擴大的市場正被低價格化所推動，所以在大型電視市場上為 達到市場所要求的「低價格、大畫面、高畫質」目標，液晶顯示面板業者正面臨 著，兼顧降低生產成本低和提昇效能（高畫質，廣視角等）的難題，所以到底要 如何才能實現提高生產效率、簡化製程、提高良率、改善顯示技術等等，就成為 了液晶顯示面板業者努力研究的方向。

就技術發展方面來說，本節探討三種

TFT-LCD 重要關鍵材料技術發展以作 為未來TFT-LCD 產業所努力發展之方向，分別為光罩、液晶材料與玻璃基板。

光罩

就技術發展來說，顯示面板業者確實期待光罩的技術獲得更大的進步。在完 成液晶顯示面板中的TFT Array 和彩色濾光片的生產上，不可缺少的是利用光罩 的 Photolithography 技術來完成曝光。在面對液晶顯示面板對於市場需求的效 能、品質的提升上，光罩的規格和品質是具有決定性的影響。因此光罩業者也積 極的期望讓光罩相關技術獲得更大的進步，與顯示面板業者共同完成市場對於液 晶顯示面板的期待。

光罩是含有鉻等金屬薄膜的基板（Blanks）上，形成複雜 Geometry 的 Mask，

例如在半導體的曝光製程中，利用光罩以及曝光能夠在矽基板上形成電路 Pattern。現在，隨著 LCD 的大型化和高效能化，光罩也隨著提高精細化和不斷 的大型化，就像在超過1 平方公尺的玻璃上，對於線寬必須達到數微米的高度精 確的要求。

然而，因應液晶面板的尺寸不斷增加，因此大尺寸化的光罩也積極的被開發 中，如目前可支援第8 代生產線的光罩基板。但是由於大型化製程的持續發展，

因此光罩材料的成本也不斷的提昇，使得光罩本身的價格也高了起來，因此光罩 業者生產風險也相對的提高了，並且根據客戶需求的不同，以及面板精細化不斷 的提高情況下，目前描繪出一道光罩中 Geometry 的時間已經需要超過一天。再 加上，如果期望擴大應用在大型電視的液晶顯示面板市場，大幅度的降低價格是 迫切被需要的，因此除了面板業者日夜致力於提高生產效率，和降低製造成本之 外，在光罩這一部分也被要求大幅度的降低成本。

如下表3.2 所示，由於技術的演進，液晶顯示面板製造生產線是以世代來作 為技術區隔，而各世代則是由開動量產的時間和玻璃基板尺寸來定義的。一般來 說，是增加每片玻璃基板的取片數作為降低製造成本的方法，而母玻璃基板尺寸 的擴大，便是支撐著製造生產線世代進展的動力。因此，進行玻璃基板尺寸的擴 大，增加每片基板的面板生產數量，來提高生產能力，而生產能力的差異，則會

被反映在面板業者的競爭力上。

表3.2 TFT-LCD 面板生產線和光罩

資料來源: HOYA，2007

資料來源：HOYA, 2006/11【39】

另一方面，彩色濾光片用的光罩也跟 TFT 陣列一樣，伴隨生產線世代進展 而進行大型化。從第一代到第三代與 TFT 陣列不同，彩色濾光片用光罩的尺寸 變化達到數十種，但是隨著XY STEP 型的接近式（Proximity）曝光設備的普及，

能 看 出 逐 漸 統 一 的 變 化 ， 而 到 了 第 七 世 代 時 代 的 來 臨 ， 不 使 用 薄 膜 的 850×1200×10mm 和 800×920×8mm 等的彩色濾光片用光罩逐漸成為主流。而且近 來對彩色濾光片的Geometry 也開始有高精度要求，所以，使用與 TFT 陣列相同 種類的曝光設備及光罩的現象正在逐漸增加。

在大型電視用液晶顯示面板上，不斷的要求特廣視角特性和高輝度。所以為 了實現廣視角特性，目前面板已經大量採用 VA（Vertical Alignment）和 IPS

（In-Plane Switching）的 Cell 驅動方式。構成這些 Cell 驅動的 TFT 陣列和彩色 濾光片，便需要有複雜的 Geometry。而且為了提高開口率來增加面板的輝度，

就必須讓配線更細微化，來縮小層間的重疊和空間。所以大型電視用的面板，就 必須滿足所需求的這些特性，不過要進行高效率、高良率生產則要求高精度且高 品質的光罩。

一般來說，光罩的尺寸越大，相對的高精細度的製作就越困難。目前光罩所 要求的線幅寬度大約是3~4µm，可是對於基板的一邊或兩邊都超過 1 公尺的大面 積應用上，進行均一、高精度的加工，是需要相當高的技術能力。所以期望實現 這樣高品質的目標則是需要繪圖設備、檢查設備等等都需要有高精確度的處理技 術，當然還需要包括清潔、沖洗、蝕刻、光阻材料等等的配合，所以即使是光罩 製造用基板的 Blanks 中也有對表面缺陷、內部缺陷、表面精度／平坦度、外形

加工精度、熱膨脹率等等的嚴格要求，至於在基板上成膜的鉻金屬膜，也必須具 備無缺陷或者是微缺陷、及高耐化學性與持久性，以及優良的蝕刻特性。所以，

如何實現大型化且高精度化要求的大型光罩就成了技術開發的重點。另外，光罩 還需要在潔淨環境下製造、保存，因此運輸和包裝也需要相對的提高技術層次。

利用Photolithography 形成的 Geometry 製程次數，與液晶顯示面板的生產時 間上有很大關係，特別在被要求低價格化的大型電視用液晶顯示面板生產上，成 為極為重要的技術課題。因此，如何降低 Geometry 製程次數，也開始被提出討 論以及開發，目前最被積極討論的技術是，採用Multi-Tone 的 Half-tone 曝光技 術。

液晶材料

液晶材料的技術發展在TFT-LCD 的製程當中也是極為重要，液晶為顯示器 中充填之介電材，運用通電後液晶分子產生旋轉之變化，作為ON、OFF 之光閘 開關，是由酯類 （Ester system）、聯苯類（Biphenyl system）、二氧陸圜類（Dioxan system），以及苯基－環己烷類（Phenyl cyclohexane system）等 20 多個種類的 有機材料共同混合製造而成，依據產品需求選擇合適的材料組合，達到產品所需 的溫度條件、電壓特性、彈性特性等。而依據分子配向的方式，液晶種類又可區 分為向列型（Nematic）液晶、層列型（Smetic）液晶、膽固醇型（Cholesteric）

液晶、碟型（Diecotic）液晶及高分子液晶，如下表 3.3 所示，依據不同用途使用 不同特性的液晶【31】。

表3.3 液晶特性與用途

資料來源：富士總研、工研院IEK，2007/10【24】

早期LCD 液晶灌注的方法是在 ARRAY 與 CF （color filter）貼合製程完畢，

並切割成單一尺寸後，再經由真空毛細原理慢慢吸入液晶，過程相當耗時，特別 是當面板的尺寸增加，時間也就更為冗長，也會有相當多（~30%）的液晶殘留，

現在廠商在大尺寸面板製程多已改用ODF （One Drop Filling）的做法，有效簡 化灌注時間並減少液晶的損失，雖然單片的耗用量減少，由於面板的需求市場持 續增加，因此液晶的需求仍是呈現正成長【31】。

液晶的市場隨著面板的需求提升而增加，2007 年全球液晶面板需求逐步成 長，也帶動相關材料的市場跟著活絡起來。根據富士總研的調查結果，2006 年 市場需求200 噸左右，市場值為 950 億日圓，2007 年達 260 噸以上，約 1150 億 日圓的市場【31】，如圖 3.6 所示。

圖3.6 液晶材料市場預估

資料來源：富士總研、工研院IEK，2007/10【24】

在供應商方面，目前全球液晶材料最主要的供應廠商為德商默克 光電

（Merck）及日商智索（Chisso），佔有 80%以上的市場。Merck 擁有 VA Mode 液晶材料的專利，在日本、韓國與台灣均設立液晶生產與研發中心；而智索也看 好台灣面板產業未來發展，斥資新台幣2 億元在南科設廠，直接供應本地廠商的 需求。

此外還有大日本INK 化學工業供應在 STN 型液晶，市佔率極高，2006 年起 亦開始推出TFT 型 VA Mode 的液晶產品。其他廠商則指是台灣大立高分子從三 年前開始跨入此領域，供應 TN 以及 STN 所需的液晶，旭電化也有提供少量液

晶到市場上，至於大陸石家莊實力克也有能力供應TN 型液晶。下圖 3.7 則為液 晶各廠商市佔率分佈。

圖3.7 液晶各廠商市佔率分佈

資料來源：富士總研、工研院IEK，2007/10【24】

液晶主要的市場是供應給TFT-LCD 的應用，佔有 90%以上的市場，TFT 方 面亦分VA mode、IPS mode 以及 TN mode 等三種形式，隨著產品的成熟和需求 量的增加，價格也開始下滑【24】，如表 3.4 所示。

在液晶技術發展趨勢方面，其焦點這幾年皆放在應答速度條件上；要提高應 答速度，液晶的黏度需要下降，或者變薄來作改善，但如此一來卻會使其色彩鮮 豔度受到影響。目前的液晶材料應答速度可以5ms，雖也有 3ms 產品，但品質仍 待進一步追蹤及改良，未來預估最快的應答速度為2ms。

而智索最近亦發表一特殊用途的 OCB （Optical Compensated Bend）型液 晶，在低溫狀態的動作廣受外界的正面評價，據說在-40℃低溫也能保有良好特 性，未來發展值得觀察【24】。

表3.4 2006 年液晶材料價格及 2012 年價格預估

資料來源：富士總研、工研院IEK，2007/10【24】

玻璃基板

最初，液晶顯示面板應用產品是從以 20 吋為主的個人電腦用途（筆記型電 腦、電腦螢幕）擴展到目前需要更大畫面的大型電視用途，也加速了玻璃基板的 大型化。下表 3.5 表示了玻璃基板尺寸和電視用的液晶顯示面板取片數量的關 係。如果粗略分類應用的話，第 1∼ 4 世代是針對筆記型電腦，第 4∼ 5 世代是針 對電腦顯示螢幕，而第 6 世代以上的生產線則是為大型電視應用。

表3.5 各世代玻璃基板 16:9 切割片數

資料來源: HOYA，2006/11【39】

由於 TFT-LCD 產業的各世代廠房主要的差別就在於玻璃基板的尺寸，而面 板就是從大片的玻璃基板去切割而成的產品，故越新世代的廠房，其玻璃基板就 越大，因此可切割出更多片的面板，以提高產能且降低成本，或是可以生產出更 大尺寸的面板。

而玻璃基板主要應用在平面顯示器上的薄膜電晶體及彩色濾光片二處，所需 的基本要求有五項：

1. 成分中不能含鹼金屬氧化物，以避免鹼金屬離子經由擴散作用移動至電晶體 陣列中，造成電路短路；

2. 具耐化學性，以承受高溫製程中所使用的化學藥劑；

3. 熱膨脹係數須與薄膜電晶體陣列中的矽相近；

4. 高玻璃應變點，使熱收縮較小（低），有助於在 TFT 製程中精確地對準光蝕 刻圖形；

5. 低的生產成本而能產製高品質的超薄平板玻璃。

其中最後一項要求最難達成，因為要生產不含鹼金屬氧化物的玻璃熔體，本 來就不太容易，還要把熔融玻璃體中的不純物、不均質和氣泡完全消除當然更加 困難，最後還需要一個能產出超高表面品質的成型製程。既要克服各項技術瓶頸 又要兼顧成本因素，故這一項要求的困難度最高。

若從技術發展觀點來審視玻璃基板的基本特性，不難發現製造適用於

TFT−LCD 玻璃基板的門檻相當高，其中包括玻璃本身的材料特性，如材質、品

TFT−LCD 玻璃基板的門檻相當高，其中包括玻璃本身的材料特性，如材質、品

在文檔中 台、韓液晶顯示器產業供應鏈研究與利潤模式分析 (頁 30-37)