第三章 液晶顯示器（TFT-LCD）產業現況與市場分析
3.1 TFT-LCD介紹
3.1.1 TFT-LCD構造
TFT-LCD（Thin-Film transistor liquid-crystal display），即薄膜電晶體液晶顯 示器。主要是由TFT 矩陣面板（TFT-Array Panel）與背光模組所構成，TFT 矩陣 面板的基本構造是由上下兩片玻璃基板藉由框膠材料黏合而成，在兩片玻璃基板 中間的空隙，並充填有液晶材料與間隙材（spacer），如圖 3.1 所示。上端的玻 璃基板上製作有彩色濾光層，其上並鍍有透明導電電極與配向層（alignment layer）；下端的玻璃基板上製作有薄膜電晶體（TFT）與透明畫素電極（pixel electrode），其上並再覆蓋一層配向層。而所組合的兩片玻璃基板的外側，並各 自貼有偏極方向差異為90 度的偏光片。
圖3.1 TFT-LCD 結構
資料來源: www.wanxin.com.tw/tw/images/pic03-01-3.gif, 2008【34】
填充在兩片玻璃基板間的液晶分子，可藉由上下玻璃基板上的配向層，形成一致 性的90 度旋轉排列，如圖 3.2 所示。因此當光線經過偏光片產生偏極化以後，進入旋 轉排列的液晶分子層時，其偏極方向便會順著液晶分子的排列旋轉方向而旋轉90 度，
而與另一片玻璃基板上所貼偏光片的偏極方向相同，因此可以穿透出玻璃基板。當施 加電壓於電晶體時，畫素電極便會與彩色濾光層上的透明電極形成局部的電場，使得 該畫素區域的液晶分子排列變成垂直站立，因此無法改變入射光的偏極方向，而被另 一端玻璃基板上的偏光片擋住而無法穿透過去。所以配合來自背光模組的均勻面光 源，TFT 矩陣面板可單獨調控每一畫素區域的光穿透能力，而再搭配彩色濾光層上的 紅綠與藍三色畫素，便可使TFT LCD 組合顯現各式各樣的影像與色彩。
圖3.2 光線與液晶方向圖
資料來源: http://www.cmo.com.tw/opencms/cmo/index.html?__locale=zh_TW, 2008【35】
以下將簡單介紹有關液晶顯示器的主要材料組成與其基本操作原理：
偏光膜
將一般的自然光使之產生偏極化，以產生偏極光，是偏光膜(Polarizing Film) 的主要功能。因此液晶顯示器主要就是利用此偏極光，加上液晶分子扭轉特性來 控制光線的通過與否，所以偏光膜是LCD 的關鍵元件之一。
偏光膜的基本構造，主要是由數層厚度僅數十 micron 的薄膜材料疊合組 成，各層的材料及主要功能如表3.1 所示。目前最常採用的偏光膜材料為高分子 與偏光基體所構成，主要製作方式是利用透光性良好的高分子薄膜（一般常用 PVA）吸附上偏光基體（碘系、二色性染料系等），使其擴散滲入 PVA 內層中，
略微加熱後再拉伸此一PVA 膜；受力拉伸後，原本 PVA 分子為任意角度的無規 則性分佈便會逐漸偏轉於作用力方向上，而附著在 PVA 上的碘離子或二色性染 料分子也會隨之排列而具有方向性。如此，碘離子或二色性染料分子便可以吸收 平行於其排列方向的光束分量，而只讓垂直方向的光分量通過，因此使通過此一 薄膜的光線產生偏極化。
表3.1 偏光膜構成材料與功用表
構成 材料 功用
表面保護膜 PE, PET 偏光膜的保護
保護層 TAC 偏光膜的支撐保護
偏光基體 PVA 偏光機制
保護層 TAC 偏光膜的支撐保護
黏著劑 EVA 系等 LCD 基板的黏貼
分離膜 PET 黏著劑的保護
資料來源：PIDA, 1999/5【21】
配向膜
液晶分子的調控光穿透能力與其在顯示器上的應用，必需利用配向膜與液晶 分子間之作用力使液晶分子定向，以便讓整個畫面具有一致性的特定排列方向與 傾斜角度。配向膜材料主要有刷磨（rubbed）法所使用的 PVA （polyvinyl alcohol）、PI （polyimide）、斜向蒸鍍的silicon monoxide、及光配向（photo-induced alignment）的壓克力系感光材料等，目前仍只有刷磨法的 PI 在實際使用。
配向膜於製造過程中以刷磨方式產生配向，主要是在其上形成鋸齒狀的溝 槽，這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子沿著溝槽排列，如此一來，液 晶分子的排列才會整齊。而液晶分子的定著能力，主要是藉由配向材料上的分子 與液晶分子間的作用力大小而定。
薄膜電晶體
TFT-LCD 利用薄膜電晶體來控制畫素電極的通電與否，並藉此控制畫素電 極與對向電極間的電場大小，如此便可以控制液晶轉向程度而調整光的穿透度。
由於形成電場時，其間的液晶層，便會形成平行板電容器，稱之為CLC（capacitor of liquid crystal）。它的大小約為 0.1pF，但是在實際應用上，這個電容無法將電 壓保持到下一次再更新畫面資料的時候。也就是說，當 TFT 充好這個電容時，
它無法將電壓保持到下一次 TFT 再對此點充電時（以一般 60Hz 的畫面更新頻 率，需保持約16ms 的時間）。這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不 正確。因此一般在面板的設計上，會再加一個儲存電容CS（storage capacitor 大 約為 0.5pF），以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候。不過正確 的說，在玻璃上的 TFT 本身只是一個使用電晶體製作的開關。它主要的工作是 決定LCD source driver 上的電壓是否要充到這個點。至於這個點要充到多高的電 壓以便顯示出怎樣的灰階，都是由外面的LCD source driver 來決定的。
彩色濾光片
色彩學上使用紅、綠、藍三原色光，便可以混合出各種不同的顏色的色光，
而顯示器就是利用這個原理來顯示出色彩。把紅、綠、藍三種顏色分成獨立的三 個次畫素，各自擁有不同的灰階變化，然後把鄰近的三個紅、綠、藍次畫素，當 作一個顯示的基本單位，也就是畫素，這個畫素就可以擁有不同的色彩變化。對 於一個需要解析度為 1024 x 768 的顯示畫面，只要讓這個平面顯示器的組成有 1024 x 768 個 pixel，便可正確地顯示這個畫面。
彩色濾光板的構造如圖3.3 所示，由下而上分別是玻璃基板、彩色濾光膜與 黑框（Black Matrix）、保護膜（Over Coat）。
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B lack M atrix Red G reen B lue O ver C oat ITO Photo-spacer M VA Protrusion CS
CS
圖 3.3 彩色濾光板的構造
資料來源: LCD TV 面板產業技術白皮書 p53,工研院材料所 2007/11【22】
每一個RGB 的點之間的黑色部分，叫做 Black Matrix。Black Matrix 主要是 用來遮住不打算透光的部分，比如ITO 的走線、Cr/Al 的走線，或者是 TFT 的部 分。這也就是為什麼每一個RGB 的亮點看起來並不是矩形，其左上角也有一塊 被Black Matrix 遮住的部分，這塊黑色缺角的部份就是 TFT 的所在位置。而常見 的彩色濾光片的排列方式有條狀（stripe）排列與馬賽克（mosaic）排列。
框膠與間隙材
框膠（sealant）的主用途是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃能夠緊密黏住，
並且使面板中的液晶分子與外界阻隔。而間隙材（spacer）主要是提供上下兩層 玻璃的支撐，它必須均勻地分佈在玻璃基板上，一旦分佈不均造成部分 Spacer 聚集在一起，反而會阻礙光線通過，也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙（gap），
造成電場分佈不均的現象，進而影響液晶的灰階表現
。現階段技術間隙材料大都
使用具有彈性回復力的透明光阻材料，除了可控制間隙材料所處的位置，對於液 晶盒間隙控制亦較為精準。背光模組
一般的 CRT 螢幕是利用高速的電子槍發射出電子，打擊在銀光幕上的螢光 粉，藉以產生亮光來顯示出畫面。然而液晶顯示器本身僅能控制光線通過的亮 度，本身並無發光的功能，因此液晶顯示器必須加上一個背光板（back light unit, BLU），來提供一個高亮度且亮度分佈均勻的光源。
現行背光模組的光源主要使用冷陰極燈管，依燈管排列位置之設計可分為側 光源（Edge-lite）及直下式光源（Direct-lite）二種型式（見圖 3.4）。側光源之優 點在於背光模組可做的較薄（約8~12 mm），而且亮度均勻性佳；但受限於導光 板厚度，因此可安置的燈管數有限，亮度也因此受到局限。以6~9 mm 厚的導光 板而言，通常最多僅可排列 6 支燈管。主要應用在筆記形電腦或監視用的 LCD 模組。而直下式光源則因設計上可容納較多支燈管，燈管數依螢幕大小與亮度需 求而定，因此具有高亮度之優點，缺點則在於整體模組較厚（約20~50 mm），而 亮度均勻性則比側光式差。若以高亮度為首要考量，直下式光源CCFL 背光模組 為目前LCD TV 之較佳選擇。目前環保意識抬頭加上局部點亮以求省電的設計，
使得LED 當作背光源已被業界普遍研究導入，在克服 LED 高成本壓力後，相信 LED 光源會被廣氾使用在背光模組中。
Reflector CCFL Diffuser Plate Optical Films TFT Panel Reflector
CCFL Light guide plateOptical Films TFT Panel Edge-Lite
Ditect-Lite
Reflector CCFL Diffuser Plate Optical Films TFT Panel Reflector
CCFL Light guide plateOptical Films TFT Panel
Reflector CCFL Diffuser Plate Optical Films TFT Panel Reflector
CCFL Reflector Light guide plateOptical Films TFT Panel CCFL Light guide plateOptical Films TFT Panel
Edge-Lite
Ditect-Lite
圖3.4 CCFL 背光源燈管之排列方式（a）Edge-lit （b）Direct-lit 資料來源:工研院材料所 溫俊祥繪製 2007/11【23】