第二章 光顯示器技術
1888年奧地利植物學家F. Reinitzer首先發現液態晶體 (Liquid crystals)或稱結晶液體(Crystalline liquids)(簡稱 液晶)的存在，並開啟之後相關的基礎研究與發展。
1968年美國RCA公司科學家G. H. Heilmeier根據動態 散射 (Dynamic scattering) 效應，將液晶做成顯示器，
於是液晶顯示器(Liquid crystal display， LCD)產業開
始成形。雖然美國企業是LCD技術的原始推動者，但
日本卻是最先將此技術商品化之國家。而日本在LCD
市場的獨佔情況一直延續到1995年韓國廠商開始進入
TFT (Thin film transistor) LCD之生產為止。
本章大綱 本章大綱
第一節 液晶顯示器
第二節 液晶顯示器的分類及原理
第三節 液晶顯示器之關鍵零組件介紹
第四節 其他顯示技術
第一節 液晶顯示器
(一) 技術發展簡介
圖一 光顯示器產業最近五年之消長情勢 台灣的TFT LCD產業已經快速攀升到僅次
於日本、南韓，到目前為已形成為三強鼎立的情況。
圖二 台灣廠商分工之情形
聯電、敦茂 華邦、聯詠 奇景、凌越 玻璃基板 ITO玻璃 彩色濾光片 偏光板 液晶 背光模組 驅動IC 台灣康寧
中晶光電 台灣板保 旭硝子發殷
劍度 錸德 勝華 默克光電
展茂、劍度 和鑫、昌益 南鑫、勝華 台灣凸板
協臻、力特 日東電工
住友化學 台灣默克
輔祥、瑞儀 先益、大億 元津、福華 中強光電
台朔光電
華映 錸寶、勝園 東元激光
勝華、光聯 碧悠、美相
華映、勝華 南亞、光聯 碧悠、凌巨 高雄日立
友達、奇美 華映、瀚宇 廣輝、統寶 元太
模組廠商模組廠商
達威、久正、所羅門、
全台晶像等十多家
攜帶電視、
VCD Player 投影機
家電產品 手錶、計算機
筆記型電腦 LCD Monitor 數位相機 PDA
行動電話 汽車導航 視訊電話 呼叫器
工業儀器 醫療儀表 飛行儀表
影視產品 消費產品 資訊產品 通信產品 儀表產品
PDP OLED TN LCD STN LCD TFT LCD 其他
上游材料下游材料
下游材料中游材料上游材料 國際彩光
下游材料中游材料上游材料 國際彩光
下游材料中游材料上游材料 國際彩光
下游材料中游材料上游材料 國際彩光
國際彩光 華邦、聯詠
奇景 玻璃基板 ITO玻璃 彩色濾光片 偏光板 液晶 背光模組 驅動IC 台灣康寧
中晶光電 台灣板保 旭硝子發殷
劍度 錸德 勝華 默克光電
展茂、劍度 和鑫、昌益 南鑫、勝華 台灣凸板
協臻、力特 日東電工
住友化學 台灣默克 中強光電
錸寶、勝園 東元激光
勝華、光聯 碧悠、美相
華映、勝華 南亞、光聯 碧悠、凌巨 高雄日立
友達、奇美 華映、瀚宇 廣輝、統寶 元太
模組廠商模組廠商
達威、久正、所羅門、
晶采、眾福、上靖、
全台晶像等十多家
攜帶電視、
VCD Player 投影機
家電產品 手錶、計算
筆記型電腦 LCD Monitor 數位相機 PDA
行動電話 汽車導航 視訊電話 呼叫器
工業儀器 醫療儀表 飛行儀表
影視產品 消費產品 資訊產品 通信產品 儀表產品
PDP OLED TN LCD STN LCD TFT LCD 其他
上游材料中游材料下游材料
下游材料中游材料上游材料 國際彩光
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國際彩光
下游材料中游材料上游材料下游材料中游材料上游材料
等
展茂、劍度 和鑫、南鑫 勝華、國際 彩光、台灣
凸板 等 等
等 等
錸寶、東元 激光等 錸寶、東元 激光等
第二節 液晶顯示器的分類及原理
向列型液晶(Nematic):每個分子的分子軸都互相平行而且 方向一致，無論在流動或靜止的時候，分子間彼此都維 持著平行且同向的基本排列關係
圖三 向列型液晶
層列型液晶(Smectic): 圖四具有二度空間的層狀規則性排列，各層間 有一度的順向排列 。液晶中分子排列規則性較為明顯，分子間不但 互相平行而且還有分層組織，因而流動的自由度受到了更多的限 制，其黏性遠比其餘兩種液晶還要大。
圖四 層列型液晶
膽固醇型液晶(cholesteric): 圖五由多層向列型液晶堆積所形成，又稱 為螺旋型液晶。當兩個平面上分子的分子軸方向平行時，其距離稱 為一個螺距，螺距將會決定它最強烈的反射光線的波長。
圖五 膽固醇型液晶
(二)液晶驅動方式－被動式矩陣
當液晶層不施任何電壓降時，液晶是在它的初始狀態，會把入射光 的方向扭轉90度，因此讓背光源的入射光能夠通過整個結構，如圖 六所示。
圖六 無電壓差之液晶層 ＴＮ型(Twisted Nematic)-扭轉向列液晶 ：
當液晶層施以某一電壓差，液晶會改變它的初始狀態，使液晶的排 列方向不扭轉，而不改變光的極化方向，因此通過液晶的光會被第 二層偏極片吸收而整個結構呈現不透光的狀態，如圖七所示
圖七 有電壓差之液晶層
圖八為對向列型液晶分子施加電壓，其透光率與偏光迴 轉角度的變化情形
圖八 液晶透光率與偏光迴轉角度示意圖
STN型(Super Twisted Nematic)－超扭轉向列型液晶
STN顯示元件必須預做配向處理，使液晶分子與基板表面的初 期傾斜角(Pretilt angle)增加
圖九 STN型與TN型液晶分子之扭曲狀態
圖十所示中央部份液晶的分子軸扭轉角度φ與施加電壓的關 係，由圖上可以看出當扭轉角度φ為90度即TN型液晶，對於 施加電壓的變化不是非常急速的
圖十 液晶的分子軸扭轉角度φ與施加電壓的關係
圖十一 STN型和TN型比較圖
(三)液晶驅動方式－主動式矩陣
圖十二 TFT-LCD面板結構圖 TFT-LCD面板的基本結
構為兩片玻璃基板中間 夾住一層液晶。前端 LCD面板貼上彩色濾光 片，後端TFT面板上製 作薄膜電晶體。當施電 壓於電晶體時，液晶轉 向，光線穿過液晶後在 前端面板上產生一個畫 素。背光模組位於TFT- Array面板之後負責提 供光源。彩色濾光片給 予每一個畫素特定的顏 色。結合每一個不同顏 色的畫素所呈現出的就 是面板前端的影像。
TFT (Thin Film Transistor)－薄膜電晶體
TFT面板就是由數百萬個TFT device以及ITO (In Ti Oxide，透明 導電薄膜)區域排列如一個像素所構成，而所謂的Array就是指 數百萬個排列整齊的TFT device之區域，此數百萬個排列整齊 的區域就是面板顯示區
圖十三 TFT畫素的結構
圖十四為各畫素點指定的時間變化﹐由t1到tn閘極驅動IC持續選擇開 啟G1﹐使得源極驅動IC以D1、D2到Dn的順序對G1上的TFT畫素充 電。tn+1時﹐閘極驅動IC再度選擇G2﹐源極驅動IC再從D1開始依序 選擇
圖十四 各畫素點的時間變化
圖十五為三種形式的比較圖，TFT明顯較佔優勢，而在這三大類的液 晶顯示器中，也以TFT-LCD的市場最大，不僅如此，TFT-LCD已經 取代傳統陰極射線管（Cathode Ray Tube；簡稱CRT），目前已經登 上顯示器霸主寶座。 圖十五 TN-LCD、STN-LCD和TFT-LCD比較圖
圖十六 玻璃基板製程方法
第三節 液晶顯示器之關鍵零組件介紹
圖十七CIE1931制定的xy色度圖
所謂色純度是指可顯示色彩的範圍，表示色彩範圍因此經常使用CIE1931 的xy色座標。由圖十七(a)可知即使輝度(x,y)相異，只要色調一樣就可用相 同的色度座標表示
圖十八 CIE1931色度圖 表一 NTSC色座標
x y
R 0.67 0.33 G 0.21 0.71 B 0.14 0.08
1 隨著偏光角度的改變，各個不同強度的光經彩色濾光膜的紅、
綠、藍子畫素後再混色加成，就會顯現出不同顏色及亮度的畫素，
經由各畫素即可組成一幅色彩繽紛的圖案或影像。
2 彩色濾光片的基本構造中，在玻璃基板間配置有紅、綠、藍微細 彩色濾光膜，且在紅、綠、藍之間分別夾有遮光層，遮光層具有提 升對比度及防止色材混色等作用。因為「對比」乃是亮與暗時的光 穿透率比值，當對比值愈大時，看到的影像愈清晰，因此為了能使 對比提升，在外加電壓驅使液晶動作時（即暗態，光被遮斷），被 驅動的畫素一定要呈現非常黑暗。因此，要有效地適用遮光罩來防 止漏光現象。
3 為了防止紅、綠、藍色材間的混色，彩色濾光片中的紅、綠、藍 不能互相接觸，所以在各色材之間必須填充無色材、不透光的遮光 膜，以提供「避免漏光」和「三原色混色」之效果。
4 在最外層塗覆一層保護膜，以保護紅、綠、藍濾光膜，避免它們 在後續的製程中遭到不必要傷害，同時也兼具著避免它們色材膜與 遮光層間的落差，使其平坦化。紅、綠、藍色材膜的白色光穿透率 約為25％。
圖十九 彩色濾光片結構圖(a)
彩色濾光片結構
圖二十 彩色濾光片結構圖(b)
圖二十一 被動矩陣顯示方式 液晶顯示器面板乃單純地由
電極與液晶所構成，並在上 下基板配置行列矩陣式的掃 描電極和資料電極，直接運 用與掃描訊號同步的方式，
由外部電壓來驅動各畫素內 的液晶，以達到對比顯示之 作用。然而當畫面密度愈高 時，掃描線數就愈多，則每 一畫素所分配到的驅動時間 愈短，此將造成顯示對比值 的降低
被動式驅動：
液晶顯示器驅動方式
圖二十二 主動矩陣顯示方式 運用薄膜電晶體或金屬絕緣
層金屬二極體的主動元件來 達到每個畫素的開關動作。
當輸入一掃描訊號，使主動 元件為選擇狀態（開）時，
所要顯示的訊號就會經由該 主動元件傳送到畫素上。反 之，若為非選擇狀態（關）
時，顯示訊號被儲存保持在 各畫素上，使得各畫素有記 憶的動作，並隨時等待下一 次的驅動。因此，這種模式 即使是在高的占空比情況 下，也可以得到良好的顯示 畫質
主動式驅動:
當光線透過第一片偏光板時，將會有一部分的光線被其設計的 方向濾掉，此時若在一線前進時，碰到第二片偏光板時，恰好 就將所有的光線擋住。若能在光線通過第一片偏光板後，將光 線扭轉，光線就能通過第二片偏光板
圖二十三 TFT LCD偏光板原理 偏光度(P)=
2 / 1
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
+
−
Tb Ta
Tb Ta
Ta:平行透射率 Tb:正交透射率
偏光板：
圖二十四 透過率和反射率與受光角度之間關係
背光模組:
一般而言，背光模組可分為前光式(Front light )與背光式(Back light)兩種，而背光式可依其規模的要求，以燈管的位置做 分類，發展出下列兩種結構：
1. 側光式(Edge lighting)結構：
發光源為擺在側邊之單支光源或雙支光源，導光板採射出成 型無印刷式設計，一般常用於18吋以下中小尺寸的背光模 組，其側邊入射的光源設計，擁有輕量、薄型、窄框化、低 耗電的特色，一般使用在手機、個人數位助理(PDA) 、筆記 型電腦的光源，目前亦有大尺寸背光模組採用側光式結構。
2. 直下型(Bottom lighting)結構：
光源由自發性光源(例如燈管、發光二極體等)射出藉由反射 板反射後，向上經擴散板均勻分散後於正面射出
圖二十五 側光式(Edge lighting)結構與直下型(Bottom lighting) 結構
第四節 其他顯示技術
(一)電漿顯示器PDP (Plasma Display Panel)
圖二十六 電漿顯示器結構圖
(二)液晶投影機
利用LCD液晶模組來調變由光源發射出來的光線，為了要讓 LCD液晶模組能準確投影出影像的色彩，需要將光線分離成 紅、綠、藍分別加以控制，之後再將紅、綠、藍三色混合，利 用投影鏡頭投影至銀幕上
圖二十七 液晶投影機原理
圖二十八 穿透式液晶投影機原理
穿透式液晶投影機內部主要的元件為液晶面板及用來分光合光的 雙色鏡。光線由光源模組發出，經過分光的雙色鏡，將光源分成 紅、綠、藍三種顏色，這三種顏色分別由三片液晶面板控制調變 之後，在投射鏡頭前由合光稜鏡將三種顏色合併，再透過投影機 鏡頭投影至銀幕上
反射式投影機除了液晶面板與穿透式的不同之外，最大的不同在 於反射式投影機還多了一組極化分光鏡。光線在經過雙色鏡分色 之後，投射到極化分光鏡中，再經由反射式LCD面板調變光線反 射後回來，再同樣由極化分光鏡來處理反射回來的光線，然後再 經由合光稜鏡合併三種顏色，經由投影機鏡頭投射到銀幕
圖二十九 反射式液晶投影機原理
