光電科技：液晶顯示器
91/09/30
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黃素真｜
虎尾技術學院光電工程系
隨著網際網路與無線電通訊技術的急遽發展，資訊化漸漸普及於個人，因此可攜式資訊產品，如筆記型電腦、行動電話、數位相機、及個人數位助理等，均快速發展與成長。由於液晶顯示器具有薄型化、輕量化、低耗電量、無輻射污染、且能與半導體製程技術相容等優點，並順應著這股網際網路數位資訊化市場的興起，使其在短短三十年間，產品之應用更呈飛躍性的成長。由早期的簡易手表、計算機等低資訊容量顯示產品的應用，漸漸擴及精細化的監視器或可攜式資訊產品。其技術涵蓋材料、設備、製程、產品特性等諸多層面的開發，真可謂是一日千里。時至今日，更以驚人的氣勢持續成長，儼然成為下一代平面顯示器件市場的主流。
液晶的認識
何謂「液晶」？液晶是一種兼具液體的流動性與晶體的一定規則排列性的材料，所以稱為液態晶體。液晶的發現已有一世紀之久，早在西元 1888 年時，奧地利植物學家雷尼哲（Reintzer）在加熱安息香酸膽石醇時，意外地發現該物質的異常熔解現象，因為此物質加熱至攝氏 145 度會熔解成白濁狀的液體，而且若再繼續加溫至攝氏 179 度時，則呈現透明的均方向特質液體（均向液體）。反之，再從高溫逆轉降下時，也可以發現在攝氏 179 度以下時，透明液體漸漸轉成混濁狀，且下降至攝氏 145 度 時又形成固體的結晶態。
其後，德國物理學者萊曼（Lehmann）利用偏光顯微鏡觀察此安息香酸膽石醇的混濁液體時，發現此液體具有晶體所特有的異方向性特質，因此證實了液晶的存在，也同時開啟了液晶材料的開發研究與應用技術 。
液晶分子容易因受外力作用而流動，且具有類似單軸晶體的異向特性，也就是材料的光折射率、介電常數、磁化率、及黏度等特性會隨著方向的不同而有所差異。因此，在許多應用上，均是利用液晶分子受外界刺激後，分子的配列將發生變化，導致其光學或電氣特性也跟著變化，而將此材料應用於顯示器、光電元件、及感測器等元件上。
液晶顯示器的基本原理
由於液晶顯示器是以液晶分子材料為基本要素，將這白濁的液晶分子夾在經過配向處理的兩片玻璃板之間，即可組合成目前熱門而且與我們日常生活息息相關的液晶顯示器件。
這個介於固態與液態之間的中間態分子，不但具有液體易受外力作用而流動的特性，亦具有晶體特有的光學異方向性質，所以能夠利用外加電場來驅使液晶的排列狀態改變至其他指向，造成光線穿透液晶層時的光學特性發生改變，此即是利用外加的電場來產生光的調變現象，我們稱之為液晶的光電效應。利用此效應可製作出各式的液晶顯示器，如扭轉向列型液晶顯示器、超扭轉向列型液晶顯示器、及薄膜電晶體液晶顯示器 等。
我們舉扭轉向列型液晶顯示器的構造來加以說明。扭轉向列型液晶顯示器的基本構造為：上下兩片導電玻璃基板，在導電膜上塗布一層經由摩擦而形成極細溝紋的配向膜，當向列型液晶灌注入上下兩片玻璃之間隙時，由於液晶分子具有液體的流動特性，因此很容易順著溝紋方向排列。在接近基板溝紋位置時，液晶分子所受的束縛力較大，所以會沿著上下基板溝紋方向排列，而中間部分的液晶分子束縛力較小，在液晶盒內會形成扭轉排列。因為在液晶盒內的向列型液晶分子共扭轉 90 度，故稱此工作模式為扭轉向列型。另外，上下基板外側各加上一片偏光板。
接著，我們進一步說明此顯示器的明暗對比顯示動作原理。首先，由白色背面光源所射出的光通過第一偏光板後，自然光即被偏極化為線偏極光，在不施加電壓時，則此線偏極光進入液晶盒內，逐漸隨著液晶分子扭轉方向前進，因上下兩片偏光板的穿透軸和配向膜同向，即兩偏光板的穿透軸互相垂直，故光可通過第二片偏光板而形成亮的狀態。相反地，若施加電壓時，液晶分子傾向於與施加電場方向呈平行，因此液晶分子一一垂直於玻璃基板表面，則線偏極光直接通過液晶盒到達第二片偏光板，這時光會被偏光板所吸收而無法通過，形成暗的狀態。因此，利用適當驅動電壓即可得到亮暗對比顯示的效果，此顯示畫面即為一白底黑字的模式。
液晶顯示器顯示模式與種類
液晶顯示器依據驅動方式的差異可分為二大類：被動式驅動及主動式驅動技術二種。前者的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。
為改善對比問題，可利用主動矩陣的驅動方式，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。
一般而言，被動式的多工驅動顯示器畫質與響應速度，比同級的主動驅動產品要來得差，但由於其價格較為低廉，目前仍然是中低階消費市場的主導者。
另因液晶顯示器並不同於其他自發光性顯示器件，在整個顯示器件中，液晶盒扮演著光閥的作用，藉由不同的驅動電壓來改變液晶的配列狀態，進而控制通過此光閥的照明光亮度，以達到灰階的顯示效果。而依據照明光的來源可將液晶顯示器的顯示效果模式分為穿透式、反射式、及半穿透反射式的顯示器件。
穿透式顯示器是由液晶面板與背光源所組成，整個顯示器的光量是由面板下方的背光源所提供。反射式液晶顯示器則是以外界環境光為光源，並利用液晶面板下方的反射板將照明光予以反射，這種模式省去了提供光源的背光模組，所以降低整個液晶顯示器的製作成本，且大幅減少電源的消耗功率，當戶外光越強時，其所呈現的影像愈清晰。因此，是故該省電的反射式顯示器的主要市場，就定位於可攜式的戶外用資訊產品上。
彩色化技術
平面顯示器的彩色化毫無疑問是一定的趨勢，因而含有紅色、綠色、藍色三原色的彩色濾光膜，乃成為重要且必備的周邊材料。所謂的濾光膜，就是在透明玻璃上塗覆一層有顏色的透明薄膜，當自然光通過時即產生濾光的效果，不同顏色的濾光膜則產生不同的色光。因此，濾光膜可以實現平面顯示器的全彩化效果。
色彩學中的三原色為紅色、綠色、藍色，透過此三原色的混色加成，可得到各式不同的色彩。依國際照明委員會 1931 年公布的色度坐標圖，顏色可用色度座標值（x , y）來表示，在馬蹄型圖框內的每一點則代表著不同的顏色，例如在（1/3 , 1/3）處的位置表示白色，而圓弧邊界上的每一點代表著各單一波長光的顏色。
一般常見的混色加成法可區分為兩大類，一為時序混色法，另一為空間混色法。時序混色法乃是利用三原色圖場循序地在人眼視覺暫留的時間內來合成彩色的圖像，也就是說將三原色的色度分別依序切割在三個不同的顯示時段（例如：在 1/180 秒之內）表現在同一畫素中，由於人眼視覺暫留的影響，導致在 1/60 秒內已有三個不同光強度的三原色重疊在一起，而得到色彩繽紛的彩色顯示效果。至於空間混色法，則是將空間的某特定點細切分割成三個細小的原色點，再藉由控制通過三原色點的光亮度強弱，而得到混色加成的效果。常見的彩色顯示器，絕大多數是使用空間混色法來達到彩色化效果。
彩色濾光片技術
彩色液晶顯示器是利用空間混色技術來得到全彩化的顯示功能，也就是在每個畫素中適當安排紅、綠、藍三個子畫素的濾光膜。由背光板所發射出來的光源，經過紅、綠、藍彩色濾光片後，可視為三個新的色彩光源，此和傳統映像管－陰極射線管的紅、綠、藍三槍的色彩性能相同。通常藉由外加驅動電壓在液晶顯示器板上，驅使液晶盒內的分子改變排列狀態，進而改變光偏振狀態與光透過率。就好像在每一畫素中，利用三個不同電壓來直接調變子畫素紅、綠、藍的光強度一樣。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。
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」乃是亮態與暗態時的光穿透率比值，當對比值愈大時，則所看到的影像愈清晰，故為了能使對比提升，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。
同時，為防止紅、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配設無色材、不透光的遮光膜，以提供「避免漏光」和「三原色混色」之效果。另外，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損傷，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％。
評價技術
顯示器的品質優劣，端賴於其光電特性的量測評價而定。常見的操作機能評價項目有：對比與工作電壓依存性、視向、視角、應答時間、彩色顯示品味、產品信賴性。下面，僅就應答時間做一討論。
液晶顯示器之外加電壓與應答時間的關係為：由觸發電場變化之那一刻起，至顯示器上該驅動畫素的相對穿透輝度變化的前 90％ 為止，所需要的時間，即為應答時間。在啟動該畫素時，即為上升應答時間，而若在關閉該畫素時，則為下降應答時間。
由於液晶顯示器是利用電場效應導致液晶分子排列狀態改變，進而造成光的偏振狀態與方向改變，因此得到明暗對比顯示效果。然而其應答速度比其他自發光性的顯示器件來得緩慢，往往造成畫面有拖尾巴的缺點，這也是早期此類產品並不適合於動畫顯示的原因之一。
近年來，由於液晶材料、液晶盒製作與驅動電路之技術改善，應答速度已有明顯的進步，雖然仍無法與傳統陰極射線管的產品相競爭，但至少也能滿足特定之需求，目前最佳的應答時間可達15微秒左右。
商品化應用
近十年間，在各方技術的不斷精進下，液晶顯示器已被廣泛的應用在每一個人的生活中，舉凡在通信領域（如行動式移動電話、無線電話、傳真機）、計測領域（如工業用儀表、機器），家居生活領域（如影音家電、電玩）、資訊領域（如監視器、可攜式電腦），均已不斷開發新產品，需求量也越來越大。茲就近年來最熱門及新興之三大應用市場，提出說明。
液晶顯示器監視器：自 1998 年以來，在材料價格下滑及產能充裕的前提下，產品價格已逐步為市場所接受。預估每年需求量將以約 40％ 的速率成長，且由於比現行陰極射線管監視器具有輕量化、薄型化、無輻射、低耗電化等多項優點，頗有超越陰極射線管之勢。目前，仍以 15 吋大小之尺寸為該監視器市場之主流。
行動電話：從早期只能傳送語音信息的功能，一直發展到目前能涵蓋著電子郵件之收發、及彩色圖像之互動傳收功能的第三代行動電話，資訊無遠弗屆、暢通無比之時代即將來臨。無疑地，省電化、觸控式的彩色液晶顯示器將在未來占有相當大的比重。
車載用液晶顯示器：配合社會環境的資訊化潮流，為能隨時提供汽車駕駛者擁有一個更安全舒適的環境，在汽車內配設儀表監視、電話通訊、汽車導航、影音設備、後視影像系統等設施是必然的趨勢。因此，人機界面的顯示器件之市場需求大幅提升。預期在此新興市場，液晶顯示器將有高度的成長。但此類產品，有嚴苛環境的耐久性、寬廣視角，及安全環保上之相關要求，此將是往後研發的主要課題。
液晶顯示器未來展望
從應用面而言，現在的可攜式資訊產品發展，和以往單只是管理個人行程的電子記事本不同，它不僅可以在外出地點連接電子郵件及收發信，也可以輕易地做到資料庫的檢索。而將行動電話、個人數位助理改變成能提供影像讀取等各式各樣應用的工作平臺，則更是可攜式資訊產品未來的發展趨勢，這也即是所謂的「後PC」時代的來臨。因此，身為其中之主要裝置的面板顯示器需滿足下列要求：大型化、高精密化；薄型、輕量化；可撓曲性、操作簡單；高效率照明彩色化；低耗電量化等。以下就基板的薄型化與反射式產品的省電化技術兩項加以說明。
基板薄型輕量化：為了謀求薄型化、輕量化，一則使用更薄的玻璃，二則使用塑膠做為基板。在玻璃基板方面，目前被動式液晶顯示器的主流為 0.5 毫米厚度的玻璃基板，而藉由將玻璃基板厚度做到 0.4 毫米、0.3 毫米，以達到輕量化之目的。現在 0.4 毫米的玻璃基板在部分用途上已經實用化了。
主動式薄膜晶體液晶顯示器的主流，則為 0.7 毫米厚度的玻璃基板，現在也在檢討 0.5 毫米玻璃基板的可行性。但是，若使用 0.5 毫米厚度以下的玻璃基板，在製造過程中會發生因玻璃本身重量所引起的彎曲現象等問題。因此，如何確保和現行的 0.7 毫米基板具有同等的良率，將是薄型化技術開發的重點之一。
另外，傳統的液晶顯示器主要是玻璃基板與液晶材料所組成，但因玻璃具有容易碎、不耐衝擊、以及較大厚度與重量等先天缺點。因此，此類基板將逐漸無法滿足新一代產品應用之輕量、薄型化與可撓曲、摺疊使用等需求。所以，利用「塑膠材質」來取代「玻璃基板」是個不錯的解決方案，不但改善了玻璃基板的缺點，同時因塑膠本身具備可撓曲性及薄型化，更可提供新世代平面面板較寬廣的設計。相信在未來，我們只需帶著一份可摺疊或撓曲，且如文件般薄的顯示器件，即可透過無線電通訊傳輸界面來做資訊的接收與發送。
至於目前塑膠液晶顯示器的主體基板，有 0.1 毫米厚度的塑膠薄膜型態（可以捲帶狀方式製造、供給）和 0.2 毫米以上厚度的塑膠片。在面板的顯示成色改善方面，確保塑膠基板的高透光率與耐熱性極為重要，但是目前這兩者之間往往無法同時達成。例如，以現在實用化的基板來說，薄膜型塑膠的透光率高、薄型輕量、且容易製作處理，但是在耐熱性上卻較差。而膠片式因擁有 0.2 毫米的厚度，所以相對地透光率降低，但在耐熱性卻比薄膜型來得好。
塑膠的耐溫、耐濕性及硬度均較玻璃為差，必須加強後才能做為液晶顯示器之基板。因此，需在基板表面塗布一層透明之抗氧氣與水氣侵入的阻隔層，以防止氣體滲透入塑膠基板，並進入液晶盒，破壞液晶材料的品質。
最早的塑膠液晶顯示器，曾應用於扭轉向列型液晶顯示器的卡式電子計算機與呼叫器上，但由於會產生面板的彎曲、變形、氣泡、……等缺陷，且在信賴性以及顯示成色方面出現種種難題，因此一直無法市場化。直到最近，這些難題被克服了，塑膠超扭轉向列型液晶顯示器也漸漸被應用於行動電話上，需求也逐漸擴大中。
如果是針對行動電話尺寸的產品，使用塑膠液晶顯示器的整體模組可達成 1 ~ 2 克的輕量化，而且模組的厚度也能在 0.6 ~ 0.8 毫米之間。但是，塑膠液晶顯示器和玻璃液晶顯示器相較，前者在顯示成色與耐久性上尚有改善的餘地，尤其是在顯示成色方面，塑膠基板的高穿透率與耐熱性的改善極為重要。
反射式產品的省電化：反射型液晶顯示器因不須配置背光模組，直接利用周遭環境光的照明為光源，可大幅減少電源功率的消耗，也降低整個顯示器件的製作成本。與傳統的穿透式彩色液晶顯示器相比，反射式彩色液晶顯示器具有較低耗電量、較薄厚度、較輕重量等優點，比一般穿透式彩色液晶顯示器可省下 60％ 以上的耗電量，使得資訊產品的工作時間可以增加許多。因此，適合搭載於可攜式的資訊產品上，做為終端顯示器件。
顯示器產業做為高密度資訊時代之人機界面中的最佳溝通橋樑，將是廿一世紀所不可忽視的科技產業。面對新興和多變的對手，液晶顯示器在電漿顯示器、映像管、有機高分子電激發光顯示器、……等類產品的競爭之下，仍是以極強的優勢在市場中屹立不搖。
由於我國除了在半導體相容製程的技術較純熟之外，尚有許多關鍵的材料、零組件與開發專利權都掌握在他國手中，因此在未來新技術的建構中，更有賴全國產官學界之整合研發，積極創新與熱情推動，使能於適當的時機點上，在此領域中占有一席之地。
