LCD 技術動向分析

前言
　　擁有輕薄、省電、無輻射等優點的LCD，由於尺寸越做越大、產品規格越來越好，市場范圍得
以不斷擴大。然而，由此所引發的激烈競爭，使得廠商必須在技術上不斷推陳出新以便能持續刺激
市場。而對於技術開發來說，其實就只有兩個目的：降低成本及提昇性能。因此，LCD 廠商除透過
面板設計、工廠生產線制造改善、應用產品搭配等三方面技術著手發展。此外，要如何達到CRT 的
廣視角、高對比、高速應答、色彩表現等品質，甚至強化LCD 的更輕薄、省電、高解析特性，是LCD
鞏固既有領域，防止其它技術取代，也是廠商們不斷努力改善的目標。是故，本文就這幾點技術動
向，加以說明。

表1 　LCD 技術發展項目

最需要： ◎，需要：O， 其次： D
資料來源：PIDA
降低成本方面
　　由表１可以看出，不同的應用產品所需要的LCD 技術不太一樣，廠商必須針對其重點市場加以
研發適合產品。但唯一相同的要求就是降低成本，因為競爭廠商越來越多，甚至新顯示技術產品也將誕生，LCD 業者必須不斷降低成本方能鞏固市場。
　　一般來說，降低成本最簡單的方法，就是將後段工程轉移到低人工成本的地方，不過人力成本
僅占全部成本一成，真正的關鍵仍在占成本比重達50%的材料身上。而要如何減少材料的使用，長
期來看，必須從材料及制程的改善去著手。
根據經濟部資訊推動小組委托MRI 的調查結果，以及各家廠商展示新產品時的技術成果看出，
降低成本必須在不同制程階段使用不同的手法。TFT Array 成本關鍵雖出在設備與制程本身，但其它
制程步驟材料成本顯得比重頗高。因此降低成本方法第一階段中包括，Array 制程透過設備改善，減
少光罩數目及減少曝光步驟，縮短制程時間增加產出；Cell 段工程的良率最低，提高良率是關鍵；模
組段工程，背光模組是關鍵材料，但目前背光模組以導光方式形成面光源，需要眾多光學元件組成，
不僅成本高，增加重量與空間，新技術是將導光板微細加工產生棱鏡功能，節省光學膜，減化結構。
經過如此的改善之後，第一階段目標可減少成本36 ~ 46%。
　　第二階段，考量設備投資實在太昂貴，希望能在相同設備下，利用縮短每個制程TACT TIME 提
昇產量，另一方面采用新制程概念，如Color filter 做在TFT 基板上，驅動IC 整合在玻璃上等，目的
還是希望減少材料成本。第二階段目標減少成本22%。總之，廠商目標2003 年成本能降低60%，實
現LCD 面板價格為CRT 之1.5 倍的目標，并因此可望取代40%CRT Monitor 市場。不過，這樣的「理
想」，顯然還需要上游廠商配合才有機會成功。
　　根據調查，在12.1 寸到14.1 寸之間，LCD 面板廠商所提供的產品將近300 種規格，且生產面板
所用的各項材料更繁如天星。而由於無一定標準來規范，使得筆記型電腦廠商在采購時相當困擾，
更使LCD 廠商的備料非常棘手，如此勢必造成產品成本增加。故Compaq、IBM、DELL、HP、Toshiba
廠商組成SPWG （Standard Panel Working Group ） 針對筆記型電腦面板13.3、14.1、15 寸制定規格
化標準。雖然Standard 1.0、2.0 版本已出，但仍有厚度、重量、反應速度、亮度、電子信號等未予規
范的項目。同時，盡管定出標準能幫助LCD 廠降低成本，但在市場爾虞我詐之下，不少廠商還是推
出各種新規格搶進卡位，使得統一標準的理想難以落實。然而，事實上還是有部份標準，可讓LCD
廠與筆記型電腦廠在設計上有所依循。
提昇性能方面
1.薄型輕量化
　　攜帶性產品常常標榜體薄量輕，以筆記型電腦為例，LCD 占筆記型電腦重量的18~25%，是最
重的一個元件，這使得減輕LCD 的重量成為業者們最重要的課題。LCD 廠商計畫將14.1 寸面板重
量由2000 年的560 公克將減少到2002 年的420 公克，厚度由2000 年的6mm 將減少到2002 年的4.7mm，如此的改善幅度超過兩成。
　　而若細論LCD 各個零組件所占整體重量可知，玻璃基板是占比重最大的部份，大約一半，其次
為背光模組組成份子，占41%。因此，為達輕量化目標，玻璃基板廠商需提供更薄基板，從現在最
常用的0.7mm 開始，朝更薄更輕邁進。以Coring 的Eogle 2000 為例，密度由2.54 g／cm3 減為2.37 g
／cm3，厚度由0.7mm 減為0.63mm，如此可使重量減輕13%。至於在背光模組方面，背光模組乃由
許多光學結構組成，使用更輕材質導光板將是立竿見影的解決方法。導光板材料以具有光散亂樹脂
材料取代透明壓克力樹脂，且采用導光板微細加工溝巢，取代光學薄，如此一來不僅能減少厚度重
量，又可降低價格，實為背光模組廠商今後的努力方向。此外，部分廠商想出直接以平面式光源取
代復雜的導光結構，雖立意不錯但價格卻不低。
2.高解析
　　當LCD 尺寸不斷向上攀升，高解析度也因此成為另一個訴求戰場。自1999 年13.3 寸成為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 寸擠掉13.3 寸後，更使XGA
解析度在市場上的比重高達70%，此舉更引發2000 年底SXGA+、UXGA 開始露臉。以LCD Monitor
而言，目前仍以XGA 為主，隨著2001 年超過15 寸產品比重超過20%後，大型化面板帶動SXGA 以
上解析度將漸成為主流，甚至2005 年UXGA（1600 × 1200）可望成為最大宗選擇。
　　至於在TV 方面，其要求的重點在於畫面而不是文字，故解析度SVGA 便足以應付目前電視要
求。例如，NEC 在2000 年底出貨20.1 寸TV 專用的LCD-TV 解析度僅VGA。然由於LCD-TV 市場
仍在萌芽過渡階段，多媒體寬螢幕電視的解析度以XGA ~ WXGA（1280 × 768）為主，SHARP 28 寸
LCD-TV 即是WXGA。積極進軍液晶電視的三星電子計畫2002 年階段將以24 ~ 32 寸WXGA ~ UXGA
為產品規劃，但是2005 年以HDTV 為訴求，則需要解析度1920 × 1080 畫素40 寸大型TFT LCD。
　　當解析度越高，電路上RC delay 會造成GATE 信號變形，畫素資料寫入時間不夠，導致亮度對
比呈現不佳。因此，為達到高精細畫面，必須降低Bus line 阻值及寄生電容。選擇Cu、Al 類低電阻
金屬，或Mo／Al、Ta／Al、Cr／Al 類的積層構造可做Gate Bus Line 使用，降低Bus line 阻值。此外，
開發減少Source 及Gate 端重疊部份來減少寄生電容，也是一個不錯的方法。當然，解析度高的產品
會使畫面更細致，但卻使得LCD 開口率相對下降，如此一來卻迫使背光源亮度必須提高才能給使用
者相同亮度畫面，同時也使耗電跟著增加。是故，廠商除了要從背光模組改良光源設計及Invertor 效
率改善著手外，LCD 業者們更要改進制程提高開口率。此外，高解析度化所導致的信號頻率增加與
EMI 問題，以及相對電路耗電增加所引發的溫度上升等，使得散熱與EMI 成為另一大棘手的問題。
　　除了硬體與制程技術的問題，在軟體上，LCD 的解析度必須與電腦作業作業軟體搭配。因為解析度太高，反而字體過小可視性變差。Window2000 將會解決字體點數固定所造成問題。附表顯示各
種尺寸面板最佳顯示解析度，一般而言120ppi 已經是人眼辨識的極限。
3.廣視角
　　LCD 的利用液晶旋轉控制光線，造成先天狹視角的缺點，在面對大型化LCD 螢幕時，廣視角的
問題隨之顯著。以往最方便的方法是貼上廣視角膜，但廣視角膜是日本FujiFilm 一家所獨占材料，成
本不便宜，因此各LCD 廠研發以新液晶材料及新的結構，改良液晶配向提升視角。目前已成功應用
在量產品的技術，有富士通的MVA 技術、日立IPS 技術，另外在最近展覽中，其它廠商新技術，如
三星電子的PVA（Patterned Vertical Alignment）及現代FFS（Fringe Field Switch）技術，都能達到視
角170。。
　　其中，富士通MVA 技術是采用垂直配向（VA）模式液晶和多域法的組合。VA 液晶垂直排列，
光學特性受視角影響小。而多域法是將每個畫素分成幾個子畫素，每個子畫素各有其扭曲排列方式
及視角特性。只要子畫素位置分配設計恰當，使各子畫素視角特性能互相彌補，合成後視角變廣且
沒方向性。
所以富士通利用玻璃基板上設計突塊，以控制液晶分子排列，如此可省略以往摩擦（Rubbing ）
配向制程，減少配向所造成微粒污染。但為了改進開口率，提高光透過率，減少突塊制程步驟，富
士通設計新的MVA 結構，利用ITO 孔隙做為虛擬突塊效果，可減少漏光現象，且開口率提升10%，
對比也由300：1 變為500：1。由於富士通以大型營幕產品為產品策略，，所以積極研發廣視角量產
技術。目前富士通已開始量產新MVA 結構的15 寸XGA、17.4 寸SXGA TFT LCD 外，23.1 寸UXGA也開始量產，視角均有160。，反應速度在25ms 以下。

表2　廠商高解析度LCD

表3　各類廣視角技術

注：MVA（ Multi-domain Vertical Alignment ）；Super-IPS（ In Plane Switch ）
ASV（Advanced super View ）；OCB（ Optical Compensated Birefringence）
　　而韓商三星PVA 技術也是采用垂直配向模式液晶材料，利用上下兩片玻璃上設計的ITO 電極，
在電極邊緣形成邊緣電場（Fringe filed），加上補償膜達到多域效果，視角也變廣。三星表示此方法與原本制程相容，且有較高穿透率。
　　至於日立IPS 液晶模式無論電場狀態，液晶分子只在水平方向旋轉，因此即使注視位置改變，
光學特性也少有變化，所以增加視角范圍，這種模式控制液晶電極設計在同一平面上，主要是為了
產生橫向電場控制液晶分子在水平方向旋轉。但以住IPS 結構設計，仍然在某些角度上產生階調反
轉，對比不佳及白影等缺點，所以日立增加多域（Multiple-domain）補償的新結構，稱之Super-IPS，改善以上缺點，對比也由200 提升到350。同時日立采用新的液晶材料及改善驅動效果，提升IPS 反應速度到30ms。目前日立已經開始量產視角170。的15、18.1 寸SUPER-IPS TFT LCD，并在2001 年
可量19 寸新產品?，F代電子開發類似IPS 的FFS 廣視角技術，以上下板較窄間距形成邊緣電場（FringeFiled）達到多域效果，并采用負型液晶材料且以ITO 電極取代金屬電極，則達到更高透光率，但是FFS 結構所需制程較IPS 更多。

4.反應速度
　　LCD-TV 最要求動畫表示效果，所以LCD 反應速度為關鍵課題。以NTSC 顯示方式，60Hz 顯示
頻率，則每個Frame 僅16.7ms。以目前筆記型電腦面板規格多為30 ~ 40ms，LCD 反應速度太慢會造
成畫面有殘影缺陷。就TN Mode 的液晶材料，其反應時間正比於液晶旋轉黏度、誘電率異方性、外
加電壓、cell 間距平方。所以廠商必須尋找低黏度液晶材料，但是低黏度液晶材料會影響其他特性，
廠商要在兩難中調整出最佳化材料。減少LCD 兩片基板間距也是加速反應時間方法，但是太窄的間
距可能會有電極短路及灌液晶時間太長的問題產生，影響良率。
　　1993 年日本東北大學內田教授提出的OCB（Optically Compensated Birefringence） Mode，上下基
板面液晶分子平行排列，內層分子不扭曲僅做彎曲（Bend）排列，所以要控制光線，液晶分子只要
做小變動就可達成，反應速度加快許多。松下在1999 年曾展出7 寸TFT LCD 以OCB 方式達到7ms，
2000 年又開發出以OCB 方式15.2 寸TFT LCD 更只有3ms。但是松下表示還都在開發中，要量產還
需一段時間，倒是Sharp 已經計畫2001 年第二季量產15ms 的LCD-TV 面板。
5.反射式技術
　　一般穿透式LCD 耗電量中，其中STN 的九成，TFT 的七成耗電來自背光源。要降低LCD 耗電，
以不需要背光源之反射式LCD 成為好的選擇，它必定是未來的趨勢。傳統的反射式LCD 是在透過
式LCD 的背面側玻璃基板外側加上一片散亂反射板。如此方式不需要改變原有LCD 的結構，所以
成本低且量產方便，因而廣泛被應用在低解析度產品，如手表，計算機等產品上。但是由於玻璃具
有一定厚度，入射光與反射光通過畫素不同，產生視差，造成對比、色純度下降。為了解決視差缺
點，高解析的彩色反射式LCD，多采用反射板放置在玻璃基板內側的結構。

為了使光源能均勻分布提供給面板使用，LCD 組成上必須有散亂機能結構。所以反射式LCD 技
術大致分成Diffusing Reflector Type（擴散反射板型）、Front Scatting Type（前方散亂板型）及Scatting
LC Type（散亂液晶型）三類，如圖1 所示。擴散反射板型易獲得均勻的視角，但制程較復雜；前方
散亂板型制程則較簡單，亦可得局部的較高對比及亮度，但視角的控制稍難。散亂液晶型是采用具
有光散亂特性的材料，如PC 型（Phase Change）或PDLC（Polymer Dispersed Liquid Crystal）型液晶，完成散亂機制，但有光散亂效果不足及驅動電壓較高的缺點。

反射式LCD 加上反射板，則會阻絕背光模組的光線通過，故LCD 面板所需光線來源只有靠自
然光源及前光源。前光源為一個白色線光源，置於側邊，并利用導光板擴散成均勻面光源。前光源
的導光板上方（靠使用者側）需要以特殊加工處理形成V 型溝巢或階梯式溝巢（圖2），使導光過
程漏光減少，但經過LCD 面板的光卻要穿透。導光板下方要設計反射防止膜，使導光都能進入LCD。
最近推出幾款新式搭配TFT LCD 手機，已經開始采用前光源。目前反射型已應用在4 ~ 8 寸等中小
尺寸之產品上（如PDA、游樂器等），在亮度及對比的特性上尚待努力，長期目標是希望達到如一
般紙類印刷品的視覺感受。
結語
　　受到價格不斷下降的壓力，執液晶產業之牛耳的日本為了開拓新市場，不得不加緊腳步開發適
合各類應用所需的顯示元件，甚至Sharp 等六家日本LCD 大廠出資成立技術開發中心，開發省能源
制程基礎技術，因應未來嚴格環保要求，提早準備。
近幾年來LCD 技術突飛猛進，呈現效果已達到CRT 境界，因此預估2003 年LCD 市場值將會首
度搶走CRT 的冠軍寶座。而為了達到取代真實世界的印刷顯示最大市場，LCD 還有一段路要走，臺
灣LCD 產業已是世界前三大國家，更需了解技術演進，走在技術前端，才能長遠發展此一大產業。