細說TFT-LCD液晶顯示技術

簡單說，液晶面板可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶層，上層的玻璃基板主要是彩色濾光片（Color Filter；CF）、而下層的玻璃基板則有電晶體鑲嵌於上。

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而同時具備固態與液態兩種物質特性的液晶，其誕生的過程來自於一項非常特殊物質的發現。

液晶的起源 早在西元1850年，Virchow、Mettenheimer和Valentin這三個學者就發現了神經纖維（nervefibre）的粹取物中含有此類特殊的物質。

到了西元1877年德國物理學家OttoLehmann運用偏極化顯微鏡首次觀測到液晶化的現象，但當時他對於此種現象的成因並不了解。

直到西元1888年，奧地利的植物學家FriedrichReinitzer發現了螺旋性甲苯酸鹽的化合物（cholesterylbenzoate），並確認這種化合物在加熱時具有兩個不同溫度的熔點，在這兩個不同的溫度點中，其狀態介於一般液態與固態物質之間，類似膠狀，但在某一溫度範圍內該物質的狀態又具有液體和結晶體的雙重特性。

Reinitzer在與Lehmann在深入探討這種物質的特性之後，便由這兩位學者共同將該物質命名為「LiquidCrystal（液晶）」，該名稱就含有液態結晶物質的意思，也因此Reinitzer與Lehmann這兩人被譽為液晶之父。

液晶與CRT陰極射線管一樣，雖然早在西元1888年就被發現，然而實際應用於生活周遭，卻已經是80年後的事情了。

這是因為液晶在第一次與第二次世界大戰中對於軍事用途的幫助不大，以致於其發展落後CRT許多。

但這段時間裡較為重要的進展是在西元1922年時，由Oseen和Z鐼her等兩位科學家為液晶確立了狀態變化的方程式。

一直到了西元1968年美國RCA的工程師利用液晶分子受到不同電壓影響之後可改變其分子排列狀態的特性，製造出可以讓入射光線產生偏轉的現象，並利用這樣的原理製造了全球第一台液晶顯示螢幕。

此後，從西元1970年起，日本的Sony與Sharp兩家公司開始對液晶顯示技術進行深入的開發，使得液晶顯示技術已經成功地成為現今多種應用場合的主要顯示技術。

液晶的物理特性 要了解液晶特殊的物理性質，首先必須先瞭解一般固態晶體是具有方向性的，而液晶這種物質的特殊之處，在於其不但具有一般固態晶體的方向性外，又同時具備了液體的流動性。

因此，若欲改變固態晶體的方向，必須將整個固態晶體旋轉，但欲改變液態晶體就不需要這些步驟，而是可以經過電場或磁場來改變液晶的方向。

顧名思義，液晶是一種介於固態與液態之間的有機化合物，在一定的溫度範圍內，它既具有液體的流動性、黏度與形變等機械性質，又具有晶體的熱（熱效應）、光（光學各向異性）、電（電光效應）與磁（磁光效應）等物理性質。

光線穿透液晶的路徑由它所構成的分子排列所決定。

科學家發現當對液晶施加電場時，會改變它的分子排列，並造成光線的扭曲或折射。

一般液體在室溫下對各方向的折射率均相同，稱為等向性（Isotropy），故在室溫下顏色是澄清的。

而液晶分子在常溫下具有雙折射率（Birefrigence），稱為異向性（Anisotropy），會使液晶略帶混濁。

含有液晶相（mesophase）的化合物便稱之為液態晶體（mesogen）。

液晶分子在受熱時是澄清的液體，降溫後會成為結晶狀的固體，其特性為具有液態時的流動性、黏性，狀似液體但不透明，分子排列有規則性，且存在著固定的相轉移溫度。

液晶以其所形成的原因不同可分為液向型液晶（LyotropicLiquidCrystal）和熱向型液晶（ThermotropicLiquidCrystal）。

液向型液晶係液晶溶於適當溶劑中，由於濃度不同而形成各種不同的液晶相，熱向型液晶則是由於溫度的改變而呈現不同液晶相。

另外，液晶按照分子排列結構的不同又區分為三種。

晶體顆粒黏土狀的液晶稱之為近晶相（Smectic）液晶、類似細火柴棒的液晶稱之為向列相（Nematic）液晶，另外還有類似膽固醇狀的Cholestic液晶。

這三種液晶的物理特性都不盡相同，目前用於液晶顯示器的則是第二類的向列相（Nematic）液晶。

《圖一　液晶面板色彩顯示原理》 何謂TFT-LCD 自從西元1968年第一個液晶面板發明以來，經過不斷的改良，終於在西元1991年成功地將之商業化成為筆記型電腦用顯示面板，自此刻起，液晶顯示技術的時代正式來臨。

本文接下來將繼續介紹液晶顯示技術的主要原理。

一般常聽到的TFT-LCD就是Thin-FilmTransistorLiquid-CrystalDisplay（薄膜電晶體液晶顯示器）的縮寫。

簡單說，液晶面板可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶層，上層的玻璃基板主要是彩色濾光片（ColorFilter；CF）、而下層的玻璃基板則有電晶體鑲嵌於上。

當電流通過電晶體產生電場變化時，便造成液晶分子的偏轉，藉此改變光線的偏極性，再利用偏光片決定每一畫素（Pixel）的明暗狀態。

此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，因此每個畫素都包含了所需要的紅藍綠三種色彩，透過這些發出紅藍綠色彩的單一畫素，便構成了面板上整體的影像畫面。

因此液晶面板就是透過液晶分子與不同電壓的折射特性來獲得明暗效果，進而達成色彩顯示的目的，如(圖一)。

《圖二　TFT-LCD面板的基本結構》 TFT-LCD結構 TFT-LCD面板的基本結構如(圖二)所示，簡單的說就是在兩片玻璃基板中間夾住一層液晶層。

前端的LCD面板貼附有彩色濾光片，後端TFT面板上則具備了薄膜電晶體（TFT）。

當施加電壓於電晶體時，液晶轉向，光線便因此穿過液晶層，並在前端面板上產生一個畫素。

背光模組位於TFT-Array面板之後，主要任務為負責提供光源。

彩色濾光片給予每一個畫素特定的色彩，而結合每一個不同色彩的畫素，所呈現出的就是面板前端的影像。

TFT畫素結構 (圖三)為一個TFT畫素的結構示意圖。

如圖所示，液晶面板就是由數百萬個TFTdevice以及透明導電金屬材料ITO（InTiOxide）的區域排列成一個矩陣（matrix）結構所構成，而所謂的Array（陣列）就是指數百萬個排列整齊的TFTdevice之區域，此數百萬個排列整齊的區域就是面板的顯示區。

不論液晶面板的設計方式如何變化，製程如何簡化，其基本結構都必須具備TFTdevice和控制液晶區域。

若是光源穿透式的LCD，則此控制液晶的區域使用的是ITO，如果是反射式的LCD，則是使用高反射率的金屬，如Al（鋁）等。

TFTdevice是一個開關器，其功能就是控制電子進入ITO區域的數量，當流進ITO區域的電子數量達到所需要的數值後，再將TFTdevice關掉，此時就將電子整個關閉（Keep）在ITO區域。

(圖四)為各畫素點指定的時間變化示意圖，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。

到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。

《圖三　TFT畫素結構示意圖》 TFT-LCD導光原理 TFT-LCD是透過面板上每一個不同色彩的畫素來構成畫面。

每個畫素的色彩則是利用該畫素中液晶所透過的光源強弱來區隔。

液晶是同時兼具固態晶體物理特性與液態流體特性的有機分子，其分子的排列如同固體一般有方向性，而排列方向則可藉由施加不同的電壓來改變。

當施加電壓時，液晶的排列會隨著電場的方向扭轉，其行為如同流體，也由於排列方向的改變，所折射出光線的角度就會不同，而產生不同層次的色階，再透過彩色濾光片來產生色彩。

簡單說TFT-LCD的顯像方式便是在兩層玻璃基板之間的液晶層，施加不同的電壓改變液晶分子的排列方向，使液晶分子依站立角度的不同，形成光閘門以決定背光源（backlight）的穿透程度，藉此構成畫面。

液晶方向的改變依據液晶的成分而有所不同，有些液晶在和電場平行時位能較低，所以當外加電場時會朝著電場方向轉動。

相對的，有些液晶則是在對應垂直電場時位能較低。

由於液晶對於電場或磁場等外加力量特別敏感，因此產生不同方向性的效果，這也導致當光線進入液晶時，會按照液晶分子的排列方式前進，進而產生了光線的偏轉現象。

部分液晶分子的電場結構中，有著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用時，便很容易被極化產生感應偶極性（induceddipolar），這就是液晶分子間互相作用力量的來源。

目前在電子產品中常見的液晶顯示器，多是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制液晶分子的旋轉，當電源關閉時，液晶具有偏光效果，可將入射光線轉彎，穿過光柵，呈現亮色。

當電源開啟時，液晶不具有偏光的功能（direction），因此光線不能通過光柵，此時畫面呈現暗色。

液晶分子在不施加電壓的情況下，與垂直配向膜溝槽排列方向一致的垂直液晶分子，呈現90度方向旋轉，與水平配向膜處的水平液晶分子接續排列，進而將光源從垂直偏光片導向水平偏光片，以達到傳導光源的目的，此時螢幕光線是全亮的。

而當施加電壓之後，依據電壓的不同可以控制液晶分子的站立角度。

當電壓全開時，液晶分子呈現水平排列狀態，從垂直偏光片透過的光源將保持垂直前進，抵達水平偏光片時則被阻擋無法通過，因此螢幕的顯示將呈現暗態。

由於偏光板兩個極柵各成90度交叉排列，因此在沒有液晶分子導光的情況下，光線是無法通過面板的。

從(圖五)可以發現，液晶站立的角度越呈現垂直，將有更多的光不會被液晶所導引，而不同的液晶站立角度將會導引不同數量的光線，從圖中可知，液晶站立角度越大，則可以穿透的光線越少，畫素所呈現的亮度越弱。

因此除了上、下偏光片的排列方向將決定穿透光線的強弱之外，液晶站立的角度也將影響導光的強弱。

不受導引的光線會被上部偏光片所吸收掉。

由於自然界光的極性是任意方向的，使用偏光片的主要目的便在於過濾掉大部分不同行進方向的光，而只讓某一特定方向的光線通過面板。

《圖四　各畫素點指定的時間變化示意圖》 TFT-LCD主要製程 TFT-LCD的三段主要製程包括了前段的Array（陣列）製程、中段Cell製程與後段的ModuleAssembly（模組組裝）製程。

前段Array製程與半導體製程相似，所不同處僅在於TFT面板是將薄膜電晶體製作於玻璃上，而非矽晶圓上，也因此半導體工程師經常成為TFT面板廠挖角的主要對象。

中段Cell製程是以前段Array製程的玻璃基板，與彩色濾光片的玻璃基板貼合，並在兩片玻璃基板間灌入液晶層。

後段的ModuleAssembly模組組裝製程則是將Cell製程後的玻璃基板與其他零件如背光板、電路與外框等多種零組件組裝的生產作業。

《圖五　液晶站立角度越大，畫素所呈現的亮度越弱》 Array製程 Array製程大致上分為四個步驟，分別是薄膜、黃光、蝕刻與剝膜等。

透過這些步驟在玻璃基板上形成Array電路。

開始進入Array製程前，玻璃基板需進行成膜前洗淨，這對於製造良率的提昇構成相當大的影響。

接著進行薄膜沉積現象，於玻璃基板上產生薄膜。

光阻塗佈則是將光阻均勻塗佈於玻璃基板表面，曝光時，將紫外線通過刻有圖案之光罩，此時光罩上的圖形將轉移至已經塗佈光阻的玻璃基板上。

接著進入顯影之後的製程。

顯影時，在玻璃基板上噴灑顯影劑，並將曝光於紫外線下的光阻溶解於顯影劑之後，用去離子水沖洗帶走。

顯影後加熱則為蝕刻，進行未受光阻保護之薄膜層的蝕刻，接著剝膜，利用滴入有機溶劑之去光阻液，和光阻產生化學反應，反應後的光阻將由有機溶液沖離玻璃基板表面。

如此便完成一道薄膜電晶體的Array製程。

一般來說完整的薄膜電晶體需要至少五道Array製程，第二道重複沉積薄膜、光阻塗佈、曝光、顯影、蝕刻、剝膜等步驟，如此完成第二道薄膜電晶體的製程。

接著依序完成第三道至第五道製程，便完成了全部薄膜電晶體的Array製程。

這種重複的次數一般被稱為「光罩數」。

在Array製程結束後，需進行檢測，並緊接著進行中段Cell製程。

在Array製程中，減少重複的製程次數，也就是越少光罩數，越能夠縮減投資成本及總工程效率與時間。

過去製程光罩數多為六層至八層，但目前多數面板生產商都將Array製程縮減為五層。

甚至有部分業者已經開始引進四層光罩的製程，主要原因在於減少製程複雜度以降低成本。

只不過減少光罩數也將使得面板產出良率降低，因此廠商必須在此做好成本與良率間的取捨。

Cell製程 相對於Array製程，Cell製程是TFT-LCD面板製造與半導體製造不同的特有製程，中段的Cell製程是以前段Array製程的玻璃為基板，與彩色濾光片的玻璃基板結合，並在兩片玻璃基板間灌入液晶。

其詳細製程步驟包括基板洗淨（使用洗劑、毛刷、超音波、IR、UV等方式）、配向膜（PI或PVA等材料）塗佈、預烤、磨擦配向、上框膠、烘烤、間隔粒噴灑、組立、壓合烘烤、切割/裂片、液晶灌注、封口、洗淨、偏光板貼合以及檢查等程序。

中段Cell製程之TFT基板與彩色濾光片之貼合詳細步驟如下：先將基板洗淨，利用洗劑、毛刷、超音波、IR、UV等裝置，將上面的微粒及油污清除，以確保基板之清潔狀態。

接著進行配向膜印刷，在已洗淨的基板上形成一層500~1200（0.05μm～0.12μm）的均勻薄膜，而主要的配向膜材料為Polyimide，在該材料呈溶液狀態時將其塗佈於基板表面；配向膜配向的主要目的在於使印刷與基板表面之PI膜透過摩擦開出紋路，於PI膜上製造定向溝槽，而使液晶依序一致性地整齊排列；下個步驟為使用密封膠塗佈，利用網版印刷方式，將所需之膠框轉印至CF基板上以提供TFT與CF基板接合時所需之封邊用膠框。

將間隔劑均勻散佈在對向基板上，以供上下基板間維持一定的間距。

膠框塗佈的目的在於提供TFT基板與CF彩色濾光片之固著，同時防止所注入之液晶層外流。

接著將進行彩色濾光片的Cell製程。

首先是配向膜印刷與配向膜配向，前一步驟已進行噴灑間隔物以控制液晶層厚度並支撐兩片基板中的間距。

完成後在密封膠中滴入液晶（採用滴入法之液晶注入法），接著進行裝置的組合，加溫促使CF基板上的膠框軟化，對位完成後施加高壓，藉由框膠將TFT基板與CF彩色濾光片等兩片基板高精密度地進行貼合，最後做對位修正，完成貼合工作。

最後將貼合完成之基板施加均勻高壓，並進行高溫烘烤，基板溫度需維持在90分鐘以上的150℃烘烤，以確保框膠完全固化且間距成型。

貼合完成之後將進行切割，將組合熱壓完成之大片原始玻璃基板組，切割為最終尺寸，依所需求之產品尺寸，以鑽石刀在玻璃基板上切割，接著將切割完成之面板置入真空槽中，真空槽排氣後，將面板的液晶注入口浸漬於液晶中，此時在真空槽中通入氮氣，利用壓力差和毛細現象將液晶吸入面板中（採用吸入式之液晶注入法）。

目前部分廠商則已經擁有在兩基板貼合前就先將液晶滴入之技術。

最後進行偏光片之貼附，在切割完成的面板正反面各貼附一層偏光片。

至此，Cell製程告一段落。

液晶之注入方式 前述關於液晶注入面板的方法，目前分有吸入式和滴入式兩種。

吸入式是把數片面板置放在治具內，注入口向下，進入加熱後的真空槽中，使面板在液晶儲槽內浸漬，利用壓力差和毛細現象將液晶注入面板間隙中。

滴入式則是把數枚面板之注入口向上，利用分滴器（dispenser）將液晶注入。

過去液晶的注入方式多是採吸入式，是將數片面板放入加熱之真空槽內，並以批次方式浸入液晶槽中，將面板間3～5μm的間隙抽取真空後，利用毛細現象吸入液晶。

至於封閉液晶注入孔的方式，是在注入孔塗上光硬化劑後，利用UV紫外光加以硬化。

該方式可以分成三種： ●為保持注入後面板間的適當間隙，因此控制注入所需時間並加以封孔； ●注入液晶後將面板加壓，使多餘的液晶從注入孔流出並加以封孔； ●在面板盒內的面板與面板之間夾上間隔材料，以防止液晶注入時發生膨脹，並加以封孔。

吸入式液晶注入法所需的時間，以一片15吋等級的TFT面板來看，在吸入液晶的過程中，會在面板周圍封膠，再開一至二個小孔，以真空抽氣方式吸入液晶分子材料，時間約需八個小時，若是40吋等級的大型面板，至少需開八個孔，過程需時將長達一星期左右，不僅生產效率低，而且也相對提高生產成本。

也因此過去TFTLCD較少應用於大尺寸電視產品上，而是多應用於小尺寸的資訊用面板產品。

而為了縮短大尺寸面板的液晶注入時間，吸入式可藉由提高真空槽內的真空度以增加注入速度，或者以直接施加壓力的方式縮短注入時間。

然而這些方法的缺點在於封口工程之自動化不易。

為了改進這些傳統注入液晶方式的缺點，目前在技術上已有突破，也就是在TFT與CF兩片玻璃基板貼合之前，先將液晶滴入TFT基板上，再予以貼合，程序上較傳統方式簡便且省時，可大幅縮短灌注液晶的時間，而此技術也加速了TFT-LCD在大尺寸電視方面的發展腳步。

Module製程 最後進行的是Module模組組裝製程。

模組組裝主要是COG製程，其製程包括以下幾個步驟： ●貼附異方性導電膠； ●驅動IC的壓合； ●軟性電路板的壓合； ●印刷電路板的壓合； ●背光源的組裝； ●外框的組裝。

至此TFT-LCD面板的組裝步驟告一段落。

這一階段製程又稱為模組工程，主要是在已經貼合完成的Cell基板上組裝驅動IC或背光模組等相關零組件，這些都是讓面板可以點亮的關鍵零件。

在此階段製程中，大型化、多樣化液晶面板的高效率製造是最重要的要求。

最後進行老化測試，將組裝完成的面板置於高溫測試爐中，從室溫調整至高溫以測試產品之溫度性。

完成測試後面板進入包裝作業，完成所有TFT-LCD面板之製程。

各世代玻璃基板與尺寸 許多人不瞭解TFT-LCD產業各世代廠房之差異，其實原理相當簡單。

各世代廠房主要的差別就在玻璃基板的尺寸大小，而市面上所見到的面板產品，就是從大片玻璃基板去切割而成的最終產品尺寸。

越新世代的廠房，其玻璃基板面積越大，因此可切割出更多片面板，以提高產能、降低成本，或是可以生產出更大尺寸的面板，例如越來越普及的大尺寸液晶電視面板，便是由更高世代的玻璃基板所切出。

1990年代TFT-LCD產業剛崛起於日本，當時日本設計建造了一代廠（G1）的製程。

一代廠的玻璃基板大約是300mm×400mm，相當於全開的雜誌，可做成一片15吋的面板。

而1996年當台灣的達科技（其後與聯友光電合併為友達光電）初進入TFT產業時，當時技術已進展至3.5代廠（G3.5），玻璃基板尺寸約為600mm×720mm。

目前六代廠（G6）製程，玻璃基板尺寸達1500mm×1850mm，相當於一張雙人床大小。

而一片G6玻璃基板可切割出30片15吋面板，相較於G3.5僅可切割4片、G1僅可做1片15吋面板的規模，G6產能以倍數增加，相對成本降低。

此外，G6玻璃基板亦可切割出更大尺寸面板，例如8片32吋液晶電視面板，因此提高了面板產品應用的多元。

這也是目前全球TFT-LCD廠商無不積極投入新世代廠房製程技術的原因。

目前台灣的友達光電正在中部科學園區興建的G7.5，玻璃基板尺寸為1950mm×2250mm，可提供40吋以上面板最經濟切割尺寸，以方便生產大尺寸液晶電視用面板。

友達G7.5的玻璃基板，可切割出8片42吋或6片47吋大尺寸面板，預計將於2006年第四季開始量產。

而奇美電子也積極在新世代面板廠的領域上鋪路，相信不久的將來便可見其開花結果。

結語 自從第一台液晶顯示器問世以來，液晶顯示技術挾其低成本與輕便性等優勢，淘汰CRT顯示技術，全面攻佔資訊顯示市場。

目前TFT-LCD顯示技術已經成熟，長期困擾液晶顯示器的三大難題：視角、色彩飽和度與亮度等問題都已經獲得解決。

而隨著新世代面板廠的持續興建，未來各世代面板廠的生產線如何提高生產效率，並靈活運用現有生產線使整體面板產品線更趨完備，都是目前TFT-LCD廠商在發展中必須面對的重要課題。

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