本章要跟大家介紹液晶面闆産業除了液晶面闆以外最重要的兩個部件，背光模組與驅動電(diàn)路IC模組，由于LED已經完全取代CCFL了，所以背光部分(fēn)我們隻介紹LED背光，驅動IC技(jì )術不是我的專長(cháng)，我會盡量把我了解的部分(fēn)100％傳授給大家，最後我還整理(lǐ)了LCD的成本結構與LCD的産業鏈，希望大家能(néng)夠用(yòng)最輕松的心情了解最重要的顯示行業：LCD液晶顯示器。
液晶顯示器的光源（LCD light source）
液晶顯示器器的背光種類
由于液晶分(fēn)子本身不會發光，我們隻是利用(yòng)液晶分(fēn)子「躺在玻璃上」或「站在玻璃上」來控制黑白而已，真正會發光的其實是發光二極管（LED）或冷陰極燈管（CCFL），我們稱為(wèi)「光源（Source）」。
LED背光技(jì )術技(jì )術：
LED電(diàn)視是通過發光二極管替代CCFL冷陰極熒光燈管，來實現更好的照明顯像效果。不過，LED背光發展至今也在不斷進化，所以主要用(yòng)于三種類型，顯示效果也不盡相同。
圖一 三種不同的背光原理(lǐ)圖
a．直下式LED背光：
主要是在背光闆上布滿LED燈，實現均勻的照明效果。特點在于畫質(zhì)細膩，背光源可(kě)設置區(qū)域，也就是說所謂的“局部控光”技(jì )術，從而針對不同的顔色實現單獨處理(lǐ)。不過，這種背光技(jì )術會影響電(diàn)視的厚度，所以一些以超薄為(wèi)賣點的電(diàn)視轉向另一種背光技(jì )術。
如圖一（a）所示，直下式背光源工藝簡單，不需要導光闆，LED陣列置于燈箱底部，從LED發出的光經過底面和側面反射，再通過表面的擴散闆和光學(xué)模組均勻射出。直下式背光源的厚度由燈箱底部和散射闆的距離決定，通常厚度越厚，背光源的光均勻性就越好。在背光源較薄的情況下，色彩和亮度均勻性就成了直下式背光源的技(jì )術關鍵。LED燈的光場分(fēn)布類型對背光源的色彩和亮度均勻性起着重要作(zuò)用(yòng)，背光源所用(yòng)LED燈通常有朗伯型和邊發射型兩種，由于邊發射型LED 更有利于背光源的光均勻性，直下式背光源大都采用(yòng)邊發射型LED。但是大角度邊發射LED由于其中間光強偏低，易造成暗斑，影響背光源的均勻性。
b．側入式LED背光：
非常容易理(lǐ)解，側入式LED背光是在液晶面闆四周架設LED燈泡，照射到導光闆後實現液晶屏照明。由于燈泡更少，所以運行電(diàn)視廠商将電(diàn)視機身設計得更加輕薄，市面上主流的超薄電(diàn)視均采用(yòng)這種技(jì )術。不過，由于一些先天缺陷，無法實現局部控光，顔色表現方面不及直下式那麽出色。
如圖一（b）所示，側光式背光模塊即将點狀光源設置在經過特殊設計的導光闆側邊作(zuò)為(wèi)背光源，使用(yòng)LED顆數較少；而因光源置于導光闆側邊，LED受顆數及亮度限制，仍需将光均勻分(fēn)散整個平面上時，會形成當面闆面積越大，光源輝度運用(yòng)越有限。因LED背光源放在産品的側面，因此後面隻需要添加導光闆就可(kě)以液晶産品的外觀厚度可(kě)以做到很(hěn)薄，比如索尼的ZX1系列，它就是采用(yòng)側光式背光模塊。
c．量子點技(jì )術：
最近很(hěn)流行的“量子點電(diàn)視”，其實也是一種新(xīn)型的背光技(jì )術。它的特色在于使用(yòng)了納米晶體(tǐ)材質(zhì)代替LED光源，實現更純淨、顔色還原更逼真的背光色彩，将液晶電(diàn)視的顔色效果提升到可(kě)媲美OLED的水平。所以，采用(yòng)量子點技(jì )術的液晶電(diàn)視，也是目前市場中顯示效果最好、價格最昂貴的。
量子點技(jì )術是提升色域的新(xīn)辦法。量子點由鋅、镉、硒和硫原子構成，是晶體(tǐ)直徑在2－10納米之間的納米材料。由于它的光電(diàn)特性獨特，受到光電(diàn)刺激後，會根據量子點的直徑大小(xiǎo)，發出各種不同顔色的非常純正的高質(zhì)量單色光。基于這一特性，如果把量子點材料用(yòng)在電(diàn)視的背光源上，用(yòng)藍色LED照射就能(néng)發出全光譜的光，從而對背光進行精(jīng)細調節，進而大幅提升色域表現，讓色彩更加鮮明。
如圖一（c）所示，可(kě)以看出量子點技(jì )術也需要藍色LED的激發，進一步證明了藍色LED發明的重要性。量子點背光的并不複雜，将量子點制成薄膜，放置在藍色LED和液晶面闆之間，這樣就可(kě)以有效的提升液晶面闆的色域了。量子點本身體(tǐ)積就非常的小(xiǎo)，因此量子點薄膜的厚度也是可(kě)以控制的很(hěn)好，不會讓液晶顯示設備的厚度增加。
液晶顯示器的驅動方式
任何顯示器的屏幕表面都分(fēn)布着密密麻麻的「像素（Pixel）」（例如：HDTV有1920×1080×200萬個像素），如果是彩色顯示器器，則必須再将每一個像素切割成紅（R）、綠（G）、藍（B）三個「次像素（Sub pixel）」，當屏幕上顯示任何一個畫面時，必須分(fēn)别控制RGB三個次像素不同的亮度， 才能(néng)讓每一個像素顯示出一種顔色，而200萬個像素分(fēn)布在整個屏幕表面上，才能(néng)夠顯示出我們所要的畫面，而且每一秒(miǎo)鍾還要能(néng)夠快速地切換不同的顔色才能(néng)讓眼睛看成是連續的畫面。問題是：如何在這麽短的瞬間控制屏幕上200萬個像素要「開」還是要「關」呢(ne)？答(dá)案大家必定耳熟能(néng)詳，就是使用(yòng)「驅動集成電(diàn)路（Driver IC）」。
液晶顯示器的主要電(diàn)路結構如圖二所示，包括：
驅動IC：用(yòng)來驅動每一個像素的開與關。
控制IC：用(yòng)來傳送控制訊号。
圖像處理(lǐ)電(diàn)路：通常包括數字信号處理(lǐ)器（DSP）、影像壓縮與解壓縮芯片等集成電(diàn)路（IC）。
直流變壓電(diàn)路：提供液晶顯示器所需要的直流與交流電(diàn)壓。
液晶顯示器目前最常使用(yòng)的驅動方法有「被動矩陣式」與「主動矩陣式」兩種，幾乎所有新(xīn)型顯示器器的驅動方法都是這兩種之中的一種：
圖二 液晶顯示器的電(diàn)路結構。
被動矩陣式（Passive matrix）
「被動矩陣式（Passive matrix）」的液晶顯示器構造如圖三（a）所示，由圖中可(kě)以看出，前透明電(diàn)極為(wèi)水平掃描線(xiàn)，後透明電(diàn)極為(wèi)垂直掃描線(xiàn)，透明電(diàn)極都是制作(zuò)在玻璃的内側，可(kě)以接觸到液晶，所以通電(diàn)以後可(kě)以讓液晶旋轉，我們可(kě)以想象成，當前透明電(diàn)極的某一條水平掃描線(xiàn)有電(diàn)壓，後透明電(diàn)極的某一條垂直掃描線(xiàn)也有電(diàn)壓，則兩條電(diàn)極交叉的那個像素就會有電(diàn)壓，如圖三（b）所示。
圖三 被動矩陣式（Passive Matrix）液晶顯示器的構造
控制每一個像素的「開關電(diàn)路」與驅動電(diàn)路另外制作(zuò)在電(diàn)路闆上，這種方式所制作(zuò)出來的開關電(diàn)路是直接使用(yòng)「CMOS」制作(zuò)在矽晶圓上，所以是屬于「單晶矽」所制作(zuò)的開關，導電(diàn)性較好，工作(zuò)速度較快，但是，當驅動IC将每個像素要開還是要關的訊号送過來以後，還必須經過開關電(diàn)路，再經由導線(xiàn)傳送到每個像素上，雖然電(diàn)訊号在導線(xiàn)中傳輸的速度很(hěn)快，但是在播放電(diàn)視畫面的時候，每個像素必須在很(hěn)短的時間内反應，所以這麽一段短短的導線(xiàn)就足以造成畫面「延遲（Delay）」現象，看起來每個畫面都會有殘影，假設電(diàn)視影片中有一個人跑過去，則會看到後面跟着一個影子跑過去。
被動矩陣式的液晶顯示器因為(wèi)每個像素反應速度比較慢，不适合使用(yòng)在可(kě)以觀看電(diàn)視影片的顯示器上，所以隻能(néng)使用(yòng)在電(diàn)子表、電(diàn)子字典、手機、個人數字助理(lǐ)（PDA）、遊戲機等電(diàn)子産品上。
主動矩陣式（Active matrix）
「主動矩陣式（Active matrix）」的液晶顯示器構造如圖四（a）所示，由圖中可(kě)以看出，前透明電(diàn)極為(wèi)水平掃描線(xiàn)，後透明電(diàn)極為(wèi)垂直掃描線(xiàn)，在後透明電(diàn)極的玻璃上方，每個像素還制作(zuò)了「薄膜晶體(tǐ)管（TFT）」，透明電(diàn)極都是制作(zuò)在玻璃的内側，可(kě)以接觸到液晶，所以通電(diàn)以後可(kě)以讓液晶旋轉，我們可(kě)以想象成，驅動電(diàn)路将訊号直接送入每個像素，驅動薄膜晶體(tǐ)管進行開或關的動作(zuò)，當某個像素的薄膜晶體(tǐ)管被打開，則這個像素立刻就會有電(diàn)壓，當某個像素的薄膜晶體(tǐ)管被關閉，則這個像素立刻就沒有電(diàn)壓，如圖四（b）所示。
圖四 主動矩陣式（Active Matrix）液晶顯示器的構造
控制每一個像素的「開關」是直接制作(zuò)在後玻璃基闆上，稱為(wèi)「薄膜晶體(tǐ)管（TFT）」，由于它就在每個像素的旁邊，當驅動IC将每個像素要開還是要關的訊号送過來以後可(kě)以立刻反應，所以速度很(hěn)快，不會造成畫面「延遲（Delay）」現象，關于非晶與多(duō)晶的差别是屬于固體(tǐ)材料的結晶性質(zhì)，後續會幫大家科(kē)普科(kē)普。
主動矩陣式的液晶顯示器因為(wèi)每個像素反應速度比較快，适合使用(yòng)在可(kě)以觀看電(diàn)視影片的顯示器上，所以可(kě)以應用(yòng)在個人計算機、筆(bǐ)記本電(diàn)腦、液晶電(diàn)視等電(diàn)子産品上。
液晶顯示器的種類
一般我們都是将液晶顯示器依照産品應用(yòng)分(fēn)為(wèi)四大類，包括：扭轉向列型－液晶顯示器（TN－LCD）、超扭轉向列型－液晶顯示器（STN－LCD）、薄膜晶體(tǐ)管－液晶顯示器（TFT－LCD）與低溫多(duō)晶矽－液晶顯示器（LTPS－LCD）等，其中TN與STN其實是液晶的種類，而TFT與LTPS是指開關組件的不同，由于早期的黑白液晶面闆都是被動矩陣式，因此才會出現TN與STN這兩類，現在我們來介紹它們的差别。
扭轉向列型－液晶顯示器
扭轉向列型液晶（TN）分(fēn)子會在兩片導電(diàn)玻璃之間分(fēn)成數層，每一層的液晶分(fēn)子都會旋轉一個角度，而且第一層與最後一層液晶分(fēn)子旋轉角度「小(xiǎo)于90°」，如圖五（a）所示。扭轉向列型液晶（TN）的每一層分(fēn)子旋轉的角度比較小(xiǎo)，在化學(xué)的觀點上我們稱這種液晶分(fēn)子的「能(néng)量較低，比較安(ān)定」，當我們外加電(diàn)壓時，液晶會站在玻璃上，比較安(ān)定的TN分(fēn)子就好像「躺在玻璃上的分(fēn)子一樣，很(hěn)安(ān)定很(hěn)舒服」，所以受到外加電(diàn)壓時反應比較慢，需要比較長(cháng)的時間才能(néng)站在玻璃上，這種液晶顯示器的黑白反應速度比較慢。
優點：驅動電(diàn)壓較低、耗電(diàn)量較低、制作(zuò)容易成本較低。
缺點：反應速度慢、有殘影發生，隻适合做黑白顯示器。
應用(yòng)：電(diàn)子表、電(diàn)子計算器、電(diàn)子字典。
圖五 扭轉向列型液晶（TN）與超扭轉向列型液晶（STN）的定義
超扭轉向列型－液晶顯示器
超扭轉向列型液晶（STN）分(fēn)子會在兩片導電(diàn)玻璃之間分(fēn)成數層，每一層的液晶分(fēn)子都會旋轉一個角度，而且第一層與最後一層液晶分(fēn)子旋轉角度「大于90°（180°～240°）」，如圖五（b）所示。超扭轉向列型液晶（STN）的每一層分(fēn)子旋轉的角度比較大，在化學(xué)的觀點上我們稱這種液晶分(fēn)子的「能(néng)量較高，比較不安(ān)定」，當我們外加電(diàn)壓時，液晶會站在玻璃上，比較不安(ān)定的STN分(fēn)子就好像「半蹲在玻璃上的分(fēn)子一樣，很(hěn)不安(ān)定很(hěn)不舒服」，所以受到外加電(diàn)壓時反應比較快，立刻就站在玻璃上了，這種液晶顯示器的黑白反應速度比較快。
優點：反應速度較TN快、制作(zuò)較TFT容易。
缺點：反應速度仍然不夠快、隻适合做灰階或高彩顯示器。
應用(yòng)：彩色手機、彩色個人數字助理(lǐ)（PDA）、數字相機。
薄膜晶體(tǐ)管－液晶顯示器
控制每一個像素的薄膜晶體(tǐ)管（TFT）是直接制作(zuò)在玻璃上，我們使用(yòng)化學(xué)氣相沉積（CVD）在玻璃上方成長(cháng)一層非晶矽，再将薄膜晶體(tǐ)管（TFT）制作(zuò)在非晶矽上方，因為(wèi)玻璃基闆是「非晶」所以制作(zuò)在上面的開關也是「非晶」。由于玻璃的「轉化溫度（Trnasition temperature）」大約300°C，轉化溫度其實就是「軟化溫度」，也就是升溫到300°C時玻璃會開始軟化，所以制程溫度不能(néng)超過300°C，否則玻璃就軟掉了。在制程溫度低于300°C的條件下，使用(yòng)化學(xué)氣相沉積（CVD）在玻璃上方制作(zuò)「非晶矽」的薄膜晶體(tǐ)管（TFT），稱為(wèi)「低溫非晶矽（Low temperature amorphous silicon）」，目前我們所稱呼的「薄膜晶體(tǐ)管－液晶顯示器（TFT－LCD）」都是使用(yòng)低溫非晶矽制程。
優點：反應速度較STN快、可(kě)制作(zuò)全彩顯示器。
缺點：薄膜晶體(tǐ)管制作(zuò)困難、成本較STN高、非晶矽的導電(diàn)性不佳所以驅動電(diàn)壓較高、非晶矽的導電(diàn)性不佳所以耗電(diàn)量較高、非晶矽的薄膜晶體(tǐ)管較大所以開口率較低。
應用(yòng)：全彩液晶顯示器、筆(bǐ)記本電(diàn)腦、液晶電(diàn)視。
低溫多(duō)晶矽－液晶顯示器
其實使用(yòng)多(duō)晶矽制作(zuò)的顯示器可(kě)以分(fēn)為(wèi)「高溫多(duō)晶矽（HTPS）」與「低溫多(duō)晶矽（LTPS）」兩種：
高溫多(duō)晶矽（HTPS：High Temperature Poly Silicon）?：
由于使用(yòng)非晶矽制作(zuò)的薄膜晶體(tǐ)管（TFT），導電(diàn)性較差，工作(zuò)速度較慢，如果我們希望增加工作(zuò)速度，則必須使用(yòng)「單晶矽」最好，不幸的是，由于玻璃本身是非晶，因此不可(kě)能(néng)在非晶的玻璃基闆上成長(cháng)單晶矽，科(kē)學(xué)家們想出了一個好主意，就是使用(yòng)「退火（Anneal）」的方式，先使固體(tǐ)材料的溫度升高，再緩慢冷卻形成多(duō)晶。如圖六（a）所示，我們将玻璃與「非晶矽薄膜」放進高溫爐中，升溫到600°C，再緩慢冷卻到室溫，就可(kě)以變成「多(duō)晶矽薄膜」，這種制程稱為(wèi)「高溫多(duō)晶矽（HTPS）」。
由于玻璃的轉化溫度大約300°C，将玻璃升溫到600°C時玻璃會開始軟化，所以在高溫多(duō)晶矽（HTPS）制程不能(néng)使用(yòng)玻璃作(zuò)為(wèi)基闆，必須将導電(diàn)玻璃的「玻璃（Glass）」換成「石英（Quartz）」才行，石英（Quartz）是「二氧化矽的單晶」，熔點高達1200°C，但是價格極高，而且尺寸愈大的石英，價格是成等比級數增加（和鑽石很(hěn)像），所以高溫多(duō)晶矽（HTPS）不可(kě)能(néng)使用(yòng)在低價的大尺寸液晶顯示器，早期都是使用(yòng)在「液晶投影顯示器」内的高分(fēn)辨率、小(xiǎo)尺寸液晶面闆，通常小(xiǎo)于3吋而已，關于液晶投影顯示器将在後面詳細介紹。
低溫多(duō)晶矽（LTPS：Low Temperature Poly Silicon）?：
由上面的介紹不難發現，其實我們想要進行「退火（Anneal）」的部分(fēn)隻有薄膜晶體(tǐ)管（TFT）而已，将玻璃基闆與薄膜晶體(tǐ)管整塊放進高溫爐中加熱其實是很(hěn)笨的做法，大家不妨思考看看，有什麽方法可(kě)以隻加熱薄膜晶體(tǐ)管，卻可(kě)以使玻璃基闆保持在低溫呢(ne)？聰明的科(kē)學(xué)家們發明了新(xīn)的技(jì )術，稱為(wèi)「激光退火（Laser anneal）」，如圖六（b）所示，将玻璃與「非晶矽薄膜」放進激光退火爐中，使用(yòng)高能(néng)量的激光入射到透鏡，再聚焦到非晶矽薄膜上加熱，升溫到600°C，再緩慢冷卻到室溫，就可(kě)以變成「多(duō)晶矽薄膜」，而激光退火爐的下方有冷卻水管，可(kě)以将玻璃基闆的溫度保持在300°C以下，怎麽樣，這麽簡單的方法你（妳）是不是也想到了呢(ne)？
優點：反應速度最快、多(duō)晶矽的導電(diàn)性較佳所以驅動電(diàn)壓較低、多(duō)晶矽的薄膜晶體(tǐ)管較小(xiǎo)所以開口率較高。
缺點：激光退火技(jì )術尚未成熟，産品良率較低。
應用(yòng)：全彩液晶顯示器、筆(bǐ)記本電(diàn)腦、液晶電(diàn)視。
圖六 高溫多(duō)晶矽（HTPS）與低溫多(duō)晶矽（LTPS）制程示意圖
液晶顯示器産業（LCD industry）
液晶顯示器産業結構
液晶顯示器産業結構如圖七（a）所示，包括上遊産業的液晶材料、光刻版、氧化铟錫（ITO）、偏光片、玻璃基闆、濾光片、驅動IC、膠帶自動接合（TAB：Tape Automated Bonding）封裝(zhuāng)、背光源、導光闆、背光模塊等；中遊産業的顯示面闆組裝(zhuāng)、顯示器模塊組裝(zhuāng)等； 下遊産業的液晶顯示器組裝(zhuāng)等，上中下遊産業的代表廠商如表一所示。
液晶顯示器材料成本
液晶顯示器的材料成本如圖七（b）所示，其中彩色濾光片占24％，偏光片占11％、背光模塊占17％、驅動IC占17％，隻有這四項就占了液晶顯示器将近70％的材料成本，其中彩色濾光片與偏光片都與顯示器的尺寸有很(hěn)大的關系，尺寸愈大，彩色濾光片與偏光片所使用(yòng)的面積愈大，成本愈高。
圖七 液晶顯示器産業結構與材料成本
受惠于中國(guó)大陸對面闆的巨大需求，LCD産業除了部分(fēn)上遊材料與下遊的品牌，基本上已經是我們可(kě)以掌握的技(jì )術與産品，再過三年左右，LCD産業也許會跟LED産業一樣，成為(wèi)中國(guó)大陸的囊中之物(wù)，再攻克LCD産業之後，下一個會是什麽産業呢(ne)？
