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细说TFT-LCD液晶显示技术
 

【作者: 朱家宏】2006年10月04日 星期三

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一般人都知道,存在于空间中的物质共分为三种型态,分别为固态、液态与气态。而同时具备固态与液态两种物质特性的液晶,其诞生的过程来自于一项非常特殊物质的发现。


液晶的起源

早在西元1850年,Virchow、Mettenheimer和Valentin这三个学者就发现了神经纤维(nerve fibre)的粹取物中含有此类特殊的物质。到了西元1877年德国物理学家Otto Lehmann运用偏极化显微镜首次观测到液晶化的现象,但当时他对于此种现象的成因并不了解。直到西元1888年,奥地利的植物学家Friedrich Reinitzer发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物(cholesteryl benzoate),并确认这种化合物在加热时具有两个不同温度的熔点,在这两个不同的温度点中,其状态介于一般液态与固态物质之间,类似胶状,但在某一温度范围内该物质的状态又具有液体和结晶体的双重特性。Reinitzer在与Lehmann在深入探讨这种物质的特性之后,便由这两位学者共同将该物质命名为「Liquid Crystal(液晶)」,该名称就含有液态结晶物质的意思,也因此Reinitzer与Lehmann这两人被誉为液晶之父。


液晶与CRT阴极射线管一样,虽然早在西元1888年就被发现,然而实际应用于生活周遭,却已经是80年后的事情了。这是因为液晶在第一次与第二次世界大战中对于军事用途的帮助不大,以致于其发展落后CRT许多。但这段时间里较为重要的进展是在西元1922年时,由Oseen和Z鐼her等两位科学家为液晶确立了状态变化的方程式。一直到了西元1968年美国RCA的工程师利用液晶分子受到不同电压影响之后可改变其分子排列状态的特性,制造出可以让入射光线产生偏转的现象,并利用这样的原理制造了全球第一台液晶显示萤幕。此后,从西元1970年起,日本的Sony与Sharp两家公司开始对液晶显示技术进行深入的开发,使得液晶显示技术已经成功地成为现今多种应用场合的主要显示技术。


液晶的物理特性

要了解液晶特殊的物理性质,首先必须先了解一般固态晶体是具有方向性的,而液晶这种物质的特殊之处,在于其不但具有一般固态晶体的方向性外,又同时具备了液体的流动性。因此,若欲改变固态晶体的方向,必须将整个固态晶体旋转,但欲改变液态晶体就不需要这些步骤,而是可以经过电场或磁场来改变液晶的方向 。


顾名思义,液晶是一种介于固态与液态之间的有机化合物,在一定的温度范围内,它既具有液体的流动性、黏度与形变等机械性质,又具有晶体的热(热效应)、光(光学各向异性)、电(电光效应)与磁(磁光效应)等物理性质。光线穿透液晶的路径由它所构成的分子排列所决定。科学家发现当对液晶施加电场时,会改变它的分子排列,并造成光线的扭曲或折射。


一般液体在室温下对各方向的折射率均相同,称为等向性(Isotropy),故在室温下颜色是澄清的。而液晶分子在常温下具有双折射率(Birefrigence),称为异向性(Anisotropy),会​​使液晶略带混浊。含有液晶相(mesophase)的化合物便称之为液态晶体(mesogen)。液晶分子在受热时是澄清的液体,降温后会成为结晶状的固体,其特性为具有液态时的流动性、黏性,状似液体但不透明,分子排列有规则性,且存在着固定的相转移温度。


液晶以其所形成的原因不同可分为液向型液晶(Lyotropic Liquid Crystal)和热向型液晶(Thermotropic Liquid Crystal)。液向型液晶系液晶溶于适当溶剂中,由于浓度不同而形成各种不同的液晶相,热向型液晶则是由于温度的改变而呈现不同液晶相。


另外,液晶按照分子排列结构的不同又区分为三种。晶体颗粒黏土状的液晶称之为近晶相(Smectic)液晶、类似细火柴棒的液晶称之为向列相(Nematic)液晶,另外还有类似胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性都不尽相同,目前用于液晶显示器的则是第二类的向列相(Nematic)液晶。


《图一 液晶面板色彩显示原理》
《图一 液晶面板色彩显示原理》

何谓TFT-LCD

自从西元1968年第一个液晶面板发明以来,经过不断的改良,终于在西元1991年成功地将之商业化成为笔记型电脑用显示面板,自此刻起,液晶显示技术的时代正式来临。本文接下来将继续介绍液晶显示技术的主要原理。


一般常听到的TFT-LCD就是Thin-Film Transistor Liquid-Crystal Display(薄膜电晶体液晶显示器)的缩写。简单说,液晶面板可视为两片玻璃基板中间夹着一层液晶层,上层的玻璃基板主要是彩色滤光片(Color Filter;CF)、而下层的玻璃基板则有电晶体镶嵌于上。当电流通过电晶体产生电场变化时,便造成液晶分子的偏转,借此改变光线的偏极性,再利用偏光片决定每一画素(Pixel)的明暗状态。此外,上层玻璃因与彩色滤光片贴合,因此每个画素都包含了所需要的红蓝绿三种色彩,透过这些发出红蓝绿色彩的单一画素,便构成了面板上整体的影像画面。因此液晶面板就是透过液晶分子与不同电压的折射特性来获得明暗效果,进而达成色彩显示的目的,如(图一)。


《图二 TFT-LCD面板的基本结构》
《图二 TFT-LCD面板的基本结构》

TFT-LCD结构

TFT-LCD面板的基本结构如(图二)所示,简单的说就是在两片玻璃基板中间夹住一层液晶层。前端的LCD面板贴附有彩色滤光片,后端TFT面板上则具备了薄膜电晶体(TFT)。当施加电压于电晶体时,液晶转向,光线便因此穿过液晶层,并在前端面板上产生一个画素。背光模组位于TFT-Array面板之后,主要任务为负责提供光源。彩色滤光片给予每一个画素特定的色彩,而结合每一个不同色彩的画素,所呈现出的就是面板前端的影像。


TFT画素结构

(图三)为一个TFT画素的结构示意图。如图所示,液晶面板就是由数百万个TFT device以及透明导电金属材料ITO(In Ti Oxide)的区域排列成一个矩阵(matrix)结构所构成,而所谓的Array(阵列)就是指数百万个排列整齐的TFT device之区域,此数百万个排列整齐的区域就是面板的显示区。


不论液晶面板的设计方式如何变化,制程如何简化,其基本结构都必须具备TFT device和控制液晶区域。若是光源穿透式的LCD,则此控制液晶的区域使用的是ITO,如果是反射式的LCD,则是使用高反射率的金属,如Al(铝)等。


TFT device是一个开关器,其功能就是控制电子进入ITO区域的数量,当流进ITO区域的电子数量达到所需要的数值后,再将TFT device关掉,此时就将电子整个关闭(Keep)在ITO区域。


(图四)为各画素点指定的时间变化示意图,由t1到tn闸极驱动IC持续选择开启G1,使得源极驱动IC以D1、D2到Dn的顺序对G1上的TFT画素充电。到tn+1时,闸极驱动IC再度选择G2,源极驱动IC再从D1开始依序选择。


《图三 TFT画素结构示意图》
《图三 TFT画素结构示意图》

TFT-LCD导光原理

TFT-LCD是透过面板上每一个不同色彩的画素来构成画面。每个画素的色彩则是利用该画素中液晶所透过的光源强弱来区隔。液晶是同时兼具固态晶体物理特性与液态流体特性的有机分子,其分子的排列如同固体一般有方向性,而排列方向则可藉由施加不同的电压来改变。当施加电压时,液晶的排列会随着电场的方向扭转,其行为如同流体,也由于排列方向的改变,所折射出光线的角度就会不同,而产生不同层次的色阶,再透过彩色滤光片来产生色彩。简单说TFT-LCD的显像方式便是在两层玻璃基板之间的液晶层,施加不同的电压改变液晶分子的排列方向,使液晶分子依站立角度的不同,形成光闸门以决定背光源( backlight)的穿透程度,借此构成画面。


液晶方向的改变依据液晶的成分而有所不同,有些液晶在和电场平行时位能较低,所以当外加电场时会朝着电场方向转动。相对的,有些液晶则是在对应垂直电场时位能较低。由于液晶对于电场或磁场等外加力量特别敏感,因此产生不同方向性的效果,这也导致当光线进入液晶时,会按照液晶分子的排列方式前进,进而产生了光线的偏转现象。


部分液晶分子的电场结构中,有着很强的电子共轭运动能力,所以当液晶分子受到外加电场的作用时,便很容易被极化产生感应偶极性(induced dipolar),这就是液晶分子间互相作用力量的来源。目前在电子产品中常见的液晶显示器,多是利用液晶的光电效应,藉由外部的电压控制液晶分子的旋转,当电源关闭时,液晶具有偏光效果,可将入射光线转弯,穿过光栅,呈现亮色。当电源开启时,液晶不具有偏光的功能(direction),因此光线不能通过光栅,此时画面呈现暗色。


液晶分子在不施加电压的情况下,与垂直配向膜沟槽排列方向一致的垂直液晶分子,呈现90度方向旋转,与水平配向膜处的水平液晶分子接续排列,进而将光源从垂直偏光片导向水平偏光片,以达到传导光源的目的,此时萤幕光线是全亮的。而当施加电压之后,依据电压的不同可以控制液晶分子的站立角度。当电压全开时,液晶分子呈现水平排列状态,从垂直偏光片透过的光源将保持垂直前进,抵达水平偏光片时则被阻挡无法通过,因此萤幕的显示将呈现暗态。


由于偏光板两个极栅各成90度交叉排列,因此在没有液晶分子导光的情况下,光线是无法通过面板的。从(图五)可以发现,液晶站立的角度越呈现垂直,将有更多的光不会被液晶所导引,而不同的液晶站立角度将会导引不同数量的光线,从图中可知,液晶站立角度越大,则可以穿透的光线越少,画素所呈现的亮度越弱。因此除了上、下偏光片的排列方向将决定穿透光线的强弱之外,液晶站立的角度也将影响导光的强弱。不受导引的光线会被上部偏光片所吸收掉。由于自然界光的极性是任意方向的,使用偏光片的主要目的便在于过滤掉大部分不同行进方向的光,而只让某一特定方向的光线通过面板。



《图四 各画素点指定的时间变化示意图》
《图四 各画素点指定的时间变化示意图》

TFT-LCD主要制程

TFT-LCD的三段主要制程包括了前段的Array(阵列)制程、中段Cell制程与后段的Module Assembly(模组组装)制程。前段Array制程与半导体制程相似,所不同处仅在于TFT面板是将薄膜电晶体制作于玻璃上,而非矽晶圆上,也因此半导体工程师经常成为TFT面板厂挖角的主要对象。中段Cell制程是以前段Array制程的玻璃基板,与彩色滤光片的玻璃基板贴合,并在两片玻璃基板间灌入液晶层。后段的​​Module Assembly模组组装制程则是将Cell制程后的玻璃基板与其他零件如背光板、电路与外框等多种零组件组装的生产作业。


《图五 液晶站立角度越大,画素所呈现的亮度越弱》
《图五 液晶站立角度越大,画素所呈现的亮度越弱》

Array制程

Array制程大致上分为四个步骤,分别是薄膜、黄光、蚀刻与剥膜等。透过这些步骤在玻璃基板上形成Array电路。开始进入Array制程前,玻璃基板需进行成膜前洗净,这对于制造良率的提升构成相当大的影响。接着进行薄膜沉积现象,于玻璃基板上产生薄膜。光阻涂布则是将光阻均匀涂布于玻璃基板表面,曝光时,将紫外线通过刻有图案之光罩,此时光罩上的图形将转移至已经涂布光阻的玻璃基板上。


接着进入显影之后的制程。显影时,在玻璃基板上喷洒显影剂,并将曝光于紫外线下的光阻溶解于显影剂之后,用去离子水冲洗带走。显影后加热则为蚀刻,进行未受光阻保护之薄膜层的蚀刻,接着剥膜,利用滴入有机溶剂之去光阻液,和光阻产生化学反应,反应后的光阻将由有机溶液冲离玻璃基板表面。如此便完成一道薄膜电晶体的Array制程。


一般来说完整的薄膜电晶体需要至少五道Array制程,第二道重复沉积薄膜、光阻涂布、曝光、显影、蚀刻、剥膜等步骤,如此完成第二道薄膜电晶体的制程。接着依序完成第三道至第五道制程,便完成了全部薄膜电晶体的Array制程。这种重复的次数一般被称为「光罩数」。在Array制程结束后,需进行检测,并紧接着进行中段Cell制程。


在Array制程中,减少重复的制程次数,也就是越少光罩数,越能够缩减投资成本及总工程效率与时间。过去制程光罩数多为六层至八层,但目前多数面板生产商都将Array制程缩减为五层。甚至有部分业者已经开始引进四层光罩的制程,主要原因在于减少制程复杂度以降低成本。只不过减少光罩数也将使得面板产出良率降低,因此厂商必须在此做好成本与良率间的取舍。


Cell制程

相对于Array制程,Cell制程是TFT-LCD面板制造与半导体制造不同的特有制程,中段的Cell制程是以前段Array制程的玻璃为基板,与彩色滤光片的玻璃基板结合,并在两片玻璃基板间灌入液晶。其详细制程步骤包括基板洗净(使用洗剂、毛刷、超音波、IR、UV等方式)、配向膜(PI或PVA等材料)涂布、预烤、磨擦配向、上框胶、烘烤、间隔粒喷洒、组立、压合烘烤、切割/裂片、液晶灌注、封口、洗净、偏光板贴合以及检查等程序。


中段Cell制程之TFT基板与彩色滤光片之贴合详细步骤如下:先将基板洗净,利用洗剂、毛刷、超音波、IR、UV等装置,将上面的微粒及油污清除,以确保基板之清洁状态。接着进行配向膜印刷,在已洗净的基板上形成一层500~1200(0.05μm~0.12μm)的均匀薄膜,而主要的配向膜材料为Polyimide,在该材料呈溶液状态时将其涂布于基板表面;配向膜配向的主要目的在于使印刷与基板表面之PI膜透过摩擦开出纹路,于PI膜上制造定向沟槽,而使液晶依序一致性地整齐排列;下个步骤为使用密封胶涂布,利用网版印刷方式,将所需之胶框转印至CF基板上以提供TFT与CF基板接合时所需之封边用胶框。将间隔剂均匀散布在对向基板上,以供上下基板间维持一定的间距。胶框​​涂布的目的在于提供TFT基板与CF彩色滤光片之固着,同时防止所注入之液晶层外流。


接着将进行彩色滤光片的Cell制程。首先是配向膜印刷与配向膜配向,前一步骤已进行喷洒间隔物以控制液晶层厚度并支撑两片基​​板中的间距。完成后在密封胶中滴入液晶(采用滴入法之液晶注入法),接着进行装置的组合,加温促使CF基板上的胶框软化,对位完成后施加高压,藉由框胶将TFT基板与CF彩色滤光片等两片基板高精密度地进行贴合,最后做对位修正,完成贴合工作。最后将贴合完成之基板施加均匀高压,并进行高温烘烤,基板温度需维持在90分钟以上的150℃烘烤,以确保框胶完全固化且间距成型。


贴合完成之后将进行切割,将组合热压完成之大片原始玻璃基板组,切割为最终尺寸,依所需求之产品尺寸,以钻石刀在玻璃基板上切割,接着将切割完成之面板置入真空槽中,真空槽排气后,将面板的液晶注入口浸渍于液晶中,此时在真空槽中通入氮气,利用压力差和毛细现象将液晶吸入面板中(采用吸入式之液晶注入法) 。目前部分厂商则已经拥有在两基板贴合前就先将液晶滴入之技术。最后进行偏光片之贴附,在切割完成的面板正反面各贴附一层偏光片。至此,Cell制程告一段落。


液晶之注入方式

前述关于液晶注入面板的方法,目前分有吸入式和滴入式两种。吸入式是把数片面板置放在治具内,注入口向下,进入加热后的真空槽中,使面板在液晶储槽内浸渍,利用压力差和毛细现象将液晶注入面板间隙中。滴入式则是把数枚面板之注入口向上,利用分滴器(dispenser)将液晶注入。


过去液晶的注入方式多是采吸入式,是将数片面板放入加热之真空槽内,并以批次方式浸入液晶槽中,将面板间3~5μm的间隙抽取真空后,利用毛细现象吸入液晶。至于封闭液晶注入孔的方式,是在注入孔涂上光硬化剂后,利用UV紫外光加以硬化。该方式可以分成三种:


● 为保持注入后面板间的适当间隙,因此控制注入所需时间并加以封孔;


● 注入液晶后将面板加压,使多余的液晶从注入孔流出并加以封孔;


● 在面板盒内的面板与面板之间夹上间隔材料,以防止液晶注入时发生膨胀,并加以 封孔。


吸入式液晶注入法所需的时间,以一片15吋等级的TFT面板来看,在吸入液晶的过程中,会在面板周围封胶,再开一至二个小孔,以真空抽气方式吸入液晶分子材料,时间约需八个小时,若是40吋等级的大型面板,至少需开八个孔,过程需时将长达一星期左右,不仅生产效率低,而且也相对提高生产成本。也因此过去TFT LCD较少应用于大尺寸电视产品上,而是多应用于小尺寸的资讯用面板产品。


而为了缩短大尺寸面板的液晶注入时间,吸入式可藉由提高真空槽内的真空度以增加注入速度,或者以直接施加压力的方式缩短注入时间。然而这些方法的缺点在于封口工程之自动化不易。为了改进这些传统注入液晶方式的缺点,目前在技术上已有突破,也就是在TFT与CF两片玻璃基板贴合之前,先将液晶滴入TFT基板上,再予以贴合,程序上较传统方式简便且省时,可大幅缩短灌注液晶的时间,而此技术也加速了TFT-LCD在大尺寸电视方面的发展脚步。


Module制程

最后进行的是Module模组组装制程。模组组装主要是COG制程,其制程包括以下几个步骤:


  • ● 贴附异方性导电胶;


  • ● 驱动IC的压合;


  • ● 软性电路板的压合;


  • ● 印刷电路板的压合;


  • ● 背光源的组装;


  • ● 外框的组装。



至此TFT-LCD面板的组装步骤告一段落。这一阶段制程又称为模组工程,主要是在已经贴合完成的Cell基板上组装驱动IC或背光模组等相关零组件,这些都是让面板可以点亮的关键零件。在此阶段制程中,大型化、多样化液晶面板的高效率制造是最重要的要求。


最后进行老化测试,将组装完成的面板置于高温测试炉中,从室温调整至高温以测试产品之温度性。完成测试后面板进入包装作业,完成所有TFT-LCD面板之制程。


各世代玻璃基板与尺寸

许多人不了解TFT-LCD产业各世代厂房之差异,其实原理相当简单。各世代厂房主要的差别就在玻璃基板的尺寸大小,而市面上所见到​​的面板产品,就是从大片玻璃基板去切割而成的最终产品尺寸。越新世代的厂房,其玻璃基板面积越大,因此可切割出更多片面板,以提高产能、降低成本,或是可以生产出更大尺寸的面板,例如越来越普及的大尺寸液晶电视面板,便是由更高世代的玻璃基板所切出。


1990年代TFT-LCD产业刚崛起于日本,当时日本设计建造了一代厂(G1)的制程。一代厂的玻璃基板大约是300mm×400mm,相当于全开的杂志,可做成一片15吋的面板。而1996年当台湾的达科技(其后与联友光电合并为友达光电)初进入TFT产业时,当时技术已进展至3.5代厂(G3.5),玻璃基板尺寸约为600mm×720mm。目前六代厂(G6)制程,玻璃基板尺寸达1500mm×1850mm,相当于一张双人床大小。而一片G6玻璃基板可切割出30片15吋面板,相较于G3.5仅可切割4片、G1仅可做1片15吋面板的规模,G6产能以倍数增加,相对成本降低。此外,G6玻璃基板亦可切割出更大尺寸面板,例如8片32吋液晶电视面板,因此提高了面板产品应用的多元 。这也是目前全球TFT-LCD厂商无不积极投入新世代厂房制程技术的原因。


目前台湾的友达光电正在中部科学园区兴建的G7.5,玻璃基板尺寸为1950mm×2250mm,可提供40吋以上面板最经济切割尺寸,以方便生产大尺寸液晶电视用面板。友达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,预计将于2006年第四季开始量产。而奇美电子也积极在新世代面板厂的领域上铺路,相信不久的将来便可见其开花结果。


结语

自从第一台液晶显示器问世以来,液晶显示技术挟其低成本与轻便性等优势,淘汰CRT显示技术,全面攻占资讯显示市场。目前TFT-LCD显示技术已经成熟,长期困扰液晶显示器的三大难题:视角、色彩饱和度与亮度等问题都已经获得解决。而随着新世代面板厂的持续兴建,未来各世代面板厂的生产线如何提高生产效率,并灵活运用现有生产线使整体面板产品线更趋完备,都是目前TFT-LCD厂商在发展中必须面对的重要课题。


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