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1NDHUMaterialsScience&Engineering平面顯示器技術張文固博士材料科學與工程學系2NDHUMaterialsScience&Engineering數位時代之顯示器需求及演化•工作型態的改變：客廳即工廠公司辦公室居家辦公室行動辦公室•可攜式資訊產品及行動電話日益普及輕、薄、短、小、省電、彩色化及高畫質化•數位電視開播及網路家庭化開始盛行高解析度化、大型化、多媒體化•彩色化、高解析度、高畫質化、多功能化及低價化已成為21世紀數位時代顯示器產品發展特性3NDHUMaterialsScience&Engineering平面顯示器(FPD)的分類(1)穿透式：1.自發光型：(a)陰極射線映像管(CRT)(b)電漿面板平面顯示器(PDP)(c)場發射平面顯示器(FED)(d)電激發光平面顯示器(ELD)：--有機電激發光平面顯示器(OLED)--高分子電激發光平面顯示器(PLED)(e)發光二極體(LED)2.非自發光型：液晶平面顯示器(LCD)(a)被動矩陣式：--扭曲向列液晶(TN)--超扭曲向列液晶(STN)(b)主動矩陣式：--非晶矽薄膜電晶體(a-SiTFT-LCD)--低溫多晶矽薄膜電晶體(LTPS)--高溫多晶矽薄膜電晶體(HTPS)(2)反射式：反射式液晶平面顯示器(LCOS，LiquidCrystalonSilicon)(3)投影式：液晶投影機4NDHUMaterialsScience&Engineering平面顯示器的應用尺寸5NDHUMaterialsScience&Engineering陰極射線映像管(CRT)CRT顯示器的大致結構就如同右圖所顯示，主要由電子槍、線圈(Deflectioncoils)、遮罩(Shadowmask)、磷化螢光粉層(Phosphor)和玻璃螢幕五大部分組成。其中電子槍有能力打出2萬5千伏特高壓，產生高能電子光束。並利用遮罩正確導引電子光束打在鏡面上的磷光物質，而產生亮點。同時控制電子光束的強度，即可產生不同的顏色與亮度。當顯示器接收到由電腦顯示卡或由電視訊號發射器所傳出來的影像訊號時，電子槍會從螢幕的左上角開始向右方掃瞄，然後由上至下依序掃射下來，如此反覆的掃瞄即構成我們看到的影像。優缺點：(1)價格低(2)畫質高(3)體積大(4)易於產生輻射線(長時間的使用有危害眼睛的疑慮)6NDHUMaterialsScience&Engineering電漿面板平面顯示器(PDP)7NDHUMaterialsScience&EngineeringPDP發光原理•PDP的發光原理：與日光燈(如下圖)的發光原理相同，都是在真空玻璃管中注入惰性氣體或水銀氣體，再利用加電壓方式，使氣體產生電漿效應而放出紫外線(UV光)，藉此紫外線照射到塗佈在玻璃管壁表面上之螢光粉時，螢光粉就會被激發出可見光，而可見光的顏色由螢光粉的種類所決定。8NDHUMaterialsScience&Engineering場發射平面顯示器(FED)9NDHUMaterialsScience&EngineeringCNT場發射原理PhysicalReviewB66,241402(R)200210NDHUMaterialsScience&Engineering大面積厚膜場發射顯示器(ThickFilmFieldEmissionDisplay）大面積厚膜場發射顯示器(ThickFilmFieldEmissionDisplay)，利用厚膜網印製程及FED技術讓CRT得以平面化，不僅保留了CRT的影像品質，並具有省電及體積薄小的好處；同時結合奈米碳管或具奈米結構新穎模板場發射源材料的低導通電場、高發射電流密度以及高穩定特性，製造出大尺寸、低成本的全新平面顯示器，兼具低驅動電壓、高發光效率、無視角問題及省電的優點。就現有大尺寸顯示器而言，CRT雖具備良好的顯像品質，但體積卻過於笨重，投影電視雖可改善體積問題，但顯像品質不良，而PDP之製程雖然大部分採用網印法製作，但耗電量卻過大。因此如果能夠開發出一個全新的自發光場發射顯示器，使其不僅保有薄膜式FED的低驅動電壓、高發光效率、高亮度及驅動系統簡單的特性，同時使用全厚膜網印製程，又可輕易達到大尺寸及低成本的製程優勢，將可造成顯示器發展的另一波重大突破。11NDHUMaterialsScience&EngineeringOLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個結構層中包括了：電洞傳輸層(HTL)、發光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當電力供應至適當電壓時，正極電洞與陰極電荷就會在發光層中結合，產生光亮，依其配方不同產生紅、綠和藍RGB三原色，構成基本色彩。OLED的特性是自己發光，不像TFTLCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡單，成本低等，被視為21世紀最具前途的產品之一。有機電激發光平面顯示器(OLED)12NDHUMaterialsScience&EngineeringSANYO15“OLEDToshiba17”PLEDSONY13”OLEDSamsung2.2”OLED13NDHUMaterialsScience&EngineeringOLED的基本原理當陰極提供的電子(Electron)，與陽極提供的電洞(Hole)，在高分子材料結合，使材料由基態(Groundstate)提高到激態(Excitingstate)，當材料能量由激態跳回基態時，便發出光來。一般為了增加電子與電洞的結合效率，會在陽極材料上在增加一層電洞傳導層(HoleTransportLayer,HTL)14NDHUMaterialsScience&EngineeringOLED基本結構陰極電極電子傳導層(ETL)發光層(EML)電洞傳導層(HTL)電洞注入層(HIL)ITO陽極電極玻璃基板光V＋－陰極電極電子傳導層(ETL)發光層(EML)電洞傳導層(HTL)電洞注入層(HIL)ITO陽極電極玻璃基板光V＋－V＋－15NDHUMaterialsScience&EngineeringOLED發光元件•有機電激發光元件依其所使用的有機薄膜材料，大致可分為兩類：(1)小分子元件(Molecule-baseddevice)：是以染料及顏料為材料，分子量一般約在數百。被稱為OLED。(2)高分子元件(Polymer-baseddevice)：是以共軛高分子為材料，分子量則高達數萬至數百萬之間。被稱為PLED。16NDHUMaterialsScience&EngineeringPioneerFlexibleOLED17NDHUMaterialsScience&EngineeringOLED色彩發光方式18NDHUMaterialsScience&Engineering19NDHUMaterialsScience&EngineeringLED發光原理20NDHUMaterialsScience&EngineeringLED製作流程21NDHUMaterialsScience&EngineeringLED的演化史22NDHUMaterialsScience&EngineeringLED的應用23NDHUMaterialsScience&EngineeringIC與LCD製造之差異性24NDHUMaterialsScience&EngineeringTFT-LCD玻璃基板尺寸演進25NDHUMaterialsScience&Engineering我國平面顯示器的產業結構26NDHUMaterialsScience&Engineering15吋TFT-LCD材料成本分析27NDHUMaterialsScience&Engineering背光模組與前光模組•因TFT-LCD等液晶顯示器本身並不發光，因此需要一外加面光源，提供均勻、高亮度、廣視角的顯示效果。•一般依面板的種類，面光源又可分為：(1)背光模組：位於玻璃晶片與彩色濾光片後面，主要用於穿透式面板與投影式面板。(2)前光模組：位於玻璃晶片與彩色濾光片前面，主要用於反射式面板。28NDHUMaterialsScience&Engineering液晶之顯示形態之一(穿透式)液晶單元背光•穿透式：採用背光(Backlight)，光源由下方射出，液晶本身並不會發出光，所透過的光沒有照射到液晶時，便不會出現顏色。此稱之為「穿透式」。29NDHUMaterialsScience&Engineering彩色濾光片偏光板玻璃基板綠紅紫ITO電極反射電極(鋁電極)壓克力樹脂源極電極閘極電極汲極電極向列型液晶層(1)採用外界光源。(2)使用單層偏光板。(3)製程加入反射電極(鋁電極)。液晶之顯示形態之二(反射式)•如果採用由上方所來臨的光，通過液晶，由底面的鏡面反射，可以利用其反射光做為顯示時，便不需要背光。此一「反射式」可應用在電子計算器、時鐘、電子鍋等簡單的家電顯示。LCOS：(LiquidCrystalonSilicon):反射式液晶平面顯示器30NDHUMaterialsScience&Engineering液晶之顯示形態之三(投影式)投影鏡頭聚光透鏡液晶單元螢幕31NDHUMaterialsScience&EngineeringLCD的光線利用效率32NDHUMaterialsScience&Engineering什麼是液晶？(1)•液晶的起源是在1888年時，由奧地利植物學家萊尼茲(Reinitzer)發現了一種特殊的混合物質，此一物質在常態下是處於固態和液態之間，不僅如此，其還兼具固態物質和液態物質的雙重特性。在那個年代並沒有對於此物質的適當稱呼，因此就稱之為LiquidCrystal（顧名思義就是液態的晶體）。而液晶的組成物質是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構成的化合物。•後來在1963年時，美國RCA公司的威廉發現了液晶會受到電器的影響而產生偏轉的現象，也發現光線射入到液晶中會產生折射。所以就在1968年，也就是威廉發現光會因液晶產生折射後的5年，RCA的Heil震盪器開發部門發表了全球首台利用液晶特性來顯示畫面的螢幕。所以到了1968年，萊尼茲發現液晶物質後整整80年後，「液晶」和「顯示器」兩個專有名詞才連結在一起，「液晶顯示器（LCD）」成為後來大家朗朗上口的專業名詞。33NDHUMaterialsScience&Engineering什麼是液晶？(2)液態晶體LiquidCrystal固體結晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻•物質有固態、液態和氣態共三態，但是液晶卻介於固態和液態之間，同時擁有固態晶體的光學特性和液體的流動特性，所以可以說液晶是具有中間相的物質。34NDHUMaterialsScience&Engineering液晶分子示意圖•晶體：有光軸，不能隨器成形。光軸不能隨空間連續變化。•液晶：有光軸，可以隨器成形。光軸可以隨空間連續變化。•液體：沒有光軸，可以隨器成形。35NDHUMaterialsScience&Engineering液晶所要求的性質(1)1‧液晶動作溫度範圍要廣：在很寬廣的動作溫度範圍下，仍然要保持液晶狀態。如果溫度稍微下降，就變成結晶，或者溫度稍為上昇，便成為液體，此為相當困擾的問題。必須維持在結晶與液體的中間性質，液晶才能做為顯示之用。所以，在某一個溫度範圍內，仍然能夠維持液態的狀態。2‧對電壓或水等具有耐久性：液晶當再加上光或熱，或加入電壓，或加入微量的水時，必須具有耐久性。稍微加些熱，便分解或變質，則無法當做顯示之用。例如，汽車導航所使用的液晶，其動作範圍為從-10oC~100oC，汽車的觸摸面板(TouchPanel)所使用的液晶也是如此。在嚴冬之半夜，停車於戶外的溫度為零下，而在夏天的炎熱天氣下於停車場的車內溫度可達100oC以上。在這些狀態下，液晶都還需要正常動作。3‧具有較高的比電阻：比電阻不夠大時，液晶分子之排列方式無法保持於某一狀態，會