平面显示器原理与技术

平面顯示器原理與技術1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性1.陰極射線映像管(CathodeRayTube,CRT)2.液晶平面顯示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)3.電漿面板平面顯示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)4.場發射平面顯示器(FieldEmissionDisplay,FED)5.電激發光平面顯示器(ElectroluminescenceDisplay,ELD)台灣在陰極射線管的發展歷程之中，曾經締造許多傲人的佳績，隨著資訊化、通訊化以及網路化時代來臨及其發展，輕、薄、短小之攜帶式行動產品成為人們日常生活之中，必備而重要的電器用品，而此類產品之中的液晶顯示器成為一項極重要的關鍵性零組件，從早期的手錶，掌上型電算機以及遊樂機等小型產品，發展到目前手機行動電話、筆記型電腦以及個人助理機等中小型用品。由於台灣居於此一類高科技產品的代工地位且所佔比例也相當高，而相關的關鍵性零組件如液晶顯示器面板幾乎是由日本以及韓國等輸入進口而來的，因而國內廠商大舉地進入液晶顯示器的研究、開發和生產，為快速地進入此一領域而採取自國外技術引進的策略性作法。目前世界上僅有台灣、日本以及韓國致力於液晶顯示器技術的研發和生產，而歐美各國(除Philips以外)並無量產型規模的生產公司。目錄•平面面板顯示器的種類、市場、技術及其應用•彩色映像管與彩色顯示管的基本原理及製程技術•STN液晶平面顯示器的製程技術及模組技術•非晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器的製程技術及模組技術•低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器的製程技術及模組技術•銦錫氧化物透明導電薄膜的製程技術及其應用•彩色濾光片的製程技術、特性及其應用•玻璃基板的種類、特性、製程技術及其應用•液晶材料的種類、特性及其應用•背光板和偏光板之種類、材料、結構及其特性•電漿平面顯示器的製程技術及其應用•場發射平面顯示器的製程技術及其應用•有機電激發光顯示器的製程技術及其應用第一章平面面板顯示器的種類、市場、技術及其應用1-1前言1-2平面面板顯示器的種類及其特性平面面板顯示器的種類區分平面面板顯示器的結構及其特性1-3平面面板顯示器的市場及其技術平面面板顯示器的市場趨勢平面面板顯示器的技術趨勢1-4平面面板顯示器的應用領域與未來展望1-1前言平面面板顯示器(FlatPanelDisplay，FPD)意指其顯示器之正面面板之玻璃基板是平面式，而不同於傳統陰極射線映像管的(CathodeRayTube，CRT)弧面式，但是近年來，由於技術的創新和製造的改善，而有所謂平面面板的陰極射線映像管的顯示器產生。由於微電子技術的進步，進而促使資訊、通訊和網路技術及其相關產業蓬勃地發展，用於呈現各種文字、數據、圖案和動態影像的顯示器(Display)成為不可缺少的必要零組件，並也成為辦公室、交通工具以及日常生活的必需品。1-1前言平面面板顯示器(FlatPanelDisplay，FPD)是因為輕薄短小、省能源化和多樣化等的要求，於1970年代中期所衍生出來而普及化的技術，初期因電算機和手錶之單色液晶面板的應用，而擴大了其普及性，1980年代則小型文字處理機和筆記型個人電腦的流行，而更加刺激單色和多色液晶面板的應用層面，1990年代因個人電腦多樣化及其高性能化，而正式地開展出彩色液晶面板在監視器領域的應用。1-1前言一般CRT體積龐大而佔空間、高電壓操作和輻射線等問題的產生，因而開發出平面面板顯示器，以解決上述問題。由於所使用的材料和表示方法不同，而有各式各樣的顯示方式之產品，如液晶平面顯示器、場發射平面顯示器、電漿平面顯示器、發光二極體平面顯示器和有機電激發光平面顯示器等被開發出來。1-2平面面板顯示器的種類及其特性平面面板顯示器因其結構上，與傳統的顯示器有很大的不同，因而平面面板顯示器的種類，也因基本原理、元件結構和驅動方式的變化，而有不同的分類，而且其物理特性也是各有不同的表示。•平面面板顯示器依其光源機制(應用層面)，可分為：–直視型(DirectView)–反射型(Reflective)•直視型–發光型–非發光型•反射型–液晶平面顯示器1-2-1平面面板顯示器的種類區分•發光型平面顯示器–交流或直流電式的電漿面板平面顯示器–有機或無機電激發光平面顯示器–發光二極體平面顯示器–冷陰極電子發射型平面顯示器•非發光型平面顯示器–二端子型的薄膜二極體元件–金屬絕緣金屬元件–三端子型的非晶矽的或高溫/低溫多晶矽的薄膜電晶體元件•反射式的液晶平面顯示器1-2-1平面面板顯示器的種類區分反射式液晶平面顯示器•早期所使用之LCD如筆記型電腦的TFT-LCD面板均為穿透式平面顯示器，附有一個極為耗損電量的背光源模組，藉由電壓控制液晶的排列，進而調節穿透光線的強度，當使用於戶外明亮的環境時，背光源模組的光強度較周邊環境的光線為弱時，就會造成影像畫質的劣化。•一般簡單型反射式平面顯示器，亦就是無所謂的背光源模組，藉由液晶分子調制反射光的強度，並用以顯示所需的資訊，因而既省電量，同時也非常適合於強光環境下使用。•反射式彩色高解析度之薄膜電晶體液晶平面顯示器因應而生。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性1.陰極射線映像管(CathodeRayTube,CRT)2.液晶平面顯示器(LiquidCrystalDisplay,LCD)3.電漿面板平面顯示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)4.場發射平面顯示器(FieldEmissionDisplay,FED)5.電激發光平面顯示器(ElectroluminescenceDisplay,ELD)1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性1.陰極射線映像管(CRT)•CRT是所有顯示器最早發展出來•1896年德國Braun博士首次發明CRT或布朗管•1929年美國西屋電氣公司成功地開發出第一台黑白電視機•1949年美國RCA公司利用網狀蔭罩、紅綠藍三原色點狀螢光幕和三支獨立地控制的電子槍，而發展出彩色映像管和電視機1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性1.陰極射線映像管(CRT)1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性1.陰極射線映像管(CRT)•彩色陰極射線映像管，是由映像管玻璃、螢光粉、網狀蔭罩、電子槍和偏向軛等所組成。•其原理是利用靜電聚焦式的透鏡，將電子槍所發射出的電子，予以收斂聚焦，並且利用偏向軛的磁力偏向，來控制掃描電子束，進而經由網狀蔭罩將電子撞擊紅、綠、藍三原色點狀螢光幕，而呈現不同的色彩。•其主要的應用領域有家庭用的彩色映像管，以及電腦顯示用的彩色顯示管等影音視訊和資訊類的終端機。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性2.液晶平面顯示器(LCD)•LCD乃是利用液晶表示文字和影像的裝置，液晶本身不會發光，而顯示器的明暗度，則是利用反射光或背面輔助螢光燈光源，而產生不同的顯示作用，由於具有輕薄性、低電壓驅動、低耗電性、彩色化、低價格和其它的特點等，而被視為平面面板顯示器中最受注目的顯示器技術。•LCD大致上可分為簡單或被動矩陣方式和主動矩陣方式兩種類型。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性2.液晶平面顯示器(LCD)•依其驅動方式之不同而分–被動矩陣驅動型液晶平面顯示器PassiveMatrix(or簡單矩陣驅動型SimpleMatrix)SM-LCD–主動矩陣驅動型液晶平面顯示器ActiveMatrixAM-LCD•依液晶材料以及配向材料的種類而區分–扭曲向列型液晶平面顯示器(TwistedNematicLCD)–超扭曲向列型液晶平面顯示器(SuperTwistedNematicLCD)–鐵電型液晶平面顯示器(Ferro-electricLCD)•對主動矩陣驅動型液晶平面顯示器而言，若依其開關元件的種類而區分–薄膜電晶體型(ThinFilmTransistor,TFT)LCD–金屬-絕緣體-金屬(MetalInsulatorMetal,MIM)LCD–薄膜二極體(TFD)LCD•對薄膜電晶體而言，則依所使用半導體薄膜層的材料而分–-Si(非晶質矽)–Poly-Si(多晶質矽)–CG-Si(連續晶界矽)–SC-Si(單晶矽)LCD種類：•簡單或被動矩陣方式，是上下電極間填充有液晶材料，兩個電極是垂直交差的，而X電極和Y電極，在時序(Timing)上相互一致的，並同時地進行On/Off的開關動作，兩電極相交部位即是用於控制畫像素。因電極數少、製程簡單和製造成本低等特點，其應用的範圍，除了用於電算機、手錶和遊樂器等之外，影印機、傳真機和靜態畫面等事務性辦公室機器也包含在內。•主動矩陣方式，則是由主動性薄膜電晶體元件負責開關一個一個的畫像素，把要控制的畫像素一個一個獨立地確定其可行性的方法。•與被動矩陣方式比較，雖然其製造成本會較高，但是畫像素是個別地控制，而可獲得高的畫質品質，其應用的領域，將有筆記型電腦、高畫質電視、數位照相機和攝錄影機。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性3.電漿面板平面顯示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)•PDP乃是上下兩片玻璃基板以0.1mm間隙挾住，而於其間填充氣體(Ne+Xe或He+Xe的混合氣體)；在底部的玻璃基板上，塗佈線條狀或瑪賽克狀紅綠藍(RGB)配置的螢光粉體，並使用隔壁層(Rib)或阻隔壁予以隔絕，此稱之為畫像素胞(PixelCell)，附有數十萬個微細的畫像素胞的玻璃基板，在施加數百萬伏特電壓，而於其間產生紫外線放電現象，進而促使螢光體發光。•將畫像素胞一個一個地高速地控制，將使螢光體發光，而產生彩色表示的功能，它是一種利用放電原理而發光的平面顯示器，它也類似於螢光燈的原理，而將許多螢光燈並排的一種表示裝置。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性3.電漿面板平面顯示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)•PDP的種類，依其放電發生時所加的電壓之不同，可分為直流型(DirectCurrent,DC-PDP)和交流型(AlternatingCurrent,AC-PDP)等兩種，其代表性結構圖如圖1-5(a)(b)所示。•掃描信號的行電極(Row)在PDP的橫方向受到外加電壓，而傳送信號的列電極(Column)則是在PDP的縱方向受到外加電壓。•直流型電漿面板平面顯示器，乃是讓電極於放電空間中，以直流放電的形態產生動作，因具有自行掃瞄功能和彩色表示等特性，而開發出不同結構的面板，並作為終端顯示器用。•交流型電漿面板平面顯示器，則是利用鐵電層將電極包覆，而以交流放電的形態產生動作，因面板具有記憶功能、面板結構容易大型化、面板透明性優，而可用於投影影像以及其高度畫質化，進而被選用於數位電視的載具，目前電漿面板平面顯示器以交流型的為主。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性3.電漿面板平面顯示器(PlasmaDisplayPanel,PDP)1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性4.場發射平面顯示器(FieldEmissionDisplay,FED)•FED是冷陰極電子放出型的顯示器中最具代表性的產品。其原理類似於真空管之利用針尖放電，而激發螢光體的一種顯示功能，發光原理與陰極射線映像管是相同的，其代表性的結構圖，如圖1-6所示。•FED與CRT的不同之處，在於其電子的發生方法和畫像素的定址方法，CRT是利用電子源之一個熱陰極發生的熱電子，在電磁場的作用下將電子束偏向，而產生相對應的定址，以激發螢光體；FED則是在螢幕背面因電場作用，而放射出電子之放射體(Emitter)陣列地分佈，以放射體陣列的開關，而將畫像素進行定址及顯示影像。1-2-2平面面板顯示器的結構及其特性4.場發射平面顯示器(FieldEmissionDisplay,FED)•FED技術依其陽極電極，而區分為低電壓型和高電壓型兩種，高電壓型FED因使用傳統CRT用的螢光體，而激發用的陽極電壓將達5~10kV，而低電壓型FED則其螢光體激發用的陽極電壓為1kV以下(200~1000V)。•近年來，有一種新型的奈米碳管(NanoTubeCarbon,NTC)場發射平面顯示器，被發展出來並受各方注