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產業報導

認識LCD液晶顯示器

　　眼尖的您一定不難發現不論在何時何地，LCD這三個英文字母似乎已經深入我們的日常生活當中，舉凡公共場所大型廣告看板，家電及個人電腦…等。似乎都少不了它的存在，且有日漸成長之趨勢。不管您是否曾經使用過LCD這樣的產品，或是您曾經在某處看過LCD，亦或許您已經在使用它，然而您是否真正了解 LCD的種類、顯像原理與製造流程呢？－透過本篇文章讓我們一起來揭開LCD神秘的面紗！

■ 新竹廠 張國龍

一、什麼是液晶(Liquid Crystal)？

　　想要了解LCD（液晶顯示器），就必須先從「液晶（Liquid Crystal）」的誕生開始講起。液晶最早發現於西元1888年，是由澳洲植物學家菲德烈．萊尼澤F. Reinitzer發現，他從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物，在為這種化合物做加熱實驗時，意外的發現此種化合物具有兩個不同溫度的熔點。而它的狀態介於我們一般所熟知的液態與固態物質之間，有點類似肥皂水的膠狀溶液，但它在某一溫度範圍內卻具有液體和結晶雙方性質的物質，這種具有液體般的流動性及結晶般的光學性質神秘特性，後來便把它命名為「液晶（Liquid Crystal）」。從發現至今天約一世紀，但其應用仍鮮為人們所熟悉，最近幾年由於半導體的發展，積體電路應用的普遍，使得電子產品越來越輕巧，故由液晶原理所應用發展的液晶顯示器（LCD）在近年來廣為流行，將來更可期待駕乎傳統CRT電子槍顯示器之上，同時LCD在許多場合非常適合用來當作顯示器使用，在1997年許多LCD製造商訂單應接不瑕的情況看來LCD將為近年的顯示器主流。

　　液晶顯示器是以液晶材料為基本元件，而要了解液晶的所產生的光電效應，我們必須來解釋液晶的物理特性，包括它的黏性（viscosity）與彈性（elasticity）和其極化性（polarizality）。液晶的黏性和彈性從流體力學的觀點來看，可說是一個具有排列性質的液體，依照作用力量方向的不同，而有不同的效果。就好像是將一把短木棍扔進流動的河水中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過了一會兒，所有短木棍的長軸都自然的變成與河水流動的方向一致，這表示著次黏性最低的流動方式，也是流動自由能最低的一個物理模型。此外，液晶除了有黏性的反應外，還具有彈性的反應，它們都是對於外加的力量，呈現了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質中，必然會按照液晶分子的排列方式行進，產生了自然的偏轉現像。至於液晶分子中的電子結構，都具備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，便很容易的被極化產生感應偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源，液晶的光電效應可見下圖一。而一般電子產品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再透過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況（或著稱為可視光學的對比），進而達到顯像的目的 。

二、LCD液晶顯示器之種類

　　液晶顯示器依驅動方式來分類可分為靜態驅動（Static）、單純矩陣驅動（Simple Matrix）以及主動矩陣驅動（Active Matrix）三種。其中，被動矩陣型又可分為扭轉式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其他被動矩陣驅動液晶顯示器；而主動矩陣型大致可區分為薄膜式電晶體型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極體型(Metal/Insulator/ Metal；MIM)二種方式。

　　TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理之不同，在視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低程次之差別，使其在產品的應用範圍分類亦有明顯區隔。以目前液晶顯示技術所應用的範圍以及層次而言，主動式矩陣驅動技術是以薄膜式電晶體型（TFT）為主流，多應用於筆記型電腦及動畫、影像處理產品。而單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列（TN）、以及超扭轉向列（STN）為主，目前的應用多以文書處理器以及消費性產品為主。在這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術需求較高，而TN及STN所需的技術及資金需求則相對較低。

　　TFT型的液晶顯示器較為複雜，主要的構成包括了，螢光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式電晶體等等。

三、LCD液晶顯示器的顯像原理

　　傳統之CRT（Cathode Ray Tube）映像管顯示器之主要顯示原理乃藉由紅、黃、藍三原色電子槍及點子束，由陰極射線管成像至螢光幕上（見圖二）。此與LCD 的運作主要依靠偏光的特性有極大之不同。偏光特性是指光波只會在唯一個平面上震動，而要達至偏光，主要是靠一個偏光濾光器。此濾光器包括有兩塊互相成90 度的單一濾光鏡片。而LCD的構造包括有兩塊玻璃片，玻璃片之間形成一個小隙，小隙則填滿一種特別的液晶體物料，這種液晶體物料可透過電極而改變偏光的特性。而為使LCD能顯示影像，許多並列的導體放置在兩塊玻璃片的內部，一樣的道理，頂部和底部的導體排列互成90度，每一個交點便成為一個單元，透過訊號輸入至每一單元，便能控制影像的顯示，要達至彩色影像顯示，每一個顯示元素便需含有三個獨立單元，而三個單元分別有紅、綠和藍色的濾光物料，其液晶顯示器之基本結構見下圖三。

　　上圖三說明在電極不通電的時候，光線受液晶分子的影響而偏轉，於是可以通過外側的偏光器；而在電極通電的時候，液晶分子受電場驅動而改變方向，光線不再受液晶分子影響而偏轉，於是無法通過外側的偏光器，這便是LCD液晶顯示器的顯像原理。

　　目前液晶顯示技術大多以TN、STN、TFT三種技術為主軸，因此我們就這從這三種技術來探討它們的運作原理。

　　首先TN型的液晶顯示技術可說是液晶顯示器中最基本的，而之後其他種類的液晶顯示器也可說是以TN型為原點來加以改良。同樣的，它的運作原理也較其他技術來的簡單，其原理如上圖三，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導電的玻璃基板。

　　其顯像原理是將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間，液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列，如果電場未形成，光線會順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉其行進方向，然後從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之後，兩片玻璃間會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，叫做扭轉式向列場效應，簡稱TNFE（twisted nematic field effect）。在電子產品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理所製成。

　　 STN型的顯示原理也似類似，而不同的是TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度，而STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180~270度。
要在這邊說明的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），並沒有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關係，以及光線的干涉現象，因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（color filter），並將單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個子像素（sub-pixel），分別透過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器如果顯示螢幕做的越大，其螢幕對比度就會顯得較差，不過藉由STN的改良技術，則可以彌補對比度不足的情況。

四、LCD製程簡介

　　為因應LCD之產量日益擴大，同時提高產能及降低成本，LCD之製造流程全線有必要採行高度自動化生產流程，無論是被加工材料之搬運入廠，及加工完畢後之產品包裝等均需能在生產線自動化，此生產線有一中央控制室可監控生產流程，操作上除洗淨工程外，大多為一片片基板進行單片式加工，而各加工過程間均以自動化搬運系統互相連結，以下為參考各設備製造工廠之資料進行LCD製程之簡單介紹。圖四即為液晶顯示器裝置之製造流程圖。

　　由圖四另將LCD細部製程分述如下：

1.	玻璃基板洗淨、光組劑塗怖、ITO導電薄膜蒸著、曝光顯影
	首先將整片含有ITO膜的玻璃光罩進入生產線後，先清洗玻璃光罩（Wet Cleaning），再將光阻劑塗佈在光罩上等候曝光，隨後再利用我們已經準備好的所需要顯示的圖形以塗佈光阻劑的光罩加以曝光，如下圖五的方式，在曝光之後對已曝光之光罩做顯影的工作。
2.	蝕刻、洗淨、配向膜塗佈
	顯影後我們將不需要的ITO膜做蝕刻，去除不需要的ITO膜，而將所需要的圖形做一層保護不受到蝕刻侵蝕，蝕刻後再次清洗光罩，我們接著要使用定向劑來塗佈配向膜，配向膜是用來將液晶未加電場前分子做定位的工作，其前後兩片光罩上的配向膜需互成九十度方能將液晶分子依序旋轉，其配向方式是以棉刷依一定方向刷過，如下圖六(a)，當然也有利用濺鍍的方式或是電漿CVD裝置產生配向，不過所花費成本較高，但是塗佈結果較為均勻，詳見圖六(b)(c)。
3.	固膜、摩擦處理、洗淨、印刷
	將配向膜固膜後再次清洗光罩，接著使用印框模板對光罩做印刷的動作，而此印膠框的動作是為了之後兩片光罩將重疊貼合，如下圖七(a)(b)為自動上膠框的情形。
	下圖八為印框模板印刷出來的形式，其中樹脂膠框為光罩上每個LCD板單位做範圍的規畫，而墨點則是為了兩片光罩貼合時做定位的標準。
4.	SPACERS（襯墊劑）塗佈、封裝與檢測
	圖九即為SPACERS（襯墊劑）自動噴撒裝置示意圖，其中噴撒是以兩片光罩為單位，而SPACERS（襯墊劑）的目的則是為了使兩片光罩貼合後中間有足夠的空間灌入液晶。 為了徹底控制液晶顯示器之品質，故在SPACERS噴撒之後需作人工檢測，通常不同型號之光罩都有一種特定的規格，其SPACERS在每1mm平方中需要 60-180顆SPACERS，但人工檢測過於耗時以及效率過低，故目前均利用數位影像處理幫助人眼做自動檢測，下圖十即為其自動檢測SPACERS之系統佈置圖。而下圖十一為SPACERS檢測的九個在光罩上的位置示意圖。
5.	貼合、加熱硬化、切割
	圖十二(a)(b)為光罩自動組合示意圖，其中下光罩進入組合機時，底部吸盤會將其吸住等到上光罩進入後控制吸盤轉動或移動來準確定位且組合。
	圖十三為利用先前打框時所留下的記號作為定位標準，利用兩組顯微CCD找到光罩上兩對定位記號，其中十字記號需完全在十字框中才表示定位準確。 當光罩定位貼合後，將對光罩上之LCD各個單位作切割，LCD其中顯示板的大小是依其產品不同而有單位大小不同之分，故其自動化切割為依不同之光罩型號做可程式處理，如圖十四所示。
6.	真空排氣、液晶注入、封閉注入口
	圖十五為液晶注入的製程，首先將液晶片放入一真空的密封箱中，並將液晶槽容器內氣體排氣，同時將液晶材料中之溶存氣體去除，藉著基座的固定將小切割後的 LCD顯示板固定住，再由下方的海綿提供液晶，密封箱抽成真空後，藉著彈簧活動機構將海綿往上頂，如下圖十六，然後釋放空氣進入箱中，此時LCD板藉著毛細現象將液晶完全吸入LCD板中間，完成注入液晶的動作。注入液晶後在其開口處封閉注入口以防止液晶外漏，見下圖十七
7.	液晶功能檢查、貼合偏光板、外觀檢查、成品包裝、入庫
	LCD封口後在此利用偏光板目檢LCD板是否厚薄不均，或是內部液晶散佈不均。同時使用電極短路計測裝置檢驗液晶板上之PIN腳，觀察LCD之點亮情形，加以判斷LCD板是否顯示正常，詳見圖十八(a)(b)。
	電檢LCD板顯示一切正常後，依下圖十九將相差九十度的偏光片貼在LCD板的上下兩面，如此完成了LCD液晶顯示器的成品，再經外觀檢查、包裝、入庫即完成LCD之製造流程。
	以上僅以重點式的歸納介紹什麼是液晶材料、LCD液晶顯示器之種類、LCD液晶顯示器之顯像原理和LCD液晶顯示器之製造流程概況，至於關於液晶顯示器的規格、售價及如何選購等。我們將在以後陸續介紹，如有謬誤之處，尚請各位先進不吝指教。