【產業科普】LCD、OLED、QLED、QD-OLED、Mini LED、Micro LED 傻傻分不清楚,帶你看懂面板後的技術差異(上)

作者 | 發布日期 2020 年 06 月 25 日 12:00 | 分類 光電科技 , 零組件 , 面板 Telegram share ! follow us in feedly


液晶顯示技術 LCD 基本上是目前人類最主流的人機交流介面,儘管新興技術頻出,但其實如最新的 Mini-LED 等技術其實都還是屬於 LCD 範疇,實務上又要怎麼區別,與舊有技術又有何不同?

液晶,指的是液態晶體(Liquid Crystal,LC),是一種物理相態,因其具有特殊的理化與光電特性,被廣泛應用在顯示技術且大大的改善了裝置的輕薄程度,成為當代最普遍的顯示技術。所以基本上目前被廣泛談論的各種液晶螢幕都在 LCD(Liquid-crystal Display)的範疇內。只不過目前市場上所指的 LCD,已代指主動矩陣式 TFT-LCD 技術,其他如被動矩陣式 STN LCD 技術都已被淘汰。

TFT-LCD 全稱為薄膜電晶體液晶顯示器(Thin film transistor-liquid crystal Display)是指液晶顯示器上的每一個液晶像素點都是由集成在後的薄膜晶體管來驅動,並獨立控制,不僅提高了反應速度,還可精確控制色階。這是目前消費產品的基礎,其不僅技術已相當成熟,且成本低廉。

液晶的種類

▲ LCD 面板結構。(Source:I, Wasami007 / CC BY-SA

TFT-LCD 主要工作原理,是由兩片玻璃基板中間夾著一層液晶,上層玻璃基板是彩色濾光片、而下層玻璃則鑲嵌著電晶體,當電流通過電晶體所產生的電場變化,將造成液晶分子偏轉,並改變光線,再利用電壓來決定畫素明暗,且每個畫素各包含紅綠藍三原色,來構成影像輸出。雖然其電路布置方式很類似於 DRAM,只不過是建構在玻璃上,但其製程主要是造出非晶矽層或多晶矽層,而不是需要磊晶的高級電晶體。

在此技術之上,發展出了品質及成本差異化的產品。目前主要分為三種,TN、VA 及 IPS 面板,差異主要在於液晶層的不同。其中扭曲向列液晶(Twisted Nematic liquid crystal),又稱 TN  液晶是成本最低的 LCD 面板類型,不過基本上其畫素反應已經相當快,足以滿足大部分的需求。且如三星還更進一步發展了反應更快、色彩更飽滿的 B-TN 技術。

▲ 左圖為未通電狀態,光線能通過 TN 液晶,右圖施加電壓後,光線無法通過。(Source:illustration by courtesy of M. Schadt.(based on copyright claims). / CC BY-SA

不過 TN 液晶的可視角是很嚴重的問題,到了 VA 液晶面板才算是進一步的解決方案,就算不用特殊補償膜,仍能獲得近 170 ° 的可視角。這是由於把 TN 液晶,改為使用垂直排列液晶(Vertical Alignment liquid crystal),且可以達到更高的對比度,但比起 TN 反應較慢,成本也更高,屬於中階產品。

而目前最高檔的 TFT-LCD 是 IPS ,採用橫向電場效應顯示技術(In-Plane-Switching)能有效改善視角差及各種傳統 TN 面板問題,且可視角度極佳,耗電也比 VA 面板更低,且非常適合應用在觸控式螢幕。蘋果公司早期的 iPhone 和 iPad 等產品都是使用 IPS 液晶,但當然也更昂貴。

由於 TFT-LCD 製程的熱絡發展,在新興 LED 技術出現前,基本上在談論面板時,都主要討論的是這三大類。當然還有其他如三星的 PLS、PVA 面板及富士通的 MVA 面板等新品種,不過基本上就是在廣視角的基礎上維持性能,並盡力壓低成本的結果。至此,傳統的窄視角 TN 面板就逐漸被淘汰。

成敗皆在 Open Cell

雖然目前已陷入紅海,但面板也曾經是台灣紅極一時的產業。TFT-LCD 面板零組件主要包括玻璃基板、背光模組、偏光板、彩色濾光片以及光學膜等相關材料。台灣業者在整體供應鏈環節大都有涉獵,但比較知名的友達及群創等大廠,主要是製作 Open Cell 及模組組裝。

TFT-LCD 的 Open Cell 製程一般分為前、中、後三段,前段主要是指 TFT 玻璃的製作,其製程與半導體製程類似,都是透過塗佈跟蝕刻來令薄膜電晶體鑲嵌在基板玻璃之上。中段則是將 TFT 玻璃與彩色濾光片貼合,並且加上偏光板,而後段就是把驅動 IC 和印刷電路板壓合,就完成所謂的 Open Cell,但這其實只算半成品。

▲ 與半導體類似的前段 Array,TFT  玻璃製程。(Source:群創

值得一提的是,雖然還要加上背光板才能使用,但不少終端業者會選擇直接購買 Open Cell,來實現面板封裝與產品封裝的一體化,讓設計更有彈性。尤其是有全球過半產能的中國電視組裝廠,相當盛行 BMS 模式(Backlight Module System),早在數年前,如友達及群創等面板業者就開始轉向為出貨 Open Cell。雖然直接出貨 Open Cell 的確會比模組利潤更高,替面板廠省去了不少物料管理等成本。但必須注意的是,這也是兩面刃。

若面板廠只專注在生產半成品,但由於其高度標準化,也就難以針對不同功能的需求來發展產品組合,容易造成供過於求的局面,最終失去對市場的話語權。所以也有研究認為,就是因為面板廠轉採 Open Cell 的出貨方式反而導致價格迅速下滑,長期來講對資本規模龐大的面板業不利,也是中國業者以價格補貼就輕易突破老牌大廠的原因之一。

(首圖來源:Flickr/Lennart Tange CC BY 2.0)

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