平面显示器原理与技术ppt课件

1、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陰極射線映像管(Cathode Ray Tube, CRT)液晶平面顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)電漿面板平面顯示器(Plasma Display Panel, PDP)場發射平面顯示器(Field Emission Display, FED)電激發光平面顯示器(Electroluminescence Display, 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

2、，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位置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，因此國內廠商大舉地進入液晶顯示器的研讨、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战略性作法。目前世界上僅有台灣、日本以及韓國努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

3、管的根本原理及製程技術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资料的種類、特性及其應用背光板和偏光板之種類、资料、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

4、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 (Flat Panel Display，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 (Cathode Ray Tube，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) 成為不可短少的必要零組件，並也

5、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 (Flat Panel Display，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 前言普通CRT體積龐大而佔空間、高電壓操作和輻射線等問題的產生，因此開發出平面面板顯示器，以解決上述問題。由於所运用的资料和表示方法不同，而有

6、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，因此平面面板顯示器的種類，也因根本原理、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(Direct View)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

7、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运用之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陈列，進而調節穿透光線的強度，當运用於戶外亮堂的環境時，背光源模組的光強度較周邊環境的光線為弱時，就會呵斥影像畫質的劣化。普通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，

8、因此既省電量，同時也非常適合於強光環境下运用。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陰極射線映像管(Cathode Ray Tube, CRT)液晶平面顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)電漿面板平面顯示器(Plasma Display Panel, PDP)場發射平面顯示器(Field Emission Display, FED)電激發光平面顯示器(Electroluminescence Display, 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是一切顯示

9、器最早發展出來1896年德國Braun博士初次發明CRT或布朗管1929年美國西屋電氣公司胜利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、

10、綠、藍三原色點狀螢光幕，而呈現不同的颜色。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，則是利用反射光或反面輔助螢光燈光源，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

11、之不同而分被動矩陣驅動型液晶平面顯示器Passive Matrix (or 簡單矩陣驅動型 Simple Matrix) SM-LCD主動矩陣驅動型液晶平面顯示器Active Matrix AM-LCD依液晶资料以及配向资料的種類而區分扭曲向列型液晶平面顯示器(Twisted Nematic LCD)超扭曲向列型液晶平面顯示器(Super Twisted Nematic LCD)鐵電型液晶平面顯示器(Ferro-electric LCD)對主動矩陣驅動型液晶平面顯示器而言，假设依其開關元件的種類而區分薄膜電晶體型(Thin Film Transistor, TFT)LCD金屬-絕緣體-金屬(M

12、etal Insulator Metal, MIM)LCD薄膜二極體(TFD)LCD對薄膜電晶體而言，則依所运用半導體薄膜層的资料而分-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资料，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、製程簡單和製造本钱低等特點，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

13、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，雖然其製造本钱會較高，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(Plasma Display Panel, 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，並运用隔壁層(Rib)或阻隔壁予以隔絕，此稱之為畫像素胞

14、(Pixel Cell)，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(Plasma Display Panel, 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(Direct Current, DC-PDP)和交流型(Alternating Current, AC-PDP)等兩

15、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的橫方向遭到外加電壓，而傳送信號的列電極(Column)則是在PDP的縱方向遭到外加電壓。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

16、其特性 3. 電漿面板平面顯示器(Plasma Display Panel, 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(Field Emission Display, 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一样的，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則是在螢幕反面因電場作用

17、，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(Field Emission Display, 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因运用傳統CRT用的螢光體，而激發用的陽極電壓將達510 kV，而低電壓型FED則其螢光體激發用的陽極電壓為1 kV以下(2001000 V)。近年來，有一種新型的奈米碳管(NanoTube Carbon, NTC)場發射平面顯示器，被發展出來並受各方注目，而未來潛力是無限的。1-2-2 平面面板顯示器

18、的結構及其特性 4. 場發射平面顯示器(Field Emission Display, FED).1-2-2 平面面板顯示器的結構及其特性 5. 電激發光平面顯示器(Electroluminescence Display, ELD) 無機電激發光平面顯示器(Inorganic ELD) 有機電激發光平面顯示器(Organic ELD 或 OLED).ELD乃是施加電壓以使硫化鋅(ZnS)的螢光體產生發光功能的一種自發型薄膜固體元件，與液晶平面顯示器和電漿面板平面顯示器比較的話，其具有高對比性、高響應速度、廣視野角、輕薄短小化、高精細度或高畫質性和低耗電性。ELD的種類依其所用發光螢光體资料的不

19、同，而分為無機和有機，代表性的結構如圖1-7。1-2-2 平面面板顯示器的結構及其特性 5. 電激發光平面顯示器(ELD) 無機電激發光平面顯示器(Inorganic ELD) 有機電激發光平面顯示器(Organic ELD 或 OLED).有機電激發光平面顯示器依其驅動方式而區分被動式和主動式.被動式和主動式製造流程也有所不同.1-2-2 平面面板顯示器的結構及其特性 5. 電激發光平面顯示器(ELD)無機電激發光平面顯示器的主要用途，有膝上型文字處理機和個人電腦等辦公室用機器、車輛用導航系統和車站自動車票販售機等各種方面的應用；此外，有機電激發光平面顯示器因全彩色化和高功能性，而成為各方研

20、讨的焦點，其主要的應用領域有行動電話、車輛音響顯示幕和個人數位助理機等通訊網路的終端機。.產品的技術及其市場的變化性，深深地影響著一個產品的生命週期，充份地瞭解新技術的發展和市場變化的趨勢，將有助於各階層之經營者掌控未來技術和市場的脈動性。全球平面顯示器面板(Panel)的主要製造生產國，僅有日本、台灣和韓國之電子公司，而電激發光平面顯示器和場發射平面顯示器，則是日本、歐美和韓國等之電子公司，這其中液晶平面顯示器的成長最快。1-3 平面面板顯示器的的市場及其技術.1995年韓國液晶平面顯示器(LCD)製造廠商開始生產銷售LCD產品，三星電子、現代電子和金星電子(LG-philips)等三家韓國

21、廠商歷經五年，而於2000年的總產值急速地達到約56億美圆，並佔世界LCD市場的24 %。2000年台灣、日本和韓國對於LCD產業之設備投資金額的比例約為40 %、40 %和20 %台灣和韓國關注於新世代大型基板的規劃和投資，而日本則轉移至中小型面板的規劃和生產。2000年大型TFT-LCD面板之製造公司的市場佔有率，分別是韓國LG-philips(15 %)、韓國三星電子(14 %)、日本Sharp(12 %)、日本DTI(12 %)、日本日立製作所(9 %)、台灣各公司總值(11 %)和其他(18 %)。1-3 平面面板顯示器的的市場趨勢.1-3 平面面板顯示器的的市場趨勢.1-3 平面面

22、板顯示器的的市場趨勢.1-3 平面面板顯示器的的市場趨勢.1-3 平面面板顯示器的的市場趨勢.2000年全球各種類型個人電腦市場的總出貨量是1億3000萬台，而筆記型和大型監視器所搭載之LCD面板的個人電腦數量有3000萬台，換言之，LCD搭載之個人電腦的比率是23 %。另一受關注的領域為行動電話 和PDA用的中小型液晶平面顯示器面板，2000行動電話的世界出貨量為4億7000萬台，行動電話的面板將由STN-LCD轉換為彩色TFT-LCD面板，美國因PDA市場的普及度上升，而日本也進入此一階段，美國Palm, HandSpring, Compac, Ipac, Dell和HP等知名大廠也在著手

23、言發和生產，其中以美國Ipac公司搭載或配備美國微軟(Microsoft)的軟體，以及日本新力(Sony)的低溫多晶矽TFT-LCD的面板。1-3 平面面板顯示器的的市場趨勢.平面面板顯示器的技術創新，可分為產品的創新和製程的創新，目前顯示器產品的創新，已由簡單型的單色黑白進展到多功能型全彩色，可說是進入完好及成熟階段；至於，在製程的創新，則隨著半導體製程及其相關技術的創新，而仍有很大的發展空間。CRT：彩色映像管雖是傳統式的顯示器，其體積龐大笨重、輻射線和環保性等問題，但是其畫面颜色的優質和價格的低廉是其存在的利基點。目前工程師仍以各種的方法技術來解決其缺點，尤其是在畫面面板的平面化技術已達

24、商品化階段，如日本新力公司Wedge型平面電視，和日本三菱公司的Diamond型平面電視均胜利地進入市場，而頗受人們的歡迎。各種不同的解決方案和衍生的新技術仍不斷地在進行著，以使陰極射線映像管維持其應有的優勢和市場位置。1-3 平面面板顯示器的技術趨勢.LCD：液晶平面顯示器的發展，由TN-LCD衍變至 STN-LCD再轉換成TFT-LCD，而目前的主流是非晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(-Si TFTlLCD)，由於非晶矽半導體的物性已達極限，而低溫多晶矽、高溫晶矽和連續晶界矽等TFT半導體的性能，則較非晶矽來的優良。普通玻璃基板运用非鹼性玻璃，而高溫多晶矽製程中，其玻璃资料是耐熱且價格昂貴的

25、石英玻璃，目前多晶矽TFT-LCD的主流是低溫多晶矽的。未來在雷射退火製程中，輸出功率的安定性和玻璃面板大型化等問題均應考量，並開發出新型設備和新的製程來因應此一變化。低溫多晶矽TFT-LCD的特點，在於源極/汲極驅動IC、控制IC和週邊驅動系統等，均可整合於玻璃基板上成一體化，而節省許多空間。1-3 平面面板顯示器的技術趨勢.PDP：電漿面板平面顯示器，因應數位化電視的需求，而有很大的發展空間，但是目前其單價仍是一吋約為一萬元日幣，而目前電漿面板平面顯示器的尺寸範圍在3560吋之間，而以最根本的40吋為例則價格仍是相當的高。在電能的耗费上，由於其結構上需求許多的高功率IC零組件，因此是一種相

26、當耗損電能的產品，但是隨著半導體技術的發展，而近年來其耗费的電量改進為100瓦特左右，未來在製程、電路設計和资料等方面技術上均有研讨發展的空間。1-3 平面面板顯示器的技術趨勢.FED：場發射平面顯示器的市場規模不大，而且多數是處於研發階段，而商品化較胜利的，有美國摩托羅拉、Orion/IAE、PixTech、Candescent Technologies、韓國三星電子和日本雙葉電子(Futaba)等公司。至於台灣則是聯友光電公司，採行半導體製程之Spindt-Type Triodes，且以儀器工業用產品為應用領域，而另一家翰立光電公，則以新资料奈米碳管(NanoCarbon Tube)，如圖

27、1-11(d)所示，製作場發射平面顯示器，且以戶外看板為主要的產品。場發射平面顯示器之Spindt型微小園錐針尖狀的電子發射器，是顯示器性能的重要指標，其根本結構有點類似於真空管的構造和原理，而且它是相當耗損電能量的一種產品，不過近年來，因新的资料和新的製程技術之開發而有所改善。1-3 平面面板顯示器的技術趨勢.1-3 平面面板顯示器的市場及其技術趨勢.日本松下電器工業公司和東京農工業大學開發42吋節省電能(100 W以下)新世代大型平面電視，撞擊電子外表放射顯示技術(Ballistic Electron Surface-Emitting Display Technology, BSD)是場發

28、射平面顯示器的一種，其原理是與布朗管的一样而根本結構，如圖1-11所示，其結構元件為自發光型的、不需求背光板光源以及無LCD動態特性和視野角等問題。撞擊電子外表放射顯示技術的優點有：與PDP一样尺寸大小之元件，其電能將可節省1/3構造及製法簡單，大量地生產將可降低本钱普通液晶製程生產線可輕易地轉換，而設備的投資小低真空動作且可靠度高平面型結構而容易大畫面化自發光以及不需求背光板光源1-3 平面面板顯示器的技術趨勢.1-3 平面面板顯示器的技術趨勢.ELD：電激發光平面顯示器，可分為無機性的和有機性的，而目前主流的是有機電激發光平面顯示器，而有機電激發光平面顯示器，可分為小分子有機電激發光平面顯示器(Organic LED)和高分子電激發光平面顯示器(Polymer LED)兩種。目前最主要的問題，是有些有機资料的生命週期仍未達實用化的要求，以及部份的色純度未達標準等，有待進一步地探討。初期的產品以小型被動式矩陣為主，且市場面集中於車用音響顯示幕和行動電話的面板，但是當面積趨於中大型化時，則因其屬性為電流驅動型而加大其耗電量，因此有整合低溫多