平面顯示器介紹 許進明 南台科技大學 光電工程系 0
OUTLINE ( 課程大綱 ) 1. 平面顯示器之簡介 2. TFT-LCD 工程技術 3. OLED 工程技術 4. PDP 工程技術 5. FED 工程技術 6. EPD 工程技術 7. 平面顯示器產業 8. 平面顯示器之未來發展 1
1. 平面顯示器之簡介 平面顯示器的基本要件 (1) Light Source 非自發光源 自發光源 自然界的光 : 太陽光 閃電 動物 / 礦物產生的螢光或磷光 人為的光 : 物質 ( 氣液固態 ) 之燃燒氣體的放電固態電激發光效應 (2) Light Control Device/Power Source (3) Panel Substrate Back light power source Data source 2
1. 平面顯示器之簡介 平面顯示器之分類 依顯示方式分 依顯示技術分主要有 顯示器名稱 直視型 (Direct View): 如液晶螢幕 電漿螢幕 LED 顯示看板投射型 (Projection): 如投影機 投射式電視 電影螢幕 頭罩型 (Head Mounted Display): 如手術鏡 虛擬實境頭罩顯示器 頭罩式電影螢幕 簡稱 顯示原理 主要應用 光源 備註 Liquid Crystal Display ( 液晶顯示器 ) LCD 利用液晶分子作為光閘以控制光之穿透與否 Notebook, PC monitor, TV, PDA, Mobile phone, ViewCam, Digital Camera, Calculator etc. 非自發光源 已商品化 Plasma Display Panel ( 電漿顯示器 ) PDP 利用電漿產生之 UV 光激發螢光體產生 RGB 三原色光 TV 自發光源 已商品化 Organic Light Emitting Display ( 有機電激發光顯示器 ) OLED 利用電子與電洞在有激發光分子材料內結合之能量轉換激發有機分子發光 Mobile phone, Digital Camera, ViewCam, PDA, Notebook, PC monitor, etc. 自發光源 已商品化 Field Emission Display ( 場發射顯示器 ) FED 利用高電場產生之材料尖端表面穿隧效應獲得電子並加速電子撞擊螢光體產生光 TV, PC monitor etc. 自發光源 小量商品化 Electro-Phoretic Display ( 電泳顯示器 ) EPD 利用上下面板電極所形成之電場使其間之黑白帶電微顆粒在電極板間泳動 E-book, Smart card, sign board etc. 非自發光源 小量商品化 Light Emitting Diode ( 發光二極體顯示器 ) LED 利用化合物半導體內電子 - 電洞對之產生與復合所發射之能階轉換特性光 Commercial Display Board 自發光源 已商品化 *** DLP 投影顯示技術 3
1. 平面顯示器之簡介 顯示器之基本表現 Product Performance ( 產品表現 ) 解析度 高解析度 厚重 輕薄 VGA SVGA XGA SXGA QGA 1.1mm 0.7mm 0.5mm plastic Glass Substrate thickness TCP COG Packaging 耗電量 低耗電量 10V 5V Low High Light Transmittance 顯示面積 大面積化 / 微小化 壽命 9.4 15 32 45 68 Technical Performance ( 技術表現 ) View Angle ( 視角 ) Contrast ratio = 最亮 / 最暗亮度 > 10 degree Response Time ( 反應時間 ) Slow Fast ms Contrast Ratio ( 對比 ) 200 Gray Level ( 灰階 ) Poor Good 8 level Luminance ( 輝度 ) nits/ Cd/m 2 4
1. 平面顯示器之簡介 顯示器之應用 依據顯示器之顯示原理不同, 不同顯示器會有不同之基本表現, 因此也有產品應用範圍之差異 行動資訊終端產品 : GPR, 行動電話, PDA, 電子書 TFT_LCD 筆記型電腦 (Notebook) 可攜式影像錄放產品 : 數位相機 攝影機, 投影機 娛樂產品 : 遊戲機, 柏青哥, 虛擬實境 (VR) 電視 (TV) 監視器 (Monitor) 5
2. TFT-LCD 工程技術 TFT-LCD 玻璃基板尺寸之世代交替 Generation Glass Size Production Main Events 1 generation < 350mm 1990.8 NEC 鹿兒島 K1 廠 300mmx350mm 2 generation < 360mmx460mm 2.5 generation < 400mmx500mm 1991.10 Sharp 天理新工廠 320mmx400mm 1993.12 NEC 鹿兒島 K2 廠 360mmx465mm 1994 聯友光電與元太科技相繼量產 2.5 代產品 3 generation < 550mmx650mm 3.5 generation < 650mmx830mm 4 generation < 800mmx1000mm 5 generation < 1100mmx1300mm 1995.7 Sharp 三重第一工廠 550mmx650mm 1997.Q3 Hitachi 茂原二廠 650mmx830mm 2000.8 Samsung 天安廠 730mmx920mm 2002.8 Samsung 天安廠 1100mmx1250mm 1995 Samsung, LG 開始生產 2.5 代以上產品 1999 華映 / 奇美 / 友達相繼量產 3 代以上產品 2003 友達量產 5 代產品 6 generation < 1500mmx1800mm 2004 Sharp 1500mmx1800mm 2004 友達投產 6 代產品 7 generation < 1800mmx2100mm 2005 Samsung 1800mmx2200mm 2005 三星展示 64 吋 LCD-TV 6
2. TFT-LCD 工程技術 TFT-LCD 玻璃基板尺寸大小之選擇 Glass Size mm 2 Panel Size 2.5G 370x470 3G 550x650 3.5G 600x720 3.5G 630x750 4G 680x880 4.5G 5G 6G 730x920 1100x1300 1500x1800 12.1 SVGA 4 6 6 6 9 9 24 42 4:3 / 16: 9 monitor 13.3 XGA 14.1 XGA 15 XGA 17 XGA 18 XGA 20 XGA 2 2 2 1 4 6 6 9 9 20 40 4 4 6 6 9 16 36 4 4 4 6 6 16 30 2 4 4 4 6 12 24 2 2 4 4 6 9 20 2 2 2 4 4 9 12 30 XGA 1 1 1 2 2 4 6 630x750mm 600mmx720mm 630x750mm 600mmx720mm 14.1 14.1 17 Can not be laid in Waste of glass 7
2. TFT-LCD 工程技術 LCD 主要分類與顯示機制 LCD Driving Passive Matrix LCD 液晶之驅動單元以上下長條電極形成交錯矩陣方式排列, 每一個驅動單元直接由以上下電極之電位控制 Active Matrix LCD 液晶之驅動單元以矩陣方式排列, 每一個驅動單元可以利用主動元件獨立控制 Twisted Nematic (TN) Super-Twisted Nematic (STN) Thin Film Transistor (TFT) Metal-Insulator-Metal (MIM) 基板 ITO 電極液晶 ITO 電極基板 Color Filter C/F Glass Common Electrode TFT Glass Pixel Electrode Data Line Gate Line 8
2. TFT-LCD 工程技術 LCD 主要分類與顯示機制 TFT-LCD 之分類 Line At A Time 畫面顯示機制 依光源透光方式分 : 背光源式 反射式 半穿透式 依透光模式分 : Normally White Normally Black 依 TFT 通道材料分 非晶矽 ( -Si TFT_LCD) 多晶矽 (p-si TFT_LCD): HTPS( 高溫 poly), LTPS( 低溫 poly) 單晶矽 (SCS TFT_LCD) 依閘極位置分 : Bottom Gate (inverse staggered) Top Gate (normal staggered) 9
2. TFT-LCD 工程技術 LCD Operation/Driving Twisted Nematic (TN) mode 10
2. TFT-LCD 工程技術 Basic Structure of a TFT-LCD Cross-section of the color TFT LCD Sealant Anisotropic conductor film TAB Connection Control IC Printed circuit board TFT Polarizer film Glass substrate Black matrix Color filter Protective film Common electrode Alignment film Liquid crystal Capacitor Display electrode Polarizer Driver LSI Light diffuser Spacer Waveguide plate Prism sheet Reflector Edge light Color Filter ( 彩色濾光片 ) TFT array panel LCD ( 液晶工程 ) LCM ( 模組工程 ) 11
2. TFT-LCD 工程技術 TFT Structures (TFT 之結構 ) Data busline (Source) BCE TFT structure Scan busline (Gate) Storage capacitor source Data line n+ a-si a-si drain ITO electrode Scan busline (Gate) glass gate Gate dielectrics Storage busline ITO display electrode 12
2. TFT-LCD 工程技術 TFT-LCD Panel Processing 非晶矽 ( -Si)TFT_LCD 之製程技術 Mask1 Gate electrode line Mask2 Island formation Gate Metal S/D & data line Mask3 Cleaning Thin Film Exposure Mask4 Passivation Inspection Etch Developing Photoresist Mask5 ITO electrode 13
2. TFT-LCD 工程技術 LCD Cell Processing Sealant Spacer ~ 5um dispenser Alignment film coating Rubbing Spacer applying Glass Breaking Glass Scribing 14
1.5 TFT-LCD Manufacturing Technology (TFT-LCD 製造技術 ) TFT Array Glass rubbing LCD ( 液晶工程 ) Polyimide as an Alignment Film Color Filter rubbing Sealant applying Cell 製程技術 玻璃裂片配向工程液晶注入封合技術 Spacer applying LC vacuum injection and sealing 15
2. TFT-LCD 工程技術 Aligner LCD Cell Processing Gas Pressure Applying UV glue applied on bottom glass UV light exposure Vacuum Chamber Venting Port N2 Liquid Crystal Tank Liquid Crystal Tank Liquid Crystal Tank Pumping For large panel : 滴注式液晶注入法 (One Drop Filling, ODF) 16
2. TFT-LCD 工程技術 LCD Cell Processing Gas Pressure Gas Pressure Pressurize UV glue sealing UV glue sealing Polarizer Color Filter Polarizer Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) Back-light module Liquid Crystal TFT array panel Polarizer Prism Sheet Dispersion Sheet Light Guide Sheet Reflector 17
TFT-LCD LCM ( 模組化工程 ) 偏光片貼附 (Polarizer) Anisotropic conducting film Color Filter 背光模組組合 (back light unit, BLU) 自動捲帶貼合 (TAB) 工程模組測試 PFC Control IC Printed circuit board TFT Array Panel Polarizer film Driver LSI BLU 驅動 I C 驅動 I C 驅動 IC 驅動 IC 驅動 IC 18
2. TFT-LCD 工程技術 TFT-LCD 之未來趨勢 大型液晶電視之開發 -- 廣視角技術 液晶注入技術 MVA 廣視角技術 IPS 廣視角技術 TFT E = 0 E = E o glass ITO pixel electrode ITO common electrode Vacuum Chamber ODF(one-drop filling) 滴注式注入法 PUMP LC Tank 19
2. TFT-LCD 工程技術 TFT-LCD 之未來趨勢 System On Glass 技術之開發 低溫多晶矽薄膜電晶體 (LTPS TFT) 之開發 Sharp firstly proposed System On Glass (SOG) Concept in 1996 天線 喇叭 OLED Array RAM CPU 介面 ROM 可抽拉摺疊鍵盤 Product: SOG panel Year: 2002 Oct. Manufacturer: Sharp / Semiconductor Energy Lab (SEL) Microprocessor: 3MHz Design rule: 3- to 4-micron LTPS technology: continues grain silicon (CGS) 20
3. OLED 工程技術 Introduction to OLED Data Line Vdd 可繞式印刷電路板 Scan Line Storage Capacitor Switch TFT OLED Control TFT PCB PCB Driver IC OLED OLED OLED 封裝蓋板 封膠 阻隔壁 金屬電極線 有機發光材料 非均向導電膜 P-Si TFT P-Si TFT P-Si TFT Glass 玻璃基板 ITO 電極線 Driver IC PCB Full Color AMOLED Single/Area Color PMOLED 21
3. OLED 工程技術 OLED 之結構 完整的 OLED 顯示元件結構, 它包含了以下主要的組件 (1) 玻璃或塑膠基板 製作顯示元件的基板 (2) ITO 透明導電電極 陽極, 提供電激發光的正價載子 -- 電洞 (3) 有機電洞注入層 陽極與電洞傳輸層間之介層, 提高電洞的注入效率, 降低起始電壓 (3) 有機電洞傳輸層 陽極與有機發光層間之介層, 限制電洞的數量與傳輸, 以達到最佳的電子電洞複合效率 (4) 有機發光層 電子電洞複合而激發光的區域, 決定發射光的特性 (5) 有機電子傳輸層 陰極與有機發光層間之介層, 限制電子的數量與傳輸, 以達到最佳的電子電洞複合效率 (6) 有機電子注入層 陰極與傳輸層間之介層, 提高電子的注入效率 (7) 金屬電極 陰極, 提供電激發光的負價載子 -- 電子 (8) 保護層 阻止水氣與氧氣對有機材料的破壞 (9) 吸濕與結拖材料 可以與經由擴散至封裝蓋板內的水氣或氧氣結合, 避免其擴散至有機材料層 (10) 封裝蓋板 將有機材料與大氣之水氧作有效的隔絕 22
3. OLED 工程技術 OLED 的發光機制 Singlet transition 螢光 triplet transition 磷光 有機材料的電激發光現象是經由電子 ( 陰極提供 ) 與電洞 ( 陽極提供 ) 在有機發光材料層的複合而釋放能量, 此能量的模式稱為激子 (Exciton), 此激子可以將有機分子在 HOME(Highest Occupied Molecular Orbit) 態的電子激發至 LUMO( Lowest Unoccupied Molecular Orbit) 態, 此時電子稱為激發態電子 (excited electron), 處在激發態的電子不穩定很快會回到 HOMO 的基態, 如果在 LUMO 能階的電子可以直接躍遷回 HOME 基態能階, 此種躍遷過程稱為單重態躍遷 (singlet transition), 其機率有四分之一, 而電子由高能階回到低能階會釋放能量, 此種躍遷如以光的方式釋放能量, 其所產生的光稱為螢光 (fluorescence) 如果由於電子能態的因素, 電子無法直接躍遷回 HOME 基態能階, 則必須由激態轉躍遷至一中間能階再回到基態, 此種躍遷過程稱為三重態躍遷 (triplet transition), 其機率有四分之三, 而其所產生的光稱為磷光 (Phosphorescence) 目前的 OLED 在可見光範圍的激發光以螢光為主, 其光波長可以用 l = 12400/DE (Å),DE 表示有機發光材料 LUMO 與 HOME 位能階之差 23
3. OLED 工程技術 OLED 製程技術展開流程圖 Single Color PMOLED Rib formation EL thermal deposition Metal thermal deposition Passivation layer deposition UV 封膠 無水氧手套箱 玻璃基板 封裝蓋板 UV 光照射 24
4. PDP 工程技術 Introduction to PDP AC 面向型 PDP 結構 25
4. PDP 工程技術 DC 型 PDP AC 型 PDP 對向型 PDP Basic Structures of PDP 面向型 PDP (Fujitsu,1993) 26
4. PDP 工程技術 AC type PDP 之操作原理 27
4. PDP 工程技術 PDP processing Top Glass Bottom Glass 玻璃清洗 ITO 電極形成金屬輔助電極形成 (Ag, Ni) 介電層披覆 ( 玻璃漿料 ) MgO 保護層披覆 玻璃清洗金屬定址電極形成反射層形成阻隔壁形成 ( 玻璃漿料 ) 黑色對比層形成 螢光體網印 封漿塗佈 ( 玻璃陶磁 ) 28
5. FED 工程技術 Introduction to FED BM spacer phosphors Anode Sealant Fowler Nordheim Eq. I = V 2 exp( -3/2 /V) /φ Field Emission Cell (FEC) Field Emission Array (FEA) Gate metal dielectric emitter cathode 29
5. FED 工程技術 FED 製程技術展開流程圖 Spindt method CNT method Cathode Panel Glass cleaning Cathode metal sputtering + patterning Dielectric SiOx deposition Gate metal deposition Gate metal patterning Gate metal + SiOx etch Pad layer + emitter metal glazing angle deposition (MBE) Pad layer stripping Glass cleaning Cathode metal sputter + pattern Catalytic metal depo. + pattern Anode Panel Glass cleaning Anode ITO Sputtering + patterning BM deposition + patterning R, G, B phosphor screen printing + baking spacer oxide screen printing + baking Dielectric SiOx deposition Gate metal deposition Metal + SiOx pattern & etch CNT growth (CVD) Sealant printing Hot Press Tube soldering Pump & cut 30
6. EPD 工程技術 Introduction to EPD roller printing Paper like readability Ultra-low power consumption Ultra portable Technology of E Ink Manufacturing of E Ink Source: E Ink/2003 31
軟性顯示器製程技術 - EPD Micro-cup Processing Alternatives: laser printing, inject printing Source: Sipix 32
影像顯示科技發展方向 FPD 產品之主要表現 PDP TFT-LCD OLED FED OLED LCD PDP(42 ) CRT(36 ) Brightness 300 cd/m 2 (4V) 250 cd/m 2 (15V) 350 cd/m 2 450 cd/m 2 Contrast Ratio 1000:1 500:1 1000:1 45000:1 Response time < 10 us > 5 ms < 1 ms Power consumption 60 mw 3 W (6 PDA) 450 W 230 W View angle ~170 o ~160 o ~170 o ~170 o Thick 1.5mm 3mm 100mm 400mm Weight 0.05kg/in 0.1kg/in 0.7kg/in 1kg/in 市場與產業需求 製程難度與複雜性 整體供應鏈成熟度 大尺寸 可橈式 微型化 33
影像顯示科技發展方向 P D P L C D Sharp TFT-LCD NEC SOG-LCD 可橈式平面顯示器 O L E D 低溫多晶矽 TFT EPD ( 電泳顯示器 ) 34
FPD 之產業狀況 資料來源 : SEMI FPD2003 Exhibition 35
備液晶顯示器設材料組裝零件TFT-LCD 之產業分工概況 上游 ( 零件 ) 中游 ( 製造 ) 下游 ( 應用 ) 1. 微影 / 蝕刻 2.PECVD 3.Sputter 4.LCD 設備 5.Assembly 設備 6. 檢查測試設備 電腦消費性電子 1. 液晶材料 2. 玻璃 3. 偏光板 4. 彩色濾光片 5.Spacer 前段製程 面板製作 後段製程 模組組裝 商業工業 1. 驅動 IC 2. 控制電路 3. 背光源 4.TAB/COG 通訊運輸 36
大尺寸 TFT_LCD 製造廠商動態 日本 (Japan) 韓國 (Korea) 台灣 (Taiwan) 廠商 Sharp NEC Toshiba Matsushita Sanyo Hitachi Fujitsu ADI HAPD 玻璃尺寸 (mm x mm) 550x650 680x880 1500x1800 550x650 550x650 550x650 680x880 550x670 650x830 930x920 <4000x500 產能 (k/m) 50 30 60 18 50x2 15 60 30 40 40 廠商 Samsung ( 三星電子 ) LG.Philips Hyundai ( 現代電子 ) 玻璃尺寸 (mm x mm) 550x650 600x720 730x920 1100x1250 1800x2100 590x670 680x880 1000x1200 1100x1250 1500x1850 550x650 600x720 產能 (k/m) 50 55 50 70 90 65 60 60 60 90 50 25 廠商 中華映管 友達光電 群創 奇美電子 瀚宇彩晶 玻璃尺寸 (mm x mm) 550x670 680x880 730x920 1500x1850 600x720 610x720 610x720 680x880 1100x1250 1100x1250 1500x1850 1100x1300 550x650 620x750 680x880 1100x 1300 550x650 550x650 1200x1300 產能 (k/m) 25 30 75 80 35 40 80 40 100 100 60 60 75 50 50 90 (x2) 40 40 60 元太科技 370x470 36 廣輝電子 620x750 1100x1300 40 60(I,II) 37
台灣彩色濾光片產業狀況 廠商基板尺寸 (mm) 月產能 ( 千片 ) 量產時間技術來源客群 和鑫光電 620*750 65 Q2 01 日本 DNP 689*880 75 Q4 02 1100*1300 75 Q1 04 友達 華映 彩晶 廣輝 展茂光電 650*750 80 Q1 02 日本凸版印刷友達 彩晶 680*880 80 Q2 03 廣輝 劍度 ( 友達 ) 620*750 40 Q3 01 日本 STI 友達 彩晶 730*920 40 Q4 02 奇美電子 620*750 30 Q4 99 自行研發 680*880 60 Q4 01 華映 內製 1100*1250 75 Q3 03 凸版國際彩光 730*920 80 Q3 02 自行研發友達 華映 1100*1250 60 Q3 03 奇美 資料來源 : 工研院經資中心 ; 寶來證券彙整 38
OLED 產業狀況 廠商 月產能 量產時程 備註 廠商 月產能 量產時程 備註 日本 Pioneer Sanyo Idemitsu Toshiba Sony NEC TDK 被動 (15k/m) 被動 (30k/m) 主動 1.5Munit/m 被動主動 被動 被動主動 主動 被動 500k unit/m 主動 1999 2001 2002( 全彩 ) 2002 2003 2002 中 2002 底 未定 2003 2001.2 已發表 13.3 主動全彩提供 area color OLED 面板給 Motorola 手機使用被動 15k/m 已發表 5.5 主動全彩 已發表 5 全彩 已發表 2.9 主動 260,000 色 已發表 13.3 主動全彩 TV 與 Samsung 共同開發, 已開發出 2.1 被動全彩行動電話 台灣 韓國 錸寶東元激光勝園光磊聯宗翰立光電悠景南亞友達奇美三星 L.G. 25 25 60 30 25 -- 40 -- 30 -- -- -- -- -- -- 2000( 單彩 ) 2001( 單彩 ) 2002( 全彩 ) 2003 2002 --- 2002 -- --- 2003 -- 2005 2005 2003 2004 自行研發 Kodak Duepont 工研院 Kodak Motorola 工研院 工研院 工研院 工研院 自行研發 自行研發 自行研發 39
PDP 製造廠商動態 日本 (Japan) 韓國 (Korea) 台灣 (Taiwan) 廠商 地區 廠數 廠商 地區 廠數 廠商 地區 廠數 Fujitsu (FHP) 宮琦國富 2 (650x1050) (1100x1440) Samsung SDI ( 三星電子 ) 天安 3 中華映管 台塑光電 桃園楊梅 雲林麥寮 1 1 NEC 鹿兒島 1 LG. 電子 龜尾 2 松下 Plasma 上海松下 大阪次木大阪亮槻 上海 (1210x1030) 2 1 大宇 UPD 龜尾利川 1 1 40
課程規劃內容 基楚理論製程技術顯示技術實務參訪 電子電路 真空技術 平面顯示器介紹 實作訓練 光電元件物理 鍍膜技術 TFT LCD 顯示技術 專題演講 基礎光學 OLED 顯示技術 廠商參訪 顯示器色彩學 FED 顯示技術 電漿原理 電漿顯示技術 投影顯示技術 41
Meeting Room Office 全波段光譜儀 多工光檢測計 Testing Room IV-probe station Gowning Room AFM Air Shower Spin coater Yellow Room Mask Aligner 光學膜厚量測儀 Furnace Oven Opticmicroscope HAST Sputter MOCVD PECVD E-Gun RIE1 Class 10000 Clean Room Sputter E-Gun 光電半導體中心 OLED 多工製程系統 clean bench water purifier Gas cabinet Gas Supply Room Clean Air System 42