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彩色濾光片應用於LCD TV之技術發展與瓶頸
 

【作者: 鄺東元】   2002年11月05日 星期二

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TFT LCD由於具有質量輕、體積小、省能源的特性,因此小自手機、PDA大到TV都可見其應用與無遠弗屆的影響力。由於技術瓶頸與價格的限制,相較於Mobile Application、NB或是Desktop Monitor等領域,LCD TV的相關應用目前仍不及CRT的1/100,但是相對的LCD TV無疑是未來TFT LCD產業最具爆發力與成長性的應用領域,如(圖一),也是未來台日韓各TFT LCD廠商角力的重心。



《圖一 TFT LCD面板各種應用之市場成長趨勢 》
《圖一 TFT LCD面板各種應用之市場成長趨勢 》

根據日本Sharp所整理的資料,如(圖二),在2000年全球LCD TV的總生產數不過30萬台,但到了2005年,全球LCD TV的需求將會達到730萬台,短短五年間需求成長24倍。若再以應用尺寸來細分,在生產技術與成本考量下,將會以20吋以下(15、17 inch)的應用為主,但隨著五代、六代線的投產,伴隨著製程良率的提升與製造成本的有效降低,20吋以上的產品比重將會逐年提高 ,預計在2005年將會有超過3成以上20~30吋的LCD TV的產品比重,如(圖三)。


《圖二 大尺寸LCD TV市場規模預測〈資料來源:Sharp〉》
《圖二 大尺寸LCD TV市場規模預測〈資料來源:Sharp〉》

《圖三  不同尺寸LCD TV市場預測〈資料來源:Display Search〉》
《圖三 不同尺寸LCD TV市場預測〈資料來源:Display Search〉》

面對未來TV顯示器平面化的發展趨勢,對於TFT LCD彩色化靈魂關鍵的彩色濾光片(Color Filter;CF),其相關技術發展與瓶頸,對LCD TV的發展速度將有著決定性的影響。以下本文即針對彩色濾光片應用於LCD TV之相關產品,其規格需求以及技術現況進一步說明與探討。


LCD TV之應用與相關產品規格

LCD TV如同TFT LCD其他產品一般,具有質輕,不佔體積的特質,而且其省電與低輻射更勝過CRT與其他顯示器產品,因此在擺設上可以搭配室內空間的特質與需求作出更多樣化的設計,如(圖四)。除此之外,由於其可攜帶性(Portable)的特質可使得日常生活中,不論是健身房運動、廚房、或是同家出遊的座車中,都能方便享受多媒體影音,而不再受時空限制。相較於CRT唯一類比訊號的視訊傳送,LCD TV的數位訊號傳送方式使其更適合於與Internet相結合,因此除了影像資訊外,也同時具備文字符號的顯示傳送角色,如(圖五)。


《圖四  LCD TV之優點與應用》
《圖四 LCD TV之優點與應用》

《圖五 Diversity of LCD-TVs》
《圖五 Diversity of LCD-TVs》

基於以上特質,同時綜合製造成本與技術能力考量,未來數年內LCD TV的應用將會是以30吋以下的產品為主(雖然韓國三星已於2001年底展示40吋LCD TV),其解析度要求依應用特性將會介於VGA(640×480)-SXGA(1280×1024),未來若進一步與Internet相結合而成為雙向式互動電視,將會進一步結合Touch Panel的設計,屆時所有的操作與溝通,藉由一塊薄薄的LCD TV平板即可實現。


LCD TV目前在應用上的技術挑戰主要有下列幾點:第一是液晶反應時間的縮短,相對於CRT每個frame time約為0.1~1msec,TFT LCD的frame time就顯得長很多,LCD顯示器的frame time主要取決於液晶的反應時間,液晶分子的黏滯係數、彈性係數以及cell gap值都會影響反應時間的快慢,目前 TN mode TFT LCD的反應時間約為20 msec,如(圖六)、(圖七),應TV在動畫顯示上的要求,未來會以16.7 msec以下為目標。


《圖六 畫素反應時間與視覺察覺時間》
《圖六 畫素反應時間與視覺察覺時間》
《圖七 新液晶材料縮短反應時間》
《圖七 新液晶材料縮短反應時間》

第二點是關於視角的擴增,如(表一),目前TN型TFT LCD面板在加上廣視角膜後,已可將其視角提高至上下左右皆約60度,在一般NB或是Desktop Monitor的應用中尚不構成嚴重的問題,因為大多數場合使用者皆位於畫面的正前方。但是LCD TV的觀眾可能來自四面八方,趨近於全視角的需求就變成基本且迫切需要。除了前面提到的廣視角膜技術外,目前在LCD TV廣視角技術中主要有兩大類,第一類是IPS(In Plane Switch)mode,第二類是MVA(Multi-domain vertical alignment)mode,其又可分為以突塊(bump)或畫素電極pattern(PVA)來達到multi-domain的效果。IPS及MVA mode TFT LCD皆能將視角擴增至上下左右皆約80度左右。


《表一 不同視角技術之比較》
《表一 不同視角技術之比較》

至於第三點則是顏色的規格需求(圖八),為求顏色有更好的再現性與顯示品質,在LCD TV用的彩色濾光片其NTSC須大於70%以上,而色溫的要求則須超過9000 K。



《圖八 LCD TV用彩色濾光片技術要求》
《圖八 LCD TV用彩色濾光片技術要求》

TV用CF之光阻材料與製程技術

目前彩色濾光片的顏料光阻大多是利用顏料分散法的負型光阻,利用slit + spin的塗佈方式濕式成膜,再配合黃光微影技術製作成RGB的color pixel pattern。顏料分散法所選用的pigment耐熱與抗化性佳,但由於pigment分子結構易於堆疊結晶,而且不易溶於一般有機溶劑,需利用特殊的分散方式方能懸浮於連續相中,在顏色的飽和度與穿透率上均較一般有機dye為遜色,因此如何利用特殊的合成方式改質pigment本身的結構,以增加穿透度與色彩飽和度就成為TV用高彩光阻所努力的目標。在TFT LCD的構造中,影響顯色效果的元件主要有二,一是所選用的背光源,另一則是彩色濾光片,因此要達到最佳的顯色效果,彩色光阻的選取調配必須與背光頻譜相互結合,方能收到最大的功效。


另一項TV用顏料光阻在選取開發上需考慮的因素是有關於塗佈方式的改進,顏料光阻是彩色濾光片製造生產過程中成本僅次於玻璃的原料,減少光阻的使用量將能進一步有效的降低生產成本,目前彩色濾光片顏料光阻的塗佈方式除了有傳統的spin、slit + spin外,利用capillary coating或是spin-less coating的塗佈技術已逐漸被應用,此兩種方式都能有效的提高光阻使用率,減少不必要的光阻浪費,而光阻因應塗佈方式的改變,在溶劑、固含量、以及黏度上也須對應作調整。


大尺寸CF之技術瓶頸

大尺寸彩色濾光片在生產製造上的技術瓶頸主要有:


光阻塗佈技術的改進提升

若五代線彩色濾光片生產製造使用與3.5代相同之顏料光阻,其光阻的浪費與耗損量會更高,而且基板面積增大後,如何控制塗佈均勻性也是一項難題,這些都會影響彩色濾光片的品質及良率,因此以spin-less製程取代傳統slit+spin將會成為新主流趨勢,如此一來除光阻材料可以大幅節省外,同時省去EBR(Edge Bead Remove)的程序。但是相對的光阻材料都須重新調整改良,方能應用於spin-less製程。


微影方式的改變

在4代線之前(含4代線),為提高彩色濾光片產量,曝光方式多採1:1,one step/one shot的proximity曝光,但是當基板尺寸變大為1100×1250時,若要維持one step/one shot的方式光罩製作費用不但昂貴,而且在傳送與清潔上也變的非常困難,因此目前都以multi-step/multi-shot的方式為主。基台設計若選取700×800mm的光罩panel尺寸最大可對應到32吋,若選取800×920mm的光罩,則最大面板可對應至42吋。


Macro檢查技術

彩色濾光片的生產製造中,有許多process quality的判定需仰賴檢查人員的目視判定,但是當基板尺寸變大後,已無法再以徒手捉取方式來檢查彩色濾光片,必須仰賴auto/semi auto的機具加以輔助,如何設計機具高度、視角的調整、燈具與光源的選取,都將會變成critical的課題。


Resin BM/BM-less

當玻璃基板大型化之後,Cr film的sputtering技術會變的更困難且生產成本高,因此Resin BM應用在大型基板的彩色濾光片將會成為降低製造成本的必要方式,如果能藉由陣列(Array)的設計,將彩色濾光片進一步改為BM-less,將能更有效的降低彩色濾光片的生產成本。


Photo Spacer

基板大型化後,傳統spacer bead的灑佈均勻性控制會變的更困難,因此color filter with photo spacer,將會是5G或是大尺寸面板的必備需求,如何控制photo spacer的塗佈均勻性,以及進一步改質Photo Spacer材料特性,以同時提高spacer的softness與elasticity recovery ratio,將會成為一項新的技術挑戰。


未來之挑戰與市場機會

未來LCD TV與CRT的競爭,除了上述之顯示技術問題外,最重要的關鍵就是LCD TV的價格,而且控制權掌握在TFT LCD的手中,如果能越快的降低生產製造成本,提供價格具競爭力的產品以吸引消費者的購買慾望,取代CRT的速度將會越快。


因此未來LCD TV的規格訂定與製作生產,降低生產成本同時提高生產良率將是唯一的指導原則,因此在可預見的未來VGA/SVGA 將會是30 吋以下的LCD TV產品的主流規格,XGA/SXGA將會是30~40吋的LCD TV解析度要求。換句話說,TV用color filter的製程技術與解析度要求並不若螢幕般要求嚴格,而是如何將低階技術做成大面板、大基板、而且提高良率,降低成本。


未來LCD TV如果要有效取代CRT,其製造成本需有效降低至每平方英吋10美元(圖九),也是台日韓各家TFT與Color Filter廠商相繼投入5G或6G生產的努力目標。如果這個目標越早達到,引爆的商機與需求將會越早來臨,而這個時間點最有可能在2004 - 2005年引爆出來,誰能在此之前,做好相關製程技術與投產的準備,就可以佔有下一波TFT LCD產業高峰來臨的市場商機。


《圖九  TFT-LCD將在2005年超越CRT》
《圖九 TFT-LCD將在2005年超越CRT》

TFT LCD產業目前在台灣已是僅次於IC半導體製造的第二重要產業,在與日韓等對手的競爭與角逐過程中,須有政府在策略上的全盤規劃與輔導,有效的整合上、中、下游各相關材料零組件廠商,以群聚效應與生產管理有效降低生產成本,台灣廠商方能有機會在下一波LCD TV的市場競賽中,脫穎而出。(作者任職於展茂光電)


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