去年最火熱的產(chǎn)業(yè)消息就是鴻海富士康把日本夏普合并了，對于日本人來說很難接受，但是對中國人來說卻是一個勝利里程碑，最近廣東最火熱的科技產(chǎn)業(yè)新聞就是富士康聯(lián)合日本夏普子公司堺顯示器制品株式會社（Sakai Display Production，以下簡稱SDP）要在廣州增城蓋一座最新的10．5代8k液晶顯示器工廠，投資610億人民幣。

為什么是廣州？液晶產(chǎn)業(yè)有多重要？我估計現(xiàn)在90％的家庭的電視都已經(jīng)使用液晶電視了，什么是十點五代線？STN－LCD，TFT－LCD到底這些英文縮寫名詞代表什么？LCD產(chǎn)業(yè)跟LED產(chǎn)業(yè)有什么相關(guān)？如果大家有老葉前面幾篇文章的科普知識的基礎(chǔ)，那么現(xiàn)在這些疑問我就可以開始跟大家揭曉了！

液晶：像晶體的液體

“液晶（LC：Liquid Crystal）”是一種液態(tài)高分子（塑膠）材料，它的分子與分子相距較遠而無法形成鍵結(jié)，在常溫下是“液體”，但是分子與分子彼此互相影響力卻很大，所以排列得很整齊，有點像是“固體（晶體）”，因此我們將這種像是固體（晶體）的液體稱為“液晶”。

液晶分子為細長型棒狀結(jié)構(gòu)，沿長軸方向具有“極性（Dipole）”，也就是分子的一端帶正電而另一端帶負電，如圖一（a）所示，圖中C代表碳原子、H代表氫原子、N代表氮原子，整個分子看起來是細長型棒狀結(jié)構(gòu)，我們習(xí)慣將它簡化成圖一（b），其中箭頭稱為“指向（Director）”，箭頭的方向代表分子帶正電的一端。

圖一　 液晶分子的特性與種類

三種液晶分子，只有一種商用多

液晶分子的種類有許多種，包括向列型液晶（Nematic LC）、層列型液晶（Smectic LC）、膽固醇型液晶（Cholesteric LC）等，但是常見的只有兩種：

a．向列型液晶（Nematic LC）：向列型液晶分子的排列情形如圖一（c）所示，每個分子的長軸都是互相平行，而且方向一致。由于向列型液晶分子對外加電場的反應(yīng)較大，因此目前商業(yè)上生產(chǎn)的液晶顯示器大多使用這種液晶分子。

b．層列型液晶（Smectic LC）：層列型液晶分子的排列情形如圖一（d）所示，每個分子的長軸都是互相平行，而且方向一致，分子排列規(guī)則性更明顯，分子之間不但互相平行，而且有分層的組織。由于向列型液晶分子對外加電場的反應(yīng)較小，因此比較不適合作為液晶顯示器使用。

液晶分子的轉(zhuǎn)動：怎么樣在玻璃板上外加電壓？

液晶分子為細長型棒狀結(jié)構(gòu)，沿長軸方向具有「極性（Dipole）」，也就是分子的一端帶正電而另一端帶負電，因此當(dāng)我們對液晶分子外加電壓，會使液晶分子轉(zhuǎn)動，如圖二所示，我們先將兩片玻璃板互相平行迭起來，再將液晶分子注入兩片玻璃板之間，當(dāng)我們對兩片玻璃板「不加電壓」或「外加電壓」，液晶分子會有不同的排列情形，換句話說，我們是“利用外加電壓使液晶分子轉(zhuǎn)動”。

圖二　 液晶分子的轉(zhuǎn)動

a．外加電壓：當(dāng)兩片玻璃板外加電壓時，液晶長軸與玻璃板垂直，我習(xí)慣稱這種情形是「液晶分子站在玻璃上」，如圖二（a）所示，由圖中可以看出，液晶分子帶正電的一端受到帶負電的玻璃板吸引，而液晶分子帶負電的一端受到帶正電的玻璃板吸引，所以才會站在玻璃上。

b．不加電壓（Normal）：當(dāng)兩片玻璃板不加電壓時，液晶長軸與玻璃板平行，我習(xí)慣稱這種情形是「液晶分子躺在玻璃上」，如圖二（b）所示?？茖W(xué)家們習(xí)慣稱一個系統(tǒng)沒有外加電壓的情形為「Normal」。

大家有沒有覺得奇怪，玻璃好像不會導(dǎo)電耶，怎么樣在玻璃板上外加電壓呢？好奇嗎？趕快看下去吧！

液晶具有「雙折射性（Birefringence）」，光的偏振方向會受液晶分子的影響而旋轉(zhuǎn)，如圖三所示，我們先將兩片玻璃板互相平行迭起來，再將液晶分子注入兩片玻璃板之間，當(dāng)我們對兩片玻璃板「不加電壓」或「外加電壓」，液晶分子會有不同的排列情形，此時通過玻璃板的偏振光會受到液晶分子的影響，而使偏振方向改變：

圖三　 液晶分子對偏振光的影響

．不加電壓（Normal）：當(dāng)兩片玻璃板不加電壓時，液晶分子躺在玻璃上，如圖三（a）所示，由圖中可以看出，當(dāng)「水平偏振光」通過「躺在玻璃上的液晶分子」，它的偏振方向會自動旋轉(zhuǎn)90?，變成「垂直偏振光」，然后再離開玻璃板。

．外加電壓：當(dāng)兩片玻璃板外加電壓時，液晶分子站在玻璃上，如圖三（b）所示，由圖中可以看出，當(dāng)「水平偏振光」通過「站在玻璃上的液晶分子」，它的偏振方向會維持不變，保持「水平偏振光」，然后再離開玻璃板。

液晶顯示器的應(yīng)用：包羅1～60吋

「液晶顯示器（LCD：Liquid Crystal Display）」是目前市場最大，應(yīng)用最廣，也是市場成長率最高的產(chǎn)品，除了早期應(yīng)用在個人計算機與筆記本電腦之外，目前甚至已經(jīng)成功的應(yīng)用在大尺寸的家用電視機了，因此我們會花比較多的章節(jié)來介紹。液晶顯示器（LCD）的尺寸為1～60吋，依尺寸大小不同可以應(yīng)用在不同的科技產(chǎn)品中：

．1～2吋：電子表、電子計算器、電子字典等。

．3～5吋：數(shù)字相機（DSC）、數(shù)字錄像機（DVC）、手機、個人數(shù)字助理（PDA）、多媒體播放器（PMP）、衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等。?．

． 5～10吋：汽車電視。

?．10～20吋：個人計算機顯示器、筆記本電腦顯示器、錄像監(jiān)視器等。?

．20～60吋：家用電視機。

有一點復(fù)雜的液晶顯示器構(gòu)造

液晶顯示器（LCD）的構(gòu)造如圖四所示，如果我們將液晶顯示器的某一部分放大，可以得到如圖四（a）所示紅（R）、綠（G）、藍（B）不停地反復(fù)的排列，當(dāng)我們從側(cè)面觀察液晶顯示器的一個像素，可以得到如圖四（b）的構(gòu)造，由液晶顯示器的后方向前方，依序為背光模塊、后偏光片、后導(dǎo)電玻璃（后玻璃基板＋后透明電極）、薄膜晶體管（主動矩陣式的液晶顯示器才有）、前導(dǎo)電玻璃（前玻璃基板＋前透明電極）、彩色濾光片、保護玻璃、前偏光片等，哈哈～構(gòu)造真是有一點復(fù)雜！

圖四　 液晶顯示器的構(gòu)造

現(xiàn)在分別介紹如下：

背光模塊：背光模塊包括光源、反射板、導(dǎo)光板等組件組成，使光源均勻分布在整個液晶顯示器的畫面上。

后偏光片：由于光源發(fā)出來的白光為「非偏振光」，后偏光片主要的目的在使非偏振光變成「偏振光」。?

后導(dǎo)電玻璃：在玻璃基板上使用濺鍍法（Sputter）成長「氧化銦錫（ITO：Indium Tin Oxide）」形成可以導(dǎo)電的玻璃，稱為「導(dǎo)電玻璃」。氧化銦錫（ITO）是一種陶瓷（金屬氧化物），幾乎所有的陶瓷都是絕緣體，但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化銦錫（ITO）不但可以導(dǎo)電，而且在厚度很薄的時候，還是透明的，故稱為「透明電極」。?

薄膜晶體管：在導(dǎo)電玻璃的上面使用半導(dǎo)體制程技術(shù)成長「開關(guān)組件」，最簡單的開關(guān)組件就是「CMOS」，但是CMOS必須具有金屬、氧化物、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，必須成長在硅晶圓上才行（后續(xù)我會繼續(xù)介紹的半導(dǎo)體元器件），要在導(dǎo)電玻璃上成長開關(guān)組件沒辦法使用CMOS，因此必須另外設(shè)計一種開關(guān)組件，它的工作原理和「CMOS」很像，我們稱為「薄膜晶體管（TFT：Thin Film Transistor）」，使用薄膜晶體管（TFT）制作的液晶顯示器稱為「薄膜晶體管－液晶顯示器（TFT－LCD）」。?

前導(dǎo)電玻璃：與后導(dǎo)電玻璃相同。?

彩色濾光片：在塑料薄片上涂布紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色的顏料，不停地反復(fù)排列在顯示器的整個畫面上，稱為「彩色濾光片（Color filter）」。彩色濾光片的原理如上圖四（c）所示，當(dāng)白光（紅、綠、藍的混合光）通過「紅色的濾光片」，則只有紅光可以通過，綠光、藍光被吸收，所以眼睛只看到紅光；當(dāng)白光通過「綠色的濾光片」，則只有綠光可以通過，紅光、藍光被吸收，所以眼睛只看到綠光；當(dāng)白光通過「藍色的濾光片」，則只有藍光可以通過，紅光、綠光被吸收，所以眼睛只看到藍光，「濾光片」其實就是濾掉我們不要的顏色，只讓我們想要的顏色通過，值得注意的是，圖四（b）與（c）中的彩色濾光片只畫出一個像素來代表而已，實際上應(yīng)該是紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色，不停地反復(fù)排列在顯示器的整個畫面上，如圖四（a）所示。?

前偏光片：前偏光片主要的目的在決定是否要讓旋轉(zhuǎn)后的偏振光通過，如果可以通過則眼睛看起來是「亮（白）」，如果無法通過則眼睛看起來是「暗（黑）」。

LCD跟LED產(chǎn)業(yè)有什么相關(guān)？答案在背光模塊

過去的大尺寸液晶顯示器光源通常都是使用「冷陰極燈管（CCFL：Code Cathode Fluorescent Lamp）」，主要是因為冷陰極燈管是一支一支的，比發(fā)光二極管一顆一顆的覆蓋面積更大， 可以讓光源更均勻地分布在整個顯示器的畫面上，所以適合大尺寸液晶顯示器使用，但是比較耗電。隨著LED技術(shù)的進步，目前幾乎所有的液晶顯示器光源都是使用「發(fā)光二極管（LED：Light Emitting Diode）」；

液晶顯示器的背光模塊如圖五所示，LED或過去的冷陰極燈管（CCFL）發(fā)出來的白光經(jīng)過上方與左方的「反光板」反射以后，進入「導(dǎo)光板」中，導(dǎo)光板主要的功能是讓所有的白光均勻地分布在整個顯示器的畫面上，這樣才不會讓液晶顯示器看起來有些地方比較亮，有些地方比較暗。

圖五　 液晶顯示器的背光模塊

「導(dǎo)光板」其實只是一塊塑料板而已，通常都是使用「聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA：Polymethyl Methacrylate）」來制作，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）俗稱「壓克力」，其實和我們在路邊看到專門制作廣告牌的壓克力是一樣的東西，可惜液晶顯示器所使用的壓克力純度要求很高，目前國內(nèi)并沒有石化工廠能夠生產(chǎn)這種高純度的原料，主要都是仰賴進口。至于為什么白光進入導(dǎo)光板之后就會均勻地分布在整個顯示器的平面上呢？要了解這一點，必須先了解什么是「光波導(dǎo)（Optical waveguide）」，這個部分我未來將在光纖通訊的科普課程里介紹。

【名詞解釋】光學(xué)塑料（Optical plastic）?光學(xué)所使用組件，包括：平面鏡、凸透鏡、凹透鏡等大多都是使用「玻璃（Glass）」制作，玻璃是氧化鉀、氧化鈉與氧化硅等氧化物的混合物，屬于陶瓷材料的一種，雖然玻璃的光學(xué)性質(zhì)極佳，但是重量較重，不適合使用在某些科技產(chǎn)品中。塑料的重量較輕，比較適合使用在科技產(chǎn)品中，但是光學(xué)性質(zhì)較差。而在所有的塑料中，光學(xué)性質(zhì)最好的就是「聚碳酸酯（PC：Poly Carbonate）」與「聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）」了，我們將這兩種材料稱為「光學(xué)塑料（Optical plastic）」，可以應(yīng)用在塑料眼鏡、數(shù)碼相機的塑料鏡頭、光盤片的聚碳酸酯基板、液晶顯示器的導(dǎo)光板等。?

不可回避的液晶顯示器優(yōu)缺點

優(yōu)點?：

1．厚度較?。翰皇褂秒娮邮?，不需要像陰極射線管一樣在屏幕表面依序掃描，所以不需要太厚。?

2．耗電量低：使用發(fā)光二極管（LED）做為光源，不使用電子束，所以耗電量低。?

3．制程成熟：液晶顯示器已經(jīng)在市場上存在超過三十年的時間，制作技術(shù)非常成熟，不但小尺寸的液晶顯示器技術(shù)很成熟，目前連大尺寸的「液晶電視（LCD TV）」都已經(jīng)進入成熟階段了。

缺點：

1．大尺寸制作困難：大尺寸的液晶電視必須將薄膜晶體管（TFT）制作在整個后導(dǎo)電玻璃上，要將每個薄膜晶體管制作得非常均勻平坦，而且要有很高的良率是非常困難的工作，就好像大尺寸的晶圓制作比較困難一樣，所以成本也比較高。?

2．有視角的問題：由于液晶顯示器是利用液晶分子使偏振光旋轉(zhuǎn)的原理，所以會產(chǎn)生視角的問題，當(dāng)我們的眼睛傾斜一個角度觀看液晶顯示器的時候，會覺得影像模糊不清。

液晶顯示器黑白、彩色顯示與分辨率極限

液晶顯示器的黑白控制

液晶顯示器顯示黑白的方法，是利用偏振光結(jié)合偏光片，如圖六所示，在導(dǎo)電玻璃的前后，各放置一片「前偏光片」與「后偏光片」，而且前后偏光片「互相垂直90°」，利用外加電壓來控制每個次像素的「液晶分子躺在玻璃上」或「液晶分子站在玻璃上」， 形成「白（White）」與「黑（Black）」兩種情形：

圖六　液晶顯示器的黑白控制

．不加電壓時為「白（White）」或「亮（Bright）」?如圖六（a）所示，在顯示器左側(cè)的背光模塊發(fā)出「非偏振光」，經(jīng)過水平偏光片（后偏光片）形成「水平偏振光」，當(dāng)兩片玻璃板不加電壓時，液晶分子躺在玻璃上，會使水平偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，變成「垂直偏振光」，恰好可以通過垂直偏光片（前偏光片），因此形成白（White）或亮（Bright）。由于在沒有外加電壓的情形下我們稱為Normal，因此在沒有外加電壓的情形下是白（White）或亮（Bright）我們稱為「Normal White」或「Normal Bright」。

．外加電壓時為「黑（Black）」或「暗（Dark）」?如圖六（b）所示，在顯示器左側(cè)的背光模塊發(fā)出「非偏振光」，經(jīng)過水平偏光片（后偏光片）形成「水平偏振光」，當(dāng)兩片玻璃板外加電壓時，液晶分子站在玻璃上，會使水平偏振光的偏振方向保持不變，仍然維持「水平偏振光」，恰好無法通過垂直偏光片（前偏光片），因此形成黑（Black）或暗（Dark）。

液晶顯示器的彩色顯示與分辨率極限

一定要記得，顯示器是利用紅（R）、綠（G）、藍（B）三個「次像素（Sub pixel）」組成一個「像素（Pixel）」，利用許許多多的像素散布在整個畫面上，并且利用每一個像素的紅（R）、綠（G）、藍（B）不同亮度排列組合顯示出一種顏色，最后組成我們所看到的景物，但是要如何控制每一個像素的RGB排列組合顯示出一種顏色呢？所有使用液晶的顯示器原理都相同，有三個重要的步驟：?

黑白：利用「外加電壓」來控制每個次像素顯示黑白。?

灰階：使用「直接電壓調(diào)變法」或「驅(qū)動電壓調(diào)變法（時間調(diào)變法）」控制液晶分子的旋轉(zhuǎn)角度，來決定每個次像素的亮度，就可以顯示灰階。?

彩色：使用「彩色慮光片」將每個像素再分成紅（R）、綠（G）、藍（B）三個次像素，分別控制每個次像素發(fā)出不同亮度的紅階、綠階、藍階，就可以組合成各種不同的彩色。

表一 高清電視的規(guī)格表

我們將畫面垂直方向切割成1920列（直的為列），水平方向切割成1080行（橫的為行），總共形成大約200萬個像素（1920×1080≈2000×1000≈2M），由于切割后的像素很小，眼睛很難分辨，因此看起來和沒有切割前是相同的。換句話說，只要能在一個畫面上顯示出許多不同顏色的像素，而且每個像素都足夠小使眼睛不易分辨，則我們便會將這個畫面看成是一個近似完美的圖片，而且切割的像素愈多，則像素愈小，畫面愈細致，分辨率也愈高。這就是顯示器的原理了，而且相同尺寸的顯示器，切割的像素愈多，則像素愈小，畫面愈細致，分辨率也愈高。

分辨率（Resolution）是用來定義一個畫面所能顯示圖形的細致程度，相同大小的畫面，切割成不同數(shù)目的像素，則形成不同的分辨率規(guī)格，如表一所示。目前高清的電視的畫面中所使用的2k（1920列×1080行）稱為「Full HD」，是目前液晶電視最常見的規(guī)格，最近的智能型手機也開始采用這種規(guī)格。但是隨著人類對畫面精細度無止境的要求，2k已經(jīng)無法滿足，隨著液晶面板技術(shù)的進步，4k（3840列x2160行）與8k（7680列x4320行）更是面板廠商追求的極致，如果一個美好的事物能夠在8k畫面下展現(xiàn)無瑕疵，它可能就是人類追求十全十美最客觀的評判標(biāo)準(zhǔn)吧！

液晶顯示器面板廠的世代關(guān)系

液晶顯示器依照不同的世代，會有不同的玻璃基板尺寸：

如表二所示，「三代廠」玻璃基板尺寸為550×650mm（毫米），我們先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再切割成6片17吋的面板，玻璃會有一些浪費的區(qū)域。

表二　液晶顯示器的世代與玻璃基板尺寸的關(guān)系

如圖七（a）所示；「四代廠」玻璃基板尺寸為 680×880mm，我們先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再切割成9片17吋的面板。

如圖七（b）所示，「五代廠」的玻璃基板相當(dāng)于1100×1300mm，我們先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再切割成9片30吋的面板，玻璃尺寸愈大，可以切割出來的顯示器尺寸愈大，可以切割出來的顯示器愈多。

圖七　三代廠與四代廠的玻璃基板示意圖

目前主流是六代廠至八代廠之間，七代廠、八代廠的玻璃基板實在太大了，用來制作小尺寸的液晶顯示器不符成本，因此主要是用來制作「液晶電視（LCD TV）」，例如：七代廠玻璃基板尺寸為1950×2250mm，一片基板可以切割出12片32吋的面板、8片40吋的面板或6片46吋的面板，隨著大液晶電視的需求旺盛，八代廠已經(jīng)不再有優(yōu)勢，追求更大的尺寸，做更大尺寸與分辨率更高的面板是大趨勢，目前大家爭做10．5代4k與8k就是在搶占制高點。面板的軍備競賽已經(jīng)開始，后發(fā)優(yōu)勢越來越明顯。

液晶面板的隱憂

跟集成電路產(chǎn)業(yè)中8吋晶圓與12吋晶圓的原理類似，尺寸愈大，可以切割出來的芯片愈多，單位成本相對降低很多，現(xiàn)在十代與十一代液晶面板也是一樣的道理。集成電路芯片光刻的技術(shù)也是由微米、次微米到現(xiàn)在的納米線寬，柵極線寬越窄，芯片效能越高，集成電路密度越大，除非可以尋找新的材料來替代硅制作晶體管，否則晶體管中的電子就很容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，所以有人說7納米是極限。同樣的道理，液晶面板的極限也許是8k分辨率，因為再高清的分辨率也許對我們?nèi)祟惖母泄偻耆珱]意義了。

集成電路與液晶面板這兩個產(chǎn)業(yè)也許已經(jīng)有點像是軍備競賽了，但是我對液晶面板有深深的隱憂，像早期的火炮技術(shù)一樣，口徑更大，射程更遠是火炮技術(shù)的更新?lián)Q代表現(xiàn)，火炮可以做出最大口徑與射程最遠的加農(nóng)炮，這是火炮最大的極限。

同樣的道理，液晶可以做到11代8k的技術(shù)，但是液晶的缺陷也讓它面臨著巨大的隱憂，就像飛彈技術(shù)取代火炮一樣，LCD的威脅也隱隱浮出臺面，OLED就像飛彈一樣，雖然剛開始不是這么成熟，但是只要飛彈的精準(zhǔn)度提高了，它的優(yōu)越性會大大超出火炮，這也許就是我看到液晶面板最大的挑戰(zhàn)吧，為什么韓國停止投資十代十一代LCD面板廠，求售七代與八代廠，加大投入OLED廠，韓國人在賭國運，失敗了也許粉身碎骨，但是如果他們成功了，我們京東方，華星與富士康的十點五代廠要怎么辦！

等離子電視殷鑒不遠，我們的大投資還是要好好的思考………