LCD 大拆解面板、背光完全分析：LED、IGZO、In-cell 是什麼？專有名詞一次看懂

近期在行動裝置崛起下，在人機介面佔有重要地位的螢幕起了大變化，輕薄化以及觸控多樣要求下，迫使面板廠開出更高ppi（Pixels Per Inch，每英吋像素點）的面板。一般電腦螢幕或是電視也在導入LED（Light Emitting Diode，發光二極體）背光後持續改良發光材料，或是因應CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷陰極燈管）和LED發光的不同，修改導光板的結構。 不論是在新興的行動市場，或是原有的電腦家電領域，LCD正一點一滴地改進，改進幅度已經超越你我想像，有必要如撥開洋蔥般，一層一層拆解細細介紹。本文部分依然還是圍繞在需要背光模組的LCD範疇內，其它如 AMOLED、E-Ink、Mirasal等，未來有機會筆者再逐一介紹。

從光線路徑解析

想要了解LCD的構造，跟著光的路徑走是最好的方法，那麼在光之前又是什麼呢？進入LCD螢幕的訊號可分為2種，其一負責供給背光源，另外就是控制訊號，決定薄膜電晶體TFT施加的電場強度為多少，透過不同的電場強度，液晶分子的旋轉角度不同，決定背光要透出多少百分比，再經濾光片濾出紅、綠、藍3原色，不過部分面板製造廠還會額外濾出不同顏色的光，以便顯示更大範圍的顏色。

跟著光走，首先第一站來到就是背光源，LCD本身並不具有發光功能，只有決定光通量的功能，所以需要有個背光源發出光，交由LCD過濾之後，才可形成我們所看到的影像。由此可知，對於背光源有個要求，就是發出的光需要盡量覆蓋到人眼可見的頻譜範圍，以便顯示更多的顏色。可惜目前技術沒有辦法做出完全覆蓋人眼所見頻譜的背光，或至少消費級產品尚無法在一定成本下做出，幸好我們知道光能夠分出三原色，如果我們能正確混合這3種顏色，理論上能夠騙過眼睛，以為看到了許多不同的色彩。

行之有年的 CCFL

請讀者抬頭看看頭上的天花板，是不是有看到不同形狀的日光燈管（如果家中採用間接照明或是LED就看不到），彩色液晶螢幕長久以來的背光大宗就是螢光燈管（單色液晶螢幕會採用LED做為背光源），跟家中拿來照明的日光燈屬於同一類型，但還可再細分為冷陰極燈管CCFL和熱陰極燈管HCFL。CCFL和HCFL的發光原理都是電子撞擊管內氣體，而氣體獲得能量後為了要回復到穩定的狀態，進而釋放出紫外線，管壁的螢光物質再吸收這紫外線放出人類可見到的光，由這螢光物質放出的光就照亮了燈管四周的景物，也組成LCD螢幕的背光來源。管壁的螢光物質由不同種類的材料組合而成，才能夠混出白光。

CCFL和HCFL的不同在於電子跑出的方式不同，CCFL直接利用燈管兩端的電壓促使內部氣體離子撞擊電極後釋出電子，因此需要較高的電壓驅動，大約是數百至上千伏特。HCFL在點亮之前則是先加熱燈管兩端電極，讓電極受熱後比較容易射出電子，因此只需一般的市電110V即可運作。除此之外，HCFL的發光效率較高，但需加熱燈管內電極所以壽命較短，再加上HCFL電極構造不利於小型化，所以在LCD上比較容易見到採用CCFL的產品。採用HCFL燈管的螢幕也不是沒有廠商推出，只不過很快的就被另一種後起之秀取代掉，那就是LED。

▲HCFL和CCFL內部的構造，HCFL啟動時需要先加熱電極使電子射出，CCFL則是直接利用兩端電壓差使內部離子撞擊電極後釋出電子。

明日之星 LED

LED材料尚未進步之前，LED絕大部分用於指示用途，因為其發光效率雖然高，但要到達照明使用，其電壓、電流必須增加到相當高的程度，發光效率變差又容易燒壞晶粒，發出來的電磁波頻率也過於狹窄。直到近年LED內材料進步到足以發出類似於白光的光譜（主因是開發出可發出藍光的材料），加上和CCFL相比只需較低驅動電壓，體積也比較小，逐漸取代CCFL。近期LED的發光效率和亮度足以作為照明使用，加上節能減碳的環保風潮，一堆白牌廠商也向不同的供應商進料，自行找工廠裝一裝就出貨了，讓LED燈泡瞬間侵蝕各大賣場的貨架。

LED發光原理比起螢光燈管更有效率，在於其可見光產生路徑不像螢光燈管需多次轉換，直接利用半導體的N-P介面發射出可見光，原理為當電子從N型半導體進入P型半導體時，電子的能階會降低，而這些失去的能量就以光的形式放出。不同材料的N/P型半導體其電子與電洞的能階並不相同，這中間的差異將導致發出的光波長不同。

另外LED與傳統CCFL較為不同的是，LED很容易因為散熱不良造成光衰，有可能是原本晶片本身品質不良，長期使用下導致材料的接面出現問題，也有可能是白光LED使用的螢光物質的效能大不如前，或是在封裝時使用比較便宜的膠水。但研究顯示降低其熱度能夠延緩光衰現象的發生，因此能夠承受較大功率輸出的LED通常會用覆晶封裝，除可讓晶片本身與基板固定材質接觸面積變大，散熱較快之外，也可去除黃金打線遮蔽LED光源的問題。

▲LED的發光原理，電子由N型半導體移至P型半導體的時候，會在接面發出光亮。

關鍵字：LED

Light Emitting Diode，發光二極體。

▲左方圖示為一般封裝，右方為覆晶式封裝。（圖中的藍寶石基板可能換成其它材料）