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

側光式導光板設計

在LED背光剛出現的那幾年，消費者很容易買到亮度不均勻的產品，特別是在靠近LED背光的一側特別容易發生，這是因為原本CCFL背光為線光源，轉換至LED後為點光源，原本給CCFL的導光板若沒有重新設計，很容易造成亮度不均的現象（筆者在那時期的樂趣就是計算面板用了幾顆LED）。因LED有其發光角度限制，因此在2顆LED 的中間很容易產生亮度驟減的情況。

導光板在接近反射板的那一側，會印有破壞全反射的網點結構，此結構依據其網點類型，分為AM（調幅）和FM（調頻）2種。AM構造的網點密度相同，但是網點大小不同，距離測光式背光源較近的地方網點較小，距離較遠時網點較大，所以能夠將整片面板的亮度均勻化（距離近、亮度高、網點小；距離遠、亮度低、網點大）。FM構造剛好與AM相反，FM每個網點的大小相同，但是網點密度卻不同，藉由網點密度的不同製造出與AM結構相同的結果。網點可由油墨印刷產生，也可由雷射直接在導光板上打出。

至於側光式LED背光前期的亮度不均現象，可藉由加強2個 LED之間的導光板網點構造解決，也可在LED和導光板中間放入菱形或是圓柱型或是其他形狀的透鏡，將LED發出的光線，從較小的角度折射到較大的角度。

▲左方為採用AM佈點的導光板，中間為FM佈點，右方為FM佈點針對側光式LED背光的補強。

▲在LED光源和導光板之間可加入菱鏡或透鏡結構，讓LED發出的光線角度增大。

擴散板（膜）與增亮膜

背光經反射板、導光板之後，還會有個擴散板用以加強光線的出光角度，使得光線無論從何種角度跑出擴散板，其亮度能夠盡量維持一致。擴散板為樹脂和許多微小粒子的混合物，光通過後可產生許多的繞射、散射、反射，所以其光線亮度雖然能夠被均勻化，但我們還會利用另一種光學膜拘束光的行進方向，加強對背光的利用率。

背光從擴散板逃出之後，碰到稱作增亮膜的東西（或稱集光片、菱鏡片），其向著前方面板的表面佈有半圓柱狀或是菱形柱狀，用以將光線角度分類，部分角度正確的光線將會穿出，進入前方面板的配向膜，如果光線角度不正確，則會被反射回背光模組，再次參與旅程，直到角度正確可從增亮膜穿出。增亮膜在大部分的情況下會有2層，其上的柱狀紋路相互成90度夾角，用以控制X軸和Y軸的光。

從背光源算來，其上依序為擴散板、擴散膜、增亮膜、擴散膜；擴散板和擴散膜的功能相同，只不過在最下層的擴散板厚度較厚，硬度較高，提供較軟的擴散膜和增亮膜支撐力。以上所述背光、反射板、導光板、擴散板、增亮膜共同稱為「背光模組」，負責供應給前方的液晶面板1個均勻的面光源。

▲增亮膜的運作原理，導出的光夾角約70度，其餘會反射回背光結構裡再次利用。

LCD 液晶面板的結構

LCD為Liquid-Crystal Display液晶顯示器的縮寫，其形態介於固體與液體之間，同時具有晶體折射光的特性，以及液體的流動性。此外液晶還有個特性，能夠在施加電場的情況下，液晶分子可呈現一致性的排列，藉由這2種性質控制光的行徑方向。

偏光片限制偏振方向

在LCD面板的上下2側，有著1片限制光偏振方向的偏光片，此偏光片結構類似於百葉窗，僅能通過與縫隙相同偏振方向的光，其他偏振方向的光均會被擋下。接下來這些固定方向的偏振光，藉由面板內部的液晶導引，來到外層的偏光片；由於施加電場不同的關係，液晶會有不同程度方向的偏轉，造成不同比例的光能夠轉成與最外層偏光片相同的方向，於是便可顯示明暗。

偏光片會擋下大部分與光柵不同偏振方向的光，因此螢幕整體亮度衰減最大的部分就是在偏光片上，有可能近90％的光線都被擋掉。近期也有部分專利在於轉換背光的偏振方向，使其能夠和偏光片方向一致，提高背光利用率。

▲背光在經過不同方向的偏光片的濾光效果。

薄膜電晶體玻璃基板

光通過第一層偏光片後，正式進入利用液晶控制偏振角度的步驟，為了控制液晶的偏轉角度，須要有正負電極形成電場，而此部分由透明的玻璃為基板製成電子迴路，在玻璃上使用半導體製程不斷重複執行薄膜沉積、光阻塗佈、光罩曝光、顯影、蝕刻、去光阻等程序。因為在玻璃上不斷沉積薄膜形成電路，所以稱作薄膜電晶體TFT。

玻璃基板方面，因為不同應用場合的關係，可分為一般玻璃與石英玻璃。石英玻璃因為較能耐受高溫，因此適合須攝氏1000度以上，將非結晶矽結構轉換成多晶矽結構的HTPS製程使用。其餘包括a-Si非結晶矽、IGZO銦鎵鋅氧化物、CGS連續結晶、LTPS低溫多晶矽等TFT材料的玻璃不需承受高溫，因此使用一般的玻璃即可。

▲單一像素的構造，電容與液晶並聯，在TFT關閉時才可保持狀態。

電子遷移率不同的材料

現在我們把玻璃上的單一像素放大來看，每個像素都是由1個TFT薄膜電晶體、1個電容、1組ITO氧化銦錫所組成，TFT的閘極連接到面板的掃瞄線、源極則是連接到面板的信號線，當在閘極施加電壓時，源極的信號就可以流到汲極的ITO上，ITO在像素液晶的上下方玻璃各有1個，用以形成電場（IPS面板的ITO則在同一片玻璃上）；在閘極關閉的時候，沒有從源極傳來的信號，此時就靠與ITO並聯的電容保持液晶的狀態。

在液晶面板ppi越做越高的情況下，TFT的材料越顯重要，因為從源極到汲級之間材料的電子遷移率影響TFT的大小，而TFT的部分是不透光的，電子遷移率越小的材料需要越大的面積維持其效能，越大的TFT代表遮住的光越多，螢幕開口率越小；如果想要保持同樣亮度的情形下，就必須使用更亮的背光彌補被TFT遮去的亮度，造成耗電量增高。

若是以目前可商業化應用的TFT材料來說，可分為a-Si非晶矽，金屬氧化物的IGZO，以及HTPS、LTPS、CGS的多晶矽，其電子遷移率的大小按照順序為多晶矽＞金屬氧化物＞非晶矽。多晶矽的製備需要高溫讓矽原子間相互結合（HTPS的製備方式），因此將結晶時的溫度往下調便可降低成本和製作難度。LTPS使用雷射在玻璃表面的非晶矽上掃瞄，使其接受雷射能量後轉變為多晶矽結構。由於LTPS的能量只集中在玻璃表層，不需整片玻璃加熱，因此使用一般玻璃即可。

CGS連續結晶目前則是利用金屬誘導的方式製作，先在玻璃上附著非晶矽，接著在其上覆蓋1層金屬，加熱之後在非晶矽和金屬接面處互融，退火之後金屬會在表層析出，利用蝕刻法把金屬層去掉之後，就會留下底層的多晶矽。IGZO則是目前日本Sharp的主力，雖然其電子遷移率不若多晶矽，但是IGZO材料比多晶矽軟，適合應用在軟性基板上，製作可繞曲式螢幕，且IGZO於關閉狀態時的漏電流較非晶矽和LTPS小。

▲單一像素的剖面圖，目前各家極力研究源極和汲極中間那塊的替代材料。