提升LCD色彩表現度　LED背光技術當道

市場研究機構iSuppli預測，至2009年，液晶顯示器(LCD)將成為電視顯示領域的獨大技術，單位出貨量將占整體市場的52%；2011年，LCD將占據全球電視市場單位出貨量的65%。在筆記型電腦LCD方面，iSuppli則預期該市場將因筆記型電腦價格下降、無線功能增加、以及螢幕尺寸放大等因素推動下，2011年將達一億六百一十五萬片的市場規模。為提升LCD面板亮度與色彩飽和度，相關廠商致力於技術的精進，也進而促使LCD面板市占率不斷提升。
 

提高LCD亮度效率可從背光模組的效能、基板開口率增加與光回收再利用三個方面出發，其中背光模組的效能包括燈源、燈管、燈罩的改良與導光板及擴散片設計，以及極光片應用；增加開口率包括使用高穿透率、高偏光率的偏光片，與增加基板的開口率和提高彩色率光片的穿透率；光回收再利用部分即可使用膽固醇液晶反射式偏光片與回覆反射式偏光片。
 

在背光方面，根據資料指出，2008年電腦採用發光二極體(LED)背光源的比例逐漸增加，筆記型電腦用白光LED的需求也將持續增長，加上目前小型面板市場需求正熱，既有的LED背光源訂單也可望放大， LED產業景氣也將轉為強勁。雖現階段LED背光源因其成本問題暫時尚無法完全取代冷陰極燈管(CCFL)，但未來LED背光源仍是最有可能替代傳統CCFL背光源的最佳方式。
 

LED背光源提升LCD亮度
 

LED作為LCD的背光源，與傳統CCFL背光技術相比(表1)，除了在色域範圍的優勢外，還有包括壽命可長達10萬小時、亮度調整範圍大、LED功率控制容易、完美的運動圖像、即時色彩管理、可調整的背光白平衡，同時保證整體對比度、可為大尺寸螢幕提供連續面陣光源、安全、環保、抗震等優點。國立中興大學材料科學與工程學系副教授林佳鋒表示，若筆記型電腦採用LED背光源，在厚度上可較CCFL少二分之一；在節能方面，可省約20～30%的電力，這也是筆記型電腦廠商逐漸採用LED背光的主要原因。

資料來源：三星電子

從面板基礎構造來看，若產品組裝好後，發現呈現出來的顏色與預期不符，林佳鋒表示，可由背光模組、彩色濾光片、液晶三部分調整，其中以背光模組最易調整。目前LED背光模組通常為白光LED，但利用RGB(紅綠藍)LED技術較能達到符合NTSC定義的色彩空間目標，並能提供更清晰、更明亮的顏色。
 

由CIE色度圖來看，NTSC定義的RGB三色光譜形成的色率面積，實際上冷極射線管(CRT)呈現的色率面積較一般白光LED接近，這也是目前CRT螢幕色彩呈現度較為領先的因素，但採用RGB LED背光即可相當接近NTSC定義的RGB三色光譜形成的色率面積，並可超越一般白光LED與CRT所呈現出來的顏色。但由於RGB LED採用的技術不同，因此每一種光源衰減的速度並不一樣，難以維持穩定的色點(Color Point)，此外LED的波長也會隨著溫度的變化而改變，這也是發展背光模組廠商須跨越的門檻。
 

為因應市場需求，從早期較多台灣廠商提供藍光LED，至2007年開始研發紅光LED技術，逐漸增強自身LED技術能力，以期可一次提供RGB三色的LED背光模組，雖然如此，面板與模組商對於顏色的期待還是有所不同，林佳鋒表示，由RGB三原色的光譜觀察，可發現每個顏色的特性，也可比較出面板廠商與LED背光模組廠商對於顏色呈現的差距，面板商希望光譜波形較窄，即顏色呈現飽和度高且純，而LED背光模組廠商則希望顏色穿透力高且亮，由於需求的歧異，因而產生色差，導致終端產品顏色與預期不同，但因人眼對於亮度比色彩飽和度更為敏感，因此面板商與LED背光模組廠商兩相調整堅持的部分，達成目前先以提升顏色亮度之後，再提升顏色的純度的共識。
 

雖LED背光技術具備色彩上的優勢與擁有其他的優點，不過就市場應用面來看，該技術與目前的CCFL相比，在成本與散熱方面仍有落差。對LCD面板市場來說，若色彩效能無法進一步，將難以讓消費者願意以較高的價格來購買，因此技術提升對LED背光模組廠商而言是必要的。同時，隨著此LED背光技術的逐漸普及，成本也將能進一步下降，如此一來，LED背光不但能提高市占率，並可大舉進攻大尺寸LCD面板市場。
 

偏光板與液晶決定背光源穿透力
 

上述提到人眼對光的亮度較為敏感，因此除了改善背光模組光源外，偏光板(Polarizer)也是重要因素之一。自然光的進行方向四面八方，透過分析可歸納為50%的垂直線性偏振光與50%的水平線性偏振光，早期LCD面板設計上，將偏光板用來作為光的開關，因其僅允許某一方向的光通過，然而目前強調LED面板的亮度，因此偏光板不再僅擔任光穿透的開關工作，任其損失50%的光線，林佳鋒表示，若採用具線性偏振光特色的偏光板，即可避免光源的損失，提高LCD面板亮度。
 

偏光板由保護膜/層、聚乙烯機乙醇高分子膜(PVA)偏光膜、黏著劑層與隔離薄膜組成，其材料與功能如表2所示，其中PVA偏光膜才具備讓垂直方向偏振光通過的特性，林佳鋒解釋，PVA偏光膜上的PVA分子為任意角度且不規則分布，受力延伸後分子就逐漸偏轉於作用力方向上，而附著在PVA上的碘離子或染料也隨之有方向性，因此可吸收平行於其排列方向的光束分量，只讓垂直方向偏振光通過。

在PVA偏光板上，若塗上碘離子，為碘系偏光板；若為一般染料，則為染料系偏光板，其中碘系偏光板具高透過性、高對比，不但具有較廣域波長的偏光特性，同時價格也較為經濟，因此其市場占有率高達80～90%，廣泛應用於手錶、計算機、個人電腦、辦公室自動化機器等領域，一般LCD也都採用碘系偏光板；而染料系偏光板的偏光特性雖然不若碘系偏光板好，但其具備耐溼熱優點，因此適用於汽車、船舶、航空、戶外量測儀器等。
 

液晶材料排列方式與偏光片特性有很大的關係，在偏光板間注入液晶材料後，利用配向膜抓住液晶胞排列方向，再利用電壓使液晶胞排列方式依序由上往下旋轉，並旋轉至九十度，即可控制透過偏光板的光線為工程師所要的光線，並可掌握光的穿透率，提升面板亮度。
 

近年來，膽固醇液晶反射式偏光片由於不需要背光模組、彩色濾光片(Color Filter)及偏光板，在製程設備成本可大幅節省八成、在材料及零組件成本則可省下七成，因而成為各界關切的新技術，並被視為下世代平面顯示器的潛力股，加上厚度也可再降低，因此相當適用於手機面板，未來市場商機可期。
 

同時，利用不同種類的偏光片，可有效將因透過偏光片而造成的光損失回收再利用，上述的膽固醇液晶反射式偏光片，則可有效將無法穿過偏光片光反射回背光模組，使光線右旋或左旋50%後，即可通過偏光板。
 

彩色濾光片與色彩飽和度息息相關
 

解決了光的穿透力，提升面板整體亮度之後，對於顏色的飽和度則可利用彩色濾光片加以改善。彩色濾光片結構包含玻璃基板、遮光層(Black Matrix, BM)、RGB彩色著色層、保護膜與透明電極(ITO)，其中遮光層可分為金屬與樹脂材質，目前以樹脂材質為大宗；保護膜使用丙烯與氨基甲酸酯樹脂，可防止液晶污染與使彩色濾光片表面平坦化，ITO與畫素之ITO層相對應，可導電；而RGB彩色著色層與顏色呈現最為相關，林佳鋒表示，彩色濾光片設計涉及色再現性要素，色再現性為面板色彩表現重要因素，由背光光譜、液晶胞光譜、彩色濾光片之透光光譜決定，可藉由調整液晶胞間隙、合適的液晶折射率之異方向性，以及背光模組之光譜波峰至接近彩色濾光片的RGB光譜等方式提升。
 

調整色再現性的方式包括，可提升彩色濾光片RGB顏料濃度，或提升基板的開口率兩種方式，關鍵為提升彩色濾光片特性時，須兼顧穿透率與色再現性。增加RGB顏料濃度會使色再現性提高，但光穿透率下降；提升開口率則將提高光穿透率，相對將使色再現性下降。林佳鋒表示，應以應用產品需求決定，增加RGB顏料濃度將使彩色濾光片增厚，適合液晶螢幕採用；而提升開口率可使彩色濾光片更薄，適用於手機等對於輕薄需求較為強烈的可攜式產品應用。
 

彩色濾光片可同時搭配白光或是RGB LED的背光模組，林佳鋒表示，雖彩色濾光片技術不斷提升，但決定LCD面板色彩飽和度的高低還是以背光模組為最主要因素，目前白光LED背光模組搭配彩色濾光片後，與一般採用CCFL的背光模組所呈現的色彩飽和度相去不遠，但可以讓面板厚度更薄，且白光LED可以更省電，若使用RGB LED背光模組，則不但可將彩色濾光片因RGB顏料過厚而造成的色再現性降低缺點消除外，更可提升LCD面板色彩飽和度。