液晶顯示技術 LCD 基本上是目前人類最主流的人機交流介面，儘管新興技術頻出，但其實如最新的 Mini-LED 等技術其實都還是屬於 LCD 範疇，實務上又要怎麼區別，與舊有技術又有何不同？
液晶，指的是液態晶體（Liquid Crystal，LC），是一種物理相態，因其具有特殊的理化與光電特性，被廣泛應用在顯示技術且大大的改善了裝置的輕薄程度，成為當代最普遍的顯示技術。所以基本上目前被廣泛談論的各種液晶螢幕都在 LCD（Liquid-crystal Display）的範疇內。只不過目前市場上所指的 LCD，已代指主動矩陣式 TFT-LCD 技術，其他如被動矩陣式 STN LCD 技術都已被淘汰。
TFT-LCD 全稱為薄膜電晶體液晶顯示器（Thin film transistor-liquid crystal Display）是指液晶顯示器上的每一個液晶像素點都是由集成在後的薄膜晶體管來驅動，並獨立控制，不僅提高了反應速度，還可精確控制色階。這是目前消費產品的基礎，其不僅技術已相當成熟，且成本低廉。
液晶的種類
▲ LCD 面板結構。（Source：I, Wasami007 / CC BY-SA）
TFT-LCD 主要工作原理，是由兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層玻璃基板是彩色濾光片、而下層玻璃則鑲嵌著電晶體，當電流通過電晶體所產生的電場變化，將造成液晶分子偏轉，並改變光線，再利用電壓來決定畫素明暗，且每個畫素各包含紅綠藍三原色，來構成影像輸出。雖然其電路布置方式很類似於 DRAM，只不過是建構在玻璃上，但其製程主要是造出非晶矽層或多晶矽層，而不是需要磊晶的高級電晶體。
在此技術之上，發展出了品質及成本差異化的產品。目前主要分為三種，TN、VA 及 IPS 面板，差異主要在於液晶層的不同。其中扭曲向列液晶（Twisted Nematic liquid crystal），又稱 TN 液晶是成本最低的 LCD 面板類型，不過基本上其畫素反應已經相當快，足以滿足大部分的需求。且如三星還更進一步發展了反應更快、色彩更飽滿的 B-TN 技術。
▲ 左圖為未通電狀態，光線能通過 TN 液晶，右圖施加電壓後，光線無法通過。（Source：illustration by courtesy of M. Schadt.(based on copyright claims). / CC BY-SA）
不過 TN 液晶的可視角是很嚴重的問題，到了 VA 液晶面板才算是進一步的解決方案，就算不用特殊補償膜，仍能獲得近 170 ° 的可視角。這是由於把 TN 液晶，改為使用垂直排列液晶（Vertical Alignment liquid crystal），且可以達到更高的對比度，但比起 TN 反應較慢，成本也更高，屬於中階產品。
而目前最高檔的 TFT-LCD 是 IPS ，採用橫向電場效應顯示技術（In-Plane-Switching）能有效改善視角差及各種傳統 TN 面板問題，且可視角度極佳，耗電也比 VA 面板更低，且非常適合應用在觸控式螢幕。蘋果公司早期的 iPhone 和 iPad 等產品都是使用 IPS 液晶，但當然也更昂貴。
由於 TFT-LCD 製程的熱絡發展，在新興 LED 技術出現前，基本上在談論面板時，都主要討論的是這三大類。當然還有其他如三星的 PLS、PVA 面板及富士通的 MVA 面板等新品種，不過基本上就是在廣視角的基礎上維持性能，並盡力壓低成本的結果。至此，傳統的窄視角 TN 面板就逐漸被淘汰。
成敗皆在 Open Cell
雖然目前已陷入紅海，但面板也曾經是台灣紅極一時的產業。TFT-LCD 面板零組件主要包括玻璃基板、背光模組、偏光板、彩色濾光片以及光學膜等相關材料。台灣業者在整體供應鏈環節大都有涉獵，但比較知名的友達及群創等大廠，主要是製作 Open Cell 及模組組裝。
TFT-LCD 的 Open Cell 製程一般分為前、中、後三段，前段主要是指 TFT 玻璃的製作，其製程與半導體製程類似，都是透過塗佈跟蝕刻來令薄膜電晶體鑲嵌在基板玻璃之上。中段則是將 TFT 玻璃與彩色濾光片貼合，並且加上偏光板，而後段就是把驅動 IC 和印刷電路板壓合，就完成所謂的 Open Cell，但這其實只算半成品。
▲ 與半導體類似的前段 Array，TFT 玻璃製程。（Source：群創）
值得一提的是，雖然還要加上背光板才能使用，但不少終端業者會選擇直接購買 Open Cell，來實現面板封裝與產品封裝的一體化，讓設計更有彈性。尤其是有全球過半產能的中國電視組裝廠，相當盛行 BMS 模式（Backlight Module System），早在數年前，如友達及群創等面板業者就開始轉向為出貨 Open Cell。雖然直接出貨 Open Cell 的確會比模組利潤更高，替面板廠省去了不少物料管理等成本。但必須注意的是，這也是兩面刃。
若面板廠只專注在生產半成品，但由於其高度標準化，也就難以針對不同功能的需求來發展產品組合，容易造成供過於求的局面，最終失去對市場的話語權。所以也有研究認為，就是因為面板廠轉採 Open Cell 的出貨方式反而導致價格迅速下滑，長期來講對資本規模龐大的面板業不利，也是中國業者以價格補貼就輕易突破老牌大廠的原因之一。
當然顯示技術也不只 LCD 一種，近年來有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示技術，雖然互有優缺點，但被認為是新主流。
基本上 LCD 與 OLED 的工作原理就已完全不同，OLED 擁有自發光的特性，不需要背光板及彩色濾光片，結構更加輕薄，所以受到業界青睞。OLED 跟 LED 一樣，同樣是利用傳導帶以及價電帶之間電子電洞的復合，將能量以光的形式激發出來，只不過在使用的材料上，是用高分子有機薄膜，不需要複雜的磊晶製程，且發光更有效率。
以上諸多特性使 OLED 在業界深受期望，且目前也已被廣泛應用。自 2018 年，蘋果公司的 iPhone 產品開始採用後，OLED 螢幕逐漸興起。與 LCD 相較，OLED 在可視角、對比、色域及亮度上都有相當大的優勢，但由於成本及技術問題，在大尺寸產品上，OLED 仍難以與 LCD 競爭。
OLED 與 LCD 的差別
OLED 的基本結構是在銦錫氧化物（ITO）玻璃上製作一層有機材料發光層，並在發光層上再覆蓋一層低功函數的金屬電極。透過外界電壓的驅動下，正極電洞與陰極電子便會在發光層中結合並釋放出光子，因材料特性不同而產生紅、綠和藍三原色，來構成基本色彩。
▲ OLED 與 LCD 最大的差異在於自發光。（Source：科技新報）
且為增強電子和空穴的注入和傳輸能力，通常還會在 ITO 與發光層之間再增加一層空穴傳輸層，在發光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，從而提高發光性能。事實上，現在常被提及的主動式矩陣 OLED（AM-OLED）背後也同樣是薄膜電晶體，與 TFT-LCD 一樣，依電晶體接到的指令來發光。還有一點差別在於 AM-OLED 常用圓偏光片，來降低顯示干擾，而非線性偏光片。
當然也有被動式矩陣 OLED（PM-OLED），但有明顯的缺點。OLED 螢幕最令人詬病的就是其像素點受限於材料，有明顯的壽命限制，用久了就會產生色衰、烙印等問題。而 PM-OLED 在高脈衝電流下操作，使像素壽命更短，且解析度也有限，只適合用在小尺寸產品上，所以雖然成本更低廉，但不受青睞，基本上市場對於 AM-OLED 接受度更高。
OLED 在製程流程一樣分前中後段，與 LCD 最大的差異在於 Cell 製程，主要是採用真空蒸鍍法。在高度真空的條件下，以加熱昇華的方式，將有機材料氣化並透過精密金屬遮罩（Fine Metal Mask，FMM）使其碰撞在基板表面，並凝結成 RGB 像素點。由於用此法生成的材料純度高，令器件壽命更長，所以成為主流。但也因這樣講求高精密度的製程，令原本構造簡單的 OLED 面板，成本反而降不下來。
▲ OLED 面板主要製程。（Source：科技新報）
半導體與面板業
先回過頭來講，面板業與半導體業的相似性。無論是製程或是大規模資本支出，都令人想把面板業貼上半導體業的標籤。然而實際上，兩者還是有很大的差別，重點在於產品「標準化」的程度，因應不同功能，半導體晶片設計有成千上萬種，但對於面板而言，相對就沒有那麼多的差異性，在這樣的情境下，產能跟成本控制就會變成主要追求。就像前文所述，面板業走向 Open Cell 就是如此。
先不論好壞，亦即若要有競爭力，垂直整合（IDM）或許會是更適合面板業的模式，且可能將走向大者恆大。因為所謂的產能要建構出來也並沒有那麼容易，如 OLED 蒸鍍機等關鍵設備難以取得，也成為了門檻。導致目前 OLED 主要是被韓廠壟斷，光三星就占有近 9 成的市場。
所以目前業界新進正積極追求成本更低的噴墨印刷製程。近期，中國大廠如京東方開始被認為有挑戰三星的潛力，重點就在於有望實現噴墨印刷 OLED 的量產。OLED 螢幕目前是小型智慧行動裝置的首選，在性能表現上更勝 LCD 一籌，尤其柔性基板在新興摺疊應用上不可或缺。不過要等實現噴墨印刷製程後，OLED 才有可能在大尺寸上也徹底打敗 LCD 成為真正的市場主流。
噴墨印刷難點
若用蒸鍍製程，大尺寸面板的曲翹及精密金屬遮罩等問題容易造成不良，但噴墨印刷就可克服這些困難，且成本更低，其生產不需要真空環境，也不用 FMM，材料利用率也更高，更適合大面積生產。但這並不代表就更容易，噴墨印刷主要是使用溶劑將 OLED 有機材料融化，並直接噴印在基板表面形成像素，但要製成可用的陰極墨水及大面積均勻成膜，都是技術難點。
▲ RGB 有機噴墨印刷技術。（Source：科技新報）
還有為了生產足以媲美蒸鍍法的高解析度面板，其噴墨頭的定位及噴墨液滴體積等精準控制都是挑戰，尤其同時還要兼顧印刷錯誤及生產速度。這不只是需要能進行非常精密操作的機械平台，還要優化墨水的化學組成，才能更好的控制蒸發及成膜的過程，甚至對基板的結構設計都有要求，才能讓墨水在其表面的鋪展潤濕有完美表現，這些都需要設備及工藝等達到一定門檻。
但無論如何，噴墨印刷製程會是中國業者實現彎道超車的機會，以繞過韓廠在設備和材料上提前設下的壁壘，由中國業者如華星及天馬微等，合作成立的廣東聚華，就是為了更好的實現這項技術。當然三星也不會眼睜睜的看著競爭者後來追上，近年來也積極的投入噴墨印刷製程及專利布局，若真能搶先一步應用在其 QD-OLED 面板上，三星在市場上的地位恐怕會更加不可動搖。
近年來蔚為風潮的量子點顯示技術，其實與 OLED 及 LCD 本質上沒什麼關係，還有 Mini LED 和 Micro LED 也不只是尺寸的差別。最後就來簡單的介紹一下，這些新興技術到底怎麼區分。
所謂量子點，其實是一種半導體奈米結構，可以把激子（Exciton）從三個空間方向上束縛住，且發光頻率會隨著這種半導體尺寸的改變而變化，意即透過調節這種奈米半導體的尺寸，就可控制其顏色，且具有很高的光穩定性。
基於這些特性，理論上這種螢光材料甚至可以製造出接近自然光的連續光譜效果，色域非常廣，且壽命更長，有成為終極顯示技術的潛能。簡單來講，這是一種能夠優化光源的技術，且不會有 OLED 的烙印問題。QD 技術最早還是應用在 LCD 等非自發光顯示器上，而後才被研究如何應用在 OLED 上。目前兩者通常會以 QLED 及 QD-OLED 來區分。
發展積極，量產難言
QLED 雖然同樣如 LCD 需依靠背光源，也承襲了其缺點，但透過量子點薄膜（QDEF）能發出更純的色彩。而三星近年來積極發展的 QD-OLED 則是更進一步，直接用藍色 OLED 光源，激發不同粒徑大小的量子點轉換成紅光和綠光。不僅性能提升，成本「理論」上也將低於原有的 WOLED 技術，加上噴墨印刷製程，有望使其產品能繼續稱霸市場。不過目前來看三星理想中的 QD-OLED 技術，由於光轉換率仍偏低，雖然近期不斷有樂觀消息傳出，但總體上商業化準備還不足。
▲ 理想中的真正量子點顯示技術是最右側的電致發光（Electroluminescence，EL），已不再需要進行色轉換，目前還未有明確命名。（Source：Samsung Display）
事實上，要製造量子點並不容易，材料結構至少要縮到 100 奈米以下，所以對製程要求更高，且實際上能採用的材料仍是有限，雖然在 2006 年首個量子點技術顯示器就已問世，但量子點材料往往容易受熱影響，很難使用真空蒸鍍量產，只能依賴噴墨印刷的進展。所以目前市面上所見的量子點電視，基本上是與 LCD 雷同的 QLED，而非 QD-OLED。如今三星較為成熟的也是無機材料噴墨印刷術。
而中國方面也有不小的進展，在 CES 2019 展上，華星光電也同樣發布了一種混合 OLED 與 QLED 的技術 H-QLED，且採用噴墨印刷，而在 CES 2020，更展出了柔性 OLED 噴墨印刷面板，近日還注資了日本 JOLED，可望取得相關技術，不過這些產品都還未有量產消息。
▲ 其實與三星的技術路線圖比較，H-QLED 仍是與 QD-OLED 相似的技術。（Source：科技新報）
集邦調研分析師表示，新興顯示技術瓶頸克服不易，QD-OLED 最快可能也要 2021 年才會問世，就算是目前中國已開始鋪陳產線的 OLED 噴墨印刷技術仍有 ppi 偏低的問題，真正成熟要等 2022 年以後才比較有望。
Mini LED 到 Micro LED 的曖昧
不過目前討論度最高的，可能還不是量子點技術，而是同樣被視為高階顯示技術的 Micro LED 與 Mini LED。Micro LED 是指「微發光二極體」 而 Mini LED 正式名稱為「次毫米發光二極體」，兩者尺寸基本上以 100 微米為界，約 0.1 公釐。不過如 Micro LED 已有 3 微米以下的原型，且技術難點也並不在於生產微縮晶粒。
其實最早也沒有 Mini 及 Micro 之分，只是廠商為了與競爭對手做出差異化，所以導致越來越多定義，甚至近年來還有 Nano LED 的說法，但 Micro LED 已被視為是終極技術了，真到了奈米級反而難發光。不過較值得一提的是，RGB Mini LED 就不只是做為背光，而是直接用來顯示，不過儘管寬色域及鮮豔度等性能直追 OLED，但成本仍相當驚人，基本上還是很利基。
▲ 三大顯示技術的結構比較。（Source：科技新報）
整體而言，Mini LED 仍被視為是 Micro LED 的過渡，Mini LED 大多用在傳統 LCD 結構，微縮的是背光 LED。而 Micro LED 則致力於直接封裝發光元件，能做到單獨驅動無機自發光，甚至性能更勝 OLED，被業界譽為新藍海。雖然製程簡化，但技術更困難，尤其是巨量轉移（Mass Transfer）技術更將直接影響未來 Mini LED 的設計週期及 Micro LED 的量產契機。
▲ 巨量轉移技術的概念流程。（Source：科技新報）
所以如台廠更積極的在發展 Mini LED，而打算退出 LCD 市場的三星就直接將目標放在 Micro LED 上。簡單的說，無論是 Mini 或 Micro LED 技術與之前討論的最大不同主要在於後段製程，從巨量轉移、封裝測試，甚至到維修都是很大的挑戰。且如今隨著技術進步 Mini LED 尺寸的定義可能還會越來越小，未來 50 微米以上可能都還是被稱做 Mini LED。
最後值得一提的是，目前台灣業者所稱的 Mini LED，與中國常講的 Mini LED 顯示，概念上並不太一樣。台廠所指，的確是微縮晶粒尺寸，而中國就更突顯在封裝方式上，若是 Mini LED 背光模組，可用更密集的晶片排布來做成超薄光源。而放在自發光顯示，Mini LED 也能做出更小的點間距封裝，兩者產品有一定的差異化。
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