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❒ 扭轉向列型－液晶顯示器(TN-LCD：Twist Nematic LCD)
扭轉向列型(TN)液晶分子會在兩片導電玻璃之間分成數層，每一層的液晶分子都會旋轉一個角度，而且第一層與最後一層液晶分子旋轉角度「小於90º」，如＜圖一＞所示。扭轉向列型液晶(TN)的每一層分子旋轉的角度比較小，在化學的觀點上我們稱這種液晶分子的「能量較低，比較安定」，當我們外加電壓時，液晶會站在玻璃上，比較安定的TN分子就好像「躺在玻璃上的分子一樣，很安定很舒服」，所以受到外加電壓時反應比較慢，需要比較長的時間才能站在玻璃上，這種液晶顯示器的黑白反應速度比較慢。
➤優點：驅動電壓較低、耗電量較低、製作容易成本較低。
➤缺點：反應速度慢、有殘影發生，只適合做黑白顯示器。
➤應用：電子錶、電子計算機、電子字典。

圖一　扭轉向列型－液晶顯示器(TN-LCD)構造示意圖。

❒ 超扭轉向列型－液晶顯示器(STN-LCD：Super Twist Nematic LCD)
超扭轉向列型(STN)液晶分子會在兩片導電玻璃之間分成數層，每一層的液晶分子都會旋轉一個角度，而且第一層與最後一層液晶分子旋轉角度「大於90º(180º~240º)」，如＜圖二＞所示。超扭轉向列型液晶(STN)的每一層分子旋轉的角度比較大，在化學的觀點上我們稱這種液晶分子的「能量較高，比較不安定」，當我們外加電壓時，液晶會站在玻璃上，比較不安定的STN分子就好像「半蹲在玻璃上的分子一樣，很不安定很不舒服」，所以受到外加電壓時反應比較快，立刻就站在玻璃上了，這種液晶顯示器的黑白反應速度比較快。
➤優點：反應速度較TN快、製作較TFT容易。
➤缺點：反應速度仍然不夠快、只適合做灰階或高彩顯示器。
➤應用：彩色手機、彩色個人數位助理(PDA)、數位相機。

圖二　超扭轉向列型－液晶顯示器(STN-LCD)構造示意圖。

❒ 薄膜電晶體－液晶顯示器(TFT-LCD：Thin Film Transistor LCD)
控制每一個畫素的薄膜電晶體(TFT)是直接製作在玻璃上，我們使用化學氣相沉積(CVD)在玻璃上方成長一層非晶矽，再將薄膜電晶體(TFT)製作在非晶矽上方，因為玻璃基板是「非晶」所以製作在上面的開關元件也是「非晶」。由於玻璃的「轉化溫度(Transition temperature)」大約300ºC，轉化溫度其實就是「軟化溫度」，也就是升溫到300ºC時玻璃會開始軟化，所以製程溫度不能超過300ºC，否則玻璃就軟掉了。在製程溫度低於300ºC的條件下，使用化學氣相沉積(CVD)在玻璃上方製作「非晶矽」的薄膜電晶體(TFT)，稱為「低溫非晶矽(Low temperature amorphous silicon)」，目前我們所稱呼的「薄膜電晶體－液晶顯示器(TFT-LCD)」都是使用低溫非晶矽製程。
➤優點：反應速度較STN快、可製作全彩顯示器。
➤缺點：薄膜電晶體製作困難、成本較STN高、非晶矽的導電性不佳所以驅動電壓較高、非晶矽的導電性不佳所以耗電量較高、非晶矽的薄膜電晶體較大所以開口率較低。
➤應用：全彩液晶顯示器、筆記型電腦、液晶電視。

❒ 高溫多晶矽(HTPS：High Temperature Poly Silicon)
由於使用非晶矽製作的薄膜電晶體(TFT)，導電性較差，工作速度較慢，如果我們希望增加工作速度，則必須使用「單晶矽」最好，不幸的是，由於玻璃本身是非晶，因此不可能在非晶的玻璃基板上成長單晶矽，科學家們想出了一個好主意，就是使用「退火(Anneal)」的方式，先使固體材料的溫度升高，再緩慢冷卻形成多晶。如＜圖三(a)＞所示，我們將玻璃與「非晶矽薄膜」放進高溫爐中，升溫到600ºC，再緩慢冷卻到室溫，就可以變成「多晶矽薄膜」，這種製程稱為「高溫多晶矽(HTPS)」。由於玻璃的轉化溫度大約300ºC，將玻璃升溫到600ºC時玻璃會開始軟化，所以在高溫多晶矽(HTPS)製程不能使用玻璃作為基板，必須將導電玻璃的「玻璃(Glass)」換成「石英(Quartz)」才行，石英(Quartz)是「二氧化矽的單晶」，熔點高達1200ºC，但是價格極高，而且尺寸愈大的石英，價格是成等比級數增加(和鑽石很像)，所以高溫多晶矽(HTPS)不可能使用在低價的大尺寸液晶顯示器，早期都是使用在「液晶投影顯示器」內的高解析度、小尺寸液晶面板，通常小於3吋而已，關於液晶投影顯示器將在後面詳細介紹。
 

❒ 低溫多晶矽－液晶顯示器(LTPS-LCD：Low Temperature Poly Silicon LCD)
由上面的介紹不難發現，其實我們想要進行「退火(Anneal)」的部分只有薄膜電晶體(TFT)而已，將玻璃基板與薄膜電晶體整塊放進高溫爐中加熱其實是很笨的做法，大家不妨思考看看，有什麼方法可以只加熱薄膜電晶體，卻可以使玻璃基板保持在低溫呢？聰明的科學家們發明了新的技術，稱為「雷射退火(Laser anneal)」，如＜圖三(b)＞所示，將玻璃與「非晶矽薄膜」放進雷射退火爐中，使用高能量的雷射光入射到透鏡，再聚焦到非晶矽薄膜上加熱，升溫到600ºC，再緩慢冷卻到室溫，就可以變成「多晶矽薄膜」，而雷射退火爐的下方有冷卻水管，可以將玻璃基板的溫度保持在300ºC以下，怎麼樣，這麼簡單的方法你(妳)是不是也想到了呢？
➤優點：反應速度最快、多晶矽的導電性較佳所以驅動電壓較低、多晶矽的導電性較佳所以耗電量較低、多晶矽的薄膜電晶體較小所以開口率較高。
➤缺點：雷射退火技術尚未成熟，產品良率較低。
➤應用：全彩液晶顯示器、筆記型電腦、液晶電視。

圖三　高溫多晶矽(HTPS)與低溫多晶矽(LTPS)製程示意圖。

❒ 開口率(Aperture ratio)
開口率是指每個畫素「可以透光的有效區域」除以「畫素的總面積」，如＜圖四(a)＞所示，因為非晶矽或多晶矽其實都是不透明的，因此薄膜電晶體(TFT)一定是不透明的，換句話說，在液晶顯示器的面板上，每個畫素左上角的薄膜電晶體(TFT)不會透光，眼睛看起來是黑的，如果開口率愈高，整個畫面看起來愈亮。
 

由於「非晶矽」的導電性不佳，必須使用較大的面積來製作薄膜電晶體(TFT)才能達到開關的功能，如＜圖四(b)＞所示，所以開口率較小；由於「多晶矽」的導電性較佳，可以使用較小的面積來製作薄膜電晶體(TFT)就能達到開關的功能，如＜圖四(c)＞所示，所以開口率較大，因此使用「低溫多晶矽(LTPS)」製作的薄膜電晶體(TFT)，整個畫面看起來比較亮，視覺品質也比較好。

圖四　開口率(Aperture ratio)的定義。

❒ 液晶顯示器的特性比較
在液晶顯示器產業上，各種不同的液晶顯示器特性比較如＜表一＞所示，我們依照前面學過的原理來討論各種液晶顯示器的特性如下：
➤面板價格
TN：使用「被動矩陣式」，價格較低。
STN：使用「被動矩陣式」，但是液晶種類不同，製程也比較複雜，價格中等。
TFT：使用「主動矩陣式」，在玻璃上製作「非晶矽」薄膜電晶體，價格較高。
LTPS：使用「主動矩陣式」，在玻璃上製作「非晶矽」薄膜電晶體，而且必須使用雷射退火形成「多晶矽」，價格更高。知識力www.ansforce.com。
➤反應速度
TN：使用「扭轉向列型液晶(TN)」，能量較低，比較安定，反應速度慢。
STN：使用「超扭轉向列型液晶(STN)」，能量較高，比較不安定，反應速度中等。
TFT：使用「主動矩陣式」，在玻璃上製作「非晶矽」薄膜電晶體，反應速度較快。
LTPS：使用「主動矩陣式」，在玻璃上製作「多晶矽」薄膜電晶體，反應速度更快。
➤驅動電壓
TN：使用「被動矩陣式」，開關使用矽晶圓製作成「單晶」的積體電路，驅動電壓低(單晶導電性好)。
STN：使用「被動矩陣式」，開關使用矽晶圓製作成「單晶」的積體電路，驅動電壓低(單晶導電性好)。
TFT：使用「主動矩陣式」，在玻璃上製作「非晶矽」薄膜電晶體，驅動電壓高(非晶導電性差)。
LTPS：使用「主動矩陣式」，在玻璃上製作「多晶矽」薄膜電晶體，驅動電壓中等(多晶導電性中等)。

表一　液晶顯示器的特性比較。

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