FFS廣視角技術發展 - å ‰é›»ç§‘æŠ€å·¥æ¥­å”é€²æœƒ

文 / 李 彥 蒲 ( 光 電 科 技 工 業 協 進 會 產 業 分 析 師 )
特 別 企 畫
Special Report
智 慧 型 行 動 手 持 裝 置 助 益
IPS/FFS 廣 視 角 技 術 發 展
液 晶 平 面 顯 示 器 (Liquid Crystal Display, LCD) 為 目 前 顯 示 產 業 的 主 流 顯 示 技 術 , 但 發 展 以 來 可
視 角 度 偏 小 成 為 較 為 人 詬 病 的 缺 點 , 當 觀 看 角 度 過 大 時 畫 面 就 會 失 真 , 其 對 比 度 以 及 色 彩 表 現 也
會 大 打 折 扣 , 如 圖 1 所 示 。 因 此 , 全 球 各 大 面 板 廠 商 為 突 破 可 視 角 度 的 瓶 頸 , 開 發 了 各 種 相 關 的
廣 視 角 技 術 , 如 TN 面 板 (Twisted Nematic)、VA 類 面 板 (Vertical Alignment, 包 含 PVA、MVA
以 及 CPA)、IPS 面 板 (In-Plane Switching), 以 及 IPS 技 術 所 衍 伸 的 FFS 面 板 (Fringe Field
Switching) 等 , 大 大 改 善 了 LCD 的 視 角 問 題 , 也 影 響 了 液 晶 面 板 的 反 應 時 間 和 亮 度 等 性 能 。
圖 1 液 晶 平 面 顯 示 器 窄 視 角 問 題
資 料 來 源 :PIDA,2011/7
光 連 雙 月 刊 2011 年 9 月 ‧No.95
37

特 別 企 畫
Special Report
智 慧 型 行 動 手 持 裝 置 助 益 IPS/FFS 廣 視 角 技 術 發 展
液 晶 分 子 的 雙 折 射 特 性 形 成 視 角 差
液 晶 顯 示 器 是 由 背 光 模 組 、 偏 光 層 、 薄 膜 電
晶 體 基 板 、 液 晶 層 、 配 向 膜 、 彩 色 濾 光 片 , 以 及
偏 光 層 所 組 成 , 當 顯 示 光 源 由 背 光 模 組 發 出 , 通
過 偏 光 層 、 液 晶 層 、 配 向 層 等 結 構 , 最 後 由 偏 光
層 發 出 ; 液 晶 分 子 的 主 要 特 徵 之 一 , 為 具 有 折 射
率 異 向 性 的 雙 折 射 性 。 由 於 液 晶 分 子 之 幾 何 異 向
性 , 導 致 光 線 在 液 晶 中 行 進 的 速 度 與 光 線 本 身 的
行 進 方 向 以 及 偏 振 方 向 有 關 , 因 此 當 光 源 在 液 晶
層 中 行 進 時 , 液 晶 分 子 在 不 同 軸 向 的 折 射 係 數 不
同 , 如 圖 2 所 示 , 導 致 光 在 經 過 液 晶 層 後 之 偏 振 態
會 因 為 所 看 到 之 液 晶 分 子 雙 軸 折 射 率 不 同 有 所 不
同 , 最 後 通 過 偏 光 層 發 出 , 使 得 站 在 不 同 角 度 觀
看 顯 示 畫 面 所 呈 現 出 來 的 對 比 度 以 及 色 彩 飽 和 度
都 會 大 打 折 扣 , 形 成 視 角 差 。
一 般 而 言 , 傳 統 的 液 晶 顯 示 器 在 不 加 任 何 廣
視 角 技 術 下 的 最 大 可 視 角 度 ( 對 比 值 至 少 能 達 到
10:1 的 視 角 ) 為 90 度 , 若 只 有 一 位 觀 看 者 的 話 ,
此 問 題 就 不 存 在 , 但 超 過 一 位 以 上 的 觀 看 者 , 想
要 展 示 某 個 畫 面 給 其 他 人 看 或 是 多 人 一 起 玩 遊 戲
圖 2 光 源 在 液 晶 分 子 中 行 進 方 向 不 同 所 看 到 的 折 射 率 也 會 不 同
機 , 窄 視 角 的 問 題 將 成 為 他 們 抱 怨 顯 示 器 品 質 最
直 接 的 出 口 。
TN 面 板 - 扭 向 陣 列 型
(Twisted Nematic)
TN+FILM 這 項 技 術 就 是 在 原 有 的 基 礎 上 , 增
加 一 層 廣 視 角 補 償 膜 , 液 晶 分 子 仍 屬 TN 模 式 , 在
TN 液 晶 層 兩 側 分 別 增 加 一 層 補 償 薄 膜 , 以 補 償 可
見 光 通 過 液 晶 層 時 因 雙 折 射 率 不 同 所 造 成 的 相 位
延 遲 來 達 到 廣 視 角 , 而 這 層 補 償 膜 可 以 將 可 視 角
度 增 加 到 150 度 左 右 。
就 技 術 層 面 來 說 ,TN+FILM 製 程 是 在 傳 統 液
晶 平 面 顯 示 器 製 程 上 增 加 兩 層 補 償 膜 , 製 程 技 術
較 為 簡 單 , 為 開 放 式 的 技 術 , 不 需 做 專 利 審 核 ,
進 入 門 檻 低 , 成 本 低 廉 , 且 良 率 極 高 , 是 一 種 被
廣 泛 應 用 的 廣 視 角 技 術 , 對 於 廠 商 來 說 , 此 技 術
並 不 是 最 佳 的 解 決 方 案 , 但 卻 是 最 廉 價 的 解 決 方
法 ; 但 對 於 低 對 比 以 及 響 應 速 度 慢 這 兩 項 問 題 改
善 有 限 , 主 要 應 用 在 一 些 如 筆 記 型 電 腦 、 手 機 等
個 人 化 商 品 以 降 低 成 本 , 現 階 段 全 球 各 大 面 板 廠
仍 將 此 一 技 術 運 用 在 一 些 低 階 顯 示 技 術 的 面 板 。
VA 面 板 - 垂 直 配 向 型
(Vertical Alignment)
以 目 前 來 說 ,VA 面 板 在 高 階 面 板 為 應 用 最
廣 泛 的 主 流 廣 視 角 技 術 , 其 基 本 原 理 為 不 加 電 壓
時 , 液 晶 分 子 呈 現 直 立 的 狀 態 , 此 時 顯 示 螢 幕 為
一 暗 態 ; 在 加 了 電 壓 之 後 , 液 晶 分 子 朝 向 「 四 面
八 方 」 倒 下 , 使 得 觀 看 者 所 觀 看 到 的 液 晶 分 子 排
列 為 各 方 向 角 度 均 勻 分 布 , 此 時 是 亮 態 , 如 圖 3 所
示 , 而 VA 面 板 又 分 為 為 由 富 士 通 (Fujitsu) 主 導
的 MVA 面 板 、 三 星 (Samsung) 開 發 的 PVA 面 板 與
資 料 來 源 :PIDA,2011/7
夏 普 (Sharp) 開 發 的 CPA 面 板 。
38
光 連 雙 月 刊 2011 年 9 月 ‧No.95

智 慧 型 行 動 手 持 裝 置 助 益 IPS/FFS 廣 視 角 技 術 發 展
特 別 企 畫
Special Report
圖 3 VA 面 板 廣 視 角 原 理
資 料 來 源 :PIDA,2011/7
● MVA 面 板 : 畫 素 分 割 垂 直 配 向 型
(Multi-domain Vertical Alignment)
透 過 設 計 畫 素 結 構 和 電 場 分 布 , 利 用 凸 起 物
來 形 成 多 象 限 , 凸 起 物 使 液 晶 本 身 產 生 一 個 預 傾
角 , 讓 液 晶 傾 倒 於 多 個 方 向 達 到 多 象 限 分 割 , 進
而 提 升 大 視 角 的 光 學 表 現 。 簡 言 之 ,MVA 面 板
是 一 種 有 極 佳 暗 態 表 現 的 廣 視 角 技 術 。 而 這 個 凸
起 物 頂 角 的 角 度 越 大 , 則 分 子 長 軸 的 傾 斜 度 就 越
小 。 早 期 的 MVA 模 式 液 晶 凸 起 物 只 在 一 側 , 後 期
的 MVA 凸 起 物 則 在 上 下 兩 端 , 因 為 有 凸 起 物 的 關
係 , 液 晶 分 子 在 靜 態 時 並 不 是 真 的 垂 直 配 向 , 當
施 加 電 壓 時 , 液 晶 分 子 變 成 水 平 配 向 因 此 允 許 背
光 通 過 。
國 內 友 達 與 奇 美 均 採 用 MVA 面 板 技 術 , 分
別 以 友 達 的 A-MVA(Advanced MVA)、 奇 美 的
S-MVA(Super MVA) 為 發 展 。
● PVA 面 板 : 垂 直 取 向 構 型
(Patterned Vertical Alignment)
為 MVA 面 板 為 基 礎 所 延 伸 發 展 的 技 術 , 利 用
氧 化 銦 錫 (Indium Tin Oxide, ITO) 所 組 成 之 透
明 導 電 薄 膜 層 結 構 設 計 來 取 代 MVA 面 板 中 的 凸 起
物 , 其 製 造 工 藝 與 TN 模 式 相 容 性 較 好 。
PVA 上 的 ITO 不 是 一 個 完 整 的 薄 膜 , 而 是 被
光 刻 了 一 道 道 的 縫 , 上 下 兩 層 的 縫 並 不 對 應 , 從
剖 面 上 看 , 上 下 兩 端 的 電 極 正 好 依 次 錯 開 , 平 行
的 電 極 之 間 也 恰 好 形 成 一 個 傾 斜 的 電 場 來 調 製 光
線 。
● CPA 面 板 : 連 續 焰 火 狀 排 列 型
(Continuous Pinwheel Alignment)
在 未 加 電 狀 態 下 , 液 晶 分 子 跟 VA 模 式 一 慣 特
性 一 樣 都 是 分 子 長 軸 垂 直 于 面 板 方 向 互 相 平 行 排
列 , 呈 現 暗 態 模 式 。CPA 模 式 的 每 個 像 素 都 具 有
多 個 方 形 圓 角 的 次 像 素 電 極 , 當 電 壓 加 到 液 晶 層
次 像 素 電 極 和 另 一 面 的 電 極 上 時 , 形 成 一 個 對 角
的 電 場 驅 使 液 晶 向 中 心 電 極 方 向 傾 斜 。 各 液 晶 分
子 朝 著 中 心 電 極 呈 放 射 的 焰 火 狀 排 列 。
IPS 面 板 - 平 面 轉 換 型
(In-Plane Switching)
IPS 面 板 最 大 的 特 點 是 電 極 都 設 計 在 同 一 平 面
上 , 且 液 晶 分 子 排 列 方 式 為 平 躺 狀 , 施 加 電 壓 時
液 晶 分 子 在 同 一 個 2D 平 面 上 旋 轉 , 與 一 般 廣 視 角
技 術 (TN/VA) 面 板 電 極 位 在 上 下 兩 面 , 液 晶 分
光 連 雙 月 刊 2011 年 9 月 ‧No.95
39

特 別 企 畫
Special Report
智 慧 型 行 動 手 持 裝 置 助 益 IPS/FFS 廣 視 角 技 術 發 展
子 呈 現 垂 直 旋 轉 型 有 所 不 同 ; 而 IPS 的 工 作 原 理 有
些 類 似 於 TN 模 式 液 晶 , 不 同 的 是 IPS 模 式 的 液 晶 分
子 排 列 不 是 扭 曲 向 列 而 且 其 長 軸 方 向 始 終 平 行 於
基 板 , 控 制 該 電 壓 的 大 小 就 把 液 晶 分 子 旋 轉 到 需
要 的 角 度 , 配 合 偏 振 片 就 可 以 調 製 極 化 光 線 的 透
過 率 , 以 顯 示 不 同 的 色 階 , 如 圖 4 所 示 。
IPS 廣 視 角 技 術 由 於 平 躺 型 液 晶 在 一 個 平 面 上
旋 轉 , 較 沒 有 方 向 性 , 以 平 躺 旋 轉 90 度 之 方 式 讓
光 線 通 過 , 因 此 在 大 角 度 之 方 位 , 可 以 有 效 將 灰
階 反 轉 及 色 偏 移 作 大 幅 改 善 , 另 外 , 這 樣 的 技 術
是 在 液 晶 分 子 長 軸 取 向 上 做 文 章 , 使 得 觀 看 者 任
何 時 刻 都 只 看 到 液 晶 分 子 的 短 軸 , 因 此 在 各 個 角
度 上 所 觀 看 到 的 畫 面 都 不 會 有 太 大 差 別 , 這 樣 就
比 較 完 美 地 改 善 了 液 晶 顯 示 器 的 視 角 。
當 然 ,IPS 技 術 仍 然 有 尚 待 突 破 的 挑 戰 , 由 於
電 極 至 於 同 一 平 面 , 當 加 上 驅 動 電 壓 時 , 靠 近 電
極 的 液 晶 分 子 會 獲 得 較 大 的 扭 轉 動 力 , 迅 速 扭 轉
90 度 , 但 遠 離 電 極 之 液 晶 分 子 就 無 法 獲 得 一 樣 的
動 力 , 扭 轉 速 度 較 慢 , 讓 IPS 技 術 的 驅 動 電 壓 較
高 , 且 開 口 率 較 低 , 需 要 較 多 的 背 光 源 。
FFS 面 板 - 邊 界 電 場 切 換 型
(Fringe Field Switching)
FFS 邊 界 電 場 切 換 型 面 板 為 IPS 平 面 轉 換 型
面 板 技 術 所 衍 伸 出 來 的 廣 視 角 技 術 , 其 結 構 設 計
上 ,FFS 是 在 電 極 間 距 下 方 設 置 一 般 電 極 , 施 加 電
壓 就 會 產 生 邊 界 電 場 使 液 晶 在 電 極 上 旋 轉 , 藉 由
圖 4 IPS 面 板 廣 視 角 原 理
IPS
IPS
LC
Molecule
LC
Molecule
斷 電 模 式
通 電 模 式
資 料 來 源 :HYDIS,PIDA 整 理 ,2011/7
圖 5 FFS 面 板 廣 視 角 原 理
FFS
FFS
LC
Molecule
LC
Molecule
斷 電 模 式
通 電 模 式
資 料 來 源 :HYDIS,PIDA 整 理 ,2011/7
40
光 連 雙 月 刊 2011 年 9 月 ‧No.95

智 慧 型 行 動 手 持 裝 置 助 益 IPS/FFS 廣 視 角 技 術 發 展
特 別 企 畫
Special Report
圖 6 各 廣 視 角 面 板 技 術 評 析
技 術
全 名
水 平 可 視 角
未 受 電 下 之 狀 態
對 比
觸 碰 類 型
技 術 廠 商
代 工 廠 商
優 點
缺 點
資 料 來 源 :PIDA 整 理 ,2011/7
TN+Film VA IPS
TN+Film MVA PVA CPA IPS FFS
Twisted Nematic
160
亮
低
軟 屏
1. 製 程 簡 單
2. 良 率 最 高
3. 便 宜
1. 對 比 度 較 差
2. 色 偏 表 現 較 差
3. 易 產 生 亮 點
Multi-domain
Vertical Alignment
160
暗
佳
軟 屏
Fujitsu
富 士 通 、 友 達 、
奇 美 電
1. 高 對 比
2. 反 應 速 度 較 快
1. 正 視 屏 幕 均 勻 度 較 差
2. 易 產 生 顏 色 漂 移
Patternd
Vertical
Alignment
170
暗
佳
軟 屏
Samsung
三 星
Continuous
Pinwheel
Alignment
170
暗
佳
軟 屏
Sharp
In-Plane
Switching
1. 高 對 比
2. 適 合 觸 控 面 板
1. 較 耗 電
2. 反 應 速 度 較 慢
Fringe Field
Switching
1. 視 角 表 現 最 佳
2. 適 合 觸 控 面 板
1. 較 耗 電
2. 反 應 速 度 較 慢
筆 記 型 電 腦
主 要 應 用 LCD 顯 示 器
LCD 電 視 智 慧 型 行 動 手 持 裝 置
一 般 手 機
夏 普
170
暗
佳
硬 屏
Hitachi
LGD、Hitachi、
瀚 宇 彩 晶
~180
暗
佳
硬 屏
Hydis
元 太 、 京 東 方
邊 界 電 場 使 幾 乎 均 質 排 列 的 液 晶 分 子 在 電 極 表 層
內 部 旋 轉 , 達 到 高 穿 透 性 與 大 視 角 特 性 。 這 種 電
場 分 佈 , 在 z 方 向 有 較 大 的 分 量 , 可 以 調 變 液 晶 分
子 的 面 積 也 較 大 , 這 樣 的 電 極 分 布 設 計 大 幅 提 升
了 施 加 驅 動 電 壓 後 液 晶 平 面 顯 示 器 中 液 晶 分 子 扭
轉 動 力 , 改 善 了 IPS 廣 視 角 技 術 扭 轉 速 度 慢 , 且 開
口 率 低 , 需 要 較 多 的 背 光 源 等 缺 點 , 另 外 FFS 面 板
也 是 廣 視 角 技 術 中 視 角 最 廣 的 技 術 。
平 面 上 做 水 平 扭 轉 的 顯 示 原 理 , 讓 觀 看 者 不 管 在
任 何 角 度 任 何 方 位 , 都 只 看 到 液 晶 分 子 的 短 軸 ,
使 得 面 板 全 方 位 都 可 達 廣 視 角 的 效 果 。 另 外 ,IPS
以 及 FFS 為 硬 屏 , 當 按 壓 面 板 時 , 不 會 出 現 像 按 壓
其 他 廣 視 角 技 術 面 板 所 產 生 的 水 波 紋 , 讓 IPS 以 及
FFS 都 更 加 適 合 應 用 在 觸 控 面 板 , 但 目 前 六 、 七 成
的 良 率 仍 然 是 IPS/FFS 廣 視 角 面 板 價 格 高 於 一 般
廣 視 角 面 板 的 關 鍵 。
智 慧 型 行 動 手 持 裝 置 盛 行
IPS/FFS 成 為 主 流 廣 視 角 面 板 技 術
綜 觀 各 類 廣 視 角 技 術 , 因 其 各 有 不 同 的 特 色
以 及 優 缺 點 , 如 圖 6 所 示 , 使 其 應 用 領 域 有 所 區
別 。 而 隨 著 蘋 果 iphone 智 慧 型 手 機 以 及 ipad 平 板
電 腦 的 問 世 , 不 僅 帶 動 了 全 球 觸 控 面 板 產 業 的 熱
潮 , 也 使 得 IPS 以 及 FFS 廣 視 角 技 術 成 為 智 慧 型 行
動 手 持 裝 置 的 寵 兒 。 因 為 IPS 與 FFS 技 術 和 其 他 廣
視 角 技 術 不 同 的 地 方 , 在 於 其 液 晶 分 子 只 在 同 一
結 語
近 年 來 , 智 慧 手 機 以 及 平 板 電 腦 的 興 起 , 帶
動 了 觸 控 面 板 產 業 的 蓬 勃 發 展 , 使 得 平 面 顯 示 器
產 業 觸 控 功 能 漸 漸 朝 向 基 本 配 備 的 方 向 邁 進 , 未
來 大 尺 寸 電 視 以 及 筆 記 型 電 腦 , 甚 至 是 大 型 數 位
看 板 , 都 將 導 入 觸 控 功 能 , 而 IPS 以 及 FFS 廣 視 角
技 術 成 為 最 佳 選 擇 , 假 以 時 日 , 若 IPS 以 及 FFS 技
術 能 在 良 率 方 面 有 所 提 升 , 就 能 讓 IPS/FFS 廣 視
角 面 板 更 具 競 爭 優 勢 。
光 連 雙 月 刊 2011 年 9 月 ‧No.95
41