行動電視面板廠商別創新格　非晶矽顯示技術脫穎而出

行動電視又稱行動數位電視(Mobile Digital TV, MDTV)，其將影像與聲音經由數位壓縮處理並播送，透過智慧型手機、個人隨身助理、可攜式顯示裝置、超級行動電腦(UMPC)、車用顯示器等產品隨時隨地欣賞精彩的節目，間接刺激了中小型液晶面板的市場。  

目前中小型液晶面板市場的主流仍為非晶矽顯示技術，其具有低製造成本、低熱循環、大面積及高良率等優點。綜觀整個中小尺寸面板市場板塊中，非晶矽行動液晶電視受到高解析度與高整合性能的低溫複晶矽面板擠壓與挑戰，因此各個面板製造商均積極地將小於第四代的工廠轉型生產中小尺寸面板或投入低溫複晶矽的行列。然而低溫複晶矽生產技術與投資門檻偏高，因此將新的設計思維導入舊有的行動液晶電視設計中，能夠再替非晶矽液晶面板創造出另一片藍海。  

低色偏與廣視角設計蔚主流  

圖1顯示多域垂直配向液晶畫素對於不同偏軸角度的色偏現象，一般視角的定義是以對比度大於十的可視範圍，因此在此規範下觀看角度，並不能保證顏色的再現性。表1列舉常見低色偏之廣視角液晶面板設計，行動液晶電視的廣視角多採取多域垂直配向液晶模式(Multi-domain Vertical Alignment, MVA)或平面切換液晶模式(In-plane Switching, IPS)模式，相較於平面切換液晶模式，多域垂直配向液晶畫素設計容易在大角度偏軸側視時產生泛白(Wash-out)現象，因此依據多域垂直配向液晶模式色偏的弱點，各家面板無不針對偏軸的伽瑪(Gamma)補償做新的畫素設計。

表1　低色偏之廣視角液晶面板設計
廣視角技術	面板廠商	偏軸色偏補償方式	△u'v'
AMVA	友達光電	1.耦合電容連接主畫素區域與副畫素區域 2.主畫素區域與副畫素區域形成雙伽瑪補償	<0.02
LCS MVA	奇美電子	1.雙薄膜電晶體設計控制主畫素區域與副畫素區域 2.主畫素區域與副畫素區域形成雙伽瑪補償	<0.02
LCS MVA	中華映管	1.耦合電容連接主畫素區域與副畫素區域 2.主畫素區域與副畫素區域形成雙伽瑪補償	<0.02
CPMVA	統寶光電	1.主畫素與副畫素不同透明導電電極圖形 2.主畫素區域與副畫素區域形成雙伽瑪補償	<0.02
ASV	夏普	1.雙共通電極設計控制主畫素區域與副畫素區域 2.主畫素區域與副畫素區域形成雙伽瑪補償	<0.02
S-PVA	三星	1.雙閘極電極設計控制主畫素區域與副畫素區域 2.主畫素區域與副畫素區域形成雙伽瑪補償	<0.02
AS-IPS	日立	多域畫素設計	<0.02
IPS-Pro		透明導電電極最佳化設計
String FFS	群創光電	多域畫素設計	<0.02
AFFS	BOE-Hydis	1.無黑色矩陣畫素設計 2.透明導電電極最佳化設計	<0.02

圖1　多域垂直配向液晶畫素偏軸色偏

以友達光電與中華映管的低色偏多域垂直配向液晶模式為例，其藉由主副畫素區補償控制的多域垂直配向液晶模式模式，主畫素區會依照耦合電容的設計感應部分電荷至副畫素區，形成雙電光曲線的雙伽瑪特性補償效果。而夏普(Sharp)與三星(Samsung)則是分別使用雙共通電極設計與雙閘極電極設計來控制主畫素區域與副畫素區域，其同樣是藉由不同的輸入訊號來製造出雙伽瑪特性的畫素。而統寶光電則是主畫素與副畫素不同透明導電電極圖形，形成雙電場的多域垂直配向液晶畫素，藉由副畫素來補償大角度偏軸側視時產生泛白現象。低色偏的廣視角設計若能再搭配高色彩線性度(Color Linearity)調整與色彩軌跡(Color Tracking)補償，行動液晶電視也可以擁有與室內電視一樣的高畫質影像。  

窄框與輕量化趨勢興起  

非晶矽面板窄框與輕量化可朝向外部零組件縮減與內部設計最佳化的方向著手，外部零組件縮減降低用料與生產成本，而內部設計最佳化提升了強健性與可靠度。透過無閘極區印刷電路板的設計(Gate PCB-less Design)將掃描驅動側的印刷電路板與軟性電路板(Flexible Printed Circuit, FPC)的線路轉移至陣列背板線路(Wring on Array, WOA或Line on Glass, LOG)，同時搭配閘極端軟膜覆晶(Chip On Film, COF)或玻璃覆晶(Chip on Glass, COG)內時脈的串聯可使系統電路連接點減少，擴大邊框使用空間與重量，並達到降低非晶矽面板材料成本。  

行動液晶電視的驅動IC使用數量依據面板尺寸、原始解析度與IC輸出通道而定。表2顯示驅動IC與面板解析度之相關性，以800×480的WVGA解析度面板為例，使用一百二十八個通道的閘極驅動IC需要四顆，三百八十四個通道的源極驅動IC需要七顆，而改用兩百五十八個通道的閘極驅動IC僅需兩顆，六百四十二個通道的源極驅動IC僅需四顆。然而驅動IC的輸出數增加，會增加裸晶的面積、封裝導線數與IC測試時間，使得單顆驅動IC成本上升。

表2　驅動IC與面板解析度的相關性
解析度 / IC	閘極端驅動IC				源極端驅動IC
	128CH	200CH	258CH	400CH	384CH	432CH	642CH	720CH
CIF(352×288)	3	2	2	1	3	3	2	2
VGA(640×480)	4	3	2	2	5	5	3	3
WVGA(800×480)	4	3	2	2	7	6	4	4
XGA(1024×768)	6	4	3	2	8	8	5	5
WXGA(1366×768)	6	4	3	2	11	10	7	6
FHD(1920×1080)	9	6	5	3	15	14	9	8

非晶矽顯示技術須外貼驅動IC，為了降低成本並減少驅動IC貼附時的良率耗損，大多導入多工器電路(Multiplexer, MUX)的設計來抑止貼合驅動IC相關的不良，如異方性導電膠導電不良、金屬/氧化銦錫表面氧化層的形成、熱脹冷縮產生的熱應力，膠材膨脹軟化等。1990年代末期，為了降低全接觸式面板測試的連接點，IBM提出以內建多工器面板設計來因應高解析度面板的限制。以飛利浦(Philips)為例，其藉由三比一的源極端多工器設計，將源極外部導線減少2/3，因此所需驅動IC大幅縮減，模組IC貼附流程時間大幅縮短，同時重工與不良率亦同時下降。當導入非晶矽整合閘極驅動電路設計後，整體模組端僅須貼附源極端的驅動與印刷電路板，整體的效益更為突顯。而這類的設計概念，廣泛應用於整合度不高的第一代的低溫複晶矽技術中。  

高可靠顯示畫素背板  

低溫複晶矽薄膜電晶體有較高的驅動能力，因此被用來整合周邊驅動電路與系統於玻璃基板上，然而低溫複晶矽技術的設備與製造成本偏高，使得低溫複晶矽技術在液晶市場占有率偏低。非晶矽薄膜電晶體的載子移動率約為0.3～1cm2/Vs間，為了提升非晶矽薄膜電晶體的驅動能力，大多導入微晶矽(Microcrystalline Silicon)主動層或以氫氣、氮氣、氨氣等電漿鈍化處理，除了能降低長時間直流或交流應力所產生的電荷捕捉或能態缺陷，同時薄膜電晶體整體電特性亦會較收斂。  

另外，非晶矽薄膜的光導係數較高，因此非晶矽薄膜電晶體在可見光波長的照射環境下易產生高的光致漏電(Photo-leakage Current)。事實上，可用內縮式非晶矽島(Island-In)畫素結構、光屏蔽結構、整合型黑色矩陣(Integrated Black Matrix)結構或氮化矽薄膜所形成的通道保護(Channel-Passivated, CHP)結構來避免非晶矽薄膜特性照光衰退。但近來縮減光罩的趨勢下，絕大多數非晶矽畫素採用背通道蝕刻(Back-Channel-Etched, BCE)結構，因此實際上仍多採用內縮式非晶矽島畫素結構或光屏蔽結構設計。  

非晶矽整合閘極驅動電路  

低溫複晶矽擁有高於250cm2/Vs的載子移動率，所以大部分的閘極驅動電路與源極驅動電路能直接製作於玻璃上。然而，低溫複晶矽薄膜不規則的晶粒邊界分布易導致薄膜電晶體元件特性參數呈現大範圍變動。因高可靠度非晶矽顯示畫素背板趨向成熟，促使非晶矽整合閘極驅動電路(Amorphous Silicon Gate, ASG)導入中小型液晶面板。藉由導入單一極性的閘極驅動電路取代過去的外貼X側驅動IC架構(圖2)，非晶矽整合閘極驅動電路使得行動液晶電視設計空間變大，不僅能夠容許面板以機構與玻璃中心對稱架構方式設計，同時還能讓行動液晶電視的邊框變得更小。

圖2　非晶矽整合閘極驅動電路示意圖

行動液晶電視的閘極驅動電路包含移位暫存器(Shift Register)、電位轉換器(Level Shifter)和輸出緩衝器，而移位暫存器的主體架構為串聯的正反器，正反器的輸出連接至下一個正反器的輸入端，所有正反器接收共同時脈，使資料由一級移位到下一級。圖2顯示非晶矽整合閘極驅動電路示意圖，湯瑪生電路是目前最普遍的非晶矽整合閘極驅動架構，其輸入端起始訊號開啟Q1與Q5薄膜電晶體，同時時脈C3開啟Q2薄膜電晶體而連帶開啟Q3，因此P2維持於低電位(Q6關閉)，此時輸出端的訊號與C1同。當下一個C3脈衝時，開啟Q2並將P2為準拉升至高低電位(Q6開啟)，此時輸出端的訊號與VSS同。湯瑪生電路架構雖然簡單，但卻需要三組獨立的時脈訊號來觸發，每一級移位暫存器須使用到其中兩組，因此驅動略顯複雜並易受到時脈延遲而功能失效，因此各家面板廠均朝向高效能閘極整合電路設計與強健型的薄膜電晶體研究。  

以友達光電的整合閘極驅動電路為例，其採用雙時脈設計，藉由兩組下拉型(Pull-Down)電路將長時間的直流訊號轉換為低工作周期的交流訊號，因此減緩了薄膜電晶體的導通電流退化，這類單一極性的驅動架構也常應用於純N型或純P型的低溫複晶矽面板設計。  

趨近零亮點規格  

隨著行動電視實體解析度的提升，要維持零亮點(Zero Bright Dot, ZBD)的電視規格，除了提高生產良率外，藉由適當的修補已成為各家面板廠的獨門絕技。透過陣列端或周邊線路上增加可測試的設計(Design For Testing, DFT)，並於陣列段、液晶段與模組段末端執行測試流程。  

實際上大多藉由2G/2D、2G/3D或2G/6D的閘極導線與汲極導線短路設計，可在極短的時間內於陣列段或液晶段將點缺陷與線缺陷篩選出來。陣列測試可區分為電子束陣列測試，光電調變陣列測試與充電感應(Charge-Sensing)陣列測試三大類，電子束與光電調變陣列測試對於高解析之小畫素有量測上的限制，因此行動液晶電視面板多以充電感應陣列測試為主。  

全接觸式的充電感應陣列測試藉由充電與維持的基本原理其可檢測出畫素陣列區域的導線開路與短路、薄膜電晶體導通電流、關閉電流、臨界電壓特性。然而充電感應陣列測試對於電路間的開路或短路之發生位置偵測不易，因此會搭配高解析度自動光學檢測(Automatic Optical Inspection, AOI)堆疊比較出缺陷座標。  

點線缺陷修補設計  

為了達到零亮點的目標，一般會將亮的壞畫素修復成暗的畫素。表3列舉常見的點線缺陷修補面板設計，常黑液晶模式的暗點化是以一千零六十四奈米或五百三十二奈米波長雷射將畫素薄膜電晶體的汲極端切割隔離，再透過畫素電位與儲存電容共通電極熔接短路即可，如圖3的MVA型畫素。

表3　點線缺陷修補的面板設計
缺陷種類		技術分類	修補方式
點缺陷	TN系列	常白模式	1.將畫素電晶體之汲極以雷射切斷 2.以雷射熔融方式將儲存電容短路 3.陣列側的共通電位與彩色濾光片側的共通電位分別驅動不同訊號(有電位差)
	MVA系列/ASV系列/IPS系列	常黑模式	1.將畫素電晶體之汲極以雷射切斷 2.以雷射熔融方式將儲存電容短路 3.陣列側的共通電位與彩色濾光片側的共通電位驅動相同訊號(無電位差)
	全系列	單一畫素雙薄膜電晶體	1.將畫素內受損之薄膜電晶體切割(避免影響畫素正常運作) 2.留下第二畫素薄膜電晶體正常驅動
		單一畫素雙區域	1.將畫素內受損之區域切割 2.留下正常區域顯示(受損之區域類似暗點化處理)
線缺陷	外部連線	垂直線(源極)	1.將開路之線路與外部預備線路以雷射熔融方式連接 2.藉由源極驅動IC的緩衝放大器將驅動訊號放大
	內部連線	垂直線(源極端)/水平線(閘極端)	1.以雷射於開路處之絕緣層/保護層上開孔 2.以雷射化學氣象沉積方式形成金屬導線連接開路處

圖3　點缺陷修補示意圖

而常白液晶模式未接訊號時呈現亮狀態，因此除了將畫素電位與儲存電容共通電極短路外，還須將陣列側的儲存電容共通電極與彩色濾光片側同共通電極分離驅動，藉由同共通電極電壓差將常白液晶模式維持於高電位而呈現暗狀態，如圖3之TN型畫素。圖4顯示線缺陷修補示意圖，線缺陷的修復方式有兩大類，第一類依靠外部預先設計的備份導線，藉由雷射熔接的方式將開路的導線導引至備份導線。

圖4　線缺陷修補示意圖

備份導線的概念乃將其修補之結構放在面板非主動區的四周，且採用面板內現有的結構，不必增加製程光罩數目，藉由源極端驅動IC或外接緩衝放大器將訊號加強，以避免修補後的弱線(Weak Line)現象。  

而第二大類為內部直接導線修補，藉由雷射化學氣象沉積(Laser CVD)、雷射轉移、金屬壓印(Im-print)、噴墨印刷等方式將金屬直接成膜於開路區域。其中，以雷射化學氣象沉積技術最為成熟。  

備份驅動電路的修補  

非晶矽整合電路的薄膜電晶體數量多，連接導線長且交錯龐雜，全面測試與修補的成本略高，備份電路的設計可以適度挽救此不良品。備份電路可區分為雙邊驅動(Bi-directional Driving)與預留驅動電路(Redundancy Driving Circuit)兩類，雙邊驅動顧名思義是同時利用兩側閘極端的驅動電路，當某一端的整合驅動電路失效時，另一端電路即可立即接續使用而毋須修補。而預留驅動電路的概念是在面板設計時保留部分線路與驅動電路於面板上，備份電路在正常使用下並無連接至面板內陣列，惟發生某一區塊的驅動電路失效時，藉由雷射的修補將預備的線路與正常線路做一連結。如樂金飛利浦的整合閘極驅動電路使用四時脈設計與雙邊驅動架構，雙邊驅動除了具備有備份電路的功能外，同時能夠補償整合驅動電路的推力不足與導線RC延遲現象。  

由於預留的驅動電路有限，因此當過多的電路不良時並無法作全面性的替換，非晶矽整合電路的備份電路設計藉由雷射將不良的區塊與正常段導線切割分離，再以雷射熔接的方式將正常段的導線與備份電路的導線接合即可。一般來說，依照面板非主動區的邊框剩餘面積而放置有限的備份電路，也就是說，當面板趨向窄框化時，可被修補驅動電路區塊的數量將會受限制。以友達光電12.1吋WXGA架構為例，其設計五十組移位暫存器搭配一組移位暫存器備份電路。  

另外，短距離的開路缺陷可採用雷射化學氣象沉積的方式做短連接，但過長會有阻值偏高的疑慮。而內部陣列導線的開路，短路與暗點化修補與傳統液晶面板製程技術相同。非晶矽行動液晶電視面板憑藉由高良率、低成本與新面板設計思維來跳脫出與低溫複晶矽在中小尺寸市場殺戮的紅海，亦提供舊世代非晶矽面板廠再生的藍海契機。