去年最火熱的產業消息就是鴻海富士康把日本夏普合并了，對于日本人來說很難接受，但是對中國人來說卻是一個勝利里程碑，最近廣東最火熱的科技產業新聞就是富士康聯合日本夏普子公司堺顯示器制品株式會社（Sakai Display Production，以下簡稱SDP）要在廣州增城蓋一座最新的10．5代8k液晶顯示器工廠，投資610億人民幣。
為什么是廣州？液晶產業有多重要？我估計現在90％的家庭的電視都已經使用液晶電視了，什么是十點五代線？STN－LCD，TFT－LCD到底這些英文縮寫名詞代表什么？LCD產業跟LED產業有什么相關？如果大家有老葉前面幾篇文章的科普知識的基礎，那么現在這些疑問我就可以開始跟大家揭曉了！
液晶：像晶體的液體
“液晶（LC：Liquid Crystal）”是一種液態高分子（塑膠）材料，它的分子與分子相距較遠而無法形成鍵結，在常溫下是“液體”，但是分子與分子彼此互相影響力卻很大，所以排列得很整齊，有點像是“固體（晶體）”，因此我們將這種像是固體（晶體）的液體稱為“液晶”。
液晶分子為細長型棒狀結構，沿長軸方向具有“極性（Dipole）”，也就是分子的一端帶正電而另一端帶負電，如圖一（a）所示，圖中C代表碳原子、H代表氫原子、N代表氮原子，整個分子看起來是細長型棒狀結構，我們習慣將它簡化成圖一（b），其中箭頭稱為“指向（Director）”，箭頭的方向代表分子帶正電的一端。
圖一 液晶分子的特性與種類
三種液晶分子，只有一種商用多
液晶分子的種類有許多種，包括向列型液晶（Nematic LC）、層列型液晶（Smectic LC）、膽固醇型液晶（Cholesteric LC）等，但是常見的只有兩種：
a．向列型液晶（Nematic LC）：向列型液晶分子的排列情形如圖一（c）所示，每個分子的長軸都是互相平行，而且方向一致。由于向列型液晶分子對外加電場的反應較大，因此目前商業上生產的液晶顯示器大多使用這種液晶分子。
b．層列型液晶（Smectic LC）：層列型液晶分子的排列情形如圖一（d）所示，每個分子的長軸都是互相平行，而且方向一致，分子排列規則性更明顯，分子之間不但互相平行，而且有分層的組織。由于向列型液晶分子對外加電場的反應較小，因此比較不適合作為液晶顯示器使用。
液晶分子的轉動：怎么樣在玻璃板上外加電壓？
液晶分子為細長型棒狀結構，沿長軸方向具有「極性（Dipole）」，也就是分子的一端帶正電而另一端帶負電，因此當我們對液晶分子外加電壓，會使液晶分子轉動，如圖二所示，我們先將兩片玻璃板互相平行迭起來，再將液晶分子注入兩片玻璃板之間，當我們對兩片玻璃板「不加電壓」或「外加電壓」，液晶分子會有不同的排列情形，換句話說，我們是“利用外加電壓使液晶分子轉動”。
圖二 液晶分子的轉動
a．不加電壓（Normal）：當兩片玻璃板不加電壓時，液晶長軸與玻璃板平行，我習慣稱這種情形是「液晶分子躺在玻璃上」，如圖二（a）所示。科學家們習慣稱一個系統沒有外加電壓的情形為「Normal」。
b．外加電壓：當兩片玻璃板外加電壓時，液晶長軸與玻璃板垂直，我習慣稱這種情形是「液晶分子站在玻璃上」，如圖二（b）所示，由圖中可以看出，液晶分子帶正電的一端受到帶負電的玻璃板吸引，而液晶分子帶負電的一端受到帶正電的玻璃板吸引，所以才會站在玻璃上。
大家有沒有覺得奇怪，玻璃好像不會導電耶，怎么樣在玻璃板上外加電壓呢？好奇嗎？趕快看下去吧！
液晶具有「雙折射性（Birefringence）」，光的偏振方向會受液晶分子的影響而旋轉，如圖三所示，我們先將兩片玻璃板互相平行迭起來，再將液晶分子注入兩片玻璃板之間，當我們對兩片玻璃板「不加電壓」或「外加電壓」，液晶分子會有不同的排列情形，此時通過玻璃板的偏振光會受到液晶分子的影響，而使偏振方向改變：
圖三 液晶分子對偏振光的影響
．不加電壓（Normal）：當兩片玻璃板不加電壓時，液晶分子躺在玻璃上，如圖三（a）所示，由圖中可以看出，當「水平偏振光」通過「躺在玻璃上的液晶分子」，它的偏振方向會自動旋轉90?，變成「垂直偏振光」，然后再離開玻璃板。
．外加電壓：當兩片玻璃板外加電壓時，液晶分子站在玻璃上，如圖三（b）所示，由圖中可以看出，當「水平偏振光」通過「站在玻璃上的液晶分子」，它的偏振方向會維持不變，保持「水平偏振光」，然后再離開玻璃板。
液晶顯示器的應用：包羅1～60吋
「液晶顯示器（LCD：Liquid Crystal Display）」是目前市場最大，應用最廣，也是市場成長率最高的產品，除了早期應用在個人計算機與筆記本電腦之外，目前甚至已經成功的應用在大尺寸的家用電視機了，因此我們會花比較多的章節來介紹。液晶顯示器（LCD）的尺寸為1～60吋，依尺寸大小不同可以應用在不同的科技產品中：
．1～2吋：電子表、電子計算器、電子字典等。
．3～5吋：數字相機（DSC）、數字錄像機（DVC）、手機、個人數字助理（PDA）、多媒體播放器（PMP）、衛星定位系統（GPS）等。?．
． 5～10吋：汽車電視。
?．10～20吋：個人計算機顯示器、筆記本電腦顯示器、錄像監視器等。?
．20～60吋：家用電視機。
有一點復雜的液晶顯示器構造
液晶顯示器（LCD）的構造如圖四所示，如果我們將液晶顯示器的某一部分放大，可以得到如圖四（a）所示紅（R）、綠（G）、藍（B）不停地反復的排列，當我們從側面觀察液晶顯示器的一個像素，可以得到如圖四（b）的構造，由液晶顯示器的后方向前方，依序為背光模塊、后偏光片、后導電玻璃（后玻璃基板＋后透明電極）、薄膜晶體管（主動矩陣式的液晶顯示器才有）、前導電玻璃（前玻璃基板＋前透明電極）、彩色濾光片、保護玻璃、前偏光片等，哈哈～構造真是有一點復雜！
圖四 液晶顯示器的構造
現在分別介紹如下：
背光模塊：背光模塊包括光源、反射板、導光板等組件組成，使光源均勻分布在整個液晶顯示器的畫面上。
后偏光片：由于光源發出來的白光為「非偏振光」，后偏光片主要的目的在使非偏振光變成「偏振光」。?
后導電玻璃：在玻璃基板上使用濺鍍法（Sputter）成長「氧化銦錫（ITO：Indium Tin Oxide）」形成可以導電的玻璃，稱為「導電玻璃」。氧化銦錫（ITO）是一種陶瓷（金屬氧化物），幾乎所有的陶瓷都是絕緣體，但是科學家發現氧化銦錫（ITO）不但可以導電，而且在厚度很薄的時候，還是透明的，故稱為「透明電極」。?#p#分頁標題#e#
薄膜晶體管：在導電玻璃的上面使用半導體制程技術成長「開關組件」，最簡單的開關組件就是「CMOS」，但是CMOS必須具有金屬、氧化物、半導體的結構，必須成長在硅晶圓上才行（后續我會繼續介紹的半導體元器件），要在導電玻璃上成長開關組件沒辦法使用CMOS，因此必須另外設計一種開關組件，它的工作原理和「CMOS」很像，我們稱為「薄膜晶體管（TFT：Thin Film Transistor）」，使用薄膜晶體管（TFT）制作的液晶顯示器稱為「薄膜晶體管－液晶顯示器（TFT－LCD）」。?
前導電玻璃：與后導電玻璃相同。?
彩色濾光片：在塑料薄片上涂布紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色的顏料，不停地反復排列在顯示器的整個畫面上，稱為「彩色濾光片（Color filter）」。彩色濾光片的原理如上圖四（c）所示，當白光（紅、綠、藍的混合光）通過「紅色的濾光片」，則只有紅光可以通過，綠光、藍光被吸收，所以眼睛只看到紅光；當白光通過「綠色的濾光片」，則只有綠光可以通過，紅光、藍光被吸收，所以眼睛只看到綠光；當白光通過「藍色的濾光片」，則只有藍光可以通過，紅光、綠光被吸收，所以眼睛只看到藍光，「濾光片」其實就是濾掉我們不要的顏色，只讓我們想要的顏色通過，值得注意的是，圖四（b）與（c）中的彩色濾光片只畫出一個像素來代表而已，實際上應該是紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色，不停地反復排列在顯示器的整個畫面上，如圖四（a）所示。?
前偏光片：前偏光片主要的目的在決定是否要讓旋轉后的偏振光通過，如果可以通過則眼睛看起來是「亮（白）」，如果無法通過則眼睛看起來是「暗（黑）」。
LCD跟LED產業有什么相關？答案在背光模塊
過去的大尺寸液晶顯示器光源通常都是使用「冷陰極燈管（CCFL：Code Cathode Fluorescent Lamp）」，主要是因為冷陰極燈管是一支一支的，比發光二極管一顆一顆的覆蓋面積更大， 可以讓光源更均勻地分布在整個顯示器的畫面上，所以適合大尺寸液晶顯示器使用，但是比較耗電。隨著LED技術的進步，目前幾乎所有的液晶顯示器光源都是使用「發光二極管（LED：Light Emitting Diode）」；
液晶顯示器的背光模塊如圖五所示，LED或過去的冷陰極燈管（CCFL）發出來的白光經過上方與左方的「反光板」反射以后，進入「導光板」中，導光板主要的功能是讓所有的白光均勻地分布在整個顯示器的畫面上，這樣才不會讓液晶顯示器看起來有些地方比較亮，有些地方比較暗。
圖五 液晶顯示器的背光模塊
「導光板」其實只是一塊塑料板而已，通常都是使用「聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA：Polymethyl Methacrylate）」來制作，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）俗稱「壓克力」，其實和我們在路邊看到專門制作廣告牌的壓克力是一樣的東西，可惜液晶顯示器所使用的壓克力純度要求很高，目前國內并沒有石化工廠能夠生產這種高純度的原料，主要都是仰賴進口。至于為什么白光進入導光板之后就會均勻地分布在整個顯示器的平面上呢？要了解這一點，必須先了解什么是「光波導（Optical waveguide）」，這個部分我未來將在光纖通訊的科普課程里介紹。
【名詞解釋】光學塑料（Optical plastic）?光學所使用組件，包括：平面鏡、凸透鏡、凹透鏡等大多都是使用「玻璃（Glass）」制作，玻璃是氧化鉀、氧化鈉與氧化硅等氧化物的混合物，屬于陶瓷材料的一種，雖然玻璃的光學性質極佳，但是重量較重，不適合使用在某些科技產品中。塑料的重量較輕，比較適合使用在科技產品中，但是光學性質較差。而在所有的塑料中，光學性質最好的就是「聚碳酸酯（PC：Poly Carbonate）」與「聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）」了，我們將這兩種材料稱為「光學塑料（Optical plastic）」，可以應用在塑料眼鏡、數碼相機的塑料鏡頭、光盤片的聚碳酸酯基板、液晶顯示器的導光板等。?
不可回避的液晶顯示器優缺點
優點?：
1．厚度較薄：不使用電子束，不需要像陰極射線管一樣在屏幕表面依序掃描，所以不需要太厚。?
2．耗電量低：使用發光二極管（LED）做為光源，不使用電子束，所以耗電量低。?
3．制程成熟：液晶顯示器已經在市場上存在超過三十年的時間，制作技術非常成熟，不但小尺寸的液晶顯示器技術很成熟，目前連大尺寸的「液晶電視（LCD TV）」都已經進入成熟階段了。
缺點：
1．大尺寸制作困難：大尺寸的液晶電視必須將薄膜晶體管（TFT）制作在整個后導電玻璃上，要將每個薄膜晶體管制作得非常均勻平坦，而且要有很高的良率是非常困難的工作，就好像大尺寸的晶圓制作比較困難一樣，所以成本也比較高。?
2．有視角的問題：由于液晶顯示器是利用液晶分子使偏振光旋轉的原理，所以會產生視角的問題，當我們的眼睛傾斜一個角度觀看液晶顯示器的時候，會覺得影像模糊不清。
液晶顯示器黑白、彩色顯示與分辨率極限
液晶顯示器的黑白控制
液晶顯示器顯示黑白的方法，是利用偏振光結合偏光片，如圖六所示，在導電玻璃的前后，各放置一片「前偏光片」與「后偏光片」，而且前后偏光片「互相垂直90°」，利用外加電壓來控制每個次像素的「液晶分子躺在玻璃上」或「液晶分子站在玻璃上」， 形成「白（White）」與「黑（Black）」兩種情形：
圖六 液晶顯示器的黑白控制
．不加電壓時為「白（White）」或「亮（Bright）」?如圖六（a）所示，在顯示器左側的背光模塊發出「非偏振光」，經過水平偏光片（后偏光片）形成「水平偏振光」，當兩片玻璃板不加電壓時，液晶分子躺在玻璃上，會使水平偏振光的偏振方向旋轉90°，變成「垂直偏振光」，恰好可以通過垂直偏光片（前偏光片），因此形成白（White）或亮（Bright）。由于在沒有外加電壓的情形下我們稱為Normal，因此在沒有外加電壓的情形下是白（White）或亮（Bright）我們稱為「Normal White」或「Normal Bright」。
．外加電壓時為「黑（Black）」或「暗（Dark）」?如圖六（b）所示，在顯示器左側的背光模塊發出「非偏振光」，經過水平偏光片（后偏光片）形成「水平偏振光」，當兩片玻璃板外加電壓時，液晶分子站在玻璃上，會使水平偏振光的偏振方向保持不變，仍然維持「水平偏振光」，恰好無法通過垂直偏光片（前偏光片），因此形成黑（Black）或暗（Dark）。
液晶顯示器的彩色顯示與分辨率極限
一定要記得，顯示器是利用紅（R）、綠（G）、藍（B）三個「次像素（Sub pixel）」組成一個「像素（Pixel）」，利用許許多多的像素散布在整個畫面上，并且利用每一個像素的紅（R）、綠（G）、藍（B）不同亮度排列組合顯示出一種顏色，最后組成我們所看到的景物，但是要如何控制每一個像素的RGB排列組合顯示出一種顏色呢？所有使用液晶的顯示器原理都相同，有三個重要的步驟：?#p#分頁標題#e#
黑白：利用「外加電壓」來控制每個次像素顯示黑白。?
灰階：使用「直接電壓調變法」或「驅動電壓調變法（時間調變法）」控制液晶分子的旋轉角度，來決定每個次像素的亮度，就可以顯示灰階。?
彩色：使用「彩色慮光片」將每個像素再分成紅（R）、綠（G）、藍（B）三個次像素，分別控制每個次像素發出不同亮度的紅階、綠階、藍階，就可以組合成各種不同的彩色。
表一 高清電視的規格表
我們將畫面垂直方向切割成1920列（直的為列），水平方向切割成1080行（橫的為行），總共形成大約200萬個像素（1920×1080≈2000×1000≈2M），由于切割后的像素很小，眼睛很難分辨，因此看起來和沒有切割前是相同的。換句話說，只要能在一個畫面上顯示出許多不同顏色的像素，而且每個像素都足夠小使眼睛不易分辨，則我們便會將這個畫面看成是一個近似完美的圖片，而且切割的像素愈多，則像素愈小，畫面愈細致，分辨率也愈高。這就是顯示器的原理了，而且相同尺寸的顯示器，切割的像素愈多，則像素愈小，畫面愈細致，分辨率也愈高。
分辨率（Resolution）是用來定義一個畫面所能顯示圖形的細致程度，相同大小的畫面，切割成不同數目的像素，則形成不同的分辨率規格，如表一所示。目前高清的電視的畫面中所使用的2k（1920列×1080行）稱為「Full HD」，是目前液晶電視最常見的規格，最近的智能型手機也開始采用這種規格。但是隨著人類對畫面精細度無止境的要求，2k已經無法滿足，隨著液晶面板技術的進步，4k（3840列x2160行）與8k（7680列x4320行）更是面板廠商追求的極致，如果一個美好的事物能夠在8k畫面下展現無瑕疵，它可能就是人類追求十全十美最客觀的評判標準吧！
液晶顯示器面板廠的世代關系
液晶顯示器依照不同的世代，會有不同的玻璃基板尺寸：
如表二所示，「三代廠」玻璃基板尺寸為550×650mm（毫米），我們先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再切割成6片17吋的面板，玻璃會有一些浪費的區域。
表二 液晶顯示器的世代與玻璃基板尺寸的關系
如圖七（a）所示；「四代廠」玻璃基板尺寸為 680×880mm，我們先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再切割成9片17吋的面板。
如圖七（b）所示，「五代廠」的玻璃基板相當于1100×1300mm，我們先在玻璃基板上制作薄膜晶體管，再切割成9片30吋的面板，玻璃尺寸愈大，可以切割出來的顯示器尺寸愈大，可以切割出來的顯示器愈多。
圖七 三代廠與四代廠的玻璃基板示意圖
目前主流是六代廠至八代廠之間，七代廠、八代廠的玻璃基板實在太大了，用來制作小尺寸的液晶顯示器不符成本，因此主要是用來制作「液晶電視（LCD TV）」，例如：七代廠玻璃基板尺寸為1950×2250mm，一片基板可以切割出12片32吋的面板、8片40吋的面板或6片46吋的面板，隨著大液晶電視的需求旺盛，八代廠已經不再有優勢，追求更大的尺寸，做更大尺寸與分辨率更高的面板是大趨勢，目前大家爭做10．5代4k與8k就是在搶占制高點。面板的軍備競賽已經開始，后發優勢越來越明顯。
液晶面板的隱憂
跟集成電路產業中8吋晶圓與12吋晶圓的原理類似，尺寸愈大，可以切割出來的芯片愈多，單位成本相對降低很多，現在十代與十一代液晶面板也是一樣的道理。集成電路芯片光刻的技術也是由微米、次微米到現在的納米線寬，柵極線寬越窄，芯片效能越高，集成電路密度越大，除非可以尋找新的材料來替代硅制作晶體管，否則晶體管中的電子就很容易產生隧穿效應，所以有人說7納米是極限。同樣的道理，液晶面板的極限也許是8k分辨率，因為再高清的分辨率也許對我們人類的感官完全沒意義了。
集成電路與液晶面板這兩個產業也許已經有點像是軍備競賽了，但是我對液晶面板有深深的隱憂，像早期的火炮技術一樣，口徑更大，射程更遠是火炮技術的更新換代表現，火炮可以做出最大口徑與射程最遠的加農炮，這是火炮最大的極限。
同樣的道理，液晶可以做到11代8k的技術，但是液晶的缺陷也讓它面臨著巨大的隱憂，就像飛彈技術取代火炮一樣，LCD的威脅也隱隱浮出臺面，OLED就像飛彈一樣，雖然剛開始不是這么成熟，但是只要飛彈的精準度提高了，它的優越性會大大超出火炮，這也許就是我看到液晶面板最大的挑戰吧，為什么韓國停止投資十代十一代LCD面板廠，求售七代與八代廠，加大投入OLED廠，韓國人在賭國運，失敗了也許粉身碎骨，但是如果他們成功了，我們京東方，華星與富士康的十點五代廠要怎么辦！
等離子電視殷鑒不遠，我們的大投資還是要好好的思考………
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