交大材料工程系 林宏洲教授
| WeGenius第11刊‧2004年 |
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交大材科系 林宏洲教授 |
1.什麼是高分子材料？它有什麼特性與用途？它與奈米科技有什麼樣的結合與應用？
2.何謂液晶？可否為我們介紹液晶材料的原理？
3.QLCD中可分成TFT、STN、TN等不同類型，它們在液晶分子上有什麼不同？
4.QLCD在製作上有哪幾項關鍵技術，台灣在這些方面的發展如何？
5.QLCD與PDP是目前數位平面電視的主流，請問它們兩者的優缺點為何？在發展上有什麼樣的限制？
6.QLED的發光原理為何？LED與OLED有什麼不同？
有機發光二極體OLED
高分子發光二極體PLED
1.什麼是高分子材料？它有什麼特性與用途？它與奈米科技有什麼樣的結合與應用？
一般來說，材料可依其成份本質分成金屬、陶磁、電子、及高分子等材料領域。但若以應用的方向來分類，則不同成份本質的材料均有機會運用於同一方向。舉例來說，生醫材料它可以是生醫金屬、陶瓷，也可以是生醫電子，或是生醫高分子，這是著眼於它的功能，而非它原料的來源。
高分子材料多半是有機材料，如果把有機小分子比喻成一顆珠子的話，將這些珠子串成一長鏈就是高分子了。但也有無機的高分子材料，像矽膠，因為我們一般把矽歸類為無機物。高分子因具有長鏈的形狀方使其呈現很好的可塑性及耐伸縮性，以先前的小分子珠子為例，這種小分子結構在固化時很容易排列整齊，形成結晶狀態。然而高分子因為鏈很長，不容易產生規則的結晶，所以高分子多半屬於非晶型材料或半結晶材料。如果它的鏈夠長的話，就能顯現像塑膠這種高分子的可塑及耐伸縮性質；反之，如果它的鏈不夠長，便容易脆裂，製成薄膜時表面會不平整，像魚麟片一樣。
今日高分子材料的應用及特性已經與傳統上的想法不太一樣，傳統的高分子材料，多是應用在塑膠袋、保鮮膜、保特瓶這類薄膜或容器的使用，後來的發展則有使用在衣服的人造纖維。最近的發展則是與高科技相結合，包括半導體和光電產業都會用到高分子材料。像光阻劑就是一種高分子，因為半導體製作時需要進行曝光、顯影、蝕刻的動作，這時就必須借助到高分子材料。像我手邊的這塊電路板，除了在製作過程中用到很多高分子材料，它的基板也是高分子材料。
材料若以它的導電性質來分，有導體、絕緣體、及半導體。傳統分類中高分子材料被歸屬於絕緣體，因此電子材料領域通常是指無機半導體材料，也就是如台積電、聯電他們做的這類矽相關的無機衍生物。一直到1970年代，發現不光只有無機材料才有半導體的性質，高分子材料也有。所以嚴格來說電子材料應分成有機電子材料及無機電子材料，傳統用在電子零件的矽、鍺等無機衍生物屬於無機電子材料；而將碘掺雜到高分子材料中或某些共軛高分子本身，使其電子產生導電的性質，便成為導電高分子。
但無論如何，它的導電性質仍無法如銅、銀這些金屬導電材料那麼好，所以慢慢演進到發現這些導電高分子具有半導體的性質可用在有機薄膜電晶體（Organic Thin Film Transistor，簡稱Organic TFT）或稱為有機場效應電晶體（Organic Field Effect Transistor，簡稱Organic FET）之外，相關的發展也應用到發光二極體，製成有機發光二極體元件（OLED），而發現導電高分子的學者A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid，及H. Shirakawa等人也因此於西元2000年拿到了諾貝爾化學獎。
至於熱門的奈米科技亦可與高分子結合，其中有一項很有名的材料就是由TOYOTA所發展出來的奈米黏土技術。因為黏土是層狀的結構，奈米黏土是指它的層跟層間的距離是奈米級的。所謂奈米黏土技術就是把黏土混合到高分子中，無機黏土的成份與高分子形成互相插層的效果，或是層狀黏土均勻的分散在高分子材料中，使得高分子的透氣性與透水性降低。國內工研院與許多學術單位都做過這類型的研究，也推出相關的產品。他們證實這類加了奈米黏土的保特瓶，可以增加汽水的保存期限，因為現今的保特瓶無法完全隔絕瓶中的二氧化碳與外界的空氣，所以汽水放久後二氧化碳便會漏光。使用這種添加了奈米黏土的保特瓶材料，它的阻氣性會提高，因此可以增加汽水在保特瓶中的保存期限。
一般我們說物質有三態，即固態、液態、及氣態，這句話對大部份的材料而言是正確的，但有少數材料例外，若物質具有介於固態與液態間的第四態，即液晶態，則稱為液晶材料。以實驗室製作的有機材料來說，平均每兩百個材料裡面，就會有一個材料具有液晶的性質。液晶的晶體規則程度介於固態及液態之間。液體分子的排列是完全混亂的，但液晶分子的排列仍存在著部分規律性，因為液晶分子通常是長條狀，它的質量中心在三度空間的有序性不存在，但是它的主軸排列方向仍有規律性存在。簡單的說，液晶材料擁有液體的流動性質，但卻具有晶體般的光學特性。
早在1888年，科學家在研究植物的組織液中就發現了液晶結構，他們發現膽固醇的結構具有液晶的特質。像我手邊的這個材料，它現在是液晶態，像是混濁的芭樂汁一樣，而且它不透光。如果拿吹風機加熱，它就會由混濁的液晶態變成澄清的液態，此相轉移即稱為澄清點。
目前這材料處於液晶態中的向列相，所謂的向列相是指它的每一根液晶分子的頭都朝向同一個方向，但是它的質量中心位置會不斷變化。在此瓶中的液晶分子含有許多族群，同一族群內的液晶分子頭尾方向一致，但每個不同族群的液晶分子頭尾方向卻不一樣，因此每群液晶分子的交界處會形成grain boundary，而光在行經這些界面時會產生散射，因此光就無法穿透。但若以表面配向的方式去消除grain boundary，而整體液晶分子形成單一排列方向的族群時，則液晶將呈現透明態。
一般晶體會有雙折射的性質，折射率會因入射光角度的不同而有不同的數值。一般液體就只有單一折射率，但液晶在流動的狀態下，卻具有晶體雙折射的性質，因此液晶的折射率很容易靠通電來改變。其實我們也可以拿一塊晶體通電讓它轉向，只不過這可能需要好幾十萬伏特的電壓才能做到，不符合實際的應用。所以液晶的好處就在於我們可以用很小的電場來驅動它，利用它通電前後折射率的變化來做許多應用。
在LCD中我們用配向層可以使每個液晶分子都朝向同一個方向排列，當液晶分子以TN扭轉向列組合成由上而下旋轉90度的排列時，再加上兩片正交的偏光板，光線就會被旋轉90度的液晶分子引導而穿透正交的偏光板呈現亮態。不過當我們施加一個電場讓液晶分子站立起來，這時光線就無法被液晶分子引導穿透而呈現暗態。配向層是一種高分子薄膜，用滾筒狀的刷子刷過後，在上面會形成一些凹槽，長條狀的液晶分子便會順著這些凹槽方向排列整齊而達到配向的目的。
3.QLCD中可分成TFT、STN、TN等不同類型，它們在液晶分子上有什麼不同？
TFT、STN、TN等不同類型的LCD所使用的液晶材料在液晶相的種類上沒有什麼不同，均是使用Nematic向列相液晶。另兩類液晶相分別為Smectic層列相液晶及Cholesteric膽固醇相液晶。TN與 STN是指液晶排列的模組不同，即裡面的液晶分子排列不同，當液晶分子以由上而下旋轉90度的排列組合時稱為TN扭轉向列，當液晶分子以由上而下旋轉180-270度的排列組合時稱為STN超扭轉向列。
STN的液晶主軸方向排列從上板到下板總共轉了180到270度，TN則只轉了90度，而這些旋轉的角度可由上下板配向層排列方向的不同來控制。至於TFT LCD則與液晶的排列模組無關，它是指基板上的電極為主動驅動態之薄膜電晶體（Thin Film Transistor，TFT），而TFT面板內的液晶模組仍是一般的TN排列。STN所使用的電極為被動驅動態之矩陣式ITO電極，裡面沒有半導體的薄膜電晶體電極，上下板純粹是用ITO導電玻璃所做成的交錯矩陣。
4.QLCD在製作上有哪幾項關鍵技術，台灣在這些方面的發展如何？
除了配向層外，一片面板中還含有偏光板、color filter，以及控制電壓的電極，因為這些東西都不是完全透明的，所以你看到一片LCD面板時是暗黑色的，它的總透光率約只有百分之5到10，因此如何提高LCD透光度亦為未來之關鍵技術。以上這些零件都是組成LCD的要件，當LCD尺寸越做越大時，許多過去不關鍵的技術都變得很重要。譬如說面板中的液晶是如何灌進去的？一般是會留一個缺口，在真空底下把它浸到液晶槽中，利用毛細現象把液晶吸入。但是尺寸很大時，此種方法有可能會無法完全填充，而且速度很慢，因此新的製程就使用滴灑的方式。經過精確的計算，先在底板滴上液晶，然後再將上板壓上，使液晶能剛好填滿，如此速度就能加快許多。
另外因為液晶電視的發展，有兩個因素也漸漸受到重視。第一個是應答速度，也就是電路驅動液晶去改變排列的時間要夠快。因為一般在電腦螢幕上處理文件、瀏覽網頁，大部份都屬於靜態的畫面，但是電視所播放的都是連續的動畫，所以液晶的應答速度就必須夠快，讓液晶切換開關的速度能夠跟上畫面變化的速度。第二個是廣視角的問題，因為用在電腦上的LCD通常只有一個人在看，沒有什麼視角的問題，但液晶電視同時會有很多人從不同的角度去觀看，因此廣視角的要求就會高一些。液晶模組的不同也會影響到視角，所以現在的液晶電視已經都不是用TN或STN這類傳統的模組了，現在台灣的廠商多是與日本廠商技術轉移合作，多採用垂直配向的VA mode，或使用廣視角的MVA、WVA mode。
像我手邊這一塊LCD面板，雖然它還不是最終產品，不過大致上已經完成。你們仔細看可以觀察到上面有些蜂巢狀的細網，它便是控制液晶電壓所要用到的TFT電晶體，它佔了面板百分之三十左右的面積。因為TFT是不透明的，所以整個面板可透光的部份只有約百分之七十，我們稱此透光率為「開口率」。這些TFT電晶體是做在玻璃基板上，不過未來有個新趨勢是將TFT電晶體做在塑膠基板上，因為不但比較輕、薄，且亦有可能做成可繞曲式的彎曲面板。
液晶面板的應用非常廣泛，從過去小型的電子錶、電子雞、掌上型遊戲、手機的螢幕，還有較大尺寸的notebook螢幕，以及漸漸取代傳統桌上型電腦的LCD螢幕，還有大尺寸的LCD電視，不僅越做越大，也從黑白進入彩色，價錢也越來越便宜。像30吋的液晶電視，從早期的三十萬台幣，到現在只剩五萬九千元，因為量產的技術越來越好，良率也越來越高。液晶還可以運用在單槍投影機上，過去老師在上課時總得準備厚厚一疊的投影片，既不方便也不環保，有了單槍投影機後，上課只需要帶著notebook或是隨身碟就行了，與同學們的meeting討論也方便許多。
雖然很早之前就有液晶的應用了，不過到這幾年才大放異彩。因為像電子錶、遊戲機的螢幕都很小，產值並不高，一直到近來的notebook、桌上型電腦、以及家用電視，因為他們的需求量大、單價也較高，所以整個液晶面板產業的產值就變得很高，甚至已佔光電產業產值的六成以上，並直逼半導體產業的產值。
雖然LCD產業已算是個成熟的產業，但仍然有許多可以改進的地方讓造價更低廉。目前各大廠的趨勢是將面板越做越大，就好像晶圓從過去的六吋、八吋、一直到十二吋，因為越大的晶圓可以切割出來的chip數目就越多，成本也更低。LCD也是一樣，從過去的3代、3.5代、到現在的6代、7代，基板的面積也越做越大，良率也不斷提升，現在要做到四、五十吋的螢幕都不是問題，只不過價格還太高了，未來大家所努力的目標就是希望能把價位降到一般大眾能夠接受的範圍。台灣在TFT LCD產業上不僅技術純熟，更希望能做到世界領先，目前台灣的產值是世界第二，第一名是韓國。因最近國內企業對TFT LCD的大量投資，可望於未來一兩內取代韓國成為世界第一。
5.QLCD與PDP是目前數位平面電視的主流，請問它們兩者的優缺點為何？在發展上有什麼樣的限制？
我們可以看到，LCD是由小做到大，而電漿電視（PDP）一推出時就是很大的尺寸，那電漿電視會去做小尺寸的應用嗎？答案是不會，因為電漿電視的尺寸縮小時精細度便要提高，但巢狀結構縮小後造成生產的難度升高，也隨之會造成良率的下降，況且小尺寸電視市場已被液晶攻佔，電漿電視不容易和30吋液晶電視五萬九千元的低廉價格競爭。但目前四十吋以上的電視市場多是電漿電視，因為液晶電視做到這麼大的尺寸，在價錢上仍比電漿電視貴很多（也許未來會逼近）。因此近期內的未來，四十吋以上的電視市場仍是電漿電視的天下，而四十吋以下則由液晶電視主導。
如果有一天液晶電視能做到四十吋而且跟電漿電視一樣便宜，我認為買液晶電視的人會比較多，最主要是因為壽命的問題。電漿電視的壽命約只有液晶電視的一半，甚至不到一半，雖然電漿電視看起來很亮，但你可以把電漿電視的每個發光點想像成一個燈管，因為螢光燈管裡面就用到電漿原理，用久了會慢慢變暗。電漿電視它每個發光點就如同一個小燈管，但沒辦法像燈管一樣壞掉哪根就換哪根，壞掉的發光點就無法修補了。雖然液晶電視用久了也會變暗，但沒電漿電視那麼快，大概可以撐個十多年。而且因為LCD是靠面板後的背光源發光，所以當漸漸變暗時，換掉背光燈源就可以了，面板部份還可以繼續使用。
另外LCD的解析度可以做得比電漿電視好，因為電漿電視內部的結構像蜂巢一樣，每個蜂巢間的隔絕要很好，不能漏氣，所以做越小良率會降低。而LCD的解析度與color filter及TFT電極的密度一致，此與半導體的黃光製程有關，因此LCD的每個亮點可以做得比PDP細，不過電漿電視在廣視角及應答速度上卻都優於液晶電視。
在LCD竄起前，台灣的光電產業是以無機的LED及光碟片為主，一直到1998年左右台灣開始有大量資金投入TFT LCD產業，因為TFT LCD產業需要大量的資本，建一個廠動輒數百億元。目前台灣的友達是世界第三大TFT LCD廠，奇美是第四大，還有華映、廣輝、統寶、瀚宇彩晶、元太、群創也都做得有聲有色，因此LCD產值已成長至光電產業的六成，未來仍將不斷地提升。而政府最近推動的「兩兆雙星」計畫中的兩兆，就是指半導體產業和平面顯示器產業（含LCD、PDP、OLED等平面顯示產業，但以LCD為主）的產值要達到各一兆元台幣的目標。
LED的原理是利用通電的方式讓電洞與電子產生並在發光區域結合，結合的過程中電子被激發，當電子落回到原來的狀態時，會將能量釋放出來形成光。而有機發光二極體（OLED）則是利用某些有機材料的半導體特性來使它發光。LED和OLED比較大的市場還是在照明及顯示器方面，它和LCD不同的是LED是自發光，不需要背光模組。不過會自己發光的東西會有一個缺點，那就是壽命不長，OLED的壽命甚至比電漿電視還短。像RGB三個顏色的OLED壽命都不一樣，若其中一種顏色壞掉，這個顯示器也就完了。
在無機的LED中，最便宜的是紅光，再來是綠光，最貴也最難做的是藍光，也一直到藍光做出來後，無機LED的全彩化才實現。而OLED剛好相反，最容易做到的反而是藍光，因為藍光的能量較高，需要較大的energy gap，而高分子材料本屬於絕緣體，energy gap比較大，所以在製作時是從能量較高的藍光開始，再往下做到綠光、紅光。
無機LED拿來做顯示用途只能用在大的看板上，因為它每個亮點的製造都需要經過許多步驟（包含封裝），每個顆粒都很大，所以無法做成高解析度的小型平面電視，只能用在大型的看板上，它的好處是夠亮且壽命夠長，但是解析度很差。不過它有個好處是：它是一顆顆的LED所拼裝起來，所以若是LED燈泡壞掉，只要把壞的那幾顆燈泡換掉即可。
有機發光二極體OLED
高分子發光二極體PLED
有機材料做成LED可分成兩類，一種是小分子的OLED，另一種是高分子的高分子發光二極體（PLED）。高分子的PLED可以直接用旋轉塗佈Spin Coating的技術做成薄膜即可。小分子材料的成膜性不好，若用Spin Coating做成薄膜會脆裂，所以必須在真空下蒸鍍，鍍上薄薄一層後，元件就可以做高解析度的顯示。不過目前OLED仍不能大量生產使用的主要原因在於壽命，一般OLED及PLED的使用壽限約在一萬個小時左右，但因OLED及PLED的分子結構可由合成的方式去控制改變，遠較無機LED的變化多，故仍有許多改進的空間。
不論有機或無機LED，都有一個熱門的研究主題，那就是白光LED。因為白光可以用來照明，且LED較省電且環保（因目前大量使用的螢光燈管內含有水銀）。而且有了白光之後，可以用color filter把不同顏色（RGB）的光濾出來，做為全彩化的顯示用途。我們在做LED時，通常都要求它的色純度要高，不過這就和白光LED相反，因為白光通常至少要含有RGB三個顏色的光，所以它的頻寬會比較寬，而單一顏色的頻寬比較窄。有機材料若要做成白光LED，裡面至少要放入兩、三種螢光染料，讓它組合出來的顏色是白光。
前面提到LED發光的原理，我們是用電能將電子激發到高能階，待電子降回基態時將能量以光的方式發射出來。但在這個過程中，有九成以上的能量都變成熱能消耗掉了，真正能從電能變成光能的比率很低。有一種比較有效率的方法，是先通電激發可放出高能量短波長UV光的電激發光染料，在UV光染料前面放三種（RGB）螢光染料，後者可以吸收通電後發光的短波長UV光再放出RGB顏色的光。這種RGB螢光染料吸收光能後放出光能的轉換效率比直接通電發光的效率高，最高時可達百分之百的轉換率。所以LED產生全彩有三種方式，一是利用RGB三色螢光染料組成；另一種是產生白色螢光，然後用color filter濾出各種顏色；第三種是先產生一短波長的光，再去激發其他顏色的螢光染料。
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