一般報導

可攜帶式的液晶顯示器

輕薄可攜帶式的彩色液晶顯示器

已廣泛地使用在通訊、電腦和消費性電子產品上，

它為什麼這麼神奇？它是如何演進的？

未來又有哪些新的發展呢？

■黃乙白　謝漢萍

43科學發展 2004年10月，382期

液晶顯示器的發展史

一八八八年奧地利植物學家 F. Reinitzer

首先發現液態晶體（liquid crystals）的存在

一九七三年，日本夏普（Sharp）公司

成功開發出以液晶顯示器為顯示面板的計算機與手表

一九九五年，韓國廠商進入

薄膜電晶體液晶顯示器－TFT LCD的生產，

包括三星（Samsung）、現代（Hyundai）與金星（LG），

在九○年代底迅速超越市場占有率30％。

而台灣近年來陸續有許多的TFT－LCD新廠設立，

政府與民間皆視台灣LCD產業是「第二個半導體工業」。

部分圖片擷取自日本SHARP 20XX年　未來散步網頁

液晶顯示器的源起

在幾年前，又大又笨重的電視機或是電腦螢幕是否

讓你覺得移動起來十分的費力，放著又占據了許多的空

間？近年來體積龐大的顯示螢幕已經開始被輕、薄、體

積小的平面液晶顯示器給取代了。正因為顯示螢幕平面

化了，也就更衍生出了其他各式各樣不同的新發明與產

品：攜帶式液晶顯示器，像是行動電話、個人數位助理

（personal digital assistant，PDA）、GameBoy遊戲機等都是

廣為使用的商品。然而所謂的液晶到底有什麼神奇之處

呢？

一八八八年奧地利植物學家雷尼哲（F. Reinitzer）發

現液態晶體（liquid crystals，簡稱液晶）的存在，但直到

一九六八年美國無線電公司（RCA）科學家G. H.

Heilmeier才根據液晶的動態散射效應，把液晶做成液晶

顯示器（liquid crystal display，LCD）。然而，美國企業雖

然是液晶顯示器技術的原始推動者，並擁有眾多研究人

才與技術專利，但長久以來一直以國防需求為主要發展

重點，並不很重視產品的大量生產技術。日本反而是最

先把這項技術商品化的國家。

自一九七三年以來，日本夏普（Sharp）公司成功地

開發出以液晶顯示器為顯示面板的計算機與手表，並帶

動許多廠商，生產並開發各種液晶顯示器產品。日本在

液晶顯示器市場的獨占情況一直延續到一九九五年，韓

國廠商進入薄膜電晶體液晶顯示器——TFT LCD的生產為

止。延續其在半導體產業的發展經驗，韓國廠商學習日

本的薄膜電晶體液晶顯示器技術，進而取代日本成為此

一產業的領先者。

台灣液晶顯示器產業的技術則可追溯至一九七六

年，敬業電子與美國休斯技術合作生產供手表應用的液

晶顯示器，至今已經歷二十餘年。最近正掀起一股薄膜

電晶體液晶顯示器的投資熱潮，短短四、五年間有七家

平均投資金額新台幣250億元的薄膜電晶體液晶顯示器新

廠設立。

44 科學發展 2004年10月，382期

液晶顯示器的運作方式

當彩色的液晶電腦螢幕問世後，便有研究者開始想把

這種能顯示豐富色彩的螢幕縮小製作在遊戲機或是手機上

面，剛開始這種彩色的攜帶式螢幕是使用所謂穿透式的液

晶螢幕，沿用一般製作液晶螢幕的方式製作而成，只不過

輕薄的液晶電視

圖片擷取自燦坤3C

網站http://w

ww

.tkec.com.tw

/

上偏振片（100μｍ）

上玻璃基板（0.5ｍｍ）

彩色濾光片（2μｍ）

上透明電極（1μｍ）

上配向層（2μｍ）

液晶層（5μｍ）

下配向層（1μｍ）

下透明電極（2μｍ）

下玻璃基板（0.5ｍｍ）

下偏振片（100μｍ）

背光源系統（2ｍｍ）

液晶層被夾被在上下兩片玻璃基板之中，在玻璃基板中間有

（1）上、下透明電極來控制液晶的驅動。

（2）上、下配向膜來控制液晶層中液晶分子的排列方向。

（3）彩色濾光片使液晶顯示器呈現出彩色的畫面。

而在玻璃基板外面有著上、下兩片偏振片，在下偏振片的下方則有背光源系統。

可撓式液晶顯示器

圖片擷取自S

ID'03

會議論文集990

頁與995

頁

穿透式液晶顯示器的基本架構圖

尺寸由一般的 15英寸縮小成2∼4英寸而已。

穿透式液晶螢幕顧名思義就是能讓光線穿透的液晶

螢幕，然而為什麼要讓光線能穿過呢？因為液晶本身是

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偏振光與偏振光的互動原理示意圖

（a）偏振片柵欄為Ｘ方向，Y 方向的偏振光被吸收僅有X 方向的偏振光會通過　

僅X方向偏振光通過　

X方向偏振片　

X方向偏振片　

X

Y

僅Y方向偏

振光通過

（b）偏振片柵欄為Ｙ方向，X 方向的偏振光被吸收僅有Y 方向的偏振光會通過

入射光線入射光線

越亮越美麗的液晶顯示器

到底為什麼液晶螢幕可以這麼薄呢？關鍵就是在控

制光線振動方向的液晶層，關鍵液晶層的厚度只有約五

微米，但能控制整片螢幕的亮、暗與顏色，使得所有的

液晶螢幕元件加起來總厚度也不過四公釐，因此可以讓

原先笨重的螢幕變成又薄又平。也正因為液晶螢幕的輕

便，才能夠把它與手機等攜帶式產品結合，讓使用者可

以隨身攜帶。

但是，像行動電話或是數位相機等攜帶用品往往會

在戶外使用，而大家也應該都曾經發現，如果在大太陽

底下使用數位相機時，要用手遮住陽光才能較為清楚地

看到螢幕上顯示的影像，這是因為當穿透式螢幕在陽光

下使用時，會因為陽光太亮而蓋過了原先螢幕後方背光

源系統的光線，使得液晶螢幕上的畫面看不清楚。因此

研究者在原先穿透式液晶顯示器的中間部分加上一片反

射鏡而發明了反射式液晶顯示器。因此當陽光越亮，所

顯示的畫面也就越清楚。

更完美的液晶顯示器

不過，反射式液晶顯示器就像是一般的紙一樣，當

處在一個昏暗的環境底下時，因為缺乏外在環境光源的

照明，我們便會看不清楚螢幕上面所顯示的畫面。行動

電話或是數位相機並不單單只在大太陽底下使用，也會

在燈光昏暗的室內或者是夜間使用，這個時候該怎麼改

進呢？

有研究者想出了一個辦法，他在原先反射式液晶顯

示器的反射鏡上挖了個洞，並在下方再加上原先穿透式

不會發光的物體，所以必須在整個液晶螢幕的背後加入

一個背光源系統使液晶螢幕的畫面可以顯現。

在液晶顯示器中使用偏振片來決定通過的光的偏振

態。所謂偏振片可看作是一種選擇光線偏振態的元件，

而「偏振態」則可以解釋成「偏」向某一個「振」動方

向的狀「態」。比較具體化的感覺是把光線想像成可沿兩

個互相垂直的方向振動的繩波，而偏振片就像是柵欄一

般，會擋住與柵欄互相垂直振動的繩波，讓振動方向跟

柵欄平行的繩波通過。因此使用偏振片來決定通過的光

的偏振態就好比利用柵欄來決定通過的繩波的振動方

向。

液晶層就是一個會改變光的偏振態的系統。當不加

電壓時，液晶層會改變光的偏振狀態，使光通過，這時

是顯示器的亮狀態。但當加上電壓後，液晶分子被轉

動，使得液晶層無法改變光的偏振狀態，所以光被擋

住，無法顯示出顏色，這時就是顯示器的暗狀態。

圖片擷取自燦坤3C

網站http://w

ww

.tkec.com.tw

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可攜帶式的個人數位助理PDA 新潮的手機圖片

圖片擷取自易趣網站http://listings.eachnet.com

46 科學發展 2004年10月，382期

液晶顯示器的元件，如下偏振片、背光源系統等，這樣

一來在顯示器中就可以分成穿透區域和反射區域：在大

太陽下使用時，就利用反射區域來顯示影像；晚上時，

就點亮背光源，利用穿透區域讓影像顯現。因此無論在

任何的環境狀況下，使用者都可以清楚地看到畫面，這

種新型的攜帶式液晶螢幕稱為透反式液晶顯示器。

把電視放到口袋裡

攜帶式小尺寸的液晶螢幕，已由傳統穿透式到反射

式到現在的透反式結構，讓它在任何的環境下都可以呈

現精美的畫面。在科技日新月異的今天，這小尺寸的螢

幕已經宛如一台小型的電腦螢幕或是電視一般，可以把

電影的資料儲存在手機或是個人數位助理的記憶體中，

隨時都可以播放，無線網路也正漸漸地開始發達，這種

光源由底部背光系統出射，經過下方的偏振片後，當液晶加或不加電壓時，液晶層會控制光的偏振狀態，

之後通過上方的彩色濾光片，最後再由上方的偏振片決定光線是否可以通過，利用所加電壓的強弱可控制顏色的深淺，

再利用紅、藍、綠彩色濾光片可混合出其他各種不同的顏色

亮狀態　 暗狀態　

上偏振片

彩色濾光片

液晶層

下偏振片

背光源光線

X

Y

穿透式液晶顯示器工作原理示意圖

外在環境光 反射影像的光線

實際元件

鏡面反射

後的虛像

元件

反射鏡面

反射鏡上面的影像會像鏡子一般，

變成是像穿透式顯示器一樣的架構，

被光源系統被外在的陽光給取代，

因此陽光越亮，顯示器的畫面也就會越亮

反射式液晶顯示器工作原理示意圖

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攜帶式的產品可隨時隨地上網，更可以在任何時間、任

何地點收發電子郵件、觀看股匯市行情等平常在一般電

腦上做的事情。

另外，數位電視系統也正慢慢地成型中，未來將可

以透過網路，直接即時地觀看電視節目，像是有的時候

如果想看連續劇或是當天直撥的球賽，可是卻又因為有

事而不能待在家裡看電視的情況下，就可以從口袋中拿

出這種只有皮包一樣大小的行動電視出來，讓你不至於

錯過這些精采的節目。

現在的液晶螢幕已經相當輕薄了，但是研究者會就

此滿足了嗎？使用者難道不會抱怨攜帶式的螢幕太小，

畫面看不清楚嗎？因此目前研究者正積極地開發可以彎

曲的螢幕面板，利用塑膠取代現在容易破碎的玻璃基

板，這樣一來，螢幕可以像捲軸般收在像筆一樣大小的

滾筒裡，使用的時候只需要把螢幕拉出來就可以了，使

用時螢幕的大小可以達到十幾吋的範圍，而不用時收起

來又只有像筆一樣，攜帶十分方便又有較大的螢幕可以

觀看，真的可以說是把電視放進口袋裡輕鬆的帶著走

了！

黃乙白　謝漢萍交通大學光電工程學系

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外在環境光

反射鏡區域

背光源系統

在反射式液晶顯示器的反射鏡上挖洞，下方再加上穿透式液晶顯示器的元件，

因此可兼顧穿透與反射的特性，也是目前最被廣為使用的攜帶式液晶螢幕。

反射區影像的光線 穿透區影像的光線

背光穿透區

透反式液晶顯示器工作原理示意圖

可攜帶式顯示器的應用

圖片擷取自http://w

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.com