???TFT poly-silicon TFT LCD????TFT LCD ????? by 15YZi9l7

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									                     平面顯示器技術

                                 張 文 固 博士

                              材料科學與工程學系




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                      數位時代之顯示器需求及演化


                • 工作型態的改變:
                   客廳即工廠  公司辦公室  居家辦公室  行
                  動辦公室
                • 可攜式資訊產品及行動電話日益普及
                   輕、薄、短、小、省電、彩色化及高畫質化
                • 數位電視開播及網路家庭化開始盛行
                  高解析度化、大型化、多媒體化
                • 彩色化、高解析度、高畫質化、多功能化及低價
                  化已成為21世紀數位時代顯示器產品發展特性



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                        平面顯示器(FPD) 的分類
   (1) 穿透式: 1. 自發光型:(a) 陰極射線映像管 (CRT)
                     (b) 電漿面板平面顯示器 (PDP)
                     (c) 場發射平面顯示器 (FED)
                     (d) 電激發光平面顯示器 (ELD) :
                           -- 有機電激發光平面顯示器 (OLED)
                           -- 高分子電激發光平面顯示器 (PLED)
                      (e) 發光二極體 (LED)
             2. 非自發光型:液晶平面顯示器(LCD)
                      (a) 被動矩陣式: -- 扭曲向列液晶 (TN)
                                   -- 超扭曲向列液晶 (STN)
                      (b) 主動矩陣式:-- 非晶矽薄膜電晶體 (a-Si TFT-LCD)
                                   -- 低溫多晶矽薄膜電晶體 (LTPS)
                                   -- 高溫多晶矽薄膜電晶體 (HTPS)
   (2) 反射式:反射式液晶平面顯示器 (LCOS,Liquid Crystal on Silicon)
   (3) 投影式:液晶投影機
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                          平面顯示器的應用尺寸




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                         陰極射線映像管 (CRT)

    CRT 顯示器的大致結構就如同右圖所顯示,主要由電子槍、線圈 (Deflection coils)、
    遮罩(Shadow mask)、磷化螢光粉層(Phosphor)和玻璃螢幕五大部分組成。其中電子槍
    有能力打出2萬5千伏特高壓,產生高能電子光束。並利用遮罩正確導引電子光束打在
    鏡面上的磷光物質,而產生亮點。同時控制電子光束的強度,即可產生不同的顏色與
    亮度。當顯示器接收到由電腦顯示卡或由電視訊號發射器所傳出來的影像訊號時,電
    子槍會從螢幕的左上角開始向右方掃瞄,然後由上至下依序掃射下來,如此反覆的掃
    瞄即構成我們看到的影像。

                                       優缺點:
                                       (1) 價格低
                                       (2) 畫質高
                                       (3) 體積大
                                       (4) 易於產生輻射線
                                         (長時間的使用有危
                                         害眼睛的疑慮)
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                         電漿面板平面顯示器 (PDP)




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                                       PDP發光原理

    • PDP的發光原理:
       與日光燈 (如下圖) 的發光原理相同,都是在真空玻璃管中注入惰性氣
      體或水銀氣體,再利用加電壓方式,使氣體產生電漿效應而放出紫外
      線(UV光),藉此紫外線照射到塗佈在玻璃管壁表面上之螢光粉時,螢
      光粉就會被激發出可見光,而可見光的顏色由螢光粉的種類所決定。




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                        場發射平面顯示器 (FED)




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                        CNT 場發射原理




                          Physical Review B 66, 241402 (R) 2002
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                         大面積厚膜場發射顯示器
                   (Thick Film Field Emission Display)
     大面積厚膜場發射顯示器(Thick Film Field Emission Display),利用厚膜
     網印製程及FED技術讓CRT得以平面化,不僅保留了CRT的影像品質,
     並具有省電及體積薄小的好處;同時結合奈米碳管或具奈米結構新穎模
     板場發射源材料的低導通電場、高發射電流密度以及高穩定特性,製造
     出大尺寸、低成本的全新平面顯示器,兼具低驅動電壓、高發光效率、
     無視角問題及省電的優點。就現有大尺寸顯示器而言,CRT雖具備良好
     的顯像品質,但體積卻過於笨重,投影電視雖可改善體積問題,但顯像
     品質不良,而PDP之製程雖然大部分採用網印法製作,但耗電量卻過大。
     因此如果能夠開發出一個全新的自發光場發射顯示器,使其不僅保有薄
     膜式FED的低驅動電壓、高發光效率、高亮度及驅動系統簡單的特性,
     同時使用全厚膜網印製程,又可輕易達到大尺寸及低成本的製程優勢,
     將可造成顯示器發展的另一波重大突破。

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                  有機電激發光平面顯示器 (OLED)

     OLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物(ITO),與電力之正
     極相連,再加上另一個金屬陰極,包成如三明治的結構。整個結構層中包括了:電
     洞傳輸層(HTL)、發光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當電力供應至適當電壓時,正
     極電洞與陰極電荷就會在發光層中結合,產生光亮,依其配方不同產生紅、綠和藍
     RGB 三原色,構成基本色彩。OLED的特性是自己發光,不像 TFT LCD 需要背光,
     因此可視度和亮度均高,其次是電壓需求低且省電效率高,加上反應快、重量輕、
     厚度薄,構造簡單,成本低等,被視為 21世紀最具前途的產品之一。




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           SANYO 15“ OLED
                                        Toshiba 17” PLED




                                       Samsung 2.2” OLED
            SONY 13” OLED
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                                OLED的基本原理

    當陰極提供的電子(Electron) ,與陽極提供的電洞(Hole) ,在高分子材料
    結合,使材料由基態(Ground state)提高到激態(Exciting state),當材料能
    量由激態跳回基態時,便發出光來。一般為了增加電子與電洞的結合效率,
    會在陽極材料上在增加一層電洞傳導層(Hole Transport Layer, HTL)




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                                   OLED基本結構




                                               陰極電極
                                        -
                                        V     電子傳導層 (ETL)
                                        +       發光層(EML)

                                              電洞傳導層 (HTL)

                                              電洞注入層 (HIL)
                                               ITO陽極電極

                                               玻璃基板

                                               光
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                                       OLED發光元件
    • 有機電激發光元件依其所使用的有機薄膜材料,大致可分為兩類:
    (1) 小分子元件(Molecule-based device):是以染料及顏料為材料,分子
        量一般約在數百。被稱為 OLED。
    (2) 高分子元件(Polymer-based device ):是以共軛高分子為材料,分子
        量則高達數萬至數百萬之間。被稱為PLED。




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                             Pioneer Flexible OLED




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                                  OLED色彩發光方式




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                                       LED 發光原理




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                                       LED製作流程




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                                       LED的演化史




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                                       LED的應用




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                            IC 與 LCD 製造之差異性




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                         TFT-LCD 玻璃基板尺寸演進




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                          我國平面顯示器的產業結構




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                           15 吋 TFT-LCD 材料成本分析




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                               背光模組與前光模組

    •   因 TFT-LCD 等液晶顯示器 本身並不發光 ,因此需要一外加面
        光源,提供均勻、高亮度、廣視角的顯示效果。


    •   一般依面板的種類,面光源又可分為:
        (1) 背光模組:
            位於玻璃晶片與彩色濾光片後面,主要用於穿透式面板與投
        影
            式面板。
        (2) 前光模組:
             位於玻璃晶片與彩色濾光片前面,主要用於反射式面板。

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                      液晶之顯示形態之一(穿透式)

     • 穿透式:
       採用背光(Backlight),光源由下方射出,液晶本身並不會發出光,所透
       過的光沒有照射到液晶時,便不會出現顏色。此稱之為「穿透式」。


                                       液晶單元




                      背光




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                      液晶之顯示形態之二(反射式)
   • 如果採用由上方所來臨的光,通過液晶,由底面的鏡面反射,可以利用其反射光
     做為顯示時,便不需要背光。此一「反射式」可應用在電子計算器、時鐘、電子
     鍋等簡單的家電顯示。
               彩色濾光片                            偏光板      (1) 採用外界光源。

                                           玻璃基板          (2) 使用單層偏光板。
                             綠                  紅紫       (3) 製程加入反射電極
                                                             (鋁電極) 。
  向列型           反射電極                    ITO電極
  液晶層           (鋁電極)
                                                     LCOS:
                                                     (Liquid Crystal on Silicon):
                                       壓克力樹脂
                                                     反射式液晶平面顯示器



                                       源極電極
                                       閘極電極
NDHU Materials Science & Engineering   汲極電極                                    29
                      液晶之顯示形態之三(投影式)




                                       投影鏡頭     聚光透鏡




                                         液晶單元


                             螢幕
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                               LCD的光線利用效率




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                                 什麼是液晶? (1)
     • 液晶的起源是在1888年時,由奧地利植物學家萊尼茲(Reinitzer)發現了一
       種特殊的混合物質,此一物質在常態下是處於固態和液態之間,不僅如
       此,其還兼具固態物質和液態物質的雙重特性。在那個年代並沒有對於
       此物質的適當稱呼,因此就稱之為Liquid Crystal(顧名思義就是液態的
       晶體)。而液晶的組成物質是一種有機化合物,也就是以碳為中心所構
       成的化合物。
     • 後來在1963年時,美國RCA公司的威廉發現了液晶會受到電器的影響而
       產生偏轉的現象,也發現光線射入到液晶中會產生折射。所以就在1968
       年,也就是威廉發現光會因液晶產生折射後的5年,RCA的Heil震盪器開
       發部門發表了全球首台利用液晶特性來顯示畫面的螢幕。所以到了1968
       年,萊尼茲發現液晶物質後整整80年後,「液晶」和「顯示器」兩個專
       有名詞才連結在一起,「液晶顯示器(LCD)」成為後來大家朗朗上口
       的專業名詞。
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                                 什麼是液晶? (2)

    • 物質有固態、液態和氣態共三態,但是液晶卻介於固態和液態之間,同
      時擁有固態晶體的光學特性和液體的流動特性,所以可以說液晶是具有
      中間相的物質。

              液態晶體                     Liquid Crystal

                                       加熱               加熱
                                       冷卻               冷卻




                        固體結晶                    液晶           液體
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                        液晶分子示意圖




                  •   晶體: 有光軸,不能隨器成形。
                           光軸不能隨空間連續變化。
                  •   液晶: 有光軸,可以隨器成形。
                           光軸可以隨空間連續變化。

                          •   液體: 沒有光軸,可以隨器成形。
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                                液晶所要求的性質(1)
  1‧液晶動作溫度範圍要廣:
    在很寬廣的動作溫度範圍下,仍然要保持液晶狀態。如果溫度稍微下降,就變
    成結晶,或者溫度稍為上昇,便成為液體,此為相當困擾的問題。必須維持在
    結晶與液體的中間性質,液晶才能做為顯示之用。所以,在某一個溫度範圍
    內,仍然能夠維持液態的狀態。
  2‧對電壓或水等具有耐久性:
    液晶當再加上光或熱,或加入電壓,或加入微量的水時,必須具有耐久性。稍
    微加些熱,便分解或變質,則無法當做顯示之用。例如,汽車導航所使用的液
    晶,其動作範圍為從-10oC ~ 100oC,汽車的觸摸面板(Touch Panel)所使用的液
    晶也是如此。在嚴冬之半夜,停車於戶外的溫度為零下,而在夏天的炎熱天氣
    下於停車場的車內溫度可達100oC以上。在這些狀態下,液晶都還需要正常動作。
  3‧具有較高的比電阻:
    比電阻不夠大時,液晶分子之排列方式無法保持於某一狀態,會影響其信賴
    性。液晶分子排列方式要從某一狀態變化至某一狀態,要使其變化速度快些
    時,液晶的黏度要低些。液晶本身的黏度很高時,改變電壓,使其排列方式改
    變時,無法很快追蹤其變化,即液晶無法做高速反應。所以液晶的黏性適當,
    為其顯示之重要因素。
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                               液晶所要求的性質 (2)

     4‧具有較高的誘電率異方性:
        在驅動液晶時,希望能以較低的電壓驅
        動,此時液晶的誘電率異方性要大一些。
        能夠以較低的電壓驅動,表示驅動液晶的
        電池壽命可以長一些,此為省能源上恨重
        要的性質。


     5‧配向膜與液晶的相容性必須良好:
        在配向膜上附著的液晶太黏合而無法分離
        時,會有問題,相反地,如果配向膜與液
        晶互相排斥時,也無法做成液晶顯示器。


     6‧液晶分子排列方向要對齊一致:
        其排列對齊度越高,所做液晶的對比會越好。

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             熱向型液晶(1):向列型液晶 (Nematic LC)

•   向列型液晶 (Nematic LC):
     “Nematic”為希臘字,原為絲狀或線形的意思,是各異向性。此類液晶
     分子在空間上具有一維的規則性排列,所有分子長軸會選擇某一特定方
     向作為主軸並相互平行排列,外加電場或
     磁場可使分子長軸朝特定方向排列。目前
     商業上生產的液晶顯示器大都使用此類液
     晶分子。




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            熱向型液晶(2):層列型液晶 (Semectic LC)
•   層列型液晶 (Semectic LC):
     “Semectic”為希臘字,原為肥皂之意。層列型液晶在空間上排列上比向
     列型液晶多了一維的規則性,使得層列型液晶為一種分層結構,即分子
     分層排列,且層與層之間距離是一定的,而且分子的長軸垂直於層平
     面。而此類液晶又因其各層的分子排列的方式不同,而將之更細分為SA
     ~ SI 等九種以上不同的層列型液晶,
     其中以SA 、 SB最常見,與其他液晶
     分子的配列相比,則分子配列的規
     則性較高。




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           熱向型液晶(3):膽固醇型液晶 (Cholesteric LC)
•   其名來源於它們大部分是由膽固醇的衍生物生成的 ,但有些沒有膽固醇結
    構的液晶也具有此液晶相。在排列上,此類液晶是由多層向列型液晶相堆
    積而成,各層分子的長軸方向漸次相差某一角度而成螺旋狀。若分子軸方
    向轉360度時,其間之分子層的厚度稱之為螺距(Pitch),此螺距為溫度、壓
    力及濃度之函數。
•   膽固醇液晶有旋轉結構(旋光性) ,可見光的直線偏光穿過它而在垂直螺旋
    軸方向之面形成偏光面旋轉,可產生右旋光性和左旋光性。




                                       螺距(pitch P)



                      螺距(pitch P)
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              熱向型液晶(4):碟狀液晶 (Discotic LC)

•   碟狀液晶 (Discotic LC) :
     此類化合物的分子幾何結構類似碟狀圓盤物。在排列上,可形成僅一有序
     的碟狀向列型液晶(Discotic nematic LC),或有二維以上有序的碟狀層柱型
     (Discotic columnar LC)。




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                            橫向電場切換 (IPS) (1)
    • 橫向電場切換 (In Plane Switch , IPS)

                                               IPS於玻璃邊使用
                                               成對的電極,使
                                               電流平行的通過
                                               材料,此種技術
                                               使液晶平行於前
                                               螢幕,因而增大
                                               視角。




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                            橫向電場切換 (IPS) (2)
    • 橫向電場切換 (In Plane Switch , IPS)

                                         1. 超廣視角(大於170°)
                                         2. 在視角範圍內無灰階反
                                            轉現象
                                         3. 適合應用於大尺吋監視
                                          器及電視產品
                                         4. 無顏色偏移
                                         5. 具有高速階調響應時間




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                                       視角的問題




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                        TFT-LCD的面板構造 (1)

                                               (白光背光源)
                                       (偏光板)
                                               (TFT玻璃板)

                                                 (彩色濾光片)

                                                   (偏光板)




                      (液晶)
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                        TFT-LCD的面板構造 (2)
                                       (玻璃基板)
               (TFT元件) (上偏光板)                           (黑色矩陣)
    (框膠)                                                     (彩色濾光片)
                                                                  (保護膜)
   (異方性導電膜)                                                  (共通電極, ITO)

                                                                   (配向膜)
     (捲帶自動接合)
                                                                     (液晶)
                                                                   (液晶電容)
                                                                  (下電極,ITO)

                                                                  (下偏光板)

(印刷電路板)                                                           (背光源)
                (驅動IC)
                            (擴散片)      (間隔劑)              (反射片)
                                                (導光板)

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                        TFT-LCD的面板構造 (3)




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                        冷陰極燈管Cold Cathode FL




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                        CCFL & LED 之光學模擬




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                        白光LED vs. CCFL




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                        TFT-LCD的背光模組—楔形板




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                        擴散片-- 傳統擴散思維




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                        擴散片比較




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NDHU Materials Science & Engineering   54
                        極化光再利用原理及結構




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                              Array 面板示意圖
                        S1    S2       S3   Sn-2 Sn-1 Sn   Data Driver
                                                           (數據驅動IC)

           G1

           G2

           G3



           Gm-2

           Gm-1

           Gm
     Scan Driver
     掃描驅動IC

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                            Array面板訊號傳輸說明

              Gate Driver              Source Driver




 (1) Gate電壓依序輸入Gate Line,整條TFT依此順序On / Off 。
                                      100um
 (2) Source bus line 依Gate 電壓之順序,將對應於各畫素 Data 之Source電壓(Vs) 輸入。
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                       液晶電視 (TFT-LCD TV)

     • 數位傳播腳步臨近,數位平面電視市場隨之興起,液晶電視正是欣賞數位節目

       與高畫質影像絕佳的選擇。
     • 液晶電視與傳統映像管電視最大的不同在於重量輕、體積小,可節省更多的空
       間,而低耗電、無輻射、低閃爍之特性使看電視成為真正的娛樂享受;而相較
       於電漿電視,液晶電視之耗電量僅其一半,成本與產品壽命也更具競爭力;預
       期液晶電視將成為未來數位平面電視市場一顆閃亮之星。
     • 液晶電視需高亮度、高對比、超廣視角、快速反應速度以及高色彩飽和度等技術。
     • 技術特色:
          • 超廣視角 :水平、垂直視角170度 ( Super MVA技術)
          • 超快響應 :全灰階切換16毫秒(msec)
          • 超高色彩 :NTSC 75%
          • 超高亮度 :500 nits

NDHU Materials Science & Engineering           59
               LCD顯示器 和CRT顯示器優缺點比較表




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                          TFT-LCD與OLED之差異性
     項 目                        TFT-LCD                     OLED
        (1) 光通過:不施加電場,液晶 Twist ,光線沿液晶光軸偏轉。       (1)從電極向有機薄膜注入載體(電子和電洞)。
        (2) 光不通過:施加電場,液晶 Tilt ,光線直進不偏轉。          (2)所注入之載體向相反電極移動。
        (3) Normally White 的顯示裝置為電壓加在液晶上時,會呈現黑   (3)載體之再結合而產生激發複合體。
            色,可以利用此做為文字或圖形之顯示。如果所加入的電            (4)激發複合體的移動(擴散)。
   顯示原理     壓稍小些,則會呈現白與黑的中間調,也即是可以呈現任            (5)由激發複合體產生發光作用。
            意濃度的灰色。
        (4) 由彩色濾光片得到不同的色彩。


            非自發光型
    差異性                                          自發光型
            (LCD本身不發光且無顏色,需加入背光模組及彩色濾光片)
            (1) 發光亮度佳                            (1) 發光亮度非常佳
            (2) 發光效率佳                            (2) 發光效率非常佳
            (3) 色彩度好                             (3) 響應速度非常快
            (4) 低耗電性                             (4) 色彩度非常好
     優點
            (5) 製程成熟可大量生產                        (5) 視角非常大
                                                 (6) 低耗電性
                                                 (7) 製程簡單成本較低

            (1) 響應速度較慢(有殘影問題)                    (1) 有機材料的生命周期未達實用化的要求
            (2) 視角較小                                 (10萬小時)
     缺點     (3) 製程較複雜成本較高                        (2) 部份的色純度未達標準
                                                 (3) 大型化困難

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                          如何選擇適合液晶顯示器 (1)
       考慮因素                            說      明
                      目前主流規格為15吋,而隨著價格的快速滑落,一般使用者開始能接受17吋的
     (1) 尺 寸          機種,18、19、20.1等幾個尺寸,除了進階使用者或玩家,一般使用者大概
                      不會花大筆預算來採購。

                      解析度是與尺寸有相對關係的,市面上的15吋的解析度為 1024x768,17、
     (2) 解析度          18吋的解析度則為1280x1024,液晶顯示器的解析度是固定畫素點(pixel),
                      對應到軟體顯示的每一點,因此當它的解析度是1024x768 時,作業系統最好
                      也是設定成一樣的解析度,不然變會出現模糊不清或怪異變形的畫面,舉例來
                      說如果你設成800x600的解析度,顯示器便要以1024個點來模擬800個點,
                      在有些地方它便要以二個點來模擬一個點,有些地方卻用一個點來顯示一個點,
                      自然會出現變形的畫面,甚而會出現肥短的情形。

                      亮度的單位為cd/m2,也就是每平方公尺之燭光,一個顯示器擁有較高的亮度
     (3) 亮 度          值,理論上可以讓畫面更為亮麗,而一台液晶顯示器最好擁有200 cd/m2以上
                      的亮度值,才能顯示出合宜的畫面,當然若能有更高的亮度值自是更佳。

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                          如何選擇適合液晶顯示器 (2)
      考慮因素                                 說        明
                      對於液晶顯示器其反應時間是越短越好,是液晶顯示器各象素點對輸入信號反應的速
   (4) 反應時間           度,即畫素點(Pixel)由暗轉亮(Rising)或亮轉暗(Falling)的速度。反應時間越小則使
                      用者在看動態畫面時,如使用電玩軟體或觀看DVD、VCD等不會出現尾影拖拽的感覺。
                      一般會將反應速率分為兩個部份:Rising和Falling;而表示時以兩者之和為準。一般
                      以16ms左右為佳。
                      亮點是在畫面中出現單一畫素(pixel)持續發亮,不接受熄滅的訊號,亮點通常不易發
   (5) 顯示亮點           覺,你必須在全黑的畫面下相當仔細觀看才能找出來,目前各品的液晶顯示器大部分
                      只要超過5個亮點便屬瑕疵品,便可以進行換貨,不過這一部分各廠牌的規定有所不
                      同,有的會規定在三點,有的要到七點,另外液晶顯示器在長時間使用下,有時也會
                      逐步出現亮點的情形,因此可以進行換貨,時間是指7天內發現5個以上的亮點。
                      由於液晶顯示器是全數位結構,為追求更好的畫質,部分高階機種會採用數位式的
   (6) 訊入輸入           DVI接頭(Digital Visual Interface),但是DVI不但需要顯示卡同時搭配提供,而且
                      不管顯示器或顯示卡的價格都比較高昂,所以一般仍多採用傳統類比的15針狀的D型
       方式             接頭(15 pin D-sub),而通常置有DVI輸入接頭的機種多會同時配有二種接頭。
                      由於液晶顯示器的競爭日益激烈,但由於生產有一定的良率品管,部分代工廠商會將
   (7) 品牌的信譽          被有品牌所淘汰下來的顯示器將品牌標識取下,以無品牌或任意以一個難以識別的品
                      牌來進行銷售,這便是市場上所謂的「白牌」顯示器。這種顯示器通常價格相當低廉,
                      但是相對會變得相當沒有保障,在品質的穩定度上也可能會有相當程度的隱憂存在,
                      也找不到正常維修管道,所以在選購上最好尋求較具知名度與口碑的品牌,在遇到問
                      題時也才對找到對應窗口。
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