現今大多數在歐洲、美國、中國等市場所售出的手機皆具備彩色螢幕，且幾乎每天都有新款彩色手機問市。在日本與南韓，幾乎每款新問市的手機都擁有彩色螢幕，且大多數採用TFT螢幕。一般預估在未來兩年內業界仍將保持朝向彩色螢幕發展的趨勢。

業者紛紛推出許多新型行動通訊服務，其中有許多服務必須在彩色螢幕環境中才能使用。多媒體簡訊服務（MMS）讓擁有彩色螢幕的手機使用者能隨意的利用相機手機拍照並且將儲存於手機內的相片傳送給另一方。

人的肉眼對於膚色的差異相當敏銳，因此螢幕至少須能顯示4000種顏色，最好是6萬5000色，螢幕呈現顏色才不會失真。若要提高色彩寫實度，可運用各種數學離散（mathematical dispersion）技術，例如像混色（dithering）技術就愈來愈受到業者的青睞，業者利用這種高效率且低成本的方法來提升色彩的品質。

有三項因素讓彩色螢幕的複雜度高於黑白螢幕。彩色螢幕上每個點（dot）中的3個像素必須分開控制，同時需要3倍的輸出引腳──4k的色彩深度每個點就需要12位元的記憶體，反觀黑白螢幕則只需要1位元的記憶體。若要讓影像能達到快速反應時間，液晶須具備不同層級的實體效能。在電子管理控制方面，需要更高的驅動電壓。由於驅動電壓無法從電池獲得，故須運用晶片內部的倍增階段（multiplication stages）來提高電壓。電容通常直接整合在LCD趨動晶片內，但這類元件會佔用大量的矽元件空間。

將大量記憶體整合在驅動晶片，通常需運用到各種深次微米製程。但運用這類製程所生產的元件，最高的電壓僅能達到約3.3伏特。業界於是發展許多創新的組合製程，來因應多元化的需求。

模組製造商

當時間限制比畫格（frame rate）更新率較為寬鬆時，傳統的多工演算法（multiplex algorithms）會逐列篩選像素資料以及每行的顯示資訊。畫格更新率指的是填滿整個畫面或更新內容的頻率。一個畫格是指填滿所有像素列所耗用的時間。為避免在50或60Hz因亮度調變所衍生的干擾，致使肉眼看到畫面呈現閃爍，故實際的畫格更新率定為70Hz。

另一種需要更多運算的技術為多重像素列定址演算法（multiple row addressing algorithm；MRA），這種演算法一次能處理4或8列的像素資料以及正交訊號。這種技術的像素更新率會快上4或8倍。

這種技術的優點相當的多，能因應不同層面需求。可運用在反應速度更快的液晶面板上顯示快速移動的影像，同時僅需使用較小的電壓範圍就能因應顯示動畫與影片的需求。須注意的是2.2至2.4伏特的電池電壓須提高至9伏特以上。

《圖一　驅動電壓的比較》

N-line反轉性

液晶會對電場的RMS產生反應，如(圖三)所示。電場愈強，晶格（cell）發出的亮度就愈高。電場亦會對頻率產生影響。頻率受到電場影響會產生較大的頻率差距，讓傳輸曲線產生微量的偏移，這點可從不同的灰階層次看出其效應。在運用IAP（改良式Alt與Pleshko演算法）以及小幅度的MRA趨動機制下，當畫面幾乎全都是黑白像素時，其頻率會較低；當螢幕在顯示文字或圖形且又必須交替顯示黑白像素時，頻率則較高。為降低整體頻率頻寬，可選擇運用各種反轉程序，例如像在顯示N-line後的反轉極性。N的範圍為N=1至N=最大列數，遞增數為1。在選擇適合的頻率後，所有像素會以正常的順序顯示在螢幕上。

高電壓產生機制

LCD技術需要7至20伏特的趨動電壓，實際電壓視趨動機制以及多功率而定，趨動電壓比手機電池的電壓高出數倍，(表三)為電池電壓範圍比較。

業界陸續發展出不同的倍壓器機制。現今業者較偏愛採用電容充電泵（capacitive charge pumps）取代電感型倍壓器（inductive voltage multipliers），儘管電感倍壓器擁有許多顯著的優勢，(表四)為各種充電泵技術的比較。

《圖二　倍壓器》

提供第一組電容C1充電電壓VDD。（S1 closed, S2 open）。之後透過訊號D1= VDD, （open S1，close S2）改變電容，如此會對C2電容進行充電。在經過多次充電過程後，將第二組電容改置於2VDD進行充電。在充至更高電壓方面，則經過更多的作業階段，(圖二)顯示一組三階段流程（tripler）。調節迴路會監視最終電容的電壓，並與目前的電壓相比較（ROP/R*VREF），而後關閉充電程序直到達到較低的限制門檻為止。

色彩產生機制

人的肉眼能分辨兩個最小角度差為0.02度的物體。若兩個物體之間的角度差距小於這個門檻，眼睛就會認為兩者是同一個物體，當在看手機時一般的距離為30至50公分，因此200μm的像素會被眼睛視為一個點。顏色像素由三個點（dot）所組成，內含紅、綠、藍三色濾光器（filter）。透過所謂的色光加色混合法產生8種基本色，其中包括黑色與白色。透過改變每個點的光源強度，或是套用特定的灰階，就能增加產生色彩的數量。現今有三種色彩深度最為常見，如(表五)所示。

《圖三　不同顏色的產生》

第一代的彩色顯示器僅採用256種顏色。色彩深度愈高，系統就需要用更多的內部記憶體來儲存靜態圖片，並需透過空氣介質將更多的資料傳送至顯示趨動器，因此耗電量絕不會降低。

晶片架構目前面臨一個挑戰──若運用灰階產生機制，則系統須如何建置的問題。目前的兩種模式各有其優缺點。脈衝寬度調變（Pulse width modulation；PWM）模式透過變更像素行訊號的寬度，配合畫格更新率控制（frame rate control；FRC）機制來改變畫格之間的on／off模式。PWM能產生最高的色彩傳真度，但使用較高的交換頻率會耗用較多的電力。FRC的耗電量雖然較低，但圖案（pattern）會導致肉眼能見的像素閃爍，讓使用者感到不適。目前業者以折衷方式同時採用兩種模式的技術。

在小型顯示裝置中，顏色的數量成為一項關鍵的行銷因素。顏色數量愈多，顯示的畫質就愈好。為提升色彩品質，業者採用混色演算法。額外增加像素密度與對比率會對畫面的傳真度或清晰度產生很大的影響。100 dpi與200 dpi之間的畫質有極大的差距。

《圖四　運用混色技術提升色彩品質》

《圖五　影像的解析度或清晰度》

《圖六 Scrolling Options》

溫度補償

為因應在冬季與夏季不同活動的需求，－20至＋65(C的溫度範圍已成為業界實際標準。要在這麼大的溫度落差範圍內運作，顯示趨動器須支援－40至＋85(C的工業級運作溫度。溫度對於液晶（liquid crystal；LC）黏滯性的影響亦須加以考慮。

LCD內部的光源傳遞與液晶模組的排列方向有關。光源依直線方向傳遞，若傳遞方向與模組排列方向垂直，光線就會被阻隔。液晶的黏滯性降低後，就需要更大的控制電壓來扭轉模組，造成反應時間拉長，會讓畫面出現停頓的現象。在較高的溫度下，啟動與關閉所需的時間（ton +toff）為個位數字毫秒（ms），但當溫度降至零下時，就會拉長至數百毫秒。

高速的液晶有較高的Vth電壓，因此需要更高的控制電壓。為了在大範圍的溫度中維持良好的畫質，業者須運用各種溫度補償技術。許多LCD驅動器運用簡易的溫度補償技術，例如線性梯度（linear gradient）。另一方面，性能更加強固的LCD驅動器，則採用精密技術，將溫度範圍切割成四個不同的階段，每個階段選用不同的溫度梯度。再將必要的參數寫入晶片內的非揮發性記憶體單元，例如像是單次編程單元。

《圖七　液晶與溫度之間的相關性》

耗電量

耗電率對電話的效能有直接的影響。降低耗電率可帶來許多層面的利益：

對於顯示趨動器的設計業者而言，耗電量是首要的關鍵因素。除了掀蓋式手機以外的機種，所有行動電話的螢幕都須永遠顯示畫面，僅在關機時螢幕才能關閉。CMOS電路在切換訊號時須耗用大量的電力，故系統會選用最低的內部時脈頻率。電晶體通常根據所要趨動的元件進行最佳化設計。須注意的是類比區塊：振盪器（oscillator）、緩衝器、交換器（switches）以及分壓器等。這些類比區塊的阻抗規格都儘可能設到最高，即使是幾毫秒的時間，當區塊沒有使用時亦會關閉電源。

液晶本身的耗電量約為10uA。此為在以低電壓電池供電的環境中採用高電壓（例如9～20伏特）的模式運作。此外，多工機制須經常切換整個液晶的電壓。業者針對這個問題採取各種智慧型的專利演算法，進行所謂的「charge sharing」電荷分享。電壓不一定從最高電壓直接切換至最低電壓，而是經過一個中間階段。

降低模組複雜度與成本

手機是複雜的通訊裝置，同時也是普遍性的消費性電子產品，因此消費者對價格極為敏感。包括顯示元件在內的零組件數量須減至最低。儘管業界都認為TFT的顯示效能優於CSTN，尤其是在顯示動畫方面，但TFT的昂貴成本使它不適合應用在低階至中階的手機。初期的發展趨勢已顯示業界從黑白螢幕轉移至彩色螢幕將會透過CSTN。然而，隨著TFT螢幕的成本持續下滑，CSTN模組將面臨愈來愈大的價格壓力。

LCD驅動器的成本在整個模組中佔有相當大的比重。雖然不同廠牌CSTN驅動器的價格並沒有太大的差距，但顧客對趨動器產品的選擇趨向，仍對整體模組製造成本產生極大的影響力。

外部元件

業界將顯示趨動器直接整合至蜂巢顯示器（display cell）的趨勢持續發展。現今大多數手機的螢幕都採用玻璃覆晶組裝技術（chip-on-glass﹔COG）。132 ×RGB ×132彩色顯示器的趨動晶片需要大量的控制訊號：132列、396行的輸入像素，加上介面與電源供應輸入，總計達到將近600組連線訊號，這對於使用少量外部元件的系統將會是一項嚴峻的挑戰。運用特殊的半導體技術，讓業者能以節省空間的方式整合調節電壓用的電容。提供SPI、I2C匯流排以及彼此相互對映的平行介面，能將引腳（pin）數量降至最低。平行介面能縮短晶圓測試的時程，進一步降低產品的成本。

《圖八　玻璃覆晶模組的圖片》

COG的替代方案包括捲帶式封裝（tape-carrier-package﹔TCP）與薄膜覆晶封裝（chip-on-foil﹔COF），其優點為驅動晶片能置於顯示器的背後，提供較小的模組尺吋。最新的薄膜材料更為細薄，具備更高的靈活性並提供更小的彎曲半徑。但連線點的數量幾乎是COG的兩倍：主要歸因於驅動器與薄膜之間的連結，以及薄膜與LCD cell之間的連結與介面數量增加所致。

晶片尺寸

大量的介面襯墊（pad）會佔用大量的晶片空間。將600組介面襯墊置於傳統四方晶片的週圍能避免許多缺點──成本昂貴的大型晶片，其中央區域並沒有充份利用。在玻璃覆晶型晶片方面，須使用較寬的接觸引腳。解決方法是採用較大的長寬比。15至25mm長、1至2.5mm寬的晶片是現今常見的晶片規格。墊片可輕易置放在晶片的四週。從半導體的角度來看，墊片的尺吋與型狀可縮小至任何尺寸，從連結技術的角度來看，墊片最適合的尺吋為40～50(m，金質凸塊的尺寸則最好為30×70×17(m。約2000(m2的面積能確保達到低電阻的接觸引腳設計。

單次可程式規劃單元（one time programmable，OTP）

LCD趨動器結構相當複雜，並提供許多可供使用者操控的參數。業界研發出許多技術，將整合單次可程式規劃單元（one time programmable﹔OTP）整合至系統中，這類元件需要增加些許製程步驟。運用這些記憶體單元，業者需要做的就是預先選擇或微調各種參數設定。以下按生產鏈的順序將參數劃分為不同群組：

由半導體製造商設定的參數

對於顯示模組製造商有利的參數

藉由控制這些參數，讓設備製造商能運用「隨插即用（plug and display）」的開發模式

對於像是電話製造商等設備廠商有利的參數

透過這種排列，容易看出OTP的成本節省優勢如何影響整個生產鏈。

結論

CSTN LCD驅動器為LCD模組製造商以及電話製造商提供許多層面的功能與優勢。對於LCD模組製造商而言，例如MRA趨動、N-Line反轉、OTP、延伸範圍溫度補償以及混色等技術，皆有助於改進顯示的品質以及效能。對於手機製造商而言，像是部份顯示模式以及區域捲動技術（area scrolling）都會形成新商機。這些特色將確保CSTN LCD驅動器在未來依舊能主宰行動電話市場。（作者任職於飛利浦半導體）