液晶顯示器彩色濾光片製程危害風險之研究 ─以黃光實驗室為例

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1 液晶顯示器彩色濾光片製程危害風險之研究 ─以黃光實驗室為例
研究生 羅啟榮 2005/01/31

2 Outline 摘要 緒論 文獻探討 研究方法 結果與討論 結論與建議

3 摘 要 Display, FDP) 於可說是最受矚目的專有名詞之一，而液晶顯示器 ( Liquid Crystal Display,
近年來我國光電產業蓬勃發展，尤以光顯示領域最為亮眼。平面顯示器 (Flat Panel Display, FDP) 於可說是最受矚目的專有名詞之一，而液晶顯示器 ( Liquid Crystal Display, LCD ) 可謂是在顯示器平面化中的技術主流。由於產品具備著低輻射、平面化、可攜帶、 重量輕、體積小等諸多優點，也拓展了其應用的領域，在資訊、視訊通訊三面品，均可見 其應用的軌跡。 LCD 產品可粗略分為 TN/STN 型及 TFT-LCD 型兩類，無論那一種液晶平面顯示器都 需要組合彩色濾光片 (Color Filter, CF) 而用以彩色表示；因此彩色濾光片可說是液晶顯示 器彩色化之關鍵零組件。CF 之主要製程，包括清洗、光阻塗佈、曝光、顯影、硬烤、保護 膜與透明電極製作等，頗為複雜且須重複多次。但其製程中潛在之危害風險與使用之化學 藥品材料對環境造成的衝擊是不可忽視及值得探討研究的。 本研究計劃則是專注在 CF 製程之危害風險評估並以國內 CF 材料供應廠商長興化工 (路竹廠) 黃光實驗室為例。 關鍵詞：光電、FDP、LCD、CF、風險

4 一、緒論 1.1 研究動機與背景 國內製造業的重心已逐漸由石化業過渡到電子業，液晶顯示器產業被寄予是
繼半導體產業成為台灣未來明星產業的厚望，同時國內已有二十幾家廠商生產筆 記型電腦，以及十多家廠商將投入液晶顯示器市場。對於高科技製程潛在之危害 與風險相關之研究大多是半導體產業，由於製程的類似因此在光電產業方面則鮮 少研究論述。 由於所屬長興化學公司乃是國內液晶顯示器彩色濾光片材料供應商，除了對 相關產業之結構、市場現況有充分了解外，製程條件之評估與模擬更是重要。然 而於 CF 製造業所使用之有機溶劑與化學藥品種類繁多且危險性高，若於製程時 不慎揮發洩漏則會造成人體及環境潛在之危害。本研究則以長興化工(路竹廠)黃 光實驗與無塵室為例，進行探究。

5 1.2 研究目的及流程 故本研究目的專注在國內彩色濾光片 (Color Filter, CF) 製造業製程潛在危害
緒 論 2/2 故本研究目的專注在國內彩色濾光片 (Color Filter, CF) 製造業製程潛在危害 與風險之研析並利用實驗室模擬 CF 製程；同時蒐集國內外光電、半導體相關產 業製程環境危害管理制度與評估方法策略作為參考。研究架構如下： 研究計劃動機與目的 文獻回顧 ─ LCD產品概論 ─ 風險評估與管理之定義 ─ 國外相關產業製程危害評估規範 研究方法 ─ 實驗室CF製程模擬 ─ 製程潛在危害分析 ─ 製程危害資料之建置 結果與討論 結論與建議 圖 研究流程

6 二、文獻回顧 2.1 液晶顯示器概論 液晶 (Liquid Crystal)
LCD 面板是將液晶封裝在玻璃箱中，然後再利用電極的原理讓液晶產生冷 熱變化，如此就可以讓透過液晶折射的光線強度跟著改變，來達到光與色彩的變 化，最後才在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合，成為映入人們眼簾的彩 色影像。 液晶 (Liquid Crystal) 液晶是一種處於液體和固體之間的芳香酸及醋酸之脂類化合物。它是在1888 年被一位奧地利的植物學家發現的。1964 年一位在新澤西美國無線電公司(RCA) 工作的科學家發現液晶在正常狀態下，允許光線直接穿過；但如果給它加電源， 液晶就能使穿過的光線改變方向或者彎曲，這一發現第一次證明液晶可以應用在 顯示領域。液晶自身並不產生光線，它利用外部光線，例如周圍環境的光線來形 成影像，因此它的耗電量低。

7 液晶顯示器的分類 依驅動技術之不同分為簡單矩陣型和主動矩陣型 LCD。簡單矩陣型則依液晶
文獻回顧 2/12 依驅動技術之不同分為簡單矩陣型和主動矩陣型 LCD。簡單矩陣型則依液晶 材料配向分為扭曲向矩 (Twisted Nematic) 型、超扭曲向矩 (Super Twisted Nematic) 型及強鐵電 (Ferroelectric) 型 LCD；主動矩陣型 LCD 則依開關元件的 種類可分為薄膜電晶體 (Thin Film Transistor) 型與金屬 - 絕緣體 - 金屬 (Metal Insulator Metal) 型兩大類。TFT 型更進一步依材料可分為α-Si (非結晶質矽 Amorphous Silicon) 、Poly-Si (多結晶質矽 Polycrytalline Silicon) 和 CG-Si (連續 晶界矽 Continuous Grain Silicon) 。 扭曲向矩型(TN-LCD) 超扭曲向矩(STN-LCD) 強鐵電型(F-LCD) 簡單矩陣型 (SM-LCD) LCD (Liquid Crystal Display) 非結晶質矽(α-Si) 多結晶質矽(Poly-Si) 連續晶界矽(CG-Si) 薄膜電晶體(TFT-LCD) 金屬/絕緣體/金屬 (MIM-LCD) 主動矩陣型 (AM-LCD)

8 液晶顯示器的結構 彩色濾光片 (Color Filter)
文獻回顧 3/12 LCD 基本結構是由基板 (AD Board)、變頻器 (Inverter) 及面板 (Panel) 三個部 份構成。基板主要功能在於類比、數位訊號的轉換工作； Inverter 用來驅動 CCFL 燈管，讓面板上的燈管能夠正常發光；從面板可以看出對比度、反應時間等條件。 LCD 面板約占 30 吋 LCD TV 成本結構的八成，15 吋約占的 3～5 成（視面板尺寸 大小與等級而定），因此面板價格占 LCD TV 成本比重最大，且是價格能否下降的 主要關鍵。 彩色濾光片 (Color Filter) 由於 LCD 為非主動發光之元件，必須透過內部的背光模組 (穿透型 LCD ) 或 由外部環境入射光 (反射或半穿透型 LCD ) 提供光源，搭配驅動 IC 與液晶控制形 成黑、白兩色的灰階顯示，再透過彩色濾光片的紅 (R)、綠 (G)、藍 (B) 三種彩色 層提供色相，形成彩色顯示晝面，因此彩色濾光片可說是 LCD 彩色化之關鍵零組 件，其基本結構是由玻璃基板、遮光層 ( Black Matrix, BM )、彩色光阻層 ( Color Resist, CR )、保護膜 ( Over Coat, OC ) 和透明電極 ( Indium Tin Oxide, ITO )所構 成。

9 文獻回顧 4/12 圖 TFT-LCD 驅動原理與構造

10 透明電極 (ITO) 保護膜 (OC) 彩色光阻 (CR) R G B R G 遮光層 (BM) 玻璃基板
文獻回顧 5/12 R G B R G 透明電極 (ITO) 保護膜 (OC) 彩色光阻 (CR) 遮光層 (BM) 玻璃基板 圖 一般彩色濾光片構造剖面圖

11 文獻回顧 6/12 圖 畫素與尺寸規格 (ppi) 12.1” 0.30 85 9.4” 15.0” 90 VGA (640x480) (921,600) 11.3” 14.1” 95 8.4” SXGA (1400x1050) (4.41M) 13.3” 10.4” 100 0.25 105 7.8” Pixel Pitch (mm) 12.1” UXGA (1600x1200) (5.76M) 110 115 120 15.0” 125 0.20 6.5” 10.4” 14.1” QXGA (2048x1536) (9.44M) 130 13.3” SVGA (800x600) (1.44M) 15.0” 140 XGA (1024x768) (2.36M) 12.1” 14.1” 150 17.0” 160 0.15 12.1” 170 15.0” 6 8 10 12 14 16 18 Diagonal Size of Screen (inch)

12 2.2 風險評估與管理之定義 風險管理 風險評估 所謂的風險是指發生危害(Hazard)的可能性，而危害則是一種會導致損害的
文獻回顧 7/12 風險評估 所謂的風險是指發生危害(Hazard)的可能性，而危害則是一種會導致損害的 狀況；風險評估是在做潛在的危害而決定其發生原因與損害的可能性評估，計算 暴露的頻率和結果的正確性。應用風險評估方法對危害進行評估，並參考規範或 其他可靠的資料設定一個可接受的風險底線，設法將風險將低而不要越過這個底 線。 風險管理 風險管理是為了建構風險與回應風險，透過對風險的辨識與評估所採用的 各種監控方法與過程。

13 確認危害 評估風險 健康和安全審查 / 稽核 風險評估資料文件的建立 執行控制測量 控制測量的有效監控和檢查 圖 2.2.1 風險評估的流程
文獻回顧 8/12 確認危害 評估風險 健康和安全審查 / 稽核 風險評估資料文件的建立 執行控制測量 控制測量的有效監控和檢查 圖 風險評估的流程

14 風 險 管 理 頻率評估 原因 分析 原因可能性估計 危害發生之風險評估 可接受之風險 危害 辨識 後果評估 後果 分析 後果嚴重性估計
文獻回顧 9/12 風 險 管 理 頻率評估 原因 分析 原因可能性估計 危害發生之風險評估 可接受之風險 危害 辨識 後果評估 後果 分析 後果嚴重性估計 不可接受之風險 風險控制 危害發生風險之降低 取代方式 之評估 圖 風險管理之主要步驟及相關流程

15 1996 年英國標準局 (British Standard
2.3 國內外相關產業製程危害評估規範 文獻回顧 10/12 BS8800 1996 年英國標準局 (British Standard Institution,BSI) 建立的職業安全衛生管理 指引，BS8800，旨在透過勞工安全衛生 管理，降低勞工可能遭到危害的風險、改 善經營績效與建立企業善盡社會責任的形 象。其特點在於建立企業預應式 (proactive) 的安全衛生文化，以風險評估與系統運作 方式辨識作業場所中可能的危害，並評估 與控制危害可能造成的風險，於災害發生 前即先行診斷出來並給予控制與管理。但 此標準並不具驗證要求。 持續改善 管理檢討 最初檢討 職業安全衛生政策 查核與改善措施 計畫 實施與運作 圖 BS8800 標準架構

16 暴露族群分類 危害辨識 風險判定 風險容忍度的判定 不可接受 可接受 風險控制計畫的訂定 風險控制行動的檢討
文獻回顧 11/12 暴露族群分類 危害辨識 風險判定 風險容忍度的判定 不可接受 可接受 風險控制計畫的訂定 風險控制行動的檢討 圖 BS8800 風險評估流程

17 OHSAS 18000 文獻回顧 12/12 職業安全衛生管理系統OHSAS (Occupational Health and Safety Assessment Series) 系列標準是由國際上包含 DNV、Lloyds、BSI、 BVQI 等七大驗證公司共同制定，並提供 OHSAS 18001的驗證。其核心內容為 安全衛生風險的控制，其與環境管理系統ISO 皆依PDCA (Plan, Do, Check, Act) 中的邏輯所架構，並具有極高的系統整合特性。 SEMI S2-93A 美國半導體設備和材料國際組織 (Semiconductor Equipment and Materials International, SEMI) 於 1993 年將安全衛生環保列入半導體設備製造遵循之規範 ，其規範之訂定名稱為 SEMI S2-93A 。並於 1998 年訂定風險評估規範 SEMI S 針對製程危害之可能性與嚴重性進行風險等級的鑑別，可能性及嚴重 性的辨識原則，以系統化、地毯式且是逐管線的檢討其安全性是否仍有遺漏疏忽 之處，並可據以提出改善方案。

18 三、研究方法 3.1 實驗室 CF 製程模擬實驗 彩色濾光片製造流程(顏料分散法)
由於 LCD 產品日趨多元化，因此各廠商之製程技術與製程條件也隨著新產 品的開發而異。相對於彩色濾光片，為上游零組件其製成大同小異；除了獨立專 業製造廠商生產產品主要是外售給 LCD 廠用，其餘面板廠多為成本考量而自行 生產彩色濾光片。本研究則針對內製型 CF 廠，以實驗室來模擬探討一般較普遍 之 CF 製程。 彩色濾光片製造流程(顏料分散法) CF其製造程序分別為玻璃基板清洗 (Rinse)、光阻塗佈 (Coating) 、軟烤 (Pre-bake)、曝光 (Expose)、顯影 (Develop)、硬烤 (Post Bake)、保護膜 (Over coat)製作 、透明導電層 (ITO)製作 。

19 圖 3.1.1 彩色濾光片之製造流程 A. B. C. D. E. F. 研究方法 2/6 玻璃切割與 檢測 遮光層形成 彩色光阻形成
圖 彩色濾光片之製造流程 研究方法 2/6 A. B. C. D. E. F. 玻璃切割與 檢測 遮光層形成 彩色光阻形成 保護膜形成 透明電極形成 玻璃清洗 PVA被覆 清洗 清洗 清洗 銦錫氧化物濺鍍 玻璃切割削角 塗佈 塗佈 塗佈 塗佈 最後清洗 軟烤 軟烤 軟烤 軟烤 ×3 微影曝光 微影曝光 微影曝光 尺寸檢驗 硬烤 色彩光學檢驗 顯影 顯影 顯影 缺陷檢驗 蝕刻 清洗 蝕刻 剝離去除 剝離去除 可靠度檢驗 硬烤

20 研究方法 3/6 3.2 製程潛在危害分析 CF 製程之危害不外乎黃光實驗室與無塵室大量使用化學藥品及有機溶劑且 通常為固定污染源；以下則是針對各段製程作分析探討。 玻璃清洗 (Rinse) 一般玻璃基板清洗液分為無機系及有機系清洗液，前者主要在去除基板上的 的有機汙染物，較常見為 H2SO4 與 H2O2 的混酸。至於有機系清洗液主要在去除 含 Particle 的複合污染物，常見為有機鹼(胺鹽類)的稀釋液以及丙酮、異丙醇等 。此段製程則有VOCs之暴露與接觸性危害。 遮光層(Black Matrix)製作 BM 之製作通常有 Cr-BM及樹脂BM兩種方法。二著製程略為不同，前者製程 如圖 B.所示而後者製成則與 C.相同。以Cr-BM製程為例，其使用到之化學 藥品有光阻劑(酚醛系列樹脂)、顯影液(NaOH、KOH、TMAH) 、蝕刻液(王水) 、剝離液(DMSO、MEA)及有機溶劑PGMEA、NMP等等。此段製程危害屬有機 廢氣、無機酸氣、輻射熱、UV之暴露與接觸性危害。 另外，由於Cr-BM其廢 棄物嚴重危害環境，於2008年此技術製作之產品在歐盟國家全面禁用。

21 彩色光阻(Photo Resist)製作 保護層(Over Coat)製作 之曝露與接觸性危害。
研究方法 4/6 彩色光阻(Photo Resist)製作 彩色光阻之製程較為複雜且須重複多次，因為有三種顏色(紅、綠、藍) 。一 般分散型彩色光阻其主要成份有顏料、高分子樹脂(壓克力與環氧系列)、多官能 機高分子單體、分散劑(胺及松香類衍生物)、光起始劑(安息香醚、二苯甲酮-安 共軛体系…)、溶劑(PGMEA、EEP、環己酮) 、介面活性劑等。其他化學藥品如 顯影液(無機、有機鹼類) 、洗邊劑(PGMEA、環己酮、EL、nBA)等等。此段製 程危害較多包括 VOCs、烘烤廢氣、奈米粉塵、無機酸鹼氣體、輻射熱、UV之 暴露與接觸。 保護層(Over Coat)製作 一般保護層的材料為丙烯 – 氨基甲酸乙酯樹脂與環氧樹樹脂。其主要合成 溶劑有PGMEA、DG、環己酮等。烘烤時產生的廢氣與輻射熱為製程主要 之曝露與接觸性危害。

22 透明電極(ITO)製作 玻璃切割與檢測 透明電極通常是使用濺鍍法形成ITO(銦錫氧化物)薄膜，製程使用之化學藥
研究方法 5/6 透明電極(ITO)製作 透明電極通常是使用濺鍍法形成ITO(銦錫氧化物)薄膜，製程使用之化學藥 品有光阻劑(酚醛樹脂) 、顯影液(NaOH、KOH、TMAH) 、蝕刻液(王水) 、剝離 液(DMSO、MEA)及有機溶劑PGMEA、NMP等等。此段製程危害包括VOCs、 有機廢氣、無機酸氣、輻射熱、UV之暴露與接觸性危害。 玻璃切割與檢測 末段製程之化學性危害較少，由於此段幾乎是品管與品檢之工作，除了清 洗液與一般溶劑之 VOCs 外，值得一提的則屬人因工程危害因子的程度。

23 3.3 CF製程危害資料之建置 化學品 表 3.3.1 CF 製程危害資料表 溶劑 曝露危害 立即危害 研究方法 6/6 製 程 玻璃 清洗
製 程 玻璃 清洗 遮光層 製作 彩色光阻製作 保護層 透明電極製作 玻璃切割與檢測 化學品 清洗液 光阻劑 顯影液 蝕刻液 剝離液 洗邊劑 樹脂 銦錫氧化物 溶劑 水 甲醇 丙酮 異丙醇 PGMEA NMP 環己酮 EEP DG 曝露危害 VOCs 製程廢氣 輻射熱 UV 粉塵 人因工程 立即危害 洩漏 火災 爆炸

24 四、結果與討論 與職業安全衛生管理系統(OHSAS 18001) 。因此本研究可藉由實驗室在建
由於本研究是以實驗室為例，且實驗室已建置環境管理系統(ISO14001) 與職業安全衛生管理系統(OHSAS 18001) 。因此本研究可藉由實驗室在建 置OHSAS 18001時，所作之危害風險鑑別評估結果與國內外光電與半導體 廠製程常見之危害事故加以比較，並初步探討CF廠製程潛在危害之風險。 然而本研究報告只是初步之研究架構，對於CF製程潛在之危害資料尚 未深入于以建置；同時國內針對CF製程危害研究之相關數據文獻較少，導 致目前無法選擇合適之風險評估方法。目前大多以半導體廠之經驗作為參考 且都著重於製程中產生之揮發性有機物、廢氣與廢液處理技術方面之研究。 國內大多數的事業單位對於作業環境測定計畫，尤其是曝露評估採樣規 劃實務方面非常欠缺；通常只是服符合法令之最低要求，且多著重於平時狀 況的平均濃度偵測。對於短時間、長時間作業或特殊的製程有害物之危害性 了解有限；因此採樣測定之數據也相對不足，以致未能完整呈現整體之危害 以及人員暴露之情形。

25 五、結論與建議 研究首重數據，亦是決定採用何種研究方法成敗之關鍵。有鑑於本 研究相關文獻資料之匱乏，因此未來研究之重點將是蒐集更完整之資料
與數據為優先。 平面顯示器之技術源自歐美，而日本、韓國、台灣將其發揚光大使 產品更趨多元化，在日新月異之材料與技術開發應用之同時，我們是否 也應該為這片土地投入更多之環保心力。

26 參考資料

27 參考資料

28 參考資料

29 參考資料

30 參考文獻 林清文、陳春盛(92年1l月) ，揮發性有機物質在高科技廠房內影響的評估，奈米通訊 第十卷第四期
林清文、陳春盛(92年1月) ，半導體廠營運中之固定空氣污染源排放以實驗室為例之研究探討， 奈 米通訊 第十一卷第一期 吳信腎、林樹榮、李柏青、范振煥，TFT-LCD製程揮發性有機廢氣處理高級氧化技術之應用，環保 月刊，第100期，pp.75~89，91年11月 姚嘉文、沈洲、林冠佑牡、張堂安，半導體業為害鑑別及風險評估實務，工研院環安中心，旺宏電 子 OHSAS 推動教材 David B Warheit ，Nanoparticles: helth impacts? ，materialstoday ，pp.32~35 ， February 2004 易逸波、高振山，化工製程量化風險評估與管理，工安簡訊電子報，第十三期，91年1月 卓雅文，半導體產業環境與安全衛生績效指標之研究，國立雲林科技大學 碩士論文 89學年度 朱敏珍，風險發生機率計算與風險評估，工安簡訊電子報，第十三期，91年2月 吳秀東，透過OHSAS的建置評估半導體廠之潛在之危害風險，工業污染防治報導第151期 顧鴻壽，光電液晶平面顯示器計術基礎及應用，新文京，初版二刷，91年3月 鄭嘉隆，「2004光電工業年鑑」，工業技術研究院，93年5月 陳健誠，「兩岸LCD產業互動研究與商機探討」，工業技術研究院，92年8月 吳俊雄，「液晶顯示器產業報告」，工業技術研究院，87年6月 長興化學工業股份有限公司，「顯示器材料產業報告」，93年12月。 陳鈺坤，面板轉運Color – 彩色濾光片，產經資訊，第19期，2004