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舊 2004-07-06, 01:25 PM   #1
hsuatm
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預設 液晶顯示器原理與構造概論(上)

液晶顯示器(Liquid Cyrstal Display;簡稱LCD)是屬於光電產品中平面顯示器的一種,擁有體積小、質量輕、厚度薄、耗電低、不閃爍、沒輻射等眾多優點,是目前顯示器領域中最被矚目的明星。
一、液晶的起源
提起「液晶」不禁讓人想到,「液」是液態的意思,「晶」是固體的意思,那麼「液晶」是固體還是液體呢?答案為都是。為什麼呢?因為一般來講物質有固態、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。

表1-1、液晶分子示意圖
固態 液晶 液態

排列整齊 排列整齊中帶有不整齊 排列不整齊
資料來源:中山大學材料所,NeTrade研究部整理;2001/02

液晶的起源是在1888年時,由奧地利植物學家萊尼茲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。

當然,1968年所發表的液晶顯示器就如同大多數新發明的科技一樣,新科技的首次發表並未象徵能立即量產出貨,距離實際應用在日常生活還有一段路要走。再經過5年的光陰,到了1973年時一位英國大學教授葛雷先生發現了可以利用聯苯來製作液晶,聯苯所製作的液晶顯示器十分安定,解決了以往所使用的液晶材料較不穩定的問題,因此造就了在1976年時有關於液晶顯示器的產品正式量產出貨,此產品為日本SHARP的以液晶做為螢幕的EL-8025電子計算機。從此以後,開啟了液晶多方面的應用,也逐漸促成LCD產業的興起。
二、液晶運用在顯示器上的原理
一般來講液晶運用在顯示器上,主要靠液晶的電光效應和偏光的特性。偏光的涵義是指光波只會在一個平面上震動,主要是靠偏光濾光器(濾光器是由兩塊互相成為90度的單一濾光鏡片構成)。而LCD是以兩塊玻璃片中填滿液晶材料所構成,由於液晶擁有黏性(viscosity)、彈性(elasticity)和極化性(polarizalility)的性質,因此當電極通過就會改變偏光的特性。為了使LCD能顯示影像,在LCD的兩塊玻璃片中間的頂部和底部排列互相成為90度的導體,每一個交叉點就是一個單元,透過訊號輸入至每一單位,因此就能控制影像的顯示。
三、液晶顯示器的分類
目前液晶顯示器可分成三大種類,分別是扭轉向列型(Twisted Nematic;簡稱TN)、超扭轉向列型(Super Twisted Nematic簡稱STN)和彩色薄膜型(Thin Film Transistors;簡稱TFT)。

(一)TN-LCD

TN是繼DSM型的液晶材料後,所發展的新液晶材料,TN-LCD的最大特點就如同其名稱「扭轉向列」一般,其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋狀。TN-LCD的出現奠定了現今LCD發展的主要方式,但是由於TN-LCD具有兩個重大缺點,那就是無法呈現黑、白兩色以外色調,以及當液晶顯示器越做越大時其對比會越來越差,使得各種新的技術陸續出現。

(二)STN-LCD

STN-LCD的出現是為了改善TN-LCD對比不佳的問題,最大差別點在於液晶分子扭轉角度不同以及在玻璃基板的配合層有預傾角度,其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋狀。但是,STN-LCD雖然改善了TN-LCD的對比問題,其顏色的表現依然無法獲得較好的解決,STN-LCD的顏色除了黑、白兩個色調外,就只有橘色和黃綠色等少數顏色,對於色彩的表達仍然無法達到全彩的要求,因此仍然不是一個完善的解決方式。

(三)TFT-LCD

為了改善對於色彩的要求,又發明了TSTN(Triple Super Twisted Nematic)和FSTN(Film Super Twisted Nematic)兩種新技術。TSTN和FSTN的基本構造原理與STN相同,差別在於TSTN在兩片玻璃上加上兩片色補償用薄膜,而FSTN則是加上一片色補償用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的優點,完全改善TN的比對問題和STN的色彩問題。但可惜的是,TSTN和FSTN卻有液晶分子的反應較慢的問題,在放映數量較大的資料時,會造成無法負荷的缺點,因此也不是完善的解決方式。

因此,為了解決此問題,接下來液晶顯示器的研發方向,焦點放在驅動方式的改良。從最早的靜態驅動方式、接下來的動態驅動方式、單純Matrix驅動方式到Active Matrix驅動方式,發展出許多驅動方式。而其中以Active Matrix驅動方式和目前液晶顯示器的發展關係最大,Active Matrix驅動方式的中文名稱為主動矩陣型驅動方式,這種驅動方式是在原本配置畫素的電極交叉處加上一個Active素子,產生了嶄新的點制御模式。
而主動矩陣型的驅動方式中又可分為兩種方式,一是MIM(Metal Insulator Metal)方式,利用兩邊金屬中間夾絕緣層做為簡單的Active素子;另一就是大家耳熟能詳的TFT(Thin Film Transistor)方式,TFT方式是在原本配置畫素的電極交叉處,再加上一個對向電極,並且在此三個電極的交叉處放置薄膜狀的Active素子。

從TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD,液晶顯示器在對比度、解析度和色彩等方面越做越好,產品也越來越普及。而在這三大類的液晶顯示器中,是以TFT-LCD的市場最大,原因是筆記型電腦的熱賣和TFT-LCD顯示器銷售量越來越好的帶動,不僅如此,TFT-LCD還有日漸取代傳統陰極射線管(Cathode Ray Tube;簡稱CRT)螢幕的趨勢,是最有可能登上顯示器霸主寶座的明日之星。
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舊 2004-07-07, 10:26 AM   #2 (permalink)
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