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舊 2004-07-08, 05:41 PM   #1
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預設 TFT-LCD基本原理

TFT LCD液晶顯示器的操作原理下剖析關鍵材料的組成及其特性

跟大家介紹液晶顯示器的基本原理。在液晶特性中,最重要的是液晶的介電係數與折射係數。介電係數是液晶受電場的影響決定液晶分子轉向的特性,而折射係數則是光線穿透液晶時影響光線行進路線的重要參數。液晶顯示器就是藉由液晶的這些特性,適當地利用電壓來控制液晶分子的轉動,進而影響光線的行進方向以形成不同的灰階,作為顯示影像的工具。當然啦,單靠液晶本身是無法當作顯示器的,還需要其他的材料來幫忙,以下將介紹有關液晶顯示器的各項材料組成與其操作原理。

用偏光板作為柵欄以控制光線

記得高中時的物理課上到跟光有關的物理特性時,做了好多的物理實驗,目的是要證明光也是一種波動。而光波的行進方向與電場及磁場互相垂直,同時光波本身的電場與磁場分量彼此也是互相垂直。也就是說,行進方向與電場及磁場分量,彼此是兩兩互相平行的。而偏光板(polarizer)的作用就像是柵欄一般,會阻隔掉與柵欄垂直的分量,只准許與柵欄平行的分量通過。所以如果拿起一片偏光板對著光源看,會像戴了太陽眼鏡一般,光線變得較暗。但如果把兩片偏光板疊在一起,就不一樣了。當您旋轉兩片偏光板的相對角度,會發現隨著相對角度的不同,光線的亮度會越來越暗。當兩片偏光板的柵欄角度互相垂直時,光線就完全無法通過了,而液晶顯示器就是利用這個特性來完成的。在上下兩片柵欄互相垂直的偏光板之間填滿液晶,再利用電場控制液晶轉動來改變光的行進方向,如此一來,不同的電場大小就會形成不同灰階亮度了。

配向膜讓兩層玻璃間的液晶分子排列整齊

液晶上下兩層玻璃主要是用來夾住液晶,下層玻璃長有薄膜電晶體(Thin film transistor, TFT),而上層玻璃則貼有彩色濾光片(Color filter)。這兩片玻璃在接觸液晶的那一面並不是光滑的,而是有鋸齒狀的溝槽。這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子沿著溝槽排列,如此一來,液晶分子的排列才會整齊。因為如果是光滑的平面,液晶分子的排列便會不整齊,造成光線的散射,形成漏光的現象。其實這只是理論的說明,強調必須將玻璃與液晶的接觸面做好處理,以便讓液晶的排列有一定的順序。在實際的製造過程中,並無法將玻璃做成如此的槽狀分布,一般會先在玻璃表面塗佈一層PI(polyimide),再用布做磨擦(rubbing)的動作,好讓PI的表面分子不再雜散分布,依照固定而均一的方向排列。而這一層PI就叫做配向膜(alignment film),它的功用就像在玻璃的凹槽一樣,提供液晶分子呈均勻排列的介面條件,讓液晶依照預定的順序排列。

液晶分子的排列上下旋轉90度的TN型LCD

當上下兩塊玻璃之間沒有施加電壓時,液晶的排列會依照上下兩塊玻璃的配向膜而定。對於TN(Twisted Nematic)型的液晶來說,上下配向膜的角度差恰為90度,所以液晶分子的排列會由上而下自動旋轉90度,當入射光線經過上面的偏光板時,會只剩下單方向極化的光波。通過液晶分子時,由於液晶分子總共旋轉了90度,所以當光波到達下層偏光板時,光波的極化方向恰好轉了90度。而下層的偏光板與上層偏光板,角度也是恰好差90度,所以光線便可以順利地通過。但如果對上下兩塊玻璃之間施加電壓,由於TN型液晶多為介電係數異方性為正型的液晶(ε//>ε⊥,代表平行方向的介電係數比垂直方向的介電係數大,因此當液晶分子受電場影響時,其排列方向會傾向平行於電場方向),所以液晶分子的排列都變成站立著的。此時通過上層偏光板的單方向極化光波,經過液晶分子時便不會改變極化方向,因此就無法通過下層偏光板。

NW及NB兩種偏光板

所謂的NW(Normally white),是指不對液晶面板施加電壓時所看到的面板是透光的畫面,也就是亮的畫面,所以才叫做Normally White。反之,當不對液晶面板施加電壓時,如果面板無法透光而看起來是黑色的,就稱之為NB(Normally black)。對TN型的LCD而言,位於上下玻璃的配向膜都是互相垂直的,而NB與NW的差別只在於偏光板的相對位置不同而已。對NB來說,其上下偏光板的極性是互相平行,所以當NB不施加電壓時,光線會因為液晶將之旋轉90度的極性而無法透光。為什麼會有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢?主要是為了不同的應用環境。一般應用於桌上型電腦或是筆記型電腦大多為NW的配置,如果你注意到一般電腦軟體的使用環境,你會發現整個螢幕大多是亮點,也就是電腦軟體多為白底黑字的應用。既然亮著的點佔大多數,使用NW當然比較方便。也因為NW的亮點不需加電壓,平均起來也會比較省電。反過來說,NB的應用環境大多是屬於顯示幕為黑底的應用了。

液晶分子排列旋轉角度大於180度的STN型LCD

STN(Super Twisted Nematic) LCD與TN型LCD在結構上是很相似的,其主要的差別在於,TN型LCD的液晶分子排列由上到下旋轉的角度總共為90度,而STN型LCD的液晶分子排列,其旋轉的角度會大於180度,一般為270度。正因為兩者旋轉的角度不一樣,其特性也就跟著不一樣。從TN型與STN型LCD的電壓對穿透率曲線可以知道,當電壓比較低時光線的穿透率很高,電壓很高時光線的穿透率很低。所以它們是屬於Normal White的偏光板配置。而電壓在中間位置時,TN型LCD的變化曲線比較平緩,而STN型LCD的變化曲線則較為陡峭。因此在TN型LCD中,當穿透率由90%變化到10%時,相對應的電壓差就比STN型的LCD來得大。前面曾提到,液晶顯示器是利用電壓來控制灰階的變化,而TN與STN的不同特性,造成TN型LCD先天上的灰階變化比STN型LCD來的多。所以一般TN型LCD多為6~8 bits的變化,也就是64~256個灰階的變化。而STN型的LCD最多為4 bits的變化,也就只有16階的灰階變化。
除此之外,STN與TN型的LCD還有一個不一樣的地方,就是反應時間(response time)。一般STN型LCD的反應時間多在100ms以上,而TN型LCD的反應時間多為30~50ms。當所顯示的影像變動快速時,STN型的LCD就容易發生殘影的現象。

TFT LCD利用薄膜電晶體產生電壓以控制液晶轉向

TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display)的中文翻譯名稱叫做薄膜電晶體液晶顯示器,它是利用薄膜電晶體來產生電壓,以控制液晶轉向的顯示器。在上下兩層玻璃間夾著液晶,便會形成平行板電容器,稱之為CLC(capacitor of liquid crystal)。它的大小約為0.1pF,但是實際應用上,這個電容無法將電壓保持到下一次再更新畫面資料的時候。也就是說,當TFT充好這個電容時,它無法將電壓保持到下一次TFT再對此點充電時(以一般60Hz的畫面更新頻率,需保持約16ms的時間),這樣一來,電壓有了變化,所顯示的灰階就會不正確。因此一般在面板的設計上,會再加一個儲存電容CS(storage capacitor大約為0.5pF),以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候。不過正確的說,長在玻璃上的TFT本身只是一個使用電晶體製作的開關。它主要的工作是決定LCD source driver上的電壓是否要充到這個點。至於這個點要充到多高的電壓以便顯示出怎樣的灰階,都是由外面的LCD source driver來決定的。

彩色濾光片(color filter, CF)

如果你有機會拿著放大鏡靠近液晶顯示器的話,你會發現所顯示的樣子。利用紅、藍、綠三原色,便可以混合出各種不同的顏色,很多平面顯示器就是利用這個原理來顯示出色彩。把RGB三種顏色分成獨立的三個點,各自擁有不同的灰階變化,然後把鄰近的三個RGB顯示的點,當作一個顯示的基本單位,也就是pixel,這個pixel就可以擁有不同的色彩變化。對於一個需要解析度為1024 x 768的顯示畫面,只要讓這個平面顯示器的組成有1024 x 768個pixel,便可正確地顯示這個畫面。每一個RGB的點之間的黑色部分,叫做Black Matrix。Black Matrix主要是用來遮住不打算透光的部分,比如ITO的走線、Cr/Al的走線,或者是TFT的部分。這也就是為什麼每一個RGB的亮點看起來並不是矩形,其左上角也有一塊被Black Matrix遮住的部分,這塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。

用於OA產品的條狀排列

常見的彩色濾光片的排列方式。條狀排列(stripe)最常使用於OA的產品,也就是我們常見的筆記型電腦或桌上型電腦等等。為什麼這種應用要用條狀排列的方式呢?原因是現在的軟體多半都是視窗化的介面,也就是說,螢幕內容是由一大堆大小不等的方框所組成的。而條狀排列恰好可以使這些方框邊緣看起來更筆直,而不會讓一條直線看起來有毛邊或是鋸齒狀的感覺。

馬賽克、三角形及正方形排列

但是若應用在AV產品上,就不一樣了。因為電視信號多半是人物,人物的線條不是筆直的,其輪廓大部分是不規則的曲線。因此一開始,使用於AV產品都是使用馬賽克排列(mosaic,或稱為對角形排列)。不過最近的AV產品多已改進到使用三角形排列(triangle,或稱為delta排列)。除了上述的排列方式之外,還有一種排列,叫做正方形排列。它跟前面幾個不一樣的地方在於,它並不是以3個點來當作一個pixel,而是以4個點來當作一個pixel。而4個點組合起來剛好形成一個正方形。

背光板為液晶顯示器提供光源

一般的CRT螢幕是利用高速的電子槍發射出電子,打擊在銀光幕上的螢光粉,藉以產生亮光來顯示出畫面。然而液晶顯示器本身僅能控制光線通過的亮度,本身並無發光的功能,因此液晶顯示器必須加上一個背光板(back light, BL),來提供一個高亮度且亮度分布均勻的光源。可以看到組成背光板的主要零件有燈管(冷陰極管)、反射板、導光板、Prism Sheet、擴散板等等。燈管是主要的發光零件,藉由導光板將光線分布到各處。而反射板則將光線限制住只往TFT LCD的方向前進。最後藉由Prism Sheet及擴散板的幫忙,將光線均勻地分布到各個區域去,提供TFT LCD一個明亮的光源。而TFT LCD則藉由電壓控制液晶的轉動控制通過光線的亮度,藉以形成不同的灰階。

框膠及Spacer的功能

另外還有框膠(Sealant)與Spacer兩種結構成分。框膠的用途是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃能夠緊密黏住,並且使面板中的液晶分子與外界阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞於面板四周將液晶分子框限於面板之內。而Spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐,它必須均勻地分布在玻璃基板上,一旦分布不均造成部分Spacer聚集在一起,反而會阻礙光線通過,也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙(gap),造成電場分布不均的現象,進而影響液晶的灰階表現。

提高開口率以增加亮度

液晶顯示器中有一個很重要的規格就是亮度,而決定亮度最重要的因素就是開口率(Aperture ratio)。開口率是什麼呢?簡單地來說,就是光線能透過的有效區域比例。當光線經由背光板發射出來時,並不是所有的光線都能穿過面板,像是給LCD source驅動晶片及gate驅動晶片用的信號走線、TFT本身,還有儲存電壓用的儲存電容等等。這些地方除了不完全透光外,也由於經過這些地方的光線並不受電壓控制而無法顯示正確的灰階,所以都需利用Black Matrix加以遮蔽,以免干擾到其他透光區域的正確亮度,因此有效的透光區域就只剩下所顯示的區域而已。這塊有效的透光區域與全部面積的比例,就稱之為開口率。

當光線從背光板發射出來,會依序穿過偏光板、玻璃、液晶、彩色濾光片等等。假設各個零件的穿透率如下所示:

•偏光板:50%(因為其只准許單方向的極化光波通過)

•玻璃:95%(需要計算上下兩片)

•液晶:95%

•開口率:50%(有效透光區域只有一半)

•彩色濾光片:27%(假設材質本身的穿透率為80%,但由於濾光片本身塗有色彩,只能容許該色彩的光波通過。以RGB三原色來說,只能容許三種其中一種通過。所以僅剩下三分之一的亮度。所以總共只能通過80% x 33%=27%)
以上述的穿透率來計算,從背光板出發的光線只會剩下6%,實在是少的可憐。這也是為什麼在TFT LCD的設計中,要盡量提高開口率的原因。只要提高開口率,便可以增加亮度,而同時背光板的亮度也不用那麼高,可以節省耗電及花費。
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yievev (2010-08-06)
感謝您發表一篇好文章
舊 2004-07-14, 08:52 PM   #2 (permalink)
applehu
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真是不錯 總算明白液晶顯示器的原理 謝謝大大
 
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舊 2004-07-15, 07:58 AM   #3 (permalink)
timkuo99
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真是受益良多
 
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