TFT-LCD液晶显示器的工作原理(下)

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欢迎访问e展厅 展厅 12 显示器件展厅 工业液晶显示器, 液晶屏, 液晶显示模块, LED显示屏, 触摸屏, ... 偏光板(polarizer) 我记得在高中时的物理课，当教到跟光有关的物理特性时，做了好多的物理实验，目的是为了要证明光也是一种波动。而光波的行进方向，是与电场及磁场互相垂直的。同时光波本身的电场与磁场分量，彼此也是互相垂直的。也就是说行进方向与电场及磁场分量，彼此是两两互相平行的.(请见图7) 而偏光板的作用就像是栅栏一般，会阻隔掉与栅栏垂直的分量，只准许与栅栏平行的分量通过。所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看，会感觉像是戴了太阳眼镜一般，光线变得较暗。但是如果把两片偏光板迭在一起，那就不一样了。当您旋转两片的偏光板的相对角度，会发现随着相对角度的不同，光线的亮度会越来越暗。当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时，光线就完全无法通过了.(请见图8) 而液晶显示器就是利用这个特性来完成的。利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间，充满液晶，再利用电场控制液晶转动，来改变光的行进方向，如此一来，不同的电场大小，就会形成不同灰阶亮度了。(请见图9) 上下两层玻璃与配向膜(alignment film) 这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的。在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管(Thin film transistor，TFT)，而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter)。如果您注意到的话(请见图3)，这两片玻璃在接触液晶的那一面，并不是光滑的，而是有锯齿状的沟槽。这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子，会沿着沟槽排列。如此一来，液晶分子的排列才会整齐。因为如果是光滑的平面，液晶分子的排列便会不整齐，造成光线的散射，形成漏光的现象。其实这只是理论的说明，告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面，做好处理，以便让液晶的排列有一定的顺序。但在实际的制造过程中，并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布，一般会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide)，然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作，好让PI的表面分子不再是杂散分布，会依照固定而均一的方向排列。而这一层PI就叫做配向膜，它的功用就像图3中玻璃的凹槽一样，提供液晶分子呈均匀排列的接口条件，让液晶依照预定的顺序排列。 TN(Twisted Nematic) LCD 从图10中我们可以知道，当上下两块玻璃之间没有施加电压时，液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶来说，上下的配向膜的角度差恰为90度.(请见图9) 所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度，当入射的光线经过上面的偏光板时，会只剩下单方向极化的光波。通过液晶分子时，由于液晶分子总共旋转了90度，所以当光波到达下层偏光板时，光波的极化方向恰好转了90度。而下层的偏光板与上层偏光板，角度也是恰好差异90度.(请见图9) 所以光线便可以顺利的通过，但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时，由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε// >ε⊥，代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大，因此当液晶分子受电场影响时，其排列方向会倾向平行于电场方向.)，所以我们从图10中便可以看到，液晶分子的排列都变成站立着的。此时通过上层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时便不会改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。 Normally white及normally black 所谓的NW(Normally white)，是指当我们对液晶面板不施加电压时，我们所看到的面板是透光的画面，也就是亮的画面，所以才叫做normally white。而反过来，当我们对液晶面板不施加电压时，如果面板无法透光，看起来是黑色的话，就称之为NB(Normally black)。我们刚才所提到的图9及图10都是属于NW的配置，另外从图11我们可以知道，对TN型的LCD而言，位于上下玻璃的配向膜都是互相垂直的，而NB与NW的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已。对NB来说，其上下偏光板的极性是互相平行的。所以当NB不施加电压时，光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透光。为什幺会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢? 主要是为了不同的应用环境。一般应用于桌上型计算机或是笔记型计算机，大多为NW的配置。那是因为，如果你注意到一般计算机软件的使用环境，你会发现整个屏幕大多是亮点，也就是说计算机软件多为白底黑字的应用。既然亮着的点占大多数，使用NW当然比较方便。也因为NW的亮点不需要加电压，平均起来也会比较省电。反过来说 NB的应用环境就大多是属于显示屏为黑底的应用了。 STN(Super Twisted Nematic)型LCD STN LCD与TN型LCD在结构上是很相似的，其主要的差别在于 TN型的LCD，其液晶分子的排列，由上到下旋转的角度总共为90度。而STN型LCD的液晶分子排列，其旋转的角度会大于180度，一般为270度.(请见图12) 正因为其旋转的角度不一样，其特性也就跟着不一样。我们从图13中TN型与STN型LCD的电压对穿透率曲线可以知道，当电压比较低时，光线的穿透率很高。电压很高时，光线的穿透率很低。所以它们是属于Normal White的偏光板配置。而电压在中间位置的时候，TN型LCD的变化曲线比较平缓，而STN型LCD的变化曲线则较为陡峭。因此在TN型的LCD中，当穿透率由90%变化到10%时，相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大。我们前面曾提到，在液晶显示器中，是利用电压来控制灰阶的变化。而在此TN与STN的不同特性，便造成TN型的LCD，先天上它的灰阶变化就比STN型的LCD来的多。所以一般TN型的LCD多为6~8 bits的变化，也就是64~256个灰阶的变化。而STN型的LCD最多为4 bits的变化 也就只有16阶的灰阶变化。除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地方就是反应时间(response time) 一般STN型的LCD其反应时间多在100ms以上 而TN型的LCD其反应时间多为30~50ms 当所显示的影像变动快速时 对STN型的LCD而言 就容易会有残影的现象发生。 TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display) TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器，我们从一开始就提到 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶。而利用薄膜晶体管来产生电压，以控制液晶转向的显示器，就叫做TFT LCD。从图8的切面结构图来看，在上下两层玻璃间，夹着液晶，便会形成平行板电容器，我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal)。它的大小约为0.1pF，但是实际应用上，这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面资料的时候。也就是说当TFT对这个电容充好电时，它并无法将电压保持住，直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率，需要保持约16ms的时间.) 这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确。因此一般在面板的设计上，会再加一个储存电容CS(storage capacitor 大约为0.5pF)，以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候。不过正确的来说，长在玻璃上的TFT本身，只是一个使用晶体管制作的开关。它主要的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来。至于这个点要充到多高的电压，以便显示出怎样的灰阶。都是由外面的LCD source driver来决定的。 彩色滤光片(color filter，CF) 如果你有机会，拿着放大镜，靠近液晶显示器的话。你会发现如图9中所显示的样子。我们知道红色，蓝色以及绿色，是所谓的三原色。也就是说利用这三种颜色，便可以混合出各种不同的颜色。很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩。我们把RGB三种颜色，分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示的点，当作一个显示的基本单位，也就是pixel。那这一个pixel，就可以拥有不同的色彩变化了。然后对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面，我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel，便可以正确的显示这一个画面。在图9中，每一个RGB的点之间的黑色部分，就叫做Black matrix。我们回过头来看图8就可以发现，black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分。比如像是一些ITO的走线，或是Cr/Al的走线，或者是TFT的部分。这也就是为什幺我们在图9中，每一个RGB的亮点看起来，并不是矩形，在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分，这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。 图10是常见的彩色滤光片的排列方式。条状排列(stripe)最常使用于OA的产品，也就是我们常见的笔记型计算机，或是桌上型计算机等等。为什幺这种应用要用条状排列的方式呢? 原因是现在的软件，多半都是窗口化的接口。也就是说，我们所看到的屏幕内容，就是一大堆大小不等的方框所组成的。而条状排列，恰好可以使这些方框边缘，看起来更笔直，而不会有一条直线，看起来会有毛边或是锯齿状的感觉。但是如果是应用在AV产品上，就不一样了。因为电视信号多半是人物，人物的线条不是笔直的，其轮廓大部分是不规则的曲线。因此一开始，使用于AV产品都是使用马赛克排列(mosaic，或是称为对角形排列)。不过最近的AV产品，多已改进到使用三角形排列(triangle，或是称为delta排列)。除了上述的排列方式之外，还有一种排列，叫做正方形排列。它跟前面几个不一样的地方在于，它并不是以三个点来当作一个pixel，而是以四个点来当作一个pixel。而四个点组合起来刚好形成一个正方形。 背光板(back light，BL) 在一般的CRT屏幕，是利用高速的电子枪发射出电子，打击在银光幕上的荧光粉，藉以产生亮光，来显示出画面。然而液晶显示器本身，仅能控制光线通过的亮度，本身并无发光的功能。因此，液晶显示器就必须加上一个背光板，来提供一个高亮度，而且亮度分布均匀的光源。我们在图14中可以看到，组成背光板的主要零件有灯管(冷阴极管)，反射板，导光板，prism sheet，扩散板等等。灯管是主要的发光零件，藉由导光板，将光线分布到各处。而反射板则将光线限制住都只往TFT LCD的方向前进。最后藉由prism sheet及扩散板的帮忙，将光线均匀的分布到各个区域去，提供给TFT LCD一个明亮的光源。而TFT LCD则藉由电压控制液晶的转动，控制通过光线的亮度，藉以形成不同的灰阶。 框胶(Sealant)及spacer 在图14中另外还有框胶与spacer两种结构成分。其中框胶的用途，就是要让液晶面板中的上下两层玻璃，能够紧密粘住，并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔，所以框胶正如其名，是围绕于面板四周，将液晶分子框限于面板之内。而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑，它必须均匀的分布在玻璃基板上，不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起，反而会阻碍光线通过，也无法维持上下两片玻璃的适当间隙(gap)，会成电场分布不均的现象，进而影响液晶的灰阶表现. 开口率(Aperture ratio) 液晶显示器中有一个很重要的规格就是亮度，而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率是什幺呢? 简单的来说就是光线能透过的有效区域比例。我们来看看图17，图17的左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图。当光线经由背光板发射出来时，并不是所有的光线都能穿过面板，像是给LCD source驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线，以及TFT本身，还有储存电压用的储存电容等等。这些地方除了不完全透光外，也由于经过这些地方的光线 并不受到电压的控制，而无法显示正确的灰阶，所以都需利用black matrix加以遮蔽，以免干扰到其它透光区域的正确亮度。所以有效的透光区域，就只剩下如同图17右边所显示的区域而已。这一块有效的透光区域，与全部面积的比例就称之为开口率。 当光线从背光板发射出来，会依序穿过偏光板，玻璃，液晶，彩色滤光片等等。假设各个零件的穿透率如以下所示： 偏光板：50%(因为其只准许单方向的极化光波通过) 玻璃：95%(需要计算上下两片) 液晶：95% 开口率：50%(有效透光区域只有一半) 彩色滤光片：27%(假设材质本身的穿透率为80%，但由于滤光片本身涂有色彩，只能容许该色彩的光波通过。以RGB三原色来说，只能容许三种其中一种通过。所以仅剩下三分之一的亮度。所以总共只能通过80%*33%=27%.) 以上述的穿透率来计算，从背光板出发的光线只会剩下6%，实在是少的可怜。这也是为什幺在TFT LCD的设计中，要尽量提高开口率的原因。只要提高开口率，便可以增加亮度，而同时背光板的亮度也不用那幺高，可以节省耗电及花费。 TFT-LCD液晶显示器的工作原理(上)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/13/2005)