LCD液晶顯示器原理.doc

TFT LCD液晶顯示器原理液晶顯示器是什么? 只好隨著不同的應(yīng)用環(huán)境, 來解釋給人家聽. 在最早的時(shí)候是告訴人家, 就是掌上型電動(dòng)玩具上所用的顯示屏, 隨著筆記型計(jì)算機(jī)開始普及, 就可以告訴人家說, 就是使用在筆記型計(jì)算機(jī)上的顯示器. 隨著手機(jī)的流行, 又可以告訴人家說, 是使用在手機(jī)上的顯示板. 時(shí)至今日, 液晶顯示器, 對(duì)于一般普羅大眾, 已經(jīng)不再是生澀的名詞. 而它更是繼半導(dǎo)體后 另一種可以再創(chuàng)造大量營(yíng)業(yè)額的新興科技產(chǎn)品, 更由于其輕薄的特性, 因此它的應(yīng)用范圍比起原先使用陰極射線管(CRT, cathode-ray tube)所作成的顯示器更多更廣. 如同我前面所提到的, 液晶顯示器泛指一大堆利用液晶所制作出來的顯示器. 而今日對(duì)液晶顯示器這個(gè)名稱, 大多是指使用于筆記型計(jì)算機(jī), 或是桌上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的顯示器. 也就是薄膜晶體管液晶顯示器. 其英文名稱為Thin-film transistor liquid crystal display, 簡(jiǎn)稱之TFT LCD. 從它的英文名稱中我們可以知道, 這一種顯示器它的構(gòu)成主要有兩個(gè)特征, 一個(gè)是薄膜晶體管, 另一個(gè)就是液晶本身. 我們先談?wù)勔壕П旧? 液晶(LC, liquid crystal)的分類 我們一般都認(rèn)為物質(zhì)像水一樣都有三態(tài), 分別是固態(tài)液態(tài)跟氣態(tài). 其實(shí)物質(zhì)的三態(tài)是針對(duì)水而言, 對(duì)于不同的物質(zhì), 可能有其它不同的狀態(tài)存在. 以我們要談到的液晶態(tài)而言, 它是介于固體跟液體之間的一種狀態(tài), 其實(shí)這種狀態(tài)僅是材料的一種相變化的過程(請(qǐng)見圖1), 只要材料具有上述的過程, 即在固態(tài)及液態(tài)間有此一狀態(tài)存在, 物理學(xué)家便稱之為液態(tài)晶體. 這種液態(tài)晶體的首次發(fā)現(xiàn), 距今已經(jīng)度過一百多個(gè)年頭了. 在公元1888年, 被奧地利的植物學(xué)家Friedrich Reinitzer所發(fā)現(xiàn), 其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行為時(shí)發(fā)現(xiàn), 此化合物加熱至145.5度時(shí), 固體會(huì)熔化,呈現(xiàn)一種介于固相和液相間之半熔融流動(dòng)白濁狀液體. 這種狀況會(huì)一直維持溫度升高到178.5度, 才形成清澈的等方性液態(tài)(isotropic liquid). 隔年, 在1889年, 研究相轉(zhuǎn)移及熱力學(xué)平衡的德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann, 對(duì)此化合物作更詳細(xì)的分析. 他在偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn), 此黏稠之半流動(dòng)性白濁液體化合物,具有異方性結(jié)晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學(xué)性質(zhì), 即光學(xué)異相性(optical anisotropic). 故將這種似晶體的液體命名為液晶. 此后, 科學(xué)家將此一新發(fā)現(xiàn)的性質(zhì), 稱為物質(zhì)的第四態(tài)-液晶(liquid crystal). 它在某一特定溫度的范圍內(nèi), 會(huì)具有同時(shí)液體及固體的特性. 一般以水而言, 固體中的晶格因?yàn)榧訜? 開始吸熱而破壞晶格, 當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)便會(huì)溶解變成液體. 而熱致型液晶則不一樣(請(qǐng)見圖2), 當(dāng)其固態(tài)受熱后, 并不會(huì)直接變成液態(tài), 會(huì)先溶解形成液晶態(tài). 當(dāng)您持續(xù)加熱時(shí), 才會(huì)再溶解成液態(tài)(等方性液態(tài)). 這就是所謂二次溶解的現(xiàn)象. 而液晶態(tài)顧名思義, 它會(huì)有固態(tài)的晶格, 及液態(tài)的流動(dòng)性. 當(dāng)液態(tài)晶體剛發(fā)現(xiàn)時(shí), 因?yàn)榉N類很多, 所以不同研究領(lǐng)域的人對(duì)液晶會(huì)有不同的分類方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光顯微鏡所觀察到的結(jié)果, 將液晶大致分為Nematic Smectic及Cholesteric三類. 但是如果是依分子排列的有序性來分(請(qǐng)見圖3), 則可以分成以下四類: 1.層狀液晶(Sematic) : 其結(jié)構(gòu)是由液晶棒狀分子聚集一起, 形成一層一層的結(jié)構(gòu). 其每一層的分子的長(zhǎng)軸方向相互平行. 且此長(zhǎng)軸的方向?qū)τ诿恳粚悠矫媸谴怪被蛴幸粌A斜角. 由于其結(jié)構(gòu)非常近似于晶體, 所以又稱做近晶相. 其秩序參數(shù)S(order parameter)趨近于1. 在層狀型液晶層與層間的鍵結(jié)會(huì)因?yàn)闇囟榷鴶嗔?,所以層與層間較易滑動(dòng). 但是每一層內(nèi)的分子鍵結(jié)較強(qiáng), 所以不易被打斷. 因此就單層來看, 其排列不僅有序且黏性較大. 如果我們利用巨觀的現(xiàn)象來描述液晶的物理特性的話, 我們可以把一群區(qū)域性液晶分子的平均指向定為指向矢(director), 這就是這一群區(qū)域性的液晶分子平均方向. 而以層狀液晶來說, 由于其液晶分子會(huì)形成層狀的結(jié)構(gòu), 因此又可就其指向矢的不同再分類出不同的層狀液晶. 當(dāng)其液晶分子的長(zhǎng)軸都是垂直站立的話, 就稱之為Sematic A phase. 如果液晶分子的長(zhǎng)軸站立方向有某種的傾斜(tilt)角度,就稱之為Sematic C phase. 以A,C等字母來命名, 這是依照發(fā)現(xiàn)的先后順序來稱呼, 依此類推, 應(yīng)該會(huì)存在有一個(gè)Sematic B phase才是. 不過后來發(fā)覺B phase其實(shí)是C phase的一種變形而已, 原因是C phase如果帶chiral的結(jié)構(gòu)就是B phase. 也就是說Chiral sematic C phase就是Sematic B phase(請(qǐng)見圖4). 而其結(jié)構(gòu)中的一層一層液晶分子, 除了每一層的液晶分子都具有傾斜角度之外, 一層一層之間的傾斜角度還會(huì)形成像螺旋的結(jié)構(gòu). 2.線狀液晶(Nematic) : Nematic這個(gè)字是希臘字, 代表的意思與英文的thread是一樣的. 主要是因?yàn)橛萌庋塾^察這種液晶時(shí), 看起來會(huì)有像絲線一般的圖樣. 這種液晶分子在空間上具有一維的規(guī)則性排列, 所有棒狀液晶分子長(zhǎng)軸會(huì)選擇某一特定方向(也就是指向矢)作為主軸并相互平行排列. 而且不像層狀液晶一樣具有分層結(jié)構(gòu). 與層列型液晶比較其排列比較無秩序, 也就是其秩序參數(shù)S較層狀型液晶較小. 另外其黏度較小, 所以較易流動(dòng)(它的流動(dòng)性主要來自對(duì)于分子長(zhǎng)軸方向較易自由運(yùn)動(dòng))。線狀液晶就是現(xiàn)在的TFT液晶顯示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶. 3.膽固醇液晶(cholesteric) : 這個(gè)名字的來源,是因?yàn)樗鼈兇蟛糠菔怯赡懝檀嫉难苌锼傻? 但有些沒有膽固醇結(jié)構(gòu)的液晶也會(huì)具有此液晶相. 這種液晶如圖5所示, 如果把它的一層一層分開來看, 會(huì)很像線狀液晶. 但是在Z軸方向來看, 會(huì)發(fā)現(xiàn)它的指向矢會(huì)隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布, 而當(dāng)其指向矢旋轉(zhuǎn)360度所需的分子層厚度就稱為pitch. 正因?yàn)樗恳粚痈€狀液晶很像,所以也叫做Chiral nematic phase. 以膽固醇液晶而言, 與指向矢的垂直方向分布的液晶分子, 由于其指向矢的不同, 就會(huì)有不同的光學(xué)或是電學(xué)的差異, 也因此造就了不同的特性. 4.碟狀液晶(disk) : 也稱為柱狀液晶, 以一個(gè)個(gè)的液晶來說, 它是長(zhǎng)的像碟狀(disk), 但是其排列就像是柱狀(discoid). 如果我們是依分子量的高低來分的話則可以分成高分子液晶(polymer liquid crystal, 聚合許多液晶分子而成)與低分子液晶兩種. 就此種分類來說 TFT液晶顯示器是屬于低分子液晶的應(yīng)用. 倘若就液晶態(tài)的形成原因, 則可以分成因?yàn)闇囟刃纬梢壕B(tài)的熱致型液晶(thermotropic),與因?yàn)闈舛榷纬梢壕B(tài)的溶致型液晶(lyotropic). 以之前所提過的分類來說, 層狀液晶與線狀液晶一般多為熱致型的液晶, 是隨著溫度變化而形成液晶態(tài). 而對(duì)于溶致型的液晶, 需要考慮分子溶于溶劑中的情形. 當(dāng)濃度很低時(shí), 分子便雜亂的分布于溶劑中而形成等方性的溶液, 不過當(dāng)濃度升高大于某一臨界濃度時(shí), 由于分子已沒有足夠的空間來形成雜亂的分布, 部份分子開始聚集形成較規(guī)則的排列, 以減少空間的阻礙. 因此形成異方性(anisotropic)之溶液. 所以溶致型液晶的產(chǎn)生就是液晶分子在適當(dāng)溶劑中 達(dá)到某一臨界濃度時(shí),便會(huì)形成液晶態(tài). 溶致型的液晶有一個(gè)最好的例子,就是肥皂. 當(dāng)肥皂泡在水中并不會(huì)立刻便成液態(tài), 而其在水中泡久了之后, 所形成的乳白狀物質(zhì), 就是它的液晶態(tài). 液晶的光電特性 由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性 (Anisotropic)，所以所引起的光電效應(yīng)就會(huì)因?yàn)榉较虿煌兴町?，?jiǎn)單的說也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質(zhì)來改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度, 以便形成灰階, 來應(yīng)用于顯示器組件上. 以下我們要討論的, 是液晶屬于光學(xué)跟電學(xué)相關(guān)的特性, 大約有以下幾項(xiàng): 1.介電系數(shù)(dielectric permittivity) : 我們可以將介電系數(shù)分開成兩個(gè)方向的分量, 分別是/ (與指向矢平行的分量)與(與指向矢垂直的分量). 當(dāng)/ 便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶, 可以用在平行配位. 而/ 0 .所以雙折射率n 0 ,我們把它稱做是光學(xué)正型的液晶, 而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學(xué)正型的液晶. 倘使光的行進(jìn)方向平行于長(zhǎng)軸時(shí)的速度較快的話，代表平行長(zhǎng)軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率n ,代表著平行方向的介電系數(shù)比垂直方向的介電系數(shù)大, 因此當(dāng)液晶分子受電場(chǎng)影響時(shí), 其排列方向會(huì)傾向平行于電場(chǎng)方向.), 所以我們從圖10中便可以看到, 液晶分子的排列都變成站立著的. 此時(shí)通過上層偏光板的單方向的極化光波, 經(jīng)過液晶分子時(shí)便不會(huì)改變極化方向, 因此就無法通過下層偏光板. Normally white及normally black 所謂的NW(Normally white),是指當(dāng)我們對(duì)液晶面板不施加電壓時(shí), 我們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. 而反過來, 當(dāng)我們對(duì)液晶面板不施加電壓時(shí), 如果面板無法透光, 看起來是黑色的話, 就稱之為NB(Normally black). 我們剛才所提到的圖9及圖10都是屬于NW的配置, 另外從圖11我們可以知道, 對(duì)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與NW的差別就只在于偏光板的相對(duì)位置不同而已. 對(duì)NB來說, 其上下偏光板的極性是互相平行的. 所以當(dāng)NB不施加電壓時(shí), 光線會(huì)因?yàn)橐壕⒅D(zhuǎn)90度的極性而無法透光. 為什么會(huì)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(yīng)用環(huán)境. 一般應(yīng)用于桌上型計(jì)算機(jī)或是筆記型計(jì)算機(jī), 大多為NW的配置. 那是因?yàn)? 如果你注意到一般計(jì)算機(jī)軟件的使用環(huán)境, 你會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)屏幕大多是亮點(diǎn), 也就是說計(jì)算機(jī)軟件多為白底黑字的應(yīng)用. 既然亮著的點(diǎn)占大多數(shù), 使用NW當(dāng)然比較方便. 也因?yàn)镹W的亮點(diǎn)不需要加電壓, 平均起來也會(huì)比較省電. 反過來說 NB的應(yīng)用環(huán)境就大多是屬于顯示屏為黑底的應(yīng)用了. STN(Super Twisted Nematic)型LCD STN LCD與TN型LCD在結(jié)構(gòu)上是很相似的, 其主要的差別在于 TN型的LCD,其液晶分子的排列, 由上到下旋轉(zhuǎn)的角度總共為90度. 而STN型LCD的液晶分子排列, 其旋轉(zhuǎn)的角度會(huì)大于180度, 一般為270度.(請(qǐng)見圖12) 正因?yàn)槠湫D(zhuǎn)的角度不一樣, 其特性也就跟著不一樣. 我們從圖13中TN型與STN型LCD的電壓對(duì)穿透率曲線可以知道, 當(dāng)電壓比較低時(shí), 光線的穿透率很高. 電壓很高時(shí), 光線的穿透率很低. 所以它們是屬于Normal White的偏光板配置. 而電壓在中間位置的時(shí)候, 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型的LCD中, 當(dāng)穿透率由90%變化到10%時(shí), 相對(duì)應(yīng)的電壓差就比STN型的LCD來的較大. 我們前面曾提到, 在液晶顯示器中, 是利用電壓來控制灰階的變化. 而在此TN與STN的不同特性, 便造成TN型的LCD,先天上它的灰階變化就比STN型的LCD來的多. 所以一般TN型的LCD多為68 bits的變化, 也就是64256個(gè)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(gè)不一樣的地方就是反應(yīng)時(shí)間(response time) 一般STN型的LCD其反應(yīng)時(shí)間多在100ms以上 而TN型的LCD其反應(yīng)時(shí)間多為3050ms 當(dāng)所顯示的影像變動(dòng)快速時(shí) 對(duì)STN型的LCD而言 就容易會(huì)有殘影的現(xiàn)象發(fā)生 TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display) TFT LCD的中文翻譯名稱就叫做薄膜晶體管液晶顯示器, 我們從一開始就提到 液晶顯示器需要電壓控制來產(chǎn)生灰階. 而利用薄膜晶體管來產(chǎn)生電壓,以控制液晶轉(zhuǎn)向的顯示器, 就叫做TFT LCD. 從圖8的切面結(jié)構(gòu)圖來看, 在上下兩層玻璃間, 夾著液晶, 便會(huì)形成平行板電容器, 我們稱之為CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小約為0.1pF, 但是實(shí)際應(yīng)用上, 這個(gè)電容并無法將電壓保持到下一次再更新畫面數(shù)據(jù)的時(shí)候. 也就是說當(dāng)TFT對(duì)這個(gè)電容充好電時(shí), 它并無法將電壓保持住, 直到下一次TFT再對(duì)此點(diǎn)充電的時(shí)候.(以一般60Hz的畫面更新頻率, 需要保持約16ms的時(shí)間.) 這樣一來, 電壓有了變化, 所顯示的灰階就會(huì)不正確. 因此一般在面板的設(shè)計(jì)上, 會(huì)再加一個(gè)儲(chǔ)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(shí)候. 不過正確的來說, 長(zhǎng)在玻璃上的TFT本身,只是一個(gè)使用晶體管制作的開關(guān). 它主要的工作是決定LCD source driver上的電壓是不是要充到這個(gè)點(diǎn)來. 至于這個(gè)點(diǎn)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(jī)會(huì), 拿著放大鏡, *近液晶顯示器的話. 你會(huì)發(fā)現(xiàn)如圖9中所顯示的樣子. 我們知道紅色, 藍(lán)色以及綠色, 是所謂的三原色. 也就是說利用這三種顏色, 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(gè)原理來顯示出色彩. 我們把RGB三種顏色, 分成獨(dú)立的三個(gè)點(diǎn), 各自擁有不同的灰階變化, 然后把鄰近的三個(gè)RGB顯示的點(diǎn), 當(dāng)作一個(gè)顯示的基本單位, 也就是pixel. 那這一個(gè)pixel,就可以擁有不同的色彩變化了. 然后對(duì)于一個(gè)需要分辨率為1024*768的顯示畫面, 我們只要讓這個(gè)平面顯示器的組成有1024*768個(gè)pixel, 便可以正確的顯示這一個(gè)畫面. 在圖9中,每一個(gè)RGB的點(diǎn)之間的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我們回過頭來看圖8就可以發(fā)現(xiàn), black matrix主要是用來遮住不打算透光的部分. 比如像是一些ITO的走線, 或是Cr/Al的走線, 或者是TFT的部分. 這也就是為什么我們?cè)趫D9中, 每一個(gè)RGB的亮點(diǎn)看起來, 并不是矩形, 在其左上角也有一塊被black matrix遮住的部分, 這一塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置. 圖10是常見的彩色濾光片的排列方式. 條狀排列(stripe)最常使用于OA的產(chǎn)品, 也就是我們常見的筆記型計(jì)算機(jī),或是桌上型計(jì)算機(jī)等等. 為什么這種應(yīng)用要用條狀排列的方式呢? 原因是現(xiàn)在的軟件, 多半都是窗口化的接口. 也就是說, 我們所看到的屏幕內(nèi)容,就是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(huì)有一條直線, 看起來會(huì)有毛邊或是鋸齒狀的感覺. 但是如果是應(yīng)用在AV產(chǎn)品上, 就不一樣了. 因?yàn)殡娨曅盘?hào)多半是人物, 人物的線條不是筆直的, 其輪廓大部分是不規(guī)則的曲線. 因此一開始, 使用于AV產(chǎn)品都是使用馬賽克排列(mosaic,或是稱為對(duì)角形排列). 不過最近的AV產(chǎn)品, 多已改進(jìn)到使用三角形排列(triangle,或是稱為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(gè)不一樣的地方在于, 它并不是以三個(gè)點(diǎn)來當(dāng)作一個(gè)pixel,而是以四個(gè)點(diǎn)來當(dāng)作一個(gè)pixel. 而四個(gè)點(diǎn)組合起來剛好形成一個(gè)正方形. 背光板(back light, BL) 在一般的CRT屏幕, 是利用高速的電子槍發(fā)射出電子, 打擊在銀光幕上的熒光粉, 藉以產(chǎn)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, 本身并無發(fā)光的功能. 因此,液晶顯示器就必須加上一個(gè)背光板, 來提供一個(gè)高亮度,而且亮度分布均勻的光源. 我們?cè)趫D14中可以看到, 組成背光板的主要零件有燈管(冷陰極管), 反射板, 導(dǎo)光板, prism sheet, 擴(kuò)散板等等. 燈管是主要的發(fā)光零件, 藉由導(dǎo)光板, 將光線分布到各處. 而反射板則將光線限制住都只往TFT LCD的方向前進(jìn). 最后藉由prism sheet及擴(kuò)散板的幫忙, 將光線均勻的分布到各個(gè)區(qū)域去, 提供給TFT LCD一個(gè)明亮的光源. 而TFT LCD則藉由電壓控制液晶的轉(zhuǎn)動(dòng), 控制通過光線的亮度, 藉以形成不同的灰階. 框膠(Sealant)及spacer 在圖14中另外還有框膠與spacer兩種結(jié)構(gòu)成分. 其中框膠的用途,就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃, 能夠緊密黏住, 并且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞于面板四周, 將液晶分子框限于面板之內(nèi). 而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐, 它必須均勻的分布在玻璃基板上, 不然一但分布不均造成部分s