TFT LCD液晶显示器的操作原理(下)

上次跟大家介绍有关液晶的分类与液晶的特性, 这次跟大家介绍液晶显示器的基本原理. 上次跟大家介绍的液晶特性中, 最重要的就是液晶的介电系数与折射系数. 介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性, 而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数. 而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性, 适当的利用电压, 来控制液晶分子的转动, 进而影响光线的行进方向, 来形成不同的灰阶, 作为显示影像的工具. 当然啦, 单靠液晶本身是无法当作显示器的, 还需要其它的材料来帮忙, 以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理.

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1) 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2) 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3)

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4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3) 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3) 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4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3及图4都是属于NW的配置, 另外从图5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. 为什么会有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6) 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7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数据的时候. 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. 这也就是为什么我们在图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. 为什么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8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8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, 能够紧密黏住, 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. 开口率是什么呢? 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11, 图11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11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. 这也是为什么在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么高, 可以节省耗电及花费.

参考数据:
1.        交通大学次微米人才培训课程, 平面显示器原理讲义.
2.        财团法人自强基金会电子工业人才培训课程, 液晶显示器显示原理讲义.