液晶顯示屏是如何工作的

液晶顯示屏LCD用于數(shù)字型鐘表和許多便攜式計(jì)算機(jī)的一種顯示器類型。LCD 顯示使用了兩片極化材料，在它們之間是液體水晶溶液。電流通過(guò)該液體時(shí)會(huì)使水晶重新排列，以使光線無(wú)法透過(guò)它們。因此，每個(gè)水晶就像百葉窗，既能允許光線穿過(guò)又能擋住光線。 液晶顯示器LCD 目前科技信息產(chǎn)品都朝著輕、薄、短、小的目標(biāo)發(fā)展，在計(jì)算機(jī)周邊中擁有悠久歷史的顯示器產(chǎn)品當(dāng)然也不例外。在便于攜帶與搬運(yùn)為前題之下，傳統(tǒng)的顯示方式如CRT映像管顯示器及LED顯示板等等，皆受制于體積過(guò)大或耗電量甚巨等因素，無(wú)法達(dá)成使用者的實(shí)際需求。而液晶顯示技術(shù)的發(fā)展正好切合目前信息產(chǎn)品的潮流，無(wú)論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等優(yōu)點(diǎn)，都能讓使用者享受最佳的視覺(jué)環(huán)境。2. 液晶的誕生 要追溯液晶顯示器的來(lái)源，必須先從「液晶」的誕生開(kāi)始講起。在公元1888年，一位奧地利的植物學(xué)家，菲德烈．萊尼澤Friedrich Reinitzer發(fā)現(xiàn)了一種特殊的物質(zhì)。他從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物，在為這種化合物做加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外的發(fā)現(xiàn)此種化合物具有兩個(gè)不同溫度的熔點(diǎn)。而它的狀態(tài)介于我們一般所熟知的液態(tài)與固態(tài)物質(zhì)之間，有點(diǎn)類似肥皂水的膠狀溶液，但它在某一溫度范圍內(nèi)卻具有液體和結(jié)晶雙方性質(zhì)的物質(zhì)，也由于其獨(dú)特的狀態(tài)，后來(lái)便把它命名為「Liquid Crystal」，就是液態(tài)結(jié)晶物質(zhì)的意思。不過(guò)，雖然液晶早在1888年就被發(fā)現(xiàn)，但是真正實(shí)用在生活周遭的用品時(shí)，卻是在80年后的事情了。 公元1968年，在美國(guó)RCA公司收音機(jī)與電視的發(fā)明公司的沙諾夫研發(fā)中心，工程師們發(fā)現(xiàn)液晶分子會(huì)受到電壓的影響，改變其分子的排列狀態(tài)，并且可以讓射入的光線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。利用此一原理，RCA公司發(fā)明了世界第一臺(tái)使用液晶顯示的屏幕。爾后，液晶顯示技術(shù)被廣泛的用在一般的電子產(chǎn)品中，舉凡計(jì)算器、電子表、手機(jī)屏幕、醫(yī)院所使用的儀器因?yàn)橛休椛溆?jì)量的考慮或是數(shù)字相機(jī)上面的屏幕等等。 令人玩味的是，液晶的發(fā)現(xiàn)比真空管或是陰極射線管還早，但世人了解此一現(xiàn)象的并不多，直到1962年才有第一本，由RCA研究小組的化學(xué)家喬．卡司特雷諾Joe Castellano先生所出版的書(shū)籍來(lái)描述。而與映像管相同的，這兩項(xiàng)技術(shù)雖然都是由美國(guó)的RCA公司所發(fā)明的，卻分別被日本的新力Sony與夏普Sharp兩家公司發(fā)揚(yáng)光大。3. 什么是液晶 液晶顯示器是以液晶材料為基本組件，由于液晶是介于固態(tài)和液態(tài)之間，不但具有固態(tài)晶體光學(xué)特性，又具有液態(tài)流動(dòng)特性，所以已經(jīng)可以說(shuō)是一個(gè)中間相。而要了解液晶的所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，我們必須來(lái)解釋液晶的物理特性，包括它的黏性visco-sity與彈性elasticity和其極化性polarizalility。液晶的黏性和彈性從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，可說(shuō)是一個(gè)具有排列性質(zhì)的液體，依照作用力量不同的方向，應(yīng)該有不同的效果。就好像是將一把短木棍扔進(jìn)流動(dòng)的河水中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過(guò)了一會(huì)兒，所有短木棍的長(zhǎng)軸都自然的變成與河水流動(dòng)的方向一致，這表示著次黏性最低的流動(dòng)方式，也是流動(dòng)自由能最低的一個(gè)物理模型。 此外，液晶除了有黏性的反應(yīng)外，還具有彈性的反應(yīng)，它們都是對(duì)于外加的力量，呈現(xiàn)了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質(zhì)中，必然會(huì)按照液晶分子的排列方式行進(jìn)，產(chǎn)生了自然的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)像。至于液晶分子中的電子結(jié)構(gòu)，都具備著很強(qiáng)的電子共軛運(yùn)動(dòng)能力，所以當(dāng)液晶分子受到外加電場(chǎng)的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性induced dipolar，這也是液晶分子之間互相作用力量的來(lái)源。而一般電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應(yīng)，藉由外部的電壓控制，再透過(guò)液晶分子的折射特性，以及對(duì)光線的旋轉(zhuǎn)能力來(lái)獲得亮暗情況或著稱為可視光學(xué)的對(duì)比，進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。4. 液晶顯示器的種類 液晶顯示器，英文通稱為L(zhǎng)CDLiquid Crystal Display，是屬于平面顯示器的一種，依驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分類可分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)Static、單純矩陣驅(qū)動(dòng)Simple Matrix以及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)Active Matrix三種。其中，被動(dòng)矩陣型又可分為扭轉(zhuǎn)式向列型Twisted Nematic；TN、超扭轉(zhuǎn)式向列型Super Twisted Nematic；STN及其它被動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示器；而主動(dòng)矩陣型大致可區(qū)分為薄膜式晶體管型Thin Film Transistor；TFT及二端子二極管型Metal/Insulator/Metal；MIM二種方式。詳細(xì)的分類請(qǐng)參考附圖TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉(zhuǎn)原理之不同，在視角、彩色、對(duì)比及動(dòng)畫(huà)顯示品質(zhì)上有高低程次之差別，使其在產(chǎn)品的應(yīng)用范圍分類亦有明顯區(qū)隔。以目前液晶顯示技術(shù)所應(yīng)用的范圍以及層次而言，主動(dòng)式矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)是以薄膜式晶體管型TFT為主流，多應(yīng)用于筆記型計(jì)算機(jī)及動(dòng)畫(huà)、影像處理產(chǎn)品。而單純矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前則以扭轉(zhuǎn)向列TN、以及超扭轉(zhuǎn)向列STN為主，目前的應(yīng)用多以文書(shū)處理器以及消費(fèi)性產(chǎn)品為主。在這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術(shù)需求較高，而TN及STN所需的技術(shù)及資金需求則相對(duì)較低。5. 液晶顯示器的運(yùn)作原理 如以上所提，目前液晶顯示技術(shù)大多以TN、STN、TFT三種技術(shù)為主軸，因此我們就這從這三種技術(shù)來(lái)探討它們的運(yùn)作原理。 TN型的液晶顯示技術(shù)可說(shuō)是液晶顯示器中最基本的，而之后其它種類的液晶顯示器也可說(shuō)是以TN型為原點(diǎn)來(lái)加以改良。同樣的，它的運(yùn)作原理也較其它技術(shù)來(lái)的簡(jiǎn)單，請(qǐng)讀者參照下方的圖片。圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡(jiǎn)易構(gòu)造圖，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板。 其顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導(dǎo)電玻璃間，液晶分子會(huì)依配向膜的細(xì)溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場(chǎng)未形成，光線會(huì)順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進(jìn)方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，兩片玻璃間會(huì)造成電場(chǎng)，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無(wú)法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對(duì)比的現(xiàn)象，叫做扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱TNFEtwisted nematic field effect。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)原理所制成。STN型的顯示原理也似類似，如下圖，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。 要在這邊說(shuō)明的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形或稱黑白，并沒(méi)有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關(guān)系，以及光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片color filter，并將單色顯示矩陣之任一像素pixel分成三個(gè)子像素sub-pixel，分別透過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器如果顯示屏幕做的越大，其屏幕對(duì)比度就會(huì)顯得較差，不過(guò)藉由STN的改良技術(shù)，則可以彌補(bǔ)對(duì)比度不足的情況。6. 液晶屏幕的驅(qū)動(dòng)方式 在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅(qū)動(dòng)電極的方式，都是采用X、Y軸的交叉方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，如下圖所示，因此如果顯示部份越做越大的話，那么中心部份的電極反應(yīng)時(shí)間可能就會(huì)比較久。而為了讓屏幕顯示一致，整體速度上就會(huì)變慢。講的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就好像是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會(huì)感到屏幕閃爍、跳動(dòng)；或著是當(dāng)需要快速3D動(dòng)畫(huà)顯示時(shí)，但顯示器的顯示速度卻無(wú)法跟上，顯示出來(lái)的要果可能就會(huì)有延遲的現(xiàn)象。所以，早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制，而且并不適合拿來(lái)看電影、或是玩3D游戲。 為了改善此一情形，后來(lái)液晶顯示技術(shù)采用了主動(dòng)式矩陣active-matrix addressing的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，這是目前達(dá)到高數(shù)據(jù)密度液晶顯示效果的理想裝置，且分辨率極高。方法是利用薄膜技術(shù)所做成的硅晶體管電極，利用掃描法來(lái)選擇任意一個(gè)顯示點(diǎn)pixel的開(kāi)與關(guān)。這其實(shí)是利用薄膜式晶體管的非線性功能來(lái)取代不易控制的液晶非線性功能。 如上圖，在TFT型液晶顯器中，導(dǎo)電玻璃上畫(huà)上網(wǎng)狀的細(xì)小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開(kāi)關(guān)，在每個(gè)線路相交的地方則有著一弄控制匣，雖然驅(qū)動(dòng)訊號(hào)快速地在各顯示點(diǎn)掃瞄而過(guò)，但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點(diǎn)得到足以驅(qū)動(dòng)液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成「亮」的對(duì)比，不被選擇的顯示點(diǎn)自然就是「暗」的對(duì)比，也因此避免了顯示功能對(duì)液晶電場(chǎng)效應(yīng)能力的依靠。7. TFT型液晶顯示器的運(yùn)作原理 TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要的構(gòu)成包括了，熒光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源，也就是熒光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過(guò)一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過(guò)液晶，這時(shí)液晶分子的排列方式進(jìn)而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來(lái)還必須經(jīng)過(guò)前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，并進(jìn)而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。