TFT-LCD液晶显示器的工作原理.doc

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1、TFT-LCD液晶显示器的工作原理 我一直记得，当初刚开始从事有关液晶显示器相关的工作时，常常遇到的困扰，就是不知道怎么跟人家解释，液晶显示器是什么? 只好随着不同的应用环境，来解释给人家听。在最早的时候是告诉人家，就是掌上型电动玩具上所用的显示屏，随着笔记型计算机开始普及，就可以告诉人家说，就是使用在笔记型计算机上的显示器。随着手机的流行，又可以告诉人家说，是使用在手机上的显示板 。时至今日，液晶显示器，对于一般普罗大众，已经不再是生涩的名词。而它更是继半导体后 另一种可以再创造大量营业额的新兴科技产品，更由于其轻薄的特性，因此它的应用范围比起原先使用阴极射线管(CRT，cathode-ra

2、y tube)所作成的显示器更多更广。 如同我前面所提到的，液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器。而今日对液晶显示器这个名称，大多是指使用于笔记型计算机，或是桌上型计算机应用方面的显示器。也就是薄膜晶体管液晶显示器。其英文名称为Thin-film transistor liquid crystal display，简称之TFT LCD。从它的英文名称中我们可以知道，这一种显示器它的构成主要有两个特征，一个是薄膜晶体管，另一个就是液晶本身。我们先谈谈液晶本身。 液晶(LC，liquid crystal)的分类 我们一般都认为物质像水一样都有三态，分别是固态液态跟气态。其实物质的三态是针

3、对水而言，对于不同的物质，可能有其它不同的状态存在。以我们要谈到的液晶态而言，它是介于固体跟液体之间的一种状态，其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程，只要材料具有上述的过程，即在固态及液态间有此一状态存在，物理学家便称之为液态晶体。 这种液态晶体的首次发现，距今已经度过一百多个年头了。在公元1888年，被奥地利的植物学家Friedrich Reinitzer所发现，其在观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行为时发现，此化合物加热至145.5度时，固体会熔化，呈现一种介于固相和液相间之半熔融流动白浊状液体。这种状况会一直维持温度升高到178

4、.5度，才形成清澈的等方性液态(isotropic liquid)。隔年，在1889年，研究相转移及热力学平衡的德国物理学家O.Lehmann，对此化合物作更详细的分析。他在偏光显微镜下发现，此粘稠之半流动性白浊液体化合物，具有异方性结晶所特有的双折射率(birefringence)之光学性质，即光学异相性(optical anisotropic)。故将这种似晶体的液体命名为液晶。此后，科学家将此一新发现的性质，称为物质的第四态-液晶(liquid crystal)。它在某一特定温度的范围内，会具有同时液体及固体的特性。 一般以水而言，固体中的晶格因为加热，开始吸热而破坏晶格，当温度超过熔点时

5、便会溶解变成液体。而热致型液晶则不一样，当其固态受热后，并不会直接变成液态，会先溶解形成液晶态。当您持续加热时，才会再溶解成液态(等方性液态)。这就是所谓二次溶解的现象。而液晶态顾名思义，它会有固态的晶格，及液态的流动性。当液态晶体刚发现时，因为种类很多，所以不同研究领域的人对液晶会有不同的分类方法。在1922年由G。Friedel利用偏光显微镜所观察到的结果，将液晶大致分为Nematic Smectic及Cholesteric三类。但是如果是依分子排列的有序性来分，则可以分成以下四类： 1.层状液晶(Sematic)： 其结构是由液晶棒状分子聚集一起，形成一层一层的结构。其每一层的分子的长轴

6、方向相互平行。且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角。由于其结构非常近似于晶体，所以又称做近晶相。其秩序参数S(order parameter)趋近于1。在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂，所以层与层间较易滑动。但是每一层内的分子键结较强，所以不易被打断。因此就单层来看，其排列不仅有序且粘性较大。如果我们利用巨观的现象来描述液晶的物理特性的话，我们可以把一群区域性液晶分子的平均指向定为指向矢(director)，这就是这一群区域性的液晶分子平均方向。而以层状液晶来说，由于其液晶分子会形成层状的结构，因此又可就其指向矢的不同再分类出不同的层状液晶。当其液晶分子的长轴都是垂直站立的

7、话，就称之为Sematic A phase。如果液晶分子的长轴站立方向有某种的倾斜(tilt)角度，就称之为Sematic C phase。以A，C等字母来命名，这是依照发现的先后顺序来称呼，依此类推，应该会存在有一个Sematic B phase才是。不过后来发觉B phase其实是C phase的一种变形而已，原因是C phase如果带chiral的结构就是B phase。也就是说Chiral sematic C phase就是Sematic B phase。而其结构中的一层一层液晶分子，除了每一层的液晶分子都具有倾斜角度之外，一层一层之间的倾斜角度还会形成像螺旋的结构。 2008-11-

8、11 01:37回复 218.4.82.*2楼 2.线状液晶(Nematic) ： Nematic这个字是希腊字，代表的意思与英文的thread是一样的。主要是因为用肉眼观察这种液晶时，看起来会有像丝线一般的图样。这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列，所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向(也就是指向矢)作为主轴并相互平行排列。而且不像层状液晶一样具有分层结构。与层列型液晶比较其排列比较无秩序，也就是其秩序参数S较层状型液晶较小。另外其粘度较小，所以较易流动(它的流动性主要来自对于分子长轴方向较易自由运动)。线状液晶就是现在的TFT液晶显示器常用的TN(Twisted nematic)型液

9、晶。 3.胆固醇液晶(cholesteric) ： 这个名字的来源，是因为它们大部份是由胆固醇的衍生物所生成的。但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相。如果把它的一层一层分开来看，会很像线状液晶。但是在Z轴方向来看，会发现它的指向矢会随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布，而当其指向矢旋转360度所需的 分子层厚度就称为pitch。正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫做Chiral nematic phase。以胆固醇液晶而言，与指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差异，也因此造就了不同的特性。 4.碟状液晶(disk) ： 也称为柱状液晶，以一个

10、个的液晶来说，它是长的像碟状(disk)，但是其排列就像是柱状(discoid)。 如果我们是依分子量的高低来分的话则可以分成高分子液晶(polymer liquid crystal，聚合许多液晶分子而成)与低分子液晶两种。就此种分类来说TFT液晶显示器是属于低分子液晶的应用。倘若就液晶态的形成原因，则可以分成因为温度形成液晶态的热致型液晶(thermotropic)，与因为浓度而形成液晶态的溶致型液晶(lyotropic)。以之前所提过的分类来说，层状液晶与线状液晶一般多为热致型的液晶，是随着温度变化而形成液晶态。而对于溶致型的液晶，需要考虑分子溶于溶剂中的情形。当浓度很低时，分子便杂乱的分

11、布于溶剂中而形成等方性的溶液，不过当浓度升高大于某一临界浓度时，由于分子已没有足够的空间来形成杂乱的分布，部份分子开始聚集形成较规则的排列，以减少空间的阻碍。因此形成异方性(anisotropic)之溶液。所以溶致型液晶的产生就是液晶分子在适当溶剂中 达到某一临界浓度时，便会形成液晶态。溶致型的液晶有一个最好的例子，就是肥皂。当肥皂泡在水中并不会立刻便成液态，而其在水中泡久了之后，所形成的乳白状物质，就是它的液晶态。 液晶的光电特性 由于液晶分子的结构为异方性 (Anisotropic)，所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具

12、有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰阶，来应用于显示器组件上。以下我们要讨论的，是液晶属于光学跟电学相关的特性，大约有以下几项： 1.介电系数(dielectric permittivity) ： 我们可以将介电系数分开成两个方向的分量，分别是/ (与指向矢平行的分量)与(与指向矢垂直的分量)。当/ 便称之为介电系数异方性为正型的液晶，可以用在平行配位。而/ 0。所以双折射率n 0，我们把它称做是光学正型的液晶，而层状液晶与线状液晶几乎都是属于光学正型的液晶。倘使光的行进方向平行于长轴时的速度较快的话，代表平行长轴方向的折射率小于垂直方向的折射率，所以双折射率n ，

13、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)。对TN型

14、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

15、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. 正因为其旋转的角度不一样，其特性也就跟着不一样。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

16、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68 bits的变化，也就是64256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3050ms 当所显示

17、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

18、候。也 2008-11-11 01:37回复 218.4.82.*5楼就是说当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

19、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) 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

20、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，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。 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

21、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。

22、 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。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T

23、FT 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 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

24、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1，图1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

25、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。