TFT-LCD液晶顯示器的工作原理 - 台部落

從它的英文名稱中我們可以知道，這一種顯示器它的構成主要有兩個特徵， ... 而ε// ε⊥便稱之爲介電係數異方性爲正型的液晶，可以用在平行配位。

而ε//0。

所以雙折射率Δn>0，我們把它稱做是光學正型的液晶，而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬於光學正型的液晶。

倘使光的行進方向平行於長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小於垂直方向的折射率，所以雙折射率Δn <0.我們稱它做是光學負型的液晶。

而膽固醇液晶多爲光學負型的液晶。

 3.其它特性： 對於液晶的光電特性來說，除了上述的兩個重要特性之外，還有許多不同的特性。

比如說像彈性常數(elasticconstant：κ11，κ22，κ33)，它包含了三個主要的常數，分別是，κ11指的是斜展(splay)的彈性常數，κ22指的是扭曲(twist)的彈性常數，κ33指的是彎曲(bend)的彈性常數。

另外像粘性係數(viscositycoefficients，η )，則會影響液晶分子的轉動速度與反應時間(responsetime)，其值越小越好。

但是此特性受溫度的影響最大。

另外還有磁化率(magneticsusceptibility)，也因爲液晶的異方性關係，分成c//與c⊥。

而磁化率異方性則定義成Δc=c//-c⊥。

此外還有電導係數(conductivity)等等光電特性。

 液晶特性中最重要的就是液晶的介電係數與折射係數。

介電係數是液晶受電場的影響決定液晶分子轉向的特性，而折射係數則是光線穿透液晶時影響光線行進路線的重要參數。

而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性，適當的利用電壓，來控制液晶分子的轉動，進而影響光線的行進方向，來形成不同的灰階，作爲顯示影像的工具。

當然啦，單靠液晶本身是無法當作顯示器的，還需要其它的材料來幫忙，以下我們要來介紹有關液晶顯示器的各項材料組成與其操作原理。

偏光板(polarizer) 我記得在高中時的物理課，當教到跟光有關的物理特性時，做了好多的物理實驗，目的是爲了要證明光也是一種波動。

而光波的行進方向，是與電場及磁場互相垂直的。

同時光波本身的電場與磁場分量，彼此也是互相垂直的。

也就是說行進方向與電場及磁場分量，彼此是兩兩互相平行的.(請見圖7)而偏光板的作用就像是柵欄一般，會阻隔掉與柵欄垂直的分量，只准許與柵欄平行的分量通過。

所以如果我們拿起一片偏光板對着光源看，會感覺像是戴了太陽眼鏡一般，光線變得較暗。

但是如果把兩片偏光板迭在一起，那就不一樣了。

當您旋轉兩片的偏光板的相對角度，會發現隨着相對角度的不同，光線的亮度會越來越暗。

當兩片偏光板的柵欄角度互相垂直時，光線就完全無法通過了.(請見圖8) 而液晶顯示器就是利用這個特性來完成的。

利用上下兩片柵欄互相垂直的偏光板之間，充滿液晶，再利用電場控制液晶轉動，來改變光的行進方向，如此一來，不同的電場大小，就會形成不同灰階亮度了。

(請見圖9) 上下兩層玻璃與配向膜(alignmentfilm) 這上下兩層玻璃主要是來夾住液晶用的。

在下面的那層玻璃長有薄膜晶體管(Thinfilmtransistor，TFT)，而上面的那層玻璃則貼有彩色濾光片(Colorfilter)。

如果您注意到的話(請見圖3)，這兩片玻璃在接觸液晶的那一面，並不是光滑的，而是有鋸齒狀的溝槽。

這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子，會沿着溝槽排列。

如此一來，液晶分子的排列纔會整齊。

因爲如果是光滑的平面，液晶分子的排列便會不整齊，造成光線的散射，形成漏光的現象。

其實這只是理論的說明，告訴我們需要把玻璃與液晶的接觸面，做好處理，以便讓液晶的排列有一定的順序。

但在實際的製造過程中，並無法將玻璃作成有如此的槽狀的分佈，一般會在玻璃的表面上塗布一層PI(polyimide)，然後再用布去做磨擦(rubbing)的動作，好讓PI的表面分子不再是雜散分佈，會依照固定而均一的方向排列。

而這一層PI就叫做配向膜，它的功用就像圖3中玻璃的凹槽一樣，提供液晶分子呈均勻排列的接口條件，讓液晶依照預定的順序排列。

 TN(TwistedNematic)LCD 從圖10中我們可以知道，當上下兩塊玻璃之間沒有施加電壓時，液晶的排列會依照上下兩塊玻璃的配向膜而定。

對於TN型的液晶來說，上下的配向膜的角度差恰爲90度.(請見圖9)所以液晶分子的排列由上而下會自動旋轉90度，當入射的光線經過上面的偏光板時，會只剩下單方向極化的光波。

通過液晶分子時，由於液晶分子總共旋轉了90度，所以當光波到達下層偏光板時，光波的極化方向恰好轉了90度。

而下層的偏光板與上層偏光板，角度也是恰好差異90度.(請見圖9) 所以光線便可以順利的通過，但是如果我們對上下兩塊玻璃之間施加電壓時，由於TN型液晶多爲介電係數異方性爲正型的液晶(ε//>ε⊥，代表着平行方向的介電係數比垂直方向的介電係數大，因此當液晶分子受電場影響時，其排列方向會傾向平行於電場方向.)，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着的。

此時通過上層偏光板的單方向的極化光波，經過液晶分子時便不會改變極化方向，因此就無法通過下層偏光板。

 Normallywhite及normallyblack 所謂的NW(Normallywhite)，是指當我們對液晶面板不施加電壓時，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normallywhite。

而反過來，當我們對液晶面板不施加電壓時，如果面板無法透光，看起來是黑色的話，就稱之爲NB(Normallyblack)。

我們剛纔所提到的圖9及圖10都是屬於NW的配置，另外從圖11我們可以知道，對TN型的LCD而言，位於上下玻璃的配向膜都是互相垂直的，而NB與NW的差別就只在於偏光板的相對位置不同而已。

對NB來說，其上下偏光板的極性是互相平行的。

所以當NB不施加電壓時，光線會因爲液晶將之旋轉90度的極性而無法透光。

爲什幺會有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢? 主要是爲了不同的應用環境。

一般應用於桌上型計算機或是筆記型計算機，大多爲NW的配置。

那是因爲，如果你注意到一般計算機軟件的使用環境，你會發現整個屏幕大多是亮點，也就是說計算機軟件多爲白底黑字的應用。

既然亮着的點佔大多數，使用NW當然比較方便。

也因爲NW的亮點不需要加電壓，平均起來也會比較省電。

反過來說NB的應用環境就大多是屬於顯示屏爲黑底的應用了。

STN(SuperTwistedNematic)型LCD STNLCD與TN型LCD在結構上是很相似的，其主要的差別在於TN型的LCD，其液晶分子的排列，由上到下旋轉的角度總共爲90度。

而STN型LCD的液晶分子排列，其旋轉的角度會大於180度，一般爲270度.(請見圖12)正因爲其旋轉的角度不一樣，其特性也就跟着不一樣。

我們從圖13中TN型與STN型LCD的電壓對穿透率曲線可以知道，當電壓比較低時，光線的穿透率很高。

電壓很高時，光線的穿透率很低。

所以它們是屬於Normal White的偏光板配置。

而電壓在中間位置的時候，TN型LCD的變化曲線比較平緩，而STN型LCD的變化曲線則較爲陡峭。

因此在TN型的LCD中，當穿透率由90%變化到10%時，相對應的電壓差就比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多爲6~8bits的變化，也就是64~256個灰階的變化。

而STN型的LCD最多爲4bits的變化也就只有16階的灰階變化。

除此之外STN與TN型的LCD還有一個不一樣的地方就是反應時間(response time)一般STN型的LCD其反應時間多在100ms以上而TN型的LCD其反應時間多爲30~50ms當所顯示的影像變動快速時對STN型的LCD而言就容易會有殘影的現象發生。

TFTLCD(Thinfilmtransistorliquidcrystaldisplay) TFTLCD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生灰階。

而利用薄膜晶體管來產生電壓，以控制液晶轉向的顯示器，就叫做TFTLCD。

從圖8的切面結構圖來看，在上下兩層玻璃間，夾着液晶，便會形成平行板電容器，我們稱之爲CLC(capacitor ofliquidcrystal)。

它的大小約爲0.1pF，但是實際應用上，這個電容並無法將電壓保持到下一次再更新畫面資料的時候。

也就是說當TFT對這個電容充好電時，它並無法將電壓保持住，直到下一次TFT再對此點充電的時候.(以一般60Hz的畫面更新頻率，需要保持約16ms的時間.)這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不正確。

因此一般在面板的設計上，會再加一個儲存電容CS(storagecapacitor大約爲0.5pF)，以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候。

不過正確的來說，長在玻璃上的TFT本身，只是一個使用晶體管制作的開關。

它主要的工作是決定LCD sourcedriver上的電壓是不是要充到這個點來。

至於這個點要充到多高的電壓，以便顯示出怎樣的灰階。

都是由外面的LCDsourcedriver來決定的。

 彩色濾光片(colorfilter，CF) 如果你有機會，拿着放大鏡，靠近液晶顯示器的話。

你會發現如圖9中所顯示的樣子。

我們知道紅色，藍色以及綠色，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原理來顯示出色彩。

我們把RGB三種顏色，分成獨立的三個點，各自擁有不同的灰階變化，然後把鄰近的三個RGB顯示的點，當作一個顯示的基本單位，也就是pixel。

那這一個pixel，就可以擁有不同的色彩變化了。

然後對於一個需要分辨率爲1024*768的顯示畫面，我們只要讓這個平面顯示器的組成有1024*768個pixel，便可以正確的顯示這一個畫面。

在圖9中，每一個RGB的點之間的黑色部分，就叫做Black matrix。

我們回過頭來看圖8就可以發現，blackmatrix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。

這也就是爲什幺我們在圖9中，每一個RGB的亮點看起來，並不是矩形，在其左上角也有一塊被blackmatrix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)最常使用於OA的產品，也就是我們常見的筆記型計算機，或是桌上型計算機等等。

爲什幺這種應用要用條狀排列的方式呢?原因是現在的軟件，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，而不會有一條直線，看起來會有毛邊或是鋸齒狀的感覺。

但是如果是應用在AV產品上，就不一樣了。

因爲電視信號多半是人物，人物的線條不是筆直的，其輪廓大部分是不規則的曲線。

因此一開始，使用於AV產品都是使用馬賽克排列(mosaic，或是稱爲對角形排列)。

不過最近的AV產品，多已改進到使用三角形排列(triangle，或是稱爲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。

它跟前面幾個不一樣的地方在於，它並不是以三個點來當作一個pixel，而是以四個點來當作一個pixel。

而四個點組合起來剛好形成一個正方形。

 背光板(backlight，BL) 在一般的CRT屏幕，是利用高速的電子槍發射出電子，打擊在銀光幕上的熒光粉，藉以產生亮光，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，本身並無發光的功能。

因此，液晶顯示器就必須加上一個背光板，來提供一個高亮度，而且亮度分佈均勻的光源。

我們在圖14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，導光板，prismsheet，擴散板等等。

燈管是主要的發光零件，藉由導光板，將光線分佈到各處。

而反射板則將光線限制住都只往TFT LCD的方向前進。

最後藉由prismsheet及擴散板的幫忙，將光線均勻的分佈到各個區域去，提供給TFTLCD一個明亮的光源。

而TFTLCD則藉由電壓控制液晶的轉動，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兩種結構成分。

其中框膠的用途，就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃，能夠緊密粘住，並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，是圍繞於面板四周，將液晶分子框限於面板之內。

而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐，它必須均勻的分佈在玻璃基板上，不然一但分佈不均造成部分spacer聚集在一起，反而會阻礙光線通過，也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙(gap)，會成電場分佈不均的現象，進而影響液晶的灰階表現. 開口率(Apertureratio) 液晶顯示器中有一個很重要的規格就是亮度，而決定亮度最重要的因素就是開口率。

開口率是什幺呢?簡單的來說就是光線能透過的有效區域比例。

我們來看看圖17，圖17的左邊是一個液晶顯示器從正上方或是正下方看過去的結構圖。

當光線經由背光板發射出來時，並不是所有的光線都能穿過面板，像是給LCDsource驅動芯片及gate驅動芯片用的信號走線，以及TFT本身，還有儲存電壓用的儲存電容等等。

這些地方除了不完全透光外，也由於經過這些地方的光線 並不受到電壓的控制，而無法顯示正確的灰階，所以都需利用blackmatrix加以遮蔽，以免干擾到其它透光區域的正確亮度。

所以有效的透光區域，就只剩下如同圖17右邊所顯示的區域而已。

這一塊有效的透光區域，與全部面積的比例就稱之爲開口率。

當光線從背光板發射出來，會依序穿過偏光板，玻璃，液晶，彩色濾光片等等。

假設各個零件的穿透率如以下所示： 偏光板：50%(因爲其只准許單方向的極化光波通過) 玻璃：95%(需要計算上下兩片) 液晶：95% 開口率：50%(有效透光區域只有一半) 彩色濾光片：27%(假設材質本身的穿透率爲80%，但由於濾光片本身塗有色彩，只能容許該色彩的光波通過。

以RGB三原色來說，只能容許三種其中一種通過。

所以僅剩下三分之一的亮度。

所以總共只能通過80%*33%=27%.) 以上述的穿透率來計算，從背光板出發的光線只會剩下6%，實在是少的可憐。

這也是爲什幺在TFTLCD的設計中，要儘量提高開口率的原因。

只要提高開口率，便可以增加亮度，而同時背光板的亮度也不用那幺高，可以節省耗電及花費。

  發表評論 登录 所有評論 還沒有人評論，想成為第一個評論的人麼?請在上方評論欄輸入並且點擊發布. 相關文章 甲骨文成立以來最大手筆：300億美元收購Cerner進軍醫療保健領域 {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ 闫园园 2021-12-2110:54:01 專訪融雲VP岑裕：複雜場景下，如何解放開發者？ {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ 闫园园 2021-12-0118:43:50 TwitterCEO離職搞比特幣？CTO成繼任者 {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ 闫园园 2021-12-0110:03:50 InfoQ搬新家啦，來留下你的祝福吧！ {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ 极客邦科技 2021-11-1817:58:58 TDengine在浙商銀行微服務監控中的實踐 {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ TDengine 2021-11-1216:03:55 微服務鏈路追蹤組件Skywalking實戰 {"type":"doc","content":[{"type":"heading","attrs":{"align":null,"level":1},"content":[{"type":"text","text":"1.skywalk 程序员Fox 2021-10-2020:03:57 2021雲棲大會|傳統行業如何上鍊？旺鏈科技與你面對面暢聊！ {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ 旺链科技 2021-10-1914:13:52 國內首家100G雲服務器產品家族，正式規模應用！ {"type":"doc","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null,"origin":null},"content":[{"typ 腾讯云 2021-10-1912:13:55 Kafka生產環境部署指南 {"type":"doc","content":[{"type":"heading","attrs":{"align":null,"level":2},"content":[{"type":"text","text":"1Kafka基本 Se7en 2021-10-1814:23:54 技術人在職場如何擺放的心態 {"type":"doc","content":[{"type":"blockquote","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null baiyutang 2021-10-1813:24:05 我用10000張圖片合成我們美好的瞬間 {"type":"doc","content":[{"type":"heading","attrs":{"align":null,"level":1}},{"type":"blockquote","content":[{"type":"pa 荣顶 2021-10-1620:33:52 獨一無二的「MySQL調優金字塔」相信也許你擁有了它，你就很可能擁有了全世界。

{"type":"doc","content":[{"type":"heading","attrs":{"align":null,"level":1},"content":[{"type":"text","text":"開發俏皮話","at 李浩宇/Alex 2021-10-1411:03:55 團隊管理之如何成爲核心員工 {"type":"doc","content":[{"type":"heading","attrs":{"align":null,"level":1},"content":[{"type":"text","text":"核心員工的三個階段" 小诚信驿站 2021-10-1314:03:53 談C++17裏的State模式之二 {"type":"doc","content":[{"type":"blockquote","content":[{"type":"paragraph","attrs":{"indent":0,"number":0,"align":null hedzr 2021-10-1221:03:51 怎麼給程序員做職業規劃？ {"type":"doc","content":[{"type":"heading","attrs":{"align":null,"level":3},"content":[{"type":"text","text":"程序員的中年危機", 石云升 2021-10-1213:03:52 I imyfriend 24小時熱門文章 最新文章 手機史上9大技術突破：觸屏機93年誕生 代理模式之我見 小問題大思考之C++裏的inline函數 誰說Android開發者的收入依然不行？ OpenGLES學習筆記 最新評論文章 VS開發C#窗體實現串口通信功能RS232、RS485 超詳細教程：YOLO_V3（yolov3）訓練自己的數據 Java認證考試OCAJP經驗總結 WhyDoesaStudentNeedAssignmentHelptoScoreGoodGrades? 在OpenCV裏使用背景去除 AgricultureDroneMarketBusinessStatusbyTopKeyCompanies,IndustryKeyChallengesDuetoCor 如何在matlab座標軸上輸入希臘字符和開根號符號 SS7MarketProvidesanIn-DepthInsightofSales,Revenue,AnalysisofGrowthFactorsandReview EnterpriseContentManagement(ECM)MarketSize,Share,GlobalIndustryAnalysis,Trends&Forecast CloudPBXMarketReport:IndustryTrends,Size,Revenue,Component,CompanyProfilesAnalysis