前面我們了解過液晶的分類與液晶的特性, 今天繼續來介紹液晶顯示器的基本原理. 從上一篇文章我們知道的液晶特性中, 最重要的就是液晶的介電系數與折射系數. 介電系數是液晶受電場的影響決定液晶分子轉向的特性, 而折射系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, 作為顯示影像的工具. 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, 目的是為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1) 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, 只準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著光源看, 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, 會發現隨著相對角度的不同, 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2) 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3)
上下兩層玻璃與配向膜(alignment film)
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(Thin film transistor, TFT), 而上面的那層玻璃則貼有彩色濾光片(Color filter). 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, 并不是光滑的, 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, 會沿著溝槽排列. 如此一來, 液晶分子的排列才會整齊. 因為如果是光滑的平面, 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. 但在實際的制造過程中, 并無法將玻璃作成有如此的槽狀的分布, 一般會在玻璃的表面上涂布一層PI(polyimide), 然后再用布去做磨擦(rubbing)的動作, 好讓PI的表面分子不再是雜散分布, 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(Twisted Nematic) LCD
從圖4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. 對于TN型的液晶來說, 上下的配向膜的角度差恰為90度.(請見圖3) 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, 由于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3) 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, 由于TN型液晶多為介電系數異方性為正型的液晶(ε/ >ε⊥ ,代表著平行方向的介電系數比垂直方向的介電系數大, 因此當液晶分子受電場影響時, 其排列方向會傾向平行于電場方向.), 所以我們從圖4中便可以看到, 液晶分子的排列都變成站立著的. 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.
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TFT LCD. 從圖8的切面結構圖來看, 在上下兩層玻璃間, 夾著液晶, 便會形成平行板電容器, 我們稱之為CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小約為0.1pF, 但是實際應用上, 這個電容并無法將電壓保持到下一次再更新畫面數據的時候. 也就是說當TFT對這個電容充好電時, 它并無法將電壓保持住, 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(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 source driver上的電壓是不是要充到這個點來. 至于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LCD source driver來決定的.
彩色濾光片(color filter, CF)
如果你有機會, 拿著放大鏡, 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, 然后把鄰近的三個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. 然后對于一個需要分辨率為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, 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在圖9中, 每一個RGB的亮點看起來, 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. 為什么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. 因為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, 使用于AV產品都是使用馬賽克排列(mosaic,或是稱為對角形排列). 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. 它跟前面幾個不一樣的地方在于, 它并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(back light, 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, 本身并無發光的功能. 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,而且亮度分布均勻的光源. 我們在圖8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, prism sheet, 擴散板等等. 燈管是主要的發光零件, 藉由導光板, 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. 最后藉由prism sheet及擴散板的幫忙, 將光線均勻的分布到各個區域去, 提供給TFT LCD一個明亮的光源. 而TFT LCD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8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. 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), 會成電場分布不均的現象, 進而影響液晶的灰階表現.
開口率(Aperture ratio)
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. 開口率是什么呢? 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11, 圖11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, 并不是所有的光線都能穿過面板, 像是給LCD source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, 也由于經過這些地方的光線 并不受到電壓的控制,而無法顯示正確的灰階, 所以都需利用black matrix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11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為開口率.
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%(因為其只準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為80%,但由于濾光片本身涂有色彩, 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. 這也是為什么在TFT LCD的設計中, 要盡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么高, 可以節省耗電及花費.
參考數據:
1. 交通大學次微米人才培訓課程, 平面顯示器原理講義.
2. 財團法人自強基金會電子工業人才培訓課程, 液晶顯示器顯示原理講義.
