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液晶显示资料2

TFT-LCD液晶顯示器的工作原理2004-8-19

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謝崇凱圖片製作：

FPDisplay

我一直記得,當初剛開始從事有關液晶顯示器相關的工作時,常常遇到的困擾,就是不知道怎麼跟人家解釋,液晶顯示器是什麼?

只好隨著不同的應用環境,來解釋給人家聽.在最早的時候是告訴人家,就是掌上型電動玩具上所用的顯示幕,隨著筆記型電腦開始普及,就可以告訴人家說,就是使用在筆記型電腦上的顯示器.隨著手機的流行,又可以告訴人家說,是使用在手機上的顯示板.時至今日,液晶顯示器,對於一般普羅大眾,已經不再是生澀的名詞.而它更是繼半導體後另一種可以再創造大量營業額的新興科技產品,更由於其輕薄的特性,因此它的應用範圍比起原先使用陰極射線管（CRT,cathode-raytube）所作成的顯示器更多更廣.

如同我前面所提到的,液晶顯示器泛指一大堆利用液晶所製作出來的顯示器.而今日對液晶顯示器這個名稱,大多是指使用於筆記型電腦,或是桌上型電腦應用方面的顯示器.也就是薄膜電晶體液晶顯示器.其英文名稱為Thin-filmtransistorliquidcrystaldisplay,簡稱之TFTLCD.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,一個是薄膜電晶體,另一個就是液晶本身.我們先談談液晶本身.

液晶（LC,liquidcrystal）的分類

我們一般都認為物質像水一樣都有三態,分別是固態液態跟氣態.其實物質的三態是針對水而言,對於不同的物質,可能有其他不同的狀態存在.以我們要談到的液晶態而言,它是介於固體跟液體之間的一種狀態,其實這種狀態僅是材料的一種相變化的過程（請見圖1）,只要材料具有上述的過程,即在固態及液態間有此一狀態存在,物理學家便稱之為液態晶體.

這種液態晶體的首次發現,距今已經度過一百多個年頭了.在西元1888年,被奧地利的植物學家FriedrichReinitzer所發現,其在觀察從植物中分離精製出的安息香酸膽固醇（cholesterylbenzoate）的融解行為時發現,此化合物加熱至145.5度℃時,固體會熔化,呈現一種介於固相和液相間之半熔融流動白濁狀液體.這種狀況會一直維持溫度升高到178.5度℃,才形成清澈的等方性液態（isotropicliquid）.隔年,在1889年,研究相轉移及熱力學平衡的德國物理學家O.Lehmann,對此化合物作更詳細的分析.他在偏光顯微鏡下發現,此黏稠之半流動性白濁液體化合物,具有異方性結晶所特有的雙折射率（birefringence）之光學性質,即光學異相性（opticalanisotropic）.故將這種似晶體的液體命名為液晶.此後,科學家將此一新發現的性質,稱為物質的第四態-液晶（liquidcrystal）.它在某一特定溫度的範圍內,會具有同時液體及固體的特性.

一般以水而言,固體中的晶格因為加熱,開始吸熱而破壞晶格,當溫度超過熔點時便會溶解變成液體.而熱致型液晶則不一樣（請見圖2）,當其固態受熱後,並不會直接變成液態,會先溶解形成液晶態.當您持續加熱時,才會再溶解成液態（等方性液態）.這就是所謂二次溶解的現象.而液晶態顧名思義,它會有固態的晶格,及液態的流動性.當液態晶體剛發現時,因為種類很多,所以不同研究領域的人對液晶會有不同的分類方法.在1922年由G.Friedel利用偏光顯微鏡所觀察到的結果,將液晶大致分為NematicSmectic及Cholesteric三類.但是如果是依分子排列的有序性來分（請見圖3）,則可以分成以下四類:

1.層狀液晶（Sematic）:

其結構是由液晶棒狀分子聚集一起,形成一層一層的結構.其每一層的分子的長軸方向相互平行.且此長軸的方向對於每一層平面是垂直或有一傾斜角.由於其結構非常近似於晶體,所以又稱做近晶相.其秩序參數S（orderparameter）趨近於1.在層狀型液晶層與層間的鍵結會因為溫度而斷裂,所以層與層間較易滑動.但是每一層內的分子鍵結較強,所以不易被打斷.因此就單層來看,其排列不僅有序且黏性較大.如果我們利用巨觀的現象來描述液晶的物理特性的話,我們可以把一群區域性液晶分子的平均指向定為指向矢（director）,這就是這一群區域性的液晶分子平均方向.而以層狀液晶來說,由於其液晶分子會形成層狀的結構,因此又可就其指向矢的不同再分類出不同的層狀液晶.當其液晶分子的長軸都是垂直站立的話,就稱之為"SematicAphase".如果液晶分子的長軸站立方向有某種的傾斜（tilt）角度,就稱之為"SematicCphase".以A,C等字母來命名,這是依照發現的先後順序來稱呼,依此類推,應該會存在有一個"SematicBphase"才是.不過後來發覺Bphase其實是Cphase的一種變形而已,原因是Cphase如果帶chiral的結構就是Bphase.也就是說ChiralsematicCphase就是SematicBphase（請見圖4）.而其結構中的一層一層液晶分子,除了每一層的液晶分子都具有傾斜角度之外,一層一層之間的傾斜角度還會形成像螺旋的結構.

2.線狀液晶（Nematic）:

Nematic這個字是希臘字,代表的意思與英文的thread是一樣的.主要是因為用肉眼觀察這種液晶時,看起來會有像絲線一般的圖樣.這種液晶分子在空間上具有一維的規則性排列,所有棒狀液晶分子長軸會選擇某一特定方向（也就是指向矢）作為主軸並相互平行排列.而且不像層狀液晶一樣具有分層結構.與層列型液晶比較其排列比較無秩序,也就是其秩序參數S較層狀型液晶較小.另外其黏度較小,所以較易流動（它的流動性主要來自對於分子長軸方向較易自由運動）。

線狀液晶就是現在的TFT液晶顯示器常用的TN（Twistednematic）型液晶.

3.膽固醇液晶（cholesteric）:

這個名字的來源,是因為它們大部份是由膽固醇的衍生物所生成的.但有些沒有膽固醇結構的液晶也會具有此液晶相.這種液晶如圖5所示,如果把它的一層一層分開來看,會很像線狀液晶.但是在Z軸方向來看,會發現它的指向矢會隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分佈,而當其指向矢旋轉360度所需的分子層厚度就稱為pitch.正因為它每一層跟線狀液晶很像,所以也叫做Chiralnematicphase.以膽固醇液晶而言,與指向矢的垂直方向分佈的液晶分子,由於其指向矢的不同,就會有不同的光學或是電學的差異,也因此造就了不同的特性.

4.碟狀液晶（disk）:

也稱為柱狀液晶,以一個個的液晶來說,它是長的像碟狀（disk）,但是其排列就像是柱狀（discoid）.

如果我們是依分子量的高低來分的話則可以分成高分子液晶（polymerliquidcrystal,聚合許多液晶分子而成）與低分子液晶兩種.就此種分類來說TFT液晶顯示器是屬於低分子液晶的應用.倘若就液晶態的形成原因,則可以分成因為溫度形成液晶態的熱致型液晶（thermotropic）,與因為濃度而形成液晶態的溶致型液晶（lyotropic）.以之前所提過的分類來說,層狀液晶與線狀液晶一般多為熱致型的液晶,是隨著溫度變化而形成液晶態.而對於溶致型的液晶,需要考慮分子溶于溶劑中的情形.當濃度很低時,分子便雜亂的分佈於溶劑中而形成等方性的溶液,不過當濃度升高大於某一臨界濃度時,由於分子已沒有足夠的空間來形成雜亂的分佈,部份分子開始聚集形成較規則的排列,以減少空間的阻礙.因此形成異方性（anisotropic）之溶液.所以溶致型液晶的產生就是液晶分子在適當溶劑中達到某一臨界濃度時,便會形成液晶態.溶致型的液晶有一個最好的例子,就是肥皂.當肥皂泡在水中並不會立刻便成液態,而其在水中泡久了之後,所形成的乳白狀物質,就是它的液晶態.

液晶的光電特性

由於液晶分子的結構為異方性（Anisotropic），所以所引起的光電效應就會因為方向不同而有所差異，簡單的說也就是液晶分子在介電係數及折射係數等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質來改變入射光的強度,以便形成灰階,來應用於顯示器元件上.以下我們要討論的,是液晶屬於光學跟電學相關的特性,大約有以下幾項:

1.介電係數ε（dielectricpermittivity）:

我們可以將介電係數分開成兩個方向的分量,分別是ε//（與指向矢平行的分量）與ε⊥（與指向矢垂直的分量）.當ε//>ε⊥便稱之為介電係數異方性為正型的液晶,可以用在平行配位.而ε//<ε⊥則稱之為介電係數異方性為負型的液晶,只可用在垂直配位元元才能有所需要的光電效應.當有外加電場時，液晶分子會因介電係數異方性為正或是負值，來決定液晶分子的轉向是平行或是垂直於電場,來決定光的穿透與否。

現在TFTLCD上常用的TN型液晶大多是屬於介電係數正型的液晶.當介電係數異方性Δε（=ε//-ε⊥）越大的時候,則液晶的臨界電壓（thresholdvoltage）就會越小.這樣一來液晶便可以在較低的電壓操作.

2.折射係數（refractiveindex）:

由於液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長軸平行或垂直方向上的物理特性會有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。

與介電係數一樣,折射係數也依照跟指向矢垂直與平行的方向,分成兩個方向的向量.分別為n//與n⊥.

此外對單光軸（uniaxial）的晶體來說,原本就有兩個不同折射係數的定義.一個為no,它是指對於ordinaryray的折射係數,所以才簡寫成no.而ordinaryray是指其光波的電場分量是垂直於光軸的稱之.另一個則是ne,它是指對於extraordinaryray的折射係數,而extraordinaryray是指其光波的電場分量是平行於光軸的.同時也定義了雙折射率（birefrigence）Δn=ne-no為上述的兩個折射率的差值.

依照上面所述,對層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由於其液晶分子的長的像棒狀,所以其指向矢的方向與分子長軸平行.再參照單光軸晶體的折射係數定義,它會有兩個折射率，分別為垂直於液晶長軸方向n⊥（=ne）及平行液晶長軸方向n//（=no）兩種，所以當光入射液晶時，便會受到兩個折射率的影響，造成在垂直液晶長軸與平行液晶長軸方向上的光速會有所不同。

若光的行進方向與分子長軸平行時的速度,小於垂直于分子長軸方向的速度時，這意味著平行分子長軸方向的折射率大於垂直方向的折射率（因為折射率與光速成反比），也就是ne-no>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.而膽固醇液晶多為光學負型的液晶.

3.其他特性:

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.另外像黏性係數（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）,也因為液晶的異方性關係,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,還需要其他的材料來幫忙,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電晶體（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介面條件,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為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型液晶多為介電係數異方性為正型的液晶（ε//>ε⊥,代表著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.

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,就稱之為NB（Normallyblack）.我們剛才所提到的圖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,光線會因為液晶將之旋轉90度的極性而無法透光.為什麼會有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢?

主要是為了不同的應用環境.一般應用於桌上型電腦或是筆記型電腦,大多為NW的配置.那是因為,如果你注意到一般電腦軟體的使用環境,你會發現整個螢幕大多是亮點,也就是說電腦軟體多為白底黑字的應用.既然亮著的點占大多數,使用NW當然比較方便.也因為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幕為黑底的應用了.

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為90度.而STN型LCD的液晶分子排列,其旋轉的角度會大於180度,一般為270度.（請見圖12）正因為其旋轉的角度不一樣,其特性也就跟著不一樣.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NormalWhite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的變化曲線則較為陡峭.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多為6~8bits的變化,也就是64~256個灰階的變化.而STN型的LCD最多為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（responsetime）一般STN型的LCD其反應時間多在100ms以上而TN型的LCD其反應時間多為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電晶體液晶顯示器,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.而利用薄膜電晶體來產生電壓,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,夾著液晶,便會形成平行板電容器,我們稱之為CLC（capacitorofliquidcrystal）.它的大小約為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LCDsourcedriver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.然後對於一個需要解析度為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Blackmatrix.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.這也就是為什麼我們在圖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電腦,或是桌上型電腦等等.為什麼這種應用要用條狀排列的方式呢?

原因是現在的軟體,多半都是視窗化的介面.也就是說,我們所看到的螢幕內容,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,使用於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螢幕,是利用高速的電子槍發射出電子,打擊在銀光幕上的螢光粉,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