漫谈液晶显示器(LCD)

1 漫談液晶顯示器 LCD 2 認識LCD 液晶顯示器 什麼是LCD LCD是LiquidCrystalDisplay的縮寫 中文稱做液晶顯示器 是以液晶分子為素材 藉由電場的變化來控制液晶分子的排列 造成光線的遮蔽或通透 產生亮點與暗點 而在屏幕上構結圖像 顯現色彩 看看TFTLCD的基本構造 3 何謂液晶 液晶 LiquidCrystal 是一種介於固態和液態之間的物質 是具有規則性分子排列的有機化合物 如果把它加熱會呈現透明的液體狀態 把它冷卻則會出現結晶顆粒的混濁固體狀態液晶的發現液晶最早是在一八八八年被奧地利的植物學家F Reinitzer所發現 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驗時 意外的發現此種化合物具有兩個不同溫度的熔點 其在觀察安息香酸膽固醇 cholesterylbenzoate 的融解行為時發現加熱至一百四十五度時會呈白濁狀狀液体 加至一百七十九度才形成均向性液體隔年 德國的物理學家O Lehmann 更以偏光顯微鏡發現此白濁液体具有異方性結晶所特有的雙折射率 birefringence 故命名為液晶 LiquidCrystal 液晶分子形狀 液晶分子構造 4 液晶的特性 液晶不但具有一般晶體之方向性同時又具有液體之可流動性可經由電場或磁場來控制液晶的方向 在未經電壓改特性前液晶的分子結構是扭曲的而讓穿透液晶的光線改變行徑的角度 但當對液晶施以電壓時其分子結構的排例會產生變化進而改變了穿透液晶光線的行徑角度液晶和電場平行時位能較低 當有一外加電場時液晶會朝著電場方向轉動偏極光經過一液態晶體後其偏極方向有時會改變光偏極化方向與液晶方向相同時折射率較大 光偏極化方向與液晶方向垂直時折射率較小 液態晶體後面再加一個偏光器 則通過之光強度會有不同 不同的液晶排列對光之偏極化有不同之影響 5 液晶的種類 一 就其形成的原因 材料分類液向性 溶致型 lyotropic 液晶兩棲型分子之水溶液 如肥皂水 兩棲型分子的兩端具有不同之性質 其一端親水 而另一端拒水 此種水溶液在不同濃度時會呈現不同性質之液態液晶分子在適當溶劑中 當達到某一臨界濃度時而形成液晶狀態熱向性 熱致型 thermotropic 液晶由於溫度的變化而呈現出各種不同的液晶狀態 在不同溫度下會呈現不同性質之液態 熱向性液晶分子會隨溫度上升而伴隨一連串的相轉移 即由固体變成液晶狀態 最後變成等向性液体 在這些相變化的過程當中 液晶分子的物理性質都會隨之改變 如折射率 介電異向性 彈性系數和黏度等 各液晶態與溫度之關係 溶致液晶分子在水中可能形成的結構 6 液晶的種類 二 就液晶分子排列及結構而言 熱向性液晶可細分為四大類1 向列型液晶 nematicliquidcrystal 類似細火柴棒 nematic 來源於希臘文中 為絲狀或線形的意思 此類液晶分子在空間上具有一維的規則性排列 所有分子長軸會選擇某一特定方向作為主軸並相互平行排列2 層列型液晶 smecticliquidcrystal 類似粘土狀smectic為希臘字 原為肥皂之意 層列型液晶在空間排列上比向列型液晶多了一維的規則性 使得層列型液晶為一種分層結構 即分子分層排列 而且分子的長軸垂直於層平面此類液晶又因其各層的分子排列的方式不同而將之更細分為 等九種以上不同的層列型液晶 其中以 最常見 向列型液晶 向列型液晶方向 層狀液晶方向 層列型液晶 7 液晶的種類 三 就液晶分子排列及結構而言 熱向性液晶可細分為四大類3 膽固醇型液晶 cholestericliquidcrystal 類似膽固醇狀其名來源於它們大部份是由膽固醇的衍生物生成的 但有些沒有膽固醇結構的液晶也具有此液晶相這一形液晶和向列形液晶幾乎完全相同 只是液晶方向會沿者某一個方向隨著位置緩慢旋轉在排列上 此類液晶是由多層向列型液晶相堆積而成 各層分子的長軸方向漸次相差某一角度而呈螺旋狀 故亦稱螺旋向列型液晶 膽固醇型液晶的螺距 決定它最強烈反射光線的波長是多少 壓力和溫度的變化 能改變 螺旋的螺距 因而也改變了它所反射的光顏色 波長 4 碟狀液晶 discoticliquidcrystal 類似碟狀圓盤物此類化合物的分子幾何結構類似碟狀圓盤物 在排列上 可形成僅一維有序的碟狀向列型液晶 discoticnematicLC 或有二維以上有序的碟狀層柱型 discoticcloumnarLC 膽固醇型液晶方向 膽固醇型液晶 8 強誘電性液晶 什麼是強誘電性液晶 具有自發分極 且由於外部電場之外加 自發分極之指向會跟隨反轉者 液晶材料中具有上述的特性者 我們稱之為強誘電性液晶 FerroelectricLiquidCrystal FLC 液晶要具有強誘電性的必要條件有傾斜角 tilt 之層列 smectic 液晶相 液晶分子的末端基含有不對稱碳中心之光學活性 chiral 分子 但此分子不可生成外消旋體 液晶分子在垂直於分子長軸方向上具有偶極矩強誘電性液晶的特性強誘電性液晶的分子排列是呈螺旋的層狀排列 當兩層分子呈現相同的傾斜排列方式時 他們之間的距離稱為一個pitch 但是當強誘電性液晶夾在兩片間隙小於一個pitch的導電性玻璃之間時 因為分子的排列受到限制而無法形成螺旋的層狀排列 而且當去掉外加電場 分子下會回復外加電場之前的排列狀態 也就是說強誘電性液晶會保持外加電場時的分子排列方式 當強誘電性液晶具有此種特性時 我們稱其為表面雙安定強誘電性液晶 SurfaceStabilizedFerroelectricLiquidCrystal SSFLC 強誘電性液晶貝有高應答速度 高解析度以及大視角等優點 但仍有其缺點 即低分子液晶在應用時必須充填在只有數微米間隙的導電性玻璃內 製作程序複雜且無法大面積化 是目前極需突破的問題 9 TGB態液晶 什麼是TGB態液晶 一種與第二類超導有相同數學結構之液晶 態液晶全名為扭曲顆粒界面液晶 TwistedGrainBoundaryliquidcrystal 這種液晶的結構可看成由許多小層狀液晶顆粒聚集在一起 而這些小顆粒的方向會慢慢改變 因此在顆粒的邊界造成扭曲的現象 這也是它名字的由來在能量及結構的分析上 層狀液晶與超導有一對一的對應關係 超導可分為第一類 TypeI 及第二類 TypeII 超導 第二類超導具有一種超導與普通導體共存的態 它可承受較大的電流 基於對超導的認識 在1972年deGennes 1991年諾貝爾物理獎得主 就已經預測 應該有一種和第二類超導相對應的液晶態 液晶態 10 棒狀液晶 什麼是棒狀液晶 一般說來 向列型和層列型液晶的分子幾何結構類似棒狀物 因此又稱棒狀 calamitic 液晶分子液晶化合物的分子結構 對於此化合物呈何種液晶相 相轉移溫度 光學性質 光電性質及熱力學性質等的影響扮演極重要的角色下圖為棒狀液晶分子的主要結構 通由環狀物所組成 環愈多愈長其形成液晶相的溫度愈高 而整個主幹 或稱主軸上的共振結構愈長 其雙折射性也愈高 棒狀液晶分子的主要結構 11 液晶顯示原理 在兩片玻璃基板上裝有配向膜 所以液晶會沿者溝槽配向 由於玻璃基板配向膜溝槽偏離90度 所以液晶分子成為扭轉型 當玻璃基板沒有加入電場時 光線透過偏光板跟者液晶做90度扭轉 通過下方偏光板 液晶面板顯示白色 如圖一 當玻璃基板加入電場時 液晶分子產生配列變化 光線通過液晶分子空隙維持原方向 被下方偏光板遮蔽 光線被吸收無法透出 液晶面板顯示黑色 如圖二 液晶顯示器便是根據此電壓有無 使面板達到顯示效果 圖一 沒有加入電壓 光線透出圖二 加入電壓 光線遮蔽 12 扭轉式向列場效應 扭轉式向列場效應將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間 液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列 如果電場未形成 光線會順利的從偏光板射入 依液晶分子旋轉其行進方向 然後從另一邊射出 如果在兩片導電玻璃通電之後 兩片玻璃間會造成電場 進而影響其間液晶分子的排列 使其分子棒進行扭轉 光線便無法穿透 進而遮住光源 這樣所得到光暗對比的現象 叫做扭轉式向列場效應 13 說說LCD的運作原理 一 簡單說液晶顯示 使用兩片薄膜 利用通電與未通電時中間的液態晶體改變排列方向來造成透光與不透光效果 而來產生圖形的顯示技術嚴格說LCD的顯示原理是利用液晶的固態晶體的光學特性與液態的流動特性 在未經電壓改變其特性前 液晶的分子結構是扭曲的 而讓穿透液晶的光線改變行徑的角度 但是 當對液晶施以電壓的時候 其分子結構的排列會因此產生變化 進而改變了穿透液晶光線的行徑角度 LCD就是利用這種特性來顯示各種不同的顏色以及亮度不等的影像與圖案 型液晶顯示器中液晶之排列 14 說說LCD的運作原理 二 進一步說基本上 一部LCD是由背光 偏光板 液晶與彩色濾光膜等元件元件所組成的 而LCD的運作原理就是利用偏光板與液晶會改變光線角度的特性來做出成像的 偏光板的作用是由於光線通過偏光板時會依照其方向被過濾掉一部份 所以當光線通過兩塊成90度直交的偏光板時 光線會全部被阻隔下來 因為第二塊偏光板會將通過第一塊偏光板的光線全部擋下來LCD就是利用背光源 大部分是螢光燈管 投射出光源 這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶 這時LCD就利用電壓的變化來改變液晶分子的排列方式並進而改變穿透液晶的光線角度 這些光線接下來還必須經過前方的彩色濾光膜與另一塊偏光板 由於這塊偏光板和前一塊偏光板角度相差90度 原本應該將所有的光阻隔下來 但是因為兩塊偏光板之間還有液晶可以控制光線的角度 因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最後出現的光線強度與色彩 並進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了綜合說 就是由 光源 偏光板 液晶 濾光膜 偏光板 中間再加以電壓的控制 就可以呈現出不同的顏色組合 偏光器之功能 15 LCD的種類 一 依驅動液晶電壓的方式不同來做分類主動式矩陣LCD薄膜式電晶體型 ThinFilmTransistor TFT 二端子二極體型 Metal Insulator Metal MIM 被動式矩陣LCD 單純矩陣 扭轉式向列型 TwistedNematic TN 超扭轉式向列型 SuperTwistedNematic STN 靜態驅動LCD Static TFTLCD 16 LCD的種類 二 主動式矩陣LCDv s 被動式矩陣LCD主動式矩陣LCD將控制電壓的元件植入每個液晶單元 Pixel 內反應時間較快光輸出量較大提高反應時間提供較鮮艷的色彩與較好的動態影像適合高解析度 較高階的筆記型電腦 動畫 影像處理產品被動式矩陣LCD控制電壓的元件是設計在面板的四周反應的時間較慢光線輸出量較少顯示動態影像較差且可視角度較窄並容易出現殘影的現象適合中低解析度 較低價筆記型電腦 文書處理器以及消費性產品 主動式矩陣LCD 被動式矩陣LCD 17 LCD的種類 三 根據液晶驅動方式分類扭轉向列 TN TwistedNematic 型TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形 或稱黑白 並沒有辦法做到色彩的變化螢幕做的越大 其螢幕對比度就會顯得較差高扭轉向列 HighTwistNematic 型比TNLCD對比較好及視角較廣之LCD超扭轉向列 STN SuperTwistedNematic 型STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180 270度STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關係 以及光線的干涉現象 因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主 FilmSuperTwistNematic 較STNLCD視角廣 對比好顯示模示 以白 黃灰 底黑字顯示為主雙層超扭曲向列型 DSTN DualScanTortuosityNomograph 對比度和亮度比較差 可視角度較小 色彩也欠豐富 而它的結構簡單 價格低廉薄膜電晶體 TFT ThinFilmTransistor 利用薄膜技術所做成的矽電晶體電極 利用掃描法來選擇任意一個顯示點 pixel 的開與關利用薄膜式電晶體的非線性功能來取代不易控制的液晶非線性功能改變刺激液晶的電壓值以控制最後出現的光線強度與色彩高分子散布 PDLC Polymerdispersedliquidcrystalliquidcrystaldisplay 型 18 LCD的種類 四 依LCD成像的光源來分類外部反射式反射層可於Cell完成後得將反射層外貼 而彩色濾光片可製作於上片或下片玻璃均可內部反射式分別為和彩色濾光片同側及異側 Overcoat層為高分子材料 19 各種LCD產品比較 20 什麼是TN 扭曲向列型 液晶顯示器 扭曲向列型液晶顯示器 TwistedNematicLiquidcrystaldisplay 簡稱 型液晶顯示器 向列型液晶夾在兩片玻璃中間 這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而導電的薄膜以作電極之用 這種薄膜通常是一種銦 Indium 和錫 Tin 的氧化物 Oxide 簡稱 然後再在有 的玻璃上鍍表面配向劑 以使液晶順著一個特定且平行於玻璃表面之方向排列 此元件中之液晶的自然狀態具有從左到右共90度的扭曲 這也是為什麼被稱為扭曲型液晶顯示器的原因 利用電場可使液晶旋轉之原理 我們在兩電極上加上電壓則會使得液晶方向轉成與電場方向平行 TN液晶顯示器是在一對平行放置的偏光板間填充了液晶 這一對偏光板的偏振光方向是相互垂直的 液晶分子在偏光板之間排列成多層同一層內 液晶分子的位置雖不規則 但長軸取向都是平行於偏光板的 正是由於分子按這種方式排列 所以被稱為向列型液晶在不同層之間 液晶分子的長軸沿偏光板平行平面連續扭轉90 其中 鄰接偏光板的兩層液晶分子長軸的取向 與所鄰接的偏光板的偏振光方向一致 也正是因為液晶分子呈現的這種扭曲排列 而被稱為扭曲向列型液晶顯示器 21 TN 扭曲向列型 液晶顯示器顯示原理 TN 扭曲向列型 液晶顯示器通過電極給液晶分子加電之後 由於受到外界電壓的影響 不再按照正常的方式排列 而變成豎立的狀態兩塊偏光板的排列和透光角度與上下夾層的溝槽排列相同 在正常情況下光線從上向下照射時 通常只有一個角度的光線能夠穿透下來 通過上偏光板導入上部u釆h的溝槽中 再通過液晶分子扭轉排列的通路從下偏光板穿出 形成一個完整的光線穿透途徑當液晶分子豎立時光線就無法通過 結果在顯示屏上出現黑色 這樣會形成透光時為白 不透光時為黑 字符就可以顯示在屏液晶顯示器的參數 型液晶顯示器之工作原理 22 什麼是TFT 薄膜電晶體 液晶顯示器 TFT型液晶顯示器也採用了兩夾層間填充液晶分子的設計 只不過是把TN上層的電極改為了FET晶體管 而下層改為了共通電極 在光源設計上 TFT的顯示採用 背透式 照射方式 即假想的光源路徑不是像TN液晶那樣的從上至下 而是從下向上 這樣的作法是在液晶的背部設置了類似日光燈的光管 正視圖 剖面圖 23 TFT 薄膜電晶體 液晶顯示器顯示原理 光源照射時先通過下偏光板向上透出 借助液晶分子來傳導光線 由於上下夾層的電極改成FET電極和共通電極 在FET電極導通時 液晶分子的表現如TN液晶的排列狀態一樣會發生改變 也通過遮光和透光來達到顯示的目的 但不同的是 由於FET晶體管具有電容效應 能夠保持電位狀態 先前透光的液晶分子會一直保持這種狀態 直到FET電極下一次再加電改變其排列方式為止 相對而言 TN就沒有這個特性 液晶分子一旦沒有施壓 立刻就返回始狀態 這是TFT液晶和TN液晶顯示原理的最大不同 TFTLCD基本構造 24 高分子散布型液晶顯示器 什麼是高分子散布型液晶顯示器 高分子散布型液晶顯示器 Polymerdispersedliquidcrystalliquidcrystaldisplay 簡稱 型液晶顯示器 此種顯示器的液晶元件構造如圖所示 高分子之單體 monomer 與液晶混合後夾在兩片玻璃中間 做成一液晶盒 玻璃表面上先鍍有一層透明而導電的薄膜以作電極之用 但是不需要在玻璃上鍍表面配向劑 此時將液晶盒放在紫外燈下照射使個單體連結成高分子聚合物 在此高分子化的同時 液晶與高分子分開而形成許多液晶小顆粒 這些小顆粒被高分子聚合物固定住 當光照射在此液晶盒上 因折射係數不同 而在顆粒表面處產生折射及反射 經過多次反射與折射 就產生了散射 scattering 此液晶盒就像牛奶一樣呈現出不透明的乳白色若將一足夠大之電壓加在液晶盒兩面玻離上 液晶順著電場方向排列 而使每顆液晶的排列均相同 對正面如射光而言 這些液晶有者相同的折射係數n 如果我們可以選用的高分子材料的折射係與n 相同 對光而言這些液晶顆粒與高分子材料是相同的 因而在液晶盒內部沒有任何折射或反射的現象產生 此時的液晶盒就像透明的清水般 型液晶顯示器之工作原理 25 LCD的產品製程 26 LCD產業結構 27 TFTLCD成本結構 28 LCDv s CRT 什麼是CRT CRT是CathodeRayTube的縮寫 中文稱作陰極射線管 是利用電子槍發射電子撞擊磷光質而發光 而當顯示區域加大時就必須給予電子槍更長的距離以打擊到正確的磷光質 LCDv s CRT的優點輕薄短小低耗電量 不易發熱液晶的耗電量約為CRT的一半低輻射LCD顯示器接近零輻射影像穩定不閃爍平面直角顯示可視面積較大 LCDv s CRT的缺點價格高可視角度較小明亮度較暗色彩與色溫的表現較差無法調整解析度 29 LCD的環保與健康 CRT較大的缺陷環繞在幾個部份 除了體積問題之外 還有顯示器的耗電問題與畫面閃爍的問題 陰極射線管必須靠電子槍不斷的掃瞄畫面才能成像所以耗費的電能相當的大 一款17吋的顯示器約耗費130瓦的電量而19吋約耗費160瓦 不過液晶顯示器是利用背光而不是電子槍所以需要的電能相對的減低許多 這15吋液晶顯示器耗電量約40瓦 從這個數據上就可以發現兩者耗電量有多大的差異了CRT顯示器有一個很大的問題就是螢幕閃爍的問題 CRT顯示器利用電子槍在螢幕上一條線一條線的往下描繪成形 所以畫面基本上是不斷跳動的 雖然我們可以將這各跳動的頻率調整到肉眼查覺不出來的頻率 垂直更新率75Hz以上 但是實際這還是跳動的畫面 人眼在觀看這樣的閃爍畫面時必須不斷的改變眼睛的聚焦位置 雖然這個過程相當細微 在一般的情況下並不會被察覺 但是長時間處在這種情況下眼睛必須不斷的運動聚焦 負責眼睛運動的肌肉很快的就會產生疲勞 進而產生許多視力的相關疾病 至於液晶顯示器就比較沒有這方面的問題了 因為液晶顯示器是採用光線來成像的 光線的頻率約70KHz或更高這比電子槍的頻率高出太多了 因此液晶顯示器可以遞送出十分穩定的畫面而不用擔心有螢幕閃爍的問題 如果工作需要常時間使用電腦的話選用液晶顯示器會是比較保護眼睛的作法 CRT顯示器由於採用電子槍發射電子束 在打到屏幕上會產生輻射源 盡管現有產品在技術上已有了很大提高 把輻射損害不斷降低 但仍然是無法根治的 在這一點上 TFT液晶顯示器具有先天的優勢 它根本沒有輻射可言 至於電磁波的干擾 TFT液晶顯示器只有來自驅動電路的少量電磁波 只要將外殼嚴格密封即可排除電磁波外泄 而CRT顯示器為了更好地散熱 將外殼鑽上了散熱孔 雖然達到了散熱效果 但是卻不可避免地受到了電磁波干擾 30 LCD的缺陷 雖然液晶顯示器擁有低耗電 重量輕 體積小與不易閃爍等優點 但是液晶顯示器還是一些缺點存在 一般人比較容易注意到的缺點是液晶顯示器的可視角度較小的問題 無論是觀看筆記型電腦或是桌上型液晶顯示器就會發現只要使用者偏離正面一些角度 再來觀看螢幕畫面時就會發現影像的對比降低畫面亮度也呈現灰濛的現象 這是由於液晶的材料特性所引起的 目前許多廠商都已經針對這個問題做改良 雖然還不能和CRT顯示器相比 這次送來的液晶顯示器在這方面已經有所改進了 色彩與色溫則是另一個問題 理論上CRT所能夠表現的色彩數或是色域是接近於無窮的 只要顯示卡與作業系統可以支援 但是液晶顯示器所能表現的色彩就沒有辦法和陰極射線管相比了 目前大部分的液晶顯示器所能表現的色彩約在262 000種左右 比起陰極射線管是要少的多 因此對於以電腦從事美術相關工作的使用者來說 使用液晶顯示器就沒有辦法得到較鮮艷的色彩表現了 而且液晶顯示器因為採用螢光燈管作為背光源所以在色溫的選擇上也不如陰極射線管般靈活 而這些都是液晶顯示器的缺點 另一個比較沒有辦法解決的是液晶螢幕的像素問題 和CRT很大的不同是液晶螢幕上的每一點 Pixel 都是被清楚界定的 所以早期在使用液晶顯示器時會發現液晶螢幕只有一種最佳的解析度 例如15吋的液晶螢幕 最佳解析度就在1 024X768 如果使用其他解析度會讓顯示器產生鋸齒與模糊的現象 而CRT就沒有這個困擾而可以在各種不同解析度中做切換而不會產生問題 目前液晶顯示器已經針對這方面的限制做了改善 利用類似Blur的功能將產生鋸齒的現象消除 不過要獲的較好的解析度還是使用最佳解析度較好 31 LCD的選購指南 一 高亮度亮度的單位為cd m2 也就是每平方公尺分之燭光 亮度值愈高 可調整的效果越好 畫面自然更亮麗 不會朦朧霧霧 低階的LCD亮度值 有低到150cd m2 而高階的顯示器 則可高達250cd m2TFT液晶顯示器的可接受亮度為150cd m2以上 目前國內能見到的TFT液晶顯示器亮度基本在200cd m2左右高對比對比愈高 調整效果越細膩 色彩更鮮豔飽和 且會顯的立體 相反的 對比低 顏色顯的貧瘠 影像也會變得平板 對比值的差別頗大 有低到100 1 也有高到300 1 甚至更高 至少250 1以上的會比較好些寬廣的可視範圍可視角度指讓液晶從側面看的清楚程度 簡單的說 指的是在螢幕前畫面可以看的清楚的範圍 所以也有人稱之為 有效視角 可視範圍的算法是從畫面中間 至上 下 左 右四個方向畫面清楚的角度範圍 數值愈大 範圍自然愈廣 但四個方向的範圍不一定對稱 當上下 左右對稱時 某些廠商會將兩邊的角度值相加 標示為水平 160 垂直 160 也可能分開標示為左 右 80 上 下 80 某些LCD機種的單一角度 甚至只有40 50 可視範圍愈大 自然可以看的更輕鬆 愈小 只要觀看者稍一變動