LCD及PDP的基础知识

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1、LCD及PDP的基础知识一、TFT LCD的概念TFT LCD 是薄膜晶体管液晶显示器. 其英文名称为 Thin-film transistor liquid crystal display, 简称之为 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.二、液晶的分类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 (见 图 1),

2、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.因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 .它在某一特定温度的范围 内， 会同时具有液体及固体的特性.三、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。1、

3、介电系数 e (dielectric permittivity):当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分 子的转向是平行或是垂直于电场，来决定光的穿透与否。现在 TFT LCD 上常用的 TN 型液晶大多是属于介电系数正型的液晶。当介电系数异方性越大的时候，则液 晶的临界电压就会越小，这样一来液晶便可以在较低的电压操作。2、折射系数(refractive index):由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方 向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。与介电系数 一样， 折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向 ， 分

4、成两个方向的向量 . 分别为 n与n丄.此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说,原本就有两个不同折射系数的定义. 一个为no,它是指对于ordinary ray的折射系数，所以才简写成no .而ordinary ray是 指其光波的电场分量是垂直于光轴的称之.另一个则是ne,它是指对于extraordinary ray的折射系数，而extraordinaryray是指其光波的电场分量是平行于光轴的.同时也 定义了双折射率(birefrigence) An = neno为上述的两个折射率的差值.四、液晶的光学特性：1、偏光板(polarizer)光波的行进方向, 是与电场及磁场互相垂直的 .

5、 同时光波本身的电场与磁场分 量, 彼此也是互相垂直的 . 也就是说行进方向与电场及磁场分量 , 彼此是两两互相 平行的. 而偏光板的作用就像是栅栏一般 , 会阻隔掉与栅栏垂直的分量 , 只准许与 栅栏平行的分量通过. 所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看 , 会感觉像是戴了 太阳眼镜一般, 光线变得较暗.但是如果把两片偏光板迭在一起 , 那就不一样了. 当 您旋转两片的偏光板的相对角度 , 会发现随着相对角度的不同, 光线的亮度会越来 越暗. 当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时 , 光线就完全无法通过了 . 而液晶显示 器就是利用这个特性来完成的. 利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间, 充满

6、液晶, 再利用电场控制液晶转动, 来改变光的行进方向, 如此一来, 不同的电场大 小, 就会形成不同灰阶亮度了.2、上下两层玻璃与配向膜这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的 . 在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管 (Thin filmtransistor, TFT), 而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片 (Color filter). 如果 您注意到的话, 这两片玻璃在接触液晶的那一面, 并不是光滑的, 而是有锯齿状的 沟槽. 这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子 , 会沿着沟槽排列. 如此一来, 液晶分子的排列才会整齐 . 因为如果是光滑的平面 , 液晶分子的排列便会不整齐 , 造成光线的散射,

7、 形成漏光的现象. 其实这只是理论的说明 , 告诉我们需要把玻璃 与液晶的接触面, 做好处理, 以便让液晶的排列有一定的顺序 . 但在实际的制造过 程中 , 并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布 , 一般会在玻璃的表面上涂布一层 Pl(polyimide),然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作，好让PI的表面分子不再是杂 散分布, 会依照固定而均一的方向排列. 而这一层 PI 就叫做配向膜, 它的功用就像 玻璃的凹槽一样, 提供液晶分子呈均匀排列的接口条件 , 让液晶依照预定的顺序排 列.六、 TN(Twisted Nematic) LCD从中我们可以知道, 当上下两块玻璃之间没有施加电压

8、时 , 液晶的排列会依照 上下两块玻璃的配向膜而定. 对于 TN 型的液晶来说, 上下的配向膜的角度差恰为 90度. 所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度, 当入射的光线经过上面的偏 光板时, 会只剩下单方向极化的光波 . 通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了 90 度, 所以当光波到达下层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了 90 度.而下层的偏 光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异 90 度. 所以光线便可以顺利的通过, 但是如 果我们对上下两块玻璃之间施加电压时, 由于 TN 型液晶多为介电系数异方性为正 型的液晶，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

9、受电场影响时其排列方向会倾向平行于电场方向所以我们从中便可以看到液晶分子 的排列都变成站立着的此时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 blackNW(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).我们刚才所提到的及都是属于NW的

10、配置，另外从我们可以知 道，对TN型的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.为什么会有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

11、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为黑底的应用了.STN(Super Twisted Nematic)型 LCDSTN 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. 我们从中 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

12、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(

13、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(ca

14、pacitor 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数据 的时候. 也就是说当 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

15、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压 , 以便显示出怎样的灰阶. 都是由 外面的 LCD source driver 来决定的.TFT LCD的切面结构图背光板(back light, BL)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. 我们在 中可以看到, 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,

16、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TFT 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.背光模板的结构入射光源(lamp, LED or EL etc.) 导光板(Light Guide Plate) 反射板(Reflector) 棱镜片(prism sheet).灯管反射罩(lamp reflector)外框架背光模板的结构图： 入射光源：荧光灯 冷阴极管优点:细管径化(管径现可达到1.8mm )、寿命长、亮度高、工作电流低缺点:发光效率低于20%、放电电压高、低温下放电特 性差、加热达到稳定辉度时间长热阴极管优点: 放电电压低、加热达到稳定辉度时间短、发光效率高缺点: 细管化困难、寿命短