LCD光電原理 2005 10 24 1 液態晶體之光學性質 2 液晶的光電特性 3 LCD的分類和顯示原理 1 液態晶體之光學性質 光是一種電磁波 我們將其電場方向稱為光的偏極方向 我們可用偏光器來選擇某一特定方向之偏極光 已偏極化的光再經過一個偏光器時可全部通過或部分通過 視第二個偏光器的方向而定 我們以 圖一 說明偏光器的功能 圖一偏光器之功能 光經過物質時 折射率與光偏極化的方向有關 在大部分向列型液晶中 光偏極化方向與相同時折射率 n 較大 光偏極化方向與垂直時折射率 n 較小 一偏極光經過一液態晶體后其偏極方向有時會改變 到底會不會改變則視液態晶體之排列而定 見圖二 所以我們改液態晶體之排列方式即可改變通過光之偏極性 若在液態晶體后面再加一個偏光器 則通會有不同 圖二不同的液晶排列對光之偏極化有不同之影響 2 液晶的光電特性 由于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系數及折射系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 來應用于顯示器組件上 以下我們要討論的 是液晶屬于光學跟電學相關的特性 大約有以下幾項 1 介電系數 dielectricpermittivity 我們可以將介電系數分開成兩個方向的分量 分別是 與指向矢平行的分量 與 與指向矢垂直的分量 當 便稱之為介電系數異方性為正型的液晶 可以用在平行配位 而 則稱之為介電系數異方性為負型的液晶 只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應 當有外加電場時 液晶分子會因介電系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于電場 來決定光的穿透與否 現在TFTLCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數正型的液晶 當介電系數異方性 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 折射系數 refractiveindex 由于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 與介電系數一樣 折射系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系數的定義 一個為no 它是指對于ordinaryray的折射系數 所以才簡寫成no 而ordinaryray是指其光波的電場分量是垂直于光軸的稱之 另一個則是ne 它是指對于extraordinaryray的折射系數 而extraordinaryray是指其光波的電場分量是平行于光軸的 同時也定義了雙折射率 birefrigence n 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 由于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系數定義 它會有兩個折射率 分別為垂直于液晶長軸方向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 小于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于垂直方向的折射率 因為折射率與光速成反比 也就是ne no 0 所以雙折射率 n 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于光學正型的液晶 倘使光的行進方向平行于長軸時的速度較快的話 代表平行長軸方向的折射率小于垂直方向的折射率 所以雙折射率 n 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 其它特性 對于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 11 22 33 它包含了三個主要的常數 分別是 11指的是斜展 splay 的彈性常數 22指的是扭曲 twist 的彈性常數 33指的是彎曲 bend 的彈性常數 另外像黏性系數 viscositycoefficients 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系 分成c 與c 而磁化率異方性則定義成 c c c 此外還有電導系數 conductivity 等等光電特性 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 3 LCD的分類和顯示原理 常見的液晶顯示器按物理結構分為四種 1 扭曲向列型 TN TwistedNematic 2 超扭曲向列型 STN SuperTN 3 雙層超扭曲向列型 DSTN DualScanTortuosityNomograph 4 薄膜晶體管型 TFT ThinFilmTransistor 其中TN LCD STN LCD和DSYN LCD的基本顯示原理都相同 只是液晶分子的扭曲角度不同而已 STN LCD的液晶分子扭曲角度為180度甚至270度 而TFT LCD則采用與TN系列LCD截然不同的顯示方式 其具體工作原理見下 TN型采用的是液晶顯示器中最基本的顯示技術 而之后其它種類的液晶顯示器也是以TN型為基礎來進行改良 而且 它的運作原理也較其它技術來的簡單 請讀者參照下方的圖片 圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡易構造圖 包括了垂直方向與水平方向的偏光板 具有細紋溝槽的配向膜 液晶材料以及導電的玻璃基板 在不加電場的情況下 入射光經過偏光板后通過液晶層 偏光被分子扭轉排列的液晶層旋轉90度 在離開液晶層時 其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致 所以光線能順利通過 使整個電極面呈光亮 當加入電場的情況時 每個液晶分子的光軸轉向與電場方向一致 液晶層也因此失去了旋光的能力 結果來自入射偏光片的偏光 其方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關系 并無法通過 這樣電極面就呈現黑暗的狀態 TN型的顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板的透明導電玻璃間 液晶分子會依附向膜的細溝槽方向 按序旋轉排列 如果電場未形成 光線就會順利的從偏光板射入 液晶分子將其行進方向旋轉 然后從另一邊射出 如果在兩片導電玻璃通電之后 玻璃間就會造成電場 進而影響其間液晶分子的排列 使分子棒進行扭轉 光線便無法穿透 進而遮住光源 這樣得到光暗對比的現象 就叫做扭轉式向列場效應 簡稱TNFE twistednematicfieldeffect 電子領域中所用的液晶顯示器 幾乎都是用扭轉式向列場效應原理制成的 STN型的顯示原理與TN相類似 不同的是 TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度 而STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180 270度 必須在這里指出的是 單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形 或稱黑白 并沒有辦法做到色彩的變化 而STN液晶顯示器由于液晶材料的關系 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 但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片 colorfilter 并將單色顯示矩陣之任一像素 pixel 分成三個子像素 sub pixel 分別通過彩色濾光片顯示紅 黃 藍三原色 再經由三原色比例之調和 也可以顯示出全彩模式的色彩 另外 TN型的液晶顯示器顯示屏幕做的越大 其屏幕對比度就會顯得較差 不過藉由STN的改良技術 亦可以在一定程度上彌補對比度不足的情況 DSTN是通過雙掃描方式來掃描扭曲向列型液晶顯示屏 從而達到完成顯示目的 DSTN是由超扭曲向列型顯示器 STN 發展而來的 由于DSTN采用雙掃描技術 因此顯示效果相對STN來說 有大幅度提高 筆記本電腦剛出現時主要是使用STN 其后是DSTN STN和DSTN的反應時間都較慢 一般約為300ms左右 從液晶顯示原理來看 STN的原理是通過電場改變原為180度以上扭曲的液晶分子的排列 達到改變旋光狀態的目的 外加電場則通過逐行掃描的方式改變電場 因此在電場反復改變電壓的過程中 每一點的恢復過程都較慢 這樣就會產生余輝現象 用戶能感覺到拖尾 余輝 現象 也就是一般俗稱的 偽彩 由于DSTN顯示屏上每個像素點的亮度和對比度都不能獨立控制 造成其顯示效果欠佳 由這種液晶體所構成的液晶顯示器對比度和亮度都比較差 屏幕觀察范圍也較小 色彩不夠豐富 特別是反應速度慢 不適于高速全動圖像 視頻播放等應用 一般只用于文字 表格和靜態圖像處理 但是它結構簡單并且價格相對低廉 耗能也比TFT LCD少 而視角小也可以通過防止窺視屏幕內容達到保密作用 結構簡單也減小整機體積和重量 因此 在少數筆記本電腦中仍采用它作為顯示設備 目前 DSTN液晶顯示屏仍然占有一定的市場份額 DSTN LCD也不是真正的彩色顯示器 它只能顯示一定的顏色深度 與CRT的顏色顯示特性相距較遠 因而又稱為 偽彩顯 DSTN的工作特點是這樣的 掃描屏幕被分為上下兩部分 CPU同時并行對這兩部分進行刷新 雙掃描 這樣的刷新頻率雖然要比單掃描 STN 重繪整個屏幕快一倍 提高了占空率 改善了顯示效果 而且當DSTN分上下兩屏同時掃描時 上下兩部分就會出現刷新不同步的問題 所以當內部電子元件的性能不佳時 顯示屏中央可能會出現一條模糊的水平亮線 不過 現在采用DSTN LCD的電腦因CPU和RAM速率高且性能穩定 這種不同步現象已經很少碰見到了 另外 由于DSTN顯示屏上的像素信息是由屏幕左右兩側的一整行晶體管控制下的像素來顯示 而且每個像素點不能自身發光 是無源像點 所以反應速度不快 屏幕刷新后更可能留下幻影 其對比度和亮度也比較低 看到的圖像要比CRT顯示器里的暗得多 而HPA則被稱為高性能定址或快速DSTN 它是DSTN的改良型 能提供比DSTN更快的反應時間 更高的對比度和更大的視角 再加上它具有與DSTN相近的成本 因此在低端筆記本電腦市場具有一定的優勢 液晶屏幕的驅動方式 單純矩陣驅動方式是由垂直與水平方向的電極所構成 選擇要驅動的部份 是由水平方向的電壓來控制 而垂直方向的電極則負責驅動液晶分子 主動式矩陣的驅動方式是讓每個畫素都對應一個組電極 它的構造有點像DRAM的回路方式 電壓通過掃描 或稱作一定時間充電 方式 來表示每個畫素的狀態 為了改善此前出現的問題 后來液晶顯示技術大多采用主動式矩陣 active matrixaddressing 的方式來驅動 這也是目前達到高資料密度液晶顯示效果的理想裝置 而且分辨率極高 方法是利用薄膜技術所做成的硅晶體管電極 通過掃描法來選擇任意一個顯示點 pixel 的開與關 這其實就是利用容易控制薄膜式晶體管的非線性功能 來取代不易控制的液晶非線性功能 在TFT型液晶顯器導電玻璃上細小的網狀線路中 電極是由薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關 在每個線路相交的地方都有著相應的控制匣 雖然驅動訊號快速地在各顯示點掃瞄而過 但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點 才能得到足以驅動液晶分子的電壓 這樣就使得液晶分子軸轉向 并形成 亮 的對比 而不被選擇的顯示點自然就是 暗 的對比 這也避免了顯示功能對液晶電場效應能力的依靠 TN與STN型液晶顯示器所使用的是單純驅動電極方式 都是采用X Y軸的交叉方式來驅動 如下圖所示 因此如果顯示部份越做越大的話 那么中心部份的電極反應時間可能就會比較長 而為了讓屏幕顯示一致 整體顯示速度就會變慢 講的簡單一點 就好象是當CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快時 使用者就會感到屏幕閃爍 跳動 或著是當需要快速顯示3D動畫時 顯示器的顯示速度卻無法跟上 顯示出來的要果可能就會有延遲的現象 所以 早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制 而且并不適合用來看電影 玩3D游戲 TFT型液晶顯示器的運作原理 TFT型的液晶顯示器較為復雜 主要是由 螢光管 導光板 偏光板 濾光板 玻璃基板 配向膜 液晶材料 薄模式晶體管等等構成 首先 液晶顯示器必須先利用背光源 也就是螢光燈管投射出光源 這些光源會先經過一個偏光板然后再經過液晶 這時液晶分子的排列方式就會改變穿透液晶的光線角度 然后這些光線還必須經過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板 因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現的光線強度與色彩 這樣就能在液晶面板上變化出有不同色調的顏色組合了 TFT LCD的每個像素點都是由集成在自身上的TFT來控制的 它們是有源像素點 因此 不但反應時間可以極大地加快 起碼可以到80ms左右 對比度和亮度也大大提高了 同時分辨率也得到了空前的提升 因為它具有更高的對比度和更豐富的色彩 熒屏