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1、TFTLCD 液晶显示器的工作原理(下)Operating principle 三 偏光板(polarizer)我记得在高中时的物理课，当教到跟光有关的物理特性时，做了好多的物理实验，目的是为了要证明光也是一种波动。而光波的行进方向，是与电场及磁场互相垂直的。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.(请见图 7)而偏光板的作用就像是栅栏通常，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。因此假如我们拿起一片偏光板对着光源看，会感受像是戴了太阳眼镜通常，光线变得较暗。但是假如把两片偏光板迭在一起，那就不一样了。当您旋转两片
2、的偏光板的相对角度，会发现随着相对角度的不一致，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.(请见图 8)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，充满液晶，再利用电场操纵液晶转动，来改变光的行进方向，如此一来，不一致的电场大小，就会形成不一致灰阶亮度了。(请见图 9)四 上下两层玻璃与配向膜(alignment film)这上下两层玻璃要紧是来夹住液晶用的。在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管(Thin film transistor，TFT)，而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter)。假如您注意到的话(请见图
3、 3)，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。这个沟槽的要紧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。由于假如是光滑的平面，液晶分子的排列便会不整齐，造成光线的散射，形成漏光的现象。事实上这只是理论的说明，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，通常会在玻璃的表面上涂布一层 PI(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
4、的功用就像图 3 中玻璃的凹槽一样，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。五 TN(Twisted Nematic)LCD 从图 10 中我们能够明白，当上下两块玻璃之间没有施加电压时，液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。关于 TN 型的液晶来说，上下的配向膜的角度差恰为 90 度.(请见图9)因此液晶分子的排列由上而下会自动旋转 90 度，当入射的光线通过上面的偏光板时，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，因此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.(
5、请见图 9)因此光线便能够顺利的通过，但是假如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，因此当液晶分子受电场影响时，其排列方向会倾向平行于电场方向.)，因此我们从图 10 中便能够看到，液晶分子的排列都变成站立着的。如今通过上层偏光板的单方向的极化光波，通过液晶分子时便不可能改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。Normally white 及 normally black 所谓的 NW(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，
6、因此才叫做 normally white。而反过来，当我们对液晶面板不施加电压时，假如面板无法透光，看起来是黑色的话，就称之为 NB(Normally black)。我们刚才所提到的图 9 及图 10 都是属于 NW 的配置，另外从图 11 我们能够明白，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一致而已。对 NB 来说，其上下偏光板的极性是互相平行的。因此当 NB 不施加电压时，光线会由于液晶将之旋转 90 度的极性而无法透光。为什幺会有 NW 与 NB 这两种不一致的偏光板配置呢?要紧是为了不一致的应用环境。通常应
7、用于桌上型计算机或者是笔记型计算机，大多为 NW 的配置。那是由于，假如你注意到通常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。也由于 NW 的亮点不需要加电压，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。六 STN(Super Twisted Nematic)型 LCD STN LCD 与 TN 型 LCD 在结构上是很相似的，其要紧的差别在于 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
8、的角度会大于 180 度，通常为 270 度.(请见图 12)正由于其旋转的角度不一样，其特性也就跟着不一样。我们从图 13 中 TN 型与 STN 型 LCD 的电压对穿透率曲线能够明白，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。因此它们是属于 Normal 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，是利用电压来操纵灰阶的变化。而在
9、此 TN 与 STN 的不一致特性，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。因此通常 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(response time)通常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。十一 开口率(Aperture
10、ratio)液晶显示器中有一个很重要的规格就是亮度，而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率是什幺呢?简单的来说就是光线能透过的有效区域比例。我们来看看图 17，图 17 的左边是一个液晶显示器从正上方或者是正下方看过去的结构图。当光线经由背光板发射出来时，并不是所有的光线都能穿过面板，像是给 LCD source 驱动芯片及 gate 驱动芯片用的信号走线，与 TFT 本身，还有储存电压用的储存电容等等。这些地方除了不完全透光外，也由于通过这些地方的光线 并不受到电压的操纵，而无法显示正确的灰阶，因此都需利用 black matrix 加以遮蔽，以免干扰到其它透光区域的正确亮度。因此有效的透
11、光区域，就只剩下如同图 17 右边所显示的区域而已。这一块有效的透光区域，与全部面积的比例就称之为开口率。当光线从背光板发射出来，会依序穿过偏光板，玻璃，液晶，彩色滤光片等等。假设各个零件的穿透率如下列所示：偏光板：50%(由于其只准许单方向的极化光波通过)玻璃：95%(需要计算上下两片)液晶：95%开口率：50%(有效透光区域只有一半)彩色滤光片：27%(假设材质本身的穿透率为 80%，但由于滤光片本身涂有色彩，只能容许该色彩的光波通过。以 RGB 三原色来说，只能容许三种其中一种通过。因此仅剩下三分之一的亮度。因此总共只能通过 80%*33%=27%.)以上述的穿透率来计算，从背光板出发的光线只会剩下 6%，实在是少的可怜。这也是为什幺在 TFT LCD 的设计中，要尽量提高开口率的原因。只要提高开口率，便能够增加亮度，而同时背光板的亮度也不用那幺高，能够节约耗电及花费。