- LCD簡介 網站首頁 技術交流 LCD技術交流 LCD簡介
-
目前科技信息產品都朝著輕、薄、短、小的目標發展，在計算機外設中擁有悠久歷史的顯示器產品當然也不例外。在便于攜帶與搬運為前題之下，傳統的顯示方式如CRT映像管顯示器及LED顯示板等等，皆受制于體積過大或耗電量甚巨等因素，無法達成使用者的實際需求。而液晶顯示技術的發展正好切合目前信息產品的潮流，無論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等優點，都能讓使用者享受最佳的視覺環境。
一、LCD與CRT顯示器的區別
LCD(Liquid Crystal Display)液晶顯示器，以這技術所制造的顯示器厚度比一般的CRT顯示器薄很多，因此在早期主要是用于筆記薄型電腦上，現在市面流行的為TFT-LCD顯示器。TFT為薄膜電晶體，其工作原理是在下面我再為大家解釋。
CRT陰極管顯示器的工作原理與電視機的顯像管差不多，在真空的顯像管中，把在尾端產生的電子照射到前方的磷質顯示器。傳統的CRT顯示器由于需要內藏真空顯像管，因此身形比LCD顯示器大很多，此為LCD液晶顯示器的其中一個優勝之處，由于體積較小，所以放置時的彈性也較大。而次要考慮的就是用家身體健康問題，由于傳統的CRT顯示器內含的電子光束在運作時會產生很多靜電與幅射，因此長期使用，會對眼睛有損害，造成近視等問題產生。而LCD液晶顯示器，由于運作時無須使用電子光束，因此沒有靜電與幅射這兩種影響視力的問題存在。
傳統的CRT顯示器一般所標示的尺寸不是熒光幕的可視范圍，如以一般的15寸顯示器為例，雖然標明的尺寸為15寸，但其真正的可視范圍可能只有14.1寸左右。如17寸的顯示器可能只余下15至16寸的可視范圍。但是LCD液晶顯示屏所標示的尺寸卻是實際的可視范圍，如一般的15.1寸的LCD液晶顯示器的可視范圍是完完全全的15.1寸，可方便用家選擇。
由于現今的LCD液晶顯示器能夠以數字形式運作，但是由于要另購有數字插頭的顯示卡，所以現時的插頭還是以傳統的D-Sub為主。到底使用數字介面有何好處？好處就是如果顯示器與顯示卡雙方也使用數字介面的話，在傳輸的過程中，便不會有信號的流失。同時，由于數字插頭生產時所須使用的元件較少，所以可有助減輕成本。雖然現今大多數的液晶顯示器能兼容現時流行的D-Sub插頭，但其余的類比與數字的顯示器插頭之多卻令人眼花撩亂。是傳統的類比式的顯示器插頭，雖然不論用在傳統的CRT顯示器或是今次的主題LCD顯示器，使用數字化接頭的畫質絕對比傳統類比式的接頭佳。但是如要使用新式的數字插頭便需要購買設有該插頭的顯示卡，大大增加了整體的成本，因此廠商依然在設計時保留D-Sub插頭，但當使用時可能會受干擾而使影像失真。
注：Digital Flat Panel Group是數間電腦公司所組成，其中包括Compaq及Ati這兩間較大的公司。是為數字介面插頭中，最早出現的一種，但是由于其解像度限制于最大只能做到1280x1024，因此未來所推出的高解像度LCD顯示器便不能使用，所以其前景不太明朗。
DVI-Digital Visual Interface為以Intel為主的Digital Display Working Group(DDWG)研究所發明。由于此介面支援Panel Link技術，因此它的速度是DFP的兩倍，同時也能輸出高于1280x1024的解像度，及能與DFP接頭兼容，是現在最流行的數字介面。
二、什么是液晶
液晶顯示器是以液晶材料為基本組件，由于液晶是介于固態和液態之間，不但具有固態晶體光學特性，又具有液態流動特性。而要了解液晶的所產生的光電效應，我們必須來解釋液晶的物理特性，包括它的黏性（visco-sity）與彈性（elasticity）和其極化性（polarizalility）。 液晶的黏性和彈性從流體力學的觀點來看，可說是一個具有排列性質的液體，依照作用力量不同的方向，應該有不同的效果。就好象是將一把短木棍扔進流動的河水 中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過了一會兒，所有短木棍的長軸都自然的變成與河水流動的方向一致，這表示著次黏性最低的流動方式，也是流動自由能 最低的一個物理模型。
此 外，液晶除了有黏性的反應外，還具有彈性的反應，它們都是對于外加的力量，呈現了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質中，必然會按照液晶分子的排列方式 行進，產生了自然的偏轉現像。至于液晶分子中的電子結構，都具備著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應 偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再通過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況（或著稱為可視光學的對比），進而達到顯像的目的。
三、液晶顯示器的種類
液晶顯示器，英文通稱為LCD（Liquid Crystal Display），是屬于平面顯示器的一種，依驅動方式來分類可分為靜態驅動（Static）、單純矩陣驅動（Simple Matrix）以及主動矩陣驅動（Active Matrix）三種。其中，被動矩陣型又可分為扭轉式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動矩陣驅動液晶顯示器；而主動矩陣型大致可區分為薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二種方式。（詳細的分類請參考附表）
TN、STN及TFT型液晶顯示器之比較表
類別
TN
STN
TFT
原理
液晶分子，
扭轉90度
液晶分子，
扭轉180~270度
液晶分子，
扭轉90度以上
特性
黑白、單色
低對比（20：1）
黑白、彩色（26萬色）
低對比，較TN佳
（40：1）
彩色（1667萬色）
高對比，較STN佳
（300：1）
全色彩化
否
否
可媲美CRT之全彩色
動畫顯示
否
否
可與CRT媲美
視角
狹窄（30度以下）
狹窄（40度以下）
較寬（80度以下）
面板尺寸
1~3寸
1~12寸
6~17寸
應用范圍
電子表、計算器、簡單的掌上游戲機
電子字典、移動電話、商務通、低檔筆記本腦
彩色筆記本電腦、投影機、壁掛式彩電
液晶顯示器，英文通稱為LCD（Liquid Crystal Display），是屬于平面顯示器的一種，依驅動方式來分類可分為靜態驅動（Static）、單純矩陣驅動（Simple Matrix）以及主動矩陣驅動（Active Matrix）三種。其中，被動矩陣型又可分為扭轉式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動矩陣驅動液晶顯示器；而主動矩陣型大致可區分為薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二種方式。（詳細的分類請參考附表）
TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理之不同，在視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低程次之差別，使其在產品的應用范圍分類亦有明顯區隔。以目前液晶顯示技術所應用的范圍以及層次而言，主動式矩陣驅動技術是以薄膜式晶體管型（TFT）為主流，多應用于筆記型計算機及動畫、影像處理產品。而單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列（TN）、以及超扭轉向列（STN）為主，目前的應用多以文書處理器以及消費性產品為主。在這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術需求較高，而TN及STN所需的技術及資金需求則相對較低。
四、液晶顯示器的運作原理
如以上所提，目前液晶顯示技術大多以TN、STN、TFT三種技術為主軸，因此我就這從這三種技術來探討它們的運作原理。
1、TN型的液晶顯示器。是液晶顯示器中最基本的，而之后其它種類的液晶顯示器也可說是以TN型為原點來加以改良。同樣的，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。
---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，離開液晶層時，其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，因此光線能順 利通過，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，液晶層因此失去 了旋光的能力，結果來自入射偏光片的偏光，其偏光方向與另一偏光片的偏光方向成垂 直的關系，并無法通過，電極面因此呈現黑暗的狀態。
其 顯像原理是將液晶材料置于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，然后從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之后，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，簡稱TNFE（twisted nematic field effect）。在電子產品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理所制成。
2、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。
要在這里說明的是，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液晶顯示器牽涉液晶材料的關系，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（color filter），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、綠、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型的液晶顯示器如果顯示屏幕做的越大，其屏幕對比度就會顯得較差，不過藉由STN的改良技術，則可以彌補對比度不足的情況。
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，選擇要驅動的部份由水平方 向電壓來控制，垂直方向的電極則負責驅動液晶分子。
在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅動電極的方式，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久。而為了讓屏幕顯示一致，整體速度上就會變慢。講的簡單一點，就好象是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會感到屏幕閃爍、跳動；或著是當需要快速3D動畫顯示時，但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，而且并不適合拿來看電影、或是玩3D游戲。
---主動式矩陣的驅動方式是讓每個畫素都對應一個組電極，它個構造有點像DRAM的回路方式，電壓以掃描的（或稱作一定時間充電）方式，來表示每個畫素的狀態。
為了改善此一情形，后來液晶顯示技術采用了主動式矩陣（active-matrix addressing）的方式來驅動，這是目前達到高資料密度液晶顯示效果的理想裝置，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，利用掃描法來選擇任意一個顯示點（pixel）的開與關。這其實是利用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。
如上圖，在TFT型 液晶顯器中，導電玻璃上畫上網狀的細小線路，電極則由是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則有著一弄控制匣，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得到足以驅動液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉向而成「亮」的對比，不被選擇的顯示點自然就是 「暗」的對比，也因此避免了顯示功能對液晶電場效應能力的依靠。
3、TFT型液晶顯示器的運作原理
TFT型 的液晶顯示器較為復雜，主要的構成包括了，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。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進而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來還 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，并進而能在液晶面板上變化出有不同深 淺的顏色組合了。