LCD原理

1. 液晶顯示器（LCD）
目前科技信息產(chǎn)品都朝著輕、薄、短、小的目標(biāo)發(fā)展，在計(jì)算機(jī)周邊中擁有悠久歷史的顯示器產(chǎn)品當(dāng)然也不例外。在便于攜帶與搬運(yùn)為前題之下，傳統(tǒng)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(dá)成使用者的實(shí)際需求。而液晶顯示技術(shù)的發(fā)展正好切合目前信息產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，都能讓使用者享受 佳的視覺環(huán)境。
2. 液晶的誕生
要追溯液晶顯示器的來源，必須先從「液晶」的誕生開始講起。在公元1888年，一位奧地利的植物學(xué)家，菲德烈．萊尼澤（Friedrich Reinitzer）發(fā)現(xiàn)了一種特殊的物質(zhì)。他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(shí)驗(yàn)時(shí)，意外的發(fā)現(xiàn)此種化合物具有兩個(gè)不同溫度的熔點(diǎn)。而它的狀態(tài)介于我們一般所熟知的液態(tài)與固態(tài)物質(zhì)之間，有點(diǎn)類似肥皂水的膠狀溶液，但它在某一溫度范圍內(nèi)卻具有液體和結(jié)晶雙方性質(zhì)的物質(zhì)，也由于其獨(dú)特的狀態(tài)，后來便把它命名為「Liquid Crystal」，就是液態(tài)結(jié)晶物質(zhì)的意思。不過，雖然液晶早在1888年就被發(fā)現(xiàn)，但是真正實(shí)用在生活周遭的用品時(shí)，卻是在80年后的事情了。
公元1968年，在美國RCA公司（收音機(jī)與電視的發(fā)明公司）的沙諾夫研發(fā)中心，工程師們發(fā)現(xiàn)液晶分子會(huì)受到電壓的影響，改變其分子的排列狀態(tài)，并且可以讓射入的光線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。利用此一原理，RCA公司發(fā)明了世界第一臺使用液晶顯示的屏幕。爾后，液晶顯示技術(shù)被廣泛的用在一般的電子產(chǎn)品中，舉凡計(jì)算器、電子表、手機(jī)屏幕、醫(yī)院所使用的儀器（因?yàn)橛休椛溆?jì)量的考慮）或是數(shù)字相機(jī)上面的屏幕等等。
令人玩味的是，液晶的發(fā)現(xiàn)比真空管或是陰極射線管還早，但世人了解此一現(xiàn)象的并不多，直到1962年才有第一本，由RCA研究小組的化學(xué)家喬．卡司特雷諾（Joe Castellano）先生所出版的書籍來描述。而與映像管相同的，這兩項(xiàng)技術(shù)雖然都是由美國的RCA公司所發(fā)明的，卻分別被日本的新力（Sony）與夏普（Sharp）兩家公司發(fā)揚(yáng)光大。
3. 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(tài)和液態(tài)之間，不但具有固態(tài)晶體光學(xué)特性，又具有液態(tài)流動(dòng)特性，所以已經(jīng)可以說是一個(gè)中間相。而要了解液晶的所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，我們必須來解釋液晶的物理特性，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(xué)的觀點(diǎn)來看，可說是一個(gè)具有排列性質(zhì)的液體，依照作用力量不同的方向，應(yīng)該有不同的效果。就好像是將一把短木棍扔進(jìn)流動(dòng)的河水中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過了一會(huì)兒，所有短木棍的長軸都自然的變成與河水流動(dòng)的方向一致，這表示著次黏性 低的流動(dòng)方式，也是流動(dòng)自由能 低的一個(gè)物理模型。
此外，液晶除了有黏性的反應(yīng)外，還具有彈性的反應(yīng)，它們都是對于外加的力量，呈現(xiàn)了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質(zhì)中，必然會(huì)按照液晶分子的排列方式行進(jìn)，產(chǎn)生了自然的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)像。至于液晶分子中的電子結(jié)構(gòu)，都具備著很強(qiáng)的電子共軛運(yùn)動(dòng)能力，所以當(dāng)液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)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(chǎn)品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應(yīng)，藉由外部的電壓控制，再透過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉(zhuǎn)能力來獲得亮暗情況（或著稱為可視光學(xué)的對比），進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。
4. 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(qū)動(dòng)方式來分類可分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（Static）、單純矩陣驅(qū)動(dòng)（Simple Matrix）以及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（Active Matrix）三種。其中，被動(dòng)矩陣型又可分為扭轉(zhuǎn)式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉(zhuǎn)式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示器；而主動(dòng)矩陣型大致可區(qū)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(xì)的分類請參考附圖）
TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉(zhuǎn)原理之不同，在視角、彩色、對比及動(dòng)畫顯示品質(zhì)上有高低程次之差別，使其在產(chǎn)品的應(yīng)用范圍分類亦有明顯區(qū)隔。以目前液晶顯示技術(shù)所應(yīng)用的范圍以及層次而言，主動(dòng)式矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)是以薄膜式晶體管型（TFT）為主流，多應(yīng)用于筆記型計(jì)算機(jī)及動(dòng)畫、影像處理產(chǎn)品。而單純矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前則以扭轉(zhuǎn)向列（TN）、以及超扭轉(zhuǎn)向列（STN）為主，目前的應(yīng)用多以文書處理器以及消費(fèi)性產(chǎn)品為主。在這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術(shù)需求較高，而TN及STN所需的技術(shù)及資金需求則相對較低。
5. 液晶顯示器的運(yùn)作原理
如以上所提，目前液晶顯示技術(shù)大多以TN、STN、TFT三種技術(shù)為主軸，因此我們就這從這三種技術(shù)來探討它們的運(yùn)作原理。
TN型的液晶顯示技術(shù)可說是液晶顯示器中 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(diǎn)來加以改良。同樣的，它的運(yùn)作原理也較其它技術(shù)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(gòu)造圖，括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板。
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(dǎo)電玻璃間，液晶分子會(huì)依配向膜的細(xì)溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場未形成，光線會(huì)順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進(jìn)方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，兩片玻璃間會(huì)造成電場，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現(xiàn)象，叫做扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)，簡稱TNFE（twisted nematic field effect）。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)原理所制成。
STN型的顯示原理也似類似，如下圖，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。
要在這邊說明的是，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(guān)系，以及光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)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(gè)子像素（sub-pixel），分別透過彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)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(huì)顯得較差，不過藉由STN的改良技術(shù)，則可以彌補(bǔ)對比度不足的情況。
6. 液晶屏幕的驅(qū)動(dòng)方式
在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅(qū)動(dòng)電極的方式，都是采用X、Y軸的交叉方式來驅(qū)動(dòng)，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(yīng)時(shí)間可能就會(huì)比較久。而為了讓屏幕顯示一致，整體速度上就會(huì)變慢。講的簡單一點(diǎn)，就好像是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會(huì)感到屏幕閃爍、跳動(dòng)；或著是當(dāng)需要快速3D動(dòng)畫顯示時(shí)，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(huì)有延遲的現(xiàn)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。
為了改善此一情形，后來液晶顯示技術(shù)采用了主動(dòng)式矩陣（active-matrix addressing）的方式來驅(qū)動(dòng)，這是目前達(dá)到高數(shù)據(jù)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(shù)所做成的硅晶體管電極，利用掃描法來選擇任意一個(gè)顯示點(diǎn)（pixel）的開與關(guān)。這其實(shí)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(dǎo)電玻璃上畫上網(wǎng)狀的細(xì)小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關(guān)，在每個(gè)線路相交的地方則有著一弄控制匣，雖然驅(qū)動(dòng)訊號快速地在各顯示點(diǎn)掃瞄而過，但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點(diǎn)得到足以驅(qū)動(dòng)液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成「亮」的對比，不被選擇的顯示點(diǎn)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(yīng)能力的依靠。
7. TFT型液晶顯示器的運(yùn)作原理
TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要的構(gòu)成括了，熒光管、導(dǎo)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，也就是熒光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過液晶，這時(shí)液晶分子的排列方式進(jìn)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(jīng)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 后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，并進(jìn)而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

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